曲軸滾壓圓角

1、曲軸圓角滾壓強化工藝介紹曲軸圓角滾壓強化工藝是提高曲軸疲勞強度最有效的手段之一，是實現(xiàn)曲軸以鐵代鋼”的關(guān)鍵工藝。經(jīng)圓角滾壓后的曲軸產(chǎn)品，由于內(nèi)部應(yīng)力的重新分布，必然存在較大的物理變形，工藝過程參數(shù)如不加以優(yōu)化，很容易造成批量的不合格品。解決形變問題是發(fā)揮曲軸圓角滾壓工藝優(yōu)勢的門檻。曲軸是發(fā)動機中的主要零件之一，在發(fā)動機五大件中是最難保證加工質(zhì)量的零件。曲軸服役工況條件惡劣，其失效形式一般是軸頸磨損和疲勞斷裂。疲勞斷裂往往是破壞性的，涉及安全方面，必須高度重視。提高曲軸疲勞強度常見的強化工藝大致有以下五種：氮化：曲軸氮化包括氣體軟氮化、離子氮化和鹽浴氮化等。氮化能提高曲軸疲勞強度的20%60%,

2、適用于各類曲軸。噴丸：曲軸經(jīng)噴丸處理后能提高疲勞強度的20%40%，但因噴丸時須保護軸頸表面，故采用較少。圓角與軸頸同時感應(yīng)淬火：該強化方式應(yīng)用于球鐵曲軸時，能提高疲勞強度的20%，而應(yīng)用于鋼軸時，則能提高100%以上，故在鋼軸中應(yīng)用比較普遍。圓角滾壓：由于國內(nèi)只有少數(shù)廠家實現(xiàn)了曲軸圓角滾壓強化工藝，且大多數(shù)采用的相關(guān)工藝設(shè)備是國外引進的，故無具體數(shù)據(jù)。根據(jù)統(tǒng)計資料：球鐵曲軸經(jīng)圓角滾壓后壽命可提高80%200%，鋼軸經(jīng)圓角滾壓后壽命可提高70%150%。復合強化：就是應(yīng)用多種強化工藝對曲軸進行強化處理，例如曲軸軸頸氮化加圓角滾壓工藝等。由以上可知，圓角滾壓對提高曲軸疲勞強度有顯著作用。目前汽車

3、曲軸以及工程機械用發(fā)動機曲軸越來越多的采用圓角滾壓強化工藝，國外轎車發(fā)動機曲軸幾乎全部采用圓角滾壓工藝。由于圓角滾壓可大幅度提高疲勞強度，因此它成為曲軸以鐵代鋼”的關(guān)鍵工藝。就目前而言，曲軸圓角滾壓強化工藝已成為提高產(chǎn)品競爭力的重要手段。曲軸圓角滾壓強化機理曲軸疲勞斷裂的原因曲軸在發(fā)動機中工作時承受很大的彎曲應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力。如圖1所示，曲拐頂部受壓力P時，曲拐兩內(nèi)側(cè)圓角過渡處表現(xiàn)為拉應(yīng)力，主軸圓角過渡處則為壓應(yīng)力；另外，曲軸還承受慣性力矩、輸出扭矩、扭振力矩，受力情況十分復雜。壓應(yīng)力壓應(yīng)力壓應(yīng)力壓應(yīng)力拉應(yīng)力拉應(yīng)力壓應(yīng)力壓應(yīng)力壓應(yīng)力壓應(yīng)力拉應(yīng)力拉應(yīng)力圖1：曲軸受壓力p時的應(yīng)力分布圖曲軸在工作承受

4、交變載荷，圓角過渡處屬于薄弱環(huán)節(jié)，尤其是主軸頸和連桿頸的過渡處更為嚴重。由于軸頸經(jīng)過磨削加工后留下的刀痕引起的應(yīng)力集中，再加之過渡圓角處本身就存在較強的應(yīng)力集中，在長時間的循環(huán)后便會產(chǎn)生裂紋，最終發(fā)生疲勞斷裂。曲軸圓角滾壓強化機理如圖所示，曲軸的圓角滾壓，就是利用滾輪的壓力作用，在曲軸的主軸頸和連桿頸過渡圓角處形成一條滾壓塑性變形帶，這條塑性變形帶具有以下特點：1）產(chǎn)生了殘余壓應(yīng)力，可與曲軸在工作時的拉應(yīng)力抵消或部分抵消，從而提高疲勞強度。2）硬度提高。滾壓使圓角處形成高硬度的致密層，使曲軸的機械強度和疲勞強度得到提3）表面粗糙度降低。圓角滾壓可使圓角表面粗糙度達到Ra0.2以下，從而大大減小

5、了圓角處的應(yīng)力集中，提高了疲勞強度。圖2：曲軸圓角滾壓示意圖常見的曲軸圓角滾壓類型根據(jù)安排滾壓工序和圓角形式的不同，曲軸圓角滾壓大致可分為以下三種類型：1）直接滾壓。直接滾壓就是在精磨主軸頸和連桿頸時用砂輪磨出與滾輪半徑大小相同的圓角（偏差不大于0.1mm）進行滾壓。直接滾壓的缺點就是容易在軸頸表面和側(cè)表面擠出一線凸臺，后續(xù)工序難以處理；在需要軸頸感應(yīng)淬火的曲軸，滾壓后容易引起較大的彎曲變形,滾壓校直處理處理時也比較棘手。2）粗加工滾壓。粗加工滾壓就是在曲軸精磨成形之前進行滾壓強化，這樣滾壓引起的形變可在精加工時去除，但也會將塑性變形帶磨去一部分，大大削弱了滾壓強化效果，故目前很少采用。3）圓

