楊丹， 寇淑清

(1. 吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)， 吉林 長春 130118； 2. 吉林大學(xué)輥鍛研究所， 吉林 長春 130022)

曲軸軸承座裂解槽參數(shù)對裂尖應(yīng)力應(yīng)變場的影響

楊丹1， 寇淑清2

(1. 吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)， 吉林 長春 130118； 2. 吉林大學(xué)輥鍛研究所， 吉林 長春 130022)

裂解技術(shù)的核心問題是人為構(gòu)造缺口，在缺口處形成應(yīng)力集中，產(chǎn)生初始裂紋源，裂紋擴(kuò)展直至最終斷裂。本研究以某轎車曲軸軸承座為研究對象，利用解理斷裂正應(yīng)力判據(jù)作為理論依據(jù)，運(yùn)用斷裂力學(xué)軟件Abaqus模擬分析了不同缺口參數(shù)下，裂解前裂尖處的應(yīng)力應(yīng)變場。通過模擬分析，研究裂解缺口參數(shù)對解理斷裂判據(jù)中各參量值的影響。分析結(jié)果表明：曲軸軸承座材料QT500常溫呈脆性，缺口不敏感; 鑒于裂解中要考慮裂紋形核、擴(kuò)展、缺口加工及裂解載荷等問題，初步確定了曲軸軸承座裂解槽的優(yōu)化參數(shù)。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，缺口參數(shù)優(yōu)化后獲得了理想的裂解效果。

曲軸； 軸承座； 裂解； 工藝參數(shù)

發(fā)動機(jī)是汽車的核心部件，是汽車的動力源,其性能直接決定了汽車的性能。當(dāng)今社會，汽車工業(yè)飛速發(fā)展，發(fā)動機(jī)主要零部件的制造加工也出現(xiàn)了一些新的制造工藝，裂解工藝就是其中之一。裂解工藝本質(zhì)上是借助材料的脆性預(yù)先加工初始裂紋源，施加垂直于斷裂面的正應(yīng)力，使其在裂紋源處產(chǎn)生微裂紋，待裂紋擴(kuò)展后達(dá)到零件剖分的目的。這種加工工藝具有加工工序少、制造精度高、設(shè)備投資小、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)。連桿裂解技術(shù)已經(jīng)比較成熟，曲軸軸承座的結(jié)構(gòu)與連桿結(jié)構(gòu)相似，屬于典型剖分類零件，由本體和軸承蓋裝配而成，用螺栓連接，但材料與連桿不同[1-3]。

裂解工藝中人為加工的初始裂紋源稱為裂解槽(也稱缺口)，從多年連桿裂解研究經(jīng)驗(yàn)得知：裂解槽的參數(shù)對裂尖附近應(yīng)力應(yīng)變場有重要影響，進(jìn)而影響裂解加工的載荷、質(zhì)量和加工速度[4-6]。本研究利用Abaqus軟件，以某轎車6缸發(fā)動機(jī)曲軸軸承座為研究對象，對裂解加工進(jìn)行數(shù)值模擬，分析裂解槽各參數(shù)對裂尖應(yīng)力應(yīng)變場的影響，從而對裂解槽各參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化并加以試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 解理斷裂判據(jù)

圖1 缺口參數(shù)

2 模型的建立及材料特性

2.1 模型的簡化處理

研究對象為某轎車6缸發(fā)動機(jī)曲軸軸承座，裂解時各軸承座同時斷裂，軸承座受力情況相同，因此，取其中1個進(jìn)行分析模擬計算，即可研究得出各軸承座的受力情況。圖2示出單個軸承座模擬分析的三維簡化圖，由于本研究不進(jìn)行裂紋擴(kuò)展的模擬分析，僅探討斷裂前缺口參數(shù)對解理斷裂判據(jù)中各參量的影響，故可將螺栓孔對裂尖處應(yīng)力應(yīng)變場的影響忽略。將圖2a沿軸對稱方向進(jìn)行分割，由于軸承結(jié)構(gòu)上的左右對稱，厚度方向上結(jié)構(gòu)對稱、載荷對稱，可將模型進(jìn)一步簡化，沿厚度方向進(jìn)行再次分割，見圖2b。圖中圓形孔直徑為59mm，外端圓弧直徑為100mm，兩側(cè)寬度為100mm,兩螺栓孔間距為76mm，螺栓孔直徑為10mm，軸承座厚度為21mm。連桿與軸承座的工作狀態(tài)不同，受約束也不相同，充分考慮了二者受力情況的區(qū)別，簡化的軸承座按圖2c方式施加約束。

圖2 缸體軸承座三維簡化模型及約束

2.2 材料特性

QT500-7為鐵素體型球墨鑄鐵,強(qiáng)度與韌性中等,被切削性尚好，低溫時，韌性向脆性轉(zhuǎn)變,沖擊值較高，且有一定抗溫度急變性和耐蝕性，在國內(nèi)外應(yīng)用非常廣泛[10-14]。先進(jìn)的雙金屬燒結(jié)工藝可用于加工缸筒材料為灰鑄鐵，曲軸箱材料為球墨鑄鐵的高端發(fā)動機(jī)缸體，此類缸體的優(yōu)點(diǎn)是缸筒可以更好地散熱，曲軸箱的強(qiáng)度更高[15-17]。因此，研究球墨鑄鐵曲軸軸承座裂解缺口參數(shù)是很有意義的。本研究以QT500-7為軸承座材料進(jìn)行建模分析，通過拉

