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曲轴圆角滚压的有限元模拟和试验研究 摘要 曲轴圆角滚压工艺广泛应用于当今汽车发动机制造工业，是不可或缺的曲轴表面强 化技术之一，但其工艺参数中最为重要的滚压力的确定仍主要采用传统的工艺试验方 法，周期长，成本高，不利于在实际工程中应用。为了提高效率，降低成本，本文以滚 压力为研究对象，采用计算机有限元模拟和传统工艺试验相结合，探索一条更为贴近生 产实际应用的滚压力选取方案。 通过对4 g 1 曲轴圆角滚压工艺进行有限元模拟，明确滚压力、滚压圈数和曲轴回转 速度三个工艺参数对曲轴圆角滚压的影响。重点研究了在不同滚压力下的残余应力和滚 压变形量的变化趋势，建立残余应力与滚压变形之间的对应关系。求解出满足4 g 1 曲轴 圆角滚压设计要求的最小滚压变形量，并且结合实际经验，在保证足够安全裕度和适当 加工成本的前提下，确定了目标滚压变形量。以滚压变形量为桥梁，在滚压工艺试验过 程中对滚压后的残余应力进行预测，为滚压力的选取提供依据。 通过曲轴圆角滚压工艺试验，确定滚压力与滚压变形量之间的实际对应关系，对有 限元模拟的结果进行确认。依据目标滚压变形量，结合滚压工艺试验的结果，初步选取 滚压力。按照选定的滚压力进行试加工，确认实际滚压变形量是否满足4 g 1 曲轴最小滚 压变形量要求，对初选的滚压力进行验证。 通过对试生产曲轴进行弯曲疲劳试验，确定曲轴的弯曲疲劳极限，评价滚压力选取 的合理性，最终确定4 g 1 曲轴圆角滚压的工艺参数。 通过有限元模拟和工艺试验相结合的方法进行曲轴圆角滚压力选取，可以比较有效 的减少工艺试验和疲劳试验的重复次数，缩短周期，降低成本，基本解决了曲轴圆角滚 压力选取困难的问题。 关键词：曲轴；圆角滚压；滚压力；有限元模拟； 哈尔滨工程大学工程硕士学位论文 曲轴圆角滚压的有限元模拟和试验研究 a b s t r a c t c r a n k s h a f tf i l l e t r o l l i n gt e c h n i q u e i s w i d e l y u s e di n t o d a y s a u t o m o b i l e e n g i n e m a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y i ti s o n eo ft h e i n d i s p e n s a b l ec r a n k s h a f ts u r f a c ee n h a n c e m e n t t e c h n o l o g y , b u tt h er o l l i n gf o r c ew h i c hi st h em o s ti m p o r t a n tp r o c e s sp a r a m e t e r , i sm a i n l y d e t e r m i n e db yt r a d i t i o n a lp r o c e s st e s t i n g t h i sm e t h o di sn o tc o n d u c t i v et ot h ea p p l i c a t i o no f p r a c t i c a le n g i n e e r i n gb e c a u s eo f t h eh i g hc o s ta n dt h el o n gt e s t i n gp e r i o d i no r d e rt oi m p r o v e e f f i c i e n c ya n d r e d u c ec o s t ，t h i sa r t i c l es t u d yo nr o l l i n gf o r c e ，c o m b i n ec o m p u t e rf i n i t ee l e m e n t s i m u l a t i o nw i t ht r a d i t i o n a lt e c h n i q u et e s t i n gt of i n dar o l l i n gf o r c es e l e c t i o np l a nw h i c hi s c l o s e rt ot h ea p p l i c a t i o no fp r a c t i c a le n g i n e e r i n g d e f i n i t er o l l i n gf o r c e ，r o l l i n gl a p sa n dc r a n k s h a f tr o t a t i o ns p e e do nt h ei n f l u e n c eo f c r a n k s h a f tf i l l e tr o l l i n gt h r o u g hf i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o no n4 g1c r a n k s h a f tf i l l e tr o