曲軸圓角沉割缺陷工藝分析

1、曲軸圓角沉割缺陷工藝分析 作者：濱州海得曲軸有限責(zé)任公司 李海國曲軸是發(fā)動機(jī)中的關(guān)鍵零件，工作時(shí)承受很大的彎曲應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，其常見的失效形式為軸頸磨損和疲勞斷裂。軸頸磨損通過采用離子氮化等工藝可以得到很好的解決，疲勞斷裂則往往比較棘手。國內(nèi)外的生產(chǎn)實(shí)踐證明，圓角滾壓對提高曲軸疲勞強(qiáng)度有顯著作用。目前汽車曲軸以及工程機(jī)械用發(fā)動機(jī)曲軸越來越多地采用圓角滾壓強(qiáng)化工藝，國外轎車發(fā)動機(jī)曲軸幾乎全部采用圓角滾壓工藝。由于圓角滾壓可大幅度提高疲勞強(qiáng)度，并可大幅度降低材料成本，因此曲軸圓角滾壓強(qiáng)化工藝已成為提高產(chǎn)品競爭力的重要手段。 圓角滾壓強(qiáng)化工藝最常用的方法是先在軸頸過渡圓角處沉割出與滾輪半徑大小相同的

2、圓角進(jìn)行滾壓。采用圓角沉割的方式滾壓可以使應(yīng)力分散，是最為成熟的加工方法。此方式滾壓對沉割槽的加工質(zhì)量要求較高，沉割槽質(zhì)量的好壞是圓角滾壓強(qiáng)化效果優(yōu)劣的關(guān)鍵因素之一。 沉割槽常見缺陷及其影響因素 在實(shí)際生產(chǎn)中主軸頸圓角沉割槽是在精密車床上用成形刀車削而成，一般出現(xiàn)的圓角沉割槽缺陷有兩種：一是圓角不成形，過渡不光滑，表面粗糙度達(dá)不到工藝要求，如圖1所示；另一種是圓角沉割振紋，如圖2所示。這兩種缺陷都將造成圓角滾壓時(shí)圓角表面不能充分與滾壓輪接觸，滾壓效果很差，導(dǎo)致曲軸的抗疲勞強(qiáng)度降低，給曲軸在發(fā)動機(jī)中的運(yùn)轉(zhuǎn)埋下了安全隱患。 圖1 圓角不成形，過渡不光滑，表面粗糙度差 圖2 圓角沉割振紋1. 圓角不

3、成形，過渡不光滑，表面粗糙度差 （1）刀具不成形，刀刃粗糙度差。當(dāng)采用手工操作、內(nèi)R規(guī)對刀的方法磨刀時(shí)，往往達(dá)不到規(guī)定要求，而且手工操作磨刀刀刃較粗糙。這時(shí)加工出的圓角沉割槽就存在不成形、表面粗糙度差的缺陷。 （2）刀具刃磨頻率低，出現(xiàn)燒刀現(xiàn)象。圓角沉割工序刀具切削力較大，切削面廣，很容易發(fā)生燒刀現(xiàn)象，如不及時(shí)磨刀，就會出現(xiàn)所加工沉割圓角表面粗糙度差的缺陷。 （3）刀具后角太小，刀刃安裝高于機(jī)床主軸中心高。刀具后角太小，切削刃就不鋒利，容易產(chǎn)生擠刀現(xiàn)象；刀刃安裝高于機(jī)床主軸中心高，切削時(shí)刀刃不吃勁，這時(shí)將出現(xiàn)沉割圓角表面粗糙度差，甚至出現(xiàn)拉毛、擠傷等缺陷。 （4）機(jī)床主軸軸向竄動超差。機(jī)床主軸

4、軸向竄動超差，造成刀具切削環(huán)境變差，勢必造成圓角沉割槽表面粗糙度差、與軸頸和側(cè)面過渡不光滑等缺陷。 （5）曲軸材質(zhì)及表面硬度的影響。材料延伸率較高和表面硬度較低的曲軸在進(jìn)行圓角沉割加工時(shí)較容易，質(zhì)量也好控制。遇到高硬度脆性材料時(shí)出現(xiàn)缺陷的幾率會增加。 2.圓角沉割振紋 圓角沉割振紋的主要原因是機(jī)床振動造成的，從振動的本質(zhì)上來劃分可分為強(qiáng)迫振動和自激振動兩大類。 （1）強(qiáng)迫振動：強(qiáng)迫振動是由外來的周期性或非周期性的刺激力所引起的。主要有以下特點(diǎn)：強(qiáng)迫振動本身不能改變刺激力，刺激力一般與車削過程無關(guān)(除由車削過程本身所引起的強(qiáng)迫振動外)。刺激力一旦消除，振動就會停止。在一般情況下，強(qiáng)迫振動的振動頻

