（机械设计及理论专业论文）基于神经网络的曲轴最佳滚压参数研究.pdf

摘要 论文题目：基于神经网络的曲轴最佳滚压参数研究 学科专业：机械设计及理论 研究生：徐国宁 指导教师：薛隆泉教授 刘荣昌副教授 摘要 签名： 签名： 签名： 发动机曲轴圆角滚压工艺、设备及其相关技术的研究已经成为当前汽车工业发展，特 别是轿车工业发展不可或缺的关键技术之一。但是到目前为止，国内外对曲轴滚压的工艺 研究尚不是十分充分，如曲轴材料、残余应力状态、滚压工艺参数等因素对滚压层和曲轴 疲劳强度的影响方面还缺乏系统的研究，曲轴滚压参数的选取、滚压效果的评价还没有一 套科学合理的方法。本文就是针对实际生产中发动机曲轴圆角滚压工艺参数问题展开较为 广泛而深入的研究。 本文主要工作为：1 对发动机曲柄连杆系进行了比较系统的运动学和动力学分析， 得到曲轴在具体工况下的受力分析模型，为有限元分析提供必要的数据。2 对曲轴圆角 分别进行了具体工况下的静态有限元分析和加工静态滚压有限元分析，并对结果进行了具 体分折。3 基于m a t l a b 根据改进的正交算法编制了曲轴圆角滚压中各因素对残余应力影 响的正交试验设计的程序，对曲轴圆角进行滚压正交试验。4 基于m a t l a b 编制神经网络 程序，得到比较稳定的网络，并运用在曲轴滚压后残余应力的预测上，得到了最佳残余应 力与滚压参数之间的对应关系，为滚压工艺与设备提供了可靠的依据。 本文基于最佳残余应力理论，首先利用a n s y s 有限元软件对4 8 0 q 曲轴具体工况进 行有限元模拟，得到对应的最佳残余应力。同时用d e f o r m 有限元软件针对此曲轴进行 滚压试验，得到数组不同滚压参数对应的残余应力。然后利用神经网络进行训练得到滚压 参数与残余应力的对应关系。最后，利用此瞬络找到与最佳残余应力对应的最佳滚压参数， 为实际生产提供可靠的依据。 关键词：曲轴；最佳残余应力；正交试验；m a t l a b ；神经网络；有限元 本论文得到了国家自然科学基金“曲轴滚压关键参数设计理论研究”的立项资助( 课 题编号：5 0 6 7 5 0 6 ) 罐一 a b s t f a c t t i t i e ：r e s e a r c ho nc r a n k s h a f to p t i m a lr o l l i n gp a r a m e t e r u s l n gn e u r a ln e t w o r k m a j o r ：m e c h a n i c a ld e s i g n & t h e o r y n a m e ：g u o n i n g x u s u p e r v i s o r ：p r o f l o n g q u a nx u e a s s o c i a t ep r o f r o n g c h a n gu u a b s t r a c t t h er e s e a r c ho ne n g i n ec r a n k s h a f tr o l l i n gc r a f t ，e q u i p m e n ta n dc o r r e l a t i v et e c h n o l o g yh a s b e c o m eo n eo ft h ek e yt e c h n o l o g i e sw h i c ha r ef a v o r a b l et oc u r r e n ta u t oi n d u s t r yd e v e l o p m e n t ， e s p e c i a l l yt os a l o o nc a ri n d u s t r yd e v e l o p m e n t b u tb yf a r ，t h er e s e a r c hb o t hh e r ea n da b r o a do n c r a n k s h a f tr o l l i n gc r a f th a s n te n o u g h ，f o re x a m p l e ，i tl a c k ss y s t e m a t i cr e s e a r c ho ni n f l u e n c e s t h a tc r a n k s h a f tm a t e r i a l ，r e s i d u a ls t r e s ss t a t ea n dr o l l i n gc r a f tp a r a m e t e r sa c to nr o l l i n gl a y e r a n dc r a n k s h a f tf a t i g u ei n t e n s i t y , b e s i d e s , i tl a c k sas u i to fs c i e n t i f i ca n dr a t i o n a lm e t h o d so nt h e s e l e c t i o no fc r a n k s h a f tr o l l i n gp a r a m e t e r sa n dt h ee s t i m a t