怎樣進行摩托車曲柄鍛模電火花成型加工?

 摘要：摩托車曲柄是摩托車發(fā)動機內(nèi)的關(guān)鍵傳動部件，隨著摩托車產(chǎn)量的增長，曲柄的需求量也越來越大；為了降低成本，提高生產(chǎn)率，必須采用大批量生產(chǎn)，因此，采用模鍛工藝生產(chǎn)就顯得非常必要。由于摩托車曲柄鍛件質(zhì)量要求較高，因此，對鍛模的制造質(zhì)量要求也高。在電火花加工鍛模時，要求電極制造質(zhì)量和電火花加工工藝較高，必須充分考慮電參數(shù)的選取，特別是峰值電流、脈沖間隙、脈沖寬度3個參數(shù)的合理搭配。
關(guān)鍵詞：曲柄；加工工藝；峰值電流；脈沖間隙；脈沖寬度
一、前言
近年來，我國摩托車行業(yè)得到了長足的發(fā)展，1996年摩托車產(chǎn)量就已突破1000萬輛，成為世界上最大摩托車生產(chǎn)國。摩托車曲柄是摩托車發(fā)動機內(nèi)的關(guān)鍵傳動部件，在工作時承受相當大的扭矩，力學性能要求較高，只有采用鍛造的方法才能滿足其性能要求。然而，對于曲柄鍛件的形狀公差和重量公差，必須通過模具來保證，因此，模具的質(zhì)量是決定曲柄鍛件質(zhì)量和生產(chǎn)成本的一個最為重要的因素。
        傳統(tǒng)的制模工藝普遍存在生產(chǎn)效率低，鍛件質(zhì)量不容易保證，模具壽命低，工人勞動強度和切削加工量大等許多缺點，不適應(yīng)精鍛和精沖等先進工藝發(fā)展的要求。因此，采用先進的制造技術(shù)就顯得非常必要。
電火花加工是利用電極進行仿形“復(fù)印”加工，電極的精度(在不考慮加工過程中電極損耗的情況下)決定了模具制造的精度。為了保證電極的尺寸和幾何形狀精度，我們采用UGⅡ軟件，先在微機工作站上應(yīng)用其CAD建立摩托車曲柄實體模型。通過直觀的幾何三維實體模型，我們可以直接查詢?nèi)魏我粋�尺寸信息，檢查幾何三維模型是否客觀存在以及模型建立正確與否。在確認三維模型正確無誤后，再通過UGⅡ的CAM生成電極的數(shù)控加工程序，然后直接利用該數(shù)控加工程序在加工中心上加工出電極，這樣就保證了電極的尺寸、形狀精度，為最終電火花加工提供了質(zhì)量保證。
二、摩托車曲柄鍛模電火花加工工藝設(shè)計
電火花加工是利用工具(電極)和工件之間脈沖性火花放電時的電蝕現(xiàn)象來蝕除多余的金屬，以達到滿足零件的尺寸、形狀及表面質(zhì)量預(yù)定的模具型腔要求。電火花加工時金屬材料逐步被蝕除，這一微觀的物理過程就是電火花加工的機理。一個物體，無論從宏觀上看來是多么平整，但在微觀上其表面總是凹凸不平的，即由無數(shù)個波峰與波谷組成，當處于工作介質(zhì)中的兩電極加上電壓時，兩電極之間立即建立起一個電場，但其場強是很不均勻的。場強E不僅取決于極間電壓U，而且也取決于極間距離d。
E＝U/d
當兩極間距d在一定范圍內(nèi)時，由于最高峰的d最小，E最大，故最先在該處擊穿介質(zhì)，形成放電通道，釋放出大量的能量，工件表面被蝕除一個凹坑，工件表面的最高峰變成波谷，另一處場強又變成最大，在脈沖能量的作用下，該處又被蝕除凹坑。這樣以很高頻率連續(xù)不斷地重復(fù)放電，工具電極不斷地向工件進給，就可以將工具電極的形狀“復(fù)制”在工件上，加工出所需的模具型腔。
在電火花加工中，其加工工藝指標一般指加工速度、電極損耗和表面粗糙度。
1.加工速度
對于電火花加工來說，加工速度是指在單位時間內(nèi)工件被蝕除的體積或重量。提高加工速度就提高了生產(chǎn)效率，因此，研究影響加工速度的因素，提高加工速度具有非常重要的意義。
一般來說，影響加工速度的主要因素有以下幾方面：
