电火花线切割加工连杆裂解槽技术研究
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am ong cutt ing speed and pow er supply par am et ers w as investig at ed, and it is discovered t hat microcracks in bo tt om of no tch ar e g reat ly ef f ect on fracture split ting process, a new idea of act ive cont rolling micr o- crack w as also present ed. F inally, reasons of fr act ure split t ing o nly one side and w ir e electr ode cracking w ere analy zed, and fracture split t ing m achining w as carried out.
施。研究了电源参数对切槽速度的影响, 发现裂解槽底部微裂纹对裂解加工的重要影响, 并提出微裂纹
主动控制的新思路。最后, 分析了单边裂开和发生断丝现象的原因, 并成功进行了裂解加工验证试验。
关键词: 电火花线切割; 连杆; 裂解槽; 微裂纹
中图分类号: T G661
文章编号: 1004 132X( 2010) 10 1240 06
针对裂解槽加工难题, 本文提出了一套全新 的解决方案, 即电火花线切割加工汽车连杆裂解 槽技术。
1 连杆裂解加工技术
传统的连杆 加工采 用分体加 工工艺, 用铣、 拉、磨等方法分别加工连杆体和连杆盖的接合面; 粗加工及半精加工连杆体、大头孔、小头孔; 精加 工连杆盖的定位销孔及连杆体的螺栓孔; 装配连 杆体与连杆盖, 精加工大头孔和小头孔[ 7] 。
图 4 加工控制流程图
保证整个切槽过程顺畅。控制系统可精确判断切 割槽的深度是否达到预期值, 此时单边切槽任务 完成。完成单边槽切割后, 工作台快速回退至另一 侧初始切割点位置, 再重复上述的控制过程, 当完 成另一侧裂解槽切割后, 工作台回复至初始原点 位置。至此, 双侧完全对称的裂解槽加工全部完 成, 取出连杆, 再循环进行下一件连杆的加工。
试验原型机采用专门研制的高速走丝线切割 机床, 选用 矩 形脉 冲 波电 源, 使 用 0 18mm 钼 丝, 试验所用的材料为 C70S6BY 非调质钢, 试件 厚度 为 6mm, 采 用 乳 化 工 作 液 ( 体 积 分 数 为 12% ) 。切槽时, 钼丝的排丝宽度为 200m m, 丝速 为 9m/ s。 3. 1. 2 电参数对工艺指标的影响
Research on Machining Notches of Connecting Rod by WEDM L iu Xiaoning T ang Yongjun Zhang Yongjun
Guangdong Univer sit y of T echnolog y, Guang zhou, 510006 Abstract: In order t o resolve t he problem of connecting ro d no t ches machining, a new process of WEDM w as present ed, pr ocessing par am et ers of not ch w ere analyzed, and pro ject of machining not ch using WEDM w as int roduced, including measur es t o achieve g ood qualit y not ch. T he relat io nship
