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应用有限元分析对氮化曲轴校直与微裂纹进行研究 摘要 l 3 0 0 0 氮化曲轴在可靠性试验中发生断裂，严重影响l 3 0 0 0 机型开发进 度，经对故障件失效分析，发现存在微裂纹，判断是校直造成。对于存在 微裂纹隐患的曲轴，无法通过探伤的方法挑选出来。除了l 3 0 0 0 曲轴外， 还有a 3 0 曲轴、b 3 0 曲轴等多个机型曲轴也采用氮化处理，而氮化处理后的 曲轴大部分都存在程度不等的变形，一直以来都是通过校直来消除变形。 曲轴是柴油机上的关键零件。对于那些采取校直的方法来消除氮化变 形的曲轴，若校直后产生微裂纹，在曲轴装机运转后，微裂纹将成为现成 的裂纹源，引起曲轴早期断裂失效。 曲轴经氮化处理后，有大量样件跳动量超标。因此，有必要对氮化曲 轴能否校直进行研究，进而为曲轴选择表面强化工艺提供决策参考。 本课题中，分别对l 3 0 0 0 、a 3 0 、b 3 0 曲轴实物进行校直试验。应用 a n s y s 5 6 2 软件，对曲轴校直的过程进行受力分析。取得了以下几方面成果： 1 、对氮化处理后跳动量超差的曲轴进行校直，当压下位移较小时，跳 动量未变化，不能校直；当压下位移较大时，跳动量变小，但是产生了微 裂纹； 2 、根据l 3 0 0 0 、h 3 0 和b 3 0 曲轴的c a d 设计图纸，应用a n s y s 软件进 行曲轴的实体模型建模、网格划分； 3 、模拟曲轴校直的过程，分别施加不同的位移载荷，经运算，得到应 力分布情况； 4 、曲轴校直过程受力分析的结果揭示了跳动量未变化或产生微裂纹的 原因： 当压下位移较小时，曲轴材料的应力没有达到屈服极限，曲轴不能发 生塑性变形，故跳动量未变化； 当压下位移较大时，曲轴材料的应力超过强度极限，故产生微裂纹。 关键词：有限元分析曲轴氮化校直微裂纹 s t u d yo ns t r alg h t e nin gn it rld e dc r a n k s h a f t s a n dmic r o c r a c k sb yf inlt ee l e m e n ta n a l y sis a b s t r a c t l 30 0 0n i t r i d e dc r a n k s h a f tw a sb r o k e ni nt h e r e l i a b i l i t yt e s t ，s e r i o u s l y a f f e c t i n gt h ep r o g r e s so ft h ed e v e l o p m e n to fm o d e l sl 30 0 0 b yt h ef a i l u r e a n a l y s i s ，i tw a sf o u n dt h a tt h e r ew e r em i c r o c r a c k si nt h ec r a n k s h a f t s ，w h i c h w e r ej u d g e d b e i n g c a u s e d b ys t r a i g h t e n i n g f o r t h e s ec r a n k s h a f t s ，t h e m i c r o - c r a c k sc o u l dn o tb es e l e c t e db yc r a c ki n s p e c t i o n i na d d i t i o nt ol 3 0 0 0 c r a n k s h a f t ，t h es u r f a c et r e a t m e n tm e t h o d so fa 30c r a n k s h a f ta n db 30c r a n k s h a f t a l s ow a sn i t r i d e d v a r i o u so fd e f o r m a t i o ne x i s t si nm o s to ft h e s ec r a n k s h a f t s ， w h i c hh a db e e ns t r a i g h t e n e dt or e d u c ed e f o r m a t i o n c r a n k s h a f t sa r et h ek e yp a r t so fd i e s e le n g i n e s f o rt h o s es t r a i g h t e n e d c r a n k s h a f t s ，i ft h e r ew e r em i c r o c r a c k s ，t h em i c r o c r a c k sw o u l db eas o u r c eo f r e a d y m a d ec r a c k ，e a r l yc a u s e dc r a n k s h a f tf r a c t u r ef a i l u r e f o rn i t r i d e dc r a n k s h