基于圆角滚压工艺的曲轴疲劳行为-答辩
YC6108ZQ柴油机球铁曲轴疲劳强度及圆角滚压.
YC6108ZQ柴油机球铁曲轴疲劳强度及圆角滚压曲轴是发动机中最重要的零部件之一,工作过程中受力情况非常复杂,工作破坏形式主要是疲劳断裂与磨损,所以,对曲轴疲劳强度的研究是目前曲轴设计研究的一个重要课题。
国内外文献对滚压工艺研究报导明显不足,导致国内厂家滚压工艺参数只能靠经验确定,多数国内厂家依靠进口设备原有的工艺参数,制约了滚压技术的更好应用。
本文对YC6108ZQ柴油机球墨铸铁曲轴滚压工艺强化进行了研究,分析了滚压工艺参数对曲轴疲劳强度的影响规律,为本球铁曲轴工艺参数的改进和优化提供了参考。
本文分析了YC6108ZQ柴油机曲轴各工况下的受力状况;计算了曲轴在各转速下圆角处的不同应力状态;通过试验研究了曲轴材料,包括硬度、强度、延伸率等参数对曲轴疲劳强度的影响规律;研究了曲轴圆角滚压各参数及曲轴圆角结构对曲轴疲强度的影响规律;对曲轴进行了相关的疲劳试验研究;给出了不同滚压力下的疲劳强度极限;得出了YC6108ZQ柴油机球铁曲轴不同疲劳极限值对应的一条最佳残余应力线,以及最佳滚压力值。
本文通过疲劳强度分析和疲劳试验,得到了材料性质和滚压工艺参数对疲劳强度的影响规律,一些结论,如滚压力的提高可在一定范围内可提高曲轴的疲劳强度极限等对实际曲轴的滚压强化生产具有一定的指导意义。
同主题文章[1].各国球墨铸铁标准' [J]. 现代制造工程. 1982.(01)[2].田长浒,陈滌輝,戢家齐. 钒钛球墨铸铁性能试验报告' [J]. 四川大学学报(工程科学版). 1982.(02)[3].白金元. 球墨铸铁拉伸凹模' [J]. 模具工业. 1983.(01)[4].温永泉. 曲轴弯曲疲劳试验的新方法' [J]. 内燃机学报. 1988.(01)[5].罗庆燎. 多种牌号球墨铸铁的生产' [J]. 航空制造技术. 1987.(06)[6].王金廷. 球墨铸铁井管通过鉴定' [J]. 地下水. 1986.(02)[7].郭占哲. 用圆角滚压加工提高曲轴强度' [J]. 车用发动机. 1991.(03)[8].李满良,冯美斌. 圆角滚压球铁曲轴在柴油机中的应用研究' [J]. 汽车工艺与材料. 2002.(Z1)[9].田长浒. 钒钛球墨铸铁耐磨性能的试验研究' [J]. 机械. 1984.(02)[10].铸态QT50—5球墨铸铁科研成果通过省级鉴定' [J]. 华东交通大学学报. 1987.(01)【关键词相关文档搜索】：机械工程; 曲轴; 球墨铸铁; 圆角滚压; 滚压力; 疲劳强度【作者相关信息搜索】：上海交通大学;机械工程;田中旭;蔚兴建;。
曲轴强度疲劳计算的研究及应用
曲轴强度疲劳计算的研究及应用陈阳;黄灿银【摘要】阐述了关于曲轴强度计算原理及方法,提出了多体动力学、有限元及疲劳软件联合计算的方法解决关于曲轴疲劳的计算方法,并运用该方法对某D系列柴油机的曲轴疲劳进行计算.【期刊名称】《柴油机设计与制造》【年(卷),期】2012(018)001【总页数】6页(P11-16)【关键词】曲轴强度计算;多体动力学;有限元;疲劳【作者】陈阳;黄灿银【作者单位】上海柴油机股份有限公司,上海200438;上海柴油机股份有限公司,上海200438【正文语种】中文曲轴是发动机最关键的零件之一。
它在发动机运行过程中传递气体爆发压力和惯性载荷，然后将力矩传递给飞轮端，作为发动机的功率输出。
曲轴具有如此功能，所以在设计时希望获得比发动机预期更长的寿命，即更高的疲劳强度。
但是近年来随着对内燃机动力性能和可靠性的要求不断提高，曲轴的工作条件愈加苛刻，曲轴的强度问题变得更加重要。
曲轴的耐久性成为最重要的课题之一，因为其出现任何问题会导致发动机严重失效，失效的轴系在使用过程中会给公司的声誉及成本带来巨大的损失。
但是，由于高度的竞争和成本的增加，需要低的成本，高的寿命，使得发动机的发展在工程应用中越来越受到限制。
为了达到低成本及高安全系数设计，发动机运行过程应处于高的可信度水平上。
为获得高的精度，在设计早期就应采用CAE技术。
借助于多体动力学与有限元的计算方法对耐久寿命需求的设计修改，能够在零件产品生产出来前就获得过度设计及疲劳失效的设计修改方法。
零件的疲劳强度决定于所受应力的循环变化的幅度及变化的不对称性、零件的形状和尺寸、零件的表面状态、材料的结构以及机械加工和热处理的方法等。
计算结果采用安全系数表示。
曲轴的疲劳强度计算内容，主要是计算最危险处的安全系数，如过渡圆角、油孔边缘处等，并且是对最危险工况进行计算，即找出运转过程中可能出现的应力变化最大幅值和此时的平均应力。
曲轴疲劳强度的计算方法一般按如下2个步骤进行：一是求出曲轴危险部位的应力幅值和平均应力；二是在此基础上进行疲劳强度校核，即按材料的疲劳极限，考虑材料强化处理、应力循环和尺寸影响，求出曲轴上危险部位的最小强度储备，通常以安全系数的形式表示。
圆角滚压残余压应力与曲轴疲劳强度的关系
圆角滚压残余压应力与曲轴疲劳强度的关系杨如松【摘要】通过对某发动机锻钢曲轴滚压工艺研究，测试分析了不同圆角滚压工艺条件下曲轴圆角表面残余压应力与弯曲疲劳极限弯矩的关系。
试验结果表明，圆角滚压对曲轴有显著强化效果，可使疲劳极限弯矩和安全系数显著提高，试验结果对曲轴设计开发中圆角滚压工艺的选择具有一定的参考价值。
%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.【期刊名称】《柴油机设计与制造》【年(卷),期】2016(022)003【总页数】6页(P41-45,56)【关键词】曲轴;圆角滚压;残余压应力;疲劳极限;弯矩;安全系数【作者】杨如松【作者单位】上海汽车集团有限公司乘用车公司，上海201804【正文语种】中文曲轴是发动机最重要的部件之一。