伸試驗(yàn)測得球墨鑄鐵的相關(guān)參數(shù)：彈性模量E=1.68×105MPa，泊松比ν=0.24，斷裂應(yīng)力σb=506 MPa，名義屈服應(yīng)力σ0.2=365 MPa。

3 裂解槽參數(shù)對裂尖應(yīng)力應(yīng)變場的影響

裂解技術(shù)的核心問題是人為構(gòu)造缺口，在缺口處形成應(yīng)力集中，使缺口處產(chǎn)生初始裂紋源，裂紋擴(kuò)展進(jìn)而貫通。曲軸軸承座材料QT500-7低溫呈脆性，裂解時，在外載荷拉應(yīng)力的作用下缺口處發(fā)生正斷，因此，可利用最大正應(yīng)力準(zhǔn)則判斷啟裂[18-19]。缺口前端正應(yīng)力最大，易優(yōu)先啟裂，即缺口前端—裂尖處的應(yīng)力應(yīng)變場直接影響曲軸軸承座的裂解。

3.1 裂解槽張角對裂尖應(yīng)力應(yīng)變場的影響

本研究模擬分析采取固定兩裂解槽參數(shù)改變另一個裂解參數(shù)的方式。根據(jù)研究經(jīng)驗(yàn)，先將曲率半徑r=0.2 mm和深度h=0.6 mm固定,對裂解圓弧面施加正向應(yīng)力載荷，逐步加載，當(dāng)圓弧面應(yīng)力達(dá)到60 MPa時，裂尖點(diǎn)主應(yīng)力σyy達(dá)到斷裂應(yīng)力，模型斷裂。故本研究模擬分析了斷裂前圓弧面承受30～50 MPa正應(yīng)力時裂尖附近應(yīng)力應(yīng)變場，進(jìn)而判斷缺口參數(shù)對斷裂判據(jù)中各參量的影響。

根據(jù)軸承座的斷裂方式及解理斷裂三判據(jù)，最大正應(yīng)力σyy對保證形核后的裂紋得以擴(kuò)展的參量起主要作用。由圖3可見，張角α由45°變化至90°時，最大正應(yīng)力隨著張角的增加逐漸變小，張角α= 45°時的最大正應(yīng)力值最大，總體來看數(shù)值相差不大；保證裂紋形核的參量等效塑性應(yīng)變在張角為45°和60°時值較大，且非常接近；保證形核后裂紋不會鈍化的參量三向應(yīng)力度在不同載荷作用下無特定規(guī)律，試中不同張角下的三向應(yīng)力度值都可保證裂紋不會鈍化。結(jié)合數(shù)值模擬分析可知，曲軸軸承座材料QT500-7與連桿材料C70S6不同，缺口對張角敏感度差。裂解中，裂紋形核至關(guān)重要，沒有形核裂紋就不能擴(kuò)展和貫通?？紤]張角小，換刀不便，采用拉削方式加工裂解槽時，裂解槽張角最適宜取α=60°左右。采用激光加工可取更小數(shù)值。

圖3 不同載荷下三判據(jù)隨切口張角的變化

3.2 缺口深度對裂尖應(yīng)力應(yīng)變場的影響

本研究在分析裂解槽深度對裂尖應(yīng)力應(yīng)變場的影響時，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取深度為0.4～0.7 mm，將裂解槽張角α固定為60°，裂解槽曲率半徑r固定在0.2 mm進(jìn)行模擬分析。圖4示出不同載荷下各參量隨缺口深度變化曲線。

裂解槽深度對裂尖附近應(yīng)力應(yīng)變場有一定的影響：裂尖處的最大正應(yīng)力值隨著裂解槽深度的增加而增加，h=0.7 mm時正應(yīng)力值最大；等效塑性應(yīng)變值隨著裂解槽深度的增加而增加，等效塑性應(yīng)變會影響裂紋的形核，球墨鑄鐵中由于石墨含量相對高，缺口敏感度差，但深度越深越易形核；三向應(yīng)力度在槽深h=0.7 mm時最大，而且隨著載荷的增加逐漸增加，都可滿足裂尖不鈍化的要求。考慮零件的加工要求及刀具費(fèi)用，裂解槽最終要作為加工余量鏜掉，不能過深。又有研究顯示：裂解槽深度的提高可有效降低裂解時的載荷，根據(jù)加工經(jīng)驗(yàn)，裂解槽深取h=0.6 mm比較合理。

