机械设计与制造论文篇一:钛合金薄板低阈值背反射激光焊接数值分析与特性的研究
第一章 绪 论
1.1 研究背景
环境恶化、能源紧张是全世界突出的两大问题，早在上世纪我国就提出、倡导可持续的社会经济发展。这一环境下，“机械装备构件轻量化”是机械领域研究的重要主题[1-3]，包括工艺、材料、结构三大轻量化方面；其中，轻量化研究的源头是材料轻量化，轻量化设计的主题是结构轻量化，轻量化制造的标志[4]是工艺轻量化。随着不断深入对机械装备构件轻量化的研究，轻合金材料及其成形技术是一个热点研究领域。近来，钛合金是典型轻合金材料代表之一，有比强度高、密度小、组织性能稳定耐热性好、耐腐蚀性强等大量优点[5]，被广泛用在医疗、船舶、航空、航天、化工、石油等领域，其中钛合金薄板的应用最为广泛[6-8]。众所周知，焊接成形是作为结构件的薄板钛合金的主要成形方法之一，其中激光焊接具有工件变形小、焊接速度快、能量密度高、热影响区小等特点，是薄板钛合金最主要的成形方式之一[9]。在激光焊接过程中，为了减少变形，常希望获得对称的 X 形焊缝，获得 X 形焊缝能量阈值一般较高，高能量阈值状态肯定会影响焊接接头组织恶化[6],造成较大焊接接头残余应力及梯度[10]。可见，研究降低薄板钛合金激光 X 形焊接成形的能量阈值对于薄板钛合金高品质高效成形意义重大。
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1.2 国内外的研究现状
激光焊接具有焊接效率高、变形小、热影响区小、晶粒小等优点，加之钛合金又是用量最大的轻合金材料之一，故有关钛合金激光焊接的研究受了国内外专家学者的普遍关注。表 1.1 是有关钛合金激光焊接的代表性研究。激光焊接按其能量传递方式不同，一般分为热导焊和深熔焊两大类。激光热导焊类似于常规传统焊接，可以用相似的数值模拟方法进行求解，故在这里不再赘述。本文研究属于激光深熔焊范畴，故下面主要对激光深熔焊数值模拟的研究现状进行阐述。国外有关激光深熔焊数值模拟的研究起步较早。其中，Swift[21]最先初步研究了激光焊接传热过程。当时激光能量密度低，忽略了金属的蒸发及气化，得到了激光作用下移动柱状线热源温度场函数解析式，其中假定热物理参数为定值，并用贝塞尔函数对不同速度引起的温度场变化进行修正。然而厚度方向上的温度差没有考虑到，所以实际上就是个二维模型。优势是可以快速温度场的激光仿真，运算简单。劣势是由于模型不准确导致的模拟结果存在较大误差。Andrews 等[22]通过有限差分法对激光照射在超长的焊件上的温度分布进行了计算，综合了气化的影响，得到的结论是：1）熔池表面张力导致熔深熔宽变小 2）激光功率和材料决定匙孔的形成速度。为了便于模型简化，忽略了热传导及假定激光能量被蒸发材料完全吸收，造成了模拟结果与实际情况不相符合。Kelmans[23]通过极坐标对激光照射在超长的焊件上的导热进行了计算，考虑沿径向方向的热传导，模拟出了匙孔形貌，分析了匙孔内的能量平衡。Cline 等[24]模拟了移动线热源照射在超长的焊件上的导热过程，总结出激光穿透深度与能量吸收间的相互关系。以上模型分析均基于 1970 年提出的二维模型，其模型相对简单，但也因此得到的结论准确性有待进一步提高。2000 年后，有限元分析软件借助于计算机技术的迅猛发展得到了完善，对激光焊接温度场的模拟计算速度和精度得到较大幅度的提高。02 年 Papanikos、Tsirkas 借助 SYSWELD 软件提出了三维模型来研究激光焊后板材变形问题[25]，结合材料的潜热值，实现了准确模拟焊接过程中的温度场。
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第二章 钛合金薄板背反射激光焊接过程的温度场模拟与分析
2.1 引言