曲轴圆角滚压智能加工系统
曲轴圆角滚压智能加工系统
杨光;陈平;李志明
【期刊名称】《武汉理工大学学报》
【年(卷),期】2001(23)7
【摘要】发动机曲轴圆角滚压可以极大地提高曲轴的疲劳强度 ,但滚压后会产生变形 ,传统的弯曲力校直方法会降低由滚压所产生的压应力。
新的工艺方法是 :先滚压再测量最后滚压校直。
提出了实现这种新工艺方法的加工设备——曲轴圆角滚压智能加工系统。
【总页数】3页(P63-65)
【关键词】曲轴;圆角滚压;智能加工系统;汽车
【作者】杨光;陈平;李志明
【作者单位】武汉理工大学;湖南湘潭电机集团有限公司
【正文语种】中文
【中图分类】U464.133.3;TH16
【相关文献】
1.半精加工曲轴圆角滚压工艺试验研究 [J], 李满良;冯美斌
2.浅谈曲轴圆角滚压对止推面加工余量的影响 [J], 庞晓锋;江涛涛;钟安飞
3.曲轴圆角滚压的加工工艺 [J], 汪磊;王柯雄;李晨
4.曲轴圆角滚压变形分析与滚压校直专家系统的研究 [J], 黄继雄;杨光;余先涛
5.曲轴圆角滚压加工机理及滚压工艺参数设计 [J], 李锁牢;薛隆泉;边宝丽
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曲轴的圆角滚压工艺与疲劳强度
，圆角未经滚压强化时的弯曲疲劳极限
应力 " = $# 4 !/$ ? > 22! ，据此可以估算出上述三种 滚压工艺方案的强化效果 ! " 分别为： 切线滚压 ! "$ 4 （ /1$ = !/$） > !/$’$!,0 半精磨滚压 ! "! 4 （ %!# = !/$） > !/$’$"10 沉割滚压 ! "’ 4 （ 1$’ = !/$） > !/$’$,"0 即沉割滚压的强化效果优于切线滚压和半精磨滚 ・!"・
效果显著等优点。 以球铁曲轴为例 E $ F ， 圆角滚压可使 远高于目前现有的 其弯曲疲劳极限提高 G#H 以上， 其他强化方式，因而使它在汽车发动机曲轴中的应 用日益广泛。据统计，国外圆角滚压的发动机曲轴 在整个曲轴中所占的比例已从 I# 年代的 J#H 提高 到现在的 G#H 左右， 而轿车发动机曲轴则基本上都 是采用圆角滚压工艺进行强化。因此，曲轴圆角滚 压技术已成为发展汽车工业，尤其是轿车工业必不 可少的关键技术之一。 本文介绍某发动机球铁曲轴滚压工艺试验中， 不同的滚压工艺方案对曲轴弯曲疲劳强度的影 响。
《 汽车科技》!##$ 年第 % 期 "& $& $ 沉割的影响 曲轴的轴颈沉割后， 由于沉割槽的半径（ 本试验 中为 !& / 22） 要小于原轴颈圆角半径 （ 本试验中为 ，且沉割槽有一定的深度 （ 一般为 ’& # ; ’& / 22） ） 使轴颈直径和曲拐的重迭度减小。 #& ! ; #& ’ 22 ， 因此， 沉割后曲轴的结构强度将下降， 这一点从沉割 与未沉割两种试件的圆角应变数据可以清楚地反映 出来。在这里采用了单位弯矩在试件连杆轴颈圆角 最大应力点处所产生的应变平均值 !# 来表征曲轴 的结构强度， 不难理解， 曲轴的结构强 !# 的值越大， 度就越低。 试验测得轴颈未沉割和沉割试件的 !# 值分别 据此可以 为 $& %," < $# = % > ?2 和 !& $/! < $# = % > ?2， 算出沉割后轴颈圆角应变 （ 应力） 上升了约 !,0 ， 即 沉割使曲轴的弯曲结构强度下降了约 !,0 ， 但这种 下降却从圆角滚压中得到了补偿。由前述疲劳试验 结果可知，切线滚压试件连杆轴颈圆角的弯曲疲劳 极限应力为 /1’ ? > 22! ， 沉割后则为 1$’ ? > 22! ， 即 沉割滚压后圆角处材料的承载能力较非沉割滚压高 约 !"0 。产生这一现象的原因， 是由于沉割后轴颈 圆角半径减小， 有利于形成滚压残余压应力集中， 使 所产生的残余压应力高于非沉割滚压，从而有效地 补偿了沉割引起的结构强度下降。 "& $& ! 磨削的影响 对于半精磨后滚压的工艺， 一般认为， 由于其后 的精磨中磨掉了部分滚压强化层，将会对其疲劳强 度产生不利影响。 但本次试验得出， 半精磨后滚压试 件的疲劳极限略高于切线滚压和沉割滚压。这一结 果表明， 只要适当调整滚压工艺参数， 并将精磨余量 和曲轴的弯曲变形控制在一合适的范围，则由于滚 压所产生的强化层较深 （ 一般可达 ! 22 以上） ，精 磨将不会明显降低零件的疲劳强度。 综上所述， 从曲轴的弯曲疲劳强度角度看， 切线 滚压、半精磨后滚压和沉割滚压这三种工艺方案都 是可行的。 "& ! 强化效果评估 为在评估中排除结构因素的影响，这里采用了 轴颈圆角弯曲疲劳极限应力作为估算依据。已有的 试验得出
曲轴圆角滚压机床的设计与研究
曲轴圆角滚压机床的设计与研究张树礼;黄耀明【摘要】阐述了用滚压曲轴主轴颈和连杆颈圆角的方法,来提高曲轴抗疲劳强度及使用寿命,并介绍了滚压机床的总体设计方案及关键部件的结构设计.%This article presents how to improve crankshaft fatigue strength and service life by means of rolling undercuts. Then the article introduces the general design scheme of the rolling machine and the structure design of its key components.【期刊名称】《制造技术与机床》【年(卷),期】2012(000)007【总页数】4页(P43-46)【关键词】曲轴;圆角滚压;滚压臂;滚压轮【作者】张树礼;黄耀明【作者单位】大连连城数控机器股份有限公司,辽宁大连116036;大连机床集团有限责任公司,辽宁大连116620;大连机床集团有限责任公司,辽宁大连116620【正文语种】中文【中图分类】TH122用滚压的方法加工曲轴圆角是上个世纪70～80年代兴起的一种新技术。
