發(fā)動(dòng)機(jī)缸體毛刺電化學(xué)去除設(shè)備的研制

陸曉淳，許慶平，顧林峰，季希寧，周 明

（ 蘇州電加工機(jī)床研究所有限公司，江蘇 蘇州 215011 ）

近年來，隨著汽車船舶發(fā)動(dòng)機(jī)控制技術(shù)的快速發(fā)展，發(fā)動(dòng)機(jī)缸體為適應(yīng)油路精細(xì)化控制并提高燃燒效率，缸體油道內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)越來越復(fù)雜，缸體需要去除毛刺的精細(xì)部位增多，去除不到位會(huì)增加油路堵塞的風(fēng)險(xiǎn)。 電化學(xué)去毛刺是一種非接觸式的加工方式，能實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體多油路毛刺的有效去除。 眾多學(xué)者針對(duì)電化學(xué)去毛刺開展了機(jī)理分析和設(shè)計(jì)工作。 呂蒙[1]根據(jù)脈沖電化學(xué)去毛刺加工的電源工藝參數(shù)和柔性化加工要求， 設(shè)計(jì)了高效能、數(shù)字化的大功率脈沖加工電源，使其能滿足大多數(shù)情況下去毛刺加工對(duì)電源參數(shù)的要求。 劉嘉航[2]利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)對(duì)電化學(xué)去毛刺加工過程中的流場(chǎng)和電場(chǎng)進(jìn)行分析，優(yōu)化了交叉孔毛刺去除的電解液流動(dòng)方式，再?gòu)囊簤洪y去除毛刺效率和加工要求的角度考慮，設(shè)計(jì)了適合去毛刺的脈沖電源及關(guān)鍵部件，使得交叉孔邊緣的毛刺得以完全去除。 程紅亮[3]分別對(duì)固定式陰極脈沖電解加工和恒間隙脈沖電解加工的加工機(jī)理進(jìn)行分析，從本質(zhì)上確定了工藝參數(shù)及對(duì)精度指標(biāo)的數(shù)學(xué)關(guān)系，從而提高了電解去毛刺的加工精度。

本文通過研究多回路脈沖電化學(xué)去毛刺精整技術(shù)，采用脈沖型電解電源，研制出在一次加工中能夠?qū)崿F(xiàn)同一零件不同去毛刺部位、 不同毛刺形態(tài)、不同毛刺去除要求的電化學(xué)多回路脈沖去毛刺設(shè)備，并與電化學(xué)多回路直流去毛刺設(shè)備進(jìn)行了實(shí)際加工對(duì)比，檢驗(yàn)設(shè)備的加工性能。

1 電化學(xué)多回路脈沖去毛刺設(shè)備的設(shè)計(jì)

1.1 主機(jī)設(shè)計(jì)

主機(jī)是數(shù)控機(jī)床的主體，其性能對(duì)工件的加工精度、 加工效率與表面質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體油道形狀和位置分布，主機(jī)設(shè)計(jì)采用臥式布局[4]，具有結(jié)構(gòu)剛性大、設(shè)備精度高、穩(wěn)定性好、精度保持性好等優(yōu)點(diǎn)。

主機(jī)采用全防腐鋼板焊接結(jié)構(gòu)，工作區(qū)域由全不銹鋼制成。 工作臺(tái)前后移動(dòng)的設(shè)計(jì)使工件的裝卸在機(jī)床加工區(qū)域外進(jìn)行，雙導(dǎo)柱的形式使防濺防腐更為可靠，“兩銷一面”的工件定位方式和工作臺(tái)前端的機(jī)械限位擋塊，使工件上料定位更加穩(wěn)定。

1.2 工具電極設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)缸體油道多個(gè)交叉孔的同步加工，在單電極單回路放電基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)了多回路加工結(jié)構(gòu)，基本結(jié)構(gòu)與電極布位如圖1 所示。 根據(jù)圖中設(shè)置的左上電極、右上電極、左電極及右電極回路，形成了四電極四回路放電結(jié)構(gòu)。 在加工時(shí)，多頭工具電極與工件各自形成單獨(dú)的加工回路獨(dú)立加工，互不干涉。 工具電極的進(jìn)給及回退由對(duì)應(yīng)的氣缸控制，其結(jié)構(gòu)采用雙導(dǎo)柱形式，并在左、右工具電極的兩導(dǎo)柱前端裝有電極導(dǎo)向器組件，可使電極到達(dá)工件的毛刺部位。

圖1 多頭多回路電極位置

根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的實(shí)際毛刺情況，應(yīng)用防腐蝕放電遮蔽技術(shù)對(duì)多頭工具電極進(jìn)行了合理設(shè)計(jì)，在保證缸體工件高效去除毛刺的同時(shí)，保護(hù)非毛刺部位表面的原始精度和質(zhì)量[5]，單個(gè)工具電極的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2 所示。 電極桿材料為奧氏體不銹鋼，具有很好的剛性和耐腐蝕性，在其外部熱熔包裹一層厚度約2 mm 的三丙聚丙烯材料，用于絕緣遮蔽，牢固且耐磨。 各電極頭單獨(dú)固定在電極桿上，便于損傷后的更換，降低電極使用成本。

圖2 電極設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

電極的設(shè)計(jì)采用內(nèi)沖液結(jié)構(gòu)，僅在和毛刺相貫線形狀相同位置開設(shè)出液縫，寬度約為1 mm；相較外沖液，由于工作液噴口為相貫線形狀，所噴工作液全部作用于毛刺放電溶解， 提高工作液使用效率，使得近端和遠(yuǎn)端的各個(gè)電極頭及各個(gè)電極桿沖液壓力與流量都保持一致，保證加工余量的均勻。

