硕士论文-基于圆角滚压工艺的曲轴疲功行为研究.pdf

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压参数加以研究。 本文主要内容包括： 利用有限元计算软件A B A Q U S ，采用三维显式动力学计算，模拟曲轴圆角滚 压过程，通过利用软件自带的二次开发平台，编写数据采集程序，获取曲轴圆角 表面和内部的应力分布情况。 在计算中发现：圆角在压应力边缘过渡区域会出现拉应力环带，并详细讨论 了其产生过程与生成机理。计算结果与曲轴实际加工滚压过程中出现的“凸缘” 情况相吻合。通过对“凸缘”生成机理的分析研究，合理的解释了圆角在滚压后， 磨削圆角表面反而可以提高曲轴疲劳强度这一现象。根据分析结果，认为滚压后 的圆角应力分布情况应选取圆角内侧0 4 m m 处的应力。 计算在不同的滚压力和滚轮倾斜角下，曲轴圆角的残余应力分布情况。通过 多组计算结果发现：当滚压力足够大后，再增加滚压力，圆角残余压应力变化不 大；滚轮的倾斜角度的变化，不仅会使得残余应力区域位置发生变化，残余应力 值也会有相应的变化。 参照曲轴真实疲劳试验，对曲轴进行模拟弯曲疲劳试验，得到不同弯矩水平 下曲轴圆角应力分布情况。将模拟弯曲疲劳试验得到的圆角工作应力与滚压后的 圆角残余应力进行耦合计算，获得更为准确的曲轴疲劳强度，并依此对曲轴滚压 参数进行优化，优化后的曲轴疲劳极限弯矩提高1 5 7 。 关键词：曲轴、滚压、疲劳强度、残余应力 叁主望鱼壅堡三堇竺塑塑壅茎堑垄堑垄 A B S T R A C T A b s t r a c t ：C o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a ls t r e n g t h e n i n gt e c h n o l o g y , c r a n k s h a f tf i l l e tr o l l i n gp o s s e ss o m ef e a t u r e ss u c ha sl o w - c o s t ，s h o r tt i m e m a c h i n i n ga n dm o r ee f f e c t i v ea sa ni d e a lm e t h o do fs u r f a c es t r e n g t h e n i n g o fc r a n k s h a f t F o rt h en o d u l a rc a s ti r o nc r a n k s h a f t ，e x p e r i m e n t a lr e s u l t s s h o wt h a ts u r f a c eh a r d n e s si n c r e a s ef r o m2 4 0 2 9 0 H Bt o5 0 5 5 H R Ca f t e r r o l l i n g ，a n df a t i g u es t r e n g t hh a si m p r o v e db y8 0 - 9 0 I d e a lc r a n k s h a f t r o l l i n gp a r a m e t r i ci sf i x e db yf a t i g u ee x p e r i m e n t B u tf a t i g u ee x p e r i m e n t n e e d sl o n gt e s t i n gc y c l ea n db ec o s t l ya sad e s t r u c t i v et e s t T h e r e f o r e ，s o m e p a r a m e t r i ci sf i x e dw i t he x p e r i e n c e F o rt h eh i g hi n t e n s i t yo fc r a n k s h a f t r e q u e s t ，i ti m m i n e n t l y a s k sf o r a n a l y s i s o fr o l l i n gm e c h a n i s ma n d p a r a m e t r i c T h ep a p e rW a sm a i n l ya b o u ta sf o l l o w s ： W i t ht h eA B A Q U S ，t h es i m u l a t i o no nt h ef i l l e tr o l l i n gp r o c e s so ft h e c r a n k