曲轴圆角滚压强化方式的基本原理
球铁曲轴滚压工艺的研究
［ 关键词 ］ 曲轴
球 墨铸 铁
圆角滚压
以铁 代 钢
Ａｂｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ： Ｔｈ ｅ ｇ ｅ ｎ ｅ ｒ ａ ｌ ｓ ｉ ｔ ｕ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｓ ｔ ｒ ｅ ｎ ｇ ｔ ｈ ｅ ｎｉ ｎ ｇ ｍｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｓ ｍ ｏ ｆ ｔ ｈｅ ｎ ｏ ｄ ｕ ｌ ａ ｒ ｉ ｒ ｏ ｎ ｃ ｒ ａ ｎｋ ｓ ｈａ ｆ ｔ ｒ ｏ ｌ ｌ ｉ ｎ ｇ， Ｃｏ ｍｐａ ｒ ｉ ｎｇ ｔ ｈ ｅ ａ ｄ ｖ ａ ｎ ｔ ａ ｇ ｅ ｓ ａ ｎ ｄ ｄ ｉ ｓ ａ ｄ ｖ ａ ｎ ｔ ａ ｇ ｅ ｓ ｏ ｆ ｓ ｕ ｒ ｆ ａ ｃ ｅ ａ ｎ ｄ ｄｅ ｅ ｐ ｒ ｏ ｌ ｌ ｉ ｎ ｇ，Ｄｉ ｓ ｃ ｕ ｓ ｓ ｉ ｏ ｎ ｏ ｎ ｓ ｏ ｍｅ ｆ ａ ｃ ｔ ｏ ｒ ｓ ａ ｆ － ｆ ｅ ｃ ｔ ｉ ｎｇ ｔ ｈ ｅ ｑ ｕａ ｌ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ ｒ ｏ ｌ ｌ ｉ ｎ ｇ ．Ｔｈ ｅ ｓ ｔ ｕ ｄ ｉ ｅ ｓ ｓ ｈ ｏ ｗｅ ｄ ｔ ｈ ａ ｔ ：Ｎｉ ｔ ｒ ｉ ｄ ｉ ｎ ｇ ｃ ａ ｎ ｍａ ｋ ｅ ｔ ｈ ｅ ｆ ａ ｔ ｉ ｇ ｕ ｅ ｓ ｔ ｒ ｅ ｎｇ ｔ ｈ ｏ ｆ ｎ ｏ ｄ ｕ ｌ ａ ｒ
件恶劣 ，承受 爆 发压 力 、往 复惯 性 力 和旋 转惯 性 力
以及他们产 生 的力 矩 ，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
例如 曲轴 氮化加 圆角滚压 工艺等 。
１ 曲轴 圆 角滚 压 强 化 机 理
１ ． １ 曲轴疲 劳断 裂 的原 因
ｐ
论述四种强化的强化机理、强化规律及强化方法。
1、形变强化形变强化：随变形程度的增加，材料的强度、硬度升高，塑性、韧性下降的现象叫形变强化或加工硬化。
机理：随塑性变形的进行，位错密度不断增加，因此位错在运动时的相互交割加剧，结果即产生固定的割阶、位错缠结等障碍，使位错运动的阻力增大，引起变形抗力增加，给继续塑性变形造成困难，从而提高金属的强度。
规律：变形程度增加，材料的强度、硬度升高，塑性、韧性下降，位错密度不断增加，根据公式Δσ=αbGρ1/2，可知强度与位错密度（ρ）的二分之一次方成正比，位错的柏氏矢量（b）越大强化效果越显著。
方法：冷变形（挤压、滚压、喷丸等）。
形变强化的实际意义（利与弊）：形变强化是强化金属的有效方法，对一些不能用热处理强化的材料可以用形变强化的方法提高材料的强度，可使强度成倍的增加；是某些工件或半成品加工成形的重要因素，使金属均匀变形，使工件或半成品的成形成为可能，如冷拔钢丝、零件的冲压成形等；形变强化还可提高零件或构件在使用过程中的安全性，零件的某些部位出现应力集中或过载现象时，使该处产生塑性变形，因加工硬化使过载部位的变形停止从而提高了安全性。
另一方面形变强化也给材料生产和使用带来麻烦，变形使强度升高、塑性降低，给继续变形带来困难，中间需要进行再结晶退火，增加生产成本。
2、固溶强化随溶质原子含量的增加，固溶体的强度硬度升高，塑性韧性下降的现象称为固溶强化。
强化机理：一是溶质原子的溶入，使固溶体的晶格发生畸变，对滑移面上运动的位错有阻碍作用；二是位错线上偏聚的溶质原子形成的柯氏气团对位错起钉扎作用，增加了位错运动的阻力；三是溶质原子在层错区的偏聚阻碍扩展位错的运动。
所有阻止位错运动，增加位错移动阻力的因素都可使强度提高。
固溶强化规律：①在固溶体溶解度范围内，合金元素的质量分数越大，则强化作用越大；②溶质原子与溶剂原子的尺寸差越大，强化效果越显著；③形成间隙固溶体的溶质元素的强化作用大于形成置换固溶体的元素；④溶质原子与溶剂原子的价电子数差越大，则强化作用越大。
曲轴的受力情况分析及主要强化方式
曲轴的受力情况分析及主要强化方式
在汽车发动机中，曲轴是承受负荷最大的部件，在发动机工作时，曲轴的各部分会受到弯曲、扭转、拉压和剪切等力的作用。
曲轴时常处于高速旋转的运动状态之中，这会很容易造成磨损和发热烧损，因此要求轴颈表面要有很好的表面耐磨度，同时要防止曲轴的疲劳断裂，在曲轴常见的故障中，因弯曲疲劳断裂引起的故障率高达百分之八十以上。
为了保证发动机正常地、可靠地工作，这就要求曲轴要有足够的强度、耐磨性、刚度和平衡精度，因此，我们在曲轴的制造过程中，必须对曲轴进行强化处理。
对曲轴的强化处理指的是在不改变曲轴的结构的前提下，采用物理的、化学的以及机械的方法，使曲轴得到尽可能大的强化度，以达到提高曲轴的各项力学性能的目的。
在现实生产中，我们可以依据曲轴的工况和实际技术要求，选择一种或多种强化手段对曲轴进行强化处理。
