應(yīng)用免穿絲型電火花線(xiàn)切割機(jī)床加工汽車(chē)連桿裂解槽實(shí)驗(yàn)研究

黎毅鋒, 劉俊, 何鑫

(1. 佛山職業(yè)技術(shù)學(xué)院,廣東佛山 528137; 2. 廣東工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,廣州 510006)

電火花線(xiàn)切割作為汽車(chē)連桿裂解槽加工方式的一種,不僅能夠克服機(jī)械拉削對(duì)刀具損傷的問(wèn)題[1-3],而且設(shè)備制造成本比激光加工器低,針對(duì)不同型號(hào)的連桿裂解槽加工時(shí)無(wú)需像激光加工一樣反復(fù)調(diào)節(jié)離焦量[4-5],具有良好的應(yīng)用前景。

但是運(yùn)用傳統(tǒng)的快走絲型電火花線(xiàn)切割機(jī)床加工連桿裂解槽需要來(lái)回反復(fù)穿絲,每加工一根連桿所用時(shí)間為3～5 min[6],且只能在同一時(shí)間內(nèi)對(duì)連桿大頭孔內(nèi)表面單側(cè)裂解槽進(jìn)行切割加工[7],容易造成連桿因受殘余應(yīng)力的影響而導(dǎo)致后續(xù)脹斷過(guò)程中大頭孔變形等問(wèn)題。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題,廣東工業(yè)大學(xué)的EDM團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一種免穿絲型電火花線(xiàn)切割機(jī)床[6,8],能實(shí)現(xiàn)同時(shí)對(duì)連桿大頭孔內(nèi)表面雙側(cè)裂解槽切割加工,且能實(shí)現(xiàn)連續(xù)加工,無(wú)需來(lái)回反復(fù)穿絲,加工一根連桿的裂解槽所需時(shí)間縮短為20 s,經(jīng)實(shí)驗(yàn)檢測(cè),該機(jī)床至少能連續(xù)切割100根連桿以上不斷絲,具有良好的應(yīng)用前景。根據(jù)該機(jī)床結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ),團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步研制了新一代免穿絲型電火花線(xiàn)切割機(jī)床-雙工位倒立式連桿裂解槽電火花線(xiàn)切割機(jī)床[9-10],在原有的機(jī)床的基礎(chǔ)上再增加一個(gè)工位,能夠?qū)崿F(xiàn)同時(shí)對(duì)兩根連桿的大頭孔內(nèi)表面雙側(cè)裂解槽進(jìn)行切割加工,對(duì)連桿的生產(chǎn)效率至少提高了一倍以上。

為了研究免穿絲型電火花線(xiàn)切割機(jī)床加工連桿裂解槽的效果,實(shí)驗(yàn)研究以新一代免穿絲型機(jī)床為基礎(chǔ),分別探討不同工藝參數(shù)組合下機(jī)床單工位切割加工、雙工位切割加工對(duì)連桿裂解槽的加工質(zhì)量及效率問(wèn)題。

1 電火花線(xiàn)切割加工后的連桿裂解槽形貌

連桿裂解槽的制作目的在于連桿裂解時(shí)形成缺口效應(yīng),提高裂解應(yīng)力集中水平,保證連桿能夠?qū)崿F(xiàn)脆性裂解[11-12]。與激光加工和機(jī)械拉削后裂解槽[13-14]不同(見(jiàn)圖1a)),經(jīng)電火花線(xiàn)切割加工后連桿裂解槽呈“U”字形,如圖1b)所示。

圖1 兩種不同加工方式的連桿裂解槽形貌

根據(jù)文獻(xiàn)[15]所述,經(jīng)激光加工后裂解槽外側(cè)裂解力最大,隨著張角θ的減少,在裂解槽底部裂解力最小,故減少?gòu)埥铅群偷撞恐睆紻有利于連桿裂解。而由于電火花線(xiàn)切割加工后裂解槽為“U”型槽,無(wú)張角θ,裂解力均集中于裂解槽底部,連桿發(fā)生脆性裂解的效果更好。從斷裂效率以及裂解效果分析,要求連桿裂解槽槽深H大,槽寬W小,更有利于提高裂解力集中系數(shù),降低裂解力,提高連桿裂解質(zhì)量。實(shí)際連桿大頭孔內(nèi)表面雙側(cè)裂解槽加工后如圖2所示。

