段蘭，鮑成偉

(1.西安工業(yè)大學(xué) 北方信息工程學(xué)院，西安 710200；2.西北工業(yè)大學(xué)明德學(xué)院 機(jī)電工程系，西安 710124)

0 引言

凸輪軸作為柴油發(fā)電機(jī)組配氣機(jī)構(gòu)的重要零件，配合推桿工作以實(shí)現(xiàn)氣門的開啟與閉合。在為提高凸輪軸表面接觸強(qiáng)度而采用的相應(yīng)熱處理過程中，由于凸輪軸長徑比較大，冷卻時(shí)常常產(chǎn)生不可預(yù)測的變形[1]。這一變形影響了發(fā)電機(jī)的可靠性及使用壽命。為避免這一現(xiàn)象發(fā)生，對凸輪軸進(jìn)行溫度場-應(yīng)力場分析并計(jì)算，通過仿真結(jié)果與實(shí)際情況對比確定失效原因，制定改進(jìn)措施，以避免凸輪軸發(fā)生失效現(xiàn)象，從而保證發(fā)電機(jī)正常高效工作[2-3]。

M Fonte等探究了曲軸斷裂失效的位置及原因[4],Yu等針對柴油機(jī)凸輪軸發(fā)生裂紋現(xiàn)象進(jìn)行研究，確認(rèn)了在校直后發(fā)生變形斷裂失效區(qū)域[5]。張淑穎等采用有限元方法對曲軸斷裂現(xiàn)象進(jìn)行分析，得出高溫回火可有效改善鋼的力學(xué)性能結(jié)論[6]。何景強(qiáng)對鉸接軸失效現(xiàn)象進(jìn)行研究，并根據(jù)仿真結(jié)果進(jìn)行鉸接軸結(jié)構(gòu)優(yōu)化[7]。

本文將反彎校直工序與之前的熱處理工序視作一個(gè)系統(tǒng)并與有限元計(jì)算分析相結(jié)合，以某淬火凸輪軸的彎曲變形為例，通過不斷調(diào)整初始條件和邊界條件，對其在實(shí)際淬火時(shí)的溫度及熱應(yīng)力分布進(jìn)行有限元分析。將模擬得到的危險(xiǎn)位置與實(shí)際斷裂處進(jìn)行比較，從而得出校直斷裂失效的原因，進(jìn)而為熱處理工藝的設(shè)計(jì)改進(jìn)提供參考。

1 某型號凸輪軸淬火及校直工藝

根據(jù)傳熱學(xué)理論和凸輪軸材料的性質(zhì)[8]，淬火時(shí)熱傳遞對凸輪軸的溫度場、應(yīng)力場及應(yīng)變影響最大。將凸輪軸視作一個(gè)系統(tǒng)，并簡化為該系統(tǒng)的熱傳導(dǎo)以及在該溫度變化下的瞬態(tài)熱應(yīng)力問題。按照淬火裝置分析、試驗(yàn)失效現(xiàn)象描述、分析模型和邊界條件的確定、有限元分析、問題復(fù)現(xiàn)及問題定位等步驟進(jìn)行研究并分析，而有限元分析結(jié)果的準(zhǔn)確性以再現(xiàn)試驗(yàn)失效為判定標(biāo)準(zhǔn)。如圖1所示為凸輪軸淬火機(jī)床結(jié)構(gòu)示意圖。

1.底座 2.下頂尖 3.待淬火凸輪軸 4.中頻淬火感應(yīng)器 5.上頂尖 6.電機(jī) 7.支架 8.導(dǎo)向光桿 9.絲杠圖1 凸輪軸淬火機(jī)床結(jié)構(gòu)示意圖

實(shí)際加工時(shí)，通過頂尖2、5將凸輪軸3固定在支架7上，淬火時(shí)通過電機(jī)6及絲杠9的運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)凸輪軸自下向上運(yùn)動(dòng)，此時(shí)感應(yīng)器4保持不動(dòng)。依次對主軸及各凸輪加熱，之后噴水進(jìn)行分段淬火。

淬火過程可分為兩個(gè)瞬態(tài)過程，首先對感應(yīng)器所在區(qū)域進(jìn)行加熱，此時(shí)溫度急速升高可見凸輪軸局部紅熱；其次，達(dá)到加熱溫度后立即進(jìn)行冷卻，在極短時(shí)間內(nèi)紅熱消失。這兩個(gè)瞬態(tài)階段不斷交替，直到所有的凸輪和支承軸頸都完成淬火?？芍慊疬^程中凸輪軸處于大幅溫度變化梯度當(dāng)中，又有裝夾時(shí)兩端被頂尖頂緊并同時(shí)繞軸線回轉(zhuǎn)，因此整根軸的應(yīng)力狀況十分復(fù)雜。如圖2所示為反彎校直工作臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖。