常见的对曲轴强化处理方式主要有以下几种：轴颈表面和圆角淬火强化方式、圆角滚压强化方式、氮化强化方式和碳氮共渗强化方式等。
滚压强化概述
滚压强化概述0前言表面强化技术是近年来国内外广泛研究应用的工艺之一，其方法主要有喷丸、滚压和孔挤压等工艺。
金属材料的破坏往往从表面开始，零件(如内燃机曲轴，汽车的板簧等)工作时承受长期的循环载荷，零件的表面就会产生疲劳裂纹，时间一长裂纹就不断扩展，最终导致零件的疲劳失效。
因此，人们就希望采取措施以提高零件的表面性能，表面滚压强化技术就是其中的一种方法。
该方法是通过机械手段对金属表面加压，使金属表面产生加工硬化以提高零件的性能、质量和使用寿命。
表面滚压强化技术具有很多优点：滚压强化只是改变了材料的物理状态，并未改变材料的化学成分；表面滚压采用的工具和工艺比较简单，加工效率高；滚压强化是一种无切削加工工艺，在加工过程中不会产生废屑、废液，对环境的污染少，符合“绿色制造”的发展理念。
该技术在工业中得到了广泛的应用，产生了巨大的经济效益。
1滚压强化的发展状况滚压强化技术是1929年由德国人提出的，1933年在美国铁路上开始应用滚压方法，1938年前苏联应用于机车车轴轴颈。
1950年美国、前苏联在军用、民用飞机上大量应用孔挤压技术，如提高干涉配合铆接、干涉配合螺接；1970年国内航空部门开始将冷挤压工艺应用到飞机制造及维修中。
我国是在60年代开始广泛深入的研究滚压加工方法的，并在70年代提出了冲击滚压技术，随后又出现了超声波滚压技术。
近年来，表面滚压技术的发展越来越快，应用范围越来越广，其社会和经济效益也日益显著]1[。
2 滚压强化的作用机理（1）微观组织机理：经过切削加工之后，金属的表面都残留有刀具的切削痕迹，在微观下观察可以看见金属的表面呈现出凹凸不平之状。
滚压加工是一种压力光整加工，在滚刀的作用下金属表面会发生强烈的塑性变形。
根据工程材料的相关理论，金属发生塑性变形的基本方式是滑移，即晶体沿某一晶面和晶向相对于另一部分发生相对滑移。
在外力的作用下，晶体不断的滑移，晶粒在变形过程中逐步由软取向转动到硬取向，晶粒之间互相约束，阻碍晶粒的变形。
曲轴圆角滚压的加工工艺
轴 ，采 川 角滚 压 是 最 有 效 的 方 式 。利 用滚 轮的压 力 ，茌 圆 角处形 成 塑性变形 带 ，产 生残余 压应力 ， 与 曲轴运 行中的拉应 力部 分抵消 ，
提 高了 曲轴 的强 度。因此 曲轴 的 圆
槽一 圆角滚压 一精磨 主轴颈 轴颁 一 精 磨连 杆颁 ，这种 工艺路线 有利 ｒ 嘲角滚 压过程 中避免 由于 曲轴承受
的经济 性 ，沉 割槽 圆角 的加 １ ： 足采 川成型 ， Ｊ 车 削而成。
工 曲轴 的 圆角滚压 成品 简图 ，要 求
４ 处 主轴颈 根部 及 １ 处连 杆颈根 部尉 角滚压 。
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发一种新 ｎ 勺 曲轴 ，通过 对渊 顷、 淬火 、氮化 、 角滚 四种 ／ ｆ 状 态 的 轴进 行 』 Ｊ 『 ｌ 工 ，来进 行 ｌ ｌ ｌ ｛ 轴 的
内 ，采用成 形车刮 车削而成 。
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曲轴圆角滚压工艺的介绍1
曲轴圆角滚压工艺的介绍一、深滚压工艺知识背景Deep rollingDuring deep rolling, a deep-rolling roller moves in circumferentialdirection along the groove using contact pressure which causesa partially plastic deformation of the groove.（在深滚压时，深滚压轮在接触压力下在沟槽中沿着圆周方向移动，这会导致在沟槽的局部发生塑性变形）Deep rolling causes in the marginal layer of the groove（在沟槽边缘层的深滚压导致如下结果）−an improvement of surface hardness,（表面硬度改善）−the creation of internal pressure stress and（产生压应力）−an improvement of surface quality（表面质量提高）This increases the fatigue strength of the deep-rolled components.（这些导致深滚压部件的疲劳强度提高）The increase in fatigue strength is caused by the internal pressure stress effect. （内部的压应力导致了疲劳强度的增加）The internal pressure stress（内部压应力）−delay the growth of cracks up to a stop of crack formation（延缓裂纹的生长，直至裂纹矩阵的停止）and−result in higher endurable oscillation amplitudes due to the mean stress displacement.