圖2 連桿大頭孔內(nèi)表面雙側(cè)裂解槽實(shí)際加工效果

2 新一代免穿絲型電火花線(xiàn)切割機(jī)床簡(jiǎn)介

雙工位倒立式連桿裂解槽電火花線(xiàn)切割機(jī)床為團(tuán)隊(duì)所研發(fā)的新一代免穿絲型電火花線(xiàn)切割機(jī)床[9],該機(jī)床不僅繼承了前代機(jī)床(如圖3所示)免穿絲的特點(diǎn),而且能同時(shí)對(duì)兩根連桿的大頭孔內(nèi)表面雙側(cè)裂解槽進(jìn)行切割加工,并解決了前代機(jī)床由于自下往上供液而導(dǎo)致的供液不足、極間間隙嚴(yán)重氣化等問(wèn)題,機(jī)床原理圖如圖4所示。

圖3 前代機(jī)床

圖4 雙工位倒立式連桿裂解槽電火花線(xiàn)切割機(jī)床

該機(jī)床的特點(diǎn)在于通過(guò)使用一根電極絲對(duì)兩個(gè)工位的連桿大頭孔內(nèi)表面雙側(cè)裂解槽進(jìn)行同時(shí)切割加工。這樣不僅能夠抑制切割過(guò)程中所產(chǎn)生的殘余應(yīng)力,而且能進(jìn)一步地提高連桿的生產(chǎn)效率,為以后的多工位同步電火花線(xiàn)切割的實(shí)現(xiàn)提供實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ),其切割加工過(guò)程如圖5所示。

圖5 機(jī)床切割加工連桿裂解槽過(guò)程

3 連桿裂解槽加工要求及實(shí)驗(yàn)分析

本實(shí)驗(yàn)是在雙工位倒立式連桿裂解槽電火花線(xiàn)切割機(jī)床上完成的。為了達(dá)到連桿裂解時(shí)發(fā)生的脆性裂斷效應(yīng),降低連桿大頭孔塑性變形量,要求裂解槽槽深H大,槽寬W小,經(jīng)查閱資料發(fā)現(xiàn),當(dāng)槽深H≥1 mm時(shí),裂解力下降緩慢[15-16],同時(shí)參考文獻(xiàn)[17]以及連桿裂解實(shí)驗(yàn)得知,要求連桿裂解槽槽深0.4～0.7 mm,底部直徑D≤0.3 mm,此時(shí)連桿容易發(fā)生脆性裂解,裂解后大頭孔直徑失圓程度≤0.08 mm,滿(mǎn)足裝配要求。由于本次實(shí)驗(yàn)采用山東光明牌0.18 mm電極絲進(jìn)行切割加工,根據(jù)圖1b)得知,經(jīng)線(xiàn)切割后連桿裂解槽底部直徑D與槽寬基本保持一致,因此本實(shí)驗(yàn)以裂解槽槽寬W代替底部直徑D。

目前國(guó)內(nèi)外主流使用的連桿材料為C70S6[18-19],但由于實(shí)驗(yàn)室連桿儲(chǔ)存量少,為了節(jié)省連桿,選擇導(dǎo)電性能與之相近的45#鋼條作為實(shí)驗(yàn)樣品,加工時(shí)間參考前代機(jī)床設(shè)定為20 s,實(shí)驗(yàn)條件如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)條件

3.1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)的選擇

該實(shí)驗(yàn)選擇團(tuán)隊(duì)研發(fā)的雙路分時(shí)脈沖輸出電源[20],該電源只能對(duì)脈沖電壓、脈寬以及脈沖周期進(jìn)行調(diào)節(jié),因此實(shí)驗(yàn)選取脈沖電壓(V)、卷絲筒運(yùn)絲頻率(Hz)、脈寬(μs)、脈沖周期(μs)作為工藝參數(shù),建立不同參數(shù)組合的正交實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證電火花線(xiàn)切割機(jī)床加工效率,因素水平表如表2所示。為了準(zhǔn)確測(cè)量實(shí)驗(yàn)樣品裂解槽,每組工藝參數(shù)組合分別加工3條裂解槽,通過(guò)激光共聚焦顯微鏡測(cè)其槽深和槽寬,取其平均值,確定最優(yōu)工藝參數(shù)組合。

