圓角滾壓殘余壓應(yīng)力與曲軸疲勞強(qiáng)度的關(guān)系

楊如松

（上海汽車集團(tuán)有限公司乘用車公司，上海201804）

圓角滾壓殘余壓應(yīng)力與曲軸疲勞強(qiáng)度的關(guān)系

楊如松

（上海汽車集團(tuán)有限公司乘用車公司，上海201804）

通過(guò)對(duì)某發(fā)動(dòng)機(jī)鍛鋼曲軸滾壓工藝研究，測(cè)試分析了不同圓角滾壓工藝條件下曲軸圓角表面殘余壓應(yīng)力與彎曲疲勞極限彎矩的關(guān)系。試驗(yàn)結(jié)果表明，圓角滾壓對(duì)曲軸有顯著強(qiáng)化效果，可使疲勞極限彎矩和安全系數(shù)顯著提高，試驗(yàn)結(jié)果對(duì)曲軸設(shè)計(jì)開發(fā)中圓角滾壓工藝的選擇具有一定的參考價(jià)值。

曲軸圓角滾壓殘余壓應(yīng)力疲勞極限彎矩安全系數(shù)

1　概述

曲軸是發(fā)動(dòng)機(jī)最重要的部件之一。曲軸服役工況條件惡劣，其失效形式一般是軸頸磨損和疲勞斷裂［1］。在發(fā)動(dòng)機(jī)小型化、高功率的發(fā)展趨勢(shì)下，更要求曲軸具有足夠的強(qiáng)度和剛度，具有良好的承受沖擊載荷的能力。需通過(guò)氮化、噴丸、圓角淬火、圓角滾壓及復(fù)合強(qiáng)化等工藝強(qiáng)化曲軸，來(lái)提升曲軸的疲勞強(qiáng)度。曲軸圓角滾壓強(qiáng)化具有成本低、效率高和強(qiáng)化效果顯著等優(yōu)點(diǎn)［2］。鋼制曲軸采用圓角滾壓，對(duì)提高疲勞強(qiáng)度具有明顯的作用，據(jù)文獻(xiàn)介紹可使壽命提高70%～150%。

因此，為了選擇適宜的提升曲軸疲勞壽命的強(qiáng)化工藝，對(duì)曲軸進(jìn)行強(qiáng)度分析和疲勞壽命的研究是一項(xiàng)重要的工作。本文介紹某發(fā)動(dòng)機(jī)鍛鋼曲軸采用不同圓角滾壓工藝試驗(yàn)后，其表面滾壓殘余應(yīng)力對(duì)曲軸彎曲疲勞強(qiáng)度的影響。

2　試驗(yàn)樣品與滾壓工藝方法

2.1試驗(yàn)樣品

試驗(yàn)曲軸樣品為某量產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸成品零件，為鍛鋼曲軸。試驗(yàn)曲軸毛坯材料為非調(diào)質(zhì)鋼SAE1538MV，化學(xué)成分如表1所示。

曲軸采用鍛后控冷工藝方式，其基體組織為珠光體+鐵素體，硬度為259～274 HBW，見圖1。成品曲軸軸徑處采用中頻感應(yīng)淬火，感應(yīng)淬火區(qū)域顯微組織為4～5級(jí)回火馬氏體組織，見圖2。其表面硬度為51.5～53.0 HRC，有效硬化層深度在2.32～2.55 mm（440 HV）。

表1　化學(xué)成分（%）

圖1　曲軸基體組織（500×）

圖2　曲軸感應(yīng)淬火區(qū)組織（500×）

2.2圓角滾壓工藝分類

根據(jù)圓角加工方法和曲軸加工工藝流程中的滾壓工序次序，目前主流曲軸圓角滾壓工藝主要可分為3種：成品滾壓、半精加工圓角滾壓和圓角沉割滾壓。

本文研究的曲軸采用圓角沉割滾壓，即在過(guò)渡圓角處沉割出與滾輪半徑大小相同的圓角，然后再進(jìn)行滾壓加工，其對(duì)粗加工精度要求較高。這種工藝優(yōu)點(diǎn)是，（1）滾壓時(shí)不會(huì)在圓角與軸徑交界處產(chǎn)生凸緣；（2）曲軸圓角及軸徑端面均不需要磨削而直接加工成型；（3）一定范圍內(nèi)的滾壓變形可以在精磨時(shí)消除［3］。圖3為典型圓角滾壓加工時(shí)滾輪與曲軸的位置關(guān)系，滾輪和曲軸分別繞自身軸線旋轉(zhuǎn)，并在圓角處形成對(duì)滾。圖4為實(shí)際滾壓工藝示意圖。

