李海國(guó) 袁樹(shù)嵐 徐慶杰 張 東 路俊峰(.濱州海得曲軸有限責(zé)任公司，山東56606；.中海瀝青股份有限公司，山東5660)

工藝

球鐵曲軸圓角滾壓強(qiáng)化工藝

李海國(guó)1袁樹(shù)嵐2徐慶杰1張 東1路俊峰1
(1.濱州海得曲軸有限責(zé)任公司，山東256606；2.中海瀝青股份有限公司，山東256601)

圓角滾壓工藝可大幅度提高曲軸的疲勞強(qiáng)度和運(yùn)行可靠性，通過(guò)控制液壓凸起缺陷，補(bǔ)償滾壓漲量可以生產(chǎn)出滿足性能要求的高質(zhì)量球鐵曲軸。

曲軸；圓角滾壓；強(qiáng)化

隨著發(fā)動(dòng)機(jī)向增壓、大功率、高可靠性、低排放方向發(fā)展，發(fā)動(dòng)機(jī)企業(yè)為了提高發(fā)動(dòng)機(jī)的功率對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了強(qiáng)化，如在原發(fā)動(dòng)機(jī)上增壓、擴(kuò)缸、提高轉(zhuǎn)速，由汽油機(jī)發(fā)展為柴油機(jī)等。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)功率的提高，曲軸的負(fù)荷也會(huì)加大。如何保證曲軸在高負(fù)荷下的使用性能，是我們急需解決的問(wèn)題。提高曲軸強(qiáng)度的方式通常有兩種：改變結(jié)構(gòu)尺寸或者改變材質(zhì)。結(jié)構(gòu)尺寸變化會(huì)引起整機(jī)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，改變材質(zhì)，如由QT800-2改為42CrMo會(huì)使原材料和加工成本大幅增加。所以，這兩種方式都不是最佳方式。如何在不改變結(jié)構(gòu)尺寸的情況下，讓球鐵曲軸達(dá)到鋼軸的性能，是我們的研究目標(biāo)。

球鐵曲軸之所以不能滿足大功率發(fā)動(dòng)機(jī)的性能要求，一個(gè)最主要的原因就是疲勞強(qiáng)度較低，運(yùn)行過(guò)程中極易發(fā)生曲軸疲勞斷裂，造成整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)損壞?？梢?jiàn)要想實(shí)現(xiàn)曲軸“以鐵代鋼”，必須提高球鐵曲軸的抗疲勞強(qiáng)度。提高曲軸疲勞強(qiáng)度常用的強(qiáng)化工藝大致有以下五種：

(1)氮化。曲軸氮化包括氣體軟氮化、離子氮化和鹽浴氮化等。氮化能提高曲軸疲勞強(qiáng)度20%～60%，適用于各類曲軸。

(2)噴丸。曲軸經(jīng)噴丸處理后能提高疲勞強(qiáng)度20%～40%，但因噴丸時(shí)須保護(hù)軸頸表面，故較少采用。

(3)圓角與軸頸同時(shí)感應(yīng)淬火。該強(qiáng)化方式應(yīng)用于球鐵曲軸時(shí)，能提高疲勞強(qiáng)度20%，而應(yīng)用于鋼軸時(shí)，則能提高100%以上，故在鋼軸中應(yīng)用比較普遍。

(4)圓角滾壓。球鐵曲軸經(jīng)圓角滾壓后壽命可提高80%～200%，鋼軸經(jīng)圓角滾壓后壽命可提高70%～150%。

(5)復(fù)合強(qiáng)化。就是應(yīng)用多種強(qiáng)化工藝對(duì)曲軸進(jìn)行強(qiáng)化處理，例如曲軸軸頸氮化加圓角滾壓工藝等。

由以上介紹可知，圓角滾壓對(duì)提高曲軸疲勞強(qiáng)度有顯著作用，因此它成為曲軸“以鐵代鋼”的關(guān)鍵工藝。

1 曲軸疲勞斷裂原因和圓角滾壓強(qiáng)化機(jī)理

1.1 曲軸疲勞斷裂的原因

曲軸在發(fā)動(dòng)機(jī)中工作時(shí)承受很大的彎曲應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力。曲拐頂部受壓力P時(shí)，曲拐兩內(nèi)側(cè)圓角過(guò)渡處表現(xiàn)為拉應(yīng)力，主軸圓角過(guò)渡處則為壓應(yīng)力，如圖1所示。另外，曲軸還承受慣性力矩、輸出扭矩、扭振力矩，受力情況十分復(fù)雜。

曲軸在工作中承受交變載荷，圓角過(guò)渡處屬于薄弱環(huán)節(jié)，尤其是主軸頸和連桿頸的過(guò)渡處更為嚴(yán)重。由于軸頸經(jīng)過(guò)磨削加工后留下的刀痕引起的應(yīng)力集中，再加之過(guò)渡圓角處本身就存在較強(qiáng)的應(yīng)力集中，在長(zhǎng)時(shí)間的循環(huán)后便會(huì)產(chǎn)生裂紋，最終發(fā)生疲勞斷裂。

