曲轴圆角滚压强化方式的基本原理

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
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。

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。

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。