i o no fr o l l i n ge f f e c t t h e r e f o r e ，t h e p a p e rs p r e a d sw i d ea n dd e e pr e s e a r c ha i m i n ga tt h ep r o b l e mo fe n g i n ec r a n k s h a f tr o l l i n gc r a f t p a r a m e t e r si nt h ea c t u a lp r o d u c t i o n t h em a i nw o r ki nt h i sp a p e ri n c l u d e s ：1 i tc a r r i e dt h r o u g hr e l a t i v es y s t e m a t i ck i n e m a t i c s a n dd y n a m i c sa n a l y s i so fe n g i n ec r a n kc o n n e c t i n gl i n ks y s t e ma n dg o tf o r c ea n a l y s i sm o d e lo f c r a n k s h a f to nt h ec o n c r e t ew o r ks t a t e ，a n di tp r o v i d e se s s e n t i a ld a t a r nf o rf e ma n a l y s i s 2 i t m a d eas t a t i cf e ma n a l y s i so fc o n c r e t ew o r k i n gs t a t ea n dam a c h i n i n gf e ma n a l y s i s ，a n di t m a d eac o n c r e t ea n a l y s i sf o rt h er e s u l t s 3 b a s e do nm a t l a b ，i tw o r k e do u tt h ep r o g r a mo f o r t h o g o n a lt e s ta b o u te v e r yf a c t o ra f f e c t sr e s i d u a ls t r e s sd u r i n gr o l l i n ga n di tm a d eo r t h o g o n a l t e s t 4 b a s e do nt h em a t l a b ，i tw o r k e do u ta r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ( a n n ) p r o g r a ma n dg o t r e l a t i v es t e a d yn e t w o r k , a n di tw a su t i l i z e df o rp r e d i c t i o no fr e s i d u a ls t r e s sa f t e rr o l l i n g ，a tt h e s a m et i m e ，i tg o tc o r r e s p o n d i n gr e l a t i o nb e t w e e nr o l l i n gp a r a m e t e r sa n dr e s i d u a ls t r e s sa n di t p r o v i d e sr o l l i n gc r a f ta n de q u i p m e n tc r e d i b l er e f e r e n c e s b a s e do nt h et h e o r yo ft h eo p t i m a lr e s i d u a ls 臼e s s ，t h ep a p e ru s e df i r s t l ya n s y st om a k e t h es i m u l a t i o na i m i n ga tc o n c r e t ew o r k i n gs t a t ea n dg o tc o r r e s p o n d i n go p t i m a lr e s i d u a ls t r e s s a tt h es a m et i m e ，i tu s e dd e f o r mt om a k ef i l l e tr o l l i n ge x p e r i m e n ta n dg o tm a n yg r o u p s r e s i d u a ls t r e s sa i m i n ga td i f f e r e n tr o l l i n gp a r a m e t e r t h e ni tu s e da n nt og e tc o r r e s p o n d i n g r e l a t i o nb e t w e e nr o l l i