激光焊接过程中，材料表面会在热源带来的瞬时高温作用下快速熔化随后迅速冷却。这一过程中由于温度分布不均匀造成熔池内部组织形态各异，从而直接影响焊接接头的残余应力分布[42]，进一步影响焊接接头的成形性[43]。因而，准确了解焊接温度场的变化规律和影响机制是研究焊接成形特性的基础。然而，焊接温度场的计算是一个涉及热源加热、熔池内流体传热以及固体传热的非平衡、多参数耦合的复杂过程[44]，传统的试验方法难以揭示焊接熔池温度变化的规律及保证温度数据的完整性，而数值模拟是描述焊接熔池温度场的最有效的方法之一[45]。目前，对于常规激光焊接温度场数值模拟已经很多[46-48]。然而，对于背反射激光焊接的研究仅停留在实验阶段，因而采用数值模拟的方法阐明背反射激光焊接过程的温度场分布较为重要。本章以前期背反射激光 X 形深熔焊的理论研究和实验结果，首先以 0.8mm 厚 TC4钛合金薄板为施焊对象，运用 ANSYS 有限元软件建立起其焊缝的“双热源”温度场模型，并通过实验结果验证模型的准确性。基于此模型理论基础，通过改变激光工艺参数和钛合金薄板厚度，实现对 1.5mm 厚 TC4 钛合金薄板温度场分布的模拟与分析，从模拟的角度预测激光工艺参数对焊接接头的影响规律和作用机制，同时也为后续应力场模拟与分析奠定基础。
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2.2 计算模型
根据本文实验所用激光器型号得知，其激光热源分布符合高斯分布。因而在进行有限元建模过程中，设定材料表面的激光热源模型为旋转高斯曲面体热源(图 2.1a)。考虑到辅助背反射增益能场起到了常规高阈值激光 X 型焊接时背面金属蒸汽云辅助热源类似的作用，故本项目研究过程中拟在旋转高斯曲面体热源的基础上进一步增加背面高斯面热源(图 2.1b)。根据前期大量实验结果，确定背反射激光焊接头热源模型正背面能量分配比为 3:1，且正面能量输入以常规激光焊薄板熔透的最小功率为依据。合适的温度场有限元模型能真实的反应激光热源分布、材料热物理性能、能量输入、施焊过程中的热辐射、热对流、相变潜热等。但激光施焊过程中伴随着一系列的物理化学变化，特别是激光照射的熔池中还伴随着系列的传热、传质、对流等现象，采用有限元法对它进行数值模拟时，难免引入近似计算。
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第三章 钛合金薄板背反射激光焊接过程的应力场模拟与分析..... 23
3.1 引言.........23
3.2 应力场模拟基础理论........23
3.3 背反射激光焊应力场模拟前处理......25
3.4 背反射激光焊应力场结果及分析......26
3.5 本章小结..........32
第四章 钛合金薄板背反射激光焊接成形工艺特性研究........ 33
4.1 引言........33
4.2 试验材料与方案......33
4.3 试验的结果与分析............36
4.4 正交优化试验的结果与分析.....39
4.5 本章小结..........43
第五章钛合金薄板背反射激光焊接接头的组织和性能.......... 44
5.1 引言........44
5.2 组织性能分析方法...........44
5.3 焊接接头的横切面宏观形貌....46
5.4 焊接接头的微观组织.......47
5.5 焊接接头的力学性能.......50
5.6 本章小结..........52
第五章钛合金薄板背反射激光焊接接头的组织和性能
5.1 引言