圖1 曲軸受壓力P時(shí)的應(yīng)力分布圖Figure 1 Crank shaft stress pattern suffered by pressure P

1.2 曲軸圓角滾壓強(qiáng)化機(jī)理

曲軸的圓角滾壓(見(jiàn)圖2)，就是利用滾輪的壓力作用，在曲軸的主軸頸和連桿頸過(guò)渡圓角處形成一條滾壓塑性變形帶，這條塑性變形帶具有以下特點(diǎn)：

(1)產(chǎn)生了殘余壓應(yīng)力，可與曲軸在工作時(shí)的拉應(yīng)力抵消或部分抵消，從而提高疲勞強(qiáng)度。

(2)硬度提高。滾壓使圓角處形成高硬度致密層，使曲軸機(jī)械強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度得到提高。

(3)表面粗糙度降低。圓角滾壓可使圓角表面粗糙度達(dá)到Ra0.2 μm以下，從而大大減小圓角處的應(yīng)力集中，提高了疲勞強(qiáng)度。

為了保證經(jīng)圓角滾壓強(qiáng)化后的曲軸符合使用要求，我們進(jìn)行了疲勞試驗(yàn)驗(yàn)證。以朝柴4105球鐵曲軸為例，經(jīng)圓角滾壓強(qiáng)化后，其安全系數(shù)n(50%)≈1.9，n(99.9%)≈1.81，完全滿足安全系數(shù)大于1.8的技術(shù)要求。

圖2 曲軸圓角滾壓示意圖Figure 2 Schematic diagram for crank shaft fillet rolling

2 圓角滾壓變形工藝分析

雖然曲軸圓角滾壓強(qiáng)化工藝是提高曲軸疲勞強(qiáng)度最有效的手段之一，是實(shí)現(xiàn)曲軸“以鐵代鋼”的關(guān)鍵工藝，但經(jīng)圓角滾壓后的曲軸產(chǎn)品，由于內(nèi)部應(yīng)力的重新分布，必然存在較大的物理變形，如果不對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，很容易造成批量產(chǎn)品不合格。所以要認(rèn)真研究圓角滾壓工藝，最大程度地發(fā)揮曲軸圓角滾壓工藝的優(yōu)勢(shì)。

2.1 曲軸圓角滾壓凸起問(wèn)題

對(duì)于爆發(fā)壓力在12 MPa以下、經(jīng)疲勞試驗(yàn)滿足疲勞彎矩要求的發(fā)動(dòng)機(jī)，可采用外圓角滾壓工藝(滾壓前不切沉割槽)。該工藝簡(jiǎn)單易行，成本低。其滾壓工藝一般排在精磨拋光之后，由于軸頸經(jīng)過(guò)精磨后滾壓，滾壓后在圓角與軸頸過(guò)渡處會(huì)產(chǎn)生滾壓凸起。由于滾壓冷作硬化的緣故，該凸起部位硬度較高，不易修復(fù)，成為圓角滾壓的一個(gè)副產(chǎn)品——滾壓工藝缺陷。主機(jī)廠一般很難接受這一“缺陷”，因此，該工藝較難推廣。隨著圓角滾壓工藝的推進(jìn)以及工藝人員對(duì)圓角滾壓工藝的深入認(rèn)識(shí)，有的發(fā)動(dòng)機(jī)廠已經(jīng)開(kāi)始接受這一“缺陷”，但接受的前提是通過(guò)計(jì)算和試驗(yàn)，保證滾壓缺陷在發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期工作中不致產(chǎn)生軸瓦接觸邊緣負(fù)荷現(xiàn)象。

圖3是滾壓凸起示意圖。如圖所示：最大滾壓凸起τ是滾壓力P、滾壓圓角R、曲軸基體硬度H的函數(shù)：f(τ)=f(P)+f(R)+f(H)。

試驗(yàn)表明，只要軸頸上軸瓦邊緣處即距軸側(cè)面(B1-B2)/2處凸起τb不超過(guò)0.003 mm，就不會(huì)發(fā)生軸瓦負(fù)荷現(xiàn)象。

圖3 滾壓凸起示意圖Figure 3 Schematic diagram for rolling bulge

圖4 放大圖Figure 4 Enlarged drawing

其中，R為滾輪半徑；h是曲軸基體硬度H的函數(shù)；h=f(H)，可通過(guò)試驗(yàn)得到；τ為滾壓凸起量。

2.2 曲軸圓角滾壓軸向變形問(wèn)題

柴油機(jī)曲軸一般采用的強(qiáng)化工藝是曲軸軸頸表面氮化+圓角滾壓的復(fù)合強(qiáng)化工藝。生產(chǎn)線上先是將曲軸圓角沉割加工成型(此時(shí)軸頸也已加工到成品尺寸)，再送氮化工序，氮化后再拋光處理，最后進(jìn)行圓角滾壓強(qiáng)化。檢測(cè)滾壓后的曲軸發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)度尺寸發(fā)生了變化，也就是說(shuō)滾壓使得曲軸變長(zhǎng)了。由于此時(shí)的曲軸分檔和檔寬尺寸已是最終尺寸，無(wú)法再進(jìn)行加工，因此造成了大批的不合格品，部分曲軸甚至報(bào)廢。