表2 實(shí)驗(yàn)因素水平表

3.2 單工位加工實(shí)驗(yàn)研究

單工位切割加工實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示,通過(guò)對(duì)表3進(jìn)行極差分析(表4、表5)可以得出,對(duì)實(shí)驗(yàn)樣品槽深H的影響顯著度為運(yùn)絲頻率>電壓>脈沖周期>脈寬;而對(duì)槽寬W影響顯著度為脈沖周期>脈寬>電壓>運(yùn)絲頻率。

表3 單工位加工實(shí)驗(yàn)

表4 實(shí)驗(yàn)樣品槽深H極差分析表

表5 實(shí)驗(yàn)樣品槽寬W極差分析表

從顯著度可以看出,對(duì)運(yùn)絲頻率(Hz)對(duì)槽深H影響顯著,而脈沖周期(μs)對(duì)槽寬W影響顯著。根據(jù)這兩個(gè)工藝參數(shù)分別繪制如圖6所示的折線(xiàn)圖。

圖6 實(shí)驗(yàn)樣品槽深H與槽寬W的變化

可以看出,隨著運(yùn)絲頻率的增加,裂解槽槽深先減少后增加,在25 Hz時(shí)達(dá)到最小值,分析其原因,是因?yàn)楫?dāng)運(yùn)絲頻率由20 Hz上升到25 Hz時(shí),電極絲振動(dòng)幅度增加,間隙放電短路率上升;而當(dāng)運(yùn)絲頻率從25 Hz上升至30 Hz過(guò)程中,電極絲運(yùn)絲速度不斷增大,將更多工作液帶入放電間隙中進(jìn)行冷卻,使加工間隙又恢復(fù)正常放電狀態(tài),裂解槽槽深增加。脈沖周期越大,單個(gè)脈沖放電持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng),因此裂解槽槽寬越大。為了在有限時(shí)間內(nèi)獲得質(zhì)量高的裂解槽,選擇電壓90 V、運(yùn)絲頻率20 Hz、脈寬30 μs、脈沖周期100 μs。

3.3 雙工位加工實(shí)驗(yàn)研究

雙工位加工實(shí)驗(yàn)分為兩部分:第一部分為模擬不同型號(hào)連桿的裂解槽同時(shí)切割加工情況;第二部分是同一型號(hào)連桿裂解槽同時(shí)切割加工。

3.3.1 不同型號(hào)連桿裂解槽線(xiàn)切割驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證機(jī)床能夠同時(shí)對(duì)兩根不同型號(hào)的連桿裂解槽進(jìn)行切割加工,設(shè)計(jì)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn),其中左工位實(shí)驗(yàn)樣品靠近切槽桿模塊,右工位實(shí)驗(yàn)樣品遠(yuǎn)離切槽桿模塊,如圖7所示,模擬不同型號(hào)連桿大頭孔兩側(cè)與電極絲之間距離的差異。由于切槽桿模塊兩側(cè)放電量一致,因此本實(shí)驗(yàn)只做單側(cè)裂解槽切割加工,工藝參數(shù)方面選擇電壓100 V、運(yùn)絲頻率20 Hz、脈寬40 μs、脈沖周期110 μs加工時(shí)間選擇30 s,其他實(shí)驗(yàn)條件與表1相同。

圖7 雙工位實(shí)驗(yàn)樣品初始位置

經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)得左工位實(shí)驗(yàn)樣品裂解槽槽深H為0.789 mm、槽寬W為0.213 mm;右工位實(shí)驗(yàn)樣品槽深H為0.695 mm,槽寬W為0.210 mm。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,經(jīng)改良后的電火花線(xiàn)切割機(jī)床能夠適應(yīng)不同型號(hào)的連桿裂解槽切割加工,無(wú)需調(diào)節(jié)電極絲與連桿的相對(duì)位置,具有良好的應(yīng)用性。但由于不同型號(hào)的連桿大頭孔半徑r是不同的,所以完成切割加工時(shí)間長(zhǎng),經(jīng)加工后兩種不同型號(hào)的連桿裂解槽槽深和槽寬存在細(xì)微差異。

3.3.2 同型號(hào)連桿裂解槽雙工位加工實(shí)驗(yàn)

同型號(hào)連桿裂解槽雙工位加工實(shí)驗(yàn)主要驗(yàn)證電火花線(xiàn)切割能否同時(shí)切割加工兩根連桿大頭孔內(nèi)表面雙側(cè)裂解槽,實(shí)驗(yàn)條件與單工位加工實(shí)驗(yàn)相同。根據(jù)前期實(shí)驗(yàn),團(tuán)隊(duì)所研發(fā)的雙路分時(shí)脈沖輸出電源能夠保證同一時(shí)間內(nèi)只有一路脈沖輸出,輸出波形如圖8所示,解決兩個(gè)工位間電能分配不均勻問(wèn)題。雙工位加工實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

