CN1270868C - 用于连杆断裂剖分前预制裂解槽的激光加工设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于连杆断裂剖分前预制裂解槽的激光加工设备。它包括主机和YAG固体激光器及激光器相连接的激光切割头，所述的主机按如下方式组成：在一框架式机架下部设有可沿x、y轴平移的工作台，工作台上固设工件卡盘，在工作台上方设有一沿机架内侧壁上的直线导轨上下移动的滑块，所述的激光切割头通过回转机构和微调机构设置在滑块上。采用本激光加工设备，加工的连杆裂解槽具有切缝窄、深度易于控制、两侧沟槽宽度、深度一致，位置精度高、尺寸精度好。明显改善后续断裂加工过程中的断裂效果，避免断裂面掉渣、大头孔变形、失圆等问题。

Description

用于连杆断裂剖分前预制裂解槽的激光加工设备

技术领域

本发明涉及连杆断裂剖分前预制裂解槽的激光加工方法及其专用设备。

背景技术

如附图1、2所示，连杆是由连杆体3和连杆盖2组成的剖分类零件，实际工作时连杆体3与连杆盖2合装在一起使用。传统的连杆制造工艺主要有两种：(1)连杆整体锻造或粉末烧结成型→切断分离→机加工杆、盖接合面→机加工杆、盖螺栓孔→装配。(2)连杆体与连杆盖分别锻造成型→机加工杆、盖接合面→机加工杆、盖螺栓孔→装配。上述工艺，不仅需对连杆体和盖的接合面进行拉削、铣削和磨削，还要钻、铰连杆盖与连杆体上的定位销孔和螺栓孔，以便实现连杆本体与连杆盖的精确合装。因此需要较多精加工机床，经过几十道工序，耗费大量的加工工时。

连杆断裂剖分(也称裂解、涨断、胀断、涨裂、撑断等)技术是将采用锻造或粉末烧结成型的整体连杆毛坯经粗加工后，在大头轴承孔内施加裂解力，在裂解力作用下连杆从大头孔断裂分离成连杆体和连杆盖两部分。在后续工序中，以具有三维凹凸曲面特征的断裂面为定位基准，将连杆体与连杆盖合装成连杆整体，并在后续的机械加工中对大头孔进行精镗。

中国专利ZL01271935.8、CN1149272A、CN1047463A、美国专利US4768694、US3,818,57、US5105538A、US4754906、US5169046、日本专利特开平11-245122等公开了连杆裂解制造方法和装置。主要采用“下拉式”、“上楔入式”、“装有液压活塞的裂解块”、“水平力作用”、“偏心转轴作用方式”等裂解方法与工装，实现连杆大头孔断裂剖分。

为了控制和确定断裂位置，减小裂解力并使裂解更容易进行，在早期公开的专利中，有的采用电子束淬火使局部脆化、有的采用局部低温处理脆化。在裂解加工过程中，从脆化区产生裂纹并最终断裂。更通用的做法是在断裂加工前在连杆大头孔柱面上预制两条很窄的沟槽(见附图1中1处)，也称为应力集中槽。在随后的断裂加工中，大头孔内施加的裂解力垂直于应力集中槽，在裂解力作用下，连杆从应力集中槽处产生裂纹、裂纹扩展直至断裂，分离成连杆体和连杆盖两部分。应力集中槽的加工方法主要有两种，即机械拉削和激光加工。

前期公开的涉及连杆应力集中槽加工的专利有：

美国专利US1630759    美国专利US2553935

美国专利US4693139    美国专利US5974663

美国专利US5208979    中国专利CN1149272A

英国专利GB2320308    德国专利DE19534360

US1630759、US2553935、US4693139建议机械加工如机械拉削应力集中槽；CN1149272A说明可以采用V形切口拉制、激光蚀刻和烧结锻造时直接生成应力提高点控制断裂开始位置。

US5974663和GB2320308公开的铸铁连杆制造方法中，将铸铁连杆放在斜面上，采用YAG固体激光器光束垂直向下对大头孔加工锯齿形槽，断裂后断裂面呈不规则形状。

US5208979建议采用脉冲激光加工应力集中槽，激光切割槽宽度0.5mm，深度0.8mm。宽度和深度比为5∶8，激光脉冲功率400W、脉冲频率10Hz，脉冲宽度2.0毫秒，光束移动速度76cm/min。

DE19534360建议用一个激光器，通过一分配装置将一束光束分配到两个聚光器上，两个聚光头器平行布置或交叉90°布置，通过二者各自的向上和向下运动同时对两个连杆加工，在大头孔柱面上加工出一系列沿直线排列的圆柱盲孔。