圖3　圓角滾壓加工示意圖

圖4　曲軸深滾壓頭示意圖

2.3滾壓工藝試驗(yàn)方法

采用德國(guó)Hegenscheidt-MFD公司生產(chǎn)的7893R型曲軸圓角滾壓設(shè)備裝置，整機(jī)由9個(gè)滾壓?jiǎn)卧獙?duì)5個(gè)主軸頸和4個(gè)連桿軸頸同時(shí)進(jìn)行滾壓，見圖5。采用該深滾壓工藝設(shè)備，曲軸圓角表面滾壓后可實(shí)現(xiàn)低表面粗糙度、形成形變硬化層和保持殘余壓應(yīng)力等，同時(shí)對(duì)曲軸可以實(shí)現(xiàn)邊滾壓邊矯直的特點(diǎn)，可提高曲軸的整體疲勞強(qiáng)度。

為了更好地通過(guò)試驗(yàn)研究分析不同圓角滾壓工藝，其表面滾壓殘余應(yīng)力對(duì)曲軸彎曲疲勞強(qiáng)度的影響，特別選取了4種不同狀態(tài)的試驗(yàn)工藝方案，見表2。

圖5　滾壓設(shè)備圖

表2　試驗(yàn)工藝方案

曲軸從毛坯到最終成品的主要工藝流程如下：粗加工→切沉割槽→連桿/主軸軸徑感應(yīng)淬火、回火→滾壓和矯直（或取消滾壓）→精磨軸徑、端面→拋光。

3　試驗(yàn)方法

3.1殘余應(yīng)力測(cè)試

在Proto-iXRD型X射線應(yīng)力分析儀上，采用同傾衍射幾何方式對(duì)軸頸表面殘余應(yīng)力進(jìn)行測(cè)試，見圖6。測(cè)試按照ASTM E915-2010及DIN EN 15305-2008標(biāo)準(zhǔn)中的方法進(jìn)行，具體測(cè)試原理可參照文獻(xiàn)［4，5］。采用Proto-8818電解拋光機(jī)及飽和NaCl水電解液。

圖6　X射線應(yīng)力測(cè)試系統(tǒng)

3.2疲勞試驗(yàn)

采用ERD-100電磁激振式曲軸彎曲疲勞測(cè)試系統(tǒng)（如圖7所示），加載波形為正弦波，加載步長(zhǎng)分別為20 MPa和30 MPa，加載頻率約50 Hz。因在發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸工作中連桿頸部位的受力最為苛刻，故本試驗(yàn)研究采用QC/T 637-2000中的升降法來(lái)測(cè)定曲軸第4拐的疲勞極限彎矩，試驗(yàn)循環(huán)基數(shù)107次，取樣如圖8所示。試驗(yàn)規(guī)定當(dāng)系統(tǒng)共振頻率下降1%時(shí)，即判斷試件已發(fā)生失效。電磁激振設(shè)備在諧振狀態(tài)下，激勵(lì)彎矩可以放大數(shù)十倍甚至上百倍，并通過(guò)標(biāo)定使等效彎矩達(dá)到工作彎矩值，且加載頻率較高，能夠?qū)崿F(xiàn)加速疲勞試驗(yàn)［6］。

圖7　電磁激振式曲軸彎曲疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)

圖8　曲軸第4拐疲勞試驗(yàn)件（連桿軸頸）

4　試驗(yàn)結(jié)果

采用第2章中的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)和測(cè)試方法，完成了4種不同工藝條件下試件的殘余應(yīng)力測(cè)試及彎曲疲勞試驗(yàn)。