在分析采用某一焊接方法焊接钛合金薄板所表现出的特性时，除需考察其焊接成形性外，还需对其焊接接头的组织和性能进行分析。根据第四章有关钛合金薄板背反射激光焊接成形工艺特性的研究结果可知：在本文实验条件下，当采用 1400W 的激光功率、800mm/min 的扫描速度且离焦量为 1mm 焊接 1.5mm 厚 TC4 钛合金薄板时，所获得的钛合金薄板背反射激光焊接成形焊缝具有最优的背宽比。本章以这一工艺参数下所获得的钛合金薄板背反射激光焊接接头为研究对象，较为系统地研究了焊接接头的横切面宏观形貌、焊缝区和热影响区的微观组织、硬度沿焊缝横切面的分布情况和拉伸强度及其断口形貌，并与相同激光工艺参数焊接同种钛合金薄板试样进行对比。沿垂直于焊接方向截取焊接接头的横截面金相试样，截取试样时以原对接焊焊缝为中心线进行取样，取样尺寸为 10mm×6mm×1.5mm；将试样用超声波清洗后镶嵌制样，依次采用 180#、320#、500#、800#、1200#的砂纸进行粗细打磨后，再在抛光机上用 0.5μm的 Al2O3 抛光粉配置成的抛光液进行抛光；采用 HF:HNO3:H2O=5ml:10ml:85ml 腐蚀剂进行腐蚀，用 CMY210 金相显微镜及其自带的 Toupview 金相分析软件（图 5.1）对焊接接头组织进行观察分析。
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总结
针对钛合金薄板背反射激光焊接现有研究存在的问题，本文以 1.5mm 厚 TC4 钛合金薄板为对象，围绕“钛合金薄板低阈值背反射激光焊接数值分析与特性”这一主题，开展相关理论及应用基础研究。研究中，通过对背反射激光焊接过程温度场和应力场数值模拟与分析的研究，阐明背反射激光焊接过程温度场和应力场的变化及其分布规律，进而为揭示背反激光焊接成形机理奠定理论基础；同时，通过钛合金薄板背反射激光焊接成形工艺特性和组织性能特性的研究，验证这一高效低阈值激光焊接新方法对厚度相对于现有研究增大了约 1 倍的较厚薄板的适应性，从而为进一步拓展其应用提供技术支撑和应用基础。研究过程中采用“理论分析与实验研究相结合”、“数值模拟和试验优化并重”的研究方法:所开展的研究工作和取得的成果如下。钛合金薄板背反射激光焊接过程的温度场数值模拟与分析的研究。以经实验验证的 0.8mm 厚钛合金薄板背反射激光焊接过程的“双热源”温度场模型为基础，通过设定 1.5mm 的板厚、1400W 的功率和 850mm/min 的扫描速度建立新的温度场模型，对 1.5mm 厚钛合金薄板背反射激光焊接过程的温度场进行了数值模拟与分析。研究表明：此模型能够较好地模拟背反射激光焊接成形过程中的温度场分布情况，薄板正面和背面均在很短时间内形成了类似“泪滴状”的稳定温度场，热源前端等温线密集、温度梯度大，后端等温线相对稀疏、温度梯度相对较小。熔池逐渐从 V 形过渡到 X 形的温度场时程变化，较好地描述了背反射激光焊接过程中所形成的背面辅助能场对工件背面进行二次加热的物理过程；同时，随着功率的增大或者扫描速度的降低，熔池熔宽和熔深逐渐增大，温度梯度与功率呈正比，与速度呈反比规律。
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参考文献（略）
机械设计与制造论文篇二:数控机床工具夹紧系统基础共性技术的研究
第一章 绪论
1.1 课题研究背景
机械制造作为一个国家发展的基础，决定了一个国家制造业的水平。自数控技术出现，在我国国民经济的发展中机械制造业和切削加工技术扮演着越来越重要的角色[1-5]。数控加工技术凭借其加工柔性好、精度高，生产率高等优势，发展迅速，在国内外占据了很大的市场。然而，由于缺乏核心技术，国产的数控机床无论是高性能数控系统还是机床的关键功能部件都不能实现完全自主开发。工具系统是由机床主轴（或者刀座）、刀柄、夹紧机构和加工刀具的联接组成。在高速加工状态下，由于离心力的作用，对工具系统提出了质量小、具有保持夹紧力的能力和平衡精度高的要求[6]。工具系统不仅影响数控机床的生产效率，还会对加工零件的加工精度和质量造成直接影响，所以选择合适的工具系统是数控机床体现最佳性能的重要举措。工具系统从定位的角度分为两类[7]，即无端面定位（图 1.1（b）和图 1.1（e））和有端面定位（图 1.1（c）和图 1.1（f））。无端面定位的工具系统具有制造工艺性好的优点；但是其系统的定位精度和刚度较差。而具有端面定位的工具系统虽然制造工艺性相对较差，但是其在使用性能上更能满足现代加工制造的要求。数控机床多数采用的是传统无端面定位的 7:24 锥度刀柄，采用拉钉式夹紧方式。随着数控切削加工技术的不断发展，适合高速切削加工的刀柄系统也在被不断推出市场。譬如德国 HSK 刀柄及美国 KM 刀柄等，均采用了外涨式夹紧机构，控制轴向重复定位精度高达 0 .001mm[8]，且在高速旋转下，夹紧机构性能更加优异，控制系统径向跳动在 5μm 之内。
