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发布时间：2021-03-27 13:59所属平台：学报论文发表咨询网浏览： 次
摘要连杆裂解加工是连杆加工的关键技术，包含了许多优势，比如加工工序较少，能够使设备投资达到最小化;材料损耗程度低，能够达到节能和节材的效果;产品拥有较高的质量，提高连杆承载能力等。其最为核心的技术包括三种，首先是连杆裂解槽加工，其次是定向裂
摘要连杆裂解加工是连杆加工的关键技术，包含了许多优势，比如加工工序较少，能够使设备投资达到最小化;材料损耗程度低，能够达到节能和节材的效果;产品拥有较高的质量，提高连杆承载能力等。其最为核心的技术包括三种，首先是连杆裂解槽加工，其次是定向裂解连杆，最后是定扭矩装配螺栓。连杆裂解槽加工的主要加工方式是激光加工。本文主要介绍激光加工连杆裂解槽的原理和特点以及激光加工连杆裂解槽设备的国内外发展现状和特点以及展望。激光加工连杆裂解槽的特点主要是精度高、效率高等，目前国内外激光加工连杆裂解槽设备是朝着提高加工效率、降低成本的方向发展。
关键词：激光加工;胀断连杆;裂解槽;现状
1引言
发动机是整个汽车的核心，而连杆作为发动机内部动力传送的重要组成部件[1]，发动机的寿命与质量会对整体的运行性能产生重要影响。连杆承受的载荷较多，并处于恶劣的工作环境下，这对于连杆的性能结构提出了更高的要求[2]。当采用机械拉削切割时，拉刀尖端处具有比较小的圆弧半径，切割时极易造成磨损变钝，裂解槽的尖端半径也跟着变大，影响裂解过程的应力集中效果，裂解之后导致的缺陷率也随之变大。
因此机械拉削存在刀具磨损严重、效率低、精度低等问题[3];线切割加工连杆裂解槽时，由于每一次在进行线切割加工之前，均需要进行穿丝和重新定位，加工效率低下，重复精度较差。采用激光加工和裂解胀断具有很多优势，切缝窄小，加工速度相对比较快，具有较高的重复精度，柔性好、噪声低、效率高[4]，无刀具磨损，容易裂解，并且裂解之后具有质量好，掉渣少、夹屑少、变形小等优点，将代替传统加工中的机械拉削工艺。线切割和激光加工都是目前常用的加工连杆裂解槽的方法，线切割主要成本低但效率低，而激光加工效率高、对之后的裂解产生有利的影响但成本较高，综合考虑优势和不足，目前许多汽车企业倾向于采用激光切割裂解槽[5-6]。
2激光加工连杆裂解槽的特点和原理
2.1激光加工连杆裂解槽的特点
当连杆材料完成激光切割流程以后，槽截面呈现为“V”型，在槽深相同的状态下，相比于线切割的“U”型槽来说，裂解槽宽度更加窄小，槽底部的曲率半径更小，会对接下来的裂解加工产生有利影响[7-8]。在进行激光切割之后，裂纹槽的底部位置会产生相变硬化区与凝固区，且切槽底部存在少量微小的裂纹，这对连杆以后的裂解更加有利[9]。激光切割技术具有很多优势特点，同时其优点也包含割缝狭小和热影响区小等[10]。对板材进行激光切割的过程中，无需具备模具等，能较大缩短产品的生产周期，降低生产所需的成本。所以，该项技术已经在汽车、航空等领域均得到了广泛应用。
2.2激光加工连杆裂解槽的原理
激光加工连杆裂解槽中用到的加工主要是切割，所以下面叙述激光切割连杆裂解槽的原理。激光具有高强度、高方向性、高相干性、高单色性的特点[11]。可以在极小的立体角、极短的时间内照射在工件表面上，产生极高的温度，经过一系列激光器中的光学系统，可在被作用材料表面形成极小的光斑，功率密度高达68210~10W/cm，能在极短的时间内使加工的材料熔化、气化来达到加工的目的。
通过对激光加工裂解槽进行研究后可以得出，由激光器发射的激光束，在经过聚光系统以及导光系统之后，产生的激光束具有高能量密度的特点。并且在工件表面进行照射[12]，激光能够被工件表面材料吸收，这样会使得部分位置的温度快速提升，使其迅速熔化、汽化或化学降解，从而实现材料分离，达到加工目的[13]。不仅如此，借助同光束同轴的高压和高速辅助气流，将熔融物质吹走，产生了相应的孔洞。由于激光束呈现为匀速移动的状态，导致材料表面产生的小盲孔具有均匀连续的特点，最终也就产生了连杆裂解槽[14]。
