球鐵的強(qiáng)化在曲軸中的應(yīng)用

球鐵的強(qiáng)化在曲軸中的應(yīng)用摘要：這里提供的是一項(xiàng)研究的結(jié)果，在此，得出如下結(jié)論：通過單獨(dú)的深度圓角滾壓、等溫淬火，或兩者相結(jié)合的方法，可以在很大程度上改善球鐵曲軸的彎曲疲勞強(qiáng)度。選作測試工具的曲軸，具有不同尺寸，并且能夠代表在重型內(nèi)燃機(jī)中應(yīng)用。本項(xiàng)目要求對樣本曲軸進(jìn)行以下幾方面的研究：鑄造、機(jī)械加工、深度圓角滾壓、等溫淬火、彎曲疲勞強(qiáng)度測試、殘余應(yīng)力測量、機(jī)械性能評估，及光學(xué)、電子金相檢驗(yàn)等。研究的結(jié)果表明：通過深度滾壓或等溫淬火可以在很大程度上提高圓角疲勞強(qiáng)度，并且兩種方法相結(jié)合的情況下效果更加明顯。利用經(jīng)過淬火和回火的1046鋼曲軸作為參考對象，此曲軸具有48000Psi的強(qiáng)度極限，研究結(jié)果表明：經(jīng)過圓角滾壓的球鐵曲軸的強(qiáng)度極限約高出100%,達(dá)到97000Psi；采用等溫淬火的曲軸可達(dá)到60000Psi；采用等溫淬火與圓角滾壓相結(jié)合的曲軸143000Psi,相對于調(diào)質(zhì)鋼曲軸強(qiáng)度極限可高出190%。金相檢驗(yàn)、殘余應(yīng)力分析及橫截面硬度檢測，被用來記錄球鐵強(qiáng)化的原因。研究表明，對球鐵可以采用特殊的強(qiáng)化方法，從而利用這種材料的特殊性能。首先，因?yàn)楦叩墓ぷ饔不碇楣怏w球鐵中存在高硅基體，深度圓角滾壓能夠產(chǎn)生顯著的強(qiáng)化，原因是冷加工和伴隨產(chǎn)生的壓力殘余應(yīng)力，其次，在理想狀況下，球鐵的等溫淬火可以產(chǎn)生具有高強(qiáng)度、韌性及硬度的綜合體，組織中殘余奧氏體的百分比含量顯著，高達(dá)40%，如果此組織又是以冷加工（深度圓角滾壓）為條件，那么局部顯著的強(qiáng)化是由于殘余奧氏體和加工貝氏體的轉(zhuǎn)變形成的。相對于鋼，球鐵的這種來自于等溫淬火和冷加工的強(qiáng)化影響，將更加特殊、明顯和有益。事實(shí)上，應(yīng)用此方法，在鋼中不可能獲得同樣程度的提高。通過采用合理的設(shè)計(jì)、鑄造技術(shù)、熱處理和局部機(jī)械加工，最終可以利用球鐵的內(nèi)在潛力。簡介在應(yīng)用于內(nèi)燃機(jī)中，采用球鐵曲軸代替鍛鋼曲軸被廣泛接受，從而達(dá)到降低材料消耗的目的。事實(shí)上，由于球鐵低的材料消耗和加工消耗，另外其它通常低的花費(fèi)，使得汽車設(shè)計(jì)者自從1960年開始，大量使用這種材料作為汽油內(nèi)燃機(jī)曲軸材料。在最近20年這個(gè)領(lǐng)域的服務(wù)實(shí)踐表明：一個(gè)經(jīng)過正確設(shè)計(jì)的球鐵曲軸，在輕型、中型內(nèi)燃機(jī)應(yīng)用中具有很好的服務(wù)記錄。盡管球鐵在消耗和工藝條件上值得注意，但由于球鐵低的彎曲疲勞強(qiáng)度，在中型到重型內(nèi)燃機(jī)應(yīng)用中的增加中受到限制。與鍛鋼相比，需要強(qiáng)調(diào)的是彎曲疲勞強(qiáng)度并不是曲軸材料的唯一要求，其它情況如硬度（彈性模數(shù)）和剪切疲勞強(qiáng)度都必需被考慮。然而，與球鐵相關(guān)的低的彎曲疲勞強(qiáng)度仍然是它被廣泛應(yīng)用的最大障礙。本報(bào)告中研究的最大推動(dòng)力是提高球鐵曲軸彎曲疲勞強(qiáng)度的方法，尤其是在曲軸應(yīng)力最集中的區(qū)域軸頸圓角部分，為達(dá)到這些目標(biāo)，工藝參數(shù)的研究如下：1） 機(jī)械加工或曲軸圓角滾壓被作為最基本的提高工藝，并且深度滾壓曲軸的成功應(yīng)用被美國汽車工業(yè)所介紹。2） 球鐵的等溫淬火，在球鐵曲軸的疲勞強(qiáng)度方面有實(shí)質(zhì)上的提高，提供獨(dú)特的性能，也被認(rèn)真加以研究，另外，等溫淬火會(huì)顯著提高球鐵件中心部位的強(qiáng)度，從而更好地抵抗剪切應(yīng)力。3） 等溫淬火球鐵曲軸的深度圓角滾壓被研究。兩種不同尺寸的曲軸，代表在重型內(nèi)燃機(jī)方面的應(yīng)用，被用作測試的工具。