（由于平均应力的抵消导致工件可以承受更高的振幅）During deep rolling in the crankshaft recess, the hydraulic contact pressure of the deep rollers is applied to the entire circumference of the diameter to be processed, and, independent on the actual angle, between preselectable minimum and maximum pressures.（在曲轴沟槽的的深滚压时，深滚压轮的液压接触压力作用到需要处理直径的整个圆周上，可以在不同的角度上预选最大和最小压力）The number of seamings (workpiece rotations for deep rolling) can be preselected.（深滚压的滚压圈数可以预先选择）Advantages of deep rolling crankshaft main and pin bearing fillet radii（曲轴主轴颈和连杆轴颈圆角滚压的好处）1. Maximum improvement of fatigue strength against other technologies.（和其他技术比较具有对疲劳强度最大的改善）2. Improvement of total indicator runout value after deep rolling by roll straightening.（滚压校直改善总的跳动示值）3. Greater round true errors do not influence the fatigue strength generated by deep rolling and roll straightening, but the machining time of the workpieces may differ.（较大的圆度误差不会影响到由滚压校直产生的疲劳强度，但是工价的加工时间可能会不同）4. Economic technology by:经济的工艺−low tool wear（低刀具磨损）−low energy consumption（低能量消耗）−small floor space（小的战地空间）−low noise level（低噪音）−low influence of temperature（小的环境影响）−clean technology without emission of the surrounding influencing ruinous material.（清洁的技术，不会泄漏对环境有破坏性的物质）5. High production safety（高的生产保险）−machine up time > 97 %（开动率大于97％）−reject rate < 0.05 %（剔除率小于0.05％）−quality controlled components 100 %（100％质量监控）−tool monitoring system（刀具监控系统）−rolling force monitoring system which guarantees that only correct deep rolled parts will be transferred to the next operation（滚压力监控系统，确保只有正确的深滚压工件会传送到下一工位）−on request each deep rolled part will be marked by stamping unit （每一个滚压合格的工件会打上标记）6. Cost saving by undercut design of fillet radii in finish grinding operations because bearing widths – except center thrust bearing - will be finished to tolerance by turn broaching or turn - turn broaching in previous operations. Further for finish grinding bearing diameter of crankshafts with T.I.R. < 0,12 mm lower grinding capacity will berequired.（因为轴颈的宽度，除了止推轴颈，会在前面的工序由车拉或车车拉完成，精磨工序就不用磨侧面和圆角，从而节约成本。