到目前，几乎所有的轿车发动机的曲轴均采用这种方法加工圆角。
这种无屑加工的方法，不仅符合绿色环保的需要，而且最关键的是通过滚压，大大地提高了曲轴的抗疲劳强度，增强了曲轴的使用寿命。
众所周知，汽车发动机零件中，曲轴是关键零件之一，在传递动力的过程中，它承受着交变载荷的冲击。
这种交变载荷使曲轴会产生弯曲和扭曲变形，更易使曲轴连杆颈和主轴颈处造成疲劳断裂。
而采用滚压的方法加工曲轴圆角，就是利用滚轮的压力作用，在曲轴的主轴颈和连杆颈过渡圆角处形成一条滚压塑性变形带，这条塑性变形带具有以下特点:（1）产生了残余压应力，可与曲轴在工作时的拉应力抵消或部分抵消，从而提高疲劳强度。
轿车曲轴小头轴颈圆角滚压装置的设计与改进
轿车曲轴小头轴颈圆角滚压装置的设计与改进张立平;李海国【期刊名称】《金属加工：冷加工》【年(卷),期】2014(000)013【总页数】2页(P62-63)【作者】张立平;李海国【作者单位】滨州海得曲轴有限责任公司山东256606;滨州海得曲轴有限责任公司山东256606【正文语种】中文曲轴是发动机中承受弯曲、扭转载荷，传递动力的关键零件，近10几年来，由于受国家排放标准的控制，发动机多采用增压、扩缸等方法来增加功率、降低排放。
曲轴所承受的工况环境更加严峻。
很多大功率曲轴采用圆角滚压工艺来进行强化，以期提高曲轴的弯曲疲劳强度，达到安全运行的目的。
尤其是轿车曲轴几乎全部采用圆角滚压强化工艺来提高曲轴的疲劳强度。
轿车曲轴不同于载货汽车曲轴，具有一个共同点，就是小头圆角也要求滚压强化处理，由于小头轴颈具有长度较长、单侧圆角等结构的特殊性，给滚压工艺的实施造成了一定的难度。
1.曲轴圆角滚压工艺及通用装置如图1所示，曲轴的圆角滚压，就是利用滚轮的压力作用，在曲轴的主轴颈和连杆颈过渡圆角处形成一条滚压塑性变形带，这条塑性变形带具有以下特点:图1 曲轴圆角滚压工艺示意图(1)产生了残余压应力，可与曲轴在工作时的拉应力抵消或部分抵消，从而提高疲劳强度。
(2)硬度提高。
滚压使圆角处形成高硬度的致密层，使曲轴的机械强度和疲劳强度得到提高。
(3)表面粗糙度值降低。
圆角滚压可使圆角表面粗糙度值达到Ra=0.1 μm以下，从而大大减小了圆角处的应力集中，提高了疲劳强度。
滚压装置又称滚压头，通用滚压头分为上滚压头和下滚压头，由于下滚压头仅起到支撑作用，本文不作介绍。
上滚压头是滚压装置的核心部件，如图2所示，上滚压头主要由滚压体1、端盖2、导轮3、滚针轴承4、心轴5、滚轮6、滚轮支架压板7及滚轮支架8等零件组成。
图2 上滚压头结构1.滚压体 2.端盖 3.导轮 4.滚针轴承5.心轴 6.滚轮 7.滚轮支架压板 8.滚轮支架滚压加工时向滚压头施加一定的压力，每一个上滚压头的两个滚轮6与曲轴每个轴颈的两个圆角相配合，通过曲轴工件的旋转带动滚轮的旋转，这样就在圆角处形成一条滚压塑性变形，从而提高了曲轴的综合疲劳强度。
基于圆角滚压工艺的曲轴疲劳行为-答辩
图 25 700N·m下曲轴整体受力情况
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图26 700N·m下圆角应力分布
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五、基于残余应力的曲轴疲劳强度计算
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图 27 800N·m下圆角应力分布
图 28 900N·m下圆角应力分布
图 29 1000N·m下圆角应力分布
主轴颈 连杆轴 曲柄臂 主轴颈 连杆轴 过渡圆
宽度 颈宽度 厚度
直径 颈直径 角半径
（mm） （mm） （mm） （mm） （mm） （mm）
31
32
21
65
滚轮参数
表2： 滚轮尺寸参数
滚轮外圆半径
滚轮旋转半径
（mm）
（mm）
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3.2
6.14
15
56
4
滚轮倾斜角度 （°） 32
四、滚压参数对曲轴残余应力分布的影响
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图11：拉应力环带分布图
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四、滚压参数对曲轴残余应力分布的影响
4.3 圆角残余应力分布 根据ABAQUS的二次开发平台，编写数据采集程序，提取圆角部位的应力数值进 行分析。为便于分析比对，如图12所示，在圆角部位建立坐标系，以圆角圆心为坐标 原点，主轴颈横截面切线方向为0°，按照逆时针方向排布。
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五、基于残余应力的曲轴疲劳强度计算
5.1：曲轴弯曲疲劳试验 四缸机曲轴主要受弯曲疲劳作用破坏，因此疲劳强度的试验是通过电动谐振式疲劳试验 机进行的。
