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。 "& $& ! 磨削的影响 对于半精磨后滚压的工艺， 一般认为， 由于其后 的精磨中磨掉了部分滚压强化层，将会对其疲劳强 度产生不利影响。 但本次试验得出， 半精磨后滚压试 件的疲劳极限略高于切线滚压和沉割滚压。这一结 果表明， 只要适当调整滚压工艺参数， 并将精磨余量 和曲轴的弯曲变形控制在一合适的范围，则由于滚 压所产生的强化层较深 （ 一般可达 ! 22 以上） ，精 磨将不会明显降低零件的疲劳强度。 综上所述， 从曲轴的弯曲疲劳强度角度看， 切线 滚压、半精磨后滚压和沉割滚压这三种工艺方案都 是可行的。 "& ! 强化效果评估 为在评估中排除结构因素的影响，这里采用了 轴颈圆角弯曲疲劳极限应力作为估算依据。已有的 试验得出
角滚压批量生产。 XY—$ 滚压机包括滚压执行机构、 液压系统和控制系统。液压工艺参数可通过机内的 旋钮方便地进行预置。机床能够自动完成一个轴颈 两侧圆角的滚压全过程，包括工件的转动、滚压力 上升、 保持、 下降、 停机、 松开和润滑系统的开、 闭等 操作。为了使所开发出的滚压工艺能很好地与当前 国内汽车、内燃机行业的曲轴加工水平相适应，试 验中采用了三种典型工艺方案，其主要工艺流程如 下： 切线滚压：粗加工 &轴颈感应淬火、回火&精 磨& 滚压&滚压校直 &抛光。 精加工后滚压：粗加工&轴颈感应淬火、回火 ・!"・
球墨铸铁， 铸态。基体金相组织为 IJH M GJH 珠光 体，其余为分布在石墨周围的铁素体，基体硬度为 !#I M !JJ NO。 试件是从试验曲轴上截取的单拐，每根曲轴取 “ 、 、 第 !、 编号相应为 “ (、 % 曲拐 " 个样件， ) !” ) (”
作者简介： 男， 西安交通大学硕士研究生毕业， 东风汽车 冯美斌 & $’(’ ) * ， 公司副总工艺师， 高级工程师， 东风公司和湖北省有突出贡献专家， 主要从事汽车材料和零部件强度及强化技术研究。
()* +,%-. /0120) 3%&04#5&6$ 7288)$ %,88201 7&$219) #$%)01$5
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概述
曲轴圆角滚压强化具有成本低、效率高和强化
和 “ 。在若干试件连杆轴颈两侧圆角或沉割槽 ) %” 贴 最大应力处各贴有一片 $ P $88! 大小的应变片， 片方向平行于曲轴轴线，以测定试件在动载下的弯 曲应力。应变信号经一台 QRS —%N 型静动态应变 仪放大后，用 Q+—’"# 型数字电压表读取，其分辨 率为 #K $8T。圆角应力 ! 则根据测得的应变 " 按 下式计算：
式中 ! 为曲轴材料弹性模量取 ! U $K %’ P $#J V W 88!； # 为泊松比取 # U #K !G%。 !K ! 滚压工艺试验 曲轴滚压在自行研制的 XY — $ 通用型曲轴圆 角滚压装置上进行，它适用于中小发动机曲轴的圆
!
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试件与试验方法
试件 试验曲轴为试制的成品曲轴， 材料为 L+I##—!