1.V型柔性支座 2.待校直凸輪軸 3.液壓校直機(jī)壓頭 4.支座彈簧 5.剛性支座圖2 反彎校直工作臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖

在淬火工序完成后需要進(jìn)行跳動(dòng)檢測、校直工序，反彎校直過程中凸輪軸在壓頭賦予的強(qiáng)迫位移作用下產(chǎn)生與自身的曲率相反，幅值接近的彎曲，位移繼續(xù)增大使局部材料超過彈性極限發(fā)生少量的塑性變形，使得彎曲變形減小，凸輪軸的跳動(dòng)量減小至允許值內(nèi)。凸輪軸的應(yīng)力分布取決于其結(jié)構(gòu)、材料以及實(shí)際加工過程。凸輪軸使用的材料是16MnCr5，表1給出了其機(jī)械性能參數(shù)。

表1 16MnCr5力學(xué)性能

淬火時(shí)，凸輪軸表面采用中頻感應(yīng)加熱(8000 Hz)，加熱時(shí)間:7.5 s～8.5s；冷卻水壓力：0.12±0.005MPa；噴水時(shí)間:8.0s～8.8s；淬火水溫：20℃～35℃；環(huán)境溫度25℃。

2 凸輪軸失效描述

16MnCr5凸輪軸為淬火后校直斷裂過程失效部件，其失效部位如示意圖 3所示。某型號凸輪軸淬火后在校直工作臺(tái)上進(jìn)行校直時(shí)，壓頭移動(dòng)至預(yù)定位移時(shí)，在圖中所示溝槽(圖3b)位置，即第4主軸徑與第5缸進(jìn)氣凸輪之間的軸底部分產(chǎn)生了明顯的裂紋，且裂紋沿圓周向兩側(cè)延伸，解剖發(fā)現(xiàn)已斷裂，斷口局部出現(xiàn)塑性變形。

(a) 凸輪軸失效部位示意圖

(b) 失效位置放大示意圖

(c) 凸輪軸斷裂圖圖3 失效凸輪軸沿軸底斷裂

3 凸輪軸淬火過程熱—結(jié)構(gòu)耦合有限元分析

通過ANSYS有限元軟件，利用間接耦合的方法進(jìn)行計(jì)算。在簡化工況、初始條件、邊界條件的情況下，得到具有符合物理參數(shù)以及特定模型尺寸的凸輪軸工件的瞬態(tài)溫度場及在溫度場下瞬態(tài)應(yīng)力場。通過對耦合場進(jìn)行分析，從而找到凸輪軸的危險(xiǎn)位置，再進(jìn)一步分析淬火后凸輪軸冷彎校直斷裂失效的原因。

3.1 分析模型的建立

分析可知此耦合為熱—結(jié)構(gòu)的單向耦合過程，即熱過程單向影響結(jié)構(gòu)的應(yīng)力而結(jié)構(gòu)應(yīng)力不再反向影響熱分布，同時(shí)結(jié)構(gòu)應(yīng)力的產(chǎn)生取決于溫度上升，因此此種耦合屬于弱耦合[9-10]。考慮使用序貫耦合的方式進(jìn)行危險(xiǎn)位置應(yīng)力計(jì)算，即在溫度場模型及其計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上，將熱單元(solid90)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的結(jié)構(gòu)單元(solid186)再進(jìn)行應(yīng)力場求解。此時(shí)的有限元分析模型是用于溫度場分析，因此溫度場下的模型是否合理直接影響到結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3.1.1 網(wǎng)格劃分

合理的有限元網(wǎng)格劃分精度關(guān)系到有限元模型計(jì)算的精度。特別的，在序貫耦合過程中，劃分的網(wǎng)格需要同時(shí)滿足兩個(gè)物理場分析的需要，即網(wǎng)格精度應(yīng)大于熱力分析和應(yīng)力分析中要求較高的那個(gè)。本文采用20節(jié)點(diǎn)solid90單元對凸輪軸進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格精度均為5mm，凸輪軸的有限元模型如圖4所示。

圖4 凸輪軸的有限元模型

3.1.2 初始與邊界條件及材料屬性

設(shè)定的初始與邊界條件如下：

(1)凸輪軸的材料滿足力學(xué)要求；

(2)系統(tǒng)環(huán)境溫度為25℃；

(3)忽略凸輪軸加熱后熱輻射的影響；

(4)忽略凸輪軸自身重力場影響；

(5)忽略淬火時(shí)冷卻水的相變作用；

(6)認(rèn)為淬火過程是理想的強(qiáng)制對流換熱過程；

(7)在求解凸輪軸溫度場時(shí)，初始溫度為25℃，其表層感應(yīng)加熱溫度為850℃；

(8)計(jì)算淬火過程凸輪軸應(yīng)力場時(shí)，由于軸的兩端被頂尖頂緊，故約束周兩端的所有移動(dòng)自由度即Ux、Uy和Uz方向的位移；

(9)計(jì)算校直過程凸輪軸應(yīng)力場時(shí)，凸輪軸在軸頸處由彈性V型塊水平支撐，因此約束支撐面處的兩個(gè)移動(dòng)自由度即Uy和Uz方向的位移；

