脉冲光纤激光加工36MnVS4连杆裂解槽的研究

张 冲,王 冠,杨志刚,刘赞丰

(1.广东工业大学机电工程学院,广东 广州 510006；2.广东四会实力连杆有限公司,广东 四会 526200)

1 引 言

连杆裂解加工是一种新型连杆加工技术,其采用裂解形成的三维凹凸断裂面代替传统的加工接合面,保证了接合处的精确配合,具有工序少、成本低、效率高、加工质量好、装配精度高、承载能力强等优点,已成为连杆加工的主要方向[1]。连杆裂解加工首先需要在连杆大头孔内侧柱面预制对称裂解槽,裂解时利用裂解槽根部位置形成的应力集中,使连杆在预定的位置几乎不产生塑性变形的情况下快速裂解。因此,裂解槽的预制是连杆裂解加工的技术关键[2]。

目前,裂解槽的加工方法主要有机械拉削、线切割和激光切割等。其中机械拉削在刀具磨损后,裂解槽根部的曲率半径增大,加工深度变浅,导致裂解不稳定[3]；线切割加工一般需要重新定位和穿丝,从而导致生产效率低。邓伟辉等[4]发明了一种应力槽双向同步线切割技术,该技术解决了线切割加工连杆裂解槽需要穿丝的难题,但线切割加工精度低,生产效率低的缺点依旧存在；激光加工裂解槽具有效率高、精度高、无污染等优点,已成为目前最先进的工艺。激光加工的槽截面呈“V”型,在相同槽深的情况下与线切割加工的“U”型槽相比裂解槽宽度更窄,曲率半径更小,更有利于裂解[5-6]。激光加工后槽的底部有凝固区和相变硬化区,此区域材料相比基体材料硬度有所增加,且槽底部存在少量微裂纹,对连杆的裂解更有利[7]。

连杆裂解槽属于窄缝盲槽,裂解加工对裂解槽的加工精度和切口质量要求很高。光纤激光器与其他激光器相比光电转换效率高、使用寿命长、聚焦半径小,且其切割金属材料有天然的优势,因此能更好地加工出质量优异的裂解槽,已成为激光加工连杆裂解槽的首选光源[8-9]。为此,本文针对光纤激光器加工连杆裂解槽进行了试验研究,探索不同激光参数对裂解槽几何尺寸的影响规律。

2 实验条件及方法

预制裂解槽的目的是形成缺口效应,提高应力集中水平,有效降低裂解载荷,保证连杆在预定位置快速脆性裂解,保证加工质量。根据连杆裂解加工的要求槽深应在0.5～0.6 mm为宜。图1为裂解槽位置及几何参数，裂解槽的槽深h、槽宽w、曲率半径r和张角a对裂解载荷有直接影响:槽深对裂解力的影响最显著,随着槽深的增加,裂解所需的载荷显著减小；曲率半径r和张角a对裂解载荷也有较大影响,随着曲率半径r和张角a减小,裂解所需的载荷也越小；槽宽对裂解载荷的影响最小,随着槽宽减小,裂解所需载荷降低不明显[10]。因此,从断裂效率和裂解质量考虑,要求裂解槽尖锐、深而窄、张角小,以提高应力集中系数,有效降低裂解力,避免裂解缺陷的出现,保证连杆裂解加工质量。

图1 裂解槽位置及几何参数

实验设备采用广东工业大学和广东四会实力连杆有限公司共同研制的胀断连杆激光切槽装备,如图2所示。该装备采用瑞士ROFIN公司FLBK SC 90/60型号的光纤脉冲激光器,其具体参数见表1。

图2 连杆裂解槽激光加工装备

LaserparametersParameterscaleLaserpeakpower/W200～1590Pulseenergy/mJ01～15000Pulsewidth/μs10～5000Pulsefrequency/Hz03～25000

试样选取JL4T18连杆,其材料为非调质中碳合金钢36 MnVS4,其主要成分见表2。连杆毛坯经热锻成型并利用余热进行空气控制冷却,金相组织如图3所示,主要为均匀珠光体+铁素体。

表2 材料化学成分

试验在室温下进行,采用压缩空气作为辅助气体,激光采用负离焦且离焦量保持不变,垂直入射到被加工表面进行切割。通过试验可知,当峰值功率为800 W、脉冲宽度为30 μm、脉冲频率为1000 Hz、

切割速度为1.4 m/min时,加工出裂解槽深度为0.5451 mm、宽度为0.1456 mm、张角为10.2°、曲率半径为0.0174 mm,可满足加工要求。此时,固定其他三个因素改变其中一个因素,分别研究峰值功率、脉冲宽度、脉冲频率和切割速度对裂解槽几何尺寸的影响,进而来研究脉冲能量和脉冲重叠度对裂解槽几何尺寸的影响规律。每组参数切割3个试样,采用LEXT OLS4000激光共聚焦显微镜对加工后的裂解槽几何尺寸进行测量并取平均值。

图3 36 MnVS4金相组织

4 试验结果与讨论

激光加工裂解槽是通过激光脉冲能量使加工位置的金属迅速融化或气化,并利用辅助气体将融化金属从连杆上驱除,激光束的匀速移动使材料表面出现连续均匀的小盲孔,最后形成连杆裂解槽[11]。