l l i n g p r o c e s s s t u d yf o c u s e so nt h ev a r i a t i o nt r e n do ft h er e s i d u a l s t r e s sa n dr o l l i n gd e f o r m a t i o n u n d e rd i f f e r e n tr o l l i n gf o r c e ，a n db u i l d st h ec o r r e s p o n d e n c er e l a t i o n s h i pb e t w e e nr e s i d u a l s t r e s sa n dr o l l i n gd i s t o r t i o n f i n dt h em i n i m u mr o l l i n gd e f o r m a t i o nt om e e tt h e4 g1 c r a n k s h a f tf i l l e tr o l l i n gd e s i g nr e q u i r e m e n t s ，a n dc o m b i n e dw i t ht h ep r a c t i c a le x p e r i e n c e ， d e f i n i t et h et a r g e tr o l l i n gd e f o r m a t i o nu n d e rt h ec o n d i t i o nt h a te n s u r ea d e q u a t em a r g i no f s a f e t ya n dw e l lp r o d u c tc o s t s t h er e s i d u a l s t r e s sa f t e rr o l l i n gc a nb ep r e d i c t e dd u r i n gt h e r o l l i n gp r o c e s st e s t i n gw h i c ht a k er o l l i n gd e f o r m a t i o na sab r i d g e ，p r o v i d et h em e t h o do n r o l l i n gf o r c es e l e c t i o n t od e t e r m i n et h ea c t u a lc o r r e s p o n d i n gr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h er o l l i n gf o r c ea n dr o l l i n g d e f o r m a t i o nt h r o u g ht h et e s to nc r a n k s h a f tf i l l e tr o l l i n g ，a n dt oc o n f i r mt h er e s u l t so ff i n i t e e l e m e n ts i m u l a t i o n i n i t i a ld e f i n i t et h er o l l i n gf o r c ea c c o r d i n gt ot a r g e tr o l l i n gd e f o r m a t i o n ， a n dc o m b i n ew i t hr o l l i n gt e s t i n gr e s u l t c a r r yo u tp i l o tp r o d u c t i o nw i t hs e l e c t e dr o l l i n gf o r c e ， m a k es u r et h ea c t u a ld e f o r m a t i o nm e e tt h e4 g1c r a n k s h a f t sr e q u e s to rn o to nm i n i m u m r o l l i n gd e f o r m a t i o n t om a k es u r et h ef a t i g u el i m i to ft h ec r a n k s h a f tt h r o u g hb e n d i n gf a t i g u et e s t i n go np i l o t p r o d u c t i o nc r a n k s h a f t ，e v a l u a t et h er a t i o n a l i t yo nr o l l i n gf o r c es e l e c t i o n ，a n dc o m p l e t et h e p r o c e s s e sp a r a m e t e r ss e l e c t i o no nf i l l e tr o l l i n go f4 g 1c r a n k s h a f t c o m p l e t i n gt h ef i l l e tr o l l i n gp a r a m e t e r ss e l e c t i o nw i t hf i n i t ee l e m e n t s i m u l a t i o na n d p r o c e s st e s t ，c o u l db em o r ee f f e c t i v et os h o r t e nt h ep r o c e s st e s t i n ga n df a t i g u et e s t i n gr e p e a t 哈尔滨工程大学工程硕士学位论文 c o u n t ，c y c l e 。