机械拉削应力集中槽的缺点是刀具容易磨损，当磨损导致刀尖圆角半径增大后，应力集中效应降低，需要较大的裂解力才能使大头孔断裂，大头孔明显失圆或变形较大，对连杆后续加工质量、装配质量以及发动机工作都能带来不良的影响。因此，采用机械拉削应力集中槽，需要经常更换或修磨刀具。

激光加工可以避免机械加工中的刀具磨损问题。US5974663和GB2320308只是提及将铸铁连杆放在斜面上用YAG固体激光器切割锯齿形应力集中槽。US5208979采用脉冲激光加工应力集中槽，确定了具体参数，但脉冲频率较低、光束移动速度慢，从而激光熔化金属时间较长，槽宽较大，槽宽深比较大。DE19534360将一束激光分置于两个聚光器，同时加工两个连杆，并在聚光器(激光头)的上下运动中加工两条沟槽，优点是加工效率高，节省激光源。但加工中激光功率很低(100W)，并采用不连续切割方法，以一系列不连续的圆柱盲孔代替沟槽使得后续断裂加工过程中，断面容易掉渣(也称爆口)。此外在聚光器向下的工作行程中加工一侧沟槽而在聚光器向上的回程中加工另一侧沟槽，当光束不垂直于被加工表面时，存在推动加工和拖动加工的问题，二者加工的沟槽有区别。激光头的运动方向与激光头轴线夹角大于90°时为推动加工，激光头的运动方向与激光头轴线夹角小于90°时为拖动加工。与拖动加工相比，推动加工时切缝前沿被预热，激光能量损失小，切割容易进行，且槽深较大、切缝较窄、槽底比较尖锐。当一个连杆两侧沟槽不一致时，断裂加工中两侧不是同时开裂，后断裂一侧往往被撕裂，断裂面掉渣并变形，断裂面啮合性差，影响后续大头孔加工精度以及连杆体与连杆盖装配质量。

发明内容

本发明的目的是为克服目前对连杆断裂剖分前预制裂解槽加工存在的上述缺点，提出一种改进的连杆断裂剖分前预制裂解槽激光加工方法及其激光加工设备。

本发明连杆断裂剖分前预制裂解槽激光加工方法，其特征在于按以下步骤进行：

a.将激光加工设备之激光切割头对应于固卡在工作台上的连杆之大头孔一侧予切割部位上端点；

b.调整激光切割头使激光入射角为0°-70°，开启激光，激光切割头沿垂向向下移动切割至连杆之大头孔下端点，完成一侧沟槽切割；

c.切完上述一侧沟槽后，关断激光，激光切割头向上回程到初始位置，旋转激光切割头使之对应于连杆之大头孔另一侧上端点，并调整激光切割头使激光入射角为0°-70°，再开启激光，激光切割头沿垂向向下移动切割至连杆之大头孔下端点，完成另一侧沟槽切割。

激光脉冲频率为34-45赫兹、激光切割头移动速度为15-20毫米/每秒。

上述所说的激光入射角即为激光束与被切割工件表面法线的夹角。

本发明提供了一种完全新颖的应力集中槽激光加工方法，加工的连杆裂解槽具有切缝窄、深度易于控制、两侧沟槽宽度、深度一致，位置精度高、尺寸精度好。明显改善后续断裂加工过程中的断裂效果，避免断裂面掉渣、大头孔变形、失圆等问题。

一种用于上述的连杆断裂剖分前预制裂解槽激光加工方法的激光加工设备，包括主机和YAG固体激光器及激光器相连接的激光切割头，其特征在于所述的主机按如下方式组成：在一框架式机架下部设有可沿x、y轴平移的工作台，工作台上固设工件卡盘，在工作台上方设有一沿机架内侧壁上的直线导轨上下移动的滑块，所述的激光切割头通过回转机构和微调机构设置在滑块上。

本发明激光加工设备的结构特点及运动特征是：

(1)本发明激光加工设备为三轴顺序动作。在一个工作循环内，工作台x、y轴移动，激光切割头沿z轴运动并旋转。其主运动为切割头的上下移动，切割头的旋转与工作台的运动为辅助运动。

(2)两个交流伺服电机分别驱动工作台沿x、y轴双坐标移动，以调整连杆加工位置。

(3)切割头随同滑块由交流伺服电机驱动经滚珠丝杠传动沿z轴方向运动；由摆动液压油缸控制切割头旋转运动。

(4)工件卡盘用于固定和夹持连杆。在切割加工前，连杆卡装于工件卡盘上。

(5)连杆定位后，由步进电机驱动数控工作台纵向(y轴)移至激光切割头正下方，经步进电机驱动数控工作台横移(x轴)及激光切割头在Z轴上的初始运动定位后，交流伺服电机控制切割头沿z轴向下运动在连杆大头孔圆柱面一侧切割一条沟槽。