轎車曲軸的強(qiáng)化工藝多為圓角深滾壓工藝。只不過(guò)圓角切槽和滾壓工序?qū)儆诖旨庸すば?，?jīng)檢測(cè)也同樣存在滾壓使曲軸變長(zhǎng)的現(xiàn)象。雖是粗加工工序，但是滾壓漲量造成了曲軸軸頸側(cè)面的偏磨，也造成部分產(chǎn)品不合格，甚至報(bào)廢。

圖5 某型號(hào)曲軸部分分檔和檔寬尺寸Figure 5 Step division and step width of crank shaft

我們對(duì)某型號(hào)曲軸(材料QT800-4，尺寸見(jiàn)圖5)進(jìn)行了工藝試驗(yàn)，對(duì)滾壓前后的主軸分檔和檔寬尺寸變化進(jìn)行了對(duì)比。

試驗(yàn)清楚地表明，經(jīng)圓角滾壓后的曲軸分檔長(zhǎng)度都有了增長(zhǎng)，而且是四分檔尺寸增長(zhǎng)的幅度高于任何其它分檔尺寸。這是因?yàn)樗姆謾n尺寸漲量累計(jì)了所有主軸頸(包括連桿軸頸)滾壓后的漲量，而從檔寬的尺寸增長(zhǎng)來(lái)看，也驗(yàn)證了這一點(diǎn)。

因此我們?cè)诰幹乒に囄募r(shí)必須考慮這一因素，在相關(guān)工序?qū)L壓漲量作為參數(shù)補(bǔ)償反映到工序卡片中。

實(shí)踐證明，各種曲軸圓角滾壓的漲量情況比較復(fù)雜，它跟曲軸的形狀結(jié)構(gòu)、材料的延伸率、滾壓力的大小等有著密切的關(guān)系，是各種因素綜合作用的結(jié)果。在實(shí)際生產(chǎn)中，只有在穩(wěn)定的生產(chǎn)條件下，通過(guò)工藝試驗(yàn)，摸索出滾壓增長(zhǎng)的規(guī)律，制定合理的工藝參數(shù)，才能正確的指導(dǎo)生產(chǎn)。

3 結(jié)束語(yǔ)

圓角滾壓對(duì)提高曲軸疲勞強(qiáng)度有顯著作用，是曲軸“以鐵代鋼”的關(guān)鍵工藝。近年來(lái)，海得曲軸公司利用圓角滾壓這一核心技術(shù)共生產(chǎn)了近50萬(wàn)條曲軸，僅東風(fēng)朝柴公司裝機(jī)量就接近20萬(wàn)臺(tái)，累計(jì)節(jié)約成本6 000萬(wàn)元以上，創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

[1] 唐琦，等.用深滾壓技術(shù)提高曲軸疲勞強(qiáng)度的應(yīng)用研究.2007全國(guó)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸及材料強(qiáng)度研討會(huì)論文集.2007.

[2] 王守河，等.球鐵曲軸圓角滾壓工藝研究及推廣.2007全國(guó)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸及材料強(qiáng)度研討會(huì)論文集.2007.

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[5] 程紹桐，等.柴油機(jī)曲軸可靠性辯析.2007全國(guó)發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸及材料強(qiáng)度研討會(huì)論文集.2007.

[6] 余先濤，等.曲軸圓角滾壓強(qiáng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì).機(jī)械制造，2001，10.

[7] 劉長(zhǎng)吉.當(dāng)代曲軸機(jī)械加工工藝探討.機(jī)械工業(yè)部第三設(shè)計(jì)院，1995.

[8] 羅瑞立，等.試驗(yàn)論證465Q-1A發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的疲勞強(qiáng)度.裝備制造技術(shù)，2008，9.

Fillet Rolling Strengthening Technology for Magnesium Iron Crank Shaft

LiHaiguo,XuQingjie,ZhangDong,LuJunfeng

Fillet rolling technology can improve the fatigue strength and operational reliability of crank shaft. The high qualified magnesium iron crank shaft meeting the performance requirement can be produced by controlling hydraulic bulge defect and compensating rolling increasement.

crank shaft; fillet rolling; strenghen

U464.133+.3

B

2010—06—11

李海國(guó)(1969—)，男，濱州海得曲軸有限責(zé)任公司主任工程師，主要從事曲軸工藝裝備和專用機(jī)床的設(shè)計(jì)。

編輯 杜青泉