4.1滾壓殘余應(yīng)力試驗(yàn)結(jié)果

金屬表層在滾輪壓力作用下，由于滾壓力超過(guò)材料的屈服極限，產(chǎn)生塑性變形［7］。對(duì)10 kN試驗(yàn)滾壓力與未滾壓狀態(tài)作比較，可見圓角深度發(fā)生明顯變化，侵入深度約0.12 mm，見圖9。同時(shí)，滾壓產(chǎn)生的冷作硬化效應(yīng)，使得工件表面硬度得以提高，見圖10。隨著硬度提高，從金屬表層直到某一深度，也出現(xiàn)了顯著的殘余壓應(yīng)力［8］，見圖11。

圖9　圓角深度變化示意圖

圖10　滾壓后連桿軸頸表面硬度曲線

圖11　滾壓后連桿軸頸圓角表面殘余壓應(yīng)力曲線

4.2滾壓試件疲勞試驗(yàn)結(jié)果

按照表1中4種工藝方案各加工12件樣件，檢測(cè)不同滾壓力對(duì)樣件連桿軸頸圓角處疲勞強(qiáng)度的影響程度。根據(jù)是否進(jìn)行滾壓加工，以及滾壓力大小，每種情況分別設(shè)置了3種試驗(yàn)彎矩，具體參數(shù)見表3。圖12～圖15分別是未滾壓和3種不同滾壓力后的軸頸疲勞試驗(yàn)結(jié)果，圖中循環(huán)壽命小于107次的均為連桿軸頸圓角表面開裂。

表3　試驗(yàn)彎矩

圖12　軸頸未滾壓疲勞試驗(yàn)

圖13　軸頸滾壓力6.0/4.8 kN疲勞試驗(yàn)

圖14　軸頸滾壓力10.0/8.0 kN疲勞試驗(yàn)

圖15　軸頸滾壓力14.0/11.2 kN試件疲勞試驗(yàn)

對(duì)圖12～圖15的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行配對(duì)分析，可確定各工藝條件下有效數(shù)據(jù)對(duì)n=6。結(jié)合統(tǒng)計(jì)計(jì)算結(jié)果可知，所得數(shù)據(jù)均滿足置信度≥95%，相對(duì)誤差≤5%的要求，根據(jù)QC/T637-2000標(biāo)準(zhǔn)要求完成數(shù)據(jù)處理，見表4。

表44　種工藝方案下試件彎曲疲勞試驗(yàn)結(jié)果

4.3安全系數(shù)估算

根據(jù)QC/T 637-2000中曲軸名義工作彎矩的計(jì)算方法，計(jì)算得到該曲軸的名義工作彎矩375.4 N· m，由此計(jì)算出50%和99.9%存活率下安全系數(shù)，計(jì)算結(jié)果如圖16所示。

圖16　不同滾壓強(qiáng)化工藝下的曲軸彎曲疲勞安全系數(shù)

5　分析研究

5.1圓角滾壓工藝對(duì)殘余壓應(yīng)力的影響

通過(guò)對(duì)方案1～方案4這4種不同滾壓工藝狀態(tài)下圓角殘余應(yīng)力進(jìn)行測(cè)試分析，可以發(fā)現(xiàn)未經(jīng)圓角滾壓的曲軸，其連桿頸和主軸頸表面為拉應(yīng)力；經(jīng)滾壓后，可消除曲軸連桿頸和主軸頸處表面及次表面拉應(yīng)力，并在圓角處產(chǎn)生一定的殘余壓應(yīng)力。通過(guò)硬度測(cè)試分析，確定圓角滾壓工藝使?jié)L壓處發(fā)生明顯塑形變形，并形成高硬度的致密層。

5.2圓角滾壓工藝對(duì)疲勞強(qiáng)度的影響

為評(píng)估圓角滾壓強(qiáng)化工藝及殘余壓應(yīng)力對(duì)彎曲疲勞的影響，采用軸徑圓角彎曲疲勞試驗(yàn)條件下99.9%存活率疲勞極限作為估算依據(jù)。不采用滾壓強(qiáng)化時(shí)，其99.9%存活率下的彎曲疲勞強(qiáng)度為294 N·m，采用3種不同滾壓工藝強(qiáng)化后，彎曲疲勞強(qiáng)度分別提高了