樣本曲軸的研究項(xiàng)目包括：鑄造、機(jī)械加工、深度圓角滾壓、等溫淬火、彎曲疲勞測試、殘余應(yīng)力分析、機(jī)械性能評估及光學(xué)、電子金相檢測等，在本論文中將進(jìn)行描述。試驗(yàn)過程圖1展示的是代表V-8曲軸的示意圖，作為整個(gè)論文用不同特征曲軸有關(guān)術(shù)語和定義的參考。應(yīng)用在本項(xiàng)目中曲軸的典型尺寸表格見表格1。球鐵曲軸鑄件202曲軸曲軸鑄件采用無烘烤鑄型，澆注方式采用位于發(fā)蘭盤的的單內(nèi)澆口澆注，模型水平放置在砂箱的中心線上，采用濕砂造型，仍按正常澆注過程澆注。圖1典型V－8內(nèi)燃機(jī)曲軸示意圖曲軸的的熔煉、澆注順序沒有改變，仍采用正常產(chǎn)品的方法，順序如下：在20T感應(yīng)電爐中熔化轉(zhuǎn)移到50T保溫電爐從保溫電爐傾注3303鎊到處理包在3500鎊包中插入含9％的鎂硅合金進(jìn)行處理。在處理包傾倒到1500鎊澆注包的過程中用0.5％硅作為硅鐵進(jìn)行二次孕育。澆注曲軸鑄件溫度在2500?2550F。約45分鐘后振動(dòng)脫箱化學(xué)成份根據(jù)不同鑄件進(jìn)行調(diào)整，仍采用正常的產(chǎn)品生產(chǎn)過程，經(jīng)過清理、打冒口、X—射線檢測后開始加工。303曲軸下面是曲軸產(chǎn)品的重要數(shù)據(jù)表格1V—8球鐵曲軸的標(biāo)準(zhǔn)尺寸英寸規(guī)格202303長度26.3030.00主軸頸直徑3.123.90檔寬第31.131.30第2和41.131.30連桿頸直徑2.502.75檔寬2.292.21曲軸中心距2.092.21行程4.184.42大盤0.721.03圓角半徑0.0750.090曲柄臂寬第1、81.121.63第2、70.710.77圖2用于深度圓角滾壓的球鐵202曲軸的圓角形狀鑄件滿足5203級別標(biāo)準(zhǔn)的球鐵。鑄件在高壓濕型模型中制成。曲軸在鑄造過程中水平放置，2連桿朝上。鑄件澆注采用單內(nèi)澆口發(fā)蘭盤端澆注。3.曲軸的加工曲軸被加工成表1所示的尺寸圖2展示的是用于深度圓角滾壓的202曲軸圓角區(qū)域加工完畢的形狀。在用于疲勞試驗(yàn)是曲軸示意圖中沒有對凸臺或加工凸臺進(jìn)行表示，因?yàn)樵谧銎谠囼?yàn)中這些區(qū)域?qū)⒉挥杩紤]。既然曲軸必需有底切和深度滾壓圓角，機(jī)械加工分兩個(gè)階段完成，最初的加工位置到允許圓角深度滾壓的點(diǎn)，經(jīng)過深度滾壓，為達(dá)到軸頸的尺寸，拋光是最后的一道工序，或僅僅是加工過程中的要求。曲軸等溫淬火通常情況下，鍛鋼曲軸在重型內(nèi)燃機(jī)應(yīng)用中，需要進(jìn)行熱處理(回火和淬火)，以提高曲軸的延伸率和疲勞強(qiáng)度，因此，我們可以預(yù)言：利用球鐵滿足更苛刻的應(yīng)用，與鑄態(tài)情況下相比，要求曲軸的中心具有更高的延伸率和強(qiáng)度。因此，一些202曲軸被熱處理(等溫淬火)并測試，以獲得合適的數(shù)據(jù)提高球鐵的強(qiáng)度。可以利用等溫淬火提供更高的強(qiáng)度，并最小限度地減少熱處理中的變形量。經(jīng)過粗加工的球鐵202曲軸，在保留底切圓角的的情況下進(jìn)行等溫淬火，等溫淬火介質(zhì)采用中性鹽域曲軸通過大盤端被垂直懸掛經(jīng)過整個(gè)熱處理區(qū)域。有關(guān)的數(shù)據(jù)及熱處理情況概述如下：曲軸條件：鑄件被加工完畢，等待深度圓角滾壓，保留軸頸拋光量等溫淬火參數(shù)：介質(zhì)：中性鹽溫度：1600F保溫時(shí)間：1h等溫的淬火：介質(zhì)：中性鹽并伴隨適度的攪拌參數(shù)： 溫度：700F保溫時(shí)間：2h從淬火介質(zhì)中取出空冷202曲軸深度圓角滾壓通常的接受的觀點(diǎn)是：機(jī)械加工和滾壓曲軸的圓角的主要目的是在圓角區(qū)域產(chǎn)生一個(gè)壓力的殘余應(yīng)力。在通常的操作中，圓角區(qū)域存在非常高的應(yīng)力。壓力的殘余應(yīng)力會(huì)提高曲拐的疲勞強(qiáng)度的耐力。圓角滾壓是指應(yīng)用一個(gè)負(fù)荷作用在工作滾子上，滾子緊貼曲軸的圓角，并隨曲軸的轉(zhuǎn)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)。