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五、基于残余应力的曲轴疲劳强度计算
5.2 模拟曲轴弯曲疲劳试验 计算曲轴的疲劳强度，首先要模拟曲轴在弯曲疲劳试验机上的工作状况。采用前一 章所用的单拐模型，计算其在弯曲作用力下的受力情况，从而计算其疲劳强度。 分别选取700N·m、800N·m、900N·m、1000N·m、1100N·m等不同弯矩，计算曲 轴在不同弯矩作用下的受力情况。应力云图如图25~30所示
曲轴圆角滚压强化技术综述
曲轴圆角滚压强化技术综述作者：郭威来源：《硅谷》2015年第02期摘要在大型的机器构件体系中，曲轴是其中必不可少的主要零件，在机器高速运转的过程中，曲轴能够承受机器的循环应力，因此，曲轴的工作环境与条件都非常恶劣，而曲轴圆角滚压强化能够使曲轴的寿命有效延长。
本文以圆角滚压强化的概述为研究基点，从曲轴圆角滚压的强化机理以及滚压工艺等方面进行的技术综述，并对滚压强化技术的未来发展做出了展望。
关键词曲轴；滚压强化；技术综述中图分类号：TK403 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2015）02-0167-02在大型机械运转的过程中，曲轴所起到的作用非常关键，但恶劣的工作环境会使得曲轴在长期应力与应变的作用下发生局部变形，且这种变形是不可恢复的，长时期处于这种状态的曲轴便会产生裂纹，直至完全性断裂。
所以，在很多机械应用曲轴之前，都会对其进行强化处理，而圆角滚压技术便是强化曲轴的有效方法，具有成本低、效率高、效果好的特点。
1 圆角滚压强化的概述在滚压强化中，表面滚压强化事实上是无屑光整的一种加工方法，一般在常温状态下进行，以淬火钢等高硬度材料为依托，对被加工零件的表面形成压力，进而使其产生一种塑性形变，以提升零件表面的压应力，达到强化目的[1]。
而圆角滚压强化是表面滚压强化中的一种，主要是在主轴与曲轴的轴颈以及连杆与曲柄之间的圆角等部位，运用滚压旋转的方式，将压力施加到零件上，以形成一种塑性的变形区域，使零件危险界面处的应压力产生变化，令其更加具有合理性，是一种比较特殊的表面强化方法。
曲轴圆角滚压强化技术的主要特点有以下几方面：1）可以使曲轴表面的粗糙度有效降低，从而令被滚压零件的表面得到强化，在进行滚压之后，零件会产生一部分残余的压应力，使零件的硬化层深度与硬度得到明显提升。
2）可以有效减小零件在切削过程中留下的痕迹，降低零件表面缺陷，进而使零件的集中应力程度得到有效降低。
3）滚压技术在应用过程中无需加热，因此，其处理零件的时间也会相对较短。
基于圆角滚压工艺的曲轴疲劳行为研究
式 中： Ｍ— 为名 义 弯 矩 ； 为 活 塞 直 径 ； Ｄ Ｐ为 最 高燃
烧 压 力 ； 为 主 轴 颈 宽 度 ； ｉ 连 杆 轴 颈 宽 度 ； Ｌ Ｌ 为 Ｈ
提 高４ ． 。因此对 曲轴 行 圆角采 取滚 压 强化 工艺 ４１ 后， 曲轴 的疲 劳 寿命会 大 幅提 高 。同时 也可 以看 出 ，
２ ２ 有 限 元 模 型 ．
岂
、
镁
曲轴 圆角滚 压 的效 果 主要 取决 于 圆角残 余应 力 的分 布 ， 曲轴 圆 角 在滚 压 后 应 力 梯 度 很 大 。美 国学 者Ｃｉ ｈｅ ｎ等 人 的研 究 成 果 表 明 ， 圆角 处 的 网格 密 度 控制 在 ０ ２ｍｍ 左 右 才 能 获 得 准 确 的计 算 结 果 ｌ 。 ． ＿ ４ ］
长 期 以来 ， 曲轴 的疲 劳计 算 主要 根 据其 在 工 作 工 况下 受力 情况 进 行 。然 而对 于滚 压 后 的 曲轴 ， 由 于 圆角 残余 应力 的存 在 ， 圆 角 的 实 际受 力 情 况 与 其 单 纯计 算工 作工 况下 的受 力情 况迥 然不 同 ， 因此 ， 曲 轴疲 劳 强度 的计 算需 充分 考虑 残余 应力 的影 响 。 ３ １ 计 算模 型 的建 立 ．
２１ ０ ２年 ２月
郭 晨 海 ， ： 于 圆 角 滚 压 工 艺 的 曲轴 疲 劳 行 为 研 究 等 基
径 ６ ５ｍｍ， 杆 轴 颈 直 径 ５ 连 ６ｍｍ， 杆 轴 颈 过 渡 圆 连 角半 径 ４ｍｍ。因 为 主 要 侧 重 于对 曲轴滚 压机 理 的原 理性 研
方 式 与控制 点 连接 ， 过 控制点 施加 弯矩 。 通
汽车发动机曲轴的加工工艺及夹具设计-答辩稿
图1.1发动机曲轴
加工工艺过程
1. 铣两端面保证总长 2. 粗车左右两端，工艺轴径上铣键槽 3. 粗精车三处拐径，留磨削余量 4. 精车左右两端，留磨削余量 5. 磨削左右两端及拐径至尺寸 6. 铣右端键槽 7. 检验
曲轴UG建模图
3.研究内容
3.1 汽车发动机曲轴的介绍 曲轴为引擎的主要旋转机件，装上连杆后，可承接连
2.2 机床夹具的现状
国际生产研究协会的统计表明，目前中、小批多品种生产 的工件品种已占工件种类总数的85％左右。 现代生产要求企 业所制造的产品品种经常更新换代，以适应市场的需求与竞争。 然而，一般企业都仍习惯于大量采用传统的专用夹具，一般在 具有中等生产能力的工厂里，约拥有数千甚至近万套专用夹具； 另一方面，在多品种生产的企业中，每隔3~4年就要更新 50~80 ％左右专用夹具，而夹具的实际磨损量仅为10~20％左 右。特别是近年来，数控机床、加工中心、成组技术、柔性制 造系统（fms）等新加工技术的应用，对机床夹具提出了如下 新的要求：