t i m er e d u c t i o na n dc o s tr e d u c t i o n ，i ti sb a s i c a l l ys o l v e dt h ep r o b l e mt h a th a r dt o m a k es e l e c t i o no nc r a n k s h a f tf i l l e tr o l l i n gf o r c e k e yw o r d s ：c r a n k s h a f t ；f i l l e tr o l l i n g ；r o l l i n gf o r c e ；f i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o n 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 研究课题的提出及其意义 中国制造工业的发展日新月异，作为二十一世纪中国十大支柱产业之一的汽车制造 业的发展更为蓬勃快速，截止2 0 1 0 年，中国汽车产销量已经突破1 8 0 0 万辆，成为世界第 一消费大国。伴随着汽车行业的快速成长，中国的汽车产业政策紧随着世界汽车工业 的脉搏不断的进行调整，更为严格的油耗法规和排放标准的实施，对汽车制造技术，尤 其是对汽车发动机的制造技术提出了更高的要求。目前中国的油耗法规已经推行到第三 阶段，如此严格的油耗法规，大幅的增加了汽车的设计、生产、制造难度。发动机是影 响整车油耗的核心部件之一，传统的自然吸气发动机已经很难满足现阶段的油耗要求， 越来越多的发动机应用了涡轮增压技术来降低整机的综合燃油消耗率，从而需对发动机 不断进行强化以对应整机的升功率提升。作为发动机的主要零件，曲轴极大影响整机的 使用寿命，是发动机制造行业的主要研究对象之一。 曲轴被称为“生命之轴”，可见其对发动机的重要性。曲轴承担着整个动力总成的 动力转换、传递和输出的工作使命，处于极为恶劣的工作环境之下，一旦曲轴发生断裂 等失效问题，将会造成发动机整机功能失效，严重情况下，甚至影响整车的安全性能。 在发动机运转的每一个工作循环中，都有来自于气缸的爆发压力、活塞和连杆等运动部 件的惯性力、输出端的回转力矩等载荷作用其上，这些交变载荷非常复杂，致使曲轴要 具有良好的刚度和足够疲劳强度。由于发动机技术的进步，逐渐趋向于小型轻量化和大 功率，这就进一步对曲轴的疲劳强度提出了更高的要求，急需对曲轴在有限的空间尺寸 要求下进行强化。 当前，主要通过改进结构设计、选用合理的材料和进行工艺强化等三种途径对曲轴 疲劳强度进行改善和加强【2 1 。近年来，随着计算机运算能力的快速提升，商用有限元软 件的成熟应用，能够更为精确的对曲轴进行动态的应力分析，为曲轴结构设计提供了更 为有利的保障，同时也使曲轴在结构优化方面的潜力越来越小，另外，整机设计小型轻 量化的要求，也为曲轴的结构尺寸优化带来了较大的限制。在曲轴材料应用方面，目前 的发动机制造行业已经比较成熟，主要有锻钢和铸铁两种，同时也不断有新材料投入使 用，如调质钢等，但随着材料品质的提升，必然会带来更大的成本压力，使性能更为出 色的材料的使用受到了一定程度的阻碍。因此，通过一定的强化工艺手段来提升曲轴的 疲劳强度，正逐渐成为进一步提升曲轴抗疲劳能力的主要手段。 哈尔滨工程大学工程硕士学位论文 衄轴强化工艺主要是使用物理、化学和机械的手段来提高曲轴的各项力学性能指标 并改善曲的轴的疲劳强度，其中物理方法主要包括轴颈表面淬火、高频淬火、圆角淬火 等强化手段；化学方法主要指盐浴软氮化和离子碳氮共渗，机械强化手段主要有曲轴圆 角滚压和喷丸等，几种强化手段在曲轴的实际生产过程都得到了比较广泛的应用，取得 了比较好的强化效果 3 】。由于几种强化工艺各具优势，其应用领域也有所不同，在中小排 量的乘用车曲轴的生产制造过程中，采用最多的强化工艺为曲轴圆角滚压，而且基本上 是唯一强化工艺，可见喵轴圆角滚压对于轿车发动机工业的重要意义，是曲轴生产工艺 中必不可少的关键技术之一【4 】。 曲轴圆角滚压作为曲轴的一种机械强化手段，主要是通过改变曲轴过渡圆角部位的 应力状态，改善曲轴过渡圆角部位表面质量的方式来提高曲轴的耐弯曲疲劳能力，从而 改善疲劳寿命，曲轴圆角滚压具有工艺简单、工艺周期短及经济性等特点，原则上适用 于各种材料，尤其适用于成本低廉的球墨铸铁【5 】，其最终的强化效果除受到材料自身的 机械性能和圆角部位的设计尺寸影响外，主要受到滚压力、滚轮直径、滚压圈数等工艺 参数的影响，尤其是滚压力的影响最大，随着滚压力的增加，疲劳强度明显增大，当增 大到一定程度后进入一宽的最大值区间，如继续增加反而会导致疲劳寿命的降低，其对 可靠性的影响程度平均达到3 0 【6 】。