汽車發(fā)動機曲軸-課程設(shè)計

1、0前言曲軸是汽車發(fā)動機最關(guān)鍵的零部件之一，曲軸的性能很大程度上影響著發(fā)動機的可靠性和壽命。曲軸在發(fā)動機中承擔(dān)著最大的負荷和全部的功率，承擔(dān)著強大的方向不斷變化的彎曲和扭轉(zhuǎn)矩，同時承受著長時間的高速運轉(zhuǎn)的磨損。本次主要介紹了汽車發(fā)動機曲軸材料的選擇，加工工藝路線和相關(guān)的熱處理工藝，以及組織及性能的檢測方法和檢測設(shè)備，分析了熱處理過程中可能產(chǎn)生的缺陷及補救措施，概述了曲軸斷裂和失效的主要形式及預(yù)防措施。1汽車發(fā)動機曲軸的工作條件及性能要求1.1 汽車發(fā)動機曲軸的工作原理 曲軸是發(fā)動機上的一個重要的機件，有兩個重要部位：主軸頸，連桿頸，（還有其他）。主軸頸被安裝在缸體上，連桿頸與連桿大頭孔連接，連桿

2、小頭孔與汽缸活塞連接，是一個典型的曲柄滑塊機構(gòu)。發(fā)動機工作過程就是，活塞經(jīng)過混合壓縮氣的燃爆，推動活塞做直線運動，并通過連桿將力傳給曲軸，由曲軸將直線運動轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)運動。曲軸的旋轉(zhuǎn)是發(fā)動機的動力源。圖1 發(fā)動機曲軸實物圖1.2 汽車發(fā)動機曲軸的機械性能要求及技術(shù)要求1.2.1 汽車發(fā)動機曲軸的工作條件曲軸在工作過程中，既要承受周期性變化的氣體壓力、往復(fù)慣性力及離心力，又要承受他們所產(chǎn)生的扭矩和彎矩。因此，在上述載荷作用下，曲軸承受著巨大的彎曲、扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，扭動震動和附加應(yīng)力，以及交變載荷的沖擊。這些載荷不僅數(shù)值較大，而且一般呈周期性變化，故容易使曲軸產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)和彎曲變形，甚至產(chǎn)生裂紋和斷裂。此外，

3、發(fā)動機的不斷增壓、不斷擴缸，以及傳動功率的不斷提高，使得曲軸要在很高的壓力下高速轉(zhuǎn)動。由此服役條件，汽車發(fā)動機曲軸常會發(fā)生兩種形式的破壞：（1） 疲勞斷裂：多數(shù)斷裂時曲柄與軸頸的圓角處產(chǎn)生疲勞裂紋，隨后向曲柄深處發(fā)展，造成曲柄的斷裂，其次是曲柄中部的油道內(nèi)壁產(chǎn)生裂紋，發(fā)展為曲柄處的斷裂。（2） 軸頸表面的嚴重磨損：因曲軸長期處于高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，因此表面會遭受嚴重磨損。1.2.2 汽車發(fā)動機曲軸的性能要求及技術(shù)要求鑒于發(fā)動機曲軸苛刻的服役條件及發(fā)生破壞的形式，這就給了曲軸材料較高的要求。曲軸材料需要有較高的抗拉強度、剛度、耐沖擊韌性、耐疲勞性以及耐磨性。一般采用鍛造鋼和球墨鑄鐵，鍛鋼需要進行熱處理

4、采用調(diào)質(zhì)，及淬火后高溫回火，使材料具有較高的綜合機械性能，軸頸表面再進行表面淬火，提高表面硬度及耐磨性。球墨鑄鐵曲軸采取等溫回火、中頻淬火、激光淬火等熱處理工藝。2汽車發(fā)動機曲軸的材料選擇2.1汽車發(fā)動機曲軸選材要求首先，應(yīng)滿足曲軸的力學(xué)性能，它取決于發(fā)動機設(shè)計的強度水平。其次，考慮曲軸的疲勞強度和耐磨性。（與材料本身的成分及熱處理后的性能有關(guān)）2.2汽車發(fā)動機曲軸材料的要求根據(jù)JB/T6727。曲軸對材料的要求如下：（1） 鋼的含碳量要精選，含碳量的變化范圍應(yīng)不大于0.05（質(zhì)量分數(shù)）（2） 鋼的含S.P量應(yīng)不大于0.0025（質(zhì)量分數(shù)）（3） 鋼的非金屬夾雜物，脆性夾雜物，塑性夾雜物應(yīng)不超