s h a f ti Sc a r r i e do u tb a s e do nt h ec a l c u l a t i o no ft h r e e d i m e n s i o n a l e x p l i c i td y n a m i c T h ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mi sp r o g r a m m e db a s e do n s e c o n dd e v e l o p m e n tp l a t f o r m S t r e s sd i s t r i b u t i o no ft h es u r f a c ea n di n t e r i o r o ft h ec r a n k s h a f ti so b t a i n e d T h ec o m p u t a t i o nr e s u l t ss h o w st h a tt h et r a n s i t i o n a lr e g i o nb e t w e e n w i t ha n dw i t h o u td e f o r m a t i o no ft h ef i l l e ta r i s e st e n s i l es t r e s sb o n d ，w h i c h g i v eag o o da g r e e m e n tw i t ht h ep h e n o m e n o no ff l a n g ei nt h ep r a c t i c a l p r o c e s sa f t e rf i l l e tr o l l i n g B ym e a n so fs t u d y i n gp r o d u c tm e c h a n i s mo ft h e f l a n g e ，r e a s o n a b l ee x p l a n a t i o no ft h er e a s o nf o rt h ef a t i g u es t r e n g t ho f c r a n k s h a f ti si m p r o v e db y g r i n d i n gt h ef i l l e ts u r f a c ea f t e rf i l l e tr o l l i n g D i s t r i b u t i n gs i t u a t i o no fr e s i d u a ls t r e s si sc a l c u l a t e dw i t hd i f f e r e n t p a r a m e t e r s A n dt h ed i s t r i b u t i n gr u l e so ft h ef i l l e tr e s i d u a ls t r e s sw i t h d i f f e r e n tp a r a m e t e r sa l ef o u n d e db yr e p e a t e dc o m p u t a t i o n s F a t i g u eb e n d i n g t e s ti ss i m u l a t e d A n d c o m p a r a t i v e c a l c u l a t i o n T T 江苏大学硕士学位论文 b e t w e e nt h ef i l l e tw o r k i n gp r e s s u r eo b t a i n e db y f a t i g u eb e n d i n gt e s ta n dt h e r e s i d u a ls t r e s sa f t e rt h er o l l i n gi sc a r r i e do u t T h e nt h ea c c u r a t ec r a n k s h a f t f a t i g u es t r e n g t hi so b t a i n e d ，a n dt h er o l l i n gp a r a m e t e r sa r eo p t i m i z e d B y a d v a n c e d ，T h ec r a n k s h a f tf a t i g u es t r e n g t hi sh e i g h t e n e db y15 7 K e yW o r d s ：C r a n k s h a f t ，R o l l i n g ，F a t i g u es t r e n g t h ，R e s i d u a ls t r e s s I I I 为研究 第一章绪论 l 1 1 曲轴强化方法概述1 1 2 曲轴圆角滚压工艺研究现状及国内外发展趋势。