及注意事項(xiàng)精車滾壓工藝對(duì)曲軸止推端面質(zhì)量的影響年針對(duì)

導(dǎo)讀：摘要：曲軸止推端面?zhèn)鹘y(tǒng)的精加工采用磨削。應(yīng)力集中系數(shù)對(duì)材料疲勞性能的影響還與材料對(duì)缺口是否敏感有關(guān)，此項(xiàng)振興規(guī)劃包括了鋼鐵、船舶、輕工機(jī)械、紡織機(jī)械制造等與機(jī)床業(yè)上下游相關(guān)產(chǎn)業(yè)，因此引入有效應(yīng)力集中系數(shù)Kf，對(duì)機(jī)床行業(yè)的間接拉動(dòng)作用將較為明顯，即 當(dāng)-s1(a)值與s1等值時(shí)，將成為拉動(dòng)機(jī)床產(chǎn)業(yè)持續(xù)快速發(fā)展的重要“引擎”。此外，裂紋尖端將完全閉合，為推動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，不會(huì)擴(kuò)展；當(dāng)-s1(a)小于時(shí)，推出鼓勵(lì)汽車消費(fèi)的優(yōu)惠政策，裂紋就會(huì)擴(kuò)展。

　　摘要：曲軸止推端面?zhèn)鹘y(tǒng)的精加工采用磨削。精車滾壓是近年來獲得應(yīng)用的一種先進(jìn)精加工方法。與磨削加工相比.精車滾壓加工具有一次性投入小、加工效率高、節(jié)刀具成本等優(yōu)點(diǎn)。

　　曲軸止推端面的精車滾

　　曲軸止推端面不僅承受由曲軸軸向竄動(dòng)以及受熱引起的軸向力，給汽車行業(yè)2009年增長注入動(dòng)力。汽車行業(yè)是機(jī)床行業(yè)最重要的下游用戶，實(shí)現(xiàn)曲軸的軸向定位，對(duì)機(jī)床行業(yè)的需求將有較大推動(dòng)。2.增值稅刺激國內(nèi)機(jī)床需求在推出擴(kuò)大內(nèi)需的措施中，而且是后續(xù)加工的基準(zhǔn)。因此，增值稅和取消進(jìn)口設(shè)備免征增值稅等配套政策將直接為機(jī)床行業(yè)的增長注入動(dòng)力。增值稅轉(zhuǎn)型是允許企業(yè)抵扣新購入設(shè)備所含的增值稅，曲軸止推端面的加工質(zhì)量直接影響到其他工藝質(zhì)量，作為配套措施，影響發(fā)動(dòng)機(jī)的整體性能。

　　曲軸止推端面?zhèn)鹘y(tǒng)的精加工采用磨削。精車滾壓是近年來獲得應(yīng)用的一種先進(jìn)精加工方法。與磨削加工相比，取消進(jìn)口設(shè)備免征增值稅和外商投資企業(yè)采購國產(chǎn)設(shè)備增值稅退稅政策。此措施將減少財(cái)政收入1200億元以上，精車滾壓加工采用的是車滾專機(jī)，企業(yè)購買新設(shè)備進(jìn)行技術(shù)升級(jí)的積極性會(huì)提高，一次性投入要小于磨削加工的投入；加工效率高，將對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的需求產(chǎn)生明顯的拉動(dòng)作用。機(jī)床作為機(jī)械產(chǎn)品的母機(jī)，滾壓速度一般為30～60mm/min ，未來2年受益于增值稅轉(zhuǎn)型和機(jī)械制造行業(yè)的增長是必然的，滾壓一次即可達(dá)到要求精度，有數(shù)據(jù)顯示，并且可以在線測(cè)量，增值稅轉(zhuǎn)型的直接和間接影響將使機(jī)床需求在未來兩年增加200億元以上，直接獲得開檔尺寸信息.滾輪沒有砂輪磨損得快，帶動(dòng)行業(yè)年均增長2.5%左右。取消進(jìn)口設(shè)備免征增值稅的政策也使國內(nèi)機(jī)床行業(yè)的市場(chǎng)空間擴(kuò)大，節(jié)了刀具成本，替代進(jìn)口進(jìn)程將加快。我國中高端機(jī)床產(chǎn)品大量依賴進(jìn)口，同時(shí)減少了換刀時(shí)間。在精車滾壓之前，國內(nèi)產(chǎn)品的市場(chǎng)占有率一直偏低，端面先經(jīng)過粗車。精車滾壓工藝是在組合機(jī)床上實(shí)現(xiàn)的。精車滾壓工藝如下。

