燕松山，劉世權(quán)，陳思德

(武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北武漢430070)

曲軸滾圓強(qiáng)化是采用滾壓方法，使曲軸易發(fā)生疲勞破壞的過(guò)渡圓角處發(fā)生塑性變形，從而產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力的表面強(qiáng)化工藝，它能夠顯著提高曲軸的疲勞壽命。滾壓強(qiáng)化的效果取決于滾壓后在滾壓區(qū)域形成殘余壓應(yīng)力的大小及其分布形態(tài)。因此，研究曲軸圓角滾壓過(guò)程中，滾壓力、滾壓圈數(shù)等工藝參數(shù)對(duì)滾壓區(qū)域加工后塑性變形及殘余應(yīng)力的影響規(guī)律，對(duì)于提高滾壓加工質(zhì)量及加工效率具有重要意義，已成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。

針對(duì)上述問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外研究者已著手利用有限元方法來(lái)探討在滾壓加工過(guò)程中形變及應(yīng)力變化規(guī)律為實(shí)際應(yīng)用提供方法和依據(jù)。從動(dòng)力學(xué)上進(jìn)行滾壓的數(shù)值模擬，分析了曲軸滾壓后圓角處殘余應(yīng)力和塑性應(yīng)變的分布和大小，得到殘余應(yīng)力和塑性應(yīng)變?cè)趫A角處得總體分布趨勢(shì)［1－2］。并探討了相關(guān)參數(shù)對(duì)滾壓結(jié)果的影響，如滾壓道次、摩擦因數(shù)、滾壓深度、滾輪形狀尺寸以及滾輪傾角對(duì)曲軸殘余應(yīng)力和塑性變形的影響，得出其參數(shù)與殘余應(yīng)力和塑性變形的對(duì)應(yīng)關(guān)系［3－4］。當(dāng)前，大多研究者將滾壓模型簡(jiǎn)化為二維模型或三維靜態(tài)模型進(jìn)行研究，其仿真結(jié)果缺乏準(zhǔn)確性，而且研究滾壓力和滾壓圈數(shù)對(duì)滾壓質(zhì)量及效率影響的文獻(xiàn)相對(duì)較少。

作者借助ANSYSLS-DYNA建立了三維曲軸圓角滾壓有限元模型，進(jìn)行動(dòng)態(tài)滾壓過(guò)程仿真模擬。以Q465曲軸為例，研究了滾壓力和滾壓圈數(shù)對(duì)曲軸第三個(gè)曲拐連桿頸的圓角過(guò)渡處塑性變形及殘余應(yīng)力的影響，進(jìn)一步完善了曲軸滾壓強(qiáng)化理論，為曲軸滾壓中工藝參數(shù)的選取和曲軸圓角的檢測(cè)提供參考和理論支撐。

1 分析模型的建立

1.1 曲軸滾壓簡(jiǎn)化模型的建立

在工作過(guò)程中，六缸曲軸通常在第三個(gè)曲拐連桿頸的圓角處發(fā)生疲勞破壞［5］，圖1(a)所示為該處在滾壓加工過(guò)程中的結(jié)構(gòu)及工況條件示意圖，相關(guān)結(jié)構(gòu)及材料參數(shù)如表1所示。在對(duì)該處曲軸結(jié)構(gòu)及其工況分析的基礎(chǔ)上，通過(guò)合理簡(jiǎn)化，建立了曲軸連桿頸圓角滾壓強(qiáng)化有限元模型，如圖1(b)所示?？紤]到計(jì)算的精確性及接觸收斂性，在曲軸圓角接觸區(qū)域采用映射劃分。

圖1 Q465型號(hào)曲軸模型

表1 曲軸參數(shù)