曲轴圆角滚压强化方式的基本原理
曲轴圆角滚压强化方式的基本原理
曲轴的圆角部位具有特殊性，所以很容易产生疲劳破坏，所以除了对圆角进行淬火外，我们还要采取另外一种强化方式－圆角滚压。
曲轴在发动机工作的过程中，会受到弯曲、扭转、拉压等交变应力的作用。
曲轴的圆角过渡处在曲轴中是相当薄弱的部位，尤其是连杆轴颈和主轴颈的过渡处，在生产过程中经过磨削加工后留下的刀痕处是最脆弱的地方，因此，我们要通过圆角滚压来增强圆角的强度。
图4.3.1-1曲轴圆角区域的显微硬度
曲轴的圆角滚压强化方法就是指在滚轮的压力作用下，在曲轴的连杆轴颈和主轴颈的过渡圆角处，形成一条滚压塑形变形带来达到强化圆角的效果的一种强化方式。
圆角滚压强化方法是提高曲轴的疲劳强度最行之有效的手段之一，它是实现曲轴生产过程中“以铁代钢”的关键工艺环节。
据统计资料显示，球墨铸铁曲轴材料的曲轴经过圆角滚压处理后，它的寿命可以提高百分之八十到百分之二百，钢制材料的曲轴经过圆角滚压处理后，它的寿命可以提高百分之七十到百分之一百五十。
由于圆角滚压强化工艺对生产技术要求较高，因此国内能实现曲轴圆角滚压工艺的厂家不多，而且采用的相关生产设备基本上都是从国外引进的，针对这一现象，我们进行了多项试验，以期设计出适合朝柴曲轴生产的方法。
单缸柴油机曲轴圆角滚压工艺浅析
力高 出数倍 的集 中应力 峰值 的结果。１ 因而， 【
设计 师们 考虑 改变 结构设 计 、修改设 计参 数 、疏 导应 力 位 向 、削 弱 应 力 峰 值 以提 高 曲轴 疲 劳 寿 命 。工艺 师们 在工 艺上 采取措 施 ，在材质 上合 金 化铸 铁提 高牌 号 、改变材 质 以锻钢代 球铁 ，在 表
有 关 统 计 资 料 显 示 ， 曲 轴 的 断 轴 率 为 ０ ． ５ ．Ｏ ，这是 因曲轴 的结构 及其所 受 的载 荷 ， ．２ ％ 使其 应力 分布 极不 平衡 ，在 主轴颈 、连杆 与 曲拐 相连 接 的过渡 圆角 处产 生 比曲拐 同截 面 的名义 应
曲轴 过 渡 圆 角 处 的 最 大 弯 曲 应 力 占 ８％ ， ０ 扭转应 力 仅 占 ２ ％ 。 曲轴 扭 转 疲 劳 断裂 在 使 用 ０ 中 时有发 生 ，但 较 弯 曲疲 劳断 裂要低 得多 。从 多 年 的生 产 实 践 ，大 量 的 曲 轴 断 裂 是 弯 曲疲 劳 断 裂 。 曲轴 过渡 圆角 处是 曲轴弯 曲疲 劳断裂 源 。曲 轴 断裂 的特征 ，一是 沿轴 颈与 曲轴 圆角过 渡 区呈 ４。 ５ ，二 是 断 口呈典 型 的高周 疲劳 断 口。
三、 曲轴的强化工艺
通 常 ，曲轴 表 面 强 化 的 方 法 是 圆 角 淬 火 强 化 、氮 化 强 化 、喷 丸 强 化 和 圆角 滚 压 强 化 等 方
图 １ 圆角过 渡区应力集 中
法。
东－ ７ ５曲轴 的 最 大 爆 发 压 力 Ｐ ｚ＝８ｏ ０ ｏｏ Ｎ （ ９ Ｓ＝ 、Ｒ＝ ） 曲轴 圆角 处 的最 高应力 峰 值也 只 ６ 有 ２６ Ｍ ａ ４ ．５ Ｐ ，而 曲轴 材 料 ４ ５号 钢 调 质 状 态 极 限强度 （ｂ ，一 般 超 过 ８０ＭＰ ，材 料 提 供 的 ８） ０ ａ 储 备强 度超 出 曲轴 服 役 所 需 要 的 强 度 ３— ４倍 ，
曲轴变力圆角滚压强化及变形的规律研究的开题报告
曲轴变力圆角滚压强化及变形的规律研究的开题报告一、研究背景曲轴是汽车发动机的重要部件之一，其承受着高频、大幅度和复杂的载荷，尤其是在高转速和高扭矩时更容易出现断裂、疲劳和变形等问题。
为了提高曲轴的耐久性和寿命，曲轴的加工工艺和材料技术得到不断的研究和改进。
其中，强化技术是一个有效的手段，可以通过增强材料的内部结构和表面硬度来提高曲轴的抗疲劳性能和扭转刚度，从而减少变形和裂纹的发生。
目前，曲轴强化技术主要有化学沉积、气氛渗碳、等离子喷涂、激光表面处理、磁场强化和滚压等方法。
滚压技术是一种具有广泛应用前景的曲轴强化方法，它可以在曲轴表面形成一层厚度较小但具有高强度和高韧性的改性层，能够有效地提高曲轴的表面硬度和强度，减少表面裂纹和疲劳损伤。
在滚压强化过程中，圆角处是一个特殊的表面形状，其直接受到滚压变形的影响，容易产生塑性变形和残余应力等不利因素。
因此，如何探究曲轴变力圆角滚压强化的变形规律及其对曲轴性能的影响，对于提高曲轴加工质量和性能有着重要意义。
二、研究目的和意义本研究旨在通过实验和数值模拟方法，探究曲轴变力圆角滚压强化的变形规律和影响因素，包括圆角半径、滚压力和滚压速度等方面。
具体目标如下：1.建立曲轴变力圆角滚压强化的数值模拟模型，分析曲轴滚压过程中圆角处的应力和变形规律。
2.设计曲轴滚压实验，测量曲轴在不同滚压条件下的表面形貌、硬度和残余应力等性能指标。
3.通过实验和模拟相结合的方法，分析不同滚压参数对曲轴滚压强化的影响，并探究圆角半径、滚压力和滚压速度等因素的优化策略。
4.对实验和模拟结果进行对比和分析，总结曲轴变力圆角滚压强化的变形规律和影响因素，并为曲轴加工工艺和强化技术的进一步研究提供理论支持和实验基础。