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1.2 数控加工工具系统的研究现状
目前，我国对工具系统的研究还不够系统和深入，没有研制出具有自主知识产权的实用新型数控机床高速刀柄，跟德国，美国，日本国家相比等，我国的研究还处在落后水平。从国外进口成了国内高速刀柄来源的基本方向。部分研究机构和学者已着手分析和研究进口的高速刀柄。例如，江苏大学的王贵成模拟了KM 刀柄配合锥面定位情况[8]。王贵成等还通过建立工具系统刚度模型，研究了主轴转速对 HSK 工具系统刚度等性能的影响[9]，在深入研究了 HSK 工具系统特性基础上，王贵成等完成了学术专著《高速加工工具系统》的出版[10]。清华大学的李光辉等建立了临界转速计算模型[11]，并基于有限元分析方法，针对 HSK- A63刀柄过盈量等多因素对工具系统接触应力的影响进行了研究[12]。山东大学的艾兴，张松等分析了转速等因素对接触应力的影响[13]。成都工具研究所的赵柄祯、梁彦学等研究了 HSK 刀柄制造标准、工艺及其动平衡特性[14 ]。广东工业大学的张伯霖等提出了工具系统是高速机床的核心技术之一[15]。工业发达国家针对 BT 刀柄的在高转速下存在的诸多问题，相继开发出了适合高速加工的刀柄。目前，德国 HSK 刀柄、美国 KM 刀柄、日本 NC5 和 BIG-PLUS刀柄、瑞典 CAPTO 刀柄等都在国际市场上占据很大的份额。这些刀柄各有各的特点，同时又都在一定程度上规避了传统 BT 刀柄的弊端。T.Aoyamay在对HSK工具系统在高速状态下的联接特性进行了探讨分析[16]；J.S.Agapiou 等理论分析了不同工况下 HSK 刀柄与高速主轴的联接情况，并深入研究了关键结构的应力变化规律[17,18]；Tsutsumi M 基于有限元数值模拟，分析了HSK 刀柄锥面的应力分布，得出转速对接触应力分布状态的影响[19]；Kocherovsky对各型号 HSK 刀柄的结构及性能特性进行了系统全面的介绍[20]。
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第二章 工具系统夹紧机构结构及特征
数控机床正在向高速、高精度方向不断发展[33]，机床主轴实现高速化直接导致了对主轴组件的高要求。夹紧机构是工具系统必不可少的重要组件，在用来提供规定大小夹紧力的同时，也要保证刀柄与主轴联接的可靠性以及加工过程中的联接刚度和定位精度。为了我国自主开发具有知识产权的新型工具系统、提高我国的机械行业的整体水平，研究夹紧机构的特性、夹紧力的产生、传递和放大等功能在夹紧机构上的实现[34]，是必须要做的工作。
2.1 机床工具系统的夹紧机构
在数控机床上加工某一零件时，往往需要频繁换刀，那么也就意味着夹紧机构需要不断夹紧、松刀，同时在加工过程中，必须保证刀柄被可靠夹紧，防止刀具的脱落，并保证定位精度和刚度良好[35-36]。通过对数控机床工具系统的分析，可以将工具系统所采用的夹紧机构根据夹紧力的产生、传递和放大机理分为两类：1.拉钉式夹紧机构，本文主要以 BT 刀柄夹紧机构为例进行研究。2.外涨式夹紧机构，本文主要以 HSK 刀柄夹紧机构为例进行研究。通过刀柄尾部的拉钉实现刀柄在主轴孔内的定位夹紧的机构，即拉钉式夹紧机构，由第一章的分析可以看出，使用拉钉式夹紧机构的工具系统主要有 BT 刀柄、NC5 刀柄、BIG-PLUS 刀柄、AHO 刀柄、H.F.C 刀柄、SHOWA D-F-C 刀柄以及 3LOCK 刀柄。本文主要以 BT 工具系统夹紧机构为例进行研究。