a f t s ，t h er u n o u t so fa l a r g en u m b e ro fs a m p l e se x c e e d e d t h es t a n d a r d s o ，i ti sn e c e s s a r yt os t u d yw h e t h e ro rn o tc o n d u c ts t r a i g h t e n i n gt o n i t r i d e dc r a n k s h a f t s ，a n dt h e nc h o o s et h es u r f a c ef o rt h ec r a n k s h a f tt op r o v i d e e n h a n c e dd e c i s i o n - m a k i n gp r o c e s s i nt h i s p a p e r , l 30 0 0 ，a 3 0a n db 30c r a n k s h a f t sw e r ec a r r i e do u t s t r a i g h t e n i n gt e s tr e s p e c t i v e l y b ya p p l y i n ga n s y s 5 6 2s o f t w a r ea n dc a r r y i n g o ns t r e s sa n a l y s i so nt h ec r a n k s h a f ts t r a i g h t e n i n gp r o c e s s ，w ea c h i e v e dt h e f o l l o w i n g r e s u l t s ： 1 a f t e rt h ec r a n k s h a f tn i t r i d i n gt r e a t m e n t ，t h o s ec r a n k s h a f t sw i t he x c e s s i v e r u n o u tw e r ep e r f o r m e ds t r a i g h t e n i n g w h e nt h ep r e s s u r ed i s p l a c e m e n tw a s s m a l l ， t h er u n o u td i dn o tc h a n g e ，s t r a i g h t e n i n gw a su n a p p l i c a b l e ；w h e nt h ep r e s s u r e d i s p l a c e m e n tb e c a m el a r g e ，t h er u n o u tc h a n g e d ，h o w e v e r ，m i c r o c r a c k sw e r e g e n e r a t e d 2 a c c o r d i n g t ot h ec a dd e s i g n d r a w i n g so fl 3 0 0 0 ，a 3 0a n db 3 0 c r a n k s h a f t s ，w em o d e l e da n dg r i d d e dt h ec r a n k s h a f t sb ya n s y s 3 t h ep r o c e s so fc r a n k s h a f ts t r a i g h t e n i n gw a ss i m u l a t e da n dd i f f e r e n t p r e s s u r ed i s p l a c e m e n t sw e r el o a d e d b yc o m p u t i n g ，s t r e s sd i s t r i b u t i o nw a s o b m i n e d 4 t h er e s u l t so fs t r e s sa n a l y s i si nc r a n k s h a f ts t r a i g h t e n i n gp r o c e s sr e v e a l s t h er e a s o no fr u n o u td i dn o t c h a n g eo rt h ec a u s e so fm i c r o c r a c k s ： w h e nt h ep r e s s u r ed i s p l a c e m e n ts m a l l ，a st h es t r e s so fc r a n k s h a f tm a t e r i a l d i dn o tm e e tt h ey i e l dl i m i t ，p l a s t i cd e f o r m a t i o nc o u l dn o to c c u ri nc r a n k s h a f t s ， s o ，t h er u n o u td i dn o tc h a n g e w h e nt h ep