发动机连杆裂解应力槽加工技术研究

周春强,张永俊,唐勇军

(广东工业大学机电工程学院,广东广州510006)

汽车发动机连杆裂解(涨断)加工技术是连杆生产领域的一场技术变革,其依据三维凹凸断裂面代替传统的机加工面,保证了结合面的精确性和可靠性,并以其先进的制造工艺能减少加工工序60%,降低设备和工具投资25%～35%,节约能源40%[1]。在裂解工艺中,主要有3道关键工序:连杆大头孔裂解应力槽切割工序、连杆体与盖涨断及复位工序、定扭矩上螺栓工序。每个工序分别拥有相应的一套加工装备,即裂解应力槽切割机、涨断机、定扭矩上螺栓机。其中裂解应力槽切割质量的好坏,直接决定了后续裂解工序裂解力的大小和裂解质量。因此,自20世纪90年代裂解工艺开始应用于连杆大头孔裂解以来,其裂解应力槽的切割设备及工艺就一直不断地发展与完善。初始裂解应力槽的加工方法主要有机械拉削加工法、激光切割加工法和电火花线切割加工法。

1 初始裂解应力槽工艺参数的研究

根据断裂力学,对于含有裂纹的机件,当外力在垂直于裂纹方向上作用时,产生张开型(Ⅰ型)裂纹扩展,材料对这种裂纹扩展的抗力最低[2]。实践表明,在沿大头孔内侧面与轴孔中心线平行的位置切割裂解应力槽最佳。当大头孔内施加裂解载荷后,裂解应力槽在大头孔内沿厚度方向全面进入启裂状态,裂纹向外侧扩展,裂解过程中更易控制断裂方向;并可保证安装轴瓦时不破坏断裂面内侧角,同时保证轴瓦不被破坏[3]。内侧面裂解应力槽加工位置如图1所示。

图1 内侧面裂解应力槽加工位置示意图

合理设计裂解应力槽的工艺参数,可有效地提高应力集中系数,降低后续裂解载荷,提高裂解效率与质量。初始裂解应力槽工艺尺寸参数主要由3个因素决定,即槽深 H、槽宽 W和槽底曲率半径R(图2)。

图2 裂解应力槽工艺参数

经试验表明:槽深 H在0.4～0.6 mm为宜;槽宽 W增大时,涨断机在涨断时所需的涨断力有所增大;曲率半径R越小越好,一般在0.1～0.3 mm范围内选取[4]。

2 初始裂解应力槽的加工方法

目前,在批量生产中,连杆裂解应力槽的加工方法主要有两种:机械拉削加工法和激光切割加工法。目前激光切割以其高效性、稳定性而成为该工艺的主流切割技术,而线切割加工也具有极大的潜力。

2.1 机械拉削加工法

机械拉削加工法在早期裂解应力槽切割中被普遍采用,其特点是设备投资少、加工成本低。该方法首先在德国EX-CELL-O公司研制开发的连杆裂解加工技术装备中得到应用,随后在美国TRY-WAY公司研制的连杆裂解加工半自动生产线中也采用了机械拉削的方式完成初始裂解应力槽的切割[5]。加工原理如图3所示。

图3 机械拉削加工示意图

由图3可知,在切削过程中,通过刀柄上安装的刀具对裂解应力槽进行分层切削,一般从拉刀端头开始,刀柄上每层刀具依次递增量为0.1 mm,刀片数量由裂解应力槽的深度来决定。然而裂解用连杆多为屈服强度较低、硬度偏高的材料。在加工过程中,拉刀极易因磨损而变钝。随着拉刀尖角半径的增大,裂解应力槽底部的圆角半径 R相应地增大,从而降低了应力集中系数,增大了后续裂解工序的裂解力,严重时易造成单边断裂、掉渣,甚至无法裂解。故在生产中需根据拉刀的磨损情况及时换刀,或采用专用修刀仪对拉刀进行修整,进而增大了刀具的后期维护成本,目前日本本田公司在广东狮山工厂仍采用该工艺。