可见，选取合理的滚压参数，特别是选择合适大小的滚 压力对曲轴疲劳强度的提高极为重要。 曲轴圆角滚压的滚压力作为最重要工艺参数之一，在工程实践过程中选取困难，而 且对加工效果影响巨大，本论文以4 6 1 型曲轴为研究对象，通过滚压工艺过程有限元模 拟和实际工艺验证相结合方法，重点对滚压力进行研究，最终完成4 g 1 曲轴的滚压力选 取，探索一条更贴近于生产实际应用的曲轴圆角滚压载荷的选取途径。 1 2 国内外研究的现状 曲轴圆角滚压技术始于二十世纪5 0 年代，快速发展于二十世纪8 0 年代，作为滚压表 面强化技术产业化应用的主要代表之一，通过机械方法在疲劳裂纹易发生区域加以强化 滚压，可使疲劳强度提升1 0 0 或更高 7 】【8 1 ，应用曲轴圆角滚压技术可以大幅度的提高曲 轴的疲劳强度，研究表明，经过圆角滚压的曲轴疲劳强度可以提高5 0 - - 2 0 0 ，承载能力 增加7 5 【9 1 。 为了适应汽车产业的发展需求，国外对曲轴圆角滚压技术进行了大量的研究，尤其 在专业设备制造及刀具等领域得到了快速的发展，并且已经实现了制造设备的产业化， 德国的h e g e n s c h e i d t 公司是其中的典型代表，其生产的圆角滚压设备是当今汽车制造工 第1 章绪论 业应用最多的设备之一，即使如此，在确定滚压加工的工艺参数，尤其在滚压力方面系 统的研究仍不充分，经过多年的发展，国外的专业设备厂商已经建立起了相应经验数据 库，利用经验数据库可以降低曲轴圆角滚压载荷的选取难度，缩短相应的试验验证周期， 但经验数据库的建立毕竟需要多年的积累和沉淀，需要进行大量的试验，并且需要具备 比较丰富的曲轴圆角滚压实际应用经验，是相关企业的核心技术资源，外界无法获得和 应用，同时由于曲轴的结构多种多样，圆角部位的设计也大有不同，并没有统一的设计 规范和原则，因此在应用经验数据库时也仅仅是起到缩小滚压载荷的选取范围，在一定 程度上减少滚压工艺试验和曲轴疲劳试验次数的作用，在确定加工参数时仍需要辅以大 量的工艺试验和曲轴疲劳强度试验才能最终完成。 国内轿车工业，近几年才得到快速发展，圆角滚压设备以引进为主，虽然很多新投 产的发动机多已采用曲轴圆角滚压技术，但由于国外的技术封锁和欠缺必要的经验数 据，对曲轴圆角滚压工艺参数的确定更加缺少有效的手段，当前，国内工艺参数主要依 靠工艺试验的手段来获得，其中的滚压力作为最重要的工艺参数，由于受到材料、刀具 尺寸等多种因素复合作用，还没有准确数学公式来进行描述和计算。当曲轴材料不同时， 受到材料性能差异的影响，如果材料的屈服强度较大时，要想取得应有的强化效果，其 相应的滚压力也需要适当的加大，随着曲轴材料的不同，其圆角滚压力会有较大的差异， 同时滚压载荷还受到圆角尺寸和滚轮接触半径等尺寸因素的影响，当滚轮接触半径较大 时，要取得同样的滚压效果，必定需要较大的滚压力才能实现，因此不同的曲轴，其滚 压力的确定不仅比较困难，而且差异较大。文献 1 0 1 1 1 2 s h 给出的滚压力最小的为 4 0 n ，最大的达到9 0 0 0 n ，更有国外公司给出的滚压力上万牛顿。 通常用工艺试验的方法确定曲轴圆角滚压的滚压力，需要实际滚压工艺试验与曲轴 疲劳试验相结合，并且需重复多次才能找到适合的滚压力。其一般过程是先依据经验选 取一个滚压力，这个滚压力的选取多以材料的屈服极限为依据，然后进行试滚压，最后 对试滚压的曲轴进行弯曲疲劳试验，确认曲轴的疲劳极限。如果试验后曲轴疲劳极限不 能满足要求，需要对滚压力进行适当的调整，重复试滚压加工和弯曲疲劳试验过程，在 弯曲疲劳试验完成之后，根据疲劳试验的结果确定是否需要继续进行试验，如需要再次 试验时，依据曲轴疲劳极限的变化趋势再次调整滚压力。通过不断的重复试加工和曲轴 弯曲疲劳试验过程，直到曲轴疲劳极限满足要求为止。 反复的进行试滚压加工和弯曲疲劳试验，必然会造成成本和时间的浪费。进行曲轴 疲劳极限的估计，以配对升降法为例，最少需要重复进行1 8 个试样的曲轴疲劳试验。每 个试样疲劳试验的基础循环次数为1 0 7 次，如果试验结果超越的话，就试验效率相对较 哈尔滨工程大学工程硕士学位论文 高的电谐振式弯曲疲劳试验机而言，完成一个试样的弯曲疲劳试验需要3 4 天的时间， 综合来看，完整的进行一次配对升降法的曲轴疲劳试验至少需要1 个月的时间。每根试 验曲轴，以4 g 1 曲轴为例，其综合成本需要数百元，从而进行一次曲轴疲劳极限估计， 仅仅试验件的投入就近万元，在此过程中还需要投入较大人力，综合成本更高，由于滚 压力的选取和滚压力的调整完全依靠经验，缺少必要的理论依据，具有太大的偶然性， 很难保证通过少量的滚压工艺试验和弯曲疲劳试验，就能够获得比较合理的滚压载荷， 必然导致需要大量的滚压工艺试和弯曲疲劳试验来完成滚压载荷的选取。 尽管工艺试验方法存在不足，一方面需要很长试验周期，带来大量的时间损失，在工 程应用方面，很难满足项目的进度要求，另一方面需投入大量的试验件和人力，造成资源 的浪费，但这种方法仍是国内确定曲轴滚压工艺参数的主要手段。 