2 高效化高效化夹具主要用来减少工件加工的基本时间和辅助时间，以 提高劳动生产率，减轻工人的劳动强度。常见的高效化夹具有自动化夹具、 高速化夹具和具有夹紧力装置的夹具等。例如，在铣床上使用电动虎钳装夹 工件，效率可提高5倍左右；在车床上使用高速三爪自定心卡盘，可保证卡 爪在试验转速为9000r/min的条件下仍能牢固地夹紧工件，从而使切削速度 大幅度提高。目前，除了在生产流水线、自动线配置相应的高效、自动化夹 具外，在数控机床上，尤其在加工中心上出现了各种自动装夹工件的夹具以 及自动更换夹具的装置，充分发挥了数控机床的效率。 3 精密化随着机械产品精度的日益提高，势必相应提高了对夹具的精度 要求。精密化夹具的结构类型很多，例如用于精密分度的多齿盘，其分度精
圆角滚压球铁曲轴[实用新型专利]
![圆角滚压球铁曲轴[实用新型专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/533361eb0740be1e640e9a1e.png)
专利名称：圆角滚压球铁曲轴专利类型：实用新型专利
发明人：宫传刚
申请号：CN201220347325.3申请日：20120718
公开号：CN202690720U
公开日：
20130123
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：圆角滚压球铁曲轴，采用QT800-6球墨铸铁材料，具有较高的延伸率和更高的冲击值，可以有效地提升滚压力；其主轴颈、连杆轴颈与曲柄臂的过渡圆角处采用沉割槽结构，可以有效保证主轴颈和连杆轴颈的直线度、圆柱度等关键尺寸，防止了滚压过程中由于部分材料流动导致的轴颈表面肿起的现象；圆角滚压球铁曲轴采用“轴颈淬火+园角滚压”强化工艺，可获得较高的疲劳弯矩性能，超过锻钢氮化曲轴，接近锻钢淬火曲轴的水平，既能保证可靠性，又能显著降低成本。
申请人：道依茨一汽(大连)柴油机有限公司
地址：116600 辽宁省大连市经济技术开发区黄海中路117号
国籍：CN
代理机构：大连科技专利代理有限责任公司
代理人：龙锋
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圆角滚压实验结果及数据分析
圆角滚压实验结果及数据分析
一、圆角滚压强化效果及变形问题
球墨铸铁和锻钢两种材质的曲轴在经过圆角滚压强化后，它们的疲劳强度都有很大的提高，球墨铸铁曲轴在滚压强化后，圆角疲劳强度提高了百分之四十四左右，四十五号锻钢曲轴在滚压强化后，圆角疲劳强度提高了百分之二十左右，由此可见，经过圆角滚压后，球墨铸铁曲轴的强化效果提高更为明显。
曲轴在经过圆角滚压强化后，会产生一定的变形，经过滚压后的曲轴在检测后发现曲轴的长度尺寸发生了微小的变化，会对曲轴的工作产生一定的影响，下图是滚压前后曲轴发生形变的示意图从中可以看出经过圆角滚压处理后的曲轴的形变情况：
图4.3.4.-1未滚压时曲轴示意图
图4.3.4-2滚压后曲轴的弯曲变形示意图
由于在曲轴进行圆角滚压的过程中，圆角会受到相当大的轴向力的作用，因此进行滚压处理后的曲轴会产生轴向伸长现象，山东省滨州海得曲轴有限责任公司的李海国工程师，通过对该公司某型号的四缸曲轴随机抽取20条做了工艺试验，编号为1-20，对滚压前后的主轴分档和档宽尺寸变化情况进行对比，具体对比情况如下：
表4.3.4.1-3滚压前曲轴的主轴分档和档宽尺寸单位：毫米
表4.3.4.1-4滚压后曲轴的主轴分档和档宽尺寸单位：毫米
四分档尺寸增长的幅度最大，增长量为0.08-0.12毫米，三分档增长量为0.06-0.10毫米，二分档增长量为0.04－0.06毫米，一分档增长量为0.02－0.04毫米。
这是因为四分档的尺寸测量累计了所有主轴颈（包括连杆轴颈）滚压后的涨量，而从档宽的尺寸增长来看（0.02），也验证了这一点。
对曲轴的轴向伸长问题，我们需要在编制工艺文件时予以考虑，并将相关工序作为参数补偿反映到工序卡片中。
考虑滚压强化作用的铸铁曲轴弯曲疲劳分析
摘 要 ：铸铁 曲轴广泛 采用 了圆角 滚压 强化 技 术来 提 高 其 弯 曲疲 劳 强度 ， 行 疲 劳 分 析 时必 须 进
考 虑滚压 引入 的残余 应力 。针 对某 圆角 滚压 铸铁 曲轴 ， 先 建 立 了与其 对 应 的滚 轮～ 阶梯 轴 三维 首
柔一 柔接 触 有 限元模 型 ， 过滚 轮压 入一 相 对转 动一 滚轮 卸载模 拟 滚压 过程 ， 到 了圆角滚 压残 余 通 得 应 力 ； 后进 行 了试验 弯 矩作用 下 的 曲轴单 拐有 限元 受力 分析 得 到 了 圆角 的弯 曲应力 及 应 变 。为 然
Ａ ｂ ｔａｃｔ ｓｒ ：Ａｓ ｉｌ ｔ ｏｌｎ ａ ｄ ｎ ｎ ｔｃ ｎ ｑ ｅ ａ ｂ ｅ ｗｉ ｅｙ ｓ ｄ ｏ ｅ ｈ ｎ ｅ ｔ ｅ ｅ ｄ ｎ ａｉｕｅ ｆ ｌ ｒ ｌ ｇ ｈ ｒ ｅ ｉ ｇ ｅ ｈ ｉ ｕ ｈ ｓ ｅ ｎ ｅ ｉ ｄ ｌ ｕ ｅ ｔ ｎ ａ ｃ ｈ ｂ ｎ ｉ ｇ ｆ ｔｇ ｓｒ ｎｇｈ ｏ ａ ｔｉｏ ｒ ｎ ｈ ｆ ，ｔｅ ｒ ｓｄ ｌｓｒ ｓ ｕｅ ｔ ｌｅ ｏｌｎ ｔｅ ｔ ｆｃ ｓ ｒ ｎ ｃ ａ ｋｓ ａ ｔ ｈ ｅ ｉ ｕａ ｔｅ ｓｄ ｏ ｆ ｌｔｒ ｌｉ ｇ ｍｕｓ ｅ ｃ ｎ ｉ ｅ ｅ ｎ ｆ ｔ ｕ ｎ ｌ ｉ ｔｂ ｏ ｓｄ ｒ ｄ ｉ ａ ｉ ｅ ａ ａ— ｇ
的应 力水 平 。获得 较 为准 确 的滚 压残 余应 力对 于 曲 轴弯 曲疲 劳分 析 十分 重 要 ， 由于 曲轴 形 状 较 为复 但 杂且 圆角 尺寸 较小 ， ｘ射线 衍射 、 钻孔 等试 验 技术 不 能准 确地 测定 残余 应 力 值 ， 因此 主 要 通 过 有 限元 计 算 获 得滚压 残余 应力 分 布规 律 。 在 已公 开 发表 的相 关 研 究 中 ， 国庆 等 和 彭 张 禹等 计 算 了 曲轴 的外 载荷 和 圆 角 应 力 并 进 行 了 疲 劳分 析 ， 并 没有 涉 及 强 化 工 艺 引入 的残 余 应 力 但 的影 响。Ｃ ｉ ｈｅ ｎ等 ［ 、 ｈ ｉ ５ Ｃ ｏ 等 和 Ｓ ｉ ｒ 等 首 先 ３ ｐｔ ｉ ｅ