2 1 3 本文的主要研究工作3 第二章曲轴圆角滚压工艺的理论基础 4 2 1 滚压工艺强化机理4 2 1 1 残余压应力机理4 2 1 2 表面质量机理5 2 2 滚压工艺参数的选取。5 2 2 1 滚压方式的选取5 2 2 2 滚压力的选取6 2 2 3 滚轮倾角的选取7 2 2 4 滚压道次的影响8 2 2 5 滚压速度的影响8 第三章曲轴疲劳计算理论 9 3 1 疲劳计算理论9 3 1 1 疲劳载荷类型与S N 曲线9 3 1 2 疲劳强度的影响因素1 0 3 1 3 材料属性边界条件1 4 3 2 基于残余应力的曲轴疲劳强度计算2 0 第四章滚压参数对曲轴残余应力分布的影响 2 2 4 1 计算的前期准备2 2 4 1 1 软件简介2 2 4 1 2 计算模型的建立2 5 4 2 滚握后圆角应力分布2 8 4 2 1 圆角滚压动态分析2 8 4 2 2 圆角残余应力分析3 0 4 3 滚压参数对滚压效果的影响3 2 4 3 1 不同滚压力下残余应力分布规律3 2 江苏大学硕士学位论文 4 3 2 不同滚轮倾角残余应力分布规律3 4 4 4 本章小结3 5 第五章基于残余应力的曲轴疲劳强度计算 5 1 曲轴弯曲疲劳试验3 6 5 2 模拟曲轴弯曲疲劳试验3 7 5 2 1 计算模型的建立3 7 5 2 2 计算结果3 7 5 3 基于残余应力的曲轴疲劳强度计算3 9 5 4 基于疲劳强度的滚压参数优化设计4 0 第六章总结 4 5 6 1 全文总结4 5 6 1 1 本文的主要研究成果4 5 6 1 2 结论一4 6 6 2 进一步工作展望4 6 参考文献 致谢 4 8 在研期间发表的论文 5 l 5 2 V 苏大学硕士学位论文 1 1 曲轴强化方法概述 第一章绪论 曲轴作为发动机的核心部件，工作中承受燃气的爆发压力和各运动件的惯性 力作用，其工作状况非常恶劣。随着发动机强化程度的日益提高，对曲轴的结构 工艺特性提出了更高的要求。然而，由于体积结构以及成本等方面的原因，曲轴 的结构设计存在一定的限制，因此，必须对曲轴进行一定的强化处理。 曲轴的强化处理是指在不改变曲轴材料和结构的前提下，用包括物理、化学 和机械的方式，提高曲轴各项机械性能的工艺手段。曲轴的强化方法包括：机械 强化( 喷丸和圆角滚压) ；物理强化( 淬火、调质、正火、表面中高频淬火等) ； 化学强化( 氮化、渗碳、低温氰化) 。在实际应用中，通常很少单一使用，一般是 根据曲轴的实际情况和技术要求，综合采用二种以上的复合强化方法。 曲轴的强化处理可分为：前期强化处理、中期强化处理和后期强化处理。曲 轴的前期强化处理，是对曲轴零件进行整体处理，通过正火、调质等处理消除内 应力，改善晶体组织，获得较好的综合机械性能。曲轴的中后期处理主要集中于 对轴颈表面、圆角等关键部位的处理，目的在于提高轴颈表面的硬度，增加耐磨 性，消除应力集中，强化曲轴的薄弱部位，提高曲轴的疲劳极限。 曲轴的强化工艺的选择主要是根据曲轴的材质确定的，一般来说，曲轴的材 质可分为锻钢和球磨铸铁。对于锻铡曲轴，滚压、氮化、感应硬化三种强化效果 基本上差不多，其中感应硬化的效果更好一些。对于球铁曲轴而言，滚压、氮化、 感应硬化三者的强化效果相比悬殊，滚压的效果最好，感应硬化的效果次之，氮 化效果最差。 对于柴油机而言，球铁曲轴使用最为广泛，其中圆角滚压强化处理也是最为 有效的强化手段。随着柴油机强化程度的提高，对曲轴的强化提出了更高的要求， 曲轴圆角滚压更多地开始采用深滚工艺。滚压力的提高可以提高曲轴的抗弯曲强 度，但是，滚压力的增加也会使得曲轴的变形情况加剧。一般来说，球铁曲轴是 不能校直，因此必须合理安排滚压工艺，对滚压力等参数进行一定的限制，保证 各曲轴主轴颈同轴度的公差要求。 基于圆角滚压工艺的曲轴疲劳行为研究 1 2 曲轴圆角滚压工艺研究现状及国内外发展趋势 曲轴圆角滚压强化是一种理想的曲轴表面强化手段，与传统强化工艺相比较具 有成本低、加工时间短、强化效果好等优点。试验表明，对于球墨铸铁曲轴而言， 圆角滚压可以使表面硬度由2 4 0 2 9 0 H B 提高到5 0 5 5 H R C ，疲劳寿命提高 8 0 1 0 0 。理想的曲轴滚压工艺参数是要通过疲劳试验来确定的。但由于疲劳是 破坏性试验，试验周期长，耗资巨大。因此滚压的很多工艺参数还是通过经验来 确定的。随着对曲轴高强化的要求，迫切需要对滚压机理和滚压参数进行研究。 