1 3 论文的主要工作内容 本文以4 6 1 曲轴为研究对象，应用有限元分析软件对曲轴圆角滚压工艺进行有限元 模拟，分析曲轴转速、滚压圈数、滚压力等工艺参数对圆角滚压的影响，重点求解不同 滚压力下对应的残余应力和滚压变形量，建立残余应力和滚压变形量之间的对应关系， 以滚压变形量为桥梁，通过滚压变形量对残余应力进行预测，为滚压工艺试验提供理论 依据，结合滚压工艺试验的结果完成滚压力的选取，通过曲轴弯曲疲劳试验，完成滚压 力的验证，主要工作内容包括： ( 1 ) 对曲轴圆角滚压工艺和设备进行介绍，说明了曲轴圆角滚压的工作原理、工件 的装夹方式和工件与滚轮间的运动关系，重点对4 g 1 曲轴圆角滚压的相关设计要求进行 了明确，为4 g 1 曲轴圆角滚压工艺的有限元模拟提供理论依据。 ( 2 ) 应用a b q u s 软件对曲轴圆角滚压工艺过程的有限元模拟，分别就曲轴转速、滚压 圈数和滚压力等三个主要工艺参数进行模拟分析，确认三个参数对曲轴圆角滚压的影 响，重点对滚压力进行研究，确认不同滚压力下的曲轴圆角部位的残余应力和滚压变形 量，最后建立残余应力与滚压变形量之间的对应关系，以滚压变形量为桥梁，在实际滚 压过程中通过滚压变形量对残余应力进行预测，明确满足4 g 1 曲轴圆角滚压设计要求的 最小滚压变形量，并且在保证足够安全裕度的前提下，选取目标滚压变形量，为滚压力 的选取提供理论依据。 ( 3 ) 依据有限元分析的结果，结合相关的实际经验，确定圆角滚压工艺试验的相关 参数，按照有限元模拟的滚压力水平进行滚压工艺试验，确定实际滚压过程中曲轴滚压 力与滚压变形量的对应关系，并且与有限元模拟结果进行比对，以目标滚压变形量为依 4 第1 章绪论 据，确定4 g 1 曲轴的圆角滚压力，以最小滚压变形量为限值，对选取的滚压力进行确认。 ( 4 ) 对试滚压加工的曲轴进行弯曲疲劳试验，确定曲轴的弯曲疲劳极限，评价曲轴 滚压载荷选取的合理性，依据疲劳试验结果完h - 茂4 g 1 曲轴圆角滚压工艺参数的确定。 6 第2 章圆角滚压工艺和4 g 1 曲轴的圆角滚压要求 第2 章圆角滚压工艺和4 g 1 曲轴的圆角滚压要求 德国于二十世纪三十年代就意识到表面滚压强化工艺对光滑表面和螺纹的精加工 质量及疲劳失效有着重要的有益的影响，h e g e n s c h e i d t 公司更是在9 0 年前就将冷滚压技 术应用于火车车轴上，用以提高其疲劳寿命，现代的德国汽车工业更是广泛应用圆角深 滚压工艺来提高曲轴的疲劳寿命，本章简要介绍了曲轴圆角滚压工艺的相关知识、曲轴 和滚轮之间的动动关系，并重点对4 g 1 曲轴圆角滚压的相关设计要求进行了说明。 2 1 曲轴的疲劳失效 曲轴疲劳失效的表现形式和失效机理与一般零件的疲劳失效并无区别，其疲劳失效 的位置也与大多零件一样，几乎都集中在比较固定的危险区域之内，并且由于其结构特 点和所处的工作环境，其疲劳失效位置更为集中。 2 1 1疲劳断裂和疲劳寿命 零件在交变载荷下经过较长时间的工作而发生断裂的现象就称作为疲劳断裂【l 引，文 献 1 4 】中将疲劳断裂过程按照金属的破坏机理分为三个阶段：裂纹萌生、裂纹扩展和失稳 断裂。裂纹萌生发生在工件的次表面和内部，一般由局部的塑性应变集中引起，与材料 性能、载荷水平和应力集中区的表面质量等因素密切相关。在交变载荷的继续作用下， 萌生的微裂纹先沿着载荷的最大切应力方向进行扩展，并最后形成一条与应力垂直的主 裂纹，裂纹扩展的速率随裂纹长度的增加面增大【l5 | ，在裂纹的扩展区一般具有典型的贝 壳纹或沙滩纹形貌【l6 l 。失稳断裂又称瞬间断裂，是疲劳失效的最终阶段，当工件未开裂 部分无法承担所受载荷时，很短时间内就会发生失效破坏。 疲劳强度的评价指标主要有疲劳极限和疲劳寿命。疲劳极限是指材料承受无限次应 力而不发破坏时的最大应力，无限次通常确定为1 07 次，疲劳寿命指在一定应力水平下， 试件破坏前所经历的循环次数 1 7 】【1 8 】，从整个零件的服役期来看，裂纹萌生阶段占整个疲 劳寿命的9 0 【1 9 】，因此提高疲劳寿命的重点就是遏制疲劳裂纹的萌生。 2 1 2 曲轴的疲劳失效主要形式 大量的试验和实际失效案例表明，弯曲疲劳断裂是曲轴失效主要破坏形式，占到曲 轴失效8 0 左右【2 0 】【2 1 1 。这与曲轴的结构特点和受力状态有关，大量资料表明，曲轴的 破坏一般发生在曲轴过渡圆角处，弯曲载荷是造成曲轴圆角部位破坏的主要原因【2 2 】。随 哈尔滨工程大学工程硕士学位论文 着内燃机技术的发展，相关理论和试验手段的不断完善，为更精确的获得曲轴在不同工 况下的受力规律及不同部位的应力状态提供了便利的条件。在特定工况下，曲轴在主轴 颈和曲拐颈的弯曲应力分布如图2 1 所示，从图上我们不难看出主轴颈和曲拐颈的过渡 圆角部位的应力最为集中，并且越靠近圆角表面，应力幅值及其增长速度越大，靠近圆角 表面区域呈现拉力状态。因此采用一定的强化手段，改变曲轴圆角部位的受力状态，就 可以达到提高曲轴疲劳强度的目的。 图2 1 曲轴圆角应力分布简图 2 2曲轴圆角滚压工艺 作为一种滚压表面强化工艺，曲轴圆角滚压与曲轴的常见失效模式结合紧密，针对 性强，强化作用极为明显，应用非常广泛。