r e s s u r ed i s p l a c e m e n tb e c a m el a r g e ，a st h es t r e s so fc r a n k s h a f t m a t e r i a le x c e e d e dt h es t r e n g t hl i m i t ，m i c r o c r a c k sw e r eg e n e r a t e d k e yw o r d s ：f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ；c r a n k s h a f t ；n i t r i d e d ；s t r a i g h t e n i n g ； m i c r o c r a c k s i i i 广西大学学位论文原创性声明和学位论文使用授权说明 学位论文原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相 关知识产权属广西大学所有。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究 成果，也不包含本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮 助的个人和集体，均已在论文中明确说明并致谢。 ：谚聋 矽。7 引腑曰 学位论文使用授权说明 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文的研究内容； 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本； 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 口即时发布 口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 施饬卸彳6 月订日 1 选题与研究的背景 第一章绪论 l 3 0 0 0 氮化曲轴在可靠性试验中发生断裂，严重影响l 3 0 0 0 机型开发进度。断裂曲 轴的全貌见图1 1 ，断裂面穿过连接第删主轴颈和第四连杆颈的曲柄臂。 图1 - 1 断裂曲轴的全貌 f i g u r e1 ip i c t u r eo f b r o k e nc r a n k s h a f t i 墨| 卜2 断日的形貌 f i g u r ei 一2f r a c t u r em o r p h o l o g y 图13 断口源区附近的裂纹 f i g u r el - 3 t h ec r a c k n e a rs o h e c er e g i o no f t h e f r a c t u r e 图卜2 是断口的形貌，源区位于第四土轴颈的过渡圆角处，裂纹扩展区可见疲劳弧 线。检测发现：第四主轴颈过渡圆角在断门源区附近处还残留有裂纹见图卜3 。经查， 该曲轴l 划氮化后跳动量超标而进行过校直。初步判断：曲轴经校直后，第四主轴颈过渡 圆角处已产生微裂纹；曲轴装机使用后微裂纹成为现成的裂纹源，并以疲劳裂纹的方 式进一步扩展。 进一步对未装机的新曲轴进行验证检验。 所选取的曲轴同样因氮化后跳动量超标丽进行过校直。从曲轴的第四主轴颈过渡圆 角处取样检测，发现此处表面存在微裂纹，见图卜4 。 图卜4 新曲轴第四主轴颈过渡圆角处的微裂纹 f i g u r e l 4 n e wc r a n k f o u r t hs p i n d l en e c k r o u n dh a v e m i c r o c r a c k 由此判断，氮化曲轴校直后存在微裂纹的隐患。 此后，尝试对曲轴进行探伤检查，但无法判定是否存在微裂纹，凶此无法通过探 伤的方法把存在馓裂纹隐患的曲轴挑选出来。 除了l 3 0 0 0 曲轴外，还有a 3 0 曲轴、b 3 0 曲轴等多个机型曲轴也采用氮化处理，而 氮化处理后的曲轴大部分都存在程度不等的变形，一直以来都是通过校直来消除变形。 因此，氮化曲轴能否校直是一个悬而未决、影响面很大的难题。 2 课题目的和意义 曲轴是柴油机上的关键零件在工作中，曲轴承受复杂的交变应力，容易引起瞌轴 堕查兰墨堡塑查兰堕鲨塞应用有限元分析对氮化曲轴校直与微裂纹进行研究 的扭转和弯曲变形甚至产生裂纹和断裂。对于那些采取校直的方法来消除氮化变形的曲 轴，若校直后产生微裂纹，在曲轴装机运转后，微裂纹将成为现成的裂纹源，引起曲轴 早期断裂失效。 曲轴经氮化处理后，每炉有6 0 跳动量超标，若不校直则直接报废，对公司来说， 是无法承受的巨大损失。而且，采用氮化曲轴的机型除了l 3 0 0 0 之外，还有a 3 0 、b 3 0 等多种机型。因此，有必要对氮化曲轴能否校直进行研究，进而为曲轴选择表面强化工 艺提供决策参考。 1 3 国内外的研究现状 1 3 1 目前国内外曲轴的材料选择、强化工艺 曲轴是柴油机上的关键零件，它的作用是将活塞一连杆的往复运动，转变成曲轴的 旋转运动，实现柴油机的功率输出i l l 。曲轴形状复杂，实际上是在长度方向上的交错分 布的多个主轴颈与连杆颈的连接体，刚度较弱。 