n gp a r a m e t e ra n dr e s i d u a ls t r e s s f i n a l l y ，i tg o to p t i m a lr o l l i n gp a r a m e t e r a i m i n ga ta b o v eo p t i m a lr e s i d u a ls t r e s su s i n gt h ea n n ，a n di tp r o v i d e sa c t u a lp r o d u c t i o n 田 西安理工大学硕士学位论文 c r e d i b l er e f e f e n c e s k e yw o r d s ：c r a n k s h a f t ；o p t i m a lr e s i d u a ls t r e s s ；o r t h o g o n a le x p e r i m e n t ；m a t l a b ；a n n ；f e m t h ed i s s e r t a t i o ni ss u p p o r t e db yt h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef u n d r e s e a r c h0 1 1d e s i g n i n g t h e o r yo fk e yp a r a m e t e r si nc r a n k s h a f tr o l l i n gp r o c e s s ( 5 0 6 7 5 0 6 0 ) i v 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我个 人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所论述的工作和成 果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名：i 丕因置。7 年乒月，日 学位论文使用授权声明 本人i 塾亟当在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩，并 已经在西安理工大学申请博士硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意授权 西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定提交 印刷版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生上交的 学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索；2 ) 为教学和 科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、资料室 等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 论文作者签名：i 幺塑雪导师签名：姚刁年峰月日 第一章绪论 l 绪论 1 1 研究课题的提出及其意义 近年来，随着制造工业的不断发展，制造业正面临着由于经济全球化带来的激烈的市 场竞争，生产者对产品的质量要求也越来越高，尤其是在汽车、航空航天等要求比较高的 部门，疲劳强度的高低直接或间接地影响着产品的质量。从上世纪五十年代引进前苏联技 术生产了第一款发动机c a l 0 到现在，我国汽车发动机产业已经走过了5 0 年的发展历程， 已经形成了4 0 0 多万台的生产规模。随着近年来汽车工业的整体发展和新汽车产业政策的 出台，我国将对汽车发动机强制实行更严格的排放标准，这迫切要求发动机生产企业尽快 完成增压等机型改造，而在机型改造中首要的部件是曲轴，因此对发动机曲轴的研究更具 重要性。 曲轴是汽车动力装置的核心零件之一，是汽车发动机中最重要而且承受负荷最复杂的 部件，其结构参数以及加工工艺水平不仅影响着整机的尺寸和重量，而且很大程度上影响 着内燃机的可靠性与寿命。但由于曲轴结构复杂、刚性较差，在制造过程中又受到冷热加 工等各种因素的影响，因此，处于工作状态的曲轴各部分应力分布是不均匀与交变的，尤 其是在曲柄臂和过渡圆角部位会产生严重的应力集中。同时，曲轴的主轴颈、连杆轴颈及 其轴承副高速地旋转运动也会造成磨损和发热烧损。所以，曲轴的主要失效形式是疲劳断 裂和轴颈严重磨损，为了保证发动机正常可靠地工作，要求曲轴有足够的强度、刚度、耐 磨性和平衡精度。所以有必要提高曲轴的强度。 提高曲轴强度的方法有多种，一是采用较好的材料，例如采用优质钢的曲轴强度肯定 优于球墨铸铁曲轴强度，但采用优质钢曲轴的成本远高于球墨铸铁曲轴的成本，所以钢曲 轴在整车降价和原材料涨价、发动机生产厂家的利润空问正日益缩减的背景下很难推广； 再比如国内某公司已与清华大学共同研发了具有知识产权的曲轴新材料a d i 材料，这种材 料是在原有普通球墨铸铁的基础上采用多合金元素符合强化、特殊的热处理工艺生成的新 材料，具有高强度、高韧性等特点，能使曲轴疲劳性能提高7 8 ，成本降低3 0 ，但这种 材料的性能和稳定性还有待市场的考验。