曲轴圆角滚压的强化效果受其主要工艺参数 的影响较大，合理的选取工艺参数，不仅可以获得良好的强化效果，还可以保证滚轮具 有较高的使用寿命，提高滚压加工的经济性。 2 2 1 圆角滚压改善曲轴疲劳强度的基本原理 曲轴圆角滚压是针对曲轴疲劳失效的特点来进行强化的工艺，其工作原理与一般强 化滚压工艺并无区别，通过在曲轴的薄弱部位施加一定的外力，迫使被滚压部位产生一 定塑性变形，在一定程度上改善材料的性能，同时在滚压表面形成残余压应力，抵消工 作时拉应力的影响。另外，滚压加工还一定程度上可以减小被加工表面的粗糙度值，消 除尖角应力，最终阻碍裂纹的萌生，延迟裂纹的发展，从而达到改善曲轴疲劳强度的作 用二2 3 ，具体来讲，主要表现在以下三方面： 第2 章圆角滚压工艺和4 g 1 曲轴的圆角滚压要求 ( 1 ) 改善材料的抗疲劳性能 研究表明，亚晶粒细化和位错密度增高将会显著提高材料的屈服强度和疲劳性能 口4 1 。一旦金属发生永久塑性变形，必将导致一部分晶体相对另一部分晶体产生相对位移， 进而使晶粒的位错密度增加，还会引起晶格的畸变。一定体积内的晶粒越多，则变形分 散在更多的晶粒内部，可以降低局部应力集中的情况，圆角滚压正是利用这种金属微观 组织变化来提高材料的抗疲劳性能，实现强化目的。 ( 2 ) 产生残余压应力 残余压应力对于构件疲劳寿命的改善作用早以被证明。一方面，铸铁等金属材料的 抗压能力远大于其承受抗拉载荷的能力，针对这种特点，构件在承受交变载荷过程中， 起主要破坏作用的是拉伸载荷，如果疲劳破坏区域存在残余压应力，就能够起到对拉应 力的平衡作用，从而相对的降低作用在构件上的总工作应力。另一方面，上世纪7 0 年 代，就提出裂纹闭合的概念，残余压力可以使裂纹尖端闭合，阻碍裂纹的扩展。 ( 3 ) 改善表面粗糙度 经过圆角滚压，可以大幅的降低工件表面的粗糙度，一般可以达到r a 0 1 以下。疲 劳寿命随着表面加工质量下降而急剧下降，越粗糙的表面，应力集中现象越严重，应力 集中使工件承受交变载荷的次数大幅度的下降，一旦裂纹萌生后，裂纹的尖端又形成新 的应力集中区，从而进入恶性循环状态。提高表面加工质量，减少表面缺陷，能有效的 改善因加工而带来的应力集中现象，减少裂纹萌生的机率。 2 2 2 圆角滚压的主要工艺参数 曲轴圆角滚压加工过程中，主要有滚压力、滚压圈数、曲轴旋转速度三个工艺参数， 围绕这三个工艺参数，已经做了比较多的研究和探索，已经积累了一定的经验 2 5 】：一般 情况下，滚压载荷作为最重要的工艺参数，一般需要由经验数据和工艺试验来获得；曲 轴转速对滚压质量的影响不明显，主要受生产节拍限制，结合设备的实际情况和生产节 拍进行设定；滚压圈数对滚压效果有一定影响，圈数过少易造成滚压不充分，圈数过多， 会导致表面质量下降，直至损坏，工艺参数的总体研究结果见表2 1 。 表2 1 曲轴圆角滚压工艺参数 名称经验值备注 滚压力需试验确定 滚压圈数( 圈) 8 1 0 曲轴转速( 转分钟) 4 0 6 0 哈尔滨工程大学工程硕士学位论文 2 3 曲轴圆角滚压设备 选用的曲轴圆角滚压设备是由l i n d e r m i l e 公司制造的s 7 3 0 0 型曲轴专用圆角滚压 机，如图2 2 所示，此设备可以对不同规格的蓝轴进行圆角滚压和滚压校直，在曲轴制 造行业广泛应用。在加工质量方面，滚压载荷自动闭环控制，载荷控制精度高，而且对 加工后的主轴颈跳动进行10 0 检查，滚压后曲轴质量稳定；在生产效率方面，生产节 拍短，换刀方便快捷，完全能满足生产线的布线需求；在经济性方面，滚压轮使用寿命 高，一套深滚压工具大约可加工5 0 0 0 件曲轴，曲轴的单台加工成本较低；在生产柔性 方面，滚压加工过程自动程序控制，在一定范围内可实现曲轴型号的自动切换。 2 3 1设备的主要工作参数 图2 2 曲轴圆角滚压设备 设备的主要工作参数中与曲轴相关的结构参数主要包含曲轴长度、冲和、轴颈直径、 轴颈宽度等，与滚压相关的参数有最大滚压载荷、主轴转速等，设备的主要的工作参数 如表2 2 所示。 表2 2 设备主要参数 名称规格值 曲轴长度范围m m 2 6 0 6 3 0 轴颈直径范围m i l l 3 0 8 4 冲程调整范围n l m 0 1 2 0 最大滚压力n3 0 ，0 0 0 主轴转速( 深度滚压) r p m 6 0 1 5 0 主轴转速( 滚压校直) r p m 1 0 3 0 第2 章 圆角滚压工艺和4 g 1 曲轴的圆角滚压要求 2 3 2 设备的主要组成部分 设备主要床体、头架、尾架、预支架、滚压单元、测量装置、刻印装置、辅助上下 料装置、全封闭防护罩、控制柜、滚压控制计算机、p l c 单元和独立的液压站和润滑站 等部分构成。其控制系统如图2 3 所示，采用总线控制方案，有独立液压管理系统，用 于精确控制设备滚压力，并且对滚压力进行实时监控和闭环控制，在操作面板可以比较 方便的对设备的相关参数进行设定。 s 7 一1 ( ) 2 3 3 曲轴的装夹方式 t l r c k 。 p 熘 b u s i 土：e 飘，一蔷 _ 爹j ，乏 图2 3 滚压机控制系统结构图 如图2 4 所示，以曲轴两端中心孔为轴心线定位基准，以曲轴的法兰端面为轴向定 位基准，法兰轴颈夹紧以驱动曲轴旋转，以第1 连杆颈外圆作为角向基准，而在曲轴小 端顶尖具有轴向浮动功能，保证曲轴在滚压变形过程中自由伸长，减少曲轴滚压的整体 变形。 