曲轴的服役环境条件较差。在工作中，曲轴承受缸内气体作用力、往复作用力、旋 转惯性力、和摩擦力的周期性反复冲击，在曲轴的各个部位形成弯曲、扭转、剪切、拉 压等复杂的交变应力，容易引起曲轴的扭转和弯曲变形甚至产生裂纹和断裂。 现代柴油机曲轴，承受的爆发压力越来越高、旋转速度越来越快、输出功率越来越 大。为确保柴油机运转可靠，对制造曲轴的材料及强化技术的要求也在不断地完善【l 卫l 。 曲轴材料要求具有足够的强度、高的冲击韧性和疲劳强度。 目前车用曲轴采用三种类型毛坯：一种是球化石墨高强度的铸件，一种是电渣熔铸 的铸钢，还有一种是用热锻方法获得的钢锻件。 文献 2 指出，球墨铸铁曲轴具有强度较高、耐磨性好、缺口敏感性小，可进行合 金化和热处理等特点。球铁曲轴如果采用正火加氮化工艺，其疲劳强度比正火工艺曲轴 提高3 0 - - 5 0 。球铁曲轴如果采用圆角滚压加轴颈感应淬火工艺进行强化，其疲劳强度 可提高1 0 0 左右。应忠堂等人【2 】的试验研究表明，经圆角滚压强化的曲轴，其疲劳性能 比未经任何强化的提高l1 4 ，比氮化的提高约5 0 。 厂。堕缱工程硕士掌位论塞 应用有p 艮元分析对氮化曲轴枝直与微裂纹进行研究 金宏平1 3 1 研究了喷丸、圆角滚压、离子氮化、等温淬火、感应淬火等表面强化处理 对球铁曲轴疲劳寿命的影响，指出：对于不同型号、不同材质的球铁曲轴，采用不同的 处理方法，才能达到提高曲轴疲劳强度的目的。 电渣熔铸曲轴无需大型锻压设备，模具费用低、工期短、不受产品批量局限，化学 成分纯净，夹杂少、偏析小，且具有力学性能各向同性等优点。该工艺是在电渣重熔提 纯冶炼高级优质钢的基础上发展起来的，集冶炼与铸造为一体。它是在精炼提纯的同时 铸造出优质的零件毛坯的工艺【2 1 。 电渣熔铸曲轴经调质后，金相组织为回火索氏体加微量铁素体，其力学性能与锻钢 基本相同，但疲劳性能低于锻钢曲轴。文献 2 报道，在耐久试验中出现2 次曲轴断裂 现象。分析表明，曲轴连杆颈内侧存在疏松缺陷，裂纹从缺陷处起源而导致曲轴发生疲 劳断裂。 因此，该工艺要大批量用于车用柴油机曲轴尚需进行大量的试验研究，工艺要改进 完善，生产过程控制需自动化。目前仅用于单件小批大曲轴和小批量试制产品。 张向前【4 】指出目前我国缸径较大的曲轴都依赖进口，电渣熔铸是解决大功率曲轴毛 坯的一个可行方法，同时也指出电渣熔铸曲轴存在的一些问题：曲轴毛坯的成型过程中 会产生裂纹、热处理变形、结晶器使用寿命短，等。 目前，汽车制造业中，用热模锻方法获得的钢锻件，大多用于载重汽车和公共汽车 发动机上。与锻造曲轴比较，对同样的支承宽度，铸造曲轴支承面磨损较快，产生的噪 声级较高，轴部密封失效也较快。锻钢曲轴则可以降低发动机的噪声和振动，提高燃油 的经济性，发动机罩下的其他零件会更加紧凑f 5 】。 曲轴在使用过程中的主要失效方式有以下两种： a 疲劳断裂。疲劳源多数产生于轴颈与曲柄过渡的圆角处，随后往曲柄深处扩展造 成曲轴断裂；其次产生于轴颈中部的油道内壁，发展为曲柄处的断裂。 b 轴颈表面的严重磨损。曲轴材料的选择，首先要满足零件力学性能的要求，它取 决于发动机设计的强度水平，其次要考虑曲轴的耐磨性。 影响曲轴性能的因素中，除了材料因素外，还取决于热处理及其表面强化工艺、加 工精度和表面粗糙度等因素【2 1 。朱健康等人也指出【l 】：曲轴本体的材料、组织、性能不 是决定曲轴可靠性的唯一因素，有效的表层强化工艺与效果是提高曲轴弯曲疲劳性能和 4 堕查兰墨堡塑查堂堕鲨塞应用有限元分析对氮化曲轴校直与微裂纹进行研究 可靠性的关键。常采用的最终表层强化工艺有：气体氮化、气体软氮化、液体软氮化、 软氮化+ 圆角滚压、轴颈中频感应淬火+ 圆角滚压、轴颈及圆角中频感应淬火，等，都可 不同程度地提高曲轴的疲劳强度。 磨损和疲劳断裂是曲轴的主要破坏形式，裂纹源多发生于轴颈与曲臂的过渡圆角 处，因此曲轴的强化目的是为了提高曲轴的疲劳强度和耐磨性。曲轴在工作中承受交变 载荷，圆角过渡处属于薄弱环节，主轴颈和连杆颈的过渡处更为严重。如果机械加工不 当，润滑保养不好或柴油机运行受力不当，圆角部位的附加应力超过了界限值，就会在 此部位产生疲劳源，逐渐扩展形成裂纹，最终发生疲劳断裂i 6 1 。 朱华明等人认为，曲轴表面强化处理主要是通过对曲轴圆角的强化来提高曲轴的疲 劳强度【7 1 。 朱健康等人【1 1 对几种调质及非调质结构钢曲轴的弯曲疲劳强度进行了研究，结果表 明：通过不同表面强化方法处理后，非调质钢可以具有很高的弯曲疲劳强度，而多种表 面强化工艺中，圆角淬火具有最高的疲劳强度。 文献 8 的研究表明，锻钢曲轴轴颈圆角经感应加热淬火，疲劳强度提高3 0 - - 5 0 。 1 3 2 氮化曲轴及其研究现状 离子渗氮原理 9 , 1 0 , 1 1 l ： 离子渗氮法是将待处理的零件放在真空容器中，并充以1 3 0 - - - 1 3 3 0 p a 低压含氮气体， 以零件作为阴极，真空容器的金属罩壁作为阳极。当在阴阳极之间加上数百伏直流电压 时，两极问的稀薄气体被电离，从而产生辉光放电。正离子在电场的加速下射向阴极， 并在阴极位降区内多次和中性气体粒子碰撞，使中性粒子具有与离子相近的能量到达零 件表面。离子和高能中性粒子与阴极表面相撞后，一部分动能使零件加热到所需要的渗 氮温度。