二是对曲轴表面进行强化处理，曲轴的强化处理 是在不改变曲轴材料和结构的前提下，用物理、化学和机械的方法使曲轴得到强化以提高 曲轴各项力学性能的工艺方法。根据曲轴的工况和技术要求，可以选择一种或多种强化处 理方法。强化处理的方法主要有：中频感应淬火、渗氮处理、喷丸强化、圆角滚压等。近 年来，各国对曲轴滚压工艺都进行了大量研究，综合其他研究成果，可以发现，通过对曲 轴进行圆角滚压强化，不仅可以改善衄轴性能，提高抗疲劳变形能力，还具有成本低、效 率高和强化效果显著的优点。据统计，国外圆角滚压的发动机曲轴在整个曲轴加工中所占 比例已由七十年代的5 0 提高到现在的8 0 以上，而轿车发动机曲轴则几乎无一例外采用 曲轴圆角滚压工艺进行强化，因此曲轴圆角滚压工艺、设备及其相关技术的研究已经成为 当前汽车工业发展特别是轿车工业发展不可缺少的关键技术之一。许多资料表明圆角滚 西安理工大擘项士擎位论文 压可以提高疲劳强度达6 0 - 1 0 0 ，有的甚至可达1 4 0 ( 为原强度的2 4 0 ) 。曲轴滚压工艺 操作比较简单，单件工时少，消耗能源和材料少，因此经济性比较好，并且无污染源，滚 压设备适用于在流水线上布置。 曲轴圆角滚压其实质是在机械力的作用下，使其金属表面冷作硬化，从而产生残余压 应力的一种预应力强化方法。材料的疲劳破坏，通常是由于拉应力的反复作用下，在表面 产生疲劳裂纹，而后又在这一拉应力的反复作用下，裂纹逐渐发展，导致最后里脆性断裂。 在材质表面产生一个预压应力后，反复作用的拉应力会受到部分抵消，从而使材料的疲劳 强度得到了加强，由于预压应力的存在，也会使裂纹的发展得到减缓，从而能提高零件的 疲劳寿命，这从曲轴的疲劳试验中也早已得到了证实。但是什么样的残余应力状态能够使 凼轴在具体工作状况下的疲劳寿命达到最高，所能参考的资料很少，本文就对此展开深入 的研究。 经过滚压强化后金属材料表面产生残余压应力的数值大小除了与所滚压曲轴材料的 晶体类型、强度水平以及单调拉伸时的硬化率等因素有关外，主要与滚压工艺参数有很大 关系。 本论文就是针对什么样的滚压工艺参数能使曲轴的疲劳寿命最高展开深入的讨论，利 用a n s y s 和d e f o r m 有限元软件对4 8 0 0 曲轴在具体工况下和滚压后应力状况进行静态数值 模拟，根据最佳残余应力理论，采用神经网络对滚压后残余应力进行预测并得到对应的最 佳滚压工艺参数，为企业进行曲轴滚压加工设备的开发、工艺参数选取、质量控制等方面 提供理论支撑和指导。 1 2 国内外研究概况和存在的主要问题 曲轴圆角滚压技术是2 0 世纪7 0 至8 0 年代发展的一种新技术。据统计，为适应汽车 工业尤其是轿车工业发展的需要，国外从五十年代开始已着手进行滚压工艺与设备的研 究，并逐步发展成专门的产业。国外经过圆角滚压的发动机曲轴在整个瞳轴中所占的比例 已从七十年代的5 0 提高到现在的8 0 以上，而轿车发动机曲轴则几乎无一例外的采用 圆角滚压工艺进行强化。圆角滚压强化的方法具有工艺简单、工艺周期短及经济性等特点， 参数控制合理的滚压可以达到较高的表面光洁度，原则上适用于各种材料，尤其适合用于 成本低廉的球墨铸铁“1 。八十年代由于计算机实时控制技术的发展，具有较理想的全自动 的滚压设备已经出现。我国一些特大型汽车企业，如：一汽、上汽、北汽集团、南汽等都 已进口了该类专机。 到目前为止，国外对曲轴滚压的工艺研究也不是十分充分，如曲轴材料、滚压工艺参 数等因素对滚压层和曲轴疲劳强度的影响方面还缺乏系统的研究，因此可供参考利用的文 献和工艺资料很少3 1 。国内关于滚压的研究更是局限于工艺参数的试验研究“1 “”，专用 滚压设备依赖从美、德等国引进，引进的滚压设备不仅价格昂贵、设计方法保密，而且加 工不同型号的曲轴应如何选取合理的滚压工艺参数也是一个非常棘手的问题。 2 第一幸绪论 鉴于以上原因，到目前为止只能通过大量的实验获取数据，然后应用数理统计的方法 对实验数据进行综合分析、归纳整理，得出曲轴滚压工艺参数。 1 3 本论文的主要研究内容及创新 本课题将针对目前曲轴生产和圆角强化中急需改进的工艺进行研究，涉及的主要内容 如下： ( 1 ) 、对曲柄连杆系进行运动学和动力学分析。 ( 2 ) 、对曲轴圆角分别进行了具体工况下的静态有限元分析和加工静态滚压有限元分 析，并对结果进行了具体分析。 ( 3 ) 、基于改进的正交算法编制了优化程序，对滚压进行正交试验。 ( 4 ) 、基于m a t l a b 编制神经网络程序，运用在曲轴滚压后残余应力的预测上，并得 到比较稳定的网络。而且通过此神经网络很容易预测曲轴在具体工况下的所需的最佳滚压 参数，为实际生产提供可靠的依据。 论文主要创新之处是： ( 1 ) 、以等效应力假说为理论基础，本文将最佳残余应力理论应用到提高曲轴疲劳寿 命中。 ( 2 ) 、本文首次将神经网络运用在曲轴滚压后残余应力的预测上，并得到比较稳定的 网络。 ( 3 ) 、通过此神经网络很容易预测曲轴在具体工况下所需的最佳滚压参数，为实际生 产提供可靠的依据。 1 4 本文的课题支撑 本文的课题来源于： 国家自然科学基金项目：曲轴滚压关键参数设计理论研究。 项目编号：5 0 6 7 0 5 6 0 。 