目前，国内外学者的研究主要集中于滚压后圆角残余应力的分布情况。2 0 0 2 年，国内学者薛隆泉【7 】等对圆角的滚压进行了运动学分析，对滚压的工艺参数进行 了优化设计。但是其优化的目标仅局限于运动学分析，没有考虑到残余应力的分 布情况；2 0 0 8 年，刘荣昌【8 】等运用三维显式计算，讨论了曲轴在多次滚压后塑性 变形与残余应力的分布情况。研究表明，通过弹塑性计算得到的滚压圆角亚表面 层残余应力分布较X 射线实验得到结果更为合理。 研究表明，由于曲轴自身结构复杂，各个部位应力变化情况相对剧烈，通过模 拟计算得到的曲轴疲劳寿命与实际情况仍有较大差距。这主要是由于基于动响应 的疲劳计算只能考量曲轴自身结构的抗疲劳程度。曲轴在加工制造过程中，采用 了滚压，高频淬火，渗氮，碳氮共渗等强化手段，使得曲轴自身的强化程度大为 提高。这是传统的模拟计算所没有涉及的。 基于这些情况，很多学者提出了基于加工工艺的曲轴疲劳强度计算，如2 0 0 5 年，密歇根州立大学的C h i e n 5 】运用有限元法和线弹性断裂学对曲轴进行了研究。 结合弯曲应力和残余应力，求得曲轴圆角的应力集中系数。他的研究表明，在圆 角压应力区出现的萌生裂纹未必发展为断裂裂纹；2 0 0 6 年，P a u lS p i t e d t l 6 】在综合 滚压残余应力和实际工作应力后，采用S W T 等效应力作为疲劳强度判定标准，取 的了与试验较为一致的结果。 未来的曲轴疲劳计算，一方面将继续着力于曲轴动应力的计算，其中关键在 于动态油膜的计算。由于油槽的结构日益复杂，同时动态条件下曲轴各拐的相互 影响，使得动态油膜的计算非常复杂。有学者提出，采用流固耦合的方法计算， 但目前尚未见及报道； 另一方面，加工工艺的影响将更多的考虑在疲劳计算中。除了滚压外，轴颈 2 大学硕士学位论文 高频淬火，渗碳等工艺产生的残余应力分布对疲劳强度的影响会成为下一个研究 方向。 1 3 本文的主要研究工作 本课题的研究主要包括： 1 ) 采用三维显式动力学计算，模拟曲轴圆角滚压过程，根据A B A Q U S 二次 开发程序，读取滚压圆角部位应力数据，分析圆角滚压部位残余应力分布情况， 2 ) 通过改变滚压力、滚轮倾斜角等方式，探讨滚压参数对圆角残余应力分布 的影响，分析滚压参数与圆角残余应力之间的关系； 3 ) 根据曲轴实际弯曲疲劳试验，对曲轴模型进行模拟弯曲试验计算，获得曲 轴在不同弯矩作用下的圆角部位应力分布情况； 4 ) 结合曲轴的滚压残余应力和弯矩作用下的工作应力，计算曲轴的疲劳极限 弯矩和安全系数； 5 ) 将曲轴疲劳强度作为优化目标，以滚压力、滚轮倾斜角为优化参数，通过 模拟计算，寻找最佳滚压参数。 技术路线： 1 ) 在三维绘图软件P r o E 建立了曲轴的三维实体模型，尤其对于圆角部位的 几何尺寸一定要保证精确； 2 ) 在H y p e r M e s h 软件划分有限元网格，为了保证计算精度，应对圆角部位加 密网格，网格尺寸控制在0 2 m m ； 3 ) 在A B A Q U S 软件中用弹塑性有限元法计算曲轴应力。采用显式动力学计 算，分析滚压力和滚轮倾斜角对残余应力的影响； 4 ) 采用S W T 等效应力模型，耦合计算曲轴圆角工作应力与残余应力； 5 ) 在M A T L A B 软件中，进行数据处理，计算曲轴的疲劳极限弯矩和安全系 数。 基于圆角滚压工艺的曲轴疲劳行为研究 第二章曲轴圆角滚压工艺的理论基础 2 1滚压工艺强化机理 早在上个世纪3 0 年代人们就发现可通过引入残余压应力的方式延长疲劳寿 命。实际上材料中残余压应力最明显的作用是对材料疲劳性能的影响。也是由于 这一点，残余压应力才受到人们越来越多的关注【1 1 ，成为过去一段时间材料科学研 究的热点之一。目前主要通过以下两种不同的途径进行研究。 2 。1 1残余压应力机理 1 ) 从应力强度因子方面，只有当外加交变载荷达到某一界限时，即裂纹尖端 的应力强度因子达到了材料本身的临界应力强度因子时，材料表面的缺陷或裂纹 才开始扩展。当有平均应力存在条件下，界限应力强度因子幅值为 2 】。 如= ( 1 2 x t J O 1 + O 2 x ( 1 + 尺) ( 1 - R ) 】 ( 2 1 ) 式中R 戴荷中的平均应力 由于残余压应力能够抵消交变载荷作用下平均应力的作用，因此减小零件实 际承受的应力强度因子幅值A K 。由公式可以看出，R 值的下降能够提高裂纹开始 扩展的界限应力强度因子幅值必曲。那么在一定交变载荷条件下，在有残余压应 力存在的情况下，原来可能发生扩展的裂纹，由于拭。值得到提高，要使裂纹扩 展，则必须继续增大交变应力。这就是残余压应力在提高零件疲劳强度中的作用。 