曲轴滚压变形分析与滚压校直工艺研究

摘 要：曲轴是发动机的重要零件，曲轴的旋转是发动机的动力源，也是整个机械系统的源动力。本文通过分析曲轴的特点和作用，对提高曲轴疲劳强度的几种常见工艺进行比较，结合曲轴圆角液压的技术优势，对其强化与校直工艺进行探讨。以期通过本文的阐述为有效提升曲轴的加工工艺及相关技术体系完善提供理论参考。

关键词：曲轴；疲劳强度；滚压强化方法；校直工艺

一、曲轴的特点和作用

曲轴一般由主轴颈，连杆轴颈、曲柄、平衡块、前端和后端等组成。一个主轴颈、一个连杆轴颈和一个曲柄组成了一个曲拐，曲轴的曲拐数目等于气缸数（直列式发动机）；V型发动机曲轴的曲拐数等于气缸数的一半。主轴颈是曲轴的支承部分，通过主轴承支承在曲轴箱的主轴承座中。主轴承的数目不仅与发动机气缸数目有关，还取决于曲轴的支承方式。曲轴的支承方式一般有两种，一种是全支承曲轴，另一种是非全支承曲轴。曲轴的形状和曲拐相对位置（即曲拐的布置）取决于气缸数、气缸排列和发动机的发火顺序。

曲轴的作用：它与连杆配合将作用在活塞上的气体压力变为旋转的动力，传给底盘的传动机构。同时，驱动配气机构和其它辅助装置，如风扇、水泵、发电机等。工作时，曲轴承受气体压力，惯性力及惯性力矩的作用，受力大而且受力复杂，并且承受交变负荷的冲击作用。同时，曲轴又是高速旋转件，因此，要求曲轴具有足够的刚度和强度，具有良好的承受冲击载荷的能力，耐磨损且润滑良好。

二、提高曲轴疲劳强度常见的工艺

曲轴服役工况条件恶劣，其失效形式一般是轴颈磨损和疲劳断裂。疲劳断裂往往是破坏性的，涉及安全方面，必须高度重视。提高曲轴疲劳强度常见的强化工艺大致有以下五种：

1、氮化

曲轴氮化包括气体软氮化、离子氮化和盐浴氮化等。氮化能提高曲轴疲劳强度的20%-60%，适用于各类曲轴。

2、喷丸

曲轴经喷丸处理后能提高疲劳强度的20%-40%，但因喷丸时须保护轴颈表面，故采用较少。

3、圆角与轴颈同时感应淬火

该强化方式应用于球铁曲轴时，能提高疲劳强度的20%，而应用于钢轴时，则能提高100%以上，故在钢轴中应用比较普遍。

4、圆角滚压

由于国内只有少数厂家实现了曲轴圆角滚压强化工艺，且大多数采用的相关工艺设备是国外引进的，故无具体数据。根据统计资料：球铁曲轴经圆角滚压后寿命可提高80%-200%，钢轴经圆角滚压后寿命可提高70%-150%。

5、复合强化

就是应用多种强化工艺对曲轴进行强化处理，例如曲轴轴颈氮化加圆角滚压工艺等。

由以上分析可知，圆角滚压对提高曲轴疲劳强度有显著作用。目前汽车曲轴以及工程机械用发动机曲轴越来越多的采用圆角滚压强化工艺，国外轿车发动机曲轴几乎全部采用圆角滚压工艺。由于圆角滚压可大幅度提高疲劳强度，因此它成为曲轴“以铁代钢”的关键工艺。就目前而言，曲轴圆角滚压强化工艺已成为提高产品竞争力的重要手段。

三、曲轴圆角滚压的强化与校直工艺

曲轴圆角滚压属于表面塑性变形范畴，早在1933年美国就将滚压强化方法应用在铁路上。在1938年苏联开始对铁路车轴轴颈进行滚压强化试验。到了上个世纪50年代发达国家开始研究曲轴表面的强化滚压技术，后来随着工业对曲轴疲劳性能要求越来越高，为了提高生产效率，开始对滚压设备进行研究，到上个世纪80代发达国家发明了曲轴强化工艺的全自动滚压，大大提高了曲轴滚压强化的效率。