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2.2 夹紧机构夹紧力分析
无端面定位夹紧的刀柄，夹紧力主要用于拉紧刀柄和主轴端面，为刀柄夹紧提供动力。有端面定位夹紧的刀柄，夹紧力主要作用到两方面：1. 克服锥面过盈阻力；2. 传递到端面。HSK 工具系统采用过盈配合，是为了保证刀柄的径向定位精度和整体刚度。在刀柄安装时，刀柄端面与主轴端面之间存在一定的端面间隙（约 0.1mm）。保障刀柄端面与主轴端面之间的可靠夹紧就必须消除这部分间隙。消除这部分间隙，即克服刀柄和主轴锥面之间的过盈量，这部分过盈量存在会使刀柄和主轴产生一定的径向变形，即有摩擦阻力，那么必然会消耗一部分夹紧力 FCL1 ，用于克服这部分摩擦阻力。数控机床工具系统的定位精度、连接刚度与刀柄/主轴是否被可靠的定位夹紧有密切关系，因此必须保证足够的实际作用在刀柄和主轴端面之间有效夹紧力。按不同标准制造刀柄和主轴时，其刀柄与主轴端面的最大间隙值会不同（刀柄与主轴锥面配合过盈不同），因此实际作用在刀柄/主轴端面之间的有效夹紧力也不同。
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第三章 夹紧力对工具系统接触特性的影响......23
3.1 ANSYS 接触分析..........23
3.2 无端面定位工具系统模拟结果分析......26
3.3 有端面定位工具系统模拟结果分析......27
3.4 结果讨论.....32
3.5 本章小结.....33
第四章 夹紧机构对工具系统性能的影响..........34
4.1 夹紧力对工具系统轴向定位精度的影响.......34
4.2 夹紧力对工具系统径向定位精度的影响.......37
4.3 夹紧力对工具系统轴向刚度的影响......41
4.4 夹紧力对工具系统径向刚度的影响......46
4.5 夹紧力对工具系统扭转刚度的影响......51
4.6 本章小结.....55
第五章 夹紧力控制与测量.......56
5.1 夹紧力的控制......56
5.2 夹紧力的测量......5
5.3 本章小结.....65
第五章 夹紧力控制与测量
原始夹紧力不足、夹紧机构故障或在工作过程中夹紧机构维持夹紧力能力欠缺将会导致传递到刀柄/主轴接触端面的夹紧力过小，从而严重影响刀柄的定位精度和刚度，影响加工零件的精度[7]。夹紧机构所能够提供的夹紧力的大小对整个工具系统的性能有着重要的影响，研究夹紧机构夹紧力的控制与测量技术对于提高工具系统使用有效性、安全性有着重要的意义。为了研究夹紧机构夹紧力大小的控制方法，需要对夹紧机构的结构组成、夹紧/松刀过程中力的传递、放大情况进行分析。为了设计开发新型夹紧力测量装置，需要对国内外已有的接触压力测量装置以及工具系统夹紧机构夹紧力测量装置进行深入研究[62-68]，总结得到夹紧力测量装置工作原理及作用方式，可以更好的为进一步的设计开发做准备。
5.1 夹紧力的控制
由第二章节的分析可知，BT 工具系统夹紧机构夹紧力不会随着工作转速等的变化发生变化，所以要实现对 BT 工具系统夹紧力的控制只需要对施加夹紧力的夹紧机构动力源的输出力进行控制，简单方便。由第二章节的分析可知，HSK工具系统夹紧机构夹紧力的大小受很多因素的影响，导致 HSK 工具系统夹紧力在不同的夹紧机构结构以及不同的工作状态下不是一个定值，那么对 HSK 夹紧机构夹紧力的控制就变得很重要。对 HSK 工具系统夹紧机构的结构组成、夹紧/松刀过程中力的传递、放大情况进行分析，得到图 5.1 所示的外涨式夹紧机构，不同的摩擦条件，不同的斜楔角时夹紧力放大效果的比较图。
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结论
夹紧系统作为数控机床加工主轴和刀柄联接的必不可少的重要环节，论文在对进行深入研究了夹紧系统的基础特性基础上，引入有限元接触问题分析理念，结合实验验证方法，对夹紧机构对不同工具系统性能的影响做了全面的分析研究，提出了端面夹紧力测量机构，取得了以下成果和结论：