5、過GB10561規(guī)定的2.5級。（4） 鋼的淬透性應(yīng)按GB255進行測定，其淬透性曲線在所用的鋼號范圍內(nèi)。2.3汽車發(fā)動機曲軸常用材料汽車發(fā)動機曲軸常用材料以及其力學(xué)性能如下表：各種適合曲軸材料的化學(xué)成分及機械性能（質(zhì)量分數(shù)）鋼號主要化學(xué)成分CMnSiCrNiMo450.420.50.50.80.170.3740Cr0.370.450.50.80.20.40.81.1040CrNi0.370.440.50.80.20.40.470.751.01.440CrNiMoA0.370.440.50.80.20.40.60.91.251.750.150.2535CrMo0.370.40.470.70.2

6、0.40.81.100.150.25鋼號bMpas Mpasak(J. )毛坯尺寸4590075010456010040Cr1000800945602540CrNi10008001045702540CrNiMoA100085012451002535CrMo1000850124580252.4曲軸材料的確定由于曲軸需要承受交變的彎曲-扭轉(zhuǎn)載荷以及發(fā)動機的大的功率，因此，要求其具有高的強度，良好的耐磨、耐疲勞性以及循環(huán)性等。由上表各種材料的性能可以看出45鋼的屈服強度較小，所以排除。40Cr鋼的抗沖擊性較低，排除。其余三種鋼對比而言，40CrNi鋼的屈服強度和抗沖擊能都稍遜于其他兩種，予以排除。4

7、0CrNiMoA和35CrMo這兩種鋼都較為合適，但35CrMo沒有貴金屬Ni，成本較低。因而，根據(jù)曲軸材料的要求，各項技術(shù)要求，及材料的成分，機械性能，淬透性，同時需考慮成本的經(jīng)濟性，最終選擇不含貴金屬的且各項性能指標優(yōu)良的35CrMo作為汽車發(fā)動機曲軸的材料。2.5加工工藝路線（鍛坯）調(diào)質(zhì)（淬火+高溫回火）校直清理檢驗粗加工去應(yīng)力退火精加工高頻淬火+低溫回火校直磨削校驗3汽車曲軸熱處理工藝的制定及熱處理工藝曲線3.1 35CrMo曲軸熱處理的技術(shù)要求35CrMo曲軸材料的熱處理技術(shù)要求如下表：材料預(yù)備熱處理HBS最終熱處理淬硬層深度HRC35CrMo調(diào)質(zhì)216269高頻淬火低溫回火3553

8、583.2 35CrMo曲軸熱處理工藝曲線35CrMo曲軸熱處理工藝曲線如下圖所示圖（3）汽車發(fā)動機曲軸熱處理工藝曲線3.3熱處理工藝及分析3.3.1原始材料的組織與性能35CrMo原始狀態(tài)從其顯微結(jié)構(gòu)組織圖上可觀查到，其組織為鐵素體基體上分布著片層狀的珠光體（F+P)，組織結(jié)構(gòu)均勻。其硬度值處于30-33HRC之間。3.3.2調(diào)質(zhì)工藝及分析3.3.2.1調(diào)質(zhì)工藝參數(shù)的確定淬火溫度：35CrMo是亞共析鋼，根據(jù)鐵碳相圖可以得出，其AC3約為807，AC1約為757.由于35CrMo是亞共析鋼，所以淬火溫度取AC3溫度+30-50，所以可確定出材料的淬火溫度應(yīng)為850較合適。其保溫時間可由經(jīng)驗公

9、式t（1.2-1.5）D,具體保溫時間應(yīng)根據(jù)曲軸的厚度來確定，此處暫定為25min。回火溫度低于AC1的某個溫度，選取560比較合適。T（） 850 保溫25min 560 60min t(min) 油冷 油冷0 t(h)圖4 調(diào)質(zhì)工藝圖 淬火介質(zhì)：油淬 回火溫度：560 保溫時間：1h 回火介質(zhì)：油 加熱設(shè)備：廂式電阻爐3.3.2.2組織性能分析 試樣經(jīng)淬火（未回火）后的金相組織如圖可以看出其顯微組織為板條馬氏體。硬度測得在51-53HRC之間，且硬度分布均勻。淬火時，冷卻介質(zhì)選用油，這是因為油冷冷速在500-350時最快，其下比較慢。這種冷卻特性是比較理想的，因而正好使鋼的過冷奧氏體組織在