1、曲轴滚压强化

如图1箭头所指即为施加滚压力的部位，曲轴在进行圆角滚压强化时，利用滚压轮在图示圆角处施加滚压力，以使曲轴圆角处在滚压后产生局部残余压应力，以达到提高曲轴抗疲劳强度的能力。

1-摆动传感器；2-耀压钳；3-加压油缸；4-压力传瘟器

图2 曲轴滚压设备机械系统示意图

这一工艺过程是利用图2上的滚压钳上的滚轮，分别对曲轴主轴颈和连杆颈处的圆角进行滚压。在滚压过程中，由伺服传动系统控制曲轴旋转的转速和旋转角度。同时由滚压钳压力控制系统控制滚压过程的压力加载曲线，对每个主轴颈和连杆颈依次完成整个滚压过程。

在滚压塑性变形过程中，有弹性变形与塑性变形同时存在的现象。金属塑性加工理论中称为弹塑性共存定律。在实践中运用这条简单而又重要的定律时，我们是从两方面来考虑的：一方面变形过程是处在工艺系统中，不但不允许发生任何微小的塑性变形，而且期望弹性变形也最小，方可保证加工过程的顺利进行并获得加工精度最佳的产品。因此，常选用工具断面尺寸较大的结构增大刚度，而且在选用刚度较好的设备时，还要考虑工件装夹后的刚度，即整个工艺系统的刚度最佳，以求尽可能缩小因工艺系统的弹性变形而引起的尺寸偏差。另一方面，对金属来说，在变形过程中希望它能产生最大的塑性变形。对变形后不可避免的弹性变形部分的恢复，只能依靠摸索变形规律来解决。一般是根据金属可能产生的弹性变形数量的已知值，在控制变形过程时加大一定的过剩变形量以抵消它，故要选取适当的滚压过盈量。滚压加工后的金属表面由于发生了晶内及晶间的破坏，晶格产生了畸变，故经受冷变形后的金属及合金，其塑性随所受的变形程度的增加而急剧下降，在极限情况下可达到接近于完全脆性的状态。另外，由于晶格畸变，出现应力、晶粒的细化等，工件表面微观凹凸不平烫光压平，表面粗糙度明显改善。金属的抗力指标则随变形程度的增加而有所提高，从而使工件表面耐磨性及疲劳强度有明显改善。

2、曲轴滚压校直

曲轴的滚压校直，首先在对工件实施圆角滚压强化后，由机内测量系统在线测量中间轴对两端支承轴颈的跳动量和跳动方向，将结果反馈给计算机管理系统，获得曲轴的变形规律。如果产品不合格，由计算机管理系统算出所需加载的部位和压力值。控制系统接受计算机管理系统的信息后，发出滚压校直指令。再针对被校直曲轴工件的具体变形情况，在计算机专家系统指导下，用适当的压力对工件的某些部位（圆角处）继续进行滚压，使工件产生与原变形方向相反的塑性变形，从而达到校直的目的。直到曲轴校直满足要求为止。

如图2所示，对弯曲的曲轴的校直处理分两步进行：首先检测曲轴的弯曲变形数据，即弯曲的大小和弯曲的相位方向。检测的方法是用摆差传感器检测各主轴颈处的摆差；然后由专家系统数据库对摆差数据进行分析处理并给出校直方案，即给出在某几个主轴颈或连杆颈上的再施压方案。利用专家系统的施压方案重新滚压产生新的变形来消除曲轴的弯曲。

四、结束语

实践证明，曲轴滚压校直工艺优于其它校直工艺，不仅能有效提高曲轴的强度，而且能降低材料成本，目前应大批量用于强化机型，从而减少断轴等事故现象的发生。

参考文献

[1] 成太先等.机械设计手册[M].机械工业出版社，1988

[2] 李满良等.492曲轴疲劳试验报告[s].北内公司内部资料，2000

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