图2 4 曲轴装夹方式 哈尔滨工程大学工程硕士学位论文 2 3 4 曲轴与滚轮的运动关系 在滚压过程中，曲轴绕主轴颈中心线旋转，而滚轮沿主轴颈和连杆轴颈滚压表面作 圆周运动，同时滚轮在摩擦力的作用下自转，其运动关系如图2 5 所示。 滚轮自渐向 滚轮前舫向 图2 5 曲轴与滚轮运动关系简图 2 4 4 g 1 曲轴圆角滚压的相关设计要求 本文所研究的4 6 1 曲轴如图2 6 所示，采用直列四缸的布置方式，用于从国外引进的 一款成熟发动机产品，该款发动机在国外有几百万台的生产实绩，得到了充分的市场验 证，表明曲轴的产品设计完全可以满足产品的使用要求，并且在曲轴圆角滚压方面有明 确的设计要求，尤其是对滚压后的残余应力做出了明确的规定。 2 4 1 曲轴圆角的尺寸要求 图2 。6 曲轴实物图 4 g 1 曲轴圆角部位采用的是沉割槽的设计形式，具体的相关尺寸如图2 7 所示，沉 割槽半径为1 5 m m ，沉割槽的沟底直径为4 1 5 m m 。 第2 章 圆角滚压工艺和4 g 1 曲轴的圆角滚压要求 洳4v 图2 7 曲轴圆角设计尺寸 2 4 2 4 g 1 曲轴圆角滚压的设计要求 4 g i 曲轴是一款引起的成熟产品，有明确的圆角滚压的相关设计要求，如图2 8 所 示，对圆角的相关尺寸，如滚轮直径、滚轮接触半径及滚压倾角等都有明确规定，另外 还明确的规定了经过圆角滚压后，在曲轴圆角部位产生的残余应力大于8 8 0 m p a ，对于残 余应力的这一设计要求，是进行圆角滚压工艺参数选取的，尤其是滚压力选取的重要依 据，也是该型号曲轴圆角滚压最重要的设计要求。 ，。 。i r 图2 8曲轴滚压设计要求简图 将4 g 1 曲轴圆角滚压的相关设计要求进行整理，具体数据如表2 3 所示。 表2 3 曲轴圆角滚压相关参数 名称符号数值 滚轮直径r a m d1 3 滚轮接半径m m r1 3 滚压倾角。 a3 0 滚压残余应力m p a o 8 8 1 0 哈尔滨工程大学工程硕士学位论文 2 5 本章小结 本章主要是结合曲轴疲劳失效的特点对曲轴滚压的作用原理进行了说明，对曲轴圆 角滚压工艺进行了简单的介绍，并对圆角滚压设备、零件装夹方式和曲轴与滚轮之间的 运动关系等进行了说明，明确了4 g 1 曲轴滚压后残余应力大于8 8 0 m p a 的设计要求，为 圆角滚压有限元模拟提供了理论基础。 1 4 第3 章 曲轴圆角滚压有限元模拟 第3 章曲轴圆角滚压有限元模拟 随着计算运算能力的快速提高和商业有限元软件的广泛应用，使c a e 技术的得到 快速发展，与传统的工艺试验方法不同，用有限元方法进行圆角滚压模拟具有效率更高， 成本更低的优势，本章主要是使用c a t i a 软件完成了曲轴和滚压的3 d 建模，应用 a b a q u s 软件对曲轴圆角滚压进行有限元模拟，模拟出曲轴圆角部位在不同滚压力下 的残余变形量和残余应力以及二者之间的关系，为曲轴滚压力的选取提供理论依据。 3 1曲轴和滚轮的实体建模 c a t i a 是英文c o m p u t e ra i d e dt r i d i m e n s i o n a li n t e r f a c ea p p l i c a t i o n 的缩写。是世 界上一种主流的c a d c a e c a m 一体化软件 2 6 1 。c a t i a 是汽车工业的常用软件，是欧 洲、北美和亚洲顶尖汽车制造商所用的核心系统。c a t i a 在造型风格、车身及引擎设 计等方面具有独特的长处，为各种车辆的设计和制造提供了端对端( e n dt oe n d ) 的解 决方案。c a t i a 涉及产品、加工和人三个关键领域。c a t i a 的可伸缩性和并行工程能 力可显著缩短产品上市时间，因此应用c a t i a 软件进行曲拐和滚轮的3 d 建模，用于有 限元分析。 3 1 1 曲轴实体建模 本次有限元模拟着重研究的曲轴过渡圆角局部的残余变形和残余应力，不考虑曲轴 的整体情况，仅需要建立曲轴单拐的3 d 实体模型，将曲轴不相关的圆角、倒角等均进 行省略，同时由于曲拐两端的圆角在滚压过程中完全对称，为了减少计算工作量，建立 曲拐模型如图3 1 所示。 图3 1 曲拐模型 哈尔滨工程大学工程硕士学位论文 3 1 2 滚轮实体建模 依据滚轮图纸对滚轮进行3 d 建模，为了减少后续在a b a q u s 软件的中位置调整难度， 在同一坐标系下，按照实际的位置关系进行建模，滚轮及滚压建模模型如图3 2 所示。 图3 2 滚轮及曲轴模型 3 24 6 1 曲轴的圆角滚压有限元模拟 a b a q u s 与其他很多有限元分析软件一样，导入被分析对象的3 d 模型，根据模型再 建立有限元模型，即网格划分，然后求解、分析和后处理，最后给出结论。我们把连续 的区域进行离散化，然后利用计算机的高速计算能力，求解平衡方程组，得到结构对一系 列约束和载荷的响应，从而对结构的性能是否满足要求进行评价，从而对产品的设计和 更改起到指导作用。 3 2 。1弹塑性有限元基础 金属塑性成形过程是一个复杂的弹塑性大变形过程，影响因素较多，该过程涉及到 几何非线性、材料非线性、边界条件非线性等一系列难题。 