（1）分析、比较了不同工具系统夹紧系统组成和结构特点，研究了不同夹紧机构力的产生、传递过程，分析不同夹紧机构力的放大方式,计算并确定了不同夹紧机构的放大倍数，证实了外涨式夹紧机构更适用于高速加工。
（2）基于接触分析方法及增广的拉格朗日算法，建立了不同工具系统数值模拟接触模型，分析了夹紧力对不同工具系统锥面接触间隙、锥面及端面的接触应力的影响。研究结果表明，增大夹紧力会增大 BT 刀柄与主轴锥面的接触应力，增大夹紧力会增大 HSK 刀柄与主轴锥面的接触间隙及端面的接触应力，但是同时也会增大 BT 刀柄、HSK 刀柄接触面的最大接触应力和 HSK 刀柄锥面的非接触区域，所以要控制夹紧力在合理的取值范围内。
（3）研究了夹紧机构对工具系统定位精度影响，首次建立了由于夹紧机构故障因素，对工具系统径向定位精度造成影响的力学模型。结果表明，性能优异的夹紧机构可以提高工具系统定位精度，有端面定位工具系统定位精度较为优异。增大夹紧力会增加刀柄的轴向位移和径向位移转角，所以应在保证工具系统可靠夹紧的基础上控制夹紧力的大小。针对夹紧机构对工具系统轴向、径向、扭转刚度的影响进行了深入的研究，在理论计算的基础上，得到了夹紧力与工具系统传递扭矩之间的关系式，两者呈线性关系。研究结果表明，端面接触决定了工具系统优异的联接刚度。夹紧机构夹紧力的增大，可以显著提高工具系统联接刚度特性，使工具系统在重载切削时依然能保持好的性能。要确保工具系统优异的联接性能，选择合适的夹紧系统及合理的夹紧力是必要的。
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参考文献（略）
机械设计与制造论文篇三:某发动机缸体曲轴孔激光涨断加工工艺及质量控制研究
第一章 绪论
1.1 本课题的研究目的
缸体是发动机最关键、核心的零部件之一，而曲轴孔作为发动机上重要的运动副，其加工质量的好坏，很大程度上决定了该发动机的使用寿命。因此，研究现有生产条件下如何有效确保缸体曲轴孔加工质量，减少加工过程产生的缺陷，这是本文的主要研究目的。 某工厂现生产产品为一款经典的中大功率发动机，为上世纪 70 年代从奥地利引进，并消化吸收，具有完全自主知识产权的先进产品。 该中大功率发动机的缸体为分体式结构，分别为缸体与曲轴箱，他们分别经过铣、镗、钻铰等加工后，利用三个销孔进行精确定位。此缸体曲轴孔加工过程为：粗镗缸体曲轴半孔和曲轴箱曲轴半孔—钻铰缸体及曲轴箱上三个合箱用定位销孔—合箱—半精镗曲轴孔—精镗曲轴孔。加工后在不拆箱状态时测量曲轴孔直径、圆度完全满足工艺要求（曲轴孔直径∮1080+0.022mm），但在经过拆箱再次合箱后，曲轴孔就会出现变形、错位情况，圆度变化甚至能够达到 0.02mm，这种情况很容易造成整车发动机正常工作期间无法形成有效曲轴润滑油膜，从而造成曲轴抱轴的严重后果，对产品的市场信誉会造成极大损害。 通过数据统计、分析，发现在不拆合箱定位销，只松开螺栓时，再次合箱后曲轴孔变形趋势为直径在机体上下方向增大，左右方向变小。而合箱定位销也取出，再次合箱后曲轴孔直径上下方向仍增大，但左 45°方向孔径变小、右 45°方向孔径变大，即沿缸体、曲轴箱合箱水平方向曲轴孔产生了错位现象。 分析其原因为：缸体及曲轴箱合箱后，曲轴孔的半精镗及精镗加工是连续进行，中间没有设计拆箱工序，曲轴孔在加工过程中产生应力，在重新合箱后应力释放，造成曲轴孔发生变形。
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1.2 国内外研究现状及发展趋势
