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摩托车曲柄锻模电火花成型加工 |
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作者：重庆工学院 王昶 |
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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。
关键词：曲柄；加工工艺；峰值电流；脉冲间隙；脉冲宽度
一、前言
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。
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。
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。
二、摩托车曲柄锻模电火花加工工艺设计
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。
E＝U/d
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。
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。
1.加工速度
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。
一般来说，影响加工速度的主要因素有以下几方面：
(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。
(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。
(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。
(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。
(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。
2.电极损耗
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。
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。
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：
(1)电极极性对损耗的影响
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。
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)。
图1 加工极性与损耗
(2)脉冲宽度对损耗的影响
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：
a.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。
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。
脉冲宽度与损耗的关系见图2。
图2 脉宽与损耗
(3)电流对损耗的影响
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。
(4)脉冲间隙对损耗的影响
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。
脉冲间隙与损耗的关系如图3所示。
图3 脉冲间隙与损耗
(5)冲抽油对损耗的影响
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。
3.表面粗糙度
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。
三、小结
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。
参考文献
1，孟少农主编.机械加工工艺手册(第2卷).北京：机械工业出版社，1991.(end)
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(7/8/2007) |
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