計(jì)算中所使用的參數(shù)數(shù)值通過插值計(jì)算獲得，如表2所示為凸輪軸的物理參數(shù)[10]。

表2 凸輪軸物理參數(shù)

3.2 凸輪軸危險(xiǎn)位置的確定

在淬火過程中，凸輪軸經(jīng)歷了反復(fù)的加熱、冷卻過程，主要承受了感應(yīng)加熱、急速冷卻時(shí)大溫度梯度變化帶來的熱應(yīng)力作用，其熱應(yīng)力最大的位置，在后續(xù)校直過程中往往是斷裂破壞發(fā)生的位置。

凸輪軸的熱應(yīng)力分布受到熱傳導(dǎo)作用較大，故可通過對熱傳導(dǎo)情況下進(jìn)行有限元分析來確定凸輪軸的危險(xiǎn)位置。

有限元模型中，根據(jù)實(shí)際熱傳導(dǎo)工況計(jì)算，模擬時(shí)間為412s ，每段凸輪軸和主軸頸感應(yīng)加熱8.5s，淬火時(shí)噴水冷卻8s，共分25段進(jìn)行。由于凸輪軸淬火時(shí)主要受到熱應(yīng)力作用，采用有限元間接耦合法計(jì)算出危險(xiǎn)位置等效應(yīng)力，并以冷卻水對流換熱系數(shù)、溫度作為載荷，將載荷時(shí)間歷程寫成載荷步文件，對凸輪軸的分段區(qū)域連接成的開放系統(tǒng)進(jìn)行多步加載，以凸輪軸上第4主軸徑為例，得到的溫度與應(yīng)力應(yīng)變分布云紋圖及其與時(shí)間的歷程圖分別如圖 5～圖10 所示。

圖5 凸輪軸第4主軸徑溫度場(感應(yīng)加熱8s時(shí))

圖6 凸輪軸第4主軸徑軸截面及各特征節(jié)點(diǎn)(A～F)

圖5、圖6分別為凸輪軸第4主軸徑溫度場和凸輪軸第4主軸軸截面的溫度場分布云紋圖。由上述云紋圖可以看出，凸輪軸最高溫度(800℃～899℃)接近或超過材料組織的相變溫度，高溫區(qū)集中在凸輪表面及近表面區(qū)域，這與淬火工藝要求相符合。

為了探明在一個(gè)淬火周期內(nèi)區(qū)域溫度場的變化，在圖6所示截面中，沿凸輪及軸過渡區(qū)取若干個(gè)特征點(diǎn)(A～F)，觀察并分析其溫度分布隨時(shí)間變化的情況。圖7所示為特征點(diǎn)A～F的溫度—時(shí)間歷程。由圖可知，在0～8s(加熱階段)時(shí)各點(diǎn)的溫度隨著時(shí)間的推進(jìn)而增長，其中A點(diǎn)、B點(diǎn)的溫度較高且較為接近。在8～16s(冷卻階段)各點(diǎn)的溫度均隨時(shí)間歷程的增加而降低，包含急速冷卻期和平穩(wěn)冷卻期。

圖7 各特征節(jié)點(diǎn)的溫度-時(shí)間歷程圖的溫度場分布云紋圖

圖8 凸輪軸第4主軸徑應(yīng)力場分布云紋圖(淬火結(jié)束時(shí))

圖9 凸輪軸第4主軸徑軸截面的應(yīng)力場分布云紋圖(淬火結(jié)束時(shí))

如圖8、圖9所示，對應(yīng)的最大危險(xiǎn)應(yīng)力區(qū)確實(shí)發(fā)生在凸輪體表面。

圖10 各特征點(diǎn)的應(yīng)力—時(shí)間歷程圖

如圖10所示，在冷卻的末期各個(gè)特征點(diǎn)的溫度趨于同一溫度，此時(shí)由溫度梯度引起的應(yīng)力差異不顯著。

此時(shí)相變過程結(jié)束，材料溫度遠(yuǎn)低于相變溫度。此時(shí)的應(yīng)力分布即可以認(rèn)為是零件的殘余應(yīng)力，是零件產(chǎn)生變形的一個(gè)主要原因。將淬火與校直視作一個(gè)系統(tǒng)，那么需要對校直過程進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變分析，以確定凸輪軸對校直過程的力學(xué)響應(yīng)及應(yīng)力分布。

