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程中，滾壓力、滾壓圈數(shù)等工藝參數(shù)對滾壓區(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)。

針對上述問題，國內(nèi)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(yīng)力變化規(guī)律為實(shí)際應(yīng)用提供方法和依據(jù)。從動力學(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)變在圓角處得總體分布趨勢［1－2］。并探討了相關(guān)參數(shù)對滾壓結(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)力和塑性變形的對應(yīng)關(guān)系［3－4］。當(dāng)前，大多研究者將滾壓模型簡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)對滾壓質(zhì)量及效率影響的文獻(xiàn)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(jìn)行動態(tài)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(shù)對曲軸第三個(gè)曲拐連桿頸的圓角過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(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。在對該處曲軸結(jié)構(gòu)及其工況分析的基礎(chǔ)上，通過合理簡化，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型號曲軸模型

表1 曲軸參數(shù)

1.2 邊界條件及其簡化

滾壓強(qiáng)化加工過程中曲軸的徑向移動是靠兩個(gè)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(yuǎn)，對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)動的相對性，定義曲軸繞著連桿頸軸心線的轉(zhuǎn)動。對于滾壓力的加載，實(shí)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(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(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)果對比分析

基于以上所建立的模型，對Q465曲軸第三個(gè)曲拐連桿頸的圓角處滾壓過程進(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。可以看出: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?，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。而在滾壓過程中，滾壓圈數(shù)和滾壓力對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?？梢娗S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，并隨著滾壓圈數(shù)的增加殘余應(yīng)力的波動范圍逐漸的減小。

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，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)塑性變形增長幅度較大，而在6 500～8 500 N內(nèi)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(xiàn)收斂趨勢?？梢姖L壓力在一定范圍內(nèi)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(yīng)力情況可以看出，在不同工藝參數(shù)滾壓力下滾壓過的曲軸，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，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，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，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)力通過塑性變形量表現(xiàn)出來，所以不同滾壓力下的殘余應(yīng)力對應(yīng)的塑性變形，則可為曲軸滾壓檢測提供理論依據(jù)。

3 結(jié)論

建立了曲軸圓角滾壓顯示動力學(xué)分析模型，仿真了滾壓動態(tài)過程，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)通過仿真結(jié)果和實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果的對比分析，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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