3裂解槽加工工艺研究国内外现状
裂解槽加工工艺主要包含激光切割和机械拉削以及电火花线切割等[15-18]。在早期切口加工的过程中比较普遍采用的方式是机械拉削，该加工工艺主要的特点就是具有较低的成本，并且加工效率较高，其设备结构比较简单，加工一个普通连杆的时间大约是12秒，但拉刀比较容易磨损。为了能够将刀具寿命提升，百濑保雄等[19]开发出全新的裂解槽拉削加工装置。
该装置所采用的拉刀材料是具有较高硬度的磨石材料，但其依旧归属接触式加工的范畴，其具有较高的生产维护成本。宋玮峰[20]分析了连杆胀断过程受到机械拉削裂解槽几何参数的影响，研究裂解载荷受到裂解槽张角和曲率半径还有槽深的影响。得出了裂解槽曲率半径越大则裂解载荷越大、深度越大裂解载荷越小、张角对裂解载荷影响不大的结论。
线切割加工裂解槽研究了电火花线切割应用技术，之后研发出了单臂免穿丝电火花线切割机床设备，该产品拥有较高的质量同时设备的成本并不高，基于此该设备被广泛的使用。但是因为切割每个连杆都是要求上丝以及定位的，其加工一个连杆的时间为为3~4分钟，不适合进行连杆批量生产的工作。广东工业大学[21]开发基于双向同步切割为基础的电火花线切割设备，从而将导轮布置位置改变，并且将导轮数量提升上去，最终将加工效率提升，生产某个连杆的时间为40s~60s，然而还有很多需要改进之处。在最近几年以来，又开发出了新型连杆切槽线切割加工设备，这样与双向同步切割的电火花线切割设备相比提高了加工效率。
4激光加工连杆裂解槽的国内外现状
4.1激光加工连杆裂解槽国外发展现状
在德国的ALFING公司，使用的是激光切割裂解槽的方法来对自动线与半自动线的裂解槽进行的加工。在连杆裂解技术上德国ALFING公司已经积累了非常丰富的经验，最近这几年以来，基于原先的连杆裂解槽加工的基础上，又有了新的突破。在进行连杆裂解槽加工的过程中，在操作上主要应用的是双激光切割头，目前选择的应用是激光分时输出，那么对连杆大头孔两侧均进行了裂解槽加工处理。该公司还研发出了连杆裂解槽激光加工机床，主要为MAUSER公司等提供服务，与连杆裂解加工设备配套使用。
德国Mauser公司在经过一系列的研究之后，研发出了一种新型激光切槽设备，基于分光镜的作用，将单束激光进行了分束，直接照射到了两个交叉的聚焦设备上，会对连杆两端的裂解槽进行同时加工[22]，这样提高了加工效率，节省了激光器数量，降低了成本，但激光能量损失较多，激光会聚效果不理想。日本本田公司通过进行研究后，则研发出了新的装置与方法，激光束从激光振荡器发射出之后，会聚在管状头部的聚光透镜处。
通过相对中心轴线互相对称的一对反射镜将激光束分为两束，再分别垂直通过两边出射孔，作用于连杆大头孔内圆柱面上，利用聚光器沿着轴线向下运动的过程中，在连杆内圆柱面上进行加工，产生了两个相对应的V型裂解槽。在槽周围的上方位置，供给辅助气体的气管需要设置2个，激光束在加热之后，起到吹走熔渣的作用。不仅具有较佳的激光会聚，而且损失的激光能量也比较少，能够对槽深与形状进行精确控制。但是并不适用于大头孔直径比较小的连杆加工，原因是该方法中结构设计产生较为宽大切割头的尺寸。
它的优势即为节约激光源，加工效率是非常高的，同时光束传输方法的使用也是常规的，虽然激光加工光束具备不错的质量，然而其也有不足之处。如果连杆是大头孔直径较厚或者是不大的，那么对其加工是不适合用两个聚光器的;针对激光切割头而言，由于其具备固定的角度，因而是没有办法进行调整的，为了不让连杆大头孔和激光切割头进行干涉，一般来说，对于大量的裂解槽进行加工的时候，所面向的都是单一品种连杆;没有较好的柔性，因为在传输方式上使用的是常规光束，在远距离工位上很难将激光能量传输到位;激光器需要较大的功率，否则通过分光以后，加工时的激光功率就非常的低，对于裂解槽加工的要求是达不到的。
4.2激光加工连杆裂解槽国内发展现状
