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基于圆角滚压工艺的曲轴疲劳 行为研究 ——硕士开题报告
指导老师： 指导老师：郭晨海 学生： 学生：葛晶
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目 录
课题背景 研究现状
课题研究内容与具体工作
课题结论
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一、课题背景：曲轴与滚压 课题背景：
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一、课题背景：曲轴与滚压 课题背景：
曲轴的加工制造工艺十分复杂， 曲轴的加工制造工艺十分复杂，铸造毛坯要经过数十 道工序才能加工完成，采用一种或数种强化工艺。 道工序才能加工完成，采用一种或数种强化工艺
图12：圆角坐标图
图13：圆角外表面应力分布
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四、滚压参数对曲轴残余应力分布的影响
图 14：位置圆角深度方向应力分布
图15：51°位置圆角深度方向应力分布
图16：圆角内侧0.4mm处应力分布
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四、滚压参数对曲轴残余应力分布的影响
从图14~15可以看出，在10°和51°位置出现压应力和拉应力急剧变化区域，拉 应力主要出现在曲轴圆角表面，在圆角内层残余应力并不大。因此可以看出，此处的 拉应力环带主要是由于变形区域与未变形区域过渡造成的，即滚压中经常出现的“凸 缘”。该拉应力环带虽然应力数值大，但仅出现在圆角表面浅层部位。 在实际的曲轴制造中，滚压后曲轴圆角还应进行磨削，磨削量一般为 0.2mm~0.4mm，因此可分析圆角内侧0.4mm左右的应力分布情况。图15为圆角内侧 0.4mm处得应力分布情况。从图中可以看出，该处的应力过渡比较均匀，拉应力“凸 缘”部位已经消失. 根据冯美斌、李满良[15]等人的研究发现，当曲轴圆角采用滚压后精磨，与切线滚 压和沉割滚压相比，疲劳强度可分别提高7.5%和10%。通过上面的分析可以很好解释 这一现象：滚压后适当磨削圆角，消除圆角表面拉应力区，可提高曲轴疲劳强度。
磨削
氮化 滚压
高频淬火
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课题背景： 课题背景：曲轴与滚压
曲轴圆角滚压 强化是一种理想 的曲轴表面强化 手段， 手段，与传统强 化工艺相比较具 有成本低、 有成本低、加工 时间短、 时间短、强化效 果好等优点。 果好等优点。
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1.1.课题背景：滚压与疲劳强度 课题背景： 课题背景 • 表面硬化 • 残余压应力
（mm） （mm） （mm） （mm） （mm） （mm） ） ） ） ） ） ） 31 32 21 65 56 4
表2： 滚轮尺寸参数 滚轮参数 滚轮外圆半径 （mm） ） 3.2 滚轮旋转半径 （mm） ） 6.14 滚轮倾斜角度（°） 滚轮倾斜角度（ ） 32
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四、滚压参数对曲轴残余应力分布的影响
图 9：step3仿真计算结果
图10：step4仿真计算结果
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四、滚压参数对曲轴残余应力分布的影响
通过对以上四张图的对比分析，可以发现在滚压过程中，滚轮与圆角从点接触、线 接触直到面接触，接触的部位金属发生压缩变形，产生残余压缩应力，这也是曲轴滚压 的目的所在。但同时也发现，在圆角残余应力过渡边缘的过渡部位产生了拉应力环带。 从滚压机理来看，无论滚压参数如何设置，只要圆角部位发生变形，那么变形部位与未 变形部位的过渡地带总是会出现拉应力环带。
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五、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 ： 四缸机曲轴主要受弯曲疲劳作用破坏，因此疲劳强度的试验是通过电动谐振式疲劳试验 机进行的。
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五、基于残余应力的曲轴疲劳强度计算
5.2 模拟曲轴弯曲疲劳试验 计算曲轴的疲劳强度，首先要模拟曲轴在弯曲疲劳试验机上的工作状况。采用前一 章所用的单拐模型，计算其在弯曲作用力下的受力情况，从而计算其疲劳强度。 分别选取700N·m、800N·m、900N·m、1000N·m、1100N·m等不同弯矩，计算曲轴 在不同弯矩作用下的受力情况。应力云图如图25~30所示
图11：拉应力环带分布图
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四、滚压参数对曲轴残余应力分布的影响
4.3 圆角残余应力分布 根据ABAQUS的二次开发平台，编写数据采集程序，提取圆角部位的应力数值 进行分析。为便于分析比对，如图12所示，在圆角部位建立坐标系，以圆角圆心为坐 标原点，主轴颈横截面切线方向为0°，按照逆时针方向排布。
滚 压
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二、研究现状：滚压研究 研究现状：
2008 2001 2003
刘荣昌：曲轴滚压 刘荣昌 曲轴滚压 加工的数值模拟
冯美斌等： 冯美斌等：曲轴 的圆角滚压工艺 与疲劳强度
2002
黄晓东等： 黄晓东等：基 于ABAQUS的 的 曲轴圆角滚压 数值分析