《 汽车科技》!##$ 年第 % 期 压， 而后两者的效果可视为相当。 &’ ( 安全系数估算 根据最近发布的汽车行业新标准 )* + ,%(- . 内燃机曲轴弯曲疲劳强度试验方法标准 》 中 !### 《 规定的发动机曲轴名义工作弯矩的计算方法， 取该 发动机最高爆发压力为 /’ /( 012 ，利用该曲轴的 有关结构参数可计算出其名义工作弯矩为 ! . $ 3 /4# 56 ，于是可以估算出各滚压工艺方案试件在 不同存活率 " 时的安全系数 # $ 如下：
*’+ຫໍສະໝຸດ ’试验结果三种工艺试件的弯曲疲劳试验结果见表 $。测
误差小 得的每一组疲劳极限均满足置信度为 3#0 、 于 /0 的要求。
"
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分析与讨论
不同滚压工艺方案的可行性探讨 为考察成品切线滚压、半精磨后滚压和沉割滚
压等不同滚压工艺方案对曲轴弯曲疲劳强度的影 响， 在显著性水平 ! 4 $#0 的条件下， 先用 5 检验判 别各组数据的方差是否相同， 再根据 5 检验的结果， 用 6 检验 7 方差相差 8 或 69检验 7 方差不等） 来检查各 种工艺下疲劳极限之间的差异是否显著。检验结果 如以切线滚压的疲劳强度为基准， 则不难看 见表 !。 出， 无论是疲劳强度均值还是分散性， 切线滚压与沉 割滚压之间无显著性差异 : 但同半精磨后滚压的数 据存在显著性差异。下面从已有的试验数据出发， 对上述现象作进一步分析。
( ! $
"-8 ( 56，所测得的 ! . $ 均满足置信度为 4#7 ，误 差小于 "7 的要求。 （ !）由上述数据估算出的各组试件在存活率为 44’ 47 时 的 弯 曲 安 全 系 数 分 别 为 $’ 4&、 $’ /- 和 $’ /!，这一结果表明它们在疲劳可靠性方面无显著 差异 9 且具有很高的可靠性， 因而这三种滚压工艺方 案都是可行的。 （ 本试验的球铁曲轴的沉割滚压强化效果（ 使 (） 轴颈圆角弯曲疲劳极限应力提高的幅度）约为 $/&7 ，优于切线滚压的 $!/7 和半精磨后滚压的 从而有效地补偿了沉割造成的曲轴弯曲疲劳 $&-7 ， 强度下降（ 约下降 !/7 ） 。 参考文献
, :2;6<=>?， 0 @ 02A2;BC;28 D;EBF>;?BFGF> <H I=J;GAB KE<F H<E *E2FLC?2H; MNNAGJ2;G<FC8 MOD ,E2FC2J;G<FC9 $4/&9 4!8 徐家炽， 冯美斌， 徐卫等 8 I*—$ 电动谐振式曲轴疲劳试 （ 验装置的研制 8 内燃机工程， $44$ ， !） 8 冯美斌， 王小培 8 %$## 型发动机曲轴强度的试验评估 8 （ 汽车技术， $44! ， 4） 8
工艺・材料 &半精磨& 滚压&滚压校直 &精磨 &抛光。 沉割滚压： 粗加工&切沉割槽 &轴颈感应淬火、 回火 &滚压 &滚压校直&磨轴颈、 端面&抛光。 !& ’ 疲劳试验 曲轴弯曲疲劳试验在 () — $ 电动谐振式疲劳 载荷为对称的正弦波， 加载频率 试验装置 * ! + 上进行， 约 ,! -.。试验前对系统的载荷进行了标定， 标定后 在所使用的载荷范围内，弯矩的相对误差不大于 同时根 $& /0 。用升降法测定试件的疲劳极限弯矩， 据测得的圆角应力值估算试件圆角的疲劳极限应 力。 试验的循环基数为 $#1 。 定义系统的共振频率下 降 $ -. 为试件失效， 相应的裂纹长度约 ’# 22。
"
结束语
（ $）试验测得采用切线滚压、半精磨后滚压和 沉割滚压三种方案滚压的试件弯曲疲劳极限和标准 差分别为： ! . $ 3 $ /"# 56， &# . $ 3 &$8 $ 56； !.$ 3 ! ### 56，&# . $ 3 $#" 56；! . $ 3 $ /## 56，&# . $ 3 上列各式中 % 为标准差修正系数， 当 # 3 % 时，% 3 这三种滚压工艺 $’ #"$。从上述估算结果可以看出， 方案的试件， 44’ 47 存活率下的安全系数基本相等， 再次表明了它们在疲劳可靠性方面无明显差异 8 &’ & 三种工艺方案的评述 上述三种工艺方案可根据实际情况选用，现对 它们的特点简要叙述如下。 （ 切线滚压是利用曲轴的成品进行， 它既不需 $） 要改变曲轴的结构尺寸，也不影响曲轴的原有加工 工艺流程， 因此便于在生产中实行。 在切线滚压中发现，有的轴颈圆角附近滚压后 在轴颈上出现了挤出脊， 一般为几丝， 个别的可达十 几丝。在对滚轮的结构进行修改并提高圆角加工精 度后，这种现象大大减轻。对于少数轴颈圆角处产 生的挤出脊，抛光前需要人工采用砂带将它们磨 平。除这一缺点外， 切线滚压因采用成品工件， 对主 轴颈径向跳动要求高， 使滚压校直的效率降低， 所以 它难以满足大批量生产的要求，仅适用于可行性试 验和前期小批量生产与装机。 （ 采用半精磨后滚压这一技术方案时， 由于滚 !） 压后再进行精磨，因此它对滚压变形控制的要求较 宽松， 且不需要人工处理圆角附近的挤出脊问题， 生