会极大降低; 另一种更致命的情况是在短路回退
被识别之前, 工作台已经运动到目标位置点而进 行整个切槽过程的原点复位, 此时的切槽深度因
达不到要求而出现次品。
( 4) 在保证上述三个条件的基础上, 通过专门 的软件模块控制工作台的运行轨迹, 以实现双侧
裂解槽的等深度加工。具体程序控制流程如图 4
所示。机床首先对各加工参数进行初始化, 工作台
2 裂解槽线切割加工方法
2. 1 裂解槽的参数要求 连杆裂解加工关键技术是加工预制裂解槽、
裂解加工连杆大头孔及定扭矩装配螺栓三道核心 工序的自动化生产工艺与装配。而连杆大头孔预 制裂解槽尺寸、加工方法、加工质量对裂解技术的 先进性、实用性以及连杆质量的影响至关重要, 是 连杆裂解加工成功的基础与前提。
连杆裂解加工技术具体工艺过程是: 在连 杆毛坯大头孔的断裂线处预先加工出两条对称 V 形裂解槽, 形成初始断裂源; ! 在裂解专用设备上 对连杆大头内孔侧面施加径向力, 使裂纹由内孔 向外不断扩展直至完全裂解, 最终连杆盖从连杆 本体上涨断而分离出来; ∀ 在裂解专用设备上, 再 将裂解分离后的连杆盖与本体精确复位, 最后在 断裂面完全啮合的条件下, 完成螺栓工序及其他
Key words: w ire elect ric discharge machine( WEDM ) ; connecting rod; not ch; micro- crack
0 引言
裂解技术 因在经济性和质 量方面的 显著优 势, 已成为连杆加工发展的必然趋势[ 1] 。裂解技 术完全克服了连杆传统制造工艺上的缺点, 通过 在连杆大头曲轴孔适当位置预制裂解槽, 再施加 径向 裂解力, 实现连杆体和 盖的脆性断裂剖分。 以自然形成的粗糙断裂面实现连杆体和盖的三维 精确定位, 无须加工[ 2] 。与传统连杆加工技术相 比, 裂解加工的 连杆 总生产 成本可 降低 15% ~ 20% , 且该工艺可大幅提高产品质量[ 3] 。
在整个裂解工艺中, 连杆大头曲轴孔裂解槽 加工质量对裂解质量的影响至关重要, 是裂解加 工成功的前提与关键[ 4] 。大头曲轴孔中心两侧的 裂解槽槽深、槽宽应严格一致, 尽量减小其几何参 数的偏差, 保证同时裂开, 以获得高质量的断裂面 的啮合特性[ 5 6] 。
裂解槽加工最初采用拉削方法, 但该工艺由 于其固有缺陷现已基本被淘汰。激光加工裂解槽 是利用数控激光束进行切割的, 其特点是: 加工效 率高、无工具损耗, 但激光加工易在靠近裂解槽处
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( 2) 加工电流对切割速度的影响。加工条件: 脉冲宽度为 16 s, 电压为 80V, 脉冲间隔为 4 倍 脉冲宽度。图 6 所示为加工电流对切割速度的影 响规律。由图 6 可以看出, 加工电流加大, 切割速 度提高, 同时电极丝损耗也会变大。当加工电流 加到 1+ 2+ 3 挡( 约 2A) 时, 两种方式切割速度均 达到较大值, 符合一般金属材料的加工规律。
3 试验与讨论
3. 1 裂解槽线切割加工试验 影响线切割加工裂解槽速度的因素很多, 如
机床精度、脉冲电源的性能、工作液性能、电极丝 和工件材料等, 其中脉冲电源参数的影响最大, 主 要包括间隙电压、加工电流、脉冲宽度、脉冲间隔 等。本试验采用单因素试验法, 即在其他各工艺 参数不变的情况下, 依次改变空载电压、加工电流 和脉冲宽度等, 分别测出机床单边切割窄槽的加 工速度, 然后进行试验结果及现象分析。 3. 1. 1 试验条件
收稿日期: 2009 12 22 基金项目: 国家自然科学基金资助项目( 50805026) ; 中国博士后 科学基金资助项目( 20090450851) ; 广东省自然科学博士启动基 金资助项目( 8451009001001416)
