關鍵詞：精車 止推 端面 曲軸 壓應力 導讀：曲軸止推端面傳統的精加工采用磨削。應力集中系數對材料疲勞性能的影響還與材料對缺口是否敏感有關，因此引入有效應力集中系數Kf，即 當-s1(a)值與s1等值時，裂紋尖端將完全閉合，不會擴展；當-s1(a)小于時，裂紋就會擴展。 摘要：曲軸止推端面傳統的精加工采用磨削。精車滾壓是近年來獲得應用的一種先進精加工方法。與磨削加工相比.精車滾壓加工具有一次性投入小、加工效率高、節省刀具成本等優點。 曲軸止推端面的精車滾 曲軸止推端面不僅承受由曲軸軸向竄動以及受熱引起的軸向力，實現曲軸的軸向定位，而且是后續加工的基準。因此，曲軸止推端面的加工質量直接影響到其他工藝質量，影響發動機的整體性能。 曲軸止推端面傳統的精加工采用磨削。精車滾壓是近年來獲得應用的一種先進精加工方法。與磨削加工相比，精車滾壓加工采用的是車滾專機，一次性投入要小于磨削加工的投入；加工效率高，滾壓速度一般為30～60mm/min ，滾壓一次即可達到要求精度，并且可以在線測量，直接獲得開檔尺寸信息.滾輪沒有砂輪磨損得快，節省了刀具成本，同時減少了換刀時間。在精車滾壓之前，端面先經過粗車。精車滾壓工藝是在組合機床上實現的。精車滾壓工藝如下。 首先，料架將曲軸送至回轉位置，尖頂在兩端中心孔上進行粗定位，曲軸此時沿軸向仍處在彈簧力作用下的浮動狀態。滾壓頭伸進止推端面開檔，滾壓頭以軸線為中心逆時針旋轉一定角度，使滾輪接觸側壁，并調整曲軸軸向位置，直到兩側均靠嚴。其次，液壓裝置將曲軸兩端頂尖鎖緊，工件軸向完全定位，同時左端卡爪夾緊軸的小頭，如圖1。工件旋轉時，漲刀裝置動作，兩刀尖距離漲大，車刀向前進給，精車兩側壁。完成后，刀尖縮回，刀體返回起始位置。然后，滾壓頭再次伸進開檔(如圖2) , 滾壓輪繞軸順時針旋轉，分別靠緊在兩側壁上，隨著曲軸的旋轉，滾壓輪隨動碾止推端面，實現止推端面的滾壓加工。 在這里，精車的主要目的之一是使止推端面間的距離接近設計標準，另一個是為接下來的滾壓提供一個較小的粗糙度，以使滾壓達到更加好的效果。這里的滾壓與曲軸圓角滾壓的目的有所不同。圓角滾壓的主要目的是增加圓角處的殘余壓應力，從而抵消曲軸工作中的一部分拉應力，以延緩圓角處裂紋的擴展，從而提高圓角處的疲勞強度。精車滾壓的目的是提高表面粗糙度，從而降低裂紋的形成速度。同時，滾壓又能提高止推端面的硬度，表面耐磨性也隨之提高；產生了一定的殘余壓應力，對止推端面的疲勞壽命有積極的作用。 精車滾壓過程中，精車刀片的中心必須與滾壓器的中心保持一致，否則會出現兩側滾壓量不一致，影響滾壓效果。滾壓加工后止推端面的表面質量明顯好于磨削加工的表面質量，特別是組織致密性得以改善，大大提高了其耐磨強度。精車滾壓后即完成了止推端面的整個加工。 滾壓對止推端面疲勞壽命的影響 球墨鑄鐵 49MnVS3 滾壓前 83HRB 23HRC 滾壓后 98HRB 26HRC 精車滾壓前后硬度的變化 精車滾壓前后硬度的變化如表1。從表1可以看出，滾壓后球墨鑄鐵曲軸的硬度提高了18.1%, 49MnVS3曲軸的硬度提高了13%。絕大多數資料顯示，提高表面硬度能夠不同程度增強表面的耐磨性。因此，這兩種材料表面硬度的提高，都在不同程度上增強了止推端面的耐磨性。 　精車滾壓前后粗糙度的變化 精車滾壓前后粗糙度的變化如表2。由表2看出，精車滾壓后表面粗糙度值明顯降低，大約降低了一個數量級，這無疑大大提高了表面的疲勞強度。根據斷裂力學原理，表面粗糙度越大，切口效應就越大，故疲勞性能越差。這是因為機加工表面總是存在高低不平的加工痕跡如刀痕、裂痕(如圖3) ，這些痕跡相當于很多微小缺口，使零件工作表面形成應力集中，可用理論應力集中系數Kt表示。即 Kt=1+2(ghr) (1) 式中，h為微觀不平度高度；r為波谷的曲率半徑，g為不平度間距與高度之比的相關系數。 根據式(1)，粗糙度波谷越深、曲率半徑越小越容易形成應力集中。應力集中系數對材料疲勞性能的影響還與材料對缺口是否敏感有關，因此引入有效應力集中系數Kf，即 Kf=1+q(Kt-1) (2) 取樣 1 2 3 4 5 滾壓前 1.732 0.971 1.415 1.134 1.313 滾壓后 0.124 0.098 0.136 0.158 0.129 式中，q為材料對應力集中的敏感系數，它是材料強度和微觀缺口尺寸形狀的函數。