有關(guān)本項(xiàng)目的一個(gè)實(shí)際工作概述的示意圖見圖3和圖4。為使這個(gè)工藝與通常的滾壓加工相區(qū)別，“深度滾壓”這個(gè)術(shù)語被應(yīng)用進(jìn)來，簡單的意思是說：應(yīng)用的負(fù)荷遠(yuǎn)高于機(jī)械工作的基底，從而產(chǎn)生一個(gè)理想的深度，相反普通的滾壓加工只是光滑其表面。這種負(fù)荷通常滾壓加工的4?5倍，另外本項(xiàng)目所實(shí)行的工藝過程被定義為底切圓角深度滾壓。根據(jù)這個(gè)建議，如圖4所示，軸頸或曲軸表面在滾壓前底切，并且工作的滾子以很小的角度接觸平衡塊面或者幾乎相切。對連桿軸頸、中間主軸和最后主軸的加工采用單獨(dú)的工具設(shè)備，除最后兩個(gè)主軸頸外，其它主軸的兩個(gè)圓角都同時(shí)被滾壓。安裝曲軸的過程如下：曲軸被安裝在車床上，小頭端安裝在主軸箱，大盤安裝在中心頂尖座。浮動(dòng)的刀具固定器(見圖5)，通過輕微的壓力移動(dòng)固定的位置，從而將將刀具固定在想要加工的軸頸的規(guī)定位置。潤滑油開始流動(dòng)，并在整個(gè)滾壓過程中連續(xù)進(jìn)行，潤滑油采用一種輕的液壓油。曲軸在車床的作用下旋轉(zhuǎn)，在曲軸旋轉(zhuǎn)過程中壓力逐漸應(yīng)用到想要的水平，避免削弱或硬化表面。經(jīng)過一定數(shù)量的滾壓，壓力逐漸減少，滾壓結(jié)束。刀具轉(zhuǎn)換到下一個(gè)主軸頸，過程被重復(fù)。有關(guān)工作滾子的形狀、滾壓設(shè)備和過程的信息如下：負(fù)荷應(yīng)用系統(tǒng)液壓應(yīng)用系統(tǒng)液壓汽缸直徑2in液壓汽缸壓力 變動(dòng)375?500Psi工具、固定器的杠桿臂比2/1工作滾子材料： 工具鋼 M-2直徑： 0.600in厚度：0.2?0.25in半徑：0.072in傾斜角：35度液壓壓數(shù)值：8/10液壓汽缸壓力的選擇和深度圓角滾壓接觸應(yīng)力的計(jì)算，都根據(jù)通常的經(jīng)驗(yàn)公式，利用這個(gè)公式來評估滾壓過程中產(chǎn)生的應(yīng)力。通常情況下，選擇接觸應(yīng)力的原則是：在保證最小限度的磨損的情況下，能夠提供合適的疲勞強(qiáng)度提高幅度。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，接觸應(yīng)力的大小應(yīng)是球鐵抗拉強(qiáng)度的5倍。通常情況下，鑄造球鐵的抗拉強(qiáng)度約為85000Psi,工作滾子和球鐵圓角間的接觸應(yīng)力要求大約是425000Psi,這個(gè)數(shù)值是接觸應(yīng)力要求，汽缸液壓壓力通過下面的公式計(jì)算。G=0.418*[EAP*(1/R+1/R)/(Bcos35°)]0.5 (1)12P=G2*RR/(R+R)*(Bcos35°/0.175EA) (2)1212G:接觸應(yīng)力，PsiP:汽缸液壓壓力，PsiE:彈力系數(shù)，PsiA:液壓汽缸活塞面積，in2B:接觸面積，in2R:1工作滾子半徑，inR2:工作部分面積，山cos35°:工作滾子與曲軸軸線之間的角的余弦值此公式的基礎(chǔ)是由相同材料制造的兩個(gè)平行汽缸的接觸應(yīng)力關(guān)系。在前面的公式中，由于兩個(gè)假設(shè)或簡化，使得公式變得很實(shí)用。首先，相接觸的兩個(gè)材料被假設(shè)相似，事實(shí)上這是不現(xiàn)實(shí)的。工作滾子由硬質(zhì)合金鋼制成，彈性系數(shù)為29X106Psi,而工作部分球鐵的彈性系數(shù)為22X106Psi；其次，接觸面積被計(jì)算成線性接觸，即工作滾子與曲軸圓角中平行于工作滾子和曲軸軸線的平面。接觸面積(工作滾子和曲軸圓角)被假設(shè)發(fā)生在超過工作滾子100度圓弧的部分。這些簡化避開了實(shí)際應(yīng)用中困難的問題，如復(fù)雜的形狀、實(shí)際接觸面積的計(jì)算，接觸區(qū)域不統(tǒng)一的應(yīng)力分布等。作為參考，利用修正公式，對202曲軸中工作滾子和圓角結(jié)構(gòu)計(jì)算的接觸應(yīng)力見表格2。