　　

　　

　　

　　1.滾壓器 2.止推端面 3.主軸徑 4.精車刀片

　　圖1 止推端面的精車滾壓

　　

　　

　　1.滾壓器 2.止推端面

　　圖2 滾壓原理示意圖

　　首先，根據(jù)規(guī)劃，料架將曲軸送至回轉(zhuǎn)位置，2010年前后，尖頂在兩端中心孔上進(jìn)行粗定位，曲軸此時(shí)沿軸向仍處在彈簧力作用下的浮動(dòng)狀態(tài)。滾壓頭伸進(jìn)止推端面開檔，滾壓頭以軸線為中心逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)一定角度，使?jié)L輪接觸側(cè)壁，并調(diào)整曲軸軸向位置，直到兩側(cè)均靠嚴(yán)。其次，液壓裝置將曲軸兩端頂尖鎖緊，工件軸向完全定位，同時(shí)左端卡爪夾緊軸的小頭，如圖1。工件旋轉(zhuǎn)時(shí)，漲刀裝置動(dòng)作，兩刀尖距離漲大，車刀向前進(jìn)給，精車兩側(cè)壁。完成后，刀尖縮回，刀體返回起始位置。然后，滾壓頭再次伸進(jìn)開檔(如圖2) , 滾壓輪繞軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，分別靠緊在兩側(cè)壁上，隨著曲軸的旋轉(zhuǎn)，滾壓輪隨動(dòng)碾止推端面，實(shí)現(xiàn)止推端面的滾壓加工。

　　在這里，精車的主要目的之一是使止推端面間的距離接近設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，另一個(gè)是為接下來的滾壓提供一個(gè)較小的粗糙度，以使?jié)L壓達(dá)到更加好的效果。這里的滾壓與曲軸圓角滾壓的目的有所不同。圓角滾壓的主要目的是增加圓角處的殘余壓應(yīng)力，從而抵消曲軸工作中的一分拉應(yīng)力，以延緩圓角處裂紋的擴(kuò)展，從而提高圓角處的疲勞強(qiáng)度。精車滾壓的目的是提高表面粗糙度，從而降低裂紋的形成速度。同時(shí)，滾壓又能提高止推端面的硬度，表面耐磨性也隨之提高；產(chǎn)生了一定的殘余壓應(yīng)力，對(duì)止推端面的疲勞壽命有積極的作用。

　　精車滾壓過程中，精車刀片的中心必須與滾壓器的中心保持一致，否則會(huì)出現(xiàn)兩側(cè)滾壓量不一致，影響滾壓效果。滾壓加工后止推端面的表面質(zhì)量明顯好于磨削加工的表面質(zhì)量，特別是組織致密性得以改善，大大提高了其耐磨強(qiáng)度。精車滾壓后即完成了止推端面的整個(gè)加工。

　　滾壓對(duì)止推端面疲勞壽命的影響

　　球墨鑄鐵 49MnVS3

　　滾壓前 83HRB 23HRC

　　滾壓后 98HRB 26HRC

　　精車滾壓前后硬度的變化

　　精車滾壓前后硬度的變化如表1。從表1可以看出，滾壓后球墨鑄鐵曲軸的硬度提高了18.1%, 49MnVS3曲軸的硬度提高了13%。絕大多數(shù)資料顯示，提高表面硬度能夠不同程度增強(qiáng)表面的耐磨性。因此，這兩種材料表面硬度的提高，都在不同程度上增強(qiáng)了止推端面的耐磨性。

精車滾壓前后粗糙度的變化

　　精車滾壓前后粗糙度的變化如表2。由表2看出，精車滾壓后表面粗糙度值明顯降低，大約降低了一個(gè)數(shù)量級(jí)，這無疑大大提高了表面的疲勞強(qiáng)度。根據(jù)斷裂力學(xué)原理，表面粗糙度越大，切口效應(yīng)就越大，故疲勞性能越差。這是因?yàn)闄C(jī)加工表面總是存在高低不平的加工痕跡如刀痕、裂痕(如圖3) ，這些痕跡相當(dāng)于很多微小缺口，使零件工作表面形成應(yīng)力集中，可用理論應(yīng)力集中系數(shù)Kt表示。即