(1)加工電流一般說來，在加工面積一定的情況下，峰值電流越大，加工速度就越快。但有一個極限，超過這個極限，加工穩(wěn)定性就被破壞，電極和工件產(chǎn)生拉弧燒傷，加工速度反而降低；在要求加工速度高時，一般根據(jù)加工面積來選擇加工電流，其經(jīng)驗值是3～6A/cm2。我們在加工摩托車曲柄鍛模時，選擇 5A/cm2進行粗加工，加工穩(wěn)定性好，加工速度也很高。
(2)脈沖寬度在電流一定時，脈沖寬度越大，脈沖能量也越大，材料蝕除量也大，因此，加工速度快。但是，也不是脈沖寬度可以無限度的增加，當脈沖寬度增加到某一數(shù)值時，加工速度最高，但此時如果繼續(xù)增加脈沖寬度，單個脈沖能量雖然增加，而卻有較大部分的熱能為電極與工件所吸收，不利于蝕除模具上的金屬；同時，由于蝕除的金屬量增多，使得排氣條件惡化，來不及消電離，引起拉弧現(xiàn)象，破壞加工穩(wěn)定性，反而降低加工速度。我們在加工摩托車曲柄鍛模時，脈沖寬度選擇750～1000μS進行粗加工，加工穩(wěn)定性好，加工速度也很高。
(3)脈沖間隙在脈沖寬度一定的條件下，脈沖間隙越小，脈沖頻率就越高，加工速度高，反之，加大脈沖間隙，加工速度會降低；但是過分不合理的減小脈沖間隙，會使放電間隙來不及消電離，破壞加工的穩(wěn)定性，同樣使加工速度降低。因此，在確定電參數(shù)時，應(yīng)注意脈沖間隙與脈沖寬度的合理匹配，保證加工的穩(wěn)定性。我們在加工摩托車曲柄鍛模時，脈沖間隙選擇750～1000μS進行粗加工，加工穩(wěn)定性好，加工速度也很高。
(4)抬刀在加工過程中，設(shè)置合理的抬刀也具有非常重要的意義。抬刀設(shè)置不合理，如加大抬刀高度和加快抬刀頻率，都會使加工速度降低。
(5)加工穩(wěn)定性眾所周知，加工不穩(wěn)定，加工效率肯定降低，要保證加工穩(wěn)定性，就應(yīng)注意工具電極和工件一定要裝夾牢固，防止加工中松動移位；在剛開始加工時，由于加工表面接觸不均勻，應(yīng)選取較小的電參數(shù)，待加工面全部均勻接觸放電時，再選取相適應(yīng)的電參數(shù)；在加工過程中如果出現(xiàn)拉弧燒傷短路現(xiàn)象，應(yīng)立即停機，將電極上燒結(jié)碳黑清除干凈后，再調(diào)整電參數(shù)進行加工。另外，對于實現(xiàn)計算機控制的電火花機床，一般都在控制程序里有優(yōu)化控制的功能，因此，最好把優(yōu)化控制參數(shù)開關(guān)打開，使其自動控制加工穩(wěn)定性。
2.電極損耗
電火花加工是利用電極進行仿形加工，模具的制造精度直接取決于仿形精度，而在此過程中，電極的損耗直接影響仿形精度。特別是對于型腔加工，電極損耗這一工藝參數(shù)顯得尤為重要。如何在電火花加工過程中降低電極損耗，提高加工仿形精度，對于提高摩托車曲柄鍛模制造精度，保證摩托車曲柄鍛件質(zhì)量具有重要的意義。
在電火花加工中，電極不同部位，電極損耗的速度是不一樣的。一般來說，尖角的損耗比鈍角快，角的損耗比棱快，棱的損耗比面快，端面的損耗比側(cè)面快，端面的側(cè)緣的損耗比端面的中心部位快。
在生產(chǎn)中影響電極損耗的因素比較多，主要的因素大致有以下幾條：
(1)電極極性對損耗的影響
在電火花加工時，相同材料兩電極的被腐蝕量是不一樣的，其中一個電極比另一個電極蝕除量大，這種現(xiàn)象在電加工中稱為極性效應(yīng)，在生產(chǎn)中，通常把工件接脈沖電源的正極，工具電極接負極，稱為“正極性”加工；反之，稱為“負極性”加工。如果兩電極的材料不同，極性效應(yīng)就更復(fù)雜，電火花加工正是利用這一效應(yīng)來對工件進行加工。我們在加工摩托車曲柄鍛模時采用“負極性”加工。
在電火花加工中，加工極性與損耗一般有如下的關(guān)系(見圖1)。