5、率與外界周期性刺激力的頻率相等，或是它的整數(shù)倍。刺激力的頻率與工藝系統(tǒng)的固有頻率相等或接近時(shí)，產(chǎn)生共振，振幅達(dá)到最大值。強(qiáng)迫振動的振幅與刺激力、工藝系統(tǒng)的剛度及阻尼大小有關(guān)。刺激力越大，剛度及阻尼越小，則振幅越大。 （2）自激振動：俗稱顫振，是在沒有外來周期性刺激力的條件下所產(chǎn)生的振動，是由振動系統(tǒng)本身在振動過程中激發(fā)產(chǎn)生的交變力所引起的不衰減的振動。即使不受到任何外界周期刺激力的作用，振動也會發(fā)生，當(dāng)車削運(yùn)動停止時(shí)，振動才會消失。自激振動的特點(diǎn)有：自激振動的頻率等于或接近于系統(tǒng)的固有頻率。按頻率的高低可分為高頻顫振（一般頻率為5005?000Hz）及低頻顫振（一般頻率為50500Hz）。自激

6、振動能否產(chǎn)生及其振幅的大小，決定于每一振動周期內(nèi)系統(tǒng)所獲得的能量與阻尼消耗能量對比情況。由于維持自激振動的刺激力是振動過程本身激發(fā)的，故振動中止，刺激力及能量補(bǔ)充過程立即消失。 振動產(chǎn)生的根源 1.強(qiáng)迫振動產(chǎn)生的根源 （1）由于機(jī)床傳動零件的缺陷所引起的振動。主軸前端卡盤的徑向跳動值超差，必然會引起旋轉(zhuǎn)時(shí)振動，沉割曲軸時(shí)容易產(chǎn)生振紋。 （2）由于旋轉(zhuǎn)的工件和機(jī)床零部件（皮帶輪、卡盤等）不平衡時(shí)，因離心力的作用在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生周期振動。這主要有以下幾個(gè)方面：曲軸工件在車削前不平衡量太大，造成振動。機(jī)床主軸組件本身不平衡, 包括皮帶輪不平衡等。由外部振源傳給機(jī)床的振動，例如其他機(jī)床振動通過地基傳遞給本

7、機(jī)床。 2.自激振動產(chǎn)生的根源 自激振動是在車削過程中產(chǎn)生的，它所消耗的能量是靠車削過程中來維持的。因此，自振系統(tǒng)可看成是一個(gè)由固定能源（電機(jī)）、振動系統(tǒng)（工件及機(jī)床）和調(diào)節(jié)系統(tǒng)（動態(tài)切削過程）所組成的閉環(huán)反饋?zhàn)钥叵到y(tǒng)。 引起自激振動產(chǎn)生的原因，主要有以下幾個(gè)方面： （1）車削過程中，由于外來干擾產(chǎn)生的強(qiáng)迫振動或前一次切削在加工表面留下波紋時(shí)，就會引起車削厚度的變化帶來切削力的變化而引起的振動，即“再生振動”。 （2）在車削加工過程中，刀具與工件間相互位置受到干擾，使它們間除作正常的車削運(yùn)動外，還作周期性顫動。 （3）刀具被鐵屑堵塞或磨鈍后不及時(shí)磨刀，車削曲軸時(shí)會使刀具與工件表面產(chǎn)生擠壓，從而

8、誘發(fā)自激振動。 防止缺陷產(chǎn)生的措施 針對圓角沉割槽缺陷的特點(diǎn)和產(chǎn)生缺陷的根源，必須采取措施予以消除和控制，通過制定圓角滾壓曲軸滾壓前沉割槽質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)等執(zhí)行嚴(yán)格的檢查制度。在生產(chǎn)實(shí)踐中采取以下措施： 1.刀具要及時(shí)修整。實(shí)踐證明，車削20條四缸曲軸時(shí)，就必須修磨一次刀具，個(gè)別磨損時(shí)應(yīng)及時(shí)修磨。 2.保持機(jī)床應(yīng)有的精度，三爪卡盤精度喪失后及時(shí)更換卡盤。 3.尾座頂尖更換較大的型號，以提高曲軸的夾持剛性。 4.試驗(yàn)采用彈性刀桿，避免自激振動的產(chǎn)生。 5.增加磨削沉割槽的方式代替車削。 6.對工序更換操作者時(shí)實(shí)行崗位技能培訓(xùn)，合格后方可上崗操作。 我廠通過采取了一系列行之有效的措施，圓角沉割槽質(zhì)量得到了明顯的改善（見圖3）。采用磨削沉割槽的方法，效果更佳（見圖4）。 圖3 沉割槽質(zhì)量明顯改