曲軸圓角滾壓工藝參數優化研究

燕松山，劉世權，陳思德

(武漢理工大學機電工程學院，湖北武漢430070)

曲軸滾圓強化是采用滾壓方法，使曲軸易發生疲勞破壞的過渡圓角處發生塑性變形，從而產生殘余壓應力的表面強化工藝，它能夠顯著提高曲軸的疲勞壽命。滾壓強化的效果取決于滾壓后在滾壓區域形成殘余壓應力的大小及其分布形態。因此，研究曲軸圓角滾壓過程中，滾壓力、滾壓圈數等工藝參數對滾壓區域加工后塑性變形及殘余應力的影響規律，對于提高滾壓加工質量及加工效率具有重要意義，已成為當前研究的熱點。

針對上述問題，國內外研究者已著手利用有限元方法來探討在滾壓加工過程中形變及應力變化規律為實際應用提供方法和依據。從動力學上進行滾壓的數值模擬，分析了曲軸滾壓后圓角處殘余應力和塑性應變的分布和大小，得到殘余應力和塑性應變在圓角處得總體分布趨勢［1－2］。并探討了相關參數對滾壓結果的影響，如滾壓道次、摩擦因數、滾壓深度、滾輪形狀尺寸以及滾輪傾角對曲軸殘余應力和塑性變形的影響，得出其參數與殘余應力和塑性變形的對應關系［3－4］。當前，大多研究者將滾壓模型簡化為二維模型或三維靜態模型進行研究，其仿真結果缺乏準確性，而且研究滾壓力和滾壓圈數對滾壓質量及效率影響的文獻相對較少。

作者借助ANSYSLS-DYNA建立了三維曲軸圓角滾壓有限元模型，進行動態滾壓過程仿真模擬。以Q465曲軸為例，研究了滾壓力和滾壓圈數對曲軸第三個曲拐連桿頸的圓角過渡處塑性變形及殘余應力的影響，進一步完善了曲軸滾壓強化理論，為曲軸滾壓中工藝參數的選取和曲軸圓角的檢測提供參考和理論支撐。

1 分析模型的建立

1.1 曲軸滾壓簡化模型的建立

在工作過程中，六缸曲軸通常在第三個曲拐連桿頸的圓角處發生疲勞破壞［5］，圖1(a)所示為該處在滾壓加工過程中的結構及工況條件示意圖，相關結構及材料參數如表1所示。在對該處曲軸結構及其工況分析的基礎上，通過合理簡化，建立了曲軸連桿頸圓角滾壓強化有限元模型，如圖1(b)所示。考慮到計算的精確性及接觸收斂性，在曲軸圓角接觸區域采用映射劃分。

圖1 Q465型號曲軸模型

表1 曲軸參數

1.2 邊界條件及其簡化

滾壓強化加工過程中曲軸的徑向移動是靠兩個支撐輪來限制，在建模過程中考慮到支撐輪與軸頸的接觸位置與圓角的位置相對較遠，對曲軸圓角的塑性變形和殘余應力影響可以忽略，可采用約束端面的自由度來實現相同的效果，這樣可大大加快有限元分析的計算時間。因此建模時，限制曲軸兩端的端面移動自由度、徑向及圓周方向的旋轉自由度，使曲軸繞著軸向方向旋轉。同時為了便于滾壓力的加載，考慮到運動的相對性，定義曲軸繞著連桿頸軸心線的轉動。對于滾壓力的加載，實際滾壓過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中施加一個軸向力和一個徑向力在滾輪上，使加載的滾壓力與實際滾壓力的加載情況相同，以此來模擬曲軸滾壓的過程。

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個不同滾壓力參數，圈數設定為8圈。分析不同滾壓力下和不同圈數下殘余應力與塑性變形情況。

2 結果分析

2.1 仿真結果與試驗結果對比分析

基于以上所建立的模型，對Q465曲軸第三個曲拐連桿頸的圓角處滾壓過程進行了模擬分析。

圖2為6 500 N滾壓力下滾壓8圈后的塑性變形云圖。可以看出:在圓角滾壓接觸中心區域塑性變形最大，其值為0.055 6 mm。圖3為在實際加工過程中相同滾壓參數下曲軸滾壓后第三個曲拐連桿頸的圓角處塑性變形實際測量結果，可以看出，其最大值同樣在接觸中心區域，圖中位于30°的方向上，壓入量為0.051 03 mm。可見，仿真結果與試驗結果符合較好，驗證了模型的可行性和準確性。