1.2 邊界條件及其簡(jiǎn)化

滾壓強(qiáng)化加工過(guò)程中曲軸的徑向移動(dòng)是靠?jī)蓚€(gè)支撐輪來(lái)限制，在建模過(guò)程中考慮到支撐輪與軸頸的接觸位置與圓角的位置相對(duì)較遠(yuǎn)，對(duì)曲軸圓角的塑性變形和殘余應(yīng)力影響可以忽略，可采用約束端面的自由度來(lái)實(shí)現(xiàn)相同的效果，這樣可大大加快有限元分析的計(jì)算時(shí)間。因此建模時(shí)，限制曲軸兩端的端面移動(dòng)自由度、徑向及圓周方向的旋轉(zhuǎn)自由度，使曲軸繞著軸向方向旋轉(zhuǎn)。同時(shí)為了便于滾壓力的加載，考慮到運(yùn)動(dòng)的相對(duì)性，定義曲軸繞著連桿頸軸心線的轉(zhuǎn)動(dòng)。對(duì)于滾壓力的加載，實(shí)際滾壓過(guò)程中是滾輪施加在圓角處的滾壓力方向與徑向方向存在一定的傾角，因此在LS-DYNA中施加一個(gè)軸向力和一個(gè)徑向力在滾輪上，使加載的滾壓力與實(shí)際滾壓力的加載情況相同，以此來(lái)模擬曲軸滾壓的過(guò)程。

滾壓力取值范圍一般在4 000～9 000 N［6］之間，則本文選擇4 500，5 500，6 500，7 500，8 500 N 4個(gè)不同滾壓力參數(shù)，圈數(shù)設(shè)定為8圈。分析不同滾壓力下和不同圈數(shù)下殘余應(yīng)力與塑性變形情況。

2 結(jié)果分析

2.1 仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

基于以上所建立的模型，對(duì)Q465曲軸第三個(gè)曲拐連桿頸的圓角處滾壓過(guò)程進(jìn)行了模擬分析。

圖2為6 500 N滾壓力下滾壓8圈后的塑性變形云圖?？梢钥闯?在圓角滾壓接觸中心區(qū)域塑性變形最大，其值為0.055 6 mm。圖3為在實(shí)際加工過(guò)程中相同滾壓參數(shù)下曲軸滾壓后第三個(gè)曲拐連桿頸的圓角處塑性變形實(shí)際測(cè)量結(jié)果，可以看出，其最大值同樣在接觸中心區(qū)域，圖中位于30°的方向上，壓入量為0.051 03 mm?？梢?jiàn)，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果符合較好，驗(yàn)證了模型的可行性和準(zhǔn)確性。

圖2 滾壓后的塑性變形云圖

圖3 滾壓后實(shí)際壓入量

2.2 仿真結(jié)果分析

曲軸滾壓強(qiáng)化是通過(guò)滾壓輪的滾壓在曲軸圓角處形成塑性變形，產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，從而提高曲軸的抗疲勞能力。而在滾壓過(guò)程中，滾壓圈數(shù)和滾壓力對(duì)滾壓后材料塑性變形及其殘余壓應(yīng)力影響最大。在研究過(guò)程中，以圖2中所示曲軸圓角沉溝槽處點(diǎn)A為起點(diǎn)，點(diǎn)B為終點(diǎn)路徑沿線節(jié)點(diǎn)為研究對(duì)象，研究不同滾壓力和滾壓圈數(shù)在相應(yīng)位置引起塑性變形量及殘余應(yīng)力的大小。

2.2.1 圈數(shù)對(duì)圓角處塑性變形和殘余應(yīng)力的影響

圖4是曲軸在滾壓力為6 500 N下，沿曲軸圓角處路徑A→B不同位置在不同圈數(shù)下塑性變形情況。可見(jiàn)曲軸在滾壓加工時(shí)，前幾圈圓角處塑性變形量隨著圈數(shù)增加而增大，而后幾圈圓角處塑性變形量幾乎不再隨著圈數(shù)的增加而變化，且最大變形量位置發(fā)生在滾輪與圓角接觸的區(qū)域。

圖4 每滾壓一圈圓角處的變形曲線

圖5為6 500 N滾壓力下，滾壓每一圈在曲軸圓角軸向方向上殘余應(yīng)力曲線圖，可見(jiàn)圓角滾壓接觸中心區(qū)域殘余應(yīng)力大于其兩側(cè)區(qū)域。同時(shí)，圓角處滾壓殘余應(yīng)力受滾壓圈數(shù)的影響，隨滾壓圈數(shù)的增加而增大;滾壓圈數(shù)對(duì)殘余應(yīng)力的影響效應(yīng)隨圈數(shù)增多而遞減，幅值進(jìn)行上下波動(dòng)，并隨著滾壓圈數(shù)的增加殘余應(yīng)力的波動(dòng)范圍逐漸的減小。