高能粒子向领奖表面轰击时，由于机械和蒸发的原因，使零件表面某些铁原子 脱离基体飞溅出来，这就是所谓“阴极溅射”。被溅射出来的铁原子可能在紧靠工作表 面的区域内和那里的活性很强的氮原子结合形成中性的氮化铁( f e n ) 分子，因凝附作用 又重新沉积到零件表面。在渗氮温度下，凝附着的f e n 是不稳定的，迅速分解为含氮较 低的f e ：n 、f e ，n 和f e 。n 各级氮化物并放出氮原子。一部分氮通过扩散而进入零件表 面形成氮化层，另一部分再次返回等离子区。 离子渗氮特点 9 , 1 0 , 1 1 , 1 2 , 1 3 , 1 4 , 1 5 ： 5 亘盔兰墨堡塑查兰堕鲨茎垒用有限元分桓壁墼垡堕塑垫皇与微裂纹进行研究 离子渗氮法和传统的气体渗氮相比具有渗氮速度快，渗氮层组织容易控制、脆性小， 渗氮前不需任何去钝处理，容易实现局部渗氮，节约能源、成本低，没有污染等优点。 离子渗氮是目前工业上应用最广最成熟的离子热处理工艺，该工艺易通过调整工艺 参数( 电压电流炉内气体压强温度时间和工作气体成分等) 可获得纯扩散层单相( y ， 或相) 化合物层等 6 , 1 7 1 。 文献 1 8 ，1 9 对渗氮机理、渗氮层结构进行了研究。 氮化处理的曲轴，其氮化层很薄，一般不留磨量，要求严格控制其变形。 在生产实践中，由于曲轴较长，自身重量较大，再加上曲轴的“曲折性 ，因此刚 性较差。在加工过程中容易产生挠性弯曲，导致加工时径向跳动超差。 对于渗氮处理的曲轴而言，渗氮过程中长时间高温作用下，由于曲轴连杆轴颈和曲 臂的结构不对称性、冷热加工应力等复杂因素的作用，也易产生弯曲变形，导致曲轴径 向圆跳动超差【2 0 1 。 渗氮件往往都有较高的变形要求，对曲轴气体渗氮过程中的畸变是指曲轴尺寸的涨 大及曲轴形状的变化f 2 。 正因为如此，研究如何控制和减小曲轴的径向跳动误差是深受关注的问题。 文献 2 2 、2 3 、2 4 、2 5 、2 6 系统研究了引起渗氮变形的影响因素、一般规律，提出 了控制和防止渗氮件变形的方法。 姚新等人2 刀研究了支撑方式对曲轴渗氮过程畸变影响的有限元分析，主要是采用有 限元模拟分析，找出最佳的支撑方法装炉来控制曲轴的渗氮变形。 高一新等人1 研究采用渗氮前在连杆轴颈处加v 型锲铁预校正法，控制曲轴渗氮变 形。生产中对于由于计算误差及v 型铁松动或校偏等原因造成一次渗氮变形不合格的曲 轴，常采用二次、三次重新装炉在弱渗氮气氛下热校正的办法返修，高一新等人【2 0 1 研 究了多次渗氮矫直法，研究结果表明：对于渗氮弯曲变形不合格的曲轴采用多次渗氮矫 直，既满足了变形要求，又不影响渗氮效果，是一种有效的补救措施。 张翔等人2 9 1 对斯太尔曲轴大修重磨后离子氮化强化和变形控制进行了研究，通过采 用专用的吊具，可使曲轴轴线跳动量满足曲轴安装使用要求。 张龙兵等人f 3 0 】对某中等缸径高速柴油机钢质曲轴断裂进行了分析研究，发现：曲轴 6 广西盔堂工程硕鸯掌位论文应用有p 良元分析对氮化曲轴校直与微裂纹进i 亍研究 连杆颈过渡圆角处发生断裂的主要原因是因渗氮校正工艺不当，造成过渡圆角处存在显 微裂纹。指出，应考虑先进行校直去应力，再进行渗氮处理，同时，不允许曲轴氮化后 进行校直，防止曲轴产生微裂纹。 1 3 3 国内外对曲轴校直的研究现状 校直时，将要校直的轴置于专用设备上，需校直部分两端支承，弧形向上，在中点 施加向下的集中力，这种方法称为压点式反弯校直。 校直理论中，金属变形超过弹性变形的极限之后，变形进入塑性阶段。在这个阶段， 不管变形量如何增加，其弹复能力不再增加，或者有较少的增加，同时出现永久变形。 因此准确地说，这个阶段应属于弹塑性变形阶段。轴类零件的校直属于弹塑性变形阶段。 由于弹性变形是可逆的，塑性变形是不可逆的，所以弹塑性弯曲后必然有一部分变形得 到恢复，另一部分变形被残留下来3 。校直的目的就是要使残留变形量与初始变形量相 扫蟹 守。 文献 3 2 指出，冷校直会造成不希望有的拉应力。文献 3 3 指出，弯曲、矫直一类 的加工工艺产生晶粒变形、严重的局部加工硬化区和裂纹。 文献 3 4 指出随着有限元技术和有限元软件的不断完善和成熟，以及有限元方法在 各种领域的广泛和成功应用，校直工艺的有限元计算不仅可行，而且计算结果能够达到 较高精度。有限元计算的方法技术成熟、应用广泛，能对不同形状甚至不规则形状的零 件进行校直行程的计算，计算结果的精度主要取决于输入参数的准确性。 目前，a n s y s 大型通用有限元软件因其应用领域广泛、功能强大、兼容性好、使用 方便、计算速度快等优点，而得到越来越广泛的应用。 一些学者 3 5 3 7 从弹塑性力学的理论基础出发，进行一定的假设和简化，推导建 立了一些计算矫直行程的数学模型，能够达到一定的计算精度。 矫直行程因工件的几何结构、材料性能等因素的不同而不同，因而不管是经验数据 库还是经验公式的建立都比较困难，适用的工件种类有限，应用范围受到限制 3 8 1 。 采用有限元方法建立矫直过程的载荷一挠度模型，再应用该模型进行矫直行程的计 算，解决了有限元方法在自动矫直机上的应用问题【3 8 】。 李骏等人f 3 8 1 利用a n s y s 软件的材料非线性分析方法对零件的校直行程进行了计算 和研究，发现计算结果和实验数据吻合较好。 