精车滚压工艺对曲轴止推端面质量的影响

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曲轴止推端面传统的精加工采用磨削。精车滚压是近年来获得应用的一种先进精加工方法。与磨削加工相比.精车滚压加工具有一次性投入小、加工效率高、节省刀具成本等优点。
1 k) i/ U+ w" _8 Q: Z* H　　曲轴止推端面的精车滚
  o: F3 [$ K5 R5 @　　曲轴止推端面不仅承受由曲轴轴向窜动以及受热引起的轴向力，实现曲轴的轴向定位，而且是后续加工的基准。因此，曲轴止推端面的加工质量直接影响到其他工艺质量，影响发动机的整体性能。
　　曲轴止推端面传统的精加工采用磨削。精车滚压是近年来获得应用的一种先进精加工方法。与磨削加工相比，精车滚压加工采用的是车滚专机，一次性投入要小于磨削加工的投入；加工效率高，滚压速度一般为30～60mm/min ，滚压一次即可达到要求精度，并且可以在线测量，直接获得开档尺寸信息.滚轮没有砂轮磨损得快，节省了刀具成本，同时减少了换刀时间。在精车滚压之前，端面先经过粗车。精车滚压工艺是在组合机床上实现的。精车滚压工艺如下。
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　　1.滚压器 2.止推端面 3.主轴径 4.精车刀片
5 x5 R( z# u$ t  d! x4 `+ Z0 t　　图1 止推端面的精车滚压
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+ C, f$ o" Z0 T8 e* V　　1.滚压器 2.止推端面
　　图2 滚压原理示意图
  ~( h# ^5 V# S, D% \# d　　首先，料架将曲轴送至回转位置，尖顶在两端中心孔上进行粗定位，曲轴此时沿轴向仍处在弹簧力作用下的浮动状态。滚压头伸进止推端面开档，滚压头以轴线为中心逆时针旋转一定角度，使滚轮接触侧壁，并调整曲轴轴向位置，直到两侧均靠严。其次，液压装置将曲轴两端顶尖锁紧，工件轴向完全定位，同时左端卡爪夹紧轴的小头，如图1。工件旋转时，涨刀装置动作，两刀尖距离涨大，车刀向前进给，精车两侧壁。完成后，刀尖缩回，刀体返回起始位置。然后，滚压头再次伸进开档(如图2) , 滚压轮绕轴顺时针旋转，分别靠紧在两侧壁上，随着曲轴的旋转，滚压轮随动碾止推端面，实现止推端面的滚压加工。
& I" L3 C+ k5 z; Y: s2 m- o　　在这里，精车的主要目的之一是使止推端面间的距离接近设计标准，另一个是为接下来的滚压提供一个较小的粗糙度，以使滚压达到更加好的效果。这里的滚压与曲轴圆角滚压的目的有所不同。圆角滚压的主要目的是增加圆角处的残余压应力，从而抵消曲轴工作中的一部分拉应力，以延缓圆角处裂纹的扩展，从而提高圆角处的疲劳强度。精车滚压的目的是提高表面粗糙度，从而降低裂纹的形成速度。同时，滚压又能提高止推端面的硬度，表面耐磨性也随之提高；产生了一定的残余压应力，对止推端面的疲劳寿命有积极的作用。
　　精车滚压过程中，精车刀片的中心必须与滚压器的中心保持一致，否则会出现两侧滚压量不一致，影响滚压效果。滚压加工后止推端面的表面质量明显好于磨削加工的表面质量，特别是组织致密性得以改善，大大提高了其耐磨强度。精车滚压后即完成了止推端面的整个加工。
　　滚压对止推端面疲劳寿命的影响
$ {) b" [) {' S( r) b+ J% Z3 E　　球墨铸铁 49MnVS3
　　滚压前 83HRB 23HRC
　　滚压后 98HRB 26HRC
　　精车滚压前后粗糙度的变化
　　精车滚压前后粗糙度的变化如表2。由表2看出，精车滚压后表面粗糙度值明显降低，大约降低了一个数量级，这无疑大大提高了表面的疲劳强度。根据断裂力学原理，表面粗糙度越大，切口效应就越大，故疲劳性能越差。这是因为机加工表面总是存在高低不平的加工痕迹如刀痕、裂痕(如图3) ，这些痕迹相当于很多微小缺口，使零件工作表面形成应力集中，可用理论应力集中系数Kt表示。即
　　Kt=1+2(ghr) (1)
　　式中，h为微观不平度高度；r为波谷的曲率半径，g为不平度间距与高度之比的相关系数。
　　
　　
' a$ L6 A3 X6 [% y) b5 D- A　　
- U/ ^3 }" Q  C1 `4 \  W  p+ V0 P7 u　　图3 精车滚压后的加工表面(80×)
　　
+ ^# `7 O8 K5 X7 N1 ^$ @　　图4 滚压分析
　　根据式(1)，粗糙度波谷越深、曲率半径越小越容易形成应力集中。应力集中系数对材料疲劳性能的影响还与材料对缺口是否敏感有关，因此引入有效应力集中系数Kf，即
　　Kf=1+q(Kt-1) (2)
　　取样 1 2 3 4 5
　　滚压前 1.732 0.971 1.415 1.134 1.313
　　滚压后 0.124 0.098 0.136 0.158 0.129
　　式中，q为材料对应力集中的敏感系数，它是材料强度和微观缺口尺寸形状的函数。随着材料强度的增加，r减小，q值增大。由式(2)可知，粗糙度越大，应力集中系数也越大，疲劳寿命越低；反之，则疲劳强度越高。
