曲轴圆角滚压形变工艺研究

2010-07-13

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，工艺过程参数如不加以优化，很容易造成批量的不合格品。因此，解决形变问题是发挥曲轴圆角滚压工艺优势的关键。

曲轴是发动机中的主要零件之一，也是发动机五大件中最难保证加工质量的零件。曲轴服役工况条件恶劣，其失效形式一般是轴颈磨损和疲劳断裂。疲劳断裂往往是破坏性的，涉及安全方面，必须高度重视。提高曲轴疲劳强度常见的强化工艺大致有5种。

曲轴强化工艺

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％。

5．复合强化

该工艺就是应用多种强化工艺对曲轴进行强化处理，例如曲轴轴颈氮化加圆角滚压工艺等。

由以上可知，圆角滚压对提高曲轴疲劳强度有显著作用。目前汽车曲轴以及工程机械用发动机曲轴越来越多地采用圆角滚压强化工艺，国外轿车发动机曲轴几乎全部采用圆角滚压工艺。由于圆角滚压可大幅度提高疲劳强度，因此它成为曲轴“以铁代钢”的关键工艺。就目前而言，曲轴圆角滚压强化工艺已成为提高产品竞争力的重要手段。

图1 曲轴受压力P时的应力分布

曲轴圆角滚压强化机理

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（见图1），曲拐顶部受压力P时，曲拐两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。

图2 曲轴圆角滚压示意图

2．曲轴圆角滚压强化机理

如图2所示，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，这条塑性变形带具有以下特点：

（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。

3．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3种类型：

（1)直接滚压。直接滚压就是在精磨主轴颈和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0.1mm）进行滚压。直接滚压的缺点是容易在轴颈表面和侧表面挤出一线凸台，后续工序难以处理；在需要轴颈感应淬火的曲轴，滚压后容易引起较大的弯曲变形，滚压校直处理时也比较棘手。

（2)粗加工滚压。粗加工滚压就是在曲轴精磨成形之前进行滚压强化，这样滚压引起的形变可在精加工时去除，但也会将塑性变形带磨去一部分，大大削弱了滚压强化效果，故目前很少采用。

（3)圆角沉割滚压。圆角沉割滚压就是在轴颈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0.1mm）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。目前国外轿车发动机曲轴几乎全部采用圆角沉割滚压方法。

曲轴圆角滚压形变工艺分析

在卡车曲轴中，一般采用的强化工艺是曲轴轴颈表面氮化加圆角滚压的复合强化工艺（若是在曲轴圆角滚压后再进行氮化处理，则氮化时的高温会将滚压时形成的圆角残余压应力消除很大一部分，所以一般不采用这种工艺）。生产线上先是将曲轴圆角沉割加工成型（此时轴颈也已加工到成品尺寸），再送氮化工序，氮化后再抛光处理，最后圆角滚压强化。经滚压后的曲轴检测后发现长度尺寸发生了变化，也就是说滚压使得曲轴变长了。由于此时的曲轴分档和档宽尺寸已是最终尺寸，无法再进行加工，因此造成了大批的不合格品，部分曲轴甚至报废。

图3 某型号曲轴产品部分分档和档宽尺寸（单位：mm）

我们对某型号的四缸曲轴（材料QT800-4，见图3）取20条作了工艺试验，分别编号为1～20，对滚压前后的主轴分档和档宽尺寸变化对比见表1和表2。

表1 滚压前曲轴的主轴分档和档宽尺寸

从两表中清楚地看出，经圆角滚压后的曲轴分档长度都有了增长，而且是四分档尺寸增长的幅度高于任何其他分档尺寸，为0.08～0.12；三分档增长量为0.06～0.10；二分档增长量为0.04～0.06；一分档增长量为0.02～0.04。这是因为四分档尺寸测量累计了所有主轴颈（包括连杆轴颈）滚压后的涨量，而从档宽的尺寸增长来看（0.02），也验证了这一点。

表2 滚压后曲轴的主轴分档和档宽尺寸