7 广西大掌工程硕士掌位论文应用有p 艮元分析对氮化曲轴校直与微裂纹进行研究 文献 3 9 针对压力校直的反弯过程进行了弹塑性力学分析。 矫直工艺理论研究的关键是对压下量的分析与计算，这是个弹塑性问题，因而属于 非线性范畴 3 7 1 。钦明浩等人【3 7 1 分别用非线性有限元法与弹塑性理论解决这类问题。认 为采用非线性有限元程序求解压下量，其精度相对较高，应用范围更广，可适用于大批 量矫直生产。 合肥工业大学在手动压力校直机设计的基础上对轴类零件全自动校直设计技术进 行了比较广泛和深入的研究【4 0 1 ，立足校直设计的弹塑性理论f 4 1 1 ，首次引入了有限元算 法m l ，提出了轴类零件全自动校直技术设计理论和计算方法。文献 4 0 认为，这些理 论和计算方法对初始变形小的零件具有较高精度，而对初始变形较大的零件则有一定的 误差【4 2 1 ，分析其误差原因除了材料的力学特性变化之外，另原因是采用了卸载定理， 即假设校直的加载、卸载过程符合直线规律，这对直梁模型是适用的。而实际中总是在 微曲的曲梁上进行加载和卸载。对于曲梁，卸载时外加弯矩与弹复量是非线性关系，用 上述理论的计算结果对初始挠度小的梁，误差较小，对初始挠度较大的梁则误差较大。 文献 4 3 用弹塑性弯曲变形理论对圆截面轴矫直的过程进行了分析，给出了压下量 的计算公式，通过编程并结合实例进行了压下量的计算，得到的结果与实验数据进行比 较，误差在一定范围内，表明方法是可行的。 由于在实际生产中压下某一弯曲位置会对其他弯曲位置有很大的影响，造成反复多 次下压，工作效率受影响，不能适应大批量生产的要求，也不能满足对校直精度越来越 高的要求。文献 4 4 针对这一问题，运用空间几何和轴变形理论作为基础来研究对弯越 轴类零件校直时确定校直预留量的计算方法，达到一次或者仅用几次校直使零件满足精 度要求。 李骏4 5 1 通过对校直过程数学模型的简化和推导，对校直修正量计算公式给出了合 理的理论解释，为研制我国具有自主知识产权的全自动校直机提供了技术支持。有限元 实例计算证明了理论分析的正确性和实用性。 广西大掌工程硕士学位论文应用有限元分析蹿熟传堕地垫直与微裂纹进行研究 1 4 论文研究的主要内容 本文将开展两方面问题的研究。 1 分别对l 3 0 0 0 、a 3 0 、b 3 0 曲轴实物进行校直试验，然后取样检测，检查曲轴表面 氮化层是否产生微裂纹。 先测量氮化后校直前曲轴的跳动量足j l r , 动方向，然后按不同的压下量进行校直； 对校直后的曲轴分别取样，按要求制各样品； 用扫描电镜对各个样品进行观察，检查曲轴表面氮化层是否产生微裂纹。 2 运用a n s y s 5 6 2 分别对l 3 0 0 0 曲轴、a 3 0 曲轴、b 3 0 曲轴校直的过程进行受力 分析。设计步骤简单概括如下： 根据l 3 0 0 0 曲轴、, 4 3 0 曲轴、b 3 0 曲轴的c a d 设计图纸，应用a n s y s 软件进行 曲轴的实体模型建模； 对已经完成建模的曲轴模型进行网格的划分； 建立支承主轴颈处轴瓦以及第四档主轴颈( l 3 0 0 0 曲轴和a 3 0 曲轴) 或第三档主轴 颈( b 3 0 曲轴) 处压块，并在轴瓦以及压块与主轴颈的接触处创建接触单元； 在曲轴两端加上特定的约束，在压块上面施加相应的位移载荷； 设置相关参数； 保存数据，进行运算； 结果分析，得出结论。 9 堕查兰墨堡塑堂篁鲨壅应用有限元分析对氮化曲轴校直与微裂纹进行研究 2 1 压力校直【3 4 1 第二章校直理论基础 根据是否加热，可将校直分为热校直和冷校直。最常用的冷校直方法是压力校直， 压力校直是以外加静载荷使之产生反向变形以达到校直的一种方法。实施压力校直时， 在工件两端支撑，中间加压，所以又称为三点反弯式校直。 图2 - 1 压力校直示意图 f i g u r e2 - 1s c h e m a t i cd i a g r a mo f t h ep r e s s u r es t r a i g h t e n i n g 图2 1 是压力校直的示意图：假设工件原来的变形量为6 。，进行校直时，在工件两 端支撑，从中间加压；校直过程中，需使工件发生塑性变形，并弯向相反的一侧，所产 生的反弯变形量为6 。；在压力撤去之后，弹性变形部分得以恢复，而塑性变形部分则被 残留下来，如果弹性变形量与反弯变形量6 。相等，那么，就能达到校直工件的目的，在 这种情况下，总压下量6 z = 6 0 + 6 ，。 2 2 校直工艺主要参数 2 2 1 压点的确定及支点布置 i o r - 西大学工程硕士掌位论文应用有p 艮元分析对氮化曲轴校直与微裂纹进行研究 文献 3 4 指出，应选择工件的最大弯曲挠度处作为压点位置。为此，需根据具体的 工件，选择合适的方法来检测工件的最大弯曲点及弯曲方向。 根据文献 4 6 的研究成果，校直时支点应尽量对称分布于压点两侧。 2 2 2 压下量计算 在压点和支点的位置都确定之后，将要进行的就是校直下压量的计算。因下压量的 计算结果直接影响校直精度，所以下压量的计算是校直理论中最为关键的技术，也是最 困难的部分。 