6、角沉割滾壓。圓角沉割滾壓就是在軸頸過渡圓角處沉割出與滾輪半徑大小相同的圓角（偏差不大于0.1mm）進行滾壓。圓角沉割滾壓消除了以上兩種滾壓方法存在的不足，另外圓角沉割還可以使應(yīng)力分散。目前國外轎車發(fā)動機曲軸幾乎全部采用圓角沉割滾壓方法。曲軸圓角滾壓形變工藝分析在卡車曲軸中，一般采用的強化工藝是曲軸軸頸表面氮化加圓角滾壓的復合強化工藝。若是在曲軸圓角滾壓后再進行氮化處理，則氮化時的高溫會將滾壓時形成的圓角殘余壓應(yīng)力消除很大一部分，所以一般不采用這種工藝。生產(chǎn)線上先是將曲軸圓角沉割加工成型（此時軸頸也已加工到成品尺寸），再送氮化工序，氮化后再拋光處理，最后圓角滾壓強化。經(jīng)滾壓后的曲軸檢測后發(fā)現(xiàn)長度

7、尺寸發(fā)生了變化，也就是說滾壓使得曲軸變長了。由于此時的曲軸分檔和檔寬尺寸已是最終尺寸，無法再行加工，因此造成了大批的不合格品，部分曲軸甚至報廢。在轎車曲軸中，一般不使用熱處理表面處理工藝，采用的強化工藝多為圓角深滾壓工藝。只不過是圓角切槽和滾壓工序?qū)儆诖旨庸すば?，?jīng)檢測也同樣存在滾壓使得曲軸變長的現(xiàn)象。此時雖是粗加工工序，但是滾壓漲量造成了曲軸軸頸側(cè)面的偏磨，造成了部分不合格品,個別曲軸甚至報廢。我們對某型號的四缸卡車曲軸（材料QT800-4,如圖3所示）取20條作了工藝試驗，分別編號為1-20,對滾壓前后的主軸分檔和檔寬尺寸變化對比如下：FF丿VJFF丿VJ圖3：某型號曲軸產(chǎn)品部分分檔和檔寬

8、尺寸表1為滾壓前曲軸的主軸分檔和檔寬尺寸:表2為滾壓前曲軸的主軸分檔和檔寬尺寸:項0.15)二分樣尺寸(213+0.15)三分捋尺寸C3370.15)匹井檔尺寸C461+0.15).(:疳,1.1S3.12*213.16337.13461.10135.08.n2.1806.1212.%.i337.12.1461.0135.10.!489.10.212.96.337.144G1.18.35.10.4.S3.04213.14,337.14461.24.35.145】S3.14213.00.,337.14461.22.35.込6,89.12.,212.92,337.08461.14,35.18S3.

9、1.6.,213.02.,337.14461.0635.込S3.04213.02.1337.0S.-.461.12135.16.1兒88.38.213.(4,337.20481.22.35.10.10.-!89.OO.n213.02.,337.144E1.0335.18.n11.-!89.06.n213.C4,337.22461.24.35.込12.,83.14.,213.16337.10461.02,35.1813.-!38.94213.141337.461.0235.込14.,88.98.】213.13337.04461.22.35.16.115.!83.12.!213.06.1337.2

10、0461.02,35.10.!表中標注的尺寸為超差項目，屬不合格項。從表中清楚地看出，經(jīng)圓角滾壓后的曲軸分檔長度都有了增長，而且是四分檔尺寸增長的幅度高于任何其它分檔尺寸，為0.08-0.12，三分檔增長量為0.06-0.10，二分檔增長量為0.04-0.06,一分檔增長量為0.02-0.04，這是因為四分檔尺寸測量累計了所有主軸頸(包括連桿軸頸)滾壓后的漲量，而從檔寬的尺寸增長來看(0.02),也驗證了這一點。我們對某型號的四缸轎車曲軸(材料QT800-4)取20條作了工藝試驗，分別編號為1-20,對滾壓前后的主軸分檔和檔寬尺寸變化作了對比，限于篇幅，不再列出數(shù)據(jù)表格。從變化數(shù)據(jù)可以看出，經(jīng)

11、圓角滾壓后的曲軸分檔長度都有了增長，而且是四分檔尺寸增長的幅度高于任何其它分檔尺寸，為0.15-0.18，三分檔增長量為0.10-0.14，二分檔增長量為0.06-0.09,一分檔增長量為0.04-0.06,這是因為四分檔尺寸測量累計了所有主軸頸(包括連桿軸頸)滾壓后的漲量，而從檔寬的尺寸增長來看(0.04),也驗證了這一點。針對以上試驗結(jié)果，我們在編制工藝文件時必須考慮這一因素，在相關(guān)工序作為參數(shù)補償反映到工序卡片中，經(jīng)生產(chǎn)實踐證明，取得了滿意的效果。從以上兩種試驗結(jié)果可以看出，不同曲軸的滾壓漲量是不同的。生產(chǎn)實踐證明，各種曲軸圓角滾壓的漲量情況比較復雜，它跟曲軸的形狀結(jié)構(gòu)、材料的延伸率、滾壓力的大小等有著密切的關(guān)系，是各種因素綜合作用的結(jié)果。在實際生產(chǎn)中，只有在穩(wěn)定