淬火完成后進(jìn)行校直工序，測得部分軸頸跳動(dòng)量如表3所示。

表3 各軸頸跳動(dòng)量

由數(shù)據(jù)可知凸輪軸在第4主軸徑及附近區(qū)域形成了單弧度彎曲，因此在在工作臺(tái)上用液壓校直機(jī)對凸輪軸第4主軸徑進(jìn)行反彎校直，選擇第3、第5主軸徑作為支點(diǎn)。

對第4主軸徑反向壓彎，壓彎至目標(biāo)位移時(shí)應(yīng)力場分布如圖11所示。由應(yīng)力應(yīng)變隨時(shí)間的分布曲線(如圖12、圖13所示)可知，對應(yīng)溫度場所取截面上的特征點(diǎn)中，以特征點(diǎn)F為最大應(yīng)力應(yīng)變點(diǎn)，特征點(diǎn)E為次大應(yīng)力應(yīng)變點(diǎn)。通常認(rèn)為裂紋從應(yīng)力最大點(diǎn)開始萌生，這也與軸體現(xiàn)實(shí)失效情況相符，故有限元計(jì)算精確地再現(xiàn)了罐蓋的溫度場、應(yīng)力場及應(yīng)變分布，確定了危險(xiǎn)點(diǎn)F為裂紋起始位置。

圖11 第4主軸徑界面的應(yīng)力場分布云紋圖(壓彎至目標(biāo)位移時(shí))

4 校直斷裂失效分析及工藝改進(jìn)

凸輪軸在淬火過程中受到高溫的作用，由于大溫度梯度的存在和材料存在的熱脹收到約束，使得軸體處于在應(yīng)力作用下，進(jìn)而產(chǎn)生彎曲變形。各特征點(diǎn)校直過程的應(yīng)力—時(shí)間歷程圖如圖12所示，特征點(diǎn)E、F的應(yīng)變—時(shí)間歷程圖如圖13所示。通過兩圖分析可以得知，最大應(yīng)變點(diǎn)F所受的應(yīng)力為壓應(yīng)力，E點(diǎn)也受壓應(yīng)力。

圖12 各特征節(jié)點(diǎn)校直過程的應(yīng)力—時(shí)間歷程圖

圖13 特征點(diǎn)E、F的應(yīng)變—時(shí)間歷程圖

同一圓柱表面上應(yīng)力隨壓頭行程的增大而非線性增大，同一橫截面上同時(shí)還出現(xiàn)拉壓應(yīng)力，其最大值超過材料的條件屈服強(qiáng)度并且接近抗拉強(qiáng)度，這是產(chǎn)生斷裂損壞的主要原因。

同時(shí)，淬火后軸體產(chǎn)生平均厚度2～3mm的淬硬層，淬硬層的硬度達(dá)到59～63HRC。但在校直過程中F、E點(diǎn)材料處于相互擠壓的狀態(tài)，而硬度越大，材料越難以被外界材料壓入，表面材料的高硬度使得在校直時(shí)淬硬層下的非淬硬材料產(chǎn)生更大的應(yīng)變從而更易在淬硬層下產(chǎn)生裂紋源。

5 結(jié)論

通過對柴油發(fā)電機(jī)組凸輪軸進(jìn)行溫度場-應(yīng)力場仿真分析，得到了各部分溫度及應(yīng)力隨時(shí)間變化的規(guī)律，得到以下結(jié)論：

(1)局部產(chǎn)生較大溫度梯度及裝夾時(shí)產(chǎn)生應(yīng)力是導(dǎo)致凸輪軸變形失效的主要成因。通過有限元分析可知，該過程準(zhǔn)確的模擬了凸輪軸校直試驗(yàn)失效的現(xiàn)象。根據(jù)有限元方法計(jì)算出的危險(xiǎn)位置的應(yīng)力，并結(jié)合相關(guān)力學(xué)基礎(chǔ)，可更深一步對較大曲率變形校直工況下的凸輪軸進(jìn)行抗彎曲幾何參數(shù)優(yōu)化和工藝優(yōu)化。

(2)根據(jù)上述研究結(jié)果分析，認(rèn)為可從改善凸輪軸結(jié)構(gòu)特征、加工工件材料及加工工藝等方面對校直狀況進(jìn)行改進(jìn)。降低凸輪軸在設(shè)計(jì)和工藝過程中發(fā)生結(jié)構(gòu)變形和材料失效的現(xiàn)象，可有效預(yù)防凸輪軸的校直裂紋和斷裂。采用合理的結(jié)構(gòu)及熱處理性能優(yōu)良的材料，以減少變形，并注意前工序?qū)罄m(xù)工藝過程的影響。