摩托车曲柄锻模电火花成型加工- U; A5 T7 B: {* u+ M& B# v
摘要:摩托车曲柄是摩托车发动机内的关键传动部件,随着摩托车产量的增长,曲柄的需求量也越来越大;为了降低成本,提高生产率,必须采用大批量生产,因此,采用模锻工艺生产就显得非常必要。由于摩托车曲柄锻件质量要求较高,因此,对锻模的制造质量要求也高。在电火花加工锻模时,要求电极制造质量和电火花加工工艺较高,必须充分考虑电参数的选取,特别是峰值电流、脉冲间隙、脉冲宽度3个参数的合理搭配。
5 o" y' U: k& H* G% Q# U) X关键词:曲柄;加工工艺;峰值电流;脉冲间隙;脉冲宽度
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一、前言 # T+ V( ? V0 R4 E5 j9 e
* j, B; S! a( t' ~2 \0 S近年来,我国摩托车行业得到了长足的发展,1996年摩托车产量就已突破1000万辆,成为世界上最大摩托车生产国。摩托车曲柄是摩托车发动机内的关键传动部件,在工作时承受相当大的扭矩,力学性能要求较高,只有采用锻造的方法才能满足其性能要求。然而,对于曲柄锻件的形状公差和重量公差,必须通过模具来保证,因此,模具的质量是决定曲柄锻件质量和生产成本的一个最为重要的因素。
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传统的制模工艺普遍存在生产效率低,锻件质量不容易保证,模具寿命低,工人劳动强度和切削加工量大等许多缺点,不适应精锻和精冲等先进工艺发展的要求。因此,采用先进的制造技术就显得非常必要。 6 P, o; u* I- }5 K, m8 t* @
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电火花加工是利用电极进行仿形“复印”加工,电极的精度(在不考虑加工过程中电极损耗的情况下)决定了模具制造的精度。为了保证电极的尺寸和几何形状精度,我们采用ugⅡ软件,先在微机工作站上应用其CAD建立摩托车曲柄实体模型。通过直观的几何三维实体模型,我们可以直接查询任何一个尺寸信息,检查几何三维模型是否客观存在以及模型建立正确与否。在确认三维模型正确无误后,再通过UGⅡ的CAM生成电极的数控加工程序,然后直接利用该数控加工程序在加工中心上加工出电极,这样就保证了电极的尺寸、形状精度,为最终电火花加工提供了质量保证。 ' l+ |, T) ]3 \4 ]- M
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二、摩托车曲柄锻模电火花加工工艺设计
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( F7 {" Z5 C( r5 H电火花加工是利用工具(电极)和工件之间脉冲性火花放电时的电蚀现象来蚀除多余的金属,以达到满足零件的尺寸、形状及表面质量预定的模具型腔要求。电火花加工时金属材料逐步被蚀除,这一微观的物理过程就是电火花加工的机理。一个物体,无论从宏观上看来是多么平整,但在微观上其表面总是凹凸不平的,即由无数个波峰与波谷组成,当处于工作介质中的两电极加上电压时,两电极之间立即建立起一个电场,但其场强是很不均匀的。场强E不仅取决于极间电压U,而且也取决于极间距离d。
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$ B8 L+ b4 g ?( U* c8 V4 h当两极间距d在一定范围内时,由于最高峰的d最小,E最大,故最先在该处击穿介质,形成放电通道,释放出大量的能量,工件表面被蚀除一个凹坑,工件表面的最高峰变成波谷,另一处场强又变成最大,在脉冲能量的作用下,该处又被蚀除凹坑。这样以很高频率连续不断地重复放电,工具电极不断地向工件进给,就可以将工具电极的形状“复制”在工件上,加工出所需的模具型腔。
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在电火花加工中,其加工工艺指标一般指加工速度、电极损耗和表面粗糙度。
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' U+ ^: Z3 c% C3 f9 U9 U- V$ s* H% m1.加工速度
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; ~+ A8 e4 a& a7 u) U对于电火花加工来说,加工速度是指在单位时间内工件被蚀除的体积或重量。提高加工速度就提高了生产效率,因此,研究影响加工速度的因素,提高加工速度具有非常重要的意义。
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: J* x+ ^. M5 E! s, Q6 J一般来说,影响加工速度的主要因素有以下几方面:
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1 q+ i/ U& \/ e/ z(1)加工电流一般说来,在加工面积一定的情况下,峰值电流越大,加工速度就越快。但有一个极限,超过这个极限,加工稳定性就被破坏,电极和工件产生拉弧烧伤,加工速度反而降低;在要求加工速度高时,一般根据加工面积来选择加工电流,其经验值是3~6A/cm2。我们在加工摩托车曲柄锻模时,选择5A/cm2进行粗加工,加工稳定性好,加工速度也很高。
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7 f: b4 h( [ C7 N(2)脉冲宽度在电流一定时,脉冲宽度越大,脉冲能量也越大,材料蚀除量也大,因此,加工速度快。但是,也不是脉冲宽度可以无限度的增加,当脉冲宽度增加到某一数值时,加工速度最高,但此时如果继续增加脉冲宽度,单个脉冲能量虽然增加,而却有较大部分的热能为电极与工件所吸收,不利于蚀除模具上的金属;同时,由于蚀除的金属量增多,使得排气条件恶化,来不及消电离,引起拉弧现象,破坏加工稳定性,反而降低加工速度。我们在加工摩托车曲柄锻模时,脉冲宽度选择750~1000μS进行粗加工,加工稳定性好,加工速度也很高。 2 H7 u- c: [9 P) `# T
~3 J; S0 d' x) v1 Y3 S$ k- ]% ~2 v(3)脉冲间隙在脉冲宽度一定的条件下,脉冲间隙越小,脉冲频率就越高,加工速度高,反之,加大脉冲间隙,加工速度会降低;但是过分不合理的减小脉冲间隙,会使放电间隙来不及消电离,破坏加工的稳定性,同样使加工速度降低。因此,在确定电参数时,应注意脉冲间隙与脉冲宽度的合理匹配,保证加工的稳定性。我们在加工摩托车曲柄锻模时,脉冲间隙选择750~1000μS进行粗加工,加工稳定性好,加工速度也很高。 6 {: q3 w9 y3 H
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(4)抬刀在加工过程中,设置合理的抬刀也具有非常重要的意义。抬刀设置不合理,如加大抬刀高度和加快抬刀频率,都会使加工速度降低。 & L* [* |' u) X' Z5 v
1 [/ z r3 Q( }* }! j, u! i(5)加工稳定性众所周知,加工不稳定,加工效率肯定降低,要保证加工稳定性,就应注意工具电极和工件一定要装夹牢固,防止加工中松动移位;在刚开始加工时,由于加工表面接触不均匀,应选取较小的电参数,待加工面全部均匀接触放电时,再选取相适应的电参数;在加工过程中如果出现拉弧烧伤短路现象,应立即停机,将电极上烧结碳黑清除干净后,再调整电参数进行加工。另外,对于实现计算机控制的电火花机床,一般都在控制程序里有优化控制的功能,因此,最好把优化控制参数开关打开,使其自动控制加工稳定性。 7 p" T* ]1 b- H K3 V* _% A. l) }5 T$ g
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2.电极损耗
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2 G- w& O' T' g( r$ H- N+ F. Y* x电火花加工是利用电极进行仿形加工,模具的制造精度直接取决于仿形精度,而在此过程中,电极的损耗直接影响仿形精度。特别是对于型腔加工,电极损耗这一工艺参数显得尤为重要。如何在电火花加工过程中降低电极损耗,提高加工仿形精度,对于提高摩托车曲柄锻模制造精度,保证摩托车曲柄锻件质量具有重要的意义。 3 R* X! Z5 X3 E' A3 A/ J
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在电火花加工中,电极不同部位,电极损耗的速度是不一样的。一般来说,尖角的损耗比钝角快,角的损耗比棱快,棱的损耗比面快,端面的损耗比侧面快,端面的侧缘的损耗比端面的中心部位快。
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( E6 Q# Z- @/ V" n* L! p9 q* [在生产中影响电极损耗的因素比较多,主要的因素大致有以下几条: & J, D6 X- _ w) Q# L
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(1)电极极性对损耗的影响 ( D) ^- J5 U y7 Q% K1 w
! h4 m6 w1 m+ t& |+ j+ u在电火花加工时,相同材料两电极的被腐蚀量是不一样的,其中一个电极比另一个电极蚀除量大,这种现象在电加工中称为极性效应,在生产中,通常把工件接脉冲电源的正极,工具电极接负极,称为“正极性”加工;反之,称为“负极性”加工。如果两电极的材料不同,极性效应就更复杂,电火花加工正是利用这一效应来对工件进行加工。我们在加工摩托车曲柄锻模时采用“负极性”加工。
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在电火花加工中,加工极性与损耗一般有如下的关系(见图1)。 % X1 Y* h. @+ P$ C. m3 U) ]0 l, ?