三、研究内容和方法本研究包括以下几个方面的内容：1.曲轴变力圆角滚压强化的理论分析，包括曲轴滚压过程中的应力分布、变形规律、塑性变形和残余应力等基本理论问题。
2.曲轴滚压强化的数值模拟分析，采用有限元软件建立曲轴模型，模拟曲轴滚压过程中的应力变化、变形分布和残余应力等性能。
曲轴滚压校直原理
1曲轴滚压校直原理曲轴滚压校直是根据曲轴的滚压变形规律，针对被校直曲轴的具体变形情况，在计算机专家系统指导下对该曲轴的轴颈圆角的某些部位施加适当的压力进行滚压，使其产生与原变形方向相反的变形，以达到校直的目的［1］。
实践证明，滚压校直后的工件基本上克服了变形回复的缺点，而且使被滚压的轴颈圆角部分得到了表面强化处理，提高了工件的疲劳强度和承载能力。
多缸发动机曲轴的轴颈和曲拐较多，弯曲刚度较低，而且在圆周方向上各向异性，加上材料的不均匀性，以及冷热加工中变形和残余应力等综合因素的影响，使得曲轴的弯曲变形十分复杂，其轴线是一条任意的空间曲线。
因而在应用滚压校直这一新技术时，建立科学的校直专家系统来指导滚压加工是问题的关键所在。
专家系统根据被测曲轴的具体情况，通过分析，解决如下问题：在曲轴的哪些轴颈、轴颈的哪个部位施加滚压力；施加滚压力的角度范围，以及在各角度下该施加多大的滚压力；施加滚压力的滚压圈数。
滚压校直后需要对曲轴再进行测量，如果仍然超差，则进行新一轮的滚压校直，直到合格为止。
22）滚压力和滚压圈数的影响。
在确定了需要滚压的轴颈及其角度范围后，还要确定在各滚压区域该施加多大的滚压力。
各主轴颈的径向跳动量与滚压力的大小有关，但两者之间并不成线性关系，而且存在较大的不确定性。
分析产生这一现象的原因，除了材料本身在塑性范围内的受力与变形不成线性比例外，还与工件的残余应力、缺陷、材质不均以及工件的结构尺寸偏差等因素有关。
因此，难以用简单的数学公式对滚压力与曲轴的弯曲变形之间的关系进行精确的表达。
另外，是用较大的滚压力、较少的滚压圈数，还是反之，二者之间为辨证关系。
从提高工效的角度考虑，前者为好；从减少回复变形量出发，后者为佳。
专家系统需要选择一个最优方案。
（3）曲轴结构尺寸的影响。
在其它条件固定的前提下，曲轴结构尺寸对曲轴滚压所产生的弯曲变形的总体影响趋势为：轴颈之间开档宽度越小，圆角尺寸越大，则弯曲变形就越大，并且轴颈开档尺寸对变形的影响大于轴颈圆角半径的影响。
曲轴圆角滚压加工的方法和作用
曲轴圆角滚压加工的方法和作用曲轴的强化，常用的有圆角滚压、喷丸、圆角淬火、氮化等，而圆角滚压工艺具有以下的优点：提升疲惫强度的幅度为30%-200%;加工成本低，可使用强度较低的材料;加工时间短(<3分钟/根);工艺简单;设备价格低。
该工艺已在国外广泛应用于汽车内燃机曲轴的制造，尤其在中小功率内燃机及轿车发动机曲轴上使用更加普遍。
典型切线滚压沉割圆角加工时滚轮与曲轴的位置关系，滚轮和曲轴分别绕自身轴线旋转并在圆角处对滚曲轴滚压显著提高曲轴疲劳强度的机理在于：①滚压后形成沿一定层深分布的残余压缩预应力，曲轴滚压强化本质上属于一种预应力强化手段，滚轮在滚压力的作用下，使金属表层产生塑性变形，并产生长久的残余压应力，这种残余压应力可以抵消部分在交变弯曲力矩作用下的拉应力和冲击力，部分或全部消除拉应力，使疲劳强度大幅度提高，一般认为残余压缩预应力是曲轴强度提高的主要原因;·②表层形貌的改变和表层材料的硬化，由于滚轮以较大的滚压力作用在曲轴圆角表面，使表面微观不平度减小，降低圆角粗糙度，减小金属表面的应力集中，使裂纹萌生时的疲劳寿命大大地增加，从而达到提高零件疲劳强度的目的。
另外，滚压后表面微观组织结构发生了变化，如组织硬化、位错密度提高等，从而提高了防疲劳裂纹扩展的能力，使其扩展速率下降。
特别是对于球铁曲轴，由于磨削后在轴颈表面形成铁素体毛刺，这些毛刺用其他加工方法很难完全消除，使轴瓦磨损加大。
而滚压时支撑轮辗过轴颈表面，将毛刺压入轴颈表面，有利于提高轴瓦的寿命，这是球墨铸铁曲轴尤其适合滚压强化的主要原因。
上述分析表明，曲轴滚压强化效果的改善需要从两个方面考虑，即合理控制滚压载荷以获得数值大小适中、分布合理的滚压残余压应力;合理设计并选择滚压运动及结构参数以改善被滚压表面的形貌、消除微观裂纹。
2怎样更好的运用曲轴连杆轴机体、曲轴连杆机构是发动机的主要部分，是发动机产生动力和输出动力的机构，可使活塞的直线往复运动转变为旋转运动。
曲轴圆角滚压强化技术综述