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黏附熔渣形成硬质点, 造成后续精镗时刀具崩刃; 激光对焦繁琐, 对焦不精确易导致裂解时出现爆 口缺陷; 其加工的裂解 槽宽度 在0. 1~ 0. 3mm 范 围内变化, 裂解槽宽度的波动易造成产品质量不 稳定; 其设备一次性投入价格昂贵且使用维护成 本高。
电火花线切割加工连杆裂解槽技术研究 刘晓宁 唐勇军 张永俊
后续加工工序[ 8 9] 。连杆传统加工与裂解加工对 比示意图如图 1 所示。
( a) 传统方法
( b) 裂解方法 图 1 连杆传统加工与裂解加工对比示意图
与传统加工方法相比较, 裂解加工使裂解的 连杆盖、杆接合面具有完全啮合的交错结构, 改善 了接合面的接合质量, 不需再进行接合面的加工, 省去分离面的拉削与磨削等工序, 同时简化了连 杆螺栓孔的结构设计和整体加工工艺, 降低了螺 栓孔的加工精度要求。此外, 减小了连杆总成的 大头孔变形, 使连杆承载能力、抗剪能力与装配质 量大幅度提高。因此, 采用连杆裂解工艺具有加 工工序少、节省机床设备投资、减小设备占地面 积、降低刀具费用、节省能源、提高产品质量、降低 生产成本等优点[ 8, 10] 。
本试验关心的工艺指标是切割速度, 主要研 究电参数对切割速度的影响。将开发的 PL C 控 制系统与普通线切割机床的加工切割效率进行了 对比。为方便 起见, 用 E 表示长 风牌 线切 割机 床, 用 F 表示本文研制的专用连杆切槽机床 PL C 控制系统。
( 1) 脉冲宽度对切割速度的影响。加工条件: 电流为 1 挡( 1A) , 电压为 80V, 脉冲间隔为 4 倍 脉冲宽度。可得到图 5 所示的工 艺规律。从图 5
示, 连 杆放置 于水平 工
作台上, 靠连杆自重保
证其与工作台紧密贴
合, 此 时连杆 内孔中 心
线与水平面垂直; 电极 丝从连杆大头曲轴孔内
图 3 连杆裂解槽线 切割加工方式
穿过, 导轮和丝线固定, 通过工作台的水平双向运动便可切割出预期的裂
解槽。为保证连杆大头曲轴孔中心两侧的裂解槽
槽深、槽宽严格一致, 采取如下措施: ( 1) 保证电极丝和机床工作台的位置精度, 两
中国机械工程第 21 卷第 10 期 2010 年 5 月下半月
电火花线切割加工连杆裂解槽技术研究
刘晓宁 唐勇军 张永俊
广东工业大学, 广州, 510006
摘要: 针对汽车连杆裂解槽加工的难题, 提出了一种电火花线切割加工的全新工艺方法。分析了裂
施。研究了电源参数对切槽速度的影响, 发现裂解槽底部微裂纹对裂解加工的重要影响, 并提出微裂纹
主动控制的新思路。最后, 分析了单边裂开和发生断丝现象的原因, 并成功进行了裂解加工验证试验。
关键词: 电火花线切割; 连杆; 裂解槽; 微裂纹
中图分类号: T G661
文章编号: 1004 132X( 2010) 10 1240 06
针对裂解槽加工难题, 本文提出了一套全新 的解决方案, 即电火花线切割加工汽车连杆裂解 槽技术。
1 连杆裂解加工技术
传统的连杆 加工采 用分体加 工工艺, 用铣、 拉、磨等方法分别加工连杆体和连杆盖的接合面; 粗加工及半精加工连杆体、大头孔、小头孔; 精加 工连杆盖的定位销孔及连杆体的螺栓孔; 装配连 杆体与连杆盖, 精加工大头孔和小头孔[ 7] 。
图 4 加工控制流程图
保证整个切槽过程顺畅。控制系统可精确判断切 割槽的深度是否达到预期值, 此时单边切槽任务 完成。完成单边槽切割后, 工作台快速回退至另一 侧初始切割点位置, 再重复上述的控制过程, 当完 成另一侧裂解槽切割后, 工作台回复至初始原点 位置。至此, 双侧完全对称的裂解槽加工全部完 成, 取出连杆, 再循环进行下一件连杆的加工。