圖2 滾壓后的塑性變形云圖

圖3 滾壓后實際壓入量

2.2 仿真結果分析

曲軸滾壓強化是通過滾壓輪的滾壓在曲軸圓角處形成塑性變形，產生殘余壓應力，從而提高曲軸的抗疲勞能力。而在滾壓過程中，滾壓圈數和滾壓力對滾壓后材料塑性變形及其殘余壓應力影響最大。在研究過程中，以圖2中所示曲軸圓角沉溝槽處點A為起點，點B為終點路徑沿線節點為研究對象，研究不同滾壓力和滾壓圈數在相應位置引起塑性變形量及殘余應力的大小。

2.2.1 圈數對圓角處塑性變形和殘余應力的影響

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下塑性變形情況。可見曲軸在滾壓加工時，前幾圈圓角處塑性變形量隨著圈數增加而增大，而后幾圈圓角處塑性變形量幾乎不再隨著圈數的增加而變化，且最大變形量位置發生在滾輪與圓角接觸的區域。

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力曲線圖，可見圓角滾壓接觸中心區域殘余應力大于其兩側區域。同時，圓角處滾壓殘余應力受滾壓圈數的影響，隨滾壓圈數的增加而增大;滾壓圈數對殘余應力的影響效應隨圈數增多而遞減，幅值進行上下波動，并隨著滾壓圈數的增加殘余應力的波動范圍逐漸的減小。

圖5 每滾壓一圈圓角接觸區域的殘余應力曲線

由此可見，滾壓一定圈數后，繼續增加滾壓圈數，并不能使殘余應力繼續增加，滾壓圈數存在一個最優值。從仿真結果看出滾壓圈數在4圈后殘余應力和圈數都趨于穩定，但從加工質量穩定性上考慮滾壓6～8圈比較適合，增加滾壓的圈數意義不在于提高滾壓后的殘余應力和塑性變形，而是穩定和保持已獲得的殘余應力和塑性變形。

2.2.2 滾壓力對圓角處塑性變形和殘余應力的影響圖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，曲軸在圓角接觸區域變形增加較為明顯。在4 500～6 500 N滾壓力范圍內塑性變形增長幅度較大，而在6 500～8 500 N內增長幅度相對較小，且隨著滾壓力的增加，曲軸圓角處的塑性變形呈現收斂趨勢。可見滾壓力在一定范圍內對塑性變形的影響相對較大。

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力情況可以看出，在不同工藝參數滾壓力下滾壓過的曲軸，圓角處接觸區的殘余應力相比兩側增加更明顯，且隨著滾壓力的增大，圓角處殘余壓應力增大。當滾壓力增加到一定程度時，殘余應力與塑性變形呈現相同的收斂趨勢，則必然存在一個最佳滾壓力使曲軸滾壓后的殘余應力增加不再明顯。

圖7 不同滾壓力下圓角處的殘余應力曲線

由此可見，滾壓力參數在數值較小的范圍內，隨著滾壓力的增加，塑性變形和殘余應力都呈線性增長，當到滾壓力增加到一定程度后，曲軸圓角處的塑性變形與殘余應力趨于收斂。因此，必然存在一個最佳滾壓力，使滾壓后曲軸的殘余壓應力增加較大，且繼續增加此滾壓力殘余應力增加程度不明顯，此結論可以為選取適當的滾壓力參數作理論依據;同時滾壓后曲軸，其殘余應力通過塑性變形量表現出來，所以不同滾壓力下的殘余應力對應的塑性變形，則可為曲軸滾壓檢測提供理論依據。

3 結論

建立了曲軸圓角滾壓顯示動力學分析模型，仿真了滾壓動態過程，得到了圓角處的殘余應力分布情況和圓角處的變形情況，研究了工藝參數滾壓力和圈數對殘余應力和應變的影響，進一步完善了曲軸滾壓強化理論。

(1)通過仿真結果和實際試驗結果的對比分析，驗證了所建模型的準確性。

(2)隨著滾壓圈數的增加，滾壓圓角處塑性變形量和殘余應力增大，但達到一定圈數后，塑性變形量和殘余應力的變化幅度顯著變小。在實際滾壓加工過程中，滾壓圈數為6～8較為合適。

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

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