滚压工艺在曲轴生产中的问题解决实例
滚压工艺在曲轴生产中的问题解决实例
何军;刘勇;梁德重;张雯君
【期刊名称】《装备制造技术》
【年(卷),期】2013(000)011
【摘要】曲轴是发动机动力输出的主要元件,它的强度直接影响着发动机的性能.滚压工艺作为提升曲轴强度的主要手段,在发动机制造业中得到广泛应用.对曲轴滚压工艺进行总结,并结合工作中遇到的问题及解决措施,对其在生产中的应用进行阐述.【总页数】4页(P145-148)
【作者】何军;刘勇;梁德重;张雯君
【作者单位】上汽通用五菱汽车股份有限公司发动机制造部,广西柳州545007;上汽通用五菱汽车股份有限公司发动机制造部,广西柳州545007;上汽通用五菱汽车股份有限公司发动机制造部,广西柳州545007;上汽通用五菱汽车股份有限公司发动机制造部,广西柳州545007
【正文语种】中文
【中图分类】TK426
【相关文献】
1.曲轴滚压变形分析与滚压校直工艺研究 [J], 宁甲亮
2.基于Deform和BP神经网络的曲轴圆角滚压工艺参数研究 [J], 阮景奎;倪帆;周学良
3.曲轴深滚压工艺及滚压力异常分析和处理 [J], 梁海波;吴启峰
4.乘用车曲轴圆角滚压工艺与设备的应用实践 [J], 叶宗茂; 贺晋兵
5.曲轴圆角滚压加工机理及滚压工艺参数设计 [J], 李锁牢;薛隆泉;边宝丽
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一种用于曲轴圆角滚压的滑架平衡机构
一种用于曲轴圆角滚压的滑架平衡机构陈继红;林文学【摘要】介绍了一种滑架平衡机构,应用于曲轴滚压机滚压曲轴圆角时,可消除滚压过程中在曲轴拐角两侧产生的不平衡压力及扭矩,保证曲轴滚压机的工作稳定性,提高曲轴滚压的生产精度,降低曲轴滚压的废品率.【期刊名称】《制造技术与机床》【年(卷),期】2016(000)009【总页数】2页(P146-147)【关键词】曲轴;圆角;滚压;滑架【作者】陈继红;林文学【作者单位】湖北职业技术学院,湖北孝感432000;湖北职业技术学院,湖北孝感432000【正文语种】中文【中图分类】TH12曲轴在发动机内是一个高速旋转的长轴，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。
曲轴工作过程中工况条件恶劣，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，引起高度关注。
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[1]。
曲轴圆角滚压加工就是曲轴圆角表面处在液压轮的压力影响下，其表面产生塑性变形，圆角表面的组织结构及形状会改变，使曲轴圆角处的组织紧密，晶粒拉长变细，从而在曲轴圆角表层内出现残余压应力，可与曲轴在工作时的拉应力抵消或部分抵消，从而提高疲劳强度；使得金属表层产生冷作硬化现象，滚压后圆角表层为一高硬度致密层，材料表面得到了强化；消除曲轴表面显微针孔和裂纹、气孔等铸造缺陷；圆角滚压可使圆角表面粗糙度达到Ra0.2 μm以下，从而极大减小了轴颈过渡圆角处的应力集中，加强了圆角处的材料物理性能，显著提高了曲轴疲劳强度。
[2] 曲轴圆角滚压一般是利用装在滚压臂上的滚压头对曲轴的各主轴颈和连杆颈圆角进行滚压，在曲轴圆角滚压机上实现。
滚压开始前，机床的夹钳机构实现对曲轴各轴颈的夹紧和加压控制，滚动时，电动机带动机床头架控制曲轴的旋转转速和圈数，完成对曲轴各轴颈的滚压过程。
该类滚压夹钳机构的工作原理是，滚压头和支撑头通过加压油缸夹紧曲轴轴颈,机构同时有两个滚压夹钳工作，分别对曲轴的主轴颈和连杆颈施加压力，曲轴跟随着头架的转动绕曲轴轴线旋转，这样连杆颈滚压钳与曲轴连杆、机架组成一个曲轴摇杆机构，连杆颈滚压钳随动，而主轴颈滚压钳夹紧主轴颈不需要随动，分别完成对两轴颈的滚压，然后滚压钳松开曲轴轴颈并通过滑架后退和横移，再通过曲轴的旋转调整好曲轴轴颈位置后，滚压钳前进到加工位置并夹紧下一对主轴颈和连杆颈进行滚压，如此反复，直到滚压完曲轴所有主轴颈和连杆颈[3]。
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基于圆角滚压工艺的曲轴疲劳 行为研究 ——硕士开题报告
指导老师： 指导老师：郭晨海 学生： 学生：葛晶
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目 录
课题背景 研究现状
课题研究内容与具体工作
课题结论
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一、课题背景：曲轴与滚压 课题背景：
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一、课题背景：曲轴与滚压 课题背景：
曲轴的加工制造工艺十分复杂， 曲轴的加工制造工艺十分复杂，铸造毛坯要经过数十 道工序才能加工完成，采用一种或数种强化工艺。 道工序才能加工完成，采用一种或数种强化工艺
图12：圆角坐标图
图13：圆角外表面应力分布