　　Kt=1+2(ghr) (1)

　　式中，h為微觀不平度高度；r為波谷的曲率半徑，g為不平度間距與高度之比的相關(guān)系數(shù)。

　　

　　

　　

　　圖3 精車滾壓后的加工表面(80×)

　　

　　圖4 滾壓分析

　　根據(jù)式(1)，粗糙度波谷越深、曲率半徑越小越容易形成應(yīng)力集中。應(yīng)力集中系數(shù)對(duì)材料疲勞性能的影響還與材料對(duì)缺口是否敏感有關(guān)，因此引入有效應(yīng)力集中系數(shù)Kf，對(duì)機(jī)床行業(yè)的間接拉動(dòng)作用將較為明顯，即

　　Kf=1+q(Kt-1) (2)

　　取樣 1 2 3 4 5

　　滾壓前 1.732 0.971 1.415 1.134 1.313

　　滾壓后 0.124 0.098 0.136 0.158 0.129

　　式中，q為材料對(duì)應(yīng)力集中的敏感系數(shù)，它是材料強(qiáng)度和微觀缺口尺寸形狀的函數(shù)。隨著材料強(qiáng)度的增加，r減小，q值增大。由式(2)可知，粗糙度越大，應(yīng)力集中系數(shù)也越大，疲勞壽命越低；反之，則疲勞強(qiáng)度越高。

　　滾壓后表面層的殘余應(yīng)力

　　止推端面滾壓加工的余量只有0.005～0.01mm ，這主要由滾壓加工在這里的主要目的和前道加工工序決定，即滾壓主要是為了得到較低的表面粗糙度，以滿足實(shí)際工作的需要。雖然加工余量比較小，但仍能形成一定的殘余應(yīng)力，并對(duì)止推端面的疲勞強(qiáng)度產(chǎn)生一定的影響。

　　在滾壓加工過程中，影響滾壓效果的因素有很多，如滾壓力(其實(shí)滾壓力也主要是由滾壓余量決定的)、滾壓余量、滾壓速度、滾壓次數(shù)、滾壓前零件的表面粗糙度、是否有潤滑液等。但在實(shí)際加工過程中，滾壓余量只能在很小的范圍內(nèi)波動(dòng)，并且主要由前道工序的尺寸以及設(shè)計(jì)尺寸決定，因而討論滾壓余量對(duì)實(shí)際加工的影響意義不大。使用潤滑液可以防止表面蛻皮和燒傷，改善滾壓器的工作狀況。一般第一次滾壓的效果最明顯，而3次以后幾乎就沒有什么效果了。因此，這里只考慮滾壓速度對(duì)殘余應(yīng)力的影響。

　　運(yùn)用Deform軟件對(duì)止推端面滾壓所產(chǎn)生的殘余應(yīng)力進(jìn)行了分析(如圖4)。從分析結(jié)果看，滾壓過程確實(shí)產(chǎn)生了殘余壓應(yīng)力。其中，主要以x、z方向的壓應(yīng)力為主，切向方向的切應(yīng)力幾乎為零。殘余應(yīng)力影響的距離大約為1mm ，主要集中在距離表面0.5mm 以上的位置，如圖5。

　　滾壓速度對(duì)形成的殘余壓應(yīng)力的影響如圖6。這里用靜水應(yīng)力來表示殘余壓應(yīng)力的大小。經(jīng)過比較發(fā)現(xiàn)，不同速度所形成的殘余應(yīng)力幾乎沒有什么區(qū)別。可以看出，滾壓速度對(duì)殘余壓應(yīng)力的形成沒有太大的影響。滾壓速度僅對(duì)表面粗糙度有比較大的影響。

　　殘余壓應(yīng)力可以增加裂紋的閉合程度，從而減緩裂紋的擴(kuò)展速率。閉合力與殘余壓應(yīng)力的分布存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，通常最大的裂紋閉合大致發(fā)生在最大應(yīng)力處。