深度滾壓圓角的殘余應(yīng)力測量機(jī)械加工和球鐵深度滾壓，由于工作硬化將會(huì)提高工作區(qū)域的屈服強(qiáng)度。在工作過程中，工作材料的疲勞強(qiáng)度也會(huì)趨于增加，然而，工作硬化并不能解釋球鐵的疲勞強(qiáng)度的增加來源于深度滾壓。通常情況下，深度圓角滾壓對疲勞強(qiáng)度最大的影響，來源于局部工作區(qū)域高的壓力的殘余應(yīng)力。為了幫助理解深度滾壓對球鐵曲軸疲勞強(qiáng)度的影響，在三支經(jīng)過深度滾壓曲軸有限數(shù)量的第三主軸進(jìn)行殘余應(yīng)力測量。所有殘余應(yīng)力的鑒定取決于下面的測量由于支持應(yīng)力的材料被解剖或切削，殘余應(yīng)力發(fā)生減少。通過在曲軸圓角底部放置應(yīng)變儀，并記錄支持材料被移動(dòng)時(shí)的應(yīng)變獲得應(yīng)力值。曲軸解剖后，保留的殘余應(yīng)力利用X-射線衍射技術(shù)確定，通過測量相關(guān)微觀組織中鐵素體在殘余應(yīng)力中的變形得到。圓角中的全部殘余應(yīng)力通過兩種技術(shù)測量的應(yīng)力相加獲得，在這里需要注意，通過此過程獲得的殘余應(yīng)力并不能代表圓角中最大的殘余應(yīng)力。必需指出，應(yīng)變測量儀僅僅適用于圓角的底部，因?yàn)閳A角形狀很狹窄，X-射線應(yīng)變測量移無法通過整個(gè)圓角半徑。既然滾壓工具相對于圓角底部垂線傾斜35°角，那么，應(yīng)力的最大值也應(yīng)該發(fā)生在圓角底部和圓角底部35°的地方。曲軸彎曲疲勞測試在本項(xiàng)目中，曲軸的交變彎曲疲勞測試通過共振頻率或液體的點(diǎn)振動(dòng)的方法進(jìn)行傳導(dǎo)。通常應(yīng)用在工業(yè)中進(jìn)行曲軸節(jié)的評估。利用共振頻率對曲軸進(jìn)行疲勞測試，是施加兩個(gè)大的負(fù)荷在曲軸節(jié)上，并且在測試節(jié)上制造一個(gè)“調(diào)諧器”，這個(gè)裝置被鋼絲繩固定到曲軸節(jié)重力集中的關(guān)鍵位置，然后啟動(dòng)設(shè)備并在其振動(dòng)頻率下振動(dòng)，作用到曲軸節(jié)的負(fù)荷或彎曲力矩靠調(diào)節(jié)振幅而變化，通常情況下靠振動(dòng)頻率檢測的排列情況見圖6所示。用于振動(dòng)頻率疲勞檢測的曲軸節(jié)通常包括一個(gè)連桿和兩個(gè)鄰近的主軸，圖1中展示的就是本項(xiàng)目中用于檢測的202曲軸節(jié)結(jié)構(gòu)。通常情況下，兩個(gè)疲勞試樣取自各自的曲軸。303曲軸的檢測節(jié)與這種結(jié)構(gòu)有差別，僅僅有一個(gè)主軸和用于檢測的連桿相連接。利用這種結(jié)構(gòu)可以從每支曲軸獲得兩個(gè)疲勞試樣，因?yàn)檫@種曲軸的末端主軸和第1、2、5主軸被排除在外，原因是這些主軸圓角未經(jīng)過深度滾壓，或可能在深度圓角滾壓之前就失敗。由于結(jié)構(gòu)不同，彎曲力矩取決于各自曲軸不同的中心軸線。對于標(biāo)準(zhǔn)的曲軸節(jié)，如所使用的202曲軸，彎曲力矩通過連桿中心線進(jìn)行計(jì)算。對于存在一個(gè)連桿與一個(gè)主軸的303曲軸，連桿與主軸的交點(diǎn)作為彎曲力矩的軸。有關(guān)曲軸疲勞強(qiáng)度的多數(shù)有用數(shù)據(jù)根據(jù)力矩的情況被羅列出來。在曲軸形狀固定并且材料變化能夠評測的情況下，利用彎曲力矩標(biāo)準(zhǔn)是相當(dāng)適用的。然而，如果疲勞試驗(yàn)被聯(lián)系到機(jī)械操作或用來比較材料的疲勞性能，那么軸頸的最大應(yīng)力就必需進(jìn)行確定，并和應(yīng)用的彎曲力矩聯(lián)系起來。聯(lián)系的確定被包括在本研究項(xiàng)目。通過確定的載荷與彎曲力矩標(biāo)準(zhǔn)曲線相對照，確立應(yīng)用的彎曲力矩。為確定圓角應(yīng)力，重力載荷與應(yīng)變的關(guān)系必需通過設(shè)置在圓角位置的應(yīng)變儀獲得。圓角中最大應(yīng)變的位置，通過在圓角位置放置幾個(gè)應(yīng)變片并記錄曲軸在靜態(tài)或彎曲力矩作用下的應(yīng)變獲得。