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  • 终于晓得曲轴滚压工艺

    1曲轴滚压工艺

    在以往的工艺中,为了提高曲轴的疲劳强度,在曲拐半径一定的前提下,主要增加曲轴的主轴颈和连杆轴颈的直径,增加两轴颈的重叠高度或重叠面积来确保曲轴的疲劳强度。但是,这样会造成曲轴结构的庞大和重量的增加,不仅使材料的利用率低,同时也增加了发动机的重量,使发动机燃油经济性差。现在追求发动机的轻量化,很多曲轴主轴颈和连杆轴颈的重叠度减小,甚至重叠度为零或负重叠度,为了确保曲轴的强度,需要对轴颈和曲柄臂的过渡圆角进行处理。奇瑞发动机曲轴采用比较先进的曲轴深滚压技术,使滚压后的曲轴圆角表面粗糙度小,滚压后表面形成一种硬化层和保持残余压应力等特点,对曲轴可以边滚压边矫直等特点,提高了曲轴整体疲劳强度。

    使用深滚压技术,滚压轮在接触压力下沿着沟槽圆周方向移动,根据金属变形理论:零件表面在外力作用下,被滚压金属的原子间距离会暂时减小或晶粒间产生滑动,当外力达到一定数值时,被加工表面金属除产生弹性变形外,还形成塑性变形。由于塑性变形的产生,使零件被加工表面的形状、组织结构和物理性能都发生了变化,使金属被滚压层的组织变得紧密、晶粒变细、晶粒形状也沿着变形方向延伸,在被滚压金属表层内产生一定残余压应力,使金属表面得到强化,提高了零件表层冷作硬化硬度,压平了微观不平度,降低了零件的表面粗糙度,被滚压金属表面的强度极限、屈服极限和疲劳极限都有提高。

    深滚压加工特点主要有:圆角表面粗糙度低;曲轴整体疲劳强度得到很大程度的提高;成本低,生产率高,滚压过程中设备对曲轴滚压力进行监控,确保工件只有经过正确的深滚压后才被传送到下一工位,使设备开动率大于97%;磨削工序不用磨侧面和过渡圆角;边滚压边对曲轴进行校直,确保主轴颈跳动小于,连杆轴颈的对称度满足磨削能力的要求。

    [图片0]2曲轴圆角滚压工艺

    1.工艺分析

    目前曲轴材料一般有两种,即钢件和球铁件。随着技术进步,等温淬火球铁曲轴有扩大应用趋势,但目前在国内应用还比较少,我们公司也无相关应用,故本文不针对等温淬火球铁曲轴进行分析。

    实施圆角淬火工艺,钢件曲轴疲劳强度可提升以上,球铁曲轴只能提升30%左右;而圆角滚压工艺可以提升球铁曲轴疲劳寿命的150%~300%,钢件曲轴只能提升70%~150%。

    因此,球铁曲轴优先采用圆角滚压工艺,一般不采用圆角淬火。钢件单纯从提高疲劳强度方面考虑优先采用圆角淬火工艺,但圆角淬火工艺对预切圆角粗糙度要求更高,表面不能用任何沟槽,淬火易发生裂纹,淬火变形弯曲也没有后序的滚压校直,实际控制难度较大,在产品设计滚压疲劳寿命能达到要求的情况,推荐采用圆角滚压。

    2.滚压部位和类型

    曲轴圆角滚压有三种类型,其工艺方式和优缺点如表1所示。目前,一般采用圆角沉割滚压,滚压部位为所有主轴颈、连杆颈圆角。为了方便滚压,形成有效的压应力层,圆角滚压处一般不允许淬火。

    3.其他要求确认

    早期滚压设备只有滚压功能,没有校直功能,一般滚压后会布置校直工序,而这种外力校直(见图2)对滚压疲劳强度有较大损害,校直量越大,疲劳强度损失越大,但不校直跳动过大,无法满足后序要求。现在先进的滚压设备自带滚压校直功能,滚压校直对疲劳强度没有影响。

    3曲轴滚压

    滚压工艺作为特殊工艺,其工艺开发的先期策划对后期设备的使用和过程维护起着至关重要的作用。根据国内的滚压经验并结合奇瑞汽车开发过程中的一些实际经验的应用情况,梳理出滚压的基本过程,并根据不同的步骤制定了相应的规范或要求。

    滚压为特殊工艺,国内起步比较晚,对于滚压工艺,我们处于边使用边摸索总结的阶段。所谓滚压工艺性评估,只是对产品图的滚压要求、工艺和产品进行确认,很多重要的滚压参数还依赖产品的大量理论计算和试验,如滚压力。总而言之,滚压工艺开发是产品和工艺共同开发、共同验证的一个过程。

    曲轴是内燃机重要的零件之一,其主要功能是传递与输出动力,驱动各运动机构和附件。曲轴的破坏形式主要是弯曲疲劳破坏,曲轴疲劳裂纹大部分起源于应力集中的部位——曲轴曲柄至轴颈的过渡圆角处,即所有主轴颈和连杆颈圆角。此处需要强化处理,目前常用的是圆角滚压和圆角淬火,来提升疲劳强度。

    目前曲轴材料一般有两种,即钢件和球铁件。随着技术进步,等温淬火球铁曲轴有扩大应用趋势,但目前在国内应用还比较少,实施圆角淬火工艺,钢件曲轴疲劳强度可提升以上,球铁曲轴只能提升30%左右;而圆角滚压工艺可以提升球铁曲轴疲劳寿命的150%~300%,钢件曲轴只能提升70%~150%。因此,球铁曲轴优先采用圆角滚压工艺,一般不采用圆角淬火。