薛隆泉等： 薛隆泉等：曲轴圆角滚 压运动及结构参数的优 化设计
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四、滚压参数对曲轴残余应力分布的影响
4.1：计算模型的建立 ： 本文以4DE-93型柴油机曲轴为分析对象，该发动机为直列四缸直喷发动机，最大功 率64kW/3000r/min，最大爆发压力9MPa。曲轴结构参数如表1所示，滚轮参数如表2所 示。 表1： 曲轴尺寸参数 曲轴尺 寸参数 主轴颈 宽度 连杆轴 颈宽度 曲柄臂 厚度 主轴颈 直径 连杆轴 颈直径 过渡圆 角半径
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二、研究现状：发展方向 研究现状：
曲轴结构
1
W.Y. Chien Fatigue analysis of crankshaft sections Paul Spiteri under bending with consideration of residual stresses 2 Paul Spiteri Assessment of bending fatigue limit for crankshaft sections with inclusion of residual stresses
图 25 700N·m下曲轴整体受力情况
图26 700N·m下圆角应力分布
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五、基于残余应力的曲轴疲劳强度计算
图 27 800N·m下圆角应力分布
图 28 900N·m下圆角应力分布
图 29 1000N·m下圆角应力分布
图 30 1100N·m下圆角应力分布
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五、基于残余应力的曲轴疲劳强度计算
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三、曲轴圆角滚压工艺理论基础
3.2 ：曲轴滚压参数的影响：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，生产效率降低。一般来说，滚压速度取30-60r/min。
图3： 四缸机曲轴模型
图4： 单拐计算模型

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四、滚压参数对曲轴残余应力分布的影响
根据美国学者Chien等人的研究成果表明，圆角处的网格密度控制在0.2mm左右 才能获得准确的计算结果。同时，为便于分析比较，圆角处得网格分布需有一定规律， 因此圆角处必须采取加密的六面体网格划分的。
图5： 曲轴有限元模型
3
疲 劳
滚压工艺
弯曲载荷
Simon Ho Optimization of a crankshaft rolling process for durability
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三、曲轴圆角滚压工艺理论基础
3.1：圆角滚压工艺的分类 1）过渡圆角滚压 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； 轴向距离公差小，加工精度要求高，磨削困难，淬火较难控制。 2）沉割圆角滚压 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； 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； 可减少磨削时间，提高砂轮寿命； 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； 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。
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四、滚压参数对曲轴残余应力分布的影响
4.4：滚压参数对滚压效果的影响：滚压力 模拟滚压计算中包括三个不同滚压力：7500N、8500N、9500N。为保证计算的可 比性，对三个模型施加一致的位移边界条件，计算结果如图17~19所示。
图 17 7500N下圆角应力分布
图 18 8500N下圆角应力分布
图19 9500N下圆角应力分布
图20 不同滚压力下圆角内侧0.4mm应力分布
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四、滚压参数对曲轴残余应力分布的影响
4.4：滚压参数对滚压效果的影响：滚轮倾角 采用前文的计算模型，保证位移边界条件一致，滚压力取7500N，滚轮倾角分别选 取32°、37°和42°，计算结果如图21~23所示。
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二、研究现状：曲轴疲劳研究 研究现状： 静态叠加法
通过线性叠加的方法， 将各个静态计算结果叠 加成曲轴各转角下的动 响应 张国超等：基于动力学仿真和 有限元分析的曲轴疲劳寿命计 算
模态缩减法
通过模态分析求解器对有 限元模型进行模态缩减，计 算模型动态载荷
AVL: EXCITE动态仿真软件 张俊红等：柴油机曲轴动态疲 劳强度分析 陈亮等：基于有限元和多体动 力学的柴油机曲轴动态强度与 冲击响应分析
图6： 曲轴圆角网格
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四、滚压参数对曲轴残余应力分布的影响
4.2 滚压后圆角应力分布 本文采用ABAQUS显式动力学计算，通过分析不同计算时间下曲轴圆角的应力变化情 况，对圆角滚压过程进行动态的分析。以下截取不同滚压时间内圆角的应力变化情况。