发动机缸体曲轴孔涨断加工技术属于一项先进的制造技术，目前在国外的应用时间并不长，在国内还只是处于研发阶段。德国和美国部分企业进行了较深入的研究开发工作[17]，他们研发的主要成果有： （1）美国通用汽车公司和德国 KESSLER KG MASCHF 公司对机械式芯轴涨断机构进行了专门研究，分别申请了专利 US4569109[18]和 DE19918067[19]。 （2）德国 BMW 公司研究开发了一种利用拉刀机构进行涨断槽的加工方式，此技术需在涨断工序之前单独设置一道拉削加工涨断槽的工序，其专利号为DE19547388 [20]。 （3）德国 Walzlager Schaeffler KG 公司研发的专利 US5462366[21]，将缸体和曲轴孔分开加工，曲轴孔座和瓦盖定位面的加工量不减反增。 （4)利用液压缸推动芯轴内的推杆做水平运动，使半圆形楔形涨块做径向运动,从而达到涨断的目的。不过该涨断装置中在每个瓦盖上方均需要安装有背压油缸，只能用于单一品种的生产[23]。 （5）德国 BMW 公司的另外一项专利 US5716145[24]，其设计理念是使得涨断后的剖分面成为倾斜结构，对涨断过程增加了风险，并且不利于螺栓的安装。 （6）美国研发的专利 US2002070257[25]，其设计的涨断机构为滑块式机构，内部结构比较复杂，实际涨断过程稳定性还有待证实。
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第二章 缸体曲轴孔激光涨断加工工艺研究
曲轴孔是发动机缸体上的重要加工部位，其加工质量的好坏直接影响发动机装配精度和整机性能[56]，发动机工作时曲轴的转速最快可超过 6000r/min，这个时候机油会在曲轴和曲轴孔的轴瓦之间形成一层薄薄的油膜，以减少曲轴告诉旋转时产生的摩擦阻力，这需要曲轴孔能够持续保持极高的圆度和圆柱度精度，这就对曲轴孔的加工精度提出了较高的工艺要求[57]。 本章将根据 MC 系列发动机缸体工艺特点、技术要求及材料成分，确定缸体曲轴孔激光涨断加工工艺、加工方式、设备选择、平面布置图。
2.1 MC 系列发动机缸体材料分析
目前大功率发动机缸体所采用的材料大部分是灰铸铁材料，随着市场对发动机重量、节能、环保、可靠性等方面的要求日益提高，在灰铸铁的基础上开发升级新的发动机缸体材料，以其进一步提高缸体的抗震性能，减轻发动机整机重量，提高同等规格发动机功率成为发动机升级项目中的一项重要内容。 为迎合市场对发动机节能降耗，提升性能的要求，越来越多的发动机采用轻型薄壁式缸体，但是大马力发动机运行过程中震动及受力较大，在缸体壁厚减小的同时还要保证各项力学性能指标，就需要主要在提高缸体本身材料的抗拉强度上做文章。灰铸铁具有良好的铸造工艺性和加工工艺性，耐磨性、导热性、减震性、缺口敏感性好，且生产工艺成熟，成本低廉，广泛应用于各个领域，是目前大马力发动机缸体的首选材料，而牌号为 HT250 的灰铸铁普遍被采用。 HT250 灰铸铁的标准抗拉强度为 250Mpa，硬度范围为 180HB-240HB，珠光体应占金相组织中的 90%以上。采用较高的碳含量（3.9%-4.1%）以保证铸造工艺性及加工工艺性，其碳元素主要呈现为 A 型石墨形态，具备良好的润滑性能，可提高灰铸铁的耐磨性能。
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2.2 MC 系列发动机缸体曲轴孔涨断加工工艺特点分析
MC 系列发动机缸体采用整体式结构、龙门式刚性设计，每个曲轴孔安装一个独立式瓦盖，瓦盖毛坯和曲轴箱毛坯整体铸造，通过激光刻痕、涨断工艺与曲轴箱分开。涨断加工的曲轴孔座体、瓦盖靠涨断后凹凸不平的三维曲面啮合定位，重复定位精度高，并大大加强了它的轴向平面方向上的抗剪切能力。可以有效消减重复装配后的曲轴孔圆度变化[13,15]。加工完毕从新合箱后，可以稳定控制曲轴孔圆度在 0.003mm 以内。 如宝马公司生产的一种 V8 型柴油发动机的缸体曲轴孔，就是利用断裂剖分技术，消除了由于倾斜作用于缸体与轴承盖接合面上的点火爆发力而引起的微小位移，从而更能确保发动机的正常运行[52] 。
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第三章激光刻痕加工技术和装备分析研究 ........... 21