(6)大头孔一侧裂解槽加工完成后，在非切割状态返回到初始位置，由摆动液压油缸控制切割头旋转运动，微调机构调整激光切割头在z轴上的初始运动定位后，交流伺服电机控制切割头再沿z轴向下切割大头孔另一侧裂解槽。摆动液压油缸控制切割头保证加工两侧沟槽时光束入射角α一致。

附图说明

图1是连杆切割裂解槽部位示意图；

图2是连杆断裂后的结构示意图；

图3是本发明连杆断裂剖分前预制裂解槽激光加工方法示意图；

图4是用于本发明方法的激光加工设备结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图给出的实施例对本发明方法及其设备作进一步详细说明。

参照图3，本发明连杆断裂剖分前预制裂解槽激光加工方法，其特征在于按以下步骤进行：

a.将激光加工设备之激光切割头9对应于固卡在工作台上的连杆11之大头孔一侧预切割部位上端A点；

b.调整激光切割头使激光入射角(即激光束与被切割工件表面法线的夹角)α为0°-70°，开启激光，激光切割头沿垂向向下移动切割至连杆之大头孔下端B点，完成一侧沟槽AB切割；

c.切完上述一侧沟槽AB后，关断激光，激光切割头向上回程到初始位置，旋转激光切割头使之对应于连杆之大头孔另一侧上端C点，并调整激光切割头使激光入射角α为0°-70°，再开启激光，激光切割头沿垂向向下移动切割至连杆之大头孔下端D点，完成另一侧沟槽CD切割。

激光脉冲频率为34-45赫兹、激光切割头移动速度为15-20毫米/每秒。

本发明方法具有下列特征：

(1)采用YAG固体激光器，激光束通过光纤导光系统进入激光切割头内的调焦系统。调焦后以脉冲方式在金属连杆大头孔圆柱面上切割两条狭窄、尖锐的裂解槽。

(2)加工时激光器与工件都固定不动，采用光纤导光系统并通过激光切割头的运动来实现激光光斑的运动。

(3)为实现连续切割而不是间断的的圆柱盲孔，激光脉冲以一定的频率重叠打孔而得到直线沟槽。

(4)为避免激光切割头与连杆碰撞或干涉，激光切割头向连杆偏转一定的角度，激光入射角α介于0°～70°之间。切割连杆大头孔两侧沟槽时保证激光入射角相同并在切割过程中始终保持激光入射角α不变。

(5)激光切割头沿Z轴向下运动为工作行程，即始终保持推动切割状态。

参照图4，一种用于上述的连杆断裂剖分前预制裂解槽激光加工方法的激光加工设备，包括主机和YAG固体激光器及激光器相连接的激光切割头9，所述的主机按如下方式组成：在一框架式机架17下部设有可沿x、y轴平移的工作台，工作台上固设工件卡盘12，在工作台上方设有一沿机架17内侧壁上的直线导轨6上下移动的滑块8，所述的激光切割头9通过回转机构10和微调机构7设置在滑块8上。

固设在机架17上端的伺服电机4通过滚珠丝杠5驱动连接所述的滑块8。

所述的工作台由通过步进电机13驱动沿x轴移动的上滑台14和通过另一步进电机15驱动沿y轴移动的下滑台16组成。

采用该激光加工设备预制连杆裂解槽，是将予加工连杆11装卡在工件卡盘12上，通过调整工作台上、下滑台14、16以定位被加工工件，通过回转机构10和微调机构7调整激光切割头9相对被加工工件入射角，通过伺服电机4驱动连接的滑块8以实现激光切割头9沿z轴(即垂向)移动进行切割加工。

Claims (3)

1.一种用于连杆断裂剖分前预制裂解槽的激光加工设备，包括主机和YAG固体激光器及激光器相连接的激光切割头(9)，其特征在于所述的主机按如下方式组成：在一框架式机架(17)下部设有可沿x、y轴平移的工作台，工作台上固设工件卡盘(12)，在工作台上方设有一沿机架(17)内侧壁上的直线导轨(6)上下移动的滑块(8)，所述的激光切割头(9)通过回转机构(10)和微调机构(7)设置在滑块(8)上。

2.根据权利要求1所述的激光加工设备，其特征在于固设在机架(17)上端的伺服电机(4)通过滚珠丝杠(5)驱动连接所述的滑块(8)。

3.根据权利要求1所述的激光加工设备，其特征在于所述的工作台由通过步进电机(13)驱动沿x轴移动的上滑台(14)和通过另一步进电机(15)驱动沿y轴移动的下滑台(16)组成。

Images