曲轴轴颈强化工艺介绍（二）

曲轴时效分析

曲轴是高速运转并受循环应力作用的零件，曲轴断裂主要是循环加载造成的断裂，即疲劳断裂，其断裂过程与载荷循环次数有关。由于曲轴受多次循环应力和应变，局部产生渐进性永久变形，从而导致裂纹或完全断裂。局部性和渐进性是疲劳损伤和失效的两个特点，曲轴疲劳损伤通常发生在曲轴圆角和油口处，图1所示圆角处产生的裂纹形式。圆角处损伤逐渐积累、裂纹形成和逐渐扩散，在完全断裂前，整个曲轴在宏观上仍处于弹性变形阶段，疲劳失效常常没有明显的预兆，而是突发性的破坏。

   疲劳断裂过程分为四个阶段：循环变形损伤、疲劳裂纹形成、疲劳裂纹扩展，最终断裂。曲轴疲劳断裂属于高周疲劳，断裂发展过程分为三个区域：疲劳核心区（疲劳源）、疲劳裂纹扩展期、瞬时破断区。工件的表面粗糙度、表面组织结构以及应力状态等对疲劳寿命有重要影响。

曲轴强化的工艺

1）氮化

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

2）喷丸

   曲轴经喷丸处理后能将疲劳强度提高20%~40%，但因喷丸时必须保护轴颈表面，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，能将疲劳强度提高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%。

曲轴圆角滚压强化工艺是提高曲轴疲劳强度最有效的手段之一，是实现曲轴“以铁代钢”的关键工艺。经圆角滚压后的曲轴产品，由于内部应力的重新分布，必然存在较大的物理变形，工艺过程加工参数如不加以优化，很容易造成批量的不合格品。因此解决曲轴变形问题是发挥曲轴圆角滚压工艺优势的关键。

曲轴圆角滚压强化原理

1）曲轴疲劳断裂的原因

曲轴在发动机中工作时承受很大的弯曲应力和扭转应力（下图），曲轴顶部受压力P时，曲轴两内侧圆角过渡处表现为拉应力，主轴圆角过渡处则为压应力。另外，曲轴还承受惯性力矩、输出扭矩和扭振力矩，受力情况十分复杂。

曲轴在工作承受交变载荷，圆角过渡处属于薄弱环节，尤其是主轴颈和连杆颈的过渡处更为严重。由于轴颈经过磨削加工后留下的刀痕引起的应力集中，再加之过渡圆角处本身就存在较强的应力集中，在长时间的循环后便会产生裂纹，最终发生疲劳断裂。

2）曲轴圆角的强化原理

曲轴的圆角滚压，就是利用滚轮的压力作用，在曲轴的主轴颈和连杆颈过渡圆角处形成一条滚压塑性变形带，这条塑性变形带有以下特点：

①产生了残余压应力，可与曲轴在工作时的拉应力抵消或部分抵消，从而提高疲劳强度。

②硬度提高，滚压使圆角处形成高硬度的致密层，使曲轴的机械强度和疲劳强度得到提高。

③表面粗糙度降低，圆角滚压可使圆角表面粗糙度达到Ra0.2以下，从而大大减小了圆角处的应力集中，提高了疲劳强度。

曲轴滚压力的分布

曲轴深度滚压时的力分布：

Fg=滚压单元力（N）

Fr=滚轮力（N）

R1=滚轮直径（mm）

R2-工件半径（mm）

r=滚轮圆角半径（mm）

a=滚轮角度设置（deg）