1.3 脈沖電源設(shè)計(jì)

針對(duì)多回路的特點(diǎn)設(shè)計(jì)脈沖電源形成四路獨(dú)立的放電回路，每一路脈沖電源的脈沖寬度、脈沖間隔、頻率和加工時(shí)間都可獨(dú)立控制[6]。 圖3 是多回路脈沖電源的工作原理，用戶可根據(jù)零件各部位毛刺大小和加工品質(zhì)要求，調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)參數(shù)，精準(zhǔn)控制零件各部位毛刺的去除量，實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體不同部位毛刺的精準(zhǔn)去除。

圖3 多回路電源總體結(jié)構(gòu)圖

該電源采用了多回路隔離、協(xié)調(diào)、抗干擾技術(shù)，具有穩(wěn)壓、穩(wěn)流特性，可實(shí)現(xiàn)多回路電源加工電流的分配及過流、過壓、超溫、過載保護(hù)[7]。 電源系統(tǒng)由直流與脈沖兩部分構(gòu)成，直流部分利用變壓器附邊調(diào)壓、主回路雙反星型整流設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)直流電壓可調(diào)、電流分檔定值控制；脈沖部分通過對(duì)直流輸出的二次處理，通過濾波電路、脈沖控制板、功率IPM放電回路，實(shí)現(xiàn)直流電壓脈沖形式的放電加工。

1.4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

設(shè)備控制系統(tǒng)由可編程控制器（PLC）、機(jī)床電器、對(duì)刀檢測(cè)和定值電流控制電路等組成，用于手動(dòng)操作和自動(dòng)循環(huán)的控制。 手動(dòng)操作通過控制工作臺(tái)移動(dòng)、側(cè)向和上側(cè)電極移動(dòng)、防濺擋門移動(dòng)、主泵開關(guān)、短路檢測(cè)、過濾等功能來控制各模塊的工作方式；自動(dòng)循環(huán)則是機(jī)床處在原位時(shí)，按下啟動(dòng)按鈕，自動(dòng)執(zhí)行一個(gè)周期操作，操作完畢后機(jī)床停在原位，設(shè)備控制系統(tǒng)流程如圖4 所示。

圖4 設(shè)備控制系統(tǒng)流程圖

電氣系統(tǒng)的電源控制由準(zhǔn)備按鈕、急停按鈕控制。 短路檢測(cè)是在加工前對(duì)電極和工件進(jìn)行動(dòng)態(tài)短路檢測(cè)，以避免因短路而引起的工件與電極的放電燒傷，保護(hù)電源的可靠工作。 在機(jī)床電氣控制中，設(shè)置了行程開關(guān)、接近開關(guān)，對(duì)控制順序的先后和連鎖起了雙重保護(hù)[6-7]。 行程開關(guān)與接近開關(guān)的作用是確保各電極、擋門與工作臺(tái)的正確位置，以防止電極和工件發(fā)生碰撞。

2 工藝試驗(yàn)

影響多回路脈沖電解去毛刺加工效果的工藝因素很多，工具陰極的合理設(shè)計(jì)、脈沖電源的參數(shù)選擇、工作液的成分與濃度、流場(chǎng)與電場(chǎng)、加工時(shí)間、流場(chǎng)特性等都對(duì)加工結(jié)果產(chǎn)生重大影響[8]。 本文通過制定表1 所示的加工試驗(yàn)條件，對(duì)比原直流電化學(xué)去毛刺設(shè)備與新研制的脈沖電化學(xué)去毛刺設(shè)備加工缸體機(jī)械孔的表面毛刺去除質(zhì)量，檢驗(yàn)新設(shè)備的加工性能。

表1 加工試驗(yàn)條件

圖5 是采用兩種電源加工缸體毛刺部位的實(shí)際效果。 可以看出，采用直流電源的電化學(xué)去毛刺設(shè)備未能很好地去除工件表面毛刺，存在加工不完全現(xiàn)象； 而脈沖電化學(xué)去毛刺設(shè)備可將輪廓邊倒圓，加工質(zhì)量得到大幅改善。

圖5 直流與脈沖電源實(shí)際加工效果對(duì)比

為更好地剖析加工效果，通過形狀測(cè)量激光顯微系統(tǒng)觀察加工部位表面質(zhì)量[9-10]，生成的三維表面輪廓效果如圖6 所示。 可看出，相同加工條件下，電化學(xué)直流去毛刺設(shè)備加工的缸體油路部位仍有去除不均勻現(xiàn)象，且工件表面不光滑；而脈沖電化學(xué)去毛刺設(shè)備不僅能有效去除缸體油路的毛刺，還因?yàn)槊}沖電源電流密度的自適應(yīng)特性，極大改善了工件表面質(zhì)量，滿足發(fā)動(dòng)機(jī)缸體多油路去毛刺需求。

圖6 直流與脈沖加工表面輪廓效果對(duì)比

3 結(jié)束語

為滿足缸體產(chǎn)線自動(dòng)化生產(chǎn)、減少機(jī)械臂裝夾次數(shù)，設(shè)計(jì)了一種發(fā)動(dòng)機(jī)缸體多回路結(jié)構(gòu)，并針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體多油路去毛刺問題，研制了一款電化學(xué)多回路脈沖去毛刺設(shè)備，通過與直流去毛刺設(shè)備進(jìn)行工藝試驗(yàn)對(duì)比，證明設(shè)計(jì)的電化學(xué)多回路脈沖去毛刺設(shè)備可實(shí)現(xiàn)缸體油道的多個(gè)交叉孔同步去毛刺加工，且加工穩(wěn)定、去毛刺效果好，極大改善了工件表面質(zhì)量。