圖4 不同載荷下三判據(jù)隨切口深度的變化

3.3 缺口曲率半徑對裂尖應(yīng)力應(yīng)變場的影響

本研究在分析缺口曲率半徑對裂尖應(yīng)力應(yīng)變場的影響時，取裂解槽張角α=60°，深度取h=0.6 mm，曲率半徑r取0.1～0.3 mm，模擬計算不同載荷時，曲率半徑對裂尖應(yīng)力應(yīng)變場的影響。圖5示出不同載荷下各參量隨切口曲率半徑的變化曲線。從圖5a可以看出，確保裂尖形核后裂紋可以擴(kuò)展的參量——最大正應(yīng)力σyy隨著載荷的增大而增大，曲率半徑r=0.1 mm的裂解槽最大正應(yīng)力增大趨勢明顯大于其他二者，即r=0.1 mm時，裂尖正應(yīng)力集中更為顯著，啟裂更易發(fā)生；圖5b顯示，曲率半徑r=0.1 mm時，等效塑性應(yīng)變εPEEQ——保證缺口可以形核這一參量值大于其他兩者，更易于形核；圖5c顯示，三向應(yīng)力度——保證裂紋擴(kuò)展后不會被鈍化的參量在載荷達(dá)到約50 MPa后，曲率半徑r=0.1 mm的裂解槽最大三向應(yīng)力度明顯高于其他二者。3個參量結(jié)果都顯示裂解槽曲率半徑越小越利于形核并擴(kuò)展，同時保證裂紋形核后不會鈍化。以上數(shù)據(jù)表明，QT500-7材料裂解槽對曲率半徑比其他兩參數(shù)更為敏感。因此，裂解槽曲率半徑最佳取值越小越好。裂解槽的加工方式有激光加工和拉削兩種。采用拉削加工時，曲率半徑越小，刀具磨損越嚴(yán)重，可取曲率半徑r=0.1 mm；采用激光加工時可取r=0.05 mm。

圖5 不同載荷下三判據(jù)隨切口曲率半徑的變化

4 試驗(yàn)驗(yàn)證分析

為了對模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，在CSS-88300萬能拉力機(jī)上，用特殊設(shè)計的裝置進(jìn)行試驗(yàn)。拉力機(jī)最大公稱拉力300 kN,電腦采集信號速率為200次/s。試件裂解槽三參數(shù)中，張角最不敏感，因此將張角固定在60°。采用正交試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見圖6。

由圖6可見，9組試件的裂解載荷中，h=0.7 mm，r=0.1 mm時裂解載荷最小，試件裂解效果好，塑性變形很小。由圖6還可看出，缸體QT500-7材料對裂解槽張角不敏感，裂解槽深度越深裂解載荷越小，裂解槽曲率半徑越小，應(yīng)力越集中，裂解載荷越小，裂解效果越好，試驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果吻合。

圖6 裂解載荷與槽深、曲率半徑的關(guān)系

5 結(jié)論

a) 裂解槽的張角對裂尖應(yīng)力應(yīng)變場影響極小，缺口不敏感，考慮加工因素，張角α取60°比較合理；

b) 裂解槽深度越深，裂尖附近正應(yīng)力值越大，越易于形核及裂紋擴(kuò)展，裂解載荷也變小，考慮加工后裂解槽需要鏜掉，所以裂解槽深度h取0.6 mm左右更合理；

c) 曲率半徑對裂尖應(yīng)力應(yīng)變場影響很大，減小曲率半徑更易于形核并擴(kuò)展，同時能大幅降低裂解載荷?？紤]加工刀具磨損問題，拉削加工裂解槽時，曲率半徑取0.1 mm更合理。

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[編輯： 袁曉燕]

Influence of Cracking Groove Parameter of Crankshaft Bearing Block on Crack Tip Stress-strain Field

YANG Dan1, KOU Shuqing2

(1. College of Engineering and Technology, Jilin Agricultural University, Changchun 130118, China; 2. Roll Forging Research Institute, Jilin University, Changchun 130022, China)

The core of fracture splitting process was building the gap artificially. The stress concentration formed in the gap and then the initial crack generated, extended and finally ended with the fracture splitting. Taking a car crankshaft bearing block as research object, the stress-strain field of crack tip before fracturing was analyzed under different gap parameters with Abaqus software based on the criterion of cleavage fracture normal stress. The results showed that the gap was insensitive because QT500 cylinder block behaved brittle at normal temperature. Considering the problems of crack nucleation, extending, splitting groove machining and splitting load, the optimum parameters of cracking groove were determined. The experiment proved that the optimized parameters had a good effect of fracturing.

crankshaft; bearing block; fracture splitting; process parameter

2016-09-29；

2017-08-01

汽油發(fā)動機(jī)裂解式連桿加工技術(shù)與成套設(shè)備研制及產(chǎn)業(yè)化(2013ZX04002-021)

楊丹(1983—)，女，講師，碩士，主要研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)機(jī)械工程、材料加工工程；yangdan228@163.com。

寇淑清(1962—)，女，教授，博士，主要研究方向?yàn)槠囮P(guān)鍵零部件精密高效制造技術(shù)；kousq@jlu.edu.cn。

10.3969/j.issn.1001-2222.2017.04.005

TK413.3

B

1001-2222(2017)04-0022-04