摘要：摩托車曲柄是摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的關(guān)鍵傳動(dòng)部件，隨著摩托車產(chǎn)量的增長(zhǎng)，曲柄的需求量也越來(lái)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(duì)鍛模的制造質(zhì)量要求也高。在電火花加工鍛模時(shí)，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(gè)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(lái)，我國(guó)摩托車行業(yè)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，1996年摩托車產(chǎn)量就已突破1000萬(wàn)輛，成為世界上最大摩托車生產(chǎn)國(guó)。摩托車曲柄是摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)的關(guān)鍵傳動(dòng)部件，在工作時(shí)承受相當(dāng)大的扭矩，力學(xué)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(duì)于曲柄鍛件的形狀公差和重量公差，必須通過(guò)模具來(lái)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(gè)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(dòng)強(qiáng)度和切削加工量大等許多缺點(diǎn)，不適應(yīng)精鍛和精沖等先進(jìn)工藝發(fā)展的要求。因此，采用先進(jìn)的制造技術(shù)就顯得非常必要。
電火花加工是利用電極進(jìn)行仿形“復(fù)印”加工，電極的精度(在不考慮加工過(guò)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(jī)工作站上應(yīng)用其CAD建立摩托車曲柄實(shí)體模型。通過(guò)直觀的幾何三維實(shí)體模型，我們可以直接查詢?nèi)魏我粋�(gè)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(rèn)三維模型正確無(wú)誤后，再通過(guò)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(jì)
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(shí)的電蝕現(xiàn)象來(lái)蝕除多余的金屬，以達(dá)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(shí)金屬材料逐步被蝕除，這一微觀的物理過(guò)程就是電火花加工的機(jī)理。一個(gè)物體，無(wú)論從宏觀上看來(lái)是多么平整，但在微觀上其表面總是凹凸不平的，即由無(wú)數(shù)個(gè)波峰與波谷組成，當(dāng)處于工作介質(zhì)中的兩電極加上電壓時(shí)，兩電極之間立即建立起一個(gè)電場(chǎng)，但其場(chǎng)強(qiáng)是很不均勻的。場(chǎng)強(qiáng)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(dāng)兩極間距d在一定范圍內(nèi)時(shí)，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(gè)凹坑，工件表面的最高峰變成波谷，另一處場(chǎng)強(qiáng)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(jìn)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(biāo)一般指加工速度、電極損耗和表面粗糙度。
1.加工速度
對(duì)于電火花加工來(lái)說(shuō)，加工速度是指在單位時(shí)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(lái)說(shuō)，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(shuō)來(lái)，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(gè)極限，超過(guò)這個(gè)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(shí)，一般根據(jù)加工面積來(lái)選擇加工電流，其經(jīng)驗(yàn)值是3～6A/cm2。我們?cè)诩庸つν熊嚽�柄鍛模時(shí)，選擇 5A/cm2進(jìn)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(shí)，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(wú)限度的增加，當(dāng)脈沖寬度增加到某一數(shù)值時(shí)，加工速度最高，但此時(shí)如果繼續(xù)增加脈沖寬度，單個(gè)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(shí)，由于蝕除的金屬量增多，使得排氣條件惡化，來(lái)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?cè)诩庸つν熊嚽�柄鍛模時(shí)，脈沖寬度選擇750～1000μS進(jìn)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(huì)降低；但是過(guò)分不合理的減小脈沖間隙，會(huì)使放電間隙來(lái)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(shí)，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?cè)诩庸つν熊嚽�柄鍛模時(shí)，脈沖間隙選擇750～1000μS進(jìn)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(guò)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(huì)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(dòng)移位；在剛開(kāi)始加工時(shí)，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(shí)，再選取相適應(yīng)的電參數(shù)；在加工過(guò)程中如果出現(xiàn)拉弧燒傷短路現(xiàn)象，應(yīng)立即停機(jī)，將電極上燒結(jié)碳黑清除干凈后，再調(diào)整電參數(shù)進(jìn)行加工。另外，對(duì)于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制的電火花機(jī)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(kāi)關(guān)打開(kāi)，使其自動(dòng)控制加工穩(wěn)定性。
2.電極損耗
電火花加工是利用電極進(jìn)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(guò)程中，電極的損耗直接影響仿形精度。特別是對(duì)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(guò)程中降低電極損耗，提高加工仿形精度，對(duì)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(lái)說(shuō)，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(duì)損耗的影響
在電火花加工時(shí)，相同材料兩電極的被腐蝕量是不一樣的，其中一個(gè)電極比另一個(gè)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(fù)極，稱為“正極性”加工；反之，稱為“負(fù)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(lái)對(duì)工件進(jìn)行加工。我們?cè)诩庸つν熊嚽�柄鍛模時(shí)采用“負(fù)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(jiàn)圖1)。

圖1 加工極性與損耗

(2)脈沖寬度對(duì)損耗的影響

一般說(shuō)來(lái)，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(shí)電極損耗比粗加工損耗大。因而在寬脈沖時(shí)，容易實(shí)現(xiàn)電極的低損耗。這主要原因是：
a.脈沖寬度加大，單位時(shí)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(shí)，工件承受正離子轟擊的機(jī)會(huì)增多，正離子加速的時(shí)間也長(zhǎng)，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(hù)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(shí)現(xiàn)“無(wú)損耗”加工。
脈沖寬度與損耗的關(guān)系見(jiàn)圖2。

圖2 脈寬與損耗
(3)電流對(duì)損耗的影響

對(duì)于一定的脈沖寬度，加工時(shí)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(shí)，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(dāng)脈沖寬度一定時(shí)，隨著電流的增加，電極損耗反而降低。因此，在實(shí)際加工中應(yīng)充分認(rèn)識(shí)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(shí)，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(huì)更大。
(4)脈沖間隙對(duì)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(huì)加大，這主要是因?yàn)榧哟竺}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(bǔ)償；反之，如果將脈沖間隙減小到超過(guò)限度，放電來(lái)不及消電離，就會(huì)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(duì)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(shí)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?cè)诩庸み^(guò)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(qiáng)度和抗腐蝕性等，尤其是對(duì)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(duì)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(duì)于摩托車曲柄鍛模來(lái)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(shí)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(jìn)而保證了摩托車曲柄鍛件的質(zhì)量。