圓角中應(yīng)變數(shù)據(jù)依據(jù)它們的位置被輸進(jìn)內(nèi)部計(jì)算機(jī)程序，程序?yàn)椤案邎A角應(yīng)力區(qū)域的最大應(yīng)變”，于是圓角中最大應(yīng)變的位置和大小由程序完成，并作為結(jié)果輸出，確定圓角中最大應(yīng)變與彎曲力矩的關(guān)系。通過一個(gè)典型的球鐵彈性系數(shù)22XlO^si，最大應(yīng)變數(shù)值被轉(zhuǎn)變成應(yīng)力值。表格2汽缸壓力工作滾子及載荷計(jì)算的深度滾壓力202球鐵曲軸汽缸工作壓力Psi工作滾子載荷lbs計(jì)算的滾壓力ksi連桿主軸3501342418.34109424.54001534447.1438.44251630460.9451.94501726474.3465.04751822487.3477.75001918499.3490.1表3球墨鑄鐵曲軸化學(xué)成份兀素202曲軸202曲軸NO:6NO:9NO:21NO:27N0:482NO:485NO:C-2NO:563C3.623.463.633.633.643.613.703.69Si2.802.922.542.592.552.622.562.50Mn0.460.470.520.500.840.80.980.89S0.010.0140.0130.0110.010.0110.010.014Mg殘0.040.040.0510.0520.0410.0440.0510.035Ni0.050.060.050.060.010.020.020.02Cr0.070.070.040.04Cu0.230.220.250.250.010.010.010.01碳當(dāng)里4.554.434.484.494.494.484.554.52表4球鐵曲軸的機(jī)械性能曲軸狀況硬度BH最后抗拉強(qiáng)度疲勞強(qiáng)度延伸率％面積收縮率％202 3鑄態(tài)187-19288.5453.5913.311.320224-1鑄態(tài)207-21783.7853.995.53.420227-1鑄態(tài)212-22993.0255.696.35.920222-1等溫淬火285-30213.08106.103.14.720221-4等溫淬火285-303147.70108.482.43.2302C-2鑄態(tài)233-23599.2362.656.34.8注：用于硬度測量的試塊取自于做抗拉試棒的切削部分。在前面我們注意到，疲勞試驗(yàn)是靠施加一定的彎曲力矩到曲軸節(jié)，并隨設(shè)備在固定頻率下振動(dòng)。在試驗(yàn)過程中，振動(dòng)的頻率處在監(jiān)視下，如果頻率降低0.5?1.0Hz,就認(rèn)為疲勞試驗(yàn)結(jié)束。通常情況下，頻率降低0.5Hz預(yù)示在圓角部位的裂紋接近0.5in長，這可以通過隨后的磁粉探傷確定。如果曲軸節(jié)經(jīng)過107次循環(huán)仍未失敗，試驗(yàn)將被停止（超越）。試驗(yàn)總結(jié)和討論球墨鑄鐵材料的特征化學(xué)成份在本測試過程中，202和303曲軸試樣的化學(xué)成份見表格3所示。這些成份是典型的5006球鐵成份，另外添加0.25％的銅作為珠光體的穩(wěn)定劑。303曲軸的化學(xué)成份相對于202曲軸含有較高的錳。這是球鐵鑄造車間利用錳作為珠光體穩(wěn)定劑的典型應(yīng)用。機(jī)械性能的鑒定，抗拉性能試塊取自于曲軸配重鐵最厚的部位，采用標(biāo)準(zhǔn)的0.505in、2in抗拉試棒。試驗(yàn)結(jié)果見表格4。鑄造曲軸的抗拉性能被認(rèn)為典型的5006球鐵，試樣取自于本體而非澆注的單獨(dú)檢驗(yàn)試塊。所示的等溫淬火球鐵的屈服強(qiáng)度是普通球鐵的2倍，收縮率降低1/2，延伸率或塑性低于我們對等溫淬火球鐵的期望值，但這種試驗(yàn)結(jié)果取自鑄件最薄弱的區(qū)域?？估嚢羧∽杂诘?、8配重鐵，此部位由于太厚無法在整個(gè)熱處理區(qū)域獲得單一的等溫淬火組織。對所有做疲勞試驗(yàn)的曲軸都做了布氏硬度檢測，試樣取自于曲軸凸臺接近第1主軸的部分，并且對曲軸節(jié)的中心部位的布氏硬度也做了檢測。根據(jù)檢測的結(jié)果，得出如下曲軸布氏硬度范圍。