4.1 离焦量的影响

激光焦点与工件表面的位置关系可用离焦量来表示。离焦量的大小决定了光斑能量密度的大小及能量分布的均匀性,能量密度分布的均匀性直接影响裂解槽的几何尺寸。如图4所示,图中d为光纤直径;f为焦距;d0为光斑直径;h为焦深;θ为发散角;a为焦点位置,当焦点a在连杆大头孔内壁表面之上时,称为正离焦；当焦点a在连杆大头孔内壁表面之下时称为负离焦[12]。

图4 焦点位置

处于正离焦位置切割后的裂解槽截面如图5(a)所示,由于激光光束趋于发散时才落到大头孔内壁,光斑较大,能量密度小,因此所切割的裂解槽深度浅、曲率半径大,不能满足加工要求；处于负离焦位置切割后的裂解槽截面如图5(b)所示,由于激光能量最强点落在大头孔内壁表面之下,能量集中,能充分对工件进行切割,切割深度大,槽底呈尖角,能够保证连杆的裂解质量。因此,需采用负离焦进行裂解槽加工。

图5 激光正(负)离焦切割的裂解槽几何形貌

4.2 峰值功率和脉冲宽度的影响

连杆裂解槽的几何尺寸直接由瞬间聚焦在材料表面的脉冲能量大小决定：

Q=P×t

(1)

式中,Q为脉冲能量;P为峰值功率;t为脉冲宽度。

由式(1)可知,增大峰值功率或脉冲宽度,都会使每个脉冲能量增加,使切割位置的热影响区扩大。如图6所示,在其他因素不变的情况下随着峰值功率的增加,槽深增加显著,槽宽略有增加,曲率半径变化不大,基本在0.02 mm左右,张角变化较大但不超过30°,峰值功率在700～900 W时皆可满足加工要求。如图7所示,在其他因素不变的情况下,随着脉冲宽度的增加,槽深增加显著,槽宽略有增加,曲率半径在0.025 mm左右变化,张角在18°以内较小范围变化,脉冲宽度在25～40 μs皆可满足加工要求。

因此,实际加工时可根据需要适当增加峰值功率或脉冲宽度来提高脉冲能量,以满足加工要求,提高裂解槽的加工质量,但脉冲能量也不宜过大,否则会在裂解槽底部形成较大的热影响区,精加工后残余的热影响区会影响连杆的性能。同时,热影响区材料硬度变大,对后续的精加工有一定的影响[13]。

图6 不同峰值功率时裂解槽的几何尺寸

图7 不同脉冲宽度时裂解槽的几何尺寸

4.3 脉冲频率和切割速度的影响

裂解槽是由许多连续或叠加的盲孔构成的,激光每发出1个脉冲则进行1次打孔,裂解槽的连续性可由相邻两个盲孔的相连程度来描述,即脉冲重叠率[14]:

(2)

式中,d为聚焦半径；v为切割速度；f为脉冲频率。

由式(2)可知,在离焦量一定时,减小切割速度或增大脉冲频率,都可以增加裂解槽的连续性。如图8所示,在其他条件一定时,切割速度对裂解槽几何尺寸的影响不大。由于生产要求,在批量生产时,需要较快的切割速度来保证加工效率。但是,切割速度也不宜过快,过快的切割速度,使金属不易充分燃烧气化并驱除,会导致部分融化金属凝结在槽周围,凝固区硬度较大,在后续连杆大头孔的精加工中会严重磨损刀具[11]。因此,切割速度在1.0～1.4m/min为宜。

图8 不同切割速度时裂解槽的几何尺寸

如图9所示峰值功率为800 W、脉冲宽度为30 um、切割速度为1.4 m/min、脉冲频率为300Hz时,裂解槽虽然满足连续性要求,但是槽深只有0.3348 mm无法满足加工要求。如图10所示,当脉冲频率增大到1000 Hz时,裂解槽深度为0.5451 mm才能满足加工要求。因此,构成裂解槽的盲孔需要在多个脉冲的重复作用下,即脉冲重叠度较大时才能满足深度要求。

图9 脉冲频率为300 Hz时裂解槽的几何形貌

图10 脉冲频率为1000 Hz时裂解槽的几何形貌

如图11所示,给出了裂解槽几何尺寸随频率的变化关系曲线,随着脉冲频率的增加裂解槽深度变大,槽宽略有增加,张角和曲率半径变化不大,脉冲频率在600～1200 Hz皆可满足加工要求。因此,实际加工中,速度一定且在脉冲能量较大的情况下,仍不满足加工要求时,可增加脉冲频率来增大重叠度,以满足加工要求。

图11 不同脉冲频率时裂解槽的几何尺寸

5 结 论

本文通过光纤激光切割36 MnVS4连杆裂解槽试验,分析激光加工参数对裂解槽几何尺寸的影响。峰值功率、脉冲宽度、脉冲频率和切割速度对槽深和张角的影响较大,对槽宽和曲率半径影响较小。但槽深为0.5～0.6 mm时,张角在10°～25°较小的范围内变化。在加工时应选用负离焦进行切割；在特定的切割速度下,当脉冲能量小于36 mJ(900W·40 μs)时,若槽深不足,则首先考虑加大峰值功率来提高脉冲能量,改善加工质量；若峰值功率增加到900 W时还不满足要求,则考虑加大脉冲宽度来提高脉冲能量,改善加工质量；若脉冲宽度增加到40 μs,即脉冲能量增加到36 mJ时,裂解槽几何尺寸还不满足加工要求,则应增加脉冲频率,即增加光斑重叠度来改善切割质量。针对36 MnVS4材料连杆,切割速度取1.4 m/min时,峰值功率选700～900 W、脉冲宽度选25～40 μs、脉冲频率选600～1200 Hz可满足加工要求。

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