圖8 雙路分時(shí)脈沖輸出電源輸出波形

表6 同型號(hào)連桿裂解槽雙工位加工實(shí)驗(yàn)

3.3.3 同型號(hào)連桿裂解槽雙工位加工實(shí)驗(yàn)分析

1) 左右工位實(shí)驗(yàn)樣品裂解槽槽深分析

對(duì)表6實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析,得出如表7和表8兩個(gè)工位實(shí)驗(yàn)樣品裂解槽槽深H極差分析表,并根據(jù)極差值進(jìn)行排序,得出各工藝參數(shù)對(duì)裂解槽槽深H的影響顯著度。

表8 右工位實(shí)驗(yàn)樣品裂解槽槽深H極差分析表

由表7和表8可以看出,對(duì)左右工位實(shí)驗(yàn)樣品裂解槽槽深影響最顯著的是電源電壓。與單工位加工不同,雙工位加工時(shí)電源電壓是平均分配到兩個(gè)工位實(shí)驗(yàn)樣品中,在總電能不變的情況下,負(fù)載由一個(gè)變成了兩個(gè),因此電壓與電流均發(fā)生改變,瞬時(shí)電壓值的高低影響裂解槽槽深。如圖9所示,可以看出,電源電壓從90 V上升至100 V過(guò)程中,裂解槽槽深上升明顯,而超過(guò)100 V后上升趨緩,這是由于此時(shí)電源電壓過(guò)高,裂解槽槽內(nèi)產(chǎn)生大量的蝕除產(chǎn)物無(wú)法有效排出,導(dǎo)致間隙短路率增大,加工進(jìn)程趨緩,因此,選擇100 V為有效加工電壓。

圖9 兩個(gè)工位實(shí)驗(yàn)樣品裂解槽槽深H變化圖

2) 左右工位實(shí)驗(yàn)樣品裂解槽槽寬分析

同理,根據(jù)表6實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出表7兩個(gè)工位實(shí)驗(yàn)樣品裂解槽槽寬W極差分析表，如表9和表10所示。

表9 左工位實(shí)驗(yàn)樣品裂解槽槽寬W極差分析表

表10 右工位實(shí)驗(yàn)樣品裂解槽槽寬W極差分析表

根表9和表10可得,左工位實(shí)驗(yàn)樣品裂解槽槽寬受電源脈寬影響顯著,右工位實(shí)驗(yàn)樣品裂解槽槽寬受電源電壓影響顯著,結(jié)合圖9可知,雙路分時(shí)脈沖輸出電源雖然能平均分配電能,但不能保證瞬時(shí)電能分配均勻。顯然,雙工位加工時(shí),裂解槽槽深與槽寬受瞬時(shí)電能影響,且右工位實(shí)驗(yàn)樣品裂解槽加工時(shí)獲得的瞬時(shí)電能比左工位多,故其受電源電壓影響較大,而左工位則需要更長(zhǎng)的脈寬才能保證裂解槽質(zhì)量與右工位一致。

圖10為兩個(gè)工位實(shí)驗(yàn)樣品裂解槽槽寬變化過(guò)程,可以看出左工位裂解槽槽寬在脈寬30～40 μs內(nèi)變化顯著,結(jié)合前述槽深分析,可以得知由于槽內(nèi)蝕除產(chǎn)物較多,導(dǎo)致極間間隙無(wú)法發(fā)生消電離,放電加工不穩(wěn)定,裂解槽槽寬上升。同理右工位在100～110 V明顯比90～100 V時(shí)槽寬上升明顯。

圖10 兩個(gè)工位實(shí)驗(yàn)樣品裂解槽槽寬W變化圖

綜上所述,結(jié)合槽深與槽寬分析,選擇電壓100 V、運(yùn)絲頻率20 Hz、脈寬30 μs、脈沖周期100 μs為同型號(hào)連桿裂解槽雙工位加工最優(yōu)工藝參數(shù)組合,裂解槽形貌如圖11所示。