图1 加工极性与损耗 3 t6 ?: T! j$ d$ k ]6 r& V9 A0 l: @
(2)脉冲宽度对损耗的影响 % w* b+ d: W8 ^1 N& T: G' |4 Z: H5 }4 s
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一般说来,在峰值电流不变的前提下,脉冲宽度越小,电极损耗越大,精加工时电极损耗比粗加工损耗大。因而在宽脉冲时,容易实现电极的低损耗。这主要原因是:
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2 S' M( L! p3 e: ]/ xa.脉冲宽度加大,单位时间内脉冲放电次数减少,使放电击穿引起电极损耗的影响减少,同时,工件承受正离子轰击的机会增多,正离子加速的时间也长,极性效应明显。 4 _& j. J$ A9 ]5 B( k
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b.脉冲宽度加大后,电极易于生成具有“覆盖效应”的黑膜,保护电极表面,使电极损耗降低;在电参数非常合理的理想情况下,利用“覆盖效应”生成的黑膜可以实现“无损耗”加工。
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" x) I, d$ p" C脉冲宽度与损耗的关系见图2。 0 O: j3 [5 j3 {( Y
图2 脉宽与损耗 ! k& j8 j) Y3 x& \4 f
(3)电流对损耗的影响 $ ]- o% A w: G: i
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对于一定的脉冲宽度,加工时的电流峰值不同,电极损耗也不同。峰值电流大小与损耗关系很大,在铜—钢的粗、精加工时,要想得到低损耗,在脉冲宽度一定的情况下,应减少功率管的数量,降低峰值电流;但在石墨—钢中,当脉冲宽度一定时,随着电流的增加,电极损耗反而降低。因此,在实际加工中应充分认识和利用这一不同的影响。电流的大小,直接影响加工速度和电极损耗,在粗加工时,一般不考虑电极的损耗,但为兼顾二者,最大电流最好为:铜—钢取4A/cm2,石墨—钢取3A/cm2,如果电流大于该值,电极损耗就会更大。
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" i" [2 |1 J7 H2 G9 F( g. `. w0 T(4)脉冲间隙对损耗的影响 5 c! X/ B! _) r0 \( `) @% i* A
/ I' W8 n4 h4 P! Y8 X& W在脉冲宽度不变的情况下,脉冲间隙增加,电极损耗也会加大,这主要是因为加大脉冲间隙后,电极表面温度降低,黑膜“覆盖效应”减弱,使电极表面得不到损耗补偿;反之,如果将脉冲间隙减小到超过限度,放电来不及消电离,就会造成拉弧烧伤,破坏加工稳定性,降低生产效率。
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4 D2 n5 {1 B9 e- ^脉冲间隙与损耗的关系如图3所示。
# k9 T. N, J; k2 T图3 脉冲间隙与损耗 1 O9 P4 V5 g0 U
(5)冲抽油对损耗的影响
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: [4 g2 S1 |3 W; y" S在电火花加工中产生的气体、金属颗粒、碳黑等蚀除物必须及时排出,否则将影响加工的稳定性,因而需用冲抽油的方式排出蚀除物,以利于稳定加工,然而,冲抽油虽然有利于排屑,但由于它的冷却作用降低了“覆盖效应”黑膜的生成,从而加剧了电极的损耗。因此,我们在加工过程中应尽量采用弱冲油的原则,即是在保证加工稳定性的前提下,冲抽油压力应小一些为好。
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3.表面粗糙度 / G# `% ?2 ?6 X6 k) ~" x5 N& L
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工件的电火花加工表面粗糙度直接影响其使用性能,如耐磨性、配合性质、接触刚度、疲劳强度和抗腐蚀性等,尤其是对于高压条件下工作的模具,其表面粗糙度更是决定其使用性能和使用寿命的关键。粗糙度与加工速度是一对基本矛盾,要获得高的加工速度则粗糙度就差,而要获得较佳的粗糙度,则加工速度很低。对于摩托车曲柄锻模来讲,粗糙度要求并不是很高,因此,为了满足获得较佳的加工速度,在满足粗糙度要求的条件下,尽量降低光洁度要求。 - s0 v1 Y8 g" L# S
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三、小结 6 o7 m& N# S; g4 |$ `+ m8 @4 o
8 n# ^- I7 x5 q0 I与传统的制模方式相比较,我们采用CAD/CAM建立几何模型,编制数控加工程序,然后直接利用该数控程序在加工中心上加工出电极,就从制造质量上保证了摩托车曲柄锻模的尺寸、形状精度要求,从而也就保证了摩托车曲柄锻件的质量。采用合理的电火花加工工艺,既提高了生产效率,缩短制模时间,又减小电极损耗,保证电极的仿形制造精度,从而保证模具的制造精度,进而保证了摩托车曲柄锻件的质量。 |