随着计算机软硬件的高速发展和计算方法的不断完善，有限元已成为模拟分析中不 可或缺的计算工具，有限元法分为刚塑性有限元法、粘塑性有限元法、小变形弹塑性有 限元法、有限应变弹塑性有限元法。 在刚塑性中，把材料当成钢塑的，忽略弹性，他不能处理卸载问题，也不能进行残 余应力、应变计算【2 7 3 1 1 。 小变形弹塑性有限元法没有考虑几何非线性的影响，该方法适用于金属塑性成形的 初期情况，随着变形量的增加，会出现明显的误差【3 2 】。 采用有限应变弹塑性有限元分析能够精确地模拟塑性变形区的变形状况，应力、应 1 6 第3 章曲轴圆角滚压有限元模拟 变分布规律 3 3 , 3 4 】。 本次曲轴圆角滚压有限元模拟采用有限应变弹塑性有限元分析方法。 3 2 2 有限元软件简介 a b a q u s s t a n d a r d 是一个通用分析模块，它能够求解广泛的线性和非线性问题，包 括结构的静态、动态、热和电反应等。a b a q u s 拥有c a e 工业领域最为广泛的材料模型， 它可以模拟绝大部分工程材料的线形和非线形行为，而且任何一种材料都可以和任何一 种单元或复合材料的层一起用于任何合适的分析类型。 a b a q u s 的一般分析功能：进行静态的应力位移分析、率不相关响应和率相关( 粘 弹性蠕变粘塑性) 响应、瞬态动力学应力位移分析、瞬态或稳态热传导分析和瞬态 或稳态质量扩散分析； a 1 3 a q u s 的耦合问题：可以进行热力、热电、孔隙流一固、应力一质量扩散、压电分析 和声一固的分析； a b a q u s 的线性摄动分析：可以进行静力位移分析和动力学应力位移分析。 3 2 3 曲轴圆角滚压的数据前处理 按a b a q u s 软件要求，分别导入已经建好的曲拐和滚轮模型，随后进行网络划分、 材料选取、约速和运动处理等数据前处理工作，针对作为主要分析对象的曲轴，为节省 计算时间和提高模拟精度，需要对曲轴模型进行合理的网格划分，单元类型和网络疏密 程度要有所区别和侧重，为提高模拟运算结果与实际情况的符合性，在定义曲轴材料时， 材料性能指标要与实际情况一致，在约束和运动关系处理方面，为了便于试验控制，进 行了适度的简化，但要基本保持与实际情况一致，保证模拟的精度。 1 材料选取和网格划分 曲轴是分析的对象，需要对曲轴的材料性能进行准确的定义，曲轴使用的材料牌号 为f c d 7 0 0 c ，相当于国标材料的q t 7 0 0 ，按照a b a q u s 的要求，需要设定材料的密度、 弹性模量及泊松比，具体数值见表3 1 。 表3 1q t 7 0 0 材料基本物理属性 材料属性 密度( k g m 3 ) 弹性模量泊松比 数值7 8 0 01 6 9 * 1 0 1 10 2 8 6 哈尔滨工程大学工程硕士学位论文 本次模拟仿真需要分析滚压后的残余应力和残余变形量，选用的是有限变形弹塑性 有限元，需要设定该材料在塑性域的应力应变曲线，将应力应变曲线按照a b a q u s 要 求转换成真实应力和真实应变【3 5 1 ，经试验，该材料的应力应变曲线如图3 3 所示。 因不需要对滚轮的进行详细分析，在本次模拟仿真过程中滚轮不是主要研究对象， 作用是为被研究对象施加载荷，因此将滚轮视为刚体，不需要材料设定。 1 2 e + 0 9 应力 ，p a l e + 0 9 8 0 0 0 0 0 0 0 uu u 墨u 工ou z qu j zu 4u ，4 五u ) ou b 4u ，zu 。墨u 芦嚣 应变 m m 图3 3 应力应变曲线 为了保证模拟分析的精度，同时节约不必要的运算时间，利用a b a q u s 模块所提供 的智能网格划分技术，在网络划分的过程中，对曲拐模型进行了分区域处理，因为分析 的重点是曲轴圆角部位，所以在此关键区域采用六面体网格，并且将网络划分的比较细 密，其他区域设定为四面体网络，并且将网格体积设定相对较大，最终将整个曲拐模型， 把整个曲轴划分为2 2 0 5 1 4 个单元、节点总数为6 7 6 3 5 个，如图3 4 所示。 图3 4 曲轴网络划分 在有限元模拟过程中并不进行滚轮的受力情况等相关分析，因此将滚轮视为刚体， 不进行网格划分。 2 约束和运动关系处理 o 鲫 0 o 0 0 4 2 第3 章曲轴圆角滚压有限元模拟 在实际滚压过程中，滚轮沿滚压表面作圆周运动，并且在摩擦力的作用下，滚轮自 转，曲轴则是绕主轴颈中心轴线旋转，但仅就滚轮与曲轴之间的运动关系来看，无论是 曲轴主轴颈圆角的滚压，还是曲拐轴颈圆角的滚压，都是滚轮沿着滚压表面作圆周运动， 同时滚轮自转，基于此种情况，为了保证模拟正确且方便载荷加载，如图3 5 所示，对 约束和运动关系进行如下处理： ( 1 ) 定义滚轮和曲轴圆角间的接触关系属性，滚轮作为主面，曲轴作为从面，因在实 际滚压过程中，滚轮有自转，所以设定摩擦系数时取值较小，摩擦系数设定为o 1 5 。 ( 2 ) 将曲拐模型设定为绕曲拐中心轴线按逆时针方向旋转，并设定其平稳状态下的转 动角速度，为了消除曲轴存在惯性而发生的过大的弯曲，在曲轴起动和停止过程中，将 转动角速度设定成随时间线性增加和减小，曲拐模型除设定绕轴线转动的自由度外，约 束其它5 个自由度。 ( 3 ) 在滚轮参考点上先定义局部坐标系，使滚轮仅保留实际滚压时滚轮前进方向一个 平移的自由度，