资助金额：2 8 万元。 国家自然科学基金项目简介： 本项目着眼于曲轴滚压设备和工艺参数设计、滚压强化效果评价等实际工程问题和曲 轴加工硬化层深度难以评价等理论问题，从运动学、力学角度全面建立曲轴滚压关键参数 设计理论，提出曲轴滚压刀具结构参数、运动参数和载荷参数的设计准则和方法，对曲轴 滚压强化的表面硬化层的深度和残余应力进行理论预测，探讨滚压工艺参数对残余应力与 变形层分布及数值上的影响，提出了通用化的分析模块划分方法、模型参数化方法和系统 实现方法，将滚压强化和强度分析模型有机地融合在一起，形成统一的分析模型，研究考 虑强化效应的曲轴有限元建模与分析方法。为工程上曲轴滚压工艺参数和滚压刀具结构参 数设计提供理论依据，为滚压强化效果科学评价提供方法和依据，本项目提出的圆弧接触 线回转体摩擦传动运动学建模和优化设计方法、加工硬化层深度的软性系数描述是机械传 3 西安理工大学硕士学位论文 动和机械强度领域的理论创新。因此，本项目既具有重要的理论研究意义，也具有重要的 工程实际价值。 4 第二章曲轴圃角滚压工艺研究 2 曲轴圆角滚压工艺研究 2 1 曲轴圆角工艺的发展 曲轴是内燃机中的重要零件之一，是发动机的脊柱，是承受冲击载荷、传递动力的关 键零件。它不仅影响着发动机的整机质量，而且很大程度上影响着发动机的可靠性和使用 寿命。发动机工作时，曲轴受周期性交变压力及活塞连杆等运动件往复及旋转惯性力作用， 轴颈受交变扭转和弯曲应力以及冲击等力的作用，同时还存在有复杂的扭矩振动，因而曲 轴的损坏形式往往是疲劳断裂和轴颈磨损。这就要求曲轴有较高的抗拉强度、刚度、疲劳 强度、表面强度、耐磨性，同时心部要有一定的韧性。 一般情况下，曲轴破坏的基本型式是弯曲疲劳破坏和扭转疲劳破坏，只要扭转减振器 不发生故障，不飞车，又不过于疏忽，通常不会出现扭转疲劳破坏，扭转疲劳破坏一般出 现在柴油机使用初期。弯曲疲劳破坏占曲轴破坏的8 0 左右。曲轴疲劳裂纹几乎都起源 于应力集中的部位一曲轴曲柄臂至轴颈的过渡圆角处，轴颈圆角最大应力集中点的强度实 质上可视为曲轴的结构强度。因此，强化曲轴轴颈过渡圆角是延长曲轴使用寿命的关键。 目前，国内普遍使用的曲轴材料有锻钢和球墨铸铁两类。锻钢材料一般为中碳钢和中 碳低合金铜，如4 5 钢、3 5 c r m o 、4 0 c r 等；球铁曲轴牌号有q t 6 0 0 3 、q t 7 0 0 2 、q t 8 0 0 2 、 o t 9 0 0 2 、q t 9 0 0 - 51 7 1 。 曲轴的性能除与材质有关外，还取决于热处理及表面强化工艺、加工精度和表面粗糙 度等。 曲轴的表面强化工艺大致有以下6 种：( 1 ) 氮化；( 2 ) 喷丸( 3 ) 圆角与曲颈同时感 应淬火；( 4 ) 圆角滚压；( 5 ) 复合强化，如圆角滚压+ 曲颈淬火“1 和氮化+ 圆角滚压( 冯 美斌已申请国家专利) 等等；( 6 ) 激光处理。 2 2 几种曲轴强化工艺 2 2 1 气体软氮化处理的工艺 渗氮是向钢的表面层渗入氮原子的过程。其目的是提高表面硬度和耐磨性，并提高疲 劳强度和抗腐蚀性。其特点主要有： a 曲轴的表面有一层硬度极高的化合物层及较厚的扩散层，提高了曲轴的表面硬度； b 气体软氮化后的曲轴具有致密的相，因此具有较高的耐磨性，且表层化合物具有 减磨作用； c 气体软氮化后的氮化层具有残余应力，且氮原子的渗入阻碍了位错运动，防止了疲 劳裂纹的产生和扩散，使疲劳强度得以提高； d 气体软氮化后的曲轴表层的白亮层化学性能极为稳定，使曲轴具有良好的耐腐蚀性 能巴 f 曲轴氮化与其它热处理工艺相比，它具有投资小、劳动强度低、质量可靠稳定，抗 疲劳强度较高等特点，氮化能提高曲轴疲劳强度的2 0 6 0 “。 5 西安理工大学硕士学位论文 2 2 2 感应加热表面淬火的工艺 感应加热表面淬火是利用工件表面在交变磁场中产生一定频率的感应电流，将零件表 面迅速加热，然后迅速淬火冷却的一种热处理操作方法。其特点主要有： a 感应加热时，钢的加热速度极大，致使珠光体转变为奥氏体的转变温度升高，转变j 温度范围扩大，转变所需的时间缩短，即加热速度快、热效率高； b 感应加热表面淬火可以在工件表层得到极细的所谓“隐晶马氏体”组织，使工件的 表面硬度高，心部具有韧性，缺口敏感减小。表面处于压应力状态，冲击韧性、疲劳强度 和耐磨性都大有提高； c 由于不是整体加热，工件的变形小； d 由于感应加热表面淬火的加热时间短，使得工件不易氧化和脱碳； f 淬硬层深度易于控制，淬火操作容易实现机械化和自动化，使用简便、劳动条件好。 2 2 3 复合强化 就是应用多种强化工艺对曲轴进行强化处理，例如曲轴圆角滚压加轴颈淬火等。据国 外资料介绍，球墨铸铁曲轴采用圆角滚压工艺与离子氮化结合使用进行复合强化，可使整 条曲轴的抗疲劳强度提高1 3 0 以上。可见曲轴进行滚压强化是提高曲轴疲劳强度的主要 途径，使之广泛的运用于曲轴加工是必然的趋势。但在国内，仅仅有少数厂家进行这方面 的实践。不过，也有一些厂家在这方面的研究有了一定的成果，如：东风汽车有限公司工 艺研究所的“曲轴圆角滚压强化与滚压校直技术研究开发及应用”解决了国内企业花巨资 引进国外技术的问题。还有冯美斌等人已申请国家专利，即一种发动机球铁曲轴的强化工 艺，该工艺采用氮化后进行圆角滚压的复合强化工艺。