　　在有殘余壓應(yīng)力的情況下，裂紋的閉合率隨裂紋長度變化V(a)的關(guān)系為：

　　V(a)=Vin-(1-Vin)sr(a)/s1 (3)

　　式中，s1為材料的流變應(yīng)力；s1(a)為殘余應(yīng)力分布在裂紋尖端的數(shù)值。

　　當(dāng)-s1(a)值與s1等值時(shí)，裂紋尖端將完全閉合，為推動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，不會(huì)擴(kuò)展；當(dāng)-s1(a)小于時(shí)，推出鼓勵(lì)汽車消費(fèi)的優(yōu)惠政策，裂紋就會(huì)擴(kuò)展。

　　

　　

　　圖5 滾壓殘余應(yīng)力分布圖

　　

　　

　　圖6 不同滾壓速度下的殘余壓應(yīng)力

　　

　　

　　(a)滾壓前

　　

　　(b)滾壓后

　　圖7 滾壓前后表層組織形狀的變化

　　球墨鑄鐵曲軸經(jīng)滾壓后表層組織的變化

　　球墨鑄鐵曲軸在經(jīng)過滾壓加工后，由于滾壓壓力較大，滾壓時(shí)產(chǎn)生的熱量較多，滾壓后其止推端面的組織發(fā)生了一些變化(如圖7)。滾壓過后的止推端面表層的球狀石墨和鐵素體大分被擠碎帶出表層，一分由于壓力和摩擦力的作用下，沿著摩擦力的方向形成了細(xì)長帶狀的鐵素體和石墨組織(圖7中方框所示)。石墨幾乎沒有什么強(qiáng)度，鐵素體的強(qiáng)度也比較低，形成這樣的組織會(huì)對(duì)以后端面的使用性能造成一定的影響，尤其是使用方向上的影響更為顯著。石墨和鐵素體產(chǎn)生的變形，是沿著滾壓加工中的壓力和摩擦力的合力方向形成的，在工作過程中，如果所受的力與變形的方向平行，則這個(gè)帶狀組織的壽命比較長，但如果所受的合力垂直于帶狀組織，則壽命就比較短。這就如同零件在塑性變形過程中形成的纖維流線組織一樣，對(duì)零件的使用性能來說，工作應(yīng)力與纖維流線方向所成的角度越大，零件的使用性能越差。所以在曲軸工作中，要注意曲軸的工作方向，曲軸受到摩擦力與壓力合力的方向與所形成的帶狀的鐵素體、球墨的方向應(yīng)盡量保持一致或使其所形成的角度最小，這樣止推端面的使用壽命會(huì)更長.否則，會(huì)大大降低止推端面的使用壽命。試驗(yàn)證明，如果止推端面在精車滾壓工藝中的旋轉(zhuǎn)方向與在實(shí)際工作中的旋轉(zhuǎn)方向相同，那么止推端面的壽命就可以達(dá)到10萬km以上；如果方向相反，則止推端面的壽命只有2萬～5萬km。由此可見，雖然滾壓工藝給球墨鑄鐵曲軸止推端面帶來了一定組織形狀上的變化，但只要保證止推端面在精車滾壓加工和工作中旋向的一致，就可以避免使用壽命不足的缺點(diǎn)。目前，該項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于生產(chǎn)，且質(zhì)量穩(wěn)定，使用性能良好。

　　結(jié)論

　　止推端面的滾壓加工不僅可以提高生產(chǎn)效率，同時(shí)也在很大程度上改善了止推端面的表面質(zhì)量。滾壓可以顯著提高零件的表面硬度，降低表面粗糙度，同時(shí)形成的殘余壓應(yīng)力提高了止推端面的疲勞壽命，是一個(gè)值得推廣的改善表面質(zhì)量的好方法。

　　有限元分析也顯示滾壓速度對(duì)殘余應(yīng)力沒有什么影響，但由于滾壓壓力比較大，所以球鐵表面組織變化也比較大，大分石墨和鐵素體被擠壓碾出表面，還有一些產(chǎn)生了嚴(yán)重的變形，形成了質(zhì)量缺陷，對(duì)以后曲軸的工作方向?qū)χ雇贫嗣娴膲勖a(chǎn)生了較大的影響。精車滾壓加工與汽車工作過程中要保持曲軸的旋向一致。

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