对压下量的计算，有以下几方面的方法： 基于弹塑性理论的计算，如：文献 3 9 就针对压力校直的反弯过程进行了弹塑性力 学分析； 基于有限元的计算，如：李骏等人1 4 0 i3 8 5 u 用a n s y s 软件对工件的校直行程所进行的 计算； 基于经验公式的计算，如：文献 4 7 在这方面所进行的研究。 2 3 校直方法的选择 2 3 1 机械校直法 文献 4 8 指出，采用机械校：直法对曲轴进行校直存在这样的问题：曲轴虽然被校直 了，但使用后，在各种应力的综合作用下，弯曲会发生反弹。 2 3 2 加热一机械校直法f 4 8 1 这是一种在加热工件的情况下进行机械校直的方法，加热的温度低于工件材料的相 变温度，相当于低温退火，起到消除校直过程的应力的作用，从而避免工件在使用过程 中重新产生变形。 2 3 3 曲轴的滚压、校直技术【4 9 j 曲轴的滚压、校直工艺是八十年代术才发展起来的一种新技术，九十年代开始在汽 车行业中的一些大型企业逐步获得应用。曲轴( 拐) 圆角滚压强化具有成本低、效率高和 强化效果显著的优点，因而在汽车发动机曲轴加工中得到日益广泛的应用。 曲轴的滚压校直技术是对曲铀圆角滚压强化工艺的补充和完善，需通过一台高效专 广西大掌工程硕士学位论文 应用有限元坌堑壁墼垡堕塑墼皇皇堕墼堕整塑堡塞 用设备中来实现。它首先对工件实施圆角滚压强化，然后通过在线检测，获得曲轴的变 形规律。再针对被校工件变形的具体情况，在计算机专家系统指导下，用适当的压力对 工件的某些部位( 圆角处) 进行滚压，使工件产生与原变形方向相反的变形，从而达到校 直的目的。显然，滚压校直技术不但具有生产效率高的优点，而且还能使工件上被校的 部位得以强化，进而提高曲轴的强度。 1 2 广西大学工程硕士掌位论文应用有p 良元分析对氮化曲轴校直与微裂纹进行研究 第三章有限元法及a n s y s 概述 3 1 有限元法的基本概念 a n s y s 软件的数值运算模拟方法主要是运用有限单元法。有限元法是建立在固体流 动变分原理基础之上的，其基本思想是把连续的几何机构离散成有限个单元，并在每一 个单元中设定有限个节点，从而将连续体看作仅在节点处相连接的一组单元的集合体， 单元内部的待求量可由单元节点量通过选定的函数关系插值得到。其次给定边界条件、 载荷和材料特性，再者求解线性或非线性方程组，得到位移、应力、应变、内力等结果， 最后在计算机上，使用图形技术显示计算结果。 3 2 有限元法及a n s y s 软件简介 有限单元法( t h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) 是随着计算机的高速发展和数值分析在 工程中的作用日益增长而发展起来的一种实用有效的数值方法。这种方法首先在固体力 学范畴而后在工程技术的各个领域得到广泛地应用。 自5 0 年代起，随着计算机的应用，有限单元法作为一种数值分析的工具，借助于 高速计算机的配合，使得像求解偏微分方程精确解析解这样难以处理的工程技术问题， 都可以得到一个近似的计算机解。因此，有限元方法引起了工程设计者和许多领域的科 学研究者的高度重视。目前，有限元法己经被认为是一种有效的数值分析方法，而被广 泛地应用于固体力学、流体力学、热传导以及电磁学等连续介质和场问题领域。在机械 设计中，d , n 齿轮、轴等通用的零部件，大到机床、汽车、飞机等复杂结构件的应力和 应变分析( 包括热应力和热应变分析) ，采用有限元法计算，都可以获得一个足够精确的 近似解来满足工程实际的需要。 有限元法已经成为现代设计的种有利工具，其发展趋势表现在：第一，有限元法 广西大掌工程硕士学位论文应用有p 良元分析对氮化曲轴校直与微裂纹进 亍研究 正向纵深方向发展，非线性问题和瞬态问题的有限元解法还有许多的工作要做；第二， 从工程实用角度来看，有限元软件的发展向着实用方法更有效、更简洁、更广泛、更方 便、规模更庞大、解决能力更全面的方向发展；第三，有限元法正在探索研究的混合法 和杂交单元，即位移与应力法相结合，以及有限元法与边界元法联合运用的发展前景。 此外，在机械领域科学研究者和工程设计者正日益强烈地把有限元程序与疲劳损伤寿命 估算相结合起来。在多体动力学的研究方面有限元法也发挥重要作用。 a n s y s 大型通用有限元软件的应用领域广泛、功能强大、兼容性好、使用方便、计 算速度快，所以在工程上广泛运用。 41 曲轴模型的建立 第四章模型的建立 一、l 3 0 0 0 六缸柴油机曲轴； l 3 0 0 0 六缸柴油机曲轴设计图纸如图4 - 1 所示。 d h 栅啪一 ) 7h 业h 、必h 必h 业h 铷 图4 - 1l 3 0 0 0 曲轴设计图纸 f i g u r e4 - il 3 0 0 0c r a n k s h a f 【d e s i g n d r a w i n g s 根据图纸，通过a n s y s 软件建立模型l 3 0 0 0 曲轴的三维模型图见图4 - 2 图42l 3 0 0 0 曲轴三维模型 f i g u r e4 - 2t h r e e - d i m e n s i o n a lm o d e lo f l 3 0 0 0c r a n k s h a f ( 对模型进行划分网格，曲轴的有限元模型见图43 图43l 3 0 0 0 曲轴的有限元模型 f i g u r e 4 - 3f i n i t ee l e m e n t m o d e lo f l 3 0 0 0c r a z l k s h a f a 3 0 六缸柴油机曲轴 a 3 0 六缸柴油机曲轴设计图纸如图4 - 4 所示。 