日本本田公司的专利提出了一种采用旋转切刀进行应力槽切割的装置,其旋转切刀在大头孔内垂直向下与向上移动时,分别切割出所需的裂解应力槽,原理示意图见图4[6]。

图4 旋转切刀加工狭槽装置

图4中的旋转切刀3为采用表面较粗糙的磨石类材料制成的薄板形式,厚度范围为 0.1～0.3 mm。由于锋利的磨料均匀分布在圆周上,这种加工方法相当于用多刃刀具代替了单刃拉刀,降低了每一个刀刃的切削负荷,从而延长了工具的寿命。但仍属于接触式加工,其损耗问题依然严重,更重要的是切刀部分结构庞大,无法加工小直径的连杆。

2.2 激光切割加工法

自20世纪90年代年以来,德国Mauser、Alfing公司、美国通用等公司研究开发了先进的激光加工裂解应力槽设备。德国Mauser公司的专利提出了一种激光加工裂解应力槽的方法(图5a)[7]:采用一个激光器,通过分配装置将一束激光束分配到两个聚光器上;两个聚光器头平行布置或交叉90°布置,通过聚光器的上下运动对连杆大头孔进行加工,在大头孔柱面上加工出一系列沿直线排列的圆柱盲孔,其中加工的孔径为0.15～0.22 mm,深度 0.6～0.8 mm(图5b)[8]。瑞士LASAG公司专利提出了类似的采用超大能量脉冲YAG激光器进行裂解应力槽加工的方法(图5c)[9]。在这两种激光加工方法中,激光振荡器和应用管嘴不能完全插到连杆大头孔内,激光束和孔的内壁面倾斜,这样较难控制和保持整个槽深的恒定加工,会增加连杆涨断时所需的裂解力,且易产生涨断缺陷。

日本本田公司的专利提出一种较新颖的利用激光束加工应力槽的装置和方法(图6)[10]。从激光振荡器射出的激光束由安装在管状头部上的聚光透镜所汇聚,一对倾斜成一定角度并相对轴线对称的反射镜将汇聚射出的激光束分成两束,分别通过射出孔基本垂直地施加在连杆大头孔内圆柱面上,通过聚光器沿轴线移动同时在连杆内圆柱面上加工出两个裂解应力槽。在槽附近上方设有两个供给辅助气体的气管,将激光束加热所产生的熔渣吹走。裂解应力槽深度D设定在0.2～0.7 mm,槽宽 W设定在0.1～0.4 mm的范围内。

图6 日本本田公司激光束加工的装置示意图

与图5a和图5c相比,这种加工方法激光汇聚好,能量损失小,且可较精确地控制槽深和形状,但不太适合大头孔直径较小的连杆加工。

国内,吉林大学也开发研制了激光切割应力槽的设备,其中的关键部件——大功率YAG固体激光发生装置需从国外进口。如图7所示[8],该激光切割设备采用单个激光头设计思想,通过液压油缸推动激光头左右摆动,分别加工出裂解应力槽。

图7 激光切槽简图

激光切槽时,槽口截面形状为矩形,如图8所示[11]。

图8 激光切割矩形槽

由于采用激光切割连杆裂解应力槽具有切缝窄、裂解槽均匀、加工速度快、无刀具磨损、易裂解、大头孔涨断后变形小,连杆涨断质量高等优点,已成为目前主流的切槽工艺,绝大多数汽车公司都采用激光加工裂解应力槽[4]。但由于激光采用的强度等级为4级,是不可见光,易灼伤皮肤和眼睛,在调整激光装置时应注意安全,必须佩带防护眼镜、穿白色工作服,以减少漫反射的影响[12];激光对焦烦琐、费时[13];激光加工过程中,在大头孔内表面靠近裂槽处易粘附熔渣而形成表面硬质点,造成后续精镗加工时镗刀崩刃;当激光对焦不精确,使裂解应力槽深度变浅,涨断时会产生涨断缺陷[14];最重要的是激光裂解应力槽加工设备价格昂贵,维护使用成本高。