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四、滚压参数对曲轴残余应力分布的影响
图 14：位置圆角深度方向应力分布
图15：51°位置圆角深度方向应力分布
图16：圆角内侧0.4mm处应力分布
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四、滚压参数对曲轴残余应力分布的影响
从图14~15可以看出，在10°和51°位置出现压应力和拉应力急剧变化区域，拉 应力主要出现在曲轴圆角表面，在圆角内层残余应力并不大。因此可以看出，此处的 拉应力环带主要是由于变形区域与未变形区域过渡造成的，即滚压中经常出现的“凸 缘”。该拉应力环带虽然应力数值大，但仅出现在圆角表面浅层部位。 在实际的曲轴制造中，滚压后曲轴圆角还应进行磨削，磨削量一般为 0.2mm~0.4mm，因此可分析圆角内侧0.4mm左右的应力分布情况。图15为圆角内侧 0.4mm处得应力分布情况。从图中可以看出，该处的应力过渡比较均匀，拉应力“凸 缘”部位已经消失. 根据冯美斌、李满良[15]等人的研究发现，当曲轴圆角采用滚压后精磨，与切线滚 压和沉割滚压相比，疲劳强度可分别提高7.5%和10%。通过上面的分析可以很好解释 这一现象：滚压后适当磨削圆角，消除圆角表面拉应力区，可提高曲轴疲劳强度。
磨削
氮化 滚压
高频淬火
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课题背景： 课题背景：曲轴与滚压
曲轴圆角滚压 强化是一种理想 的曲轴表面强化 手段， 手段，与传统强 化工艺相比较具 有成本低、 有成本低、加工 时间短、 时间短、强化效 果好等优点。 果好等优点。
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1.1.课题背景：滚压与疲劳强度 课题背景： 课题背景 • 表面硬化 • 残余压应力
（mm） （mm） （mm） （mm） （mm） （mm） ） ） ） ） ） ） 31 32 21 65 56 4
表2： 滚轮尺寸参数 滚轮参数 滚轮外圆半径 （mm） ） 3.2 滚轮旋转半径 （mm） ） 6.14 滚轮倾斜角度（°） 滚轮倾斜角度（ ） 32
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四、滚压参数对曲轴残余应力分布的影响
图 9：step3仿真计算结果
图10：step4仿真计算结果
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四、滚压参数对曲轴残余应力分布的影响
通过对以上四张图的对比分析，可以发现在滚压过程中，滚轮与圆角从点接触、线 接触直到面接触，接触的部位金属发生压缩变形，产生残余压缩应力，这也是曲轴滚压 的目的所在。但同时也发现，在圆角残余应力过渡边缘的过渡部位产生了拉应力环带。 从滚压机理来看，无论滚压参数如何设置，只要圆角部位发生变形，那么变形部位与未 变形部位的过渡地带总是会出现拉应力环带。
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五、基于残余应力的曲轴疲劳强度计算
5.1：曲轴弯曲疲劳试验 ： 四缸机曲轴主要受弯曲疲劳作用破坏，因此疲劳强度的试验是通过电动谐振式疲劳试验 机进行的。
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五、基于残余应力的曲轴疲劳强度计算
5.2 模拟曲轴弯曲疲劳试验 计算曲轴的疲劳强度，首先要模拟曲轴在弯曲疲劳试验机上的工作状况。采用前一 章所用的单拐模型，计算其在弯曲作用力下的受力情况，从而计算其疲劳强度。 分别选取700N·m、800N·m、900N·m、1000N·m、1100N·m等不同弯矩，计算曲轴 在不同弯矩作用下的受力情况。应力云图如图25~30所示
图11：拉应力环带分布图
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四、滚压参数对曲轴残余应力分布的影响
4.3 圆角残余应力分布 根据ABAQUS的二次开发平台，编写数据采集程序，提取圆角部位的应力数值 进行分析。为便于分析比对，如图12所示，在圆角部位建立坐标系，以圆角圆心为坐 标原点，主轴颈横截面切线方向为0°，按照逆时针方向排布。
滚 压
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二、研究现状：滚压研究 研究现状：
2008 2001 2003
刘荣昌：曲轴滚压 刘荣昌 曲轴滚压 加工的数值模拟
冯美斌等： 冯美斌等：曲轴 的圆角滚压工艺 与疲劳强度
2002
黄晓东等： 黄晓东等：基 于ABAQUS的 的 曲轴圆角滚压 数值分析
薛隆泉等： 薛隆泉等：曲轴圆角滚 压运动及结构参数的优 化设计
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四、滚压参数对曲轴残余应力分布的影响
4.1：计算模型的建立 ： 本文以4DE-93型柴油机曲轴为分析对象，该发动机为直列四缸直喷发动机，最大功 率64kW/3000r/min，最大爆发压力9MPa。曲轴结构参数如表1所示，滚轮参数如表2所 示。 表1： 曲轴尺寸参数 曲轴尺 寸参数 主轴颈 宽度 连杆轴 颈宽度 曲柄臂 厚度 主轴颈 直径 连杆轴 颈直径 过渡圆 角半径