应 力 的集 中。一 般 情况 下 ， 零件 的疲 劳源 都 发 生在 应 力 相对 集 中 的区域 ， 而 疲 劳 裂 纹 的形 成 与扩 散 也 主要 源 于 应力 的过 度集 中。 所以 ， 零件 表面 粗 糙度 越低 ， 则零 件 的疲劳 强度 与寿 命越 强 。 为 了使 曲轴 表面 应 力 的集 中程 度 下 降 ，需要 对 曲轴 进 行 磨 削加 工， 使 其表 面粗 糙度 达 到 Ｒ ａ ＝ Ｏ ． ８ ｕ ｍ ， 而 圆角 处 的特 殊形 状 使其 很 难被 加 工 ， 表 面 粗糙 度 也 很难 得 到 保 证 ， 所 以 ，曲轴 圆角 滚 压 的加 工 原 理是 一 个表 面 粗 糙度 较 低 的硬 质 与 一个 表 面 粗 糙度 较 高的 软质之 间 的摩擦 ， 运用 这种 方式 降低 零件 的表 面粗 糙度 。 ３ ）残 余 压应 力 。在 延长 零件 疲 劳寿 命方 面 ， 一 种早 已被 人 们 发现 的 方法 便 是 引入 残 余 压应 力 ， 其主 要 作用 于 零 件材 料 的 疲 劳性 能 ， 而 残余 压 应 力 也 因为 这一 点备 受世 人 所关 注 。当 前 主要 的研 究途 径 主要 在 应 力 的 强度 因 子方 面 ， 在 零 件表 面 出 现 裂纹 时 ， 如 果 交变 载 荷 达 到 了一 定 程度 ， 便会 使 零 件 的应 力 强 度达 到 临 界状 态 ， 裂 纹 也 会 因此 发 生拓 展 ， 隐密 处 ， 必 须 要 提 升零 件 的交 变 应 力 ， 才 能够 使 残 余压 应 力 真正 对 零件 疲 劳 强 度产 生作 用 。
３ 曲轴圆角滚压工艺
现 阶段 ，曲轴 圆 角 滚 压 技 术 由于 工 序 与 圆 角 的 差 异 性 ，
将 曲轴滚 压划 分为 以下 两种 。 １ ）切 线滚 压 。这 种滚 压 方 式主要 应 用于 曲轴 的精 磨 加 工以
圆角滚压装置的原理
圆角滚压装置的原理、结构及主要技术指标
通用的曲轴圆角滚压装置主要由滚压执行机构、液压源和电气控制机构三个部分组成。
如下图所示：
图4.3.3-1通用滚压装置原理示意图
滚压执行机构的核心是滚压钳，它需要吊装在一个立柱上，主要由上下滚压头、上下力臂，以及加载油缸和活动铰链构成。
滚压头采用的是滚轮结构，它的主要优点是可以最大限度的施加滚压力，提高滚压强化效果。
下图为滚压钳结构示意图：
图4.3.3-2滚压钳结构示意图
在圆角滚压装置系统的设计过程中，我们参考了国内外现有圆角滚压强化方式的一些主要技术指标，结合朝柴的生产实际，提出了符合4D柴油机曲轴圆角滚压生产要求技术指标，具体技术指标如下：
滚压力：28kn（max）
加载时间预置范围：0-85s
滚压时间预置范围：0-85s
卸载时间预置范围：0-85s
转速：15、22、28、45rpm
轴颈直径：50-80mm
曲轴长度：600-1200mm
曲轴冲程：130mm(max)
圆角半径：2.0-5.0mm
额定液压压力：6.0mpa
电源电压：380v,50hz。
曲轴滚压圆角
曲轴圆角滚压强化工艺介绍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。
解决形变问题是发挥曲轴圆角滚压工艺优势的门槛。
曲轴是发动机中的主要零件之一，在发动机五大件中是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以下五种：1．氮化：曲轴氮化包括气体软氮化、离子氮化和盐浴氮化等。
氮化能提高曲轴疲劳强度的20％－60％，适用于各类曲轴。
2．喷丸：曲轴经喷丸处理后能提高疲劳强度的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，能提高疲劳强度的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：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的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。
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。
如图1所示，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、扭振力矩，受力情况十分复杂。
曲轴圆角变力滚压及力学分析
［ 摘 要 ］分析 曲 轴 圆 角 滚 压 的 强 化 机 理 ， 虑 加 载 过 程 中存 在 的塑 性 变 形 ， 出 变 力 滚 压 ， 加 以探 讨 分 析 考 提 并 ［ 键 词 ］曲 轴 ；圆角 滚 压 ；变 力 滚 压 关 ，
Ｅ Ｏ图分 类号 ］Ｔ １ ５ Ｂ ２
［ 文献标识码］ ：Ａ
曲轴 是 汽油机 、 油机 的心脏 ， 柴 其制 造质 量要 求 很高， 而曲轴 圆角 滚 压 强化 工 艺 已成 为 提高 产 品 竞 争 力 的重要 手段 ． 通过 对 曲轴进 行 圆角滚 压强化 ， 不
提 高 曲轴 的使 用 寿命．
２ 曲轴 变 力 滚压
２ １ 曲轴 变 力滚压 的提 出 ． 如 果对连 杆径做 周 向 的滚压 时 由时间 引起 的周 向冷作 硬化影 响不 予考 虑 ， 么一 定 的 滚压 力 Ｐ 在 那
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第２ １卷 第 ３期
Ｖｏ１２１ ＮＯ ． ．３