2.3 电火花线切割加工法

由于连杆大头孔属于封闭式零件,普通电火花线切割机床每切割一个工件均需重新定位和上丝、拆丝,劳动强度大,生产效率极低。因此,国内外未见有关线切割在裂解槽切割中的研究。根据电火花线切割加工的特点可知,该加工工艺非常适合于切割窄缝类导电材料,切割过程中电极丝与工件间无明显的接触力,完全靠放电通道中的高温来蚀除加工。一般汽车发动机连杆的单边厚度为15～45 mm,切割槽深为0.4～0.6 mm,采用高速走丝电火花线切割机切割时,随着加工进行,电极丝受损变细,切割的应力槽宽度越来越小,更有利于后续的裂解加工。为提高线切割加工效率,采用图9所示双回路脉冲电源加工,可实现多个零件同步切割而电极丝上的电流无叠加的效果[15～16]。

图9 双回路脉冲电源应用示意图

专利技术《线切割双回路脉冲电源》中,通过设置各回路的回路接入点来提高切割能量而实现电极丝上的电流无叠加效果,电路原理图见图10[17]。

图10 线切割双回路脉冲电源

通过对现有线切割机床进行结构上的拓扑变换,可实现裂解连杆应力槽加工。

2.4 其他切割方法

另外,国外一些公司还尝试使用高压水刀进行裂解应力槽的加工。还有一些公司针对粉末冶金材料连杆进行粉末压制预成形时,在连杆盖与连杆体分割位置预压出带有高缺口敏感性的“初始应力槽”,即V型槽。锻造时,该V型槽封闭形成尖锐裂缝。在钻好螺栓孔和润滑油孔后,即可加力沿裂缝实施涨断分离[18～19]。未来,这将是一种非常具有发展前途的工艺。

3 连杆裂解应力槽切割技术中存在的问题

目前,国内外普遍采用激光切割法进行裂解槽的切割,因此,激光切割技术工艺也较其他切割工艺成熟。

从断面形貌可看出,用不同加工方法切割的裂解槽在涨断机上进行涨断,各种方法均存在3个主要问题:两侧槽深不一致、对称性差和大头孔变形失圆。从生产实践来看,产生上述问题时往往伴随着单边断裂或未断裂现象,有时致使大头孔严重变形失圆。主要原因是切槽设备大小头孔定位不精确。因此,合理设计切槽设备的定位机构是保证切割质量的关键。

除此之外,机械拉削中应及时换刀或利用专用修刀仪进行刀刃修整;激光切割中定期检测激光头焦距偏差并修整。而对于电火花线切割来说,由于电极丝是往复运动的,其钼丝的损耗实际上更有利于应力集中,故而减少涨断时所需的裂解力。经反复试验研究,影响线切割的因素以夹具的对中性和电极丝的振动最为显著,此外工艺参数的选择也非常关键。

无论是采用激光切割工艺还是电火花线切割工艺,在同样规格、同种材料的连杆上开出相同尺寸的V形槽,其裂解效果有时却截然不同有些断裂时发出清脆的声音,有些则悄声断裂,所需的裂解力也较理论计算值低。因为激光切割和电火花线切割都属于高温蚀除,加工时裂解槽根部金属急剧加热,并快速冷却,会产生淬火效果,导致槽根部材料的屈服强度提高,产生微裂纹,提高了根部的应力集中系数,从而实现了脆性断裂。切槽后通过高倍显微镜观察发现,在切缝周围有微裂纹存在。裂解槽表面微裂纹如图11所示。经分析得知,正是有了微裂纹的存在,才使裂解力比理论计算值低。

图11 切槽后表面微裂纹

在机械加工中的微裂纹要尽量避免,它易引起模具的失效。而在此处,少量微裂纹的存在是有利的,它可降低后续裂解设备施加于大头孔内侧面的裂解力,从而降低了内圆孔变形失圆,因此掌握微裂纹成形规律,并通过工艺参数的优选有意识地控制微裂纹的产生,是今后一个重要研究课题,目前广东工业大学已在这方面进行了许多有益的探索。

4 结束语

裂解应力槽切割技术作为连杆裂解工艺的核心技术之一,直接影响到连杆的裂解质量和后续裂解设备裂解力的大小。现有的加工方法各有优缺点。其中,激光切割法以其高效性、稳定性更受资金充足的大型企业所青睐。对于中小企业来说,机械拉削法更易被接受。而线切割加工已显示了极高的性价比,未来有望成为加工裂解连杆应力槽的主导工艺。

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