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曲轴轴颈强化工艺介绍(二)

来源:曲轴轴颈强化工艺介绍(二)作者:李经理网址:
文章附图

曲轴时效分析

曲轴是高速运转并受循环应力作用的零件,曲轴断裂主要是循环加载造成的断裂,即疲劳断裂,其断裂过程与载荷循环次数有关。由于曲轴受多次循环应力和应变,局部产生渐进性永久变形,从而导致裂纹或完全断裂。局部性和渐进性是疲劳损伤和失效的两个特点,曲轴疲劳损伤通常发生在曲轴圆角和油口处,图1所示圆角处产生的裂纹形式。圆角处损伤逐渐积累、裂纹形成和逐渐扩散,在完全断裂前,整个曲轴在宏观上仍处于弹性变形阶段,疲劳失效常常没有明显的预兆,而是突发性的破坏。

   疲劳断裂过程分为四个阶段:循环变形损伤、疲劳裂纹形成、疲劳裂纹扩展,最终断裂。曲轴疲劳断裂属于高周疲劳,断裂发展过程分为三个区域:疲劳核心区(疲劳源)、疲劳裂纹扩展期、瞬时破断区。工件的表面粗糙度、表面组织结构以及应力状态等对疲劳寿命有重要影响。

曲轴强化的工艺

1)氮化

曲轴氮化包括气体软氮化、离子氮化和盐浴氮化等。氮化能将曲轴疲劳强度提高20%~60%,适用于各类曲轴。

2)喷丸

   曲轴经喷丸处理后能将疲劳强度提高20%~40%,但因喷丸时必须保护轴颈表面,故采用较少。

3)圆角与轴颈同时感应淬火

   该强化方式应用于球铁曲轴时,能将疲劳强度提高20%,而应用于钢轴时,则能提高100%以上,故在钢轴中应用比较普遍。

4)圆角滚压

由于国内只有少数厂家实现了曲轴圆角滚压强化工艺,且大多数采用的相关工艺设备是国外引进的,故无具体数据。根据统计资料:球铁曲轴经圆角滚压后寿命可提高80%~200%,钢轴经圆角滚压后寿命可提高70%~150%

曲轴圆角滚压强化工艺是提高曲轴疲劳强度最有效的手段之一,是实现曲轴“以铁代钢”的关键工艺。经圆角滚压后的曲轴产品,由于内部应力的重新分布,必然存在较大的物理变形,工艺过程加工参数如不加以优化,很容易造成批量的不合格品。因此解决曲轴变形问题是发挥曲轴圆角滚压工艺优势的关键。

曲轴圆角滚压强化原理

1)曲轴疲劳断裂的原因

曲轴在发动机中工作时承受很大的弯曲应力和扭转应力(下图),曲轴顶部受压力P时,曲轴两内侧圆角过渡处表现为拉应力,主轴圆角过渡处则为压应力。另外,曲轴还承受惯性力矩、输出扭矩和扭振力矩,受力情况十分复杂。

曲轴在工作承受交变载荷,圆角过渡处属于薄弱环节,尤其是主轴颈和连杆颈的过渡处更为严重。由于轴颈经过磨削加工后留下的刀痕引起的应力集中,再加之过渡圆角处本身就存在较强的应力集中,在长时间的循环后便会产生裂纹,最终发生疲劳断裂。

2)曲轴圆角的强化原理

曲轴的圆角滚压,就是利用滚轮的压力作用,在曲轴的主轴颈和连杆颈过渡圆角处形成一条滚压塑性变形带,这条塑性变形带有以下特点:

①产生了残余压应力,可与曲轴在工作时的拉应力抵消或部分抵消,从而提高疲劳强度。

②硬度提高,滚压使圆角处形成高硬度的致密层,使曲轴的机械强度和疲劳强度得到提高。

③表面粗糙度降低,圆角滚压可使圆角表面粗糙度达到Ra0.2以下,从而大大减小了圆角处的应力集中,提高了疲劳强度。

曲轴滚压力的分布

曲轴深度滚压时的力分布:

   

Fg=滚压单元力(N

Fr=滚轮力(N

R1=滚轮直径(mm

R2-工件半径(mm

r=滚轮圆角半径(mm

a=滚轮角度设置(deg