3.1 激光切割技术的发展 ........... 21
3.2 激光刻痕设备工作原理 ....... 22
3.3 高能激光射束产生原理 ....... 23
3.4 激光控制系统原理 ...... 25
3.5 激光切割设备 ..... 26
3.6 数控系统 .... 28
3.7 激光切割过程 ..... 29
3.8 脉冲激光切槽分析 ...... 30
3.9 激光脉冲参数对涨断槽的影响 .... 31
3.10 本章小结 ........... 32
第四章 缸体曲轴孔涨断缺陷分析及改进 .... 33
4.1 缸体曲轴孔涨断掉渣定义及现状 ......... 33
4.2 曲轴孔涨断掉渣缺陷识别的测量系统分析 ........... 34
4.3 曲轴孔涨断掉渣缺陷过程能力分析 ..... 38
4.4 曲轴孔涨断掉渣主要影响因素分析及改进 ........... 41
4.5 本章小结 .... 55
第五章 总结与展望 .... 57
5.1 全文总结 .... 57
5.2 工作展望 .... 57
第四章 缸体曲轴孔涨断缺陷分析及改进
缸体曲轴孔涨断后涨断缺陷主要有：掉渣、夹渣、压伤。其中掉渣缺陷在某工厂生产初期为主要缺陷模式，当掉渣面积大于整个涨断面的 10%时，就可能会影响到涨断后瓦盖与缸体合箱的精度及合箱后的支撑强度。 通过对可能影响涨断后产生掉渣的相关因素进行分析、研究，采取措施进行改进、控制，从而大大降低了曲轴孔涨断后掉渣率，确保 MC 系列发动机产品质量。
4.1 缸体曲轴孔涨断掉渣定义及现状
所谓掉渣，就是指在缸体曲轴孔涨断过程中，涨断面有金属渣粒脱离或半脱离涨断面。 根据从德国曼公司得到的经验，涨断面涨断后掉渣涉及两个加工面的，开档面长不允许超过 6mm，曲轴孔面不允许超过 3mm，掉渣处不允许与轴瓦槽连通；掉渣在曲轴孔面，且在两轴瓦槽之间的，长度不允许超过 6mm。 所谓测量系统，指的是用来获得表示产品或过程特性的数值的系统，是与测量结果有关的仪器、设备、软件、程序、操作人员、环境的集合。 测量系统分析按测量数据不同可分为两类：计量值（定量值），计数值（定性值）。 计量型数据测量系统分析的主要目的是确定所使用的数据是否可靠。测量系统分析可以： 1) 确认测量系统的变异来源； 2) 确认测量系统在一段时间内是否稳定； 3) 评估新的测量仪器； 4) 对不同的测量方法进行比较； 5) 明确工序流程测量系统的能力水平。 计数型数据测量系统分析的主要目的是： 1) 保证对同一检验对象进行检验时的标准一致； 2) 确认检验人员对检验对象进行多次检验的重复性好坏； 3) 确定检验结果发生偏倚的程度，这其中包括了拒真和受假两方面。
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总结
本文主要进行了如下研究：
（1）对 MC 系列发动机缸体材料成分特点及力学性能进行了基本介绍，并对生产现场正在使用的先进 ALFING 激光涨断设备的布局，及关于蠕墨铸铁材质缸体曲轴孔涨断的工艺特点、技术要求和典型缺陷进行了初步介绍。
（2）介绍了高能激光的产生过程，详细阐述了激光的产生及控制的原理，对本课题采用的某工厂激光刻痕设备进行了系统说明，并结合该设备阐述了激光刻痕实现的方法及过程，同时阐述了激光脉冲参数对于涨断槽影响。
（3）通过研究实际生产过程中遇到的问题，以缸体曲轴孔涨断掉渣比率过高问题为切入点，对可能引起涨断面掉渣的因素进行分析、优化。
（4）通过六西格玛质量改进工具，对曲轴孔涨断面掉渣原因进行分析、优化的过程进行了详细介绍。通过头脑风暴法、利用鱼骨图工具、DOE 实验方法等，识别出导致曲轴孔涨断面掉渣的关键影响因素，并对其进行改善。
（5）跟踪、统计改善后的曲轴孔涨断面掉渣率，通过实际数据确定了改善结果的有效性。
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参考文献（略）