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预制裂解槽的目的是形成缺口效应,提高应力集中水平,能有效降低裂解载荷,保证连杆在预定位置快速脆性裂解,保证加工质量。如图 1所示,裂解槽的槽深h、槽宽w、曲率半径r和张角α对裂解载荷有直接影响,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[7]。
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,其具体参量见表 1。
laser parameters parameter scale laser peak power/W 200~1590 pulse energy/mJ 0.1~15000 pulse width/μs 10~5000 pulse frequency/Hz 0.3~25000 Table 1. Laser technical data
试样选取JL4T18连杆,其材料为非调质中碳合金钢36MnVS4,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,主要为均匀珠光体+铁素体。
element C S P Si Mn Cr V Al Ni w 0.0036 0.00042 0.000007 0.0063 0.0099 0.0024 0.0027 0.00016 0.00011 Table 2. Chemical compositions (mass fraction w) of material
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脉冲激光加工裂解槽过程中影响切割质量的因素较多,且每个因素有多个水平,此时会优先采用正交实验法。正交实验能在所有因素的不同水平内进行均衡采样,能够在达到较好实验目的同时减少实验次数[8]。
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。脉冲能量Q和脉冲重叠率n是影响激光切割效果的主要因素[9-10]:
式中, Q为脉冲能量, P为峰值功率, t为脉冲宽度, d为聚焦半径, v为切割速率, f为脉冲频率。
由(1)式可知, 脉冲能量由峰值功率和脉冲宽度二者共同决定,由(2)式可知, 脉冲重叠率由聚焦半径、切割速率和脉冲频率共同决定。由于实验条件限制,本文中暂不考虑聚焦半径对脉冲重叠率的影响,因此本文中最终选取了峰值功率、脉冲宽度、脉冲频率和切割速率4个参量作为研究的因素,每个因素设置4个水平,切割角度垂直与连杆大头孔内壁且保持不变、辅助气体及离焦量等也保持不变。表 3所示为各个因素在不同水平下的取值。
level cutting speed/ (m·min-1) peak power/ W pulse frequency/ Hz pulse width/ μs 1 1.0 600 800 20 2 1.2 700 900 30 3 1.4 800 1000 40 4 1.6 900 1100 50 Table 3. Factors and levels of orthogonal experiments
1.1. 实验设备和材料
1.2. 实验方案
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对正交表中每组参量进行3次实验,如图 3所示。通过激光共聚焦显微镜观测裂解槽正面测量裂解槽宽度,观测裂解槽截面测量裂解槽的深度和曲率半径,将3次测量结果取平均值。由于裂解槽曲率半径很小,则可根据下式计算出裂解槽的张角[11]:
裂解槽的深度、宽度、曲率半径的测量平均值及张角的计算结果如表 4所示。
level cutting speed/ (m·min-1) peak power/ W pulse frequency/ Hz pulse width/ μs notch depth/ μm notch width/ μm radius of curvature/ μm opening angle/ (°) 1 1.0 600 800 20 250.99 123.88 18.37 27.72 2 1.0 700 900 30 472.05 154.02 20.21 18.53 3 1.0 800 1000 40 696.09 184.15 21.01 15.07 4 1.0 900 1100 50 860.30 187.49 17.56 12.43 5 1.2 600 900 40 455.18 170.75 32.55 21.24 6 1.2 700 800 50 692.87 184.15 25.32 15.13 7 1.2 800 1100 20 518.89 137.27 20.46 15.07 8 1.2 