2 ) 从对裂纹闭合的影响方面，裂纹闭合的概念最初由E l b e r 于上个世纪7 0 年 代初提出的【1 1 。曲轴圆角经过滚压后产生的残余压应力能够平衡曲轴加工和工作时 的表面产生的拉应力，使零件的表面处于压应力状态。残余压应力的存在可以使 裂纹的尖端闭合，同时还可以抑制裂纹尖端的继续扩展。因此可以提高曲轴的疲 劳寿命。随后国内外对残余应力提高疲劳寿命作了一些研究，但大多都是以个别 应力分量作为疲劳失效准则的。P o p i n o c a n uN G 在上个世纪8 0 年代根据等效应力 假设建立了最佳残余应力计算方法，等效应力准则更全面地考虑了各个应力分量 对疲劳失效的影响。该理论指出如果滚压后表面的残余应力状态使得等效应力在 4 士学位论文 力为最佳的残余应力状态【3 1 。在该残余应 随着计算机和有限元理论的发展，应用 有限元模拟的领域也越来越广泛。2 0 0 3 年美国的W Y C h i e n 等人采用二维有限元 模型，分析了曲轴圆角经过滚压后的应力分布，应用断裂机理研究了残余应力对 曲轴疲劳寿命的影响嗍。 曲轴疲劳断裂的原因主要是由于曲轴在发动机中工作时承受很大的弯曲载荷 和扭转载荷。非增压发动机的气缸的爆发压力可达9 M P a ，增压型发动机中可达 1 2 - - 一2 0 M P a ；另外，曲轴还承受惯性力矩、输出转矩、扭振力矩。因此曲轴的主要 损坏部位为连杆轴颈过渡圆角和主轴颈过渡圆角。 2 1 2 表面质量机理 零件表面加工后引起的粗糙表面是应力集中的主要因素之一，常成为极危险 的尖端切口，形成应力集中。在交变应力作用下，疲劳源总是出现在应力集中的 地方，应力集中促使疲劳裂纹的形成和扩展。表面越粗糙、缺陷的缺口底部越尖 锐、缺口深度越大则有效应力集中系数值越大，应力集中越严重，因此疲劳强度 和疲劳寿命是随表面粗糙度的下降而增加，即表面越粗糙，疲劳强度和疲劳寿命 降低就越严重。为了降低曲轴表面的应力集中，对曲轴主轴颈和连杆轴颈进行磨 削加工后，表面粗糙度很容易达到R a 0 8l , tm ，但圆角处由于加工困难很难保证要 求的表面粗糙度，而恰恰此处又是危险截面。曲轴圆角滚压加工相当于一个低粗 糙度的滚轮硬表面在另一个高粗糙度的软表面上滚动。由于滚轮有极高的耐磨性， 滚轮和零件的硬度相差悬殊，在滚压过程中滚轮基本不发生变形，而零件表面上 的微凸体受到挤压后，凸峰金属被下压，金属从凸峰两侧的凹谷挤出。这样可使 微观不平度减小，从而获得小的表面粗糙度。曲轴经过圆角滚压可以使圆角表面 粗糙度达到R a 0 1um 以下，这样就大大减少了圆角处的应力集中，提高了曲轴的 疲劳强度。 2 2 滚压工艺参数的选取 2 2 1 滚压方式的选取 圆角滚压工艺存在两种方式：沉割圆角滚压和过渡圆角滚压。这两种滚压方 式各有特点： S 基于圆角滚压工艺的曲轴疲劳行为研究 过渡圆角滚压 1 ) 采用切向顺序碾成滚压，滚压的工作面圆弧半径不变而弧长沿周向变化，用变 弧长滚压时，表面塑性状态的金属因圆弧宽度的变化而受到推搓作用，并因比 压变化而产生负脉动作用，这样，在不大的滚压力作用力下可获得合适的强化 层深度和硬化层分布； 2 ) 轴向距离公差小，加工精度要求高，磨削困难，淬火较难控制。 沉割圆角滚压 1 ) 强化层不易受到修磨轴颈的影响，且砂轮不用修整圆角，方便精磨； 2 ) 由于卸载槽的存在，可降低过渡圆角的应力集中，与过渡圆角滚压相比，在同 等条件下，其过渡圆角半径较小，可以增加轴颈的有效长度，减小轴瓦的比压， 使得发动机轴向尺寸紧凑； 3 ) 可减少磨削时间，提高砂轮寿命； 4 ) 滚压后，圆角内应力的重新分布会使得轴颈变形，可能使得主轴颈的跳动超过 许可范围。另外采用沉割圆角滚压，可防止精磨后降低滚压效果； 5 ) 轴颈沉割后，由于沉割槽的半径要小于原轴颈的圆角半径，且沉割槽有一定的 深度，使得轴颈的直径和曲拐的重叠度减小，因此，沉割后的结构强度将下降。 2 2 2 滚压力的选取 滚压力是曲轴滚压关键参数，对曲轴的强化效果、曲轴的变形和表面质量的 影响很大，图2 1 所示疲劳极限随滚压力的变化关系曲线。从图中可以看出，疲劳 强度与滚压力呈正向关系，随着滚压力的增加，残余压缩应力随之增加，疲劳强 度也增加，当滚压力增加到一定程度的时候，趋势变缓，继续增加滚压力可能引 起圆角表面起皮、脱落，甚至产生较多的显微裂纹，导致曲轴的疲劳强度下降甚 至出现断轴的现象。因此可以说，滚压强化的过程实际是强化与损伤共存的过程。 滚压使得零件的表面产生残余压缩应力，改善零件表面粗糙度，弥合一些表面缺 陷，但同时也会使得零件表面产生损伤微观裂纹。 