根据图纸，通过a n s y s 软件建立模型，a 3 0 曲轴的三维模型如图4 - 5 所示。 对模型进行划分网格，曲轴的有限元模型见图46 。 悟间 图44a 3 0 曲轴设计图纸 f i g u r e4 - 4 a 3 0c r a n k s h a f td e s i g n d r a w i n g s 图45a 3 0 曲轴三维模型 f i g u r e 4 - 5 t h t e e _ d i m e n s i o n a l m o d e lo f a 3 0e m n k s h a r 图4 - 6a 3 0 曲轴的有限元模型 f i g u r e 4 q 5f i n i t ee l e m e n t m o d e lo f a 3 0e r 加k s h a f t 三、b 3 0 四缸柴油机曲轴 b 3 0 四缸柴油机曲轴设计图纸如陶47 所示。 根据图纸，通过a n s y s 软件建立模型，b 3 0 曲轴的三维模型如图4 - 8 所示 对模型进行划分网格，曲轴的有限元模型见图4 - 9 。 一 | e 啦 图47b 3 0 曲轴设计图纸 f i g u r e4 - 7 8 3 0c r a n k s h a rd e s i g nd r a w i n g s | 芏| 4 - 8b 3 0 曲轴三维模型 f i g u r e 4 - 8 t h r e e - d i m e n s i o n a l m o d e lo f b 3 0e r a n k s h a t = l 图4 - 9b 3 0 曲轴的有限兀模型 f i g u r e4 - 9f i n i t ee l e m e n t m o d e lo f b 3 0c r a n k s h a f t 广西大掌工程硕士掌位论文臣r e i e i 有p 艮元分析对氮化曲轴校直与微裂纹进行研究 4 2 建立支承轴瓦以及主轴颈压块 对于六缸柴油机曲轴( 包括l 3 0 0 0 曲轴和a 3 0 曲轴) ，校直时的支撑部位分别是第 一档主轴颈、第七档主轴颈，施加压力部位则是第四档主轴颈，示意图如图4 1 0 所示。 对于四缸柴油机曲轴，校直时的支撑部位分别是第一档主轴颈、第五档主轴颈，施 加压力部位则是第三档主轴颈，示意图如图4 1 1 所示。 图4 1 0 六缸柴油机曲轴校直示意图 f i g u r e4 10s i x - c y l i n d e rd i e s e le n g i n ec r a n k s h a t ts t r a i g h t e n i n gd i a g r a m 图4 1 1 四缸柴油机曲轴校直示意图 f i g u r e4 - 11f o u r c y l i n d e rd i e s e le n g i n ec r a n k s h a f ts t r a i g h t e n i n gd i a g r a m 1 9 根据校直的需要，颁在第四档主轴颈( 缸柴油机曲轴) 或第三档主轴颈( 四缸柴 油机曲轴) 处加载作用于定面积的载荷，所以要在加载载荷的地方建立一个压块，并 且要在第一主轴颈以及第七主轴颈处( 对于六缸柴油机曲轴) 或第五主轴颈处( 对于四 缸柴油机曲轴) 分别建立支承轴瓦以约束曲轴，轴瓦以及压块的尺寸数据分别见袁4 1 和表4 2 ： 表4 1 校直机压块与主轴颈接触面积 压块宽度压块与士轴颈接触的面积 ( m m )圆弧段长度( 肿)( m m 2 ) 2 39 1 0 2 0 7 2 3 0 表4 2 支承轴瓦与主轴颈接触面积 轴瓦宽度l主轴颈直径d支承面积= l d 2 ( m m ) ( m m )( m m 2 ) l 3 0 0 0 曲轴 2 68 73 5 5 3 a 3 0 曲轴 2 68 73 5 5 3 1 3 3 0 曲轴 2 82 8 56 53 7 9 4 圈豳 图4 1 2 轴瓦 f i g u r e4 1 2b e a r i n g 名 遗 除 翻 甚 露伊矽 图4 1 3 压块 f i g u r e4 1 3p r e s s b l o c k 图4 一1 4 接触单元 f i g u r e4 - 1 4 c o n t a c te l e m e n t m 二| 二电脑的识别能力所限，以运动副接触的两个实体之间不能直接传递力，为使电 脑识j j | j ：i 加存一实体模 上的载荷能传递到兄一个实体模型，必须要在两实体模型的运 广西大掌工程硕士掌位论文 应用有p 艮元分析对氮化曲轴校直与微裂纹进 亍a t # i - 究 动接触面即两运动副之间建立一个接触单元。所谓接触单元就是把两个体的接触面连接 在一起，形成一个传递力的通道。本设计左右两端和第四档( 对l 3 0 0 0 曲轴和a 3 0 曲 轴而言) 或第三档( 对b 3 0 曲轴而言) 的