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二、研究现状：发展方向 研究现状：
曲轴结构
1
W.Y. Chien Fatigue analysis of crankshaft sections Paul Spiteri under bending with consideration of residual stresses 2 Paul Spiteri Assessment of bending fatigue limit for crankshaft sections with inclusion of residual stresses
图 25 700N·m下曲轴整体受力情况
图26 700N·m下圆角应力分布
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五、基于残余应力的曲轴疲劳强度计算
图 27 800N·m下圆角应力分布
图 28 900N·m下圆角应力分布
图 29 1000N·m下圆角应力分布
图 30 1100N·m下圆角应力分布
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五、基于残余应力的曲轴疲劳强度计算
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三、曲轴圆角滚压工艺理论基础
3.2 ：曲轴滚压参数的影响：滚压速度的影响 滚压的速度与圆角半径、硬度、滚轮的形状和压力有关。若滚压的速度过高，则 会引起曲轴的颤动。使滚压表面产生波纹，甚至烧伤表面。若滚压的速度过低，则扭 转变形会相应增加，生产效率降低。一般来说，滚压速度取30-60r/min。
图3： 四缸机曲轴模型
图4： 单拐计算模型
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四、滚压参数对曲轴残余应力分布的影响
根据美国学者Chien等人的研究成果表明，圆角处的网格密度控制在0.2mm左右 才能获得准确的计算结果。同时，为便于分析比较，圆角处得网格分布需有一定规律， 因此圆角处必须采取加密的六面体网格划分的。
图5： 曲轴有限元模型
3
疲 劳
滚压工艺
弯曲载荷
Simon Ho Optimization of a crankshaft rolling process for durability
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三、曲轴圆角滚压工艺理论基础
3.1：圆角滚压工艺的分类 1）过渡圆角滚压 采用切向顺序碾成滚压，滚压的工作面圆弧半径不变而弧长沿周向变化，用变弧长 滚压时，表面塑性状态的金属因圆弧宽度的变化而受到推搓作用，并因比压变化而产生 负脉动作用，这样，在不大的滚压力作用力下可获得合适的强化层深度和硬化层分布； 轴向距离公差小，加工精度要求高，磨削困难，淬火较难控制。 2）沉割圆角滚压 强化层不易受到修磨轴颈的影响，且砂轮不用修整圆角，方便精磨； 由于卸载槽的存在，可降低过渡圆角的应力集中，与过渡圆角滚压相比，在同等条 件下，其过渡圆角半径较小，可以增加轴颈的有效长度，减小轴瓦的比压，使得发动机 轴向尺寸紧凑； 可减少磨削时间，提高砂轮寿命； 滚压后，圆角内应力的重新分布会使得轴颈变形，可能使得主轴颈的跳动超过许可 范围。另外采用沉割圆角滚压，可防止精磨后降低滚压效果； 轴颈沉割后，由于沉割槽的半径要小于原轴颈的圆角半径，且沉割槽有一定的深度， 使得轴颈的直径和曲拐的重叠度减小，因此，沉割后的结构强度将下降。
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四、滚压参数对曲轴残余应力分布的影响
4.4：滚压参数对滚压效果的影响：滚压力 模拟滚压计算中包括三个不同滚压力：7500N、8500N、9500N。为保证计算的可 比性，对三个模型施加一致的位移边界条件，计算结果如图17~19所示。
图 17 7500N下圆角应力分布
图 18 8500N下圆角应力分布
图19 9500N下圆角应力分布
图20 不同滚压力下圆角内侧0.4mm应力分布
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四、滚压参数对曲轴残余应力分布的影响
4.4：滚压参数对滚压效果的影响：滚轮倾角 采用前文的计算模型，保证位移边界条件一致，滚压力取7500N，滚轮倾角分别选 取32°、37°和42°，计算结果如图21~23所示。
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二、研究现状：曲轴疲劳研究 研究现状： 静态叠加法
通过线性叠加的方法， 将各个静态计算结果叠 加成曲轴各转角下的动 响应 张国超等：基于动力学仿真和 有限元分析的曲轴疲劳寿命计 算
模态缩减法
通过模态分析求解器对有 限元模型进行模态缩减，计 算模型动态载荷
AVL: EXCITE动态仿真软件 张俊红等：柴油机曲轴动态疲 劳强度分析 陈亮等：基于有限元和多体动 力学的柴油机曲轴动态强度与 冲击响应分析
图6： 曲轴圆角网格
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四、滚压参数对曲轴残余应力分布的影响
4.2 滚压后圆角应力分布 本文采用ABAQUS显式动力学计算，通过分析不同计算时间下曲轴圆角的应力变化情 况，对圆角滚压过程进行动态的分析。以下截取不同滚压时间内圆角的应力变化情况。