10、最不穩(wěn)定的區(qū)域有最快的冷速，如此，可獲得最大的淬硬層深度；而在馬氏體轉(zhuǎn)變區(qū)有最小的冷卻速度，可使組織應(yīng)力減至最小，故減小了變形開裂傾向，有利于后續(xù)加工及處理。 由于淬火后獲得的馬氏體組織不夠穩(wěn)定，因此，需要高溫回火獲得穩(wěn)定的組織，回火索氏體。調(diào)制后獲得的索氏體晶粒均勻細密，具有良好的硬度與韌性，其硬度值在32HRC左右，且硬度值分布均勻，符合曲軸的技術(shù)要求。由于隨回火溫度的升高，馬氏體的塑性韌性上升，強度硬度下降，因而，調(diào)制獲得的組織具有良好的綜合性能，使強度、塑性、韌性得到了良好的配合，且改善了材料的機械加工性能，并為后續(xù)的熱處理及機加工做了組織上的準備。3.3.3去應(yīng)力退火分析 在熱處理、

11、切削加工和其他工藝過程中，制品可能產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。多數(shù)情況下，在工藝過程結(jié)束后，金屬內(nèi)部將保留一部分殘余應(yīng)力。殘余應(yīng)力可導(dǎo)致工件破裂、變形或尺寸變化，殘余應(yīng)力也提高金屬化學(xué)活性，在殘余拉應(yīng)力作用下特別容易造成晶間腐蝕破裂。因此，殘余應(yīng)力將影響材料的使用性能或?qū)е鹿ぜ^早失效。所以，需要去應(yīng)力退火來消除之前加工過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。T() 550 保溫2.5h空冷 0t(h) 圖5 去應(yīng)力退火工藝圖 進行去應(yīng)力退火時，金屬在一定溫度作用下通過內(nèi)部局部塑形變形（當(dāng)應(yīng)力超過該溫度下材料的屈服強度時）或局部的弛豫過程（當(dāng)應(yīng)力小于該溫度下材料的屈服強度時）使殘余應(yīng)力松弛而達到消除的目的。在去應(yīng)力退火時，工件

12、一般緩慢加熱至較低溫度（一般小于回火溫度20），保溫一段時間后，緩慢冷卻，以防止產(chǎn)生新的殘余應(yīng)力。3.3.4高頻淬火和低溫回火工藝及分析高頻淬火目的：在工件表面一定深度內(nèi)獲得馬氏體組織，而其心部仍保持著表面淬火前的組織狀態(tài)，以獲得表面層硬而耐磨，心部又有足夠塑性、韌性的工件。 加熱設(shè)備：GP-25A高頻淬火爐淬火溫度：860-930（普通淬火溫度+30-200） 冷卻介質(zhì)：水冷 回火溫度：160 保溫時間：1.5h 回火介質(zhì)：水T()160 保溫1.5h 圖6低溫回火工藝圖 t(h) 經(jīng)過高頻淬火后，試樣心部依然保持原來的組織不變，心部為顆粒大小均勻綜合性能良好的回火索氏體。其表層組織為細小的

13、層針狀馬氏體。 表層與心部的過渡區(qū)域：其表層為針狀馬氏體，而心部則保存了原始的組織與性能。 高頻淬火時必須注意把握好溫度和時間，時間過長，表面將得不到我們需要的細小的層針狀馬氏體，而是粗大的組織，這種組織的硬度低于曾針狀的馬氏體，而達不到我們的要求。 調(diào)質(zhì)態(tài)的35CrMo雖然具有良好的綜合性能，但是曲軸的表面要求有良好的耐磨性，調(diào)質(zhì)態(tài)的硬度遠遠不夠，因此需要進行高頻淬火來增加表面硬度及其耐磨性。由于高頻淬火時，奧氏體成分不均勻，奧氏體晶粒得到了細化，且有殘余壓應(yīng)力的存在，所以一般高頻淬火的硬度比普通加熱淬火硬度高2-3個洛氏硬度單位，其抗疲勞性能和耐磨性都得到了顯著的提高。 35CrMo在高頻