900 1000 30 632.93 174.11 27.67 15.66 9 1.4 600 1000 50 522.45 184.18 31.2 19.99 10 1.4 700 1100 40 579.04 187.49 26.94 18.39 11 1.4 800 800 30 505.33 160.71 25.10 18.07 12 1.4 900 900 20 532.27 157.36 23.03 16.81 13 1.6 600 1100 30 355.50 157.37 25.26 24.96 14 1.6 700 1000 20 287.88 147.30 20.77 28.70 15 1.6 800 900 50 840.32 194.19 23.45 13.18 16 1.6 900 800 40 622.50 187.49 19.28 17.12 Table 4. Results of orthogonal experiments
由实验结果可知:不同的参量组合对裂解槽的宽度、张角和曲率大半径的影响不大。由文献可知:槽深对裂解力的影响最显著,随槽深的增加裂解所需载荷显著减小;曲率半径和张角对裂解载荷也有一定影响,随曲率半径和张角减小裂解所需载荷也越小;槽宽对裂解力的影响最小,随槽宽减小裂解所需载荷降低不明显[12]。由于张角、曲率半径及槽宽变化不大,且不是影响裂解力的主要因素。因此,可只研究不同的参量组合对裂解槽深度的影响程度,并对参量进行优化。采用极差分析法对各个因素在不同水平值下的实验结果进行分析,得到各因素对实验考察指标的影响程度, 结果如表 5所示。
level cutting speed(A)/ (m·min-1) peak power(B)/ W pulse frequency(C)/ Hz pulse width(D)/ μs 1 569.86 396.03 517.92 397.51 2 574.97 507.96 574.96 491.45 3 534.77 640.16 537.59 588.20 4 526.55 716.46 578.43 728.99 range 43.31 320.43 60.51 331.48 Table 5. The range of notch depth in different factors and levels
根据表 5中计算的结果可得到,激光切割参量对裂解槽深度的影响程度由大到小依次为:脉冲宽度>峰值功率>脉冲频率>切割速率。
如图 4所示,裂解槽底部凹凸不平且有部分金属融化后未被及时吹除, 而凝结在裂解槽底部表面,形成凝固块。同时存在很多微裂纹和气孔,由于激光切割温度高、时间短,易形成较大的温度梯度从而产生热应力,使金属的变形不均,导致微裂纹的产生。微裂纹可和气孔降低了此处的材料强度,可显著降低裂解力。
裂解槽底部存在一定厚度的热影响区,在激光切割时,由于温度过高,且该连杆材料属于中碳钢[13],因此会在高温附近区域形成片状(针状)马氏体[14]。连杆工作时受力情况相当复杂。所以,除了要求连杆具有足够的强度和刚度外,还应保证其具有相应的加工精度。其经激光切槽后,受到激光热作用的组织大部分转变为马氏体,高碳马氏体本身很脆,在撞击时极易产生裂纹,并且由于裂解槽内气孔和微裂纹的存在,这些裂纹和气孔极易成为疲劳裂纹源而导致开裂,必须通过后续机械加工来完全去除这些组织[15-16]。如图 5所示,通过观测连杆裂解后裂解槽的侧面,得到各裂解槽热影响区厚度在70μm左右,为确保能去除热影响区,则取其厚度为100μm。
根据连杆加工的要求,连杆裂解后,还需在连杆大头孔内壁进行半精镗、精镗、珩磨等加工工序,其加工余量为700μm。由于热影响区厚度为100μm,故裂解槽深度取600μm为宜。
用A, B, C, D分别表示表 5中的切割速率、峰值功率、脉冲频率和脉冲宽度,字母下标表示字母对应列中的行序号。本文中以裂解槽深度小于且最接近600μm为优化目标。根据表 5的结果,对A, B, C, D每列取小于且最接近600μm的值,得到其值分别为A1, B2, C4, D3,即得到了每个因素下的最优水平,然后将4个因素下的最优水平组合起来,得到最优参量组合为A1B2C4D3,即切割速率为1.0mm/min、峰值功率为700W、脉冲频率为1000Hz、脉冲宽度为50μs。
图 6为优化前裂解槽的截面形貌。如图 6a所示,在脉冲能量较小时裂解槽深度较浅,会使连杆裂解时裂解力较大,导致连杆大头孔产生较大的塑性变形而出现“失圆”现象,无法满足连杆的精度要求;如图 6b所示,在脉冲能量较大时裂解槽深度太深,使得精加工后热影响区无法去除,甚至裂解槽深度超过加工余量。
图 7为优化后裂解槽的截面形貌。此时裂解槽深度符合要求,裂解槽截面呈“V”型,裂解槽尖锐、深而窄、张角小, 可以有效提高应力集中系数, 降低裂解力, 避免裂解缺陷的出现, 保证连杆裂解加工质量。