经这种复合强化工艺处理的球铁曲 轴，其弯曲疲劳极限已接近圆角感应淬火的锻钢曲轴的水平，解决了单纯采用氮化或圆角 滚压工艺已难以满足发动机对曲轴的可靠性要求的问题。 2 3 圆角滚压工艺 2 3 1 圆角滚压强化的概念 表面滚压强化是一种无屑光整加工方法。它是在常温状态下，利用高硬度材料( 如淬 火钢，硬质合金以及红宝石等) 制成的工具对被加工零件表面施加一定的压力，使表面层 金属产生塑性变形，产生表层残余压应力的一种强化方法 1 0 1 。 圆角滚压强化是一种特殊的表面滚压强化。它是在曲轴的轴颈与主轴颈、曲柄与连杆 之间的圆角上采用滚压旋转加压在轴颈部位形成塑性变形带，改变危险界面处的拉应力状 态，使之形成合理分布的压应力状态的一种特殊的表面强化方法。 2 3 2 圆角滚压加工的工艺特点 a 降低表面粗糙度r a 值。被加工表面在滚轮的压力作用下，表面微观凸峰被压平， 从而降低了表面粗糙度r a 值。表面粗糙度值从r a 3 2 m 减小到g a 0 4 zm 。 6 第二幸曲轴圆角滚压工艺研究 b 强化被加工表面。表面经滚压后产生残余压应力，硬化层硬度可提高5 - 5 0 。 c 减小了切削加工时留下的刀痕迹等表面缺陷，从而降低了应力集中程度，疲劳强度 提商。滚压时金属表面层晶粒沿受力方向变得细长而致密，表面形成冷硬层，其硬度可提 高。此外，滚压后的表面易形成稳定的油膜，可改善润滑条件，可提高零件耐磨性。同时， 由于基本消除了表面细微裂纹，致使腐蚀性介质不易进入零件表层，从而可提高工件耐腐 蚀性。 d 成本低，生产率高。滚压是冷加工，不用热能，节约能源，处理时间短。 2 3 4 曲轴圆角滚压强化机理 曲轴的圆角处是曲轴应力集中最严重的部位，因此它的疲劳破坏一般发生在曲轴轴颈 和曲柄连接的过渡圆角处。 滚压强化机理是指曲轴经过圆角滚压后在各方面提高其疲劳寿命的理论。本文将从微 观组织、表面质量和残余压应力强化机理三个方面进行阐述。 a 微观组织机理 曲轴在滚压过程中表层金属在滚轮的作用下会发生强烈的塑性形变。金属塑性变形的 最基本方式是滑移，即一部分晶体沿某一晶面和晶向相对于另一部分晶体发生相对滑移。 曲轴在载荷的作用下晶体发生反复滑移，它的特点主要在晶体中晶粒的位向及晶界对塑性 变形的影响上。晶界能够阻碍位错运动，由于晶粒的位向不同，因此它们之间相互约束， 阻碍晶粒的变形。在同样变形影响下，一定体积内的晶粒数越多，则变形分散在更多的晶 粒内进行，因此不会产生局部应力集中，从而使多晶体能承受较大量的塑形变形而不破坏， 同时滑移的结果还使晶粒的位错密度增加、晶格畸变，一部分符号相反的位错相互抵消， 而符号相同的位错则重新排列并形成小角度的位错墙，形成轮廓清晰、尺寸更加微小的亚 晶粒。亚晶粒的细化和位错密度增高这些变化将会显著提高材料的屈服强度和疲劳性 1 1 1 。 另一方面，过大的塑性变形将导致孪生、晶格拉长、晶粒转动、破碎等，晶格严重扭 曲。滚压表面甚至出现鳞片状波纹、花斑、表面变脆脱皮等现象，将降低曲轴的疲劳寿命 1 1 2 1 ，因此在实际中还要控制滚压强化层的深度。 b 表面质量机理 零件表面加工后引起的粗糙表面是应力集中的主要因素之一，常成为极危险的尖端切 口，形成应力集中。在交变应力作用下，疲劳源总是出现在应力集中的地方，应力集中促 使疲劳裂纹的形成和扩展。 表面越粗糙、缺陷的缺口底部越尖锐、缺口深度越大则有效应力集中系数值越大，应 力集中越严重，因此疲劳强度和疲劳寿命是随表面粗糙度的下降而增加，即表面越粗糙， 疲劳强度和疲劳寿命降低就越严重。 为了降低曲轴表面的应力集中，对曲轴主轴颈和连杆轴颈进行磨削加工后，它的表面 粗糙度很容易达到r a - 0 8 , u r n ，但圆角处由于加工困难很难保证要求的表面粗糙度，而 7 西安理工大学硕士学位论文 恰恰它又是危险截面。曲轴圆角滚压加工相当于一个低粗糙度的硬表面在另一个高粗糙度 的软表面上滚动。由于工具具有极高的耐磨性，工具和零件的硬度相差悬殊，在滚压过程 中工具基本不发生变形，而零件表面上的微凸体受到挤压后，凸峰两侧的金属被下压，而 且还要从凸峰两侧的凹谷挤出。这样可使微观不平度减小，从而获得小的表面粗糙度。曲 轴经过圆角滚压可以使圆角表面粗糙度达到砌一0 1 , u r n 以下，这样就大大减少了圆角处 的应力集中，大大提高了曲轴的疲劳强度。 c 残余压应力机理 早在上个世纪3 0 年代人们就发现延长疲劳寿命的有效途径是通过引入残余压应力的 方法。实际上材料中残余压应力最明显的作用是对材料疲劳性能的影响。正是由于这一点， 残余压应力才受到人们越来越多的关注“”，成为过去一段时间材料科学研究的热点之一。 目前主要通过以下两种不同的途径进行研究：对裂纹闭合的影响和提高疲劳寿命方面。 从对裂纹闭合的影响方面，裂纹闭合的概念最初是e l b e r 在上个世纪7 0 年代初提出 的 1 0 1 。曲轴圆角经过滚压后产生的残余压应力能够平衡曲轴加工和工作时表面产生的拉 应力，使零件的表面处于压应力状态，残余压应力的存在可以使裂纹的尖端闭合，同时还 可以抑制裂纹尖端的继续扩展，提高曲轴的疲劳寿命。 随后国内外对残余压应力提高疲劳寿命方面作了一些研究，但大多都是以个别应力分 量作为疲劳失效准则的。