试验原型机采用专门研制的高速走丝线切割 机床, 选用 矩 形脉 冲 波电 源, 使 用 0 18mm 钼 丝, 试验所用的材料为 C70S6BY 非调质钢, 试件 厚度 为 6mm, 采 用 乳 化 工 作 液 ( 体 积 分 数 为 12% ) 。切槽时, 钼丝的排丝宽度为 200m m, 丝速 为 9m/ s。 3. 1. 2 电参数对工艺指标的影响
Research on Machining Notches of Connecting Rod by WEDM L iu Xiaoning T ang Yongjun Zhang Yongjun
Guangdong Univer sit y of T echnolog y, Guang zhou, 510006 Abstract: In order t o resolve t he problem of connecting ro d no t ches machining, a new process of WEDM w as present ed, pr ocessing par am et ers of not ch w ere analyzed, and pro ject of machining not ch using WEDM w as int roduced, including measur es t o achieve g ood qualit y not ch. T he relat io nship
会极大降低; 另一种更致命的情况是在短路回退
被识别之前, 工作台已经运动到目标位置点而进 行整个切槽过程的原点复位, 此时的切槽深度因
达不到要求而出现次品。
( 4) 在保证上述三个条件的基础上, 通过专门 的软件模块控制工作台的运行轨迹, 以实现双侧
裂解槽的等深度加工。具体程序控制流程如图 4
所示。机床首先对各加工参数进行初始化, 工作台
2 裂解槽线切割加工方法
2. 1 裂解槽的参数要求 连杆裂解加工关键技术是加工预制裂解槽、
裂解加工连杆大头孔及定扭矩装配螺栓三道核心 工序的自动化生产工艺与装配。而连杆大头孔预 制裂解槽尺寸、加工方法、加工质量对裂解技术的 先进性、实用性以及连杆质量的影响至关重要, 是 连杆裂解加工成功的基础与前提。
连杆裂解加工技术具体工艺过程是: 在连 杆毛坯大头孔的断裂线处预先加工出两条对称 V 形裂解槽, 形成初始断裂源; ! 在裂解专用设备上 对连杆大头内孔侧面施加径向力, 使裂纹由内孔 向外不断扩展直至完全裂解, 最终连杆盖从连杆 本体上涨断而分离出来; ∀ 在裂解专用设备上, 再 将裂解分离后的连杆盖与本体精确复位, 最后在 断裂面完全啮合的条件下, 完成螺栓工序及其他
Key words: w ire elect ric discharge machine( WEDM ) ; connecting rod; not ch; micro- crack
0 引言
裂解技术 因在经济性和质 量方面的 显著优 势, 已成为连杆加工发展的必然趋势[ 1] 。裂解技 术完全克服了连杆传统制造工艺上的缺点, 通过 在连杆大头曲轴孔适当位置预制裂解槽, 再施加 径向 裂解力, 实现连杆体和 盖的脆性断裂剖分。 以自然形成的粗糙断裂面实现连杆体和盖的三维 精确定位, 无须加工[ 2] 。与传统连杆加工技术相 比, 裂解加工的 连杆 总生产 成本可 降低 15% ~ 20% , 且该工艺可大幅提高产品质量[ 3] 。
在整个裂解工艺中, 连杆大头曲轴孔裂解槽 加工质量对裂解质量的影响至关重要, 是裂解加 工成功的前提与关键[ 4] 。大头曲轴孔中心两侧的 裂解槽槽深、槽宽应严格一致, 尽量减小其几何参 数的偏差, 保证同时裂开, 以获得高质量的断裂面 的啮合特性[ 5 6] 。
裂解槽加工最初采用拉削方法, 但该工艺由 于其固有缺陷现已基本被淘汰。激光加工裂解槽 是利用数控激光束进行切割的, 其特点是: 加工效 率高、无工具损耗, 但激光加工易在靠近裂解槽处