　　滚压后表面层的残余应力
  `7 l- z& P- s0 z1 X  j( g( X　　止推端面滚压加工的余量只有0.005～0.01mm ，这主要由滚压加工在这里的主要目的和前道加工工序决定，即滚压主要是为了得到较低的表面粗糙度，以满足实际工作的需要。虽然加工余量比较小，但仍能形成一定的残余应力，并对止推端面的疲劳强度产生一定的影响。
　　在滚压加工过程中，影响滚压效果的因素有很多，如滚压力(其实滚压力也主要是由滚压余量决定的)、滚压余量、滚压速度、滚压次数、滚压前零件的表面粗糙度、是否有润滑液等。但在实际加工过程中，滚压余量只能在很小的范围内波动，并且主要由前道工序的尺寸以及设计尺寸决定，因而讨论滚压余量对实际加工的影响意义不大。使用润滑液可以防止表面蜕皮和烧伤，改善滚压器的工作状况。一般第一次滚压的效果最明显，而3次以后几乎就没有什么效果了。因此，这里只考虑滚压速度对残余应力的影响。
　　运用Deform软件对止推端面滚压所产生的残余应力进行了分析(如图4)。从分析结果看，滚压过程确实产生了残余压应力。其中，主要以x、z方向的压应力为主，切向方向的切应力几乎为零。残余应力影响的距离大约为1mm ，主要集中在距离表面0.5mm 以上的位置，如图5。
　　滚压速度对形成的残余压应力的影响如图6。这里用静水应力来表示残余压应力的大小。经过比较发现，不同速度所形成的残余应力几乎没有什么区别。可以看出，滚压速度对残余压应力的形成没有太大的影响。滚压速度仅对表面粗糙度有比较大的影响。
　　残余压应力可以增加裂纹的闭合程度，从而减缓裂纹的扩展速率。闭合力与残余压应力的分布存在对应关系，通常最大的裂纹闭合大致发生在最大应力处。
　　在有残余压应力的情况下，裂纹的闭合率随裂纹长度变化V(a)的关系为：
! l3 M' }! z5 G" j" K! N9 g　　V(a)=Vin-(1-Vin)sr(a)/s1 (3)
　　式中，s1为材料的流变应力；s1(a)为残余应力分布在裂纹尖端的数值。
# @2 p' _# b4 B8 ?; C) w- L+ a　　当-s1(a)值与s1等值时，裂纹尖端将完全闭合，不会扩展；当-s1(a)小于时，裂纹就会扩展。
　　
　　
　　图5 滚压残余应力分布图
　　
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. b/ g8 \+ }9 F9 D* m7 z* t　　图6 不同滚压速度下的残余压应力
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　　(a)滚压前
　　
: _4 {# Q- Q. I2 S　　(b)滚压后
1 W% A( [7 E+ e$ s　　图7 滚压前后表层组织形状的变化
　　球墨铸铁曲轴经滚压后表层组织的变化
& N  n( i/ h5 c　　球墨铸铁曲轴在经过滚压加工后，由于滚压压力较大，滚压时产生的热量较多，滚压后其止推端面的组织发生了一些变化(如图7)。滚压过后的止推端面表层的球状石墨和铁素体大部分被挤碎带出表层，一部分由于压力和摩擦力的作用下，沿着摩擦力的方向形成了细长带状的铁素体和石墨组织(图7中方框所示)。石墨几乎没有什么强度，铁素体的强度也比较低，形成这样的组织会对以后端面的使用性能造成一定的影响，尤其是使用方向上的影响更为显著。石墨和铁素体产生的变形，是沿着滚压加工中的压力和摩擦力的合力方向形成的，在工作过程中，如果所受的力与变形的方向平行，则这个带状组织的寿命比较长，但如果所受的合力垂直于带状组织，则寿命就比较短。这就如同零件在塑性变形过程中形成的纤维流线组织一样，对零件的使用性能来说，工作应力与纤维流线方向所成的角度越大，零件的使用性能越差。所以在曲轴工作中，要注意曲轴的工作方向，曲轴受到摩擦力与压力合力的方向与所形成的带状的铁素体、球墨的方向应尽量保持一致或使其所形成的角度最小，这样止推端面的使用寿命会更长.否则，会大大降低止推端面的使用寿命。试验证明，如果止推端面在精车滚压工艺中的旋转方向与在实际工作中的旋转方向相同，那么止推端面的寿命就可以达到10万km以上；如果方向相反，则止推端面的寿命只有2万～5万km。由此可见，虽然滚压工艺给球墨铸铁曲轴止推端面带来了一定组织形状上的变化，但只要保证止推端面在精车滚压加工和工作中旋向的一致，就可以避免使用寿命不足的缺点。目前，该项技术已经应用于生产，且质量稳定，使用性能良好。
　　结论
　　止推端面的滚压加工不仅可以提高生产效率，同时也在很大程度上改善了止推端面的表面质量。滚压可以显著提高零件的表面硬度，降低表面粗糙度，同时形成的残余压应力提高了止推端面的疲劳寿命，是一个值得推广的改善表面质量的好方法。
1 ^" p. O8 A$ T8 l; x' t　　有限元分析也显示滚压速度对残余应力没有什么影响，但由于滚压压力比较大，所以球铁表面组织变化也比较大，大部分石墨和铁素体被挤压碾出表面，还有一些产生了严重的变形，形成了质量缺陷，对以后曲轴的工作方向对止推端面的寿命产生了较大的影响。精车滚压加工与汽车工作过程中要保持曲轴的旋向一致。
9 x0 i3 t) s: b9 u% d/ P文章关键词： 滚压