202鑄態(tài) 187?229BHN202等溫淬火S/N20-23 302?312BH303所有曲軸 187?248BHN用于測試的202曲軸的處理用于疲勞測試的曲軸鑄件的標(biāo)識、加工方法和最后的處理等總結(jié)情況見表格5。202曲軸的等溫淬火如表5所示，為進(jìn)行這種評估，對4支曲軸進(jìn)行了等溫淬火。在等溫淬火之前這些曲軸被粗加工，僅僅在軸頸表面保留精加工的拋光工序。對中心主軸（第3）的跳動(dòng)量進(jìn)行測量，作為在等溫淬火中最大變形的象征。盡管在生產(chǎn)情況下，在等溫淬火的溫度下可以對曲軸進(jìn)行熱校直，卻不嘗試對曲軸進(jìn)行冷校直。不考慮對這些曲軸進(jìn)行冷校直的原因，是因?yàn)樵诘葴卮慊鹣?，曲軸具有很高的強(qiáng)度，塑性有限，容易產(chǎn)生裂紋。經(jīng)過等溫淬火，對曲軸20到23測量到的跳動(dòng)量分別為0.048、0.02、0.021和0.044。深度滾壓202曲軸在本研究項(xiàng)目中，共對11支202曲軸進(jìn)行了深度圓角滾壓。曲軸和滾壓載荷見列表6，載荷數(shù)據(jù)通過滾壓設(shè)備的壓力顯示。根據(jù)前面描述的公式，選擇曲軸主要連桿的滾壓力。由于這種材料的屈服強(qiáng)度很高，等溫淬火曲軸的滾壓力高達(dá)475Psi。由于可利用的曲軸數(shù)量有限，沒有嘗試對等溫淬火曲軸的壓力進(jìn)行改變。在深度滾壓工藝的描述中曾提到，每個(gè)曲軸圓角在可控壓力下進(jìn)行單獨(dú)滾壓。在曲軸的測試過程中，可能發(fā)生輕微的應(yīng)用壓力變化，這些輕微的變化和軸頸圓角單獨(dú)滾壓將不會(huì)明顯改變疲勞試驗(yàn)的結(jié)果。但是，可能導(dǎo)致比實(shí)際生產(chǎn)中獲得跳動(dòng)量大得多。在正常生產(chǎn)中，所有的軸頸被同時(shí)滾壓，跳動(dòng)量非常小。在曲軸的深度滾壓中測量跳動(dòng)，目的是獲得在最壞情況下可能產(chǎn)生的跳動(dòng)量。這種數(shù)據(jù)見表7。深度滾壓圓角殘余應(yīng)力測量在3支曲軸上進(jìn)行殘余應(yīng)力測量，包括2支202曲軸和1支303曲軸，檢測總結(jié)見表格8。通過圓角滾壓試驗(yàn)，確定的殘余壓力應(yīng)力如所示為65Ksi，95Ksi和114Ksi。很有意思我們注意到，對于202曲軸樣品，測量到的殘余應(yīng)力要比在更高滾壓力下產(chǎn)生的殘余應(yīng)力要低。我們觀察到，在提高疲勞強(qiáng)度的圓角滾壓中存在一個(gè)合適的應(yīng)力，從試驗(yàn)的結(jié)果也可以證明這個(gè)結(jié)論。然而，這些數(shù)據(jù)僅僅來源于兩個(gè)測量，利用這個(gè)數(shù)據(jù)下結(jié)論還需要進(jìn)行慎重觀察。這些結(jié)論認(rèn)為不具有權(quán)威性，僅僅表示深度圓角滾壓的殘余應(yīng)力。有幾個(gè)因素可以說明這一點(diǎn)：首先，實(shí)際中重要的一點(diǎn)是在進(jìn)行測量以前曲軸被解剖，這樣應(yīng)用應(yīng)變片測量的時(shí)候就減少了殘余應(yīng)力，通常情況下，在應(yīng)用應(yīng)變片之前，第3主軸中任何殘余應(yīng)力都可能被部分消除；另外，由于圓角區(qū)域的組織很致密，精確的X-射線位置很難確定，在如此短的距離范圍內(nèi)殘余應(yīng)力變化很大，這個(gè)位置非常苛刻，況且，既然X-射線測量僅僅涉及到鐵素體晶格非常小的區(qū)域，應(yīng)變片和X-射線輔助測量并不是完全正確。故應(yīng)變片測量的數(shù)值是整個(gè)區(qū)域的平均應(yīng)變。曲軸彎曲疲勞檢測為了確定在曲軸彎曲疲勞檢測中的最大應(yīng)變，應(yīng)變在三個(gè)位置被測量，它們是連桿、沿軸線的主要圓角和曲軸的主軸頸。應(yīng)變片的位置和彎曲疲勞試驗(yàn)中最大應(yīng)變平面一致。通過記錄載荷作用下的應(yīng)變值，確定應(yīng)變在連桿圓角中的分布狀態(tài)，數(shù)據(jù)的分析通過內(nèi)部計(jì)算機(jī)程序完成，見圖7。所示數(shù)據(jù)僅僅是303和202兩種曲軸中許多檢測的一個(gè)例子。