p o p i n o c a n ung 在上个世纪8 0 年代根据等效应力假说建立了 最佳残余应力计算方法，等效应力准则更全面地考虑了各个应力分量对疲劳失效的影响。 该理论指出如果滚压后表面的残余应力状态使得等效应力在具体工况条件下为最小值，则 该残余压应力为最佳的残余应力状态 1 3 1 。在该残余应力状态下工件可以获得最佳的疲劳 寿命。 随着计算机和有限元理论的发展，应用有限元模拟的领域也越来越广泛。2 0 0 3 年美 国的w y c h i e n 等人对曲轴在具体载荷下建立二维有限元模型，分析了圆角在非残余应 力状态下的应力集中以及曲轴圆角经过滚压后的应力分布。应用断裂机理研究了残余应力 对曲轴疲劳寿命的影响 1 4 1 。 2 3 5 曲轴滚压工艺参数 a 滚压力 滚压力即滚轮压到曲轴圆角处的力。滚压力对曲轴疲劳强度影响很大，不同材料、工 艺和热处理状态的曲轴滚压力差异很大，最佳滚压力与曲轴本体材料强度、圆角尺寸、轴 颈大小、滚轮尺寸、滚轮倾角及滚压深度等有关。由于滚轮工作情况较复杂，比如：滚压 接触区应力分布不均匀、接触区变形、接触点的几何形状复杂等，还没有数学公式准确计 算出最佳滚压力，一般都是通过对曲轴进行疲劳强度实验确定，使曲轴疲劳强度满足发动 机的要求。 强化效果主要以残余压应力和滚压层深度( 硬化层) 来衡量。在一定范围内，加大滚压 第二章曲轴圃角滚压工艺研究 力，则残余压应力和滚压层深度相应增加，强化效果提高。但滚压是利用塑性变形的一种 强化方法，不可能使残余压应力和滚压层深度超过限度，否则会使滚压表面起皮，甚至剥 落、变形，反而降低滚压效果。滚压力增加还涉及到滚压工具、滚压机床的刚性和冷却润 滑等问题。因此，往往把滚压力限制在中等数值范围内。据有关资料介绍，最大残余压应 力为材料屈服点的1 5 倍，滚压层最大硬度为材料硬度的1 5 倍为宜。亦可根据等强度观 点，将曲轴圆角强度提高到与其他部位相等或稍高，使曲轴故障不致于在圆角区发生，这 样就达到了强化的e l 的。 b 滚压圈数 滚压的先决条件是工件材料具有足够的塑性。曲轴圆角在滚压过程中形成环形压痕， 金属沿切线和圆角方向流动，圆角两侧堆积的金属形成凸缘。试验表明，在给定压力下， 当滚压至一定次数后，压痕深度和凸缘高度达到最大值，不再继续扩展，滚压层深度和残 余压应力亦不会再增加，曲轴疲劳强度不再增加。 c 滚压速度 滚压速度是滚压加工时工件转动速度，曲轴滚压疲劳强度的实验证明，滚压速度对曲 轴的疲劳强度影响不大，但影响滚压, n - r 的效率。如转速过高，在滚压连杆轴颈圆角时， 由于偏心产生较大的离心力，使曲轴承受径向力，变形增大。 另外，在滚压加工中，工件曲轴带动滚轮转动，而滚轮与曲轴存在一定夹角，仅有滚 轮对称中心点与曲轴圆角接触处线速度相同，在靠近曲柄臂侧，曲轴大于滚轮的切线速度。 因此，在滚压m - r 过程中，滚轮既滚动又滑动，如果滚压速度过大，则有可能造成滚压表 面烧伤、撕痕。所以，一般曲轴滚压速度为2 0 6 0 r m i n 。 2 2 6 常见的曲轴圆角滚压类型 根据安排滚压工序和圆角形式的不同，曲轴圆角滚压大致可分为以下三种类型： 轧切线滚压 切线滚压就是在精磨主轴颈和精磨连杆颈时，用砂轮磨出与滚轮半径大小相同的圆角 ( 偏差不大于o 0 8 r a m ) 进行滚压。切线滚压容易在轴颈表面和侧表面挤出一线凸台，需在 后续工序中进行处理，另外，在轴颈感应淬火后进行滚压，容易引起较大的弯曲变形，需 进行滚压校直处理。 b 半精加工后滚压 半精加工后滚压就是在曲轴精磨成形之前进行滚压强化，这样可避免滚压起台，但在 后续工序中将塑性交形带磨去一部分，故目前很少采用。 c 圆角沉割滚压 圆角沉割滚压就是在过渡圆角处沉割出与滚轮半径大小相同的圆角( 偏差不大于 0 0 8 r a m ) 进行滚压。圆角沉割滚压消除了以上两种滚压方法存在的不足，另外圆角沉割还 可以使应力分散。目前国外发动机曲轴几乎全部采用圆角沉割滚压方法。 9 西安理工大学硕士学位论文 2 4 小结 本章从曲轴圆角工艺的发展开始讲述了几种典型曲轴圆角工艺的特点，并从微观组织 机理、表面质量机理和残余压应力机理详细介绍了曲轴圆角滚压工艺，最后讲述了曲轴滚 压工艺参数和常见的曲轴圆角滚压类型。 1 0 第三幸最佳残余应力理论 3 最佳残余应力理论 3 1 曲轴强化的残余应力理论 曲轴在工作过程中，多次受循环应力和应变，局部产生渐进性永久变形，发生在曲轴 轴颈和曲柄连接的过渡圆角处的疲劳裂纹萌生和扩展是曲轴的主要破坏原因。 曲轴的圆角是曲轴应力集中最严重的部位。从断裂力学上讲，存在于材料表面的缺陷 或裂纹只有当外加交变载荷达到某一界限时，即裂纹尖端的应力强度因子幅值达到了材料 本身的界限应力强度因子幅( a k m ) 0 时，裂纹才开始扩展。一般情况下，材料的a k 。不 仅取决于材料本身的性能，同时又是外加载荷中平均应力的函数。在有平均应力存在条件 下，界限应力强度因子幅“”如3 1 所示： a k n = 1 2 ( a k n ) o ) “1 + o 2 0 + r ) ( 1 - r ) ( 3 1 ) 式中：r 一为交变载荷中的平均应力 ( a k 。) o - 为材料本身的界限应力强度因子幅 由于残余压应力能够降低外加交变载荷中的平均应力的作用，因此可以减少零件实际 承受的应力强度因子幅值a k 。