圖11 兩個(gè)工位實(shí)驗(yàn)樣品裂解槽形貌

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論及展望

對(duì)比單工位加工實(shí)驗(yàn)與同型號(hào)連桿裂解槽雙工位加工實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),單工位加工連桿大頭孔內(nèi)表面裂解槽槽深與槽寬比雙工位加工大,分析其原因,單工位加工時(shí)總電能加載到單個(gè)實(shí)驗(yàn)樣品上,而雙工位加工時(shí)總電能均勻分配到兩個(gè)實(shí)驗(yàn)樣品上,且右工位實(shí)驗(yàn)樣品獲得的瞬時(shí)電能比左工位大,因此較左工位裂解槽槽深與槽寬要大。

與激光加工相比,電火花線(xiàn)切割加工連桿大頭孔裂解槽所用時(shí)間長(zhǎng)(激光加工用時(shí)為5～7 s),但由于激光加工設(shè)備昂貴,加工后容易在裂解槽槽內(nèi)產(chǎn)生硬質(zhì)熔融物,裂解時(shí)容易造成連桿掉渣、夾屑等問(wèn)題,且面對(duì)不同型號(hào)批次的連桿生產(chǎn)時(shí)需要反復(fù)調(diào)節(jié)離焦量,因此采用電火花線(xiàn)切割方式加工連桿裂解槽無(wú)疑是最佳選擇。上述實(shí)驗(yàn)組大部分均在20 s之內(nèi)達(dá)到連桿裂解槽加工要求,后續(xù)考慮改進(jìn)供液冷卻方式以及應(yīng)用恒張力裝置,縮短連桿裂解槽加工時(shí)間。

5 結(jié)論

1) 根據(jù)單工位加工實(shí)驗(yàn),運(yùn)絲頻率對(duì)實(shí)驗(yàn)樣品裂解槽槽深影響顯著,而脈沖周期對(duì)實(shí)驗(yàn)樣品裂解槽槽寬影響顯著。隨著運(yùn)絲頻率的上升,實(shí)驗(yàn)樣品裂解槽槽深先減少后增加,而槽寬隨著脈沖周期的上升而增大。為了在有限時(shí)間內(nèi)獲得高質(zhì)量的裂解槽,選擇電壓90 V、運(yùn)絲頻率20 Hz、脈寬30 μs、脈沖周期100 μs為最優(yōu)參數(shù)組合。

2) 針對(duì)不同型號(hào)連桿的裂解槽加工問(wèn)題,設(shè)計(jì)了左工位實(shí)驗(yàn)樣品靠近切槽桿模塊,右工位實(shí)驗(yàn)樣品遠(yuǎn)離切槽桿模塊的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)證明電火花線(xiàn)切割工藝能夠適應(yīng)不同型號(hào)的連桿裂解槽生產(chǎn),但由于不同型號(hào)連桿大頭孔半徑不同,所以?xún)蓚€(gè)實(shí)驗(yàn)樣品裂解槽槽深與槽寬存在明顯差異。

3) 對(duì)于同型號(hào)連桿裂解槽雙工位加工實(shí)驗(yàn),電壓為主要影響實(shí)驗(yàn)樣品裂解槽槽深,當(dāng)電壓值超過(guò)100 V后,槽內(nèi)產(chǎn)生的蝕除產(chǎn)物無(wú)法有效排出,影響加工的進(jìn)行。運(yùn)絲頻率為左工位實(shí)驗(yàn)樣品裂解槽槽寬顯著影響因素,電壓為右工位實(shí)驗(yàn)樣品裂解槽槽寬顯著影響因素,同理,左工位實(shí)驗(yàn)樣品裂解槽槽寬在脈寬30 ～40 μs內(nèi)槽內(nèi)蝕除產(chǎn)物較多,放電加工不穩(wěn)定,槽寬上升明顯。選擇電壓100 V、運(yùn)絲頻率20 Hz、脈寬30 μs、脈沖周期100 μs為同型號(hào)連桿裂解槽雙工位加工最優(yōu)工藝參數(shù)組合。

4) 大部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果均符合連桿裂解槽加工要求。與激光加工相比,盡管所用時(shí)間較長(zhǎng),但電火花線(xiàn)切割所用設(shè)備成本低,維護(hù)方便,經(jīng)加工后裂解槽槽內(nèi)無(wú)硬質(zhì)熔融物,針對(duì)不同型號(hào)批次連桿生產(chǎn)時(shí)無(wú)需調(diào)節(jié)電極絲與連桿的相對(duì)位置。經(jīng)電火花線(xiàn)切割加工后的連桿裂解合格率高,具有良好的應(yīng)用前景。