圖5 每滾壓一圈圓角接觸區(qū)域的殘余應(yīng)力曲線

由此可見(jiàn)，滾壓一定圈數(shù)后，繼續(xù)增加滾壓圈數(shù)，并不能使殘余應(yīng)力繼續(xù)增加，滾壓圈數(shù)存在一個(gè)最優(yōu)值。從仿真結(jié)果看出滾壓圈數(shù)在4圈后殘余應(yīng)力和圈數(shù)都趨于穩(wěn)定，但從加工質(zhì)量穩(wěn)定性上考慮滾壓6～8圈比較適合，增加滾壓的圈數(shù)意義不在于提高滾壓后的殘余應(yīng)力和塑性變形，而是穩(wěn)定和保持已獲得的殘余應(yīng)力和塑性變形。

2.2.2 滾壓力對(duì)圓角處塑性變形和殘余應(yīng)力的影響圖6為在不同滾壓力加載情況下，滾壓8圈后沿路徑徑A→B不同位置塑性變形情況。從圖中可以看出隨著滾壓力的增加，曲軸在圓角接觸區(qū)域變形增加較為明顯。在4 500～6 500 N滾壓力范圍內(nèi)塑性變形增長(zhǎng)幅度較大，而在6 500～8 500 N內(nèi)增長(zhǎng)幅度相對(duì)較小，且隨著滾壓力的增加，曲軸圓角處的塑性變形呈現(xiàn)收斂趨勢(shì)。可見(jiàn)滾壓力在一定范圍內(nèi)對(duì)塑性變形的影響相對(duì)較大。

圖6 不同滾壓力下圓角處的變形情況

由圖7不同滾壓力下滾壓8圈后的曲軸圓角處殘余壓應(yīng)力情況可以看出，在不同工藝參數(shù)滾壓力下滾壓過(guò)的曲軸，圓角處接觸區(qū)的殘余應(yīng)力相比兩側(cè)增加更明顯，且隨著滾壓力的增大，圓角處殘余壓應(yīng)力增大。當(dāng)滾壓力增加到一定程度時(shí)，殘余應(yīng)力與塑性變形呈現(xiàn)相同的收斂趨勢(shì)，則必然存在一個(gè)最佳滾壓力使曲軸滾壓后的殘余應(yīng)力增加不再明顯。

圖7 不同滾壓力下圓角處的殘余應(yīng)力曲線

由此可見(jiàn)，滾壓力參數(shù)在數(shù)值較小的范圍內(nèi)，隨著滾壓力的增加，塑性變形和殘余應(yīng)力都呈線性增長(zhǎng)，當(dāng)?shù)綕L壓力增加到一定程度后，曲軸圓角處的塑性變形與殘余應(yīng)力趨于收斂。因此，必然存在一個(gè)最佳滾壓力，使?jié)L壓后曲軸的殘余壓應(yīng)力增加較大，且繼續(xù)增加此滾壓力殘余應(yīng)力增加程度不明顯，此結(jié)論可以為選取適當(dāng)?shù)臐L壓力參數(shù)作理論依據(jù);同時(shí)滾壓后曲軸，其殘余應(yīng)力通過(guò)塑性變形量表現(xiàn)出來(lái)，所以不同滾壓力下的殘余應(yīng)力對(duì)應(yīng)的塑性變形，則可為曲軸滾壓檢測(cè)提供理論依據(jù)。

3 結(jié)論

建立了曲軸圓角滾壓顯示動(dòng)力學(xué)分析模型，仿真了滾壓動(dòng)態(tài)過(guò)程，得到了圓角處的殘余應(yīng)力分布情況和圓角處的變形情況，研究了工藝參數(shù)滾壓力和圈數(shù)對(duì)殘余應(yīng)力和應(yīng)變的影響，進(jìn)一步完善了曲軸滾壓強(qiáng)化理論。

(1)通過(guò)仿真結(jié)果和實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比分析，驗(yàn)證了所建模型的準(zhǔn)確性。

(2)隨著滾壓圈數(shù)的增加，滾壓圓角處塑性變形量和殘余應(yīng)力增大，但達(dá)到一定圈數(shù)后，塑性變形量和殘余應(yīng)力的變化幅度顯著變小。在實(shí)際滾壓加工過(guò)程中，滾壓圈數(shù)為6～8較為合適。

(3)曲軸圓角處的塑性變形與殘余壓應(yīng)力隨滾壓力的增大而增大，當(dāng)滾壓力增加一定程度時(shí)，其增加量逐漸變小。

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