与传统的连杆加工方式相比,胀断连杆加工利用预制裂解槽形成的应力集中,实现连杆毛坯件的快速脆性胀断,无需对接合面和螺栓孔进行配合加工,利用裂解面自然形成的三维结构,即可对连杆体与连杆盖进行精准配合。其具有精度好、工序少、效率高、成本低、节省材料等优点,已成为国内外连杆制造的最主要方式。裂解槽的加工是胀断连杆加工的关键工序,因此精密、高效、稳定的裂解槽加工设备则是胀断连杆技术应用的基础。在裂解槽的加工技术中,激光加工与机械拉削加工及电火花线切割加工相比,激光加工的裂解槽呈窄而尖的形貌,且其加工效率高、精度高、稳定性好,已成为国内外胀断连杆裂解槽加工的发展趋势。目前,国内连杆裂解槽激光加工技术的应用及其装备开发还处于起步阶段,除吉林大学及大族激光开发了连杆裂解槽Nd:YAG激光加工设备外,高端激光加工裂解槽设备基本依靠进口。此外,随着汽车发动机连杆向高质量、轻量化、低成本的方向发展,新开发的合金钢36MnVS4是一款极具代表性的胀断连杆专用材料,其疲劳强度高、切削加工性能好,能大幅实现轻量化,现已被许多欧洲汽车厂家广泛使用,未来具有广阔的应用前景。在国内36Mn VS4材料的研制已取得一定成果,但其应用还处于起步阶段,只有部分汽车厂家使用这种新型材料制造的胀断连杆。目前,国内有关光纤脉冲激光加工36MnVS4连杆的研究尚未见报道。因此开发一款光纤激光加工连杆裂解槽的专用装备,探究光纤脉冲激光加工36Mn VS4连杆裂解槽的加工机制,并对激光加工参数进行优化,以提高胀断连杆的成品率,降低汽车制造成本,对推动光纤激光加工36Mn VS4连杆裂解槽关键技术及装备在国内连杆领域的应用具有重要的意义。本文主要围绕光纤脉冲激光加工36Mn VS4连杆裂解槽装备及工艺开展研究,主要包括以下几个方面:(1)设计开发了汽车发动机连杆裂解槽光纤激光加工专用装备。对激光的入射角进行了优选,采用0°入射角更适合裂解槽的加工,且更节能;对激光头工作路径进行了优化,采用垂直路径及180°自转的方式进行激光头位置和角度的调节,可以更好的避免其他物体对激光加工的干涉,同时可以简化软件编程,便于后期调试及操作;对激光系统(激光器、激光头、导光方式)进行了选型,优选了一套不仅能满足加工要求,且性能优良的激光系统;对机械系统进行了研制,开发了一款定位精准且通用性强的连杆定位夹具,设计了一套强度高、刚度好、精度高的激光头运动结构;根据实际工况,设计了一套结构合理且满足实际需求的集尘系统、气路系统及电气系统。(2)研究36MnVS4连杆材料微观组织结构和力学性能。主要包括EDX能谱分析确定其质量百分比,微观组织观测其金相组成,单向拉伸试验测量其屈服强度、抗拉强度、断裂应力等材料力学参数,SEM观测裂解断面形貌判定其断裂准则为最大主应力准则,SEM观测裂解槽微观形,发现在裂解槽底部及侧面存在气孔、微裂纹及“锯齿状”凹坑等,通过测量确定其热影响区厚度小于100μm,结合加工余量确定最佳裂解槽深度为600μm。(3)应用ABAQUS软件对36MnVS4材料连杆胀断过程进行有限元分析。主要分析了裂解槽附近区域的主应力分布规律,通过裂纹扩展理论确定其裂纹扩展方式为张开型裂纹;通过最大主应力集中点判定得到连杆大头孔中面上裂解槽根部最尖端为连杆胀断时的起裂点;分析了不同槽深h、张角a、曲率半径r对裂解槽根部应力集中的影响规律,分析结果显示,随槽深的增加裂解槽根部应力集中增加,随张角的增加裂解槽根部应力集中减小,随曲率半径的增加裂解槽根部应力集中也减小,且槽深h对应力集中影响最为显著。同时通过有限元分析对裂解槽几何参数进行了优选。(4)对光纤激光加工36Mn VS4连杆裂解槽进行试验研究及工艺参数优化。实验结果表明激光在负离焦时更有利于连杆裂解槽的加工;通过单因素试验,研究了裂解槽深度、宽度、张角、曲率半径随脉冲峰值功率、脉冲宽度、脉冲频率及切割速度的变化规律;通过正交实验对激光加工裂解槽进行参数优化,以裂解槽的深度为优化目标,通过极差分析得到影响裂解槽深度的因子排序为:脉冲宽度>峰值功率>切割速度>脉冲频率;优化后的工艺参数分别为:脉冲宽度为40μs、峰值功率为800W、脉冲频率为900Hz、切割速度为1.4m/min,其加工效率较高,加工的裂解槽深度为591.5μm、宽度为153.4μm、曲率半径为20.1μm、张角为15.6°,可以获得较好的胀断效果。