隨著材料強度的增加，r減小，q值增大。由式(2)可知，粗糙度越大，應力集中系數也越大，疲勞壽命越低；反之，則疲勞強度越高。 滾壓后表面層的殘余應力 止推端面滾壓加工的余量只有0.005～0.01mm ，這主要由滾壓加工在這里的主要目的和前道加工工序決定，即滾壓主要是為了得到較低的表面粗糙度，以滿足實際工作的需要。雖然加工余量比較小，但仍能形成一定的殘余應力，并對止推端面的疲勞強度產生一定的影響。 在滾壓加工過程中，影響滾壓效果的因素有很多，如滾壓力(其實滾壓力也主要是由滾壓余量決定的)、滾壓余量、滾壓速度、滾壓次數、滾壓前零件的表面粗糙度、是否有潤滑液等。但在實際加工過程中，滾壓余量只能在很小的范圍內波動，并且主要由前道工序的尺寸以及設計尺寸決定，因而討論滾壓余量對實際加工的影響意義不大。使用潤滑液可以防止表面蛻皮和燒傷，改善滾壓器的工作狀況。一般次滾壓的效果Z明顯，而3次以后幾乎就沒有什么效果了。因此，這里只考慮滾壓速度對殘余應力的影響。 運用Deform軟件對止推端面滾壓所產生的殘余應力進行了分析(如圖4)。從分析結果看，滾壓過程確實產生了殘余壓應力。其中，主要以x、z方向的壓應力為主，切向方向的切應力幾乎為零。殘余應力影響的距離大約為1mm ，主要集中在距離表面0.5mm 以上的位置，如圖5。 滾壓速度對形成的殘余壓應力的影響如圖6。這里用靜水應力來表示殘余壓應力的大小。經過比較發現，不同速度所形成的殘余應力幾乎沒有什么區別。可以看出，滾壓速度對殘余壓應力的形成沒有太大的影響。滾壓速度僅對表面粗糙度有比較大的影響。 殘余壓應力可以增加裂紋的閉合程度，從而減緩裂紋的擴展速率。閉合力與殘余壓應力的分布存在對應關系，通常Z大的裂紋閉合大致發生在Z大應力處。 在有殘余壓應力的情況下，裂紋的閉合率隨裂紋長度變化V(a)的關系為： V(a)=Vin-(1-Vin)sr(a)/s1 (3) 式中，s1為材料的流變應力；s1(a)為殘余應力分布在裂紋尖端的數值。 當-s1(a)值與s1等值時，裂紋尖端將完全閉合，不會擴展；當-s1(a)小于時，裂紋就會擴展。 球墨鑄鐵曲軸經滾壓后表層組織的變化 球墨鑄鐵曲軸在經過滾壓加工后，由于滾壓壓力較大，滾壓時產生的熱量較多，滾壓后其止推端面的組織發生了一些變化(如圖7)。滾壓過后的止推端面表層的球狀石墨和鐵素體大部分被擠碎帶出表層，一部分由于壓力和摩擦力的作用下，沿著摩擦力的方向形成了細長帶狀的鐵素體和石墨組織(圖7中方框所示)。石墨幾乎沒有什么強度，鐵素體的強度也比較低，形成這樣的組織會對以后端面的使用性能造成一定的影響，尤其是使用方向上的影響更為顯著。石墨和鐵素體產生的變形，是沿著滾壓加工中的壓力和摩擦力的合力方向形成的，在工作過程中，如果所受的力與變形的方向平行，則這個帶狀組織的壽命比較長，但如果所受的合力垂直于帶狀組織，則壽命就比較短。這就如同零件在塑性變形過程中形成的纖維流線組織一樣，對零件的使用性能來說，工作應力與纖維流線方向所成的角度越大，零件的使用性能越差。所以在曲軸工作中，要注意曲軸的工作方向，曲軸受到摩擦力與壓力合力的方向與所形成的帶狀的鐵素體、球墨的方向應盡量保持一致或使其所形成的角度Z小，這樣止推端面的使用壽命會更長.否則，會大大降低止推端面的使用壽命。試驗證明，如果止推端面在精車滾壓工藝中的旋轉方向與在實際工作中的旋轉方向相同，那么止推端面的壽命就可以達到10萬km以上；如果方向相反，則止推端面的壽命只有2萬～5萬km。由此可見，雖然滾壓工藝給球墨鑄鐵曲軸止推端面帶來了一定組織形狀上的變化，但只要保證止推端面在精車滾壓加工和工作中旋向的一致，就可以避免使用壽命不足的缺點。目前，該項技術已經應用于生產，且質量穩定，使用性能良好。 結論 止推端面的滾壓加工不僅可以提高生產效率，同時也在很大程度上改善了止推端面的表面質量。滾壓可以顯著提高零件的表面硬度，降低表面粗糙度，同時形成的殘余壓應力提高了止推端面的疲勞壽命，是一個值得推廣的改善表面質量的好方法。 有限元分析也顯示滾壓速度對殘余應力沒有什么影響，但由于滾壓壓力比較大，所以球鐵表面組織變化也比較大，大部分石墨和鐵素體被擠壓碾出表面，還有一些產生了嚴重的變形，形成了質量缺陷，對以后曲軸的工作方向對止推端面的壽命產生了較大的影響。精車滾壓加工與汽車工作過程中要保持曲軸的旋向一致。