通過這些數(shù)據(jù)，曲軸圓角中最大的應(yīng)變，如所示，發(fā)生的位置稍低于軸頸表面和連桿表面相交的投影點(diǎn)。在所有情況下，連桿圓角的應(yīng)變高于相應(yīng)主軸圓角的應(yīng)變，故將連桿圓角部分的應(yīng)力作為疲勞試驗(yàn)的報(bào)告數(shù)據(jù)。本疲勞試驗(yàn)中，連桿圓角的最大應(yīng)力與彎曲力矩的典型關(guān)系見圖8所示，在本圖中由虛線表示。對于202球鐵曲軸的彎曲力矩與應(yīng)力關(guān)系通過線性回歸獲得。作為這種結(jié)論，間接的應(yīng)力數(shù)據(jù)可以與上面的應(yīng)力數(shù)據(jù)相比較，但需謹(jǐn)慎應(yīng)用。作為對照，202曲軸的相應(yīng)關(guān)系也在本圖中表示出來。對于303曲軸，無論是鋼曲軸還是球鐵曲軸，如果想產(chǎn)生同樣的應(yīng)力，需要的彎曲力矩比202曲軸要大一些，這是因?yàn)?03曲軸的凸臺和圓角較大、剖面部分較厚的緣故。因?yàn)榍S形狀不同，202和303曲軸的疲勞試驗(yàn)設(shè)備的振動(dòng)頻率也不同。通常情況下，202曲軸的振動(dòng)頻率是100Hz，而303曲軸的振動(dòng)頻率是64Hz。在單個(gè)曲軸節(jié)疲勞試驗(yàn)中，所有的疲勞試驗(yàn)被總結(jié)在表格9和表格10中，這些結(jié)果以圖像的方式顯示，從而更加容易進(jìn)行目測。這些應(yīng)用應(yīng)力數(shù)據(jù)通過彎曲力矩與應(yīng)力關(guān)系獲得。在圖9中所示的強(qiáng)度極限，是指從經(jīng)過深度圓角滾壓的202和303鑄態(tài)曲軸中獲得數(shù)據(jù)的最小值。既然有大量的點(diǎn)被包括在內(nèi)，并且選用的是最小值，那么引用此數(shù)據(jù)就有相當(dāng)?shù)男湃味?。圖11中所示相關(guān)數(shù)據(jù)的信任度較低，因?yàn)榈葴卮慊鹪嚇拥臄?shù)目很有限。然而，從這些數(shù)據(jù)來看，相對的差別相當(dāng)明顯。表5 202曲軸鑄件的標(biāo)識和隨后處理曲軸S/N狀態(tài)加工情況圓角滾壓處理1鑄態(tài)部分是疲勞試驗(yàn)2鑄態(tài)部分是疲勞試驗(yàn)3鑄態(tài)部分是疲勞試驗(yàn)4鑄態(tài)全部是疲勞試驗(yàn)20等溫淬火部分否疲勞試驗(yàn)21等溫淬火部分是疲勞試驗(yàn)22等溫淬火部分是疲勞試驗(yàn)23等溫淬火部分否疲勞試驗(yàn)24鑄態(tài)部分是疲勞試驗(yàn)25鑄態(tài)部分是疲勞試驗(yàn)26鑄態(tài)部分是疲勞試驗(yàn)27鑄態(tài)部分是疲勞試驗(yàn)

表6鑄態(tài)202曲軸鑄件的標(biāo)識和滾壓壓力曲軸S/N狀態(tài)滾壓壓力Psi連桿主軸1鑄態(tài)375400234520等溫淬火N/RN/R214755002247550023N/RN/R24鑄態(tài)375400254254502647550027475500深度圓角滾壓對球鐵曲軸跳動(dòng)的影響曲軸S/N主軸（第3）跳動(dòng)毫英寸止推面跳動(dòng) 毫英寸滾壓壓力Psi、/.—r~-刖面后面、幾刖后變動(dòng)、幾刖后變動(dòng)、幾刖后變動(dòng)1231132242375217625313231541431324165231132517624224221201644752121254241421511543752511091411434252615415115447527132131132475注：等溫淬火曲軸止推面的跳動(dòng)太大無法被精確測量。表格8球鐵曲軸深度圓角滾壓殘余應(yīng)力測量項(xiàng)目應(yīng)力情況壓力殘余應(yīng)力ksi303202S/N24202S/N26應(yīng)變片的補(bǔ)給426033x-射線743532應(yīng)變片和X-射線總和1169565液壓缸壓力Psi（主軸）400500液壓缸壓力Psi（連桿）375475如表格9中所示，303曲軸的所有檢測數(shù)據(jù)，都是在應(yīng)力70ksi下測定的。如果操作應(yīng)力70ksi能夠設(shè)定為具有高信任度的設(shè)計(jì)值，許多檢測對象，具有相應(yīng)低應(yīng)力水平的曲軸節(jié)必需被檢測。