湖 北 工 业 大 学 学 报
Ｊｏ ｒ ａ ｆＨ ｕ ｅｉＵｎｉｅ ｓｔ ｆＴｅ ｈｎ ｌ ｇ ｕ ｎ ｌｏ ｂ ｖ ｒ ｉｙ ｏ ｃ ｏ ｏ ｙ
２０ ０ ６年 ６月
轴 线偏 转 的半 径 不 同（ ２ 图 口中的 ｏ 显然大 于 ｂ Ａ
中的 ｏ ， Ａ） 因此 会带来 主轴轴 线 的弯 曲． 为偏转 角 因 ０的大小 是滚 压力 Ｐ 的 函数 ， ］ 即
０一 Ｆ（ ． Ｐ） （） １
可 以考 虑改 变 Ｐ 的大 小 来 调节 偏转 角 度 ０， 以
发生 在 ＭＭ 平 面 内 ， 他 方 向 的偏 转 可 以忽 略． 其 同
Ｂ 样 图 ３中 ， ＮＮ 为分界 线 ， 下 两个半 圆都 有一 点 以 上 Ａ
钢质曲轴圆角强化工艺研究及强化效果
・ １ ０１ ・
钢质 曲轴圆角 强化工艺研究及强化效果
王 云飞 高 上
（ 一拖 （ 洛阳 ） 柴油机有限公司， 河南 洛 阳 ４ ７ １ ０ ０ ０ ）
摘 要： 针 对铜 质 曲轴 圆 角强 化 工 艺研 究及 强化 效 果进 行 了分 析 。
关键词 ： 曲轴； 圆角 ； 试 验
如图 ５ — ７ 。
信 息技 术 ， ２ ０ １ ３ ， ５ （ １ ） ： １ ７ — ２ １ ．
找到碰撞位置之后可以进行对管道安装的位置进行修改 ，防止碰 【 ４ Ｊ 李雪， 马小军 ， 朱亮． 基于Ｂ １ Ｍ的建筑电气审图专家系统的设计与实 撞。修改完成之后的管道仍需多次进行碰撞检测 ， 确保管道没有碰撞。 现｛ Ｊ １ ． 电气应 用 ， ２ ０ １ ５ ， ６ ． ３电气设备族导入到 Ｒ ｅ ｖ ｉ ｔ 项 目文件 中参数的修改 作者简介 ： 赵秋 阳（ １ ９ ９ ３ ， １ 一 ） ， 男， 吉林建 筑大学本科在读 ； 魏 大 无论是电气设备还是配电盘 ， 都有电气连接件。 该连接件 中的—个 慧（ １ ９ ８ １ ， ７ 一 ） ， 女， 吉林建筑 大学 ， 讲师 ， 研 究方 向： 建筑 电气。 重要参数就是电压 ， 若电气设备电压和配电盘的电压不同， 则无法将配 电盘与电气设备连接 ， 修改电气参数族载入项 目之后 ， 电气数据和产品
１概 述
曲轴是发动机 的重要零部件 ， 曲轴 的安全系数是整机安全 系数 提 高的可靠保证 。曲轴常用的强化方式 主要 是表面淬火技术 ， 对连 杆颈 、 主轴颈 、 法 兰及止推面进行表面处理提高耐磨性能 ， 这种工艺 在我们加 工线应用 已有二十余年的历史 ； 随着工艺技术 的进步 和发 动机 升功率 的提 升 ， 人们 对曲轴热处理 的要求 发生 了改变 ， 除 了耐 磨性 能要求外增加 了强度提升的要求 ， 提升强度需要对 曲轴 的圆角 进 行强化处理 ，这样才能提高 曲轴的强度满足柴 油机 整机使用要
球铁曲轴圆角滚压强化工艺
度 ２ ％ ～ ０ ， 因 喷丸 时须 保 护 轴 颈 表 面 ， ０ ４％ 但 故
较 少采 用 。
缸、 提高 转速 ， 由汽油 机发 展 为柴油 机 等 。随着 发
动机 功率 的提 高 ， 曲轴 的负 荷 也 会 加 大 。如 何 保 证 曲轴在 高负 荷 下 的使 用 性 能 ， 我 们 急 需 解决 是 的 问题 。提高 曲轴 强 度 的方 式 通 常有 两 种 ： 变 改 结构 尺寸 或者 改变 材质 。结构 尺寸 变化 会 引起 整 机结 构 发 生 变 化 ， 变 材 质 ， 由 Ｑ ８ ０２改 为 改 如 Ｔ０－
１ 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 。 曲拐 顶 部 受 压力 尸时 ， 曲拐两 内侧
（ ） 化 。 曲轴 氮 化 包 括 气 体 软 氮 化 、 子 １氮 离
氮化 和 盐 浴 氮 化 等 。 氮 化 能 提 高 曲 轴 疲 劳 强 度
２ ％ ～ ０ ， 用 于各类 曲轴 。 ０ ６％ 适
收 稿 日期 ：０ Ｏ ０ — １ ２ １— ６ １
《 中国重型装备》 Ｃ ＩＡＨ Ａ ＹＥ ＵＰ Ｎ Ｈ Ｎ Ｅ Ｖ Ｑ ＩＭＥ Ｔ
Ｎｏ ４ ． Ｄｅ ｅ ｅ ０ ０ ｃ ｍｂ ｒ２ １
球铁 曲轴 圆角滚压强化 工艺
李海国 袁树 岚 徐 庆杰 张 东 路 俊峰
（． １ 滨州海得 曲轴有限责任公 司， 山东 ２ ６ ０ ２ 中海沥青股份有 限公 司 ， ５ ６６；． 山东 ２ ６ ０ ） ５ ６ １ 摘要 ： 圆角滚压工艺可大 幅度提 高曲轴的疲劳强度和运行 可靠性 ， 过控制 液压 凸起缺 陷 ， 通 补偿滚压 涨量 可以生产 出满足性能要求 的高质量球铁 曲轴 。
曲轴强化工艺介绍
化学热处理
• 化学热处理是将钢件在含有活性元素的介 质中加热一定时间，使合金元素渗入表面 层或形成某种化合物的覆盖层，以提高钢 件的耐磨性、抗蚀性、疲劳抗力或接触疲 劳抗力等性能的工艺方法。通常，在进行 化学渗的前后均需施行合适的热处理，以 期最大限度地发挥渗层的潜力，并达到钢 件心部与表层在金相组织、应力分布等方 面的最佳配合。
化学热处理--渗碳
