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

１８０％，是实现曲轴 “ 以铁代钢 ” 的关键工艺。
［关键词］曲轴
球墨铸铁
圆角滚压
以铁代钢
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｇｅｎｅｒａｌｓｉｔｕａｔｉｏｎｏｆｓｔｒｅｎｇｔｈｅｎｉｎｇｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｔｈｅｎｏｄｕｌａｒｉｒｏｎｃｒａｎｋｓｈａｆｔｒｏｌｌｉｎｇ，Ｃｏｍｐａｒｉｎｇｔｈｅａｄｖａｎｔａｇｅｓａｎｄｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓｏｆｓｕｒｆａｃｅａｎｄｄｅｅｐｒｏｌｌｉｎｇ，Ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎｏｎｓｏｍｅｆａｃｔｏｒｓａｆ－ｆｅｃｔｉｎｇｔｈｅｑｕａｌｉｔｙｏｆｒｏｌｌｉｎｇ．Ｔｈｅｓｔｕｄｉｅｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔ：Ｎｉｔｒｉｄｉｎｇｃａｎｍａｋｅｔｈｅｆａｔｉｇｕｅｓｔｒｅｎｇｔｈｏｆｎｏｄｕｌａｒ
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。
操作步骤：曲轴主轴颈沉பைடு நூலகம் 刊
惜的加工任普通床采用两顶一火ｎ勺装夹方式，来Ｉ州定曲轴进行轴定位来加］一，由十处十同一轴预Ｉ｝Ｉ心线，因此加工扛轴颈沉割惜振动小，加工比较容易；曲轴连Ｊ：ｔ：轴颁的沉割槽加＿ｒ果川两端为爪必紧
工Ｉ艺及滚前圆角来满足曲轴角滚时的＿Ｉ
艺要求。
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研究所进行合作开
轴的【５】】角结构丰要体现曲轴圆角半径的设计上。女Ｉ１图ｌ所示为要加
加工时弯曲变形较小，为Ｊ』儿１Ｉ：
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ｌｌｌ｛轴的
内，采用成形车刮车削而成。
浚曲轴结构具体要求圆角为

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－７５曲轴的最大爆发压力Ｐｚ＝８ｏ０ｏｏＮ（９Ｓ＝、Ｒ＝）曲轴圆角处的最高应力峰值也只６有２６Ｍａ４．５Ｐ，而曲轴材料４５号钢调质状态极限强度（ｂ，一般超过８０ＭＰ，材料提供的８）０ａ储备强度超出曲轴服役所需要的强度３— ４倍，