14、淬火后表層硬度值達到53-55HRC之間，硬度在表層分布較均勻。 高頻淬火后，為降低殘余應(yīng)力和鋼的脆性，而又不至于降低硬度，因此需要進行低溫回火。回火溫度取160 ，保溫1.5h。4熱處理過程可能產(chǎn)生的缺陷及補救措施（1） 燒傷 產(chǎn)生原因：零件不干凈，毛刺未去凈；孔、槽未堵；感應(yīng)器與零件間隙小等。 處理方法：洗凈零件，堵孔、槽，選擇合適的感應(yīng)器。 （2）硬度低 產(chǎn)生原因：加熱溫度低：冷卻速度慢；材料中碳元素等化學(xué)成分偏低處理方法：控制材料，選擇合適工藝 （3）淬火裂紋 產(chǎn)生原因：淬火溫度過高；冷卻速度太快；晶粒粗大 處理方法：控制原始晶粒度，按工藝操作 （4）硬化層淺 產(chǎn)生原因：淬火溫度低；加

15、熱時間短或移動速度快；淬火介質(zhì)壓力不足處理方法：選擇合適的工藝規(guī)范。 （5）硬度不均勻 產(chǎn)生原因：淬火介質(zhì)溫度過高；噴水圈的噴水孔的位置及角度不合理；淬火介質(zhì)的壓力不足；零件偏離噴水范圍處理方法：按工藝規(guī)定操作 （6）硬化層不均 產(chǎn)生原因：感應(yīng)圈與零件間隙不均；淬火機床軸心偏差大處理方法：調(diào)整設(shè)備及工裝精度。5曲軸使用過程中可能出現(xiàn)的失效方式及預(yù)防措施5.1校直引起原始裂紋對于鍛鋼曲軸，在鍛造、熱處理等過程中必然產(chǎn)生變形，生產(chǎn)中采用校直的方法消除。無論是熱校還是冷校，一旦校直幅度過大，都可能導(dǎo)致曲軸產(chǎn)生裂紋，且這種裂紋一般肉眼無法觀察到。若曲軸本身存在原始裂紋，裝配后行駛里程一般僅為幾千公里，

16、就會疲勞擴展而斷裂。對于此類裂紋，分析時應(yīng)注意與其他常見裂紋如鍛造裂紋、淬火裂紋等的區(qū)別。5.2圓角淬火工藝不當(dāng)軸頸圓角是曲軸加工難度最大，同時也是使用中最容易成為裂紋起源的位置。為了提高曲軸疲勞強度，一般需要對圓角進行強化處理。對于球鐵曲軸，目前多采用圓角滾壓強化工藝或先氮化再滾壓強化的復(fù)合強化工藝。早期的發(fā)動機曲軸感應(yīng)淬火區(qū)域僅僅局限在軸頸部分，主要對軸頸起提高耐磨性的作用，淬火區(qū)域圓角仍然有大于6mm以上的距離，因此對圓角并不起強化作用。目前采用的感應(yīng)工藝，淬火區(qū)域普遍包含圓角區(qū)域。事實證明這種方式能夠證明顯提高曲軸圓角的疲勞強度。隨著發(fā)動機增壓等新技術(shù)應(yīng)用的日益廣泛，對曲軸疲勞強度的要求也越來越高，目前，對發(fā)動機圓角的強化處理已經(jīng)成為必須的工藝過程。圓角強化工藝不當(dāng)，曲軸達不到應(yīng)有的疲勞強度，就有可能會在服役過程中產(chǎn)生疲勞斷裂。5.3鍛造質(zhì)量問題曲軸材料的鍛造質(zhì)量涉及很多的因素，原材料晶粒及晶粒長大傾向、鍛軋比、鍛造溫度等都是重要的影響因素。生產(chǎn)中對材料的選用應(yīng)該考慮與鍛造工藝能夠匹配，避免在材料晶粒長大敏感區(qū)域停留時間過長。5.4加工不當(dāng)引起應(yīng)力集中曲軸是典型受交變應(yīng)力的零件，對各種應(yīng)力集中因素非常敏感。零件設(shè)計中一般不存在明顯的尖銳過渡區(qū)，但實際生產(chǎn)中，由于加工工藝的偏差，可能會在零件上留下諸如臺階