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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。
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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。
曲轴滚压力与疲劳强度分析作者：文/ 黄中顺蒲鹰邓玉婷来源：《时代汽车》 2020年第13期黄中顺蒲鹰邓玉婷桂林福达曲轴有限公司广西桂林市 541199摘要：曲轴是发动机的核心零部件，在发动机工作过程中它承受连杆传来的力，并将其转变为转矩通过曲轴输出并驱动发动机上其他附件工作。
曲轴受到旋转质量的离心力、周期变化的气体惯性力和往复惯性力的共同作用，使曲轴承受弯曲扭转载荷的作用。
因此要求曲轴有足够的强度和刚度，随着国内市场对小排量、增压发动机性能的要求不断提高，曲轴结构在轻量化的同时也要求具有较高的疲劳强度，而对强度影响最大的就是曲轴的强化方式及参数，因此，研究曲轴的滚压力与疲劳强度的关系是每个新型号曲轴开发过程中必不可少的一项工作。
关键词：曲轴滚压力疲劳强度Analysis of the Crankshaft Rolling Pressure and Fatigue StrengthHuang Zhongshun，Pu Ying，Deng YutingAbstract：The crankshaft is the core component of the engine. During the operation of the engine, it bears the force transmitted by the connecting rod and converts it into torque to output through the crankshaft and drive otheraccessories on the engine to work. The crankshaft is subjected to the centrifugal force of the rotating mass, the periodically changing gas inertia force and the reciprocating inertia force, so that the crank bearing is subjected to the bending and torsional load. Therefore, the crankshaft is required to have sufficient strength and rigidity. With the continuous improvement of the domestic market's requirements for small displacement and supercharged engine performance, the crankshaft structure is required to have high fatigue strength while being lightweight, which has the greatest impact on strength. It is the strengthening method and parameters of the crankshaft. Therefore, studying the relationship between the rolling pressure and fatigue strength of the crankshaft is an indispensable task in the development of each new type of crankshaft.Key words：crankshaft, rolling pressure, fatigue strength本文通过对我公司目前加工的一款小排量发动机曲轴采用不同滚压力进行试验，以验证滚压力对曲轴疲劳强度的影响，该款曲轴排量为1.0T，材料为球墨铸铁QT700-2。
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。