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( 2) 加工电流对切割速度的影响。加工条件: 脉冲宽度为 16 s, 电压为 80V, 脉冲间隔为 4 倍 脉冲宽度。图 6 所示为加工电流对切割速度的影 响规律。由图 6 可以看出, 加工电流加大, 切割速 度提高, 同时电极丝损耗也会变大。当加工电流 加到 1+ 2+ 3 挡( 约 2A) 时, 两种方式切割速度均 达到较大值, 符合一般金属材料的加工规律。
3 试验与讨论
3. 1 裂解槽线切割加工试验 影响线切割加工裂解槽速度的因素很多, 如
机床精度、脉冲电源的性能、工作液性能、电极丝 和工件材料等, 其中脉冲电源参数的影响最大, 主 要包括间隙电压、加工电流、脉冲宽度、脉冲间隔 等。本试验采用单因素试验法, 即在其他各工艺 参数不变的情况下, 依次改变空载电压、加工电流 和脉冲宽度等, 分别测出机床单边切割窄槽的加 工速度, 然后进行试验结果及现象分析。 3. 1. 1 试验条件
收稿日期: 2009 12 22 基金项目: 国家自然科学基金资助项目( 50805026) ; 中国博士后 科学基金资助项目( 20090450851) ; 广东省自然科学博士启动基 金资助项目( 8451009001001416)
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黏附熔渣形成硬质点, 造成后续精镗时刀具崩刃; 激光对焦繁琐, 对焦不精确易导致裂解时出现爆 口缺陷; 其加工的裂解 槽宽度 在0. 1~ 0. 3mm 范 围内变化, 裂解槽宽度的波动易造成产品质量不 稳定; 其设备一次性投入价格昂贵且使用维护成 本高。
电火花线切割加工连杆裂解槽技术研究 刘晓宁 唐勇军 张永俊
后续加工工序[ 8 9] 。连杆传统加工与裂解加工对 比示意图如图 1 所示。
( a) 传统方法
( b) 裂解方法 图 1 连杆传统加工与裂解加工对比示意图
与传统加工方法相比较, 裂解加工使裂解的 连杆盖、杆接合面具有完全啮合的交错结构, 改善 了接合面的接合质量, 不需再进行接合面的加工, 省去分离面的拉削与磨削等工序, 同时简化了连 杆螺栓孔的结构设计和整体加工工艺, 降低了螺 栓孔的加工精度要求。此外, 减小了连杆总成的 大头孔变形, 使连杆承载能力、抗剪能力与装配质 量大幅度提高。因此, 采用连杆裂解工艺具有加 工工序少、节省机床设备投资、减小设备占地面 积、降低刀具费用、节省能源、提高产品质量、降低 生产成本等优点[ 8, 10] 。
本试验关心的工艺指标是切割速度, 主要研 究电参数对切割速度的影响。将开发的 PL C 控 制系统与普通线切割机床的加工切割效率进行了 对比。为方便 起见, 用 E 表示长 风牌 线切 割机 床, 用 F 表示本文研制的专用连杆切槽机床 PL C 控制系统。
( 1) 脉冲宽度对切割速度的影响。加工条件: 电流为 1 挡( 1A) , 电压为 80V, 脉冲间隔为 4 倍 脉冲宽度。可得到图 5 所示的工 艺规律。从图 5
示, 连 杆放置 于水平 工
作台上, 靠连杆自重保
证其与工作台紧密贴
合, 此 时连杆 内孔中 心
线与水平面垂直; 电极 丝从连杆大头曲轴孔内
图 3 连杆裂解槽线 切割加工方式
穿过, 导轮和丝线固定, 通过工作台的水平双向运动便可切割出预期的裂
解槽。为保证连杆大头曲轴孔中心两侧的裂解槽
槽深、槽宽严格一致, 采取如下措施: ( 1) 保证电极丝和机床工作台的位置精度, 两
中国机械工程第 21 卷第 10 期 2010 年 5 月下半月
电火花线切割加工连杆裂解槽技术研究
刘晓宁 唐勇军 张永俊
广东工业大学, 广州, 510006
摘要: 针对汽车连杆裂解槽加工的难题, 提出了一种电火花线切割加工的全新工艺方法。分析了裂