圖1 加工極性與損耗

(2)脈沖寬度對損耗的影響

一般說來，在峰值電流不變的前提下，脈沖寬度越小，電極損耗越大，精加工時電極損耗比粗加工損耗大。因而在寬脈沖時，容易實現(xiàn)電極的低損耗。這主要原因是：
a.脈沖寬度加大，單位時間內(nèi)脈沖放電次數(shù)減少，使放電擊穿引起電極損耗的影響減少，同時，工件承受正離子轟擊的機會增多，正離子加速的時間也長，極性效應(yīng)明顯。
b.脈沖寬度加大后，電極易于生成具有“覆蓋效應(yīng)”的黑膜，保護電極表面，使電極損耗降低；在電參數(shù)非常合理的理想情況下，利用“覆蓋效應(yīng)”生成的黑膜可以實現(xiàn)“無損耗”加工。
脈沖寬度與損耗的關(guān)系見圖2。

圖2 脈寬與損耗
(3)電流對損耗的影響

對于一定的脈沖寬度，加工時的電流峰值不同，電極損耗也不同。峰值電流大小與損耗關(guān)系很大，在銅—鋼的粗、精加工時，要想得到低損耗，在脈沖寬度一定的情況下，應(yīng)減少功率管的數(shù)量，降低峰值電流；但在石墨—鋼中，當脈沖寬度一定時，隨著電流的增加，電極損耗反而降低。因此，在實際加工中應(yīng)充分認識和利用這一不同的影響。電流的大小，直接影響加工速度和電極損耗，在粗加工時，一般不考慮電極的損耗，但為兼顧二者，最大電流最好為：銅—鋼取 4A/cm2，石墨—鋼取3A/cm2，如果電流大于該值，電極損耗就會更大。
(4)脈沖間隙對損耗的影響
在脈沖寬度不變的情況下，脈沖間隙增加，電極損耗也會加大，這主要是因為加大脈沖間隙后，電極表面溫度降低，黑膜“覆蓋效應(yīng)”減弱，使電極表面得不到損耗補償；反之，如果將脈沖間隙減小到超過限度，放電來不及消電離，就會造成拉弧燒傷，破壞加工穩(wěn)定性，降低生產(chǎn)效率。
脈沖間隙與損耗的關(guān)系如圖3所示。

圖3 脈沖間隙與損耗

(5)沖抽油對損耗的影響
在電火花加工中產(chǎn)生的氣體、金屬顆粒、碳黑等蝕除物必須及時排出，否則將影響加工的穩(wěn)定性，因而需用沖抽油的方式排出蝕除物，以利于穩(wěn)定加工，然而，沖抽油雖然有利于排屑，但由于它的冷卻作用降低了“覆蓋效應(yīng)”黑膜的生成，從而加劇了電極的損耗。因此，我們在加工過程中應(yīng)盡量采用弱沖油的原則，即是在保證加工穩(wěn)定性的前提下，沖抽油壓力應(yīng)小一些為好。
3.表面粗糙度
工件的電火花加工表面粗糙度直接影響其使用性能，如耐磨性、配合性質(zhì)、接觸剛度、疲勞強度和抗腐蝕性等，尤其是對于高壓條件下工作的模具，其表面粗糙度更是決定其使用性能和使用壽命的關(guān)鍵。粗糙度與加工速度是一對基本矛盾，要獲得高的加工速度則粗糙度就差，而要獲得較佳的粗糙度，則加工速度很低。對于摩托車曲柄鍛模來講，粗糙度要求并不是很高，因此，為了滿足獲得較佳的加工速度，在滿足粗糙度要求的條件下，盡量降低光潔度要求。
三、小結(jié)
與傳統(tǒng)的制模方式相比較，我們采用CAD/CAM建立幾何模型，編制數(shù)控加工程序，然后直接利用該數(shù)控程序在加工中心上加工出電極，就從制造質(zhì)量上保證了摩托車曲柄鍛模的尺寸、形狀精度要求，從而也就保證了摩托車曲柄鍛件的質(zhì)量。采用合理的電火花加工工藝，既提高了生產(chǎn)效率，縮短制模時間，又減小電極損耗，保證電極的仿形制造精度，從而保證模具的制造精度，進而保證了摩托車曲柄鍛件的質(zhì)量。