吉林大学[23]开发出了一系列Nd:YAG固体激光加工连杆裂解槽专用设备。吉林大学在经过一系列的研究之后，研发出了专门的裂解槽激光加工设备，主要选用了单输出激光头，在激光头摆动机构的作用下，从而调节激光头的角度，最后实现加工操作[24]，这种设备加工连杆方便，但激光能量损失较多，加工效率不高。
广东工业大学与广东四会实力连杆公司共同联手，开发出了LFS150胀断连杆激光切槽专机，这也是我国第一台应用光纤激光加工连杆裂解槽的设备，在这一设备中，所采用的则是ROFIN的光纤激光器，能够进行激光垂直照射连杆大头孔内壁的操作，并且切割头也可以实现360°旋转，便于加工处理对称裂解槽，这样一来，裂解槽位置的准确度也得到了更多保障[27-30]。
并且采用0入射角垂直加工连杆裂解槽，这是由于在激光能量密度相同的情况下，随着入射角度增大，材料对激光的反射加大，材料对激光能量的吸收率减小，实际输入材料的激光能量减少，用于切割的有效能量越小，会使切槽变小浅[31]。这种设备的激光能量损失较少，但没有保护装置对操作者有安全风险。
本课题组在一代设备上研究激光加工参数(包括峰值功率、脉冲宽度、脉冲频率、扫描速度)对连杆裂解槽的槽深、槽宽、曲率半径和张角的影响规律。实验结果表明随着脉冲宽度、峰值功率、扫描速度和脉冲频率的逐渐加大，裂解槽的曲率半径随之增大，而对张角的影响不大;随着峰值功率增大，脉冲宽度增大，切槽速度减小，裂解槽宽度增大，脉冲频率对槽宽影响程度小;随着峰值功率增大，脉冲宽度增大，脉冲频率增大，切槽速度减小，裂解槽深度增大[32]。通过正交试验得出了峰值功率、脉冲宽度、脉冲频率和扫描速度的合适选取范围，扫描速度选取范围为0.2mm/s-1.4mm/s，峰值功率的选取范围为200W-800W，脉冲宽度的选取范围为20us-80us，脉冲频率的选取范围为500Hz-2000Hz，在以上激光加工参数范围内加工的连杆才能满足工厂生产的需求。
5结论和展望
在设计激光加工连杆裂解槽装备的过程中，应选择最佳的激光入射角，采用0入射角更适合裂解槽的加工，而且也会产生节能的效果;通过优化激光头的工作路径之后，选择应用垂直路径与180°自转的方法，对激光头的位置还有角度进行恰当的调节，对于激光加工来说可以规避其他物体的影响[12]。此时，对于软件编程的简化处理非常有利，为后期的调试工作创造更多有利条件。
激光工艺论文：浅析激光焊接工艺
激光切割连杆裂解槽设备也有一些缺点，比如设备价格比较昂贵，切割时耗气量比较大等。未来激光切割连杆裂解槽设备应朝着智能化、轻量化、低成本、柔性化方向发展。其中智能化和低成本是主要发展趋势，智能化可以提高连杆裂解槽的加工质量、可以满足加工不同连杆的需要，即提高设备的灵活性，通过数据挖掘技术和借助仿真模型使得设备具有自适应即提高了其智能化水平，简化结构和采用自动化设备加以辅助可以降低成本。
参考文献
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高雷,张洪信,徐威,等.缸间齿轮联动液压发动机连杆优化设计[J].山东工业技术,2016(9):73.
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张希明.连杆裂解加工主要缺陷及其许用尺寸计算方法初探[D].长春:吉林大学,2014.
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胡晓冬,李元龙,白少状,等.激光在材料去除加工中应用的研究进展[J/OL].激光与光电子学进展.(2020-07-15)[2020-09-26].https://kns.cnki.net/kcms/detail/31.1690.TN.20200713.1810.038.html.
作者：苏培林1，程焱2*，王冠2，张传友2，林晓平2，邹欣2
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《激光加工胀断连杆裂解槽技术与现状》