一般来说，滚压力的大小可根据滚压深度以及曲轴的结构参数，进行较为粗 略的计算，由预定滚压层深度a ，可计算滚压力P ，其计算式【1 1 】： P = 2 a , a 2 m 2 ( 2 2 ) 式中：聊= 1 + 0 0 7 R ； 6 学硕士学位论文 墨滚轮半径；坞连杆轴颈圆角半径： 恐主轴颈圆角半径；心相关轴颈半径； q 曲轴材质屈服强度； 滚压层深度对于汽车、拖拉机用内燃机曲轴，取其连杆轴颈直径的1 3 0 左右。 图2 1 疲劳极限应力与滚压力关系曲线 F i g 2 1T h ec u r v eb e t w e e nf a ti g u es t r e n g t ha n d r o l1i n gf o r c e 2 2 3 滚轮倾角的选取 滚轮倾角如图2 2 所示，指滚轮倾角与曲轴轴线法平面的夹角。滚轮倾角直接 影响圆角残余应力的分布位置情况。滚压工艺的强化机理在于通过圆角内预先滚 压的残余压缩应力抵消工作状况下承受的拉伸应力，从而提高曲轴的疲劳强度， 因此，合理的残余应力的分布应取决于工作时所受的拉伸应力的分布情况；另一 方面，合理设计两滚轮夹角，可尽量避免过大的轴向分力使曲柄臂产生过大的塑 性变形。也可以将主轴颈与连杆轴颈的滚轮夹角设计的不一样，使之相互牵制， 互相校直。 7 基于圆角滚压工艺的曲轴疲劳行为研究 滚压力 订n 妙 滚轮 。， 砥 ，倾斜角 穸野蕊 ， 。洋一 o - 一 | L ? 图2 2 滚压角度示意图 F i g 2 2T h es c h e m a ti cd i a g r a mo f r o l1i n ga n g l e 2 2 4 滚压道次的影响 曲轴圆角滚压后，最大M i s e s 等效塑性应变出现在轴颈表面，沿深层方向逐 渐减小。在滚压过程中，会出现塑性应变波浪形变化的情况，称为波磨现象( W a v e C o r r u g a t i o n ) 。因此，一般来说，随着曲轴滚压次数的增加，曲轴的疲劳极限也 随之增加，但是，当次数达到一定的数值后，曲轴的疲劳极限不会再增加，甚至 呈下降趋势。这是由于当圆角表面滚压次数过多后，金属表面微观裂纹会增大， 从而对曲轴的疲劳强度产生不利影响。因此，一般来说，曲轴轴颈的滚压次数控 制在1 0 1 5 次。 2 2 5 滚压速度的影响 滚压的速度与圆角半径、硬度、滚轮的形状和压力有关。若滚压的速度过高， 则会引起曲轴的颤动。使滚压表面产生波纹，甚至烧伤表面。若滚压的速度过低， 则扭转变形会相应增加。般来说，滚压速度选取3 0 6 0 r m i n 。 学硕士学位论文 曲轴疲劳计算理论 高曲轴疲劳强度的手段，主要是依赖于通过滚压 预先在曲轴关键圆角部位产生残余压缩应力，使得在工作情况下与拉伸应力抵消， 3 1 疲劳计算理论 3 1 1疲劳载荷类型与$ - N 曲线 一般情况下，材料所承受的循环载荷的应力幅越小，到发生疲劳破断时所经 历的应力循环次数越多。S - N 曲线就是材料所承受的应力幅水平与该应力幅下发生 疲劳破坏时所经历的应力循环次数的关系曲线。S N 曲线一般是使用标准试样进行 疲劳试验获得的。如图3 1 所示，纵坐标表示试样承受的应力幅，有时也表示为最 大应力，但二者一般都用仃表示；横坐标表示应力循环次数，常用，表示。为使 用方便，在双对数坐标系下S N 曲线被近似简化成两条直线。但也有很多情况只对 横坐标取对数，此时也常把S - N 曲线近似简化成两条直线。 S N 曲线中的水平直线部分对应的应力水平就是材料的疲劳极限，其原意为材 料经受无数次应力循环都不发生破坏的应力极限，对钢铁材料此“无限“ 的定义 一般为1 07 次应力循环。但现代高速疲劳试验机的研究成果表明，即使应力循环次 数超过1 0 7 材料仍然有可能发生疲劳断裂。不过1 0 7 次的应力循环次数，对于实际的 工程中的疲劳强度设计已经完全能够满足需要。疲劳极限又称持久极限， 图3 1S - N 疲劳曲线 F i g 3 1S - NF a ti g u eC u r v e s 对于无缺口的光滑试样，多用仃。表示，而应力比l P l 时的疲劳极限常用以来 表示。某些不锈钢和有色金属的S N 中没有水平直线部分，此时的疲劳极限都一般 9 基于圆角滚压工艺的曲轴疲劳行为研究 定义为1 0 7 次应力循环下对应的应力幅水平。疲劳极限是材料抗疲劳能力的重要性 能指标，也是进行疲劳强度的无限寿命设计的主要依据。 斜线部分给出了试样承受的应力幅水平与发生疲劳破断时所经历的应力循环 次数之间的关系，多用如幂函数的形式表示。 仃”N = C( 3 1 ) 式中仃为应力幅或最大应力，为达到疲劳破断时的应力循环次数，m ，C 为材 料常数。 如果给定一个应力循环次数，便可由上式求出或由斜线量出材料在该条件下 所能承受的最大应力幅水平。反之，也可以由一定的工作应力幅求出对应的疲劳 寿命。