有上面的公式可以看出，r 值的下降可提高裂纹开始扩展 的界限应力强度因子幅值a k 。因此在一定交变载荷条件下，原来可能发生扩展的裂纹， 在有残余应力存在的情况下，由于a k 。值得到提高，要使裂纹扩展，则必须继续增大交 变应力。这就是残余压应力在提高有裂纹材料疲劳强度中所起的作用。 当试样或零件表面上已经存在缺陷或微裂纹时，如曲轴的圆角经过滚压强化后所形成 的残余压应力深度超过裂纹的深度时，残余压应力能够减缓疲劳裂纹的扩展速率。也就是 说由于圆角经过滚压后产生的残余压应力能够平衡曲轴加工和工作拉应力，使零件的表面 处于压应力状态，因此可以提高曲轴的疲劳寿命。 3 2 最佳残余应力理论 在以往材料的疲劳准则中，通常都是以个别应力作为疲劳失效准则的。比如最大拉应 力理论，它的理论根据是当作用在构件上的外力过大时，其危险点处的材料就会沿最大拉 应力所在截面发生脆断破坏。它对材料破坏原因的假设是最大拉应力是引起材料脆断破坏 的因素，也就是认为不论在什么样的应力状态下，只要构件内一点处的三个主应力中最大 的拉应力达到材料的极限值，材料就发生脆断破坏。这一理论主要适用于脆性断裂破坏： 最大剪应力理论的理论根据是当作用在构件上的外力过大时，其危险点处的材料就会沿最 大剪应力所在截面滑移而发生屈服破坏。它对材料破坏原因的假设是最大剪应力是引起材 料屈服破坏的因素，也就是认为不管在什么样的应力状态下，只要构件内一点的最大剪应 力达到材料的极限值，该点处的材料就会发生屈服破坏。该理论虽然适用于塑性屈服破坏， 但未考虑三个主应力中的第二个主应力的作用，而这个应力对材料的屈服有一定影响。 与以上理论不同，第四强度理论充分考虑了三个主应力盯。，盯，盯：对材料强度的共 1 1 西安理工大学硕士学位论文 同影响。材料在三向应力状态下储存有体积改变能u ，和变形能u 。( 均指能密度) 。如 果材料处于三向等值压缩，即盯。= 盯，= 吼，我们发现三向压应力可达到很大而材料并不过 渡到破坏状态，而这时单元体只有体积改交能而无变形能。这一现象反映出体积改变能的 大小并不影响材料的破坏，于是有人提出变形能理论，也就是第四强度理论，即当单元体 储存的变形能密度u ，达到某一值极限时，材料就进入塑性屈服。这一极限值即是单向拉 伸发生屈服时的变形能密度，并得到材料在复杂应力条件下的屈服条件如3 2 所示： 0 0 ：+ o j + d ：- o ，o y op o z a z o ll d 。 ( 3 2 0 此条件成为米赛斯屈服条件。 上式中弓i 入安全系数得到第四强度理论的强度条件如3 3 所示： 口：+ o r ；+ 口；- a ；d ，一d ，仃：- - 0 ：口，p ( 3 3 ) 或1 2 【( 吒一q ) 2 + p ，- c r z ) 2 + ( 吒一以) 2 】b j 这一理论对塑性材料的强度条件比其它理论更符合实验结果和实际。 1 9 8 1 年p o p i n o c e a n ung 根据等效应力假说提出了最佳残余应力理论，等效应力准 则更全面地考虑了各个应力分量对疲劳失效的影响。该理论指出如果滚压后表面的残余应 力状态使得残余等效应力在具体工况条件下为最小值，则该残余应力为最佳的残余应力状 态。 根据米赛斯( m i s e s ) 屈服准则，等效应力的表达式1 如3 4 所示： q 一1 2 - 0 ，) 2 + ( q - o z ) 2 + 缸- a x ) 2 + 6 嘭+ + f 三) 】 ( 3 4 ) 假设曲轴表面的残余应力是以三个正应力，仃一，表示，则残余等效应力如3 5 所示： 盯巧- 1 2 【( o l + 口巧) 一( 仃，+ a y j ) 】2 + ( 盯，+ o r 面) 一( 盯：+ 盯巧) 】2 + ( 盯：+ 目) 一( 吒+ ) 】2 + 6 矛( + r 刍) + 6 r 三 2 ( 3 5 ) 从上式可以看出，如果残余应力能抵消接触载荷引起的应力x ，盯，盯，的作用，此时 的残余等效应力为最小值，则该残余应力状态为最佳残余应力状态。也就是当满足 p ，+ 盯月) 一p ，+ 盯一) 一0 ( 9 y + 仃，) 一( 口：+ 盯玎) 1 0 ( 3 6 ) ( 吒+ a 。) 一( 吒+ 盯可) 一0 时残余等效应力为最小值，这时残余等效应力如3 7 所示： 口d - 【3 矛( + f ，2j 十玎。2 】1 7 2 ( 3 7 ) 3 3 小结 本论文以最佳残余应力理论为基础，计算获得曲轴在具体工况下的理想残余应力，为 神经网络预测残余应力提供必要的理论基础。 第四章发动机曲柄连杆机构动力学 4 发动机曲柄连杆机构动力学 4 1 引言 发动机工作是将热能转变为机械能的一个过程，是经过进气、压缩、作功和排气四个 连续的过程来实现的。每一个工作行程都有很大交变载荷通过活塞、连杆组件作用在曲轴 上，使其承受反复的冲击同时，这些交变载荷在曲轴的各个部位产生弯曲、扭转等复杂的 交变应力。 4 2 曲柄连杆机构运动学分析 发动机的曲柄连杆机构如图4 1 所示，其曲轴、活塞销、气缸中心线位于同一平面。 它在运动时，活塞作往复直线运动，曲柄0 b 作旋转运动，连杆a b 作平面复合运动。当 s i n