正如所示，10支曲軸節(jié)在70到75ksi應(yīng)力范圍下成功運(yùn)行，完全證實(shí)疲勞極限在此水平之上。設(shè)立70ksi作為可靠疲勞極限，其原因是特定的初步設(shè)計(jì)要求。303曲軸不可能在接近lOOksi高應(yīng)力水平下進(jìn)行測量，其原因是受疲勞設(shè)備的限制。和202曲軸相比較，此曲軸的曲軸節(jié)較重，圓角半徑較大。圓角滾壓壓力，在有限試樣數(shù)量的情況下，對202曲軸疲勞強(qiáng)度的影響并不十分明顯。這個(gè)現(xiàn)象見圖10,在425Psi和475Psi高壓力下獲得的數(shù)據(jù)，分散在大量375Psi壓力下獲得的數(shù)據(jù)之中，通常情況下，所有202曲軸試樣，不管滾壓中壓力是否有區(qū)別,都被包括在達(dá)到97ksi疲勞極限的集合。等溫淬火202曲軸具有60ksi的疲勞極限見圖11,這個(gè)疲勞極限通常高于除等溫淬火熱處理之外任何其它球鐵報(bào)道。然而，高達(dá)75ksi的等溫淬火球鐵曾被報(bào)道過，并且本項(xiàng)目的疲勞試驗(yàn)結(jié)果及有效數(shù)據(jù)比較接近。如圖11所示，等溫淬火球鐵曲軸的深度圓角滾壓對疲勞極限有顯著影響，通過這個(gè)工藝，球鐵的疲勞極限高出1046鋼類（202曲軸）曲軸190％，正如表11中所看到的，在143強(qiáng)度極限下，經(jīng)過深度滾壓的等溫淬火球鐵曲軸和經(jīng)過感應(yīng)硬化的調(diào)質(zhì)鍛鋼曲軸相當(dāng)。金相檢驗(yàn)在本過程中經(jīng)過疲勞試驗(yàn)的曲軸節(jié)，用于金相評估。通常情況下，連桿圓角區(qū)域 在疲勞試驗(yàn)中應(yīng)力最大，容易產(chǎn)生裂紋，被切割用于金相檢驗(yàn)。303系列在圖12中（12倍放大系數(shù)），兩個(gè)302曲軸圓角區(qū)域的圖像，代表了本試驗(yàn)過程中典型的組織，基體中鐵素體、珠光體的比例和分布狀態(tài)是明顯的，石墨的形態(tài)發(fā)生了變化，球的半徑變大，數(shù)量減少（少于50個(gè)/mimO,圖13中（50倍放大系數(shù)），試棒中檢驗(yàn)區(qū)域中石墨形態(tài)和疲勞裂紋更加清晰，在未侵蝕區(qū)域，除所示的主要裂紋之外，大量的微觀裂紋也顯示出來，并且出現(xiàn)了相當(dāng)數(shù)量的象征晶界偏析的物質(zhì)。在303曲軸中，由于圓角滾壓所造成的表面變形并不十分明顯。如圖14、15所示，即使在高倍放大系數(shù)下，僅僅小量的珠光體變形能夠被觀察到，一些變形的跡象也可以看到，但非常零星。盡管跡象并不是決定性的，有一些跡象表明，差的球化對這些曲軸的疲勞性能有影響，這可以從表格9中看到。試樣517-4和D-4具有很好的組織，在95ksi的應(yīng)力下經(jīng)過107循環(huán)后失效，在同樣作用力下，組織差的樣件563和C-1在經(jīng)過2.3X106循環(huán)后失效?？傊?，發(fā)現(xiàn)303系列曲軸的微觀組織相當(dāng)不定，一般情況下，暗示存在相應(yīng)比較差的球鐵質(zhì)量。由于圓角滾壓而引起的表面變形的跡象不明顯。沿主要裂紋延伸著大量小的疲勞裂紋，裂紋的區(qū)域位于或接近圓角表面。202曲軸鑄件的微觀觀組織，表明此鑄件具有好的工業(yè)性能。所有的鑄件的組織包含類型1和類型2的石墨球占80%，球的數(shù)量較小，在50個(gè)/mm2的狀態(tài)，但對于這種利用鐵水包處理的大斷面鑄件來講是合理的。用于疲勞試驗(yàn)的鑄態(tài)圓角滾壓202曲軸，其典型的微觀組織見圖16和圖19，一個(gè)有關(guān)兩組202曲軸鑄件基體微觀組織的比較見圖15到圖18。如圖所示，第一組由S/N3代表，第二組由S/N27代表，兩者比較起來，前者含有更多的鐵素體，這種基體組織的變化反映在前面注意到的硬度的差別。對于第一組鑄件，由于圓角滾壓造成的曲軸表面變形更加明顯，原因是鐵素體含量更高一些，變形在圖16中被清晰地顯示。對于高鐵素體含量的曲軸，由于液壓造成的圓角表面的鐵素體滲透也更加明顯，在滲透量上典型的變化可以通過比較圖7和圖8看到。正如前面所注意到的，對于303系列曲軸，多數(shù)疲勞裂紋源是明顯的，裂紋的起源