因为此时试样或材料所能承受的应力幅水平是与给定的应力循环次数相关 联的，所以称之为条件疲劳极限，或称为疲劳强度。斜线部分是零部件疲劳强度 的有限寿命设计或疲劳寿命计算的主要依据。 材料或构件到发生疲劳破坏时所经历的应力循环次数称为材料或构件的疲劳 寿命，通常它包括疲劳裂纹的萌生寿命与扩展寿命之和。疲劳裂纹萌生寿命为构 件从开始使用到局部区域产生疲劳损伤累积、萌生裂纹时的寿命；裂纹扩展寿命 为构件在裂纹萌生后继续使用而导致裂纹扩展达到疲劳破坏时的寿命。在疲劳强 度设计中，疲劳破坏可能被定义为疲劳断裂或规定的报废限度。 S - N 曲线又称为应力一寿命曲线，主要用于构件的变形在弹性变形范围内的情 形。一般说来，这种应力状态下的疲劳达到破坏时的循环次数比较高，往往达到 1 0 6 以上，所以这种疲劳又称为高周疲劳。相对地，达到疲劳破坏的循环次数较低 时的疲劳称为低周疲劳，发生低周疲劳时构件在局部位置发生了塑性变形。近三 十年来，对于低周疲劳，基于塑性应变幅。的疲劳寿命曲线( 口一忉在工程中得到 应用。对于带缺口的零件，其工作载荷变动较大时，在应力集中的局部区域将会 发生担性变形，此时疲劳寿命估算则要求基于应力和基于塑性应变的两种材料疲 劳性能曲线。这种方法目前还不能用于高周疲劳的寿命估算。 3 1 2 疲劳强度的影响因素 在疲劳计算的实际运用中，由于零部件的形状、尺寸、表面状态、工作环境 和工作载荷的特点都可能大不相同，而这些因素都对零部件的疲劳强度产生很大 l O r 。_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 。_ _ 。1 。 兰茎查堂 的影响。疲劳强度的影响因素可分 硕士学位论文 为力学、冶金学和环境三个方面。这些因素互 相关联，使得在疲劳强度设计和疲劳寿命预测时，综合评价这些因素影响变得复 杂。 三类因素中，力学因素从根本上讲可归结为应力集中和平均应力的影响；冶 金学因素可归纳为冶金质量即材料的纯净度和材料的强度；而环境因素主要有腐 蚀介质和高温的影响。一般情况下应主要考虑力学和冶金学两类因素。它们包括 缺口形状的影响、尺寸的影响、表面状态的影响和平均应力的影响等。关于这些 因素对疲劳极限影响的具体数据相关的经验公式，可查阅有关手册和资料。这里 主要讨论疲劳强度设计和疲劳寿命预测时需要了解的一些比较重要的影响规律或 现象，以及必须或应该考虑到的注意事项。 1 ) 缺口形状效应 零件或构件常常带有如轴肩类的台阶、螺栓孔和油孔、键槽等所谓的缺口。 它们的共同特点是零件的横截面积在缺口处发生了突变，而在这些缺口根部应力 会急剧升高，这种现象叫做应力集中。 缺口处的应力集中是造成零部件疲劳强度大幅度下降的最主要的因素。应力 集中使得缺口根部的实际应力远大于名义应力，使该处产生疲劳裂纹，最终导致 零件失效或破坏。应力集中的程度用应力集中系数( 又称理论应力集中系数) K 来 描述，表达式如下。 K ：垒( 3 2 ) 吒 这里，仃一为最大应力，吒为载荷除以缺口处净截面积所得的平均应力，又称名 义应力。 在一定范围内，缺口根部的曲率半径p 越小，应力集中程度越大，疲劳强度 降低的程度也就越大。但是，对于低中碳钢等塑性材料，当缺口根部的曲率半径 进一步减小甚至小于零点几个毫米时，疲劳强度的降低程度会变的越来越小老E 至 不再降低。此时应力集中系数就无法真实地反映缺口对疲劳强度的影响。因此常 用疲劳缺口系数K ，( f a t i g u en o t c hf a c t o r ) 来更直接地反映疲劳强度的真实的降低 程度。 基于圆角滚压工艺的曲轴疲劳行为研究 K ，= 兰! 生( 3 3 ) |0“ 这里，吼分别为无缺口光滑试样和缺口试样的疲劳极限。 2 ) 零件尺寸效应 用于疲劳试验的试样的直径一般都在5 1 0 m m 的范围内，这和实际零部件的 尺寸有很大的差异。一般地，对于弯曲和扭转载荷下的零件，随着尺寸的增大疲 劳强度降低。但是对于轴向拉伸和压缩载荷的情况，尺寸大小的影响不大。尺寸 对疲劳极限影响的大小用尺寸影响系数来表示。 ：旦( 3 4 ) o d o 这里，分别为任意尺寸和标准尺寸光滑试样的疲劳极限。 尺寸效应的产生主要是因为较大尺寸的材料的组织状态和应力梯度对疲劳强 度产生了影响。材料的尺寸越大制造工艺过程越难控制，材料组织的致密性和均 匀性等越差、冶金缺陷越多，表面积越大这些缺陷的数量也越多，因此大尺寸试 样表面产生疲劳、裂纹的机会也就越大。而这些从根本上来说又都可以归结为冶 金缺陷造成了局部应力集中而导致了疲劳裂纹的产生。 关于应力梯度的影响，在承受弯曲、扭转等载荷的情况下，零件的尺寸越大 工作应力的梯度越小，单位面积内的平均应力就越高，疲劳裂纹越易产生。 