方案2：（670-294）/294=128%

方案3：（817-294）/294=178%

方案4：（910-294）/294=210%

即曲軸經(jīng)過(guò)這3種不同工藝下的圓角滾壓強(qiáng)化后，其在99.9%存活率條件下的疲勞極限彎矩分別約提高了128%、178%和210%。

5.3圓角滾壓強(qiáng)化對(duì)安全系數(shù)的影響

在基本確定發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的最重要的結(jié)構(gòu)參數(shù)以后，需要進(jìn)行CAE來(lái)分析計(jì)算曲軸強(qiáng)度，根據(jù)SAIC CAE要求，需要計(jì)算結(jié)果，安全系數(shù)要求大于1.5。

從圖16的結(jié)果可以確定，這3種不同圓角滾壓強(qiáng)化工藝，可有效提升軸頸圓角處50%和99.9%存活率下的安全系數(shù)，并均可滿足設(shè)計(jì)安全系數(shù)要求。同時(shí)從圖中也可以看出，在初始階段，隨著滾壓力的提升，強(qiáng)化效果對(duì)安全系數(shù)有明顯影響，后續(xù)滾壓力對(duì)安全系數(shù)的影響逐漸降低。

6　小結(jié)

（1）通過(guò)滾壓殘余應(yīng)力測(cè)試及疲勞試驗(yàn)結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)疲勞強(qiáng)度隨滾壓殘余應(yīng)力的提升而提高，說(shuō)明在疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)分析中考慮殘余應(yīng)力對(duì)曲軸疲勞強(qiáng)度影響的必要性和合理性。

（2）采用圓角沉割滾壓強(qiáng)化工藝，能有效實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化效果。曲軸經(jīng)過(guò)方案2～方案4這3種不同工藝下的圓角滾壓強(qiáng)化后，其在99.9%存活率條件下的疲勞極限彎矩分別提高了約128%、178%和210%。

（3）試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在現(xiàn)有滾壓設(shè)備工藝能力條件下，采用3種不同滾壓力的圓角滾壓強(qiáng)化工藝后，試件在99.9%時(shí)的彎曲安全系數(shù)分別可達(dá)1.78、2.18和2.42，較未滾壓狀態(tài)下的0.78有明顯提升，均可滿足設(shè)計(jì)安全系數(shù)大于1.5的要求。綜合考慮到設(shè)計(jì)安全冗余量、工藝經(jīng)濟(jì)性以及設(shè)備能力等因素，實(shí)際批量生產(chǎn)時(shí)選擇了安全系數(shù)為2.18的最適宜工藝方案。

（4）隨著發(fā)動(dòng)機(jī)小型化、高功率的發(fā)展趨勢(shì)，要求曲軸具有更高的強(qiáng)度和剛度。為保證更高負(fù)荷發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的設(shè)計(jì)要求，在滾壓工藝設(shè)備能力許可的條件下，試驗(yàn)分析研究更高的滾壓強(qiáng)化工藝方案，可作為下一步的工作重點(diǎn)。

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The Relationship of Fillet Rolling Residual Compressive Stress and Crankshaft's Fatigue Strength

Yang Rusong
（SAIC Motor Passenger Vehicle Co.，Shanghai 201804，China）

Through the study on the rolling technique of one engine crankshaft，the relationship of the crankshaft's round corner surface residual compressive stress and fatigue limit bending moment in different fillet rolling technique was analyzed.The test result showed that fillet rolling technique had obvious definite effect on the crankshaft performance，which is to increase the fatigue limit bending moment and safety factor. This study result had a certain reference value in choosing suit-able fillet rolling technique under the crankshaft design process.

crankshaft，fillet rolling，residual compressive stress，fatigue limit，moment，safety factor

10.3969/j.issn.1671-0614.2016.03.010

來(lái)稿日期：2016-06-07

楊如松（1961-），男，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)槠嚱饘俨牧霞肮に嚒?/p>