• 在富碳介质中使碳渗入低碳钢或低碳合金钢的表 面，以在保持心部高韧性的条件下获得高硬度的 表面层，从而提高工件耐磨性和疲劳强度。 • 渗碳后需进行机械加工的工件，硬度不应高于 30HRC。渗碳后的工件均需进行淬火和低温回火。 淬火的目的是使在表面形成高碳马氏体或高碳马 氏体和细粒状碳化物组织。低温回火温度为150200度。 • 渗碳是应用最早、最广泛的化学热处理工艺，常 用的有固体法、气体法、液体法以及其它方法等。
曲轴强化艺介绍
强化的原理
• 在工件的表面尤其是在容易断裂的表面产 生压应力，内部的压应力导致了疲劳强度 的增加 。
强化处理的方法
• • • • 1.圆角深滚压 2.淬火 3.化学热处理 4.喷丸
圆角深滚压
• 深滚压工艺通过内部压应力，材料硬化，主轴颈和连杆轴颈临界圆角区域光 整等效果来增强在动载荷下的部件强度。长久以来，这种工艺被成功的用在 大批量生产的曲轴和轮轴的强度增加中。对于再次加工，一道车削工序就足 够了，轮廓磨削不再必要。深滚压的花费非常低，尤其当和铸铁材料组合时， 相当经济。 优点： 优点：
化学热处理--渗氮
• 在含有活性氮的介质中使工件表面渗入氮元素， 以提高工件的硬度、耐磨性、疲劳强度及红硬性 等的化学热处理工艺，称为抗磨渗氮，简称渗氮 （旧称氮化）。 • 渗氮过程在钢的相变温度以下（450-600度 ）进 行，因而工件变形较小，加以渗层硬度较高，工 件的耐磨性及疲劳性能良好，因而这一工艺得到 了广泛的应用。 • 由于渗氮工艺的发展，凡含有Cr、Mo、V、Ti、 Al等元素的低、中碳合金结构钢、工具钢、不锈 钢等均可进行渗氮
曲轴滚压校直原理
1曲轴滚压校直原理曲轴滚压校直是根据曲轴的滚压变形规律，针对被校直曲轴的具体变形情况，在计算机专家系统指导下对该曲轴的轴颈圆角的某些部位施加适当的压力进行滚压，使其产生与原变形方向相反的变形，以达到校直的目的［1］。
实践证明，滚压校直后的工件基本上克服了变形回复的缺点，而且使被滚压的轴颈圆角部分得到了表面强化处理，提高了工件的疲劳强度和承载能力。
多缸发动机曲轴的轴颈和曲拐较多，弯曲刚度较低，而且在圆周方向上各向异性，加上材料的不均匀性，以及冷热加工中变形和残余应力等综合因素的影响，使得曲轴的弯曲变形十分复杂，其轴线是一条任意的空间曲线。
因而在应用滚压校直这一新技术时，建立科学的校直专家系统来指导滚压加工是问题的关键所在。
专家系统根据被测曲轴的具体情况，通过分析，解决如下问题：在曲轴的哪些轴颈、轴颈的哪个部位施加滚压力；施加滚压力的角度范围，以及在各角度下该施加多大的滚压力；施加滚压力的滚压圈数。
滚压校直后需要对曲轴再进行测量，如果仍然超差，则进行新一轮的滚压校直，直到合格为止。
22）滚压力和滚压圈数的影响。
在确定了需要滚压的轴颈及其角度范围后，还要确定在各滚压区域该施加多大的滚压力。
各主轴颈的径向跳动量与滚压力的大小有关，但两者之间并不成线性关系，而且存在较大的不确定性。
分析产生这一现象的原因，除了材料本身在塑性范围内的受力与变形不成线性比例外，还与工件的残余应力、缺陷、材质不均以及工件的结构尺寸偏差等因素有关。
因此，难以用简单的数学公式对滚压力与曲轴的弯曲变形之间的关系进行精确的表达。
另外，是用较大的滚压力、较少的滚压圈数，还是反之，二者之间为辨证关系。
从提高工效的角度考虑，前者为好；从减少回复变形量出发，后者为佳。
专家系统需要选择一个最优方案。
（3）曲轴结构尺寸的影响。
在其它条件固定的前提下，曲轴结构尺寸对曲轴滚压所产生的弯曲变形的总体影响趋势为：轴颈之间开档宽度越小，圆角尺寸越大，则弯曲变形就越大，并且轴颈开档尺寸对变形的影响大于轴颈圆角半径的影响。
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曲轴圆角滚压强化方式的基本原理
曲轴的圆角部位具有特殊性，所以很容易产生疲劳破坏，所以除了对圆角进行淬火外，我们还要采取另外一种强化方式－圆角滚压。
曲轴在发动机工作的过程中，会受到弯曲、扭转、拉压等交变应力的作用。
曲轴的圆角过渡处在曲轴中是相当薄弱的部位，尤其是连杆轴颈和主轴颈的过渡处，在生产过程中经过磨削加工后留下的刀痕处是最脆弱的地方，因此，我们要通过圆角滚压来增强圆角的强度。
图4.3.1-1曲轴圆角区域的显微硬度
曲轴的圆角滚压强化方法就是指在滚轮的压力作用下，在曲轴的连杆轴颈和主轴颈的过渡圆角处，形成一条滚压塑形变形带来达到强化圆角的效果的一种强化方式。
圆角滚压强化方法是提高曲轴的疲劳强度最行之有效的手段之一，它是实现曲轴生产过程中“以铁代钢”的关键工艺环节。
据统计资料显示，球墨铸铁曲轴材料的曲轴经过圆角滚压处理后，它的寿命可以提高百分之八十到百分之二百，钢制材料的曲轴经过圆角滚压处理后，它的寿命可以提高百分之七十到百分之一百五十。
由于圆角滚压强化工艺对生产技术要求较高，因此国内能实现曲轴圆角滚压工艺的厂家不多，而且采用的相关生产设备基本上都是从国外引进的，针对这一现象，我们进行了多项试验，以期设计出适合朝柴曲轴生产的方法。