3 ) 表面状况的影响 表面状况包括表面粗糙度、表面应力状态、表面塑性变形程度和表面缺陷等 因素。在试验中采用的是表面磨光( 或抛光) 的标准试样，但实际的零部件的表 面则往往是机械加工表面锻造表面或铸造表面。 机械加工会在零件表面产生塑性加工硬化。如切削加工往往会在零件表面产 生一定的残余压应力，这对疲劳强度是有利的但效果有限。但是在磨削时往往会 产生对疲劳强度不利的残余拉应力。另一方面，机械加工表面的显微尺度上的凸 凹不平引会起应力集中而使疲劳强度降低。这些因素综合作用的结果，使疲劳强 度比标准试样的要降低一些。而锻造或铸造表面一般具有更高的表面粗糙度，且 都存在表面加工硬化层和表面残余压应力，因此会更加明显地降低疲劳强度。因 此从形式上看，越是粗糙的表面加工方法，对疲劳强度的降低影响就越大。表面 1 2 苏大学硕士学位论文 影响用表面加工系数卢来表示。 p ：一o r # ( 3 5 ) 0 昏。 这里，为某种表面状态下标准试样的疲劳极限，为磨光标准光滑试样的疲 劳极限。 从冶金角度看，粗加工对高强度材料的疲劳强度的影响更大，以至于在粗加 工状态下高强度钢可能起不到丝毫的提高疲劳强度的作用。这主要是因为高强度 材料对粗糙表面的缺口敏感性高的缘故，加之机械加工对于高强度钢的表面的加 工硬化作用也很小。 对于光滑材料，表面热处理等表面改性方法可以提高疲劳强度，但对于实际 零部件等带有缺口的材料，这些方法都效果不大，甚至产生相反的作用。因此多 用喷丸、辊压的方法使表面产生加工硬化和残余压应力，从而提高构件的疲劳强 度，但是这两种方法一般对孔口类缺口的零件的疲劳强度的提高作用并不明显。 4 ) 平均应力的影响 如前所述，产生疲劳破坏的根本原因是动应力分量( 应力幅) ，但静应力分 量即平均应力对疲劳极限也有一定的影响。在一定的静应力范围内，压缩的静应 力提高疲劳极限，拉伸的静应力降低疲劳极限。一般认为，残余应力对疲劳极限 的作用同平均应力的作用相同。对一种材料，可根据它在各种平均应力或应力比 R 下的疲劳极限结果绘出疲劳极限图。 图3 2 的横坐标为平均应力o r ( 或残余应力) 和强度极限吼的比值，纵坐标为 应力幅吒和对称循环疲劳极限旷。的的比值，两者都是无量纲的量。从图中可以看 出，多数试验数据点落在直线与曲线之间。这条直线称为古德曼( G o o d m a n ) 线，见 式( 3 6 ) ；杰柏( G e r b e r ) 抛物线，见式( 3 7 ) ；用屈服极限吼代替吼得到索德柏 格( S o d e r b e r g ) 线，见式( 3 8 ) ；用断裂真应力仃，代替吒，得到摩儒( M o r r o w ) 线， 见式( 3 9 ) 。 基于圆角滚压工艺的曲轴疲劳行为研究 b 罂 袄 诅 个 。 醛 鞯 椒 蜊 瞬 姆 棰 莨 平均应力0 。 强度极限o h 0 图3 2 钢在1 0 7 次循环寿命下的疲劳极限线图 F i g 3 2T h e f a ti g u es t r e n g t hc u r v eo f s t e e lu n d e r1 0 7c y c G 。d m a n 仃a 一( 1 - O 吒r m ) G e m e 线 吒2 t t 1 - 尝) 2 】 S o d e b e r r g 线 M o r r o w 线 吒呱” 吒砸一一 ( 3 6 ) ( 3 7 ) ( 3 8 ) ( 3 9 ) 其中古德曼( G o o d m a n ) 线对于延性金属略偏保守且简单方便，在疲劳设计中应 用最广。 3 1 3 材料属性边界条件 疲劳强度设计包括疲劳安全系数的校核和疲劳寿命的估算两项内容。具体的 设计计算方法有应力寿命法和局部应力应变法。局部应力应变法目前还只适用于 零部件的应力集中处发生了塑性变形的低周疲劳。应力寿命设计法主要用于只发 生弹性变形的高周疲劳，设计所用的基本参数是零部件危险点处的名义应力，所 以这种方法又叫名义应力法，它的研究和使用历史较长，资料丰富，至今仍被广 泛使用。名义应力法包括无限寿命设计和有限寿命设计两种设计思路，本节只就 名义应力法的内容进行讨论。 1 4 江苏大学硕士学位论文 名义应力法的关键点也是它的难点有三，一是疲劳极限降低系数和应力寿命 曲线的确定，二是危险点应力的确定计算，三是外载荷的获得。而要解决好这些 问题，计算和试验都不可偏废。 1 ) 无限寿命设计法 无限寿命设计法的基本思路是，使得零件或构件的危险部位的工作应力低于 其疲劳极限，从而保证它在设计的工作应力下能够长久工作而不发生破坏。当零 件的结构比较简单应力集中较小时，恒幅交变应力、过载应力小且次数很少时可 用这种方法。对应力集中较大的构件使用该方法进行疲劳强度设计将会使结构变 的粗大笨重。对于过