強力旋壓加工翻邊軸瓦分析

白峭峰

（太原科技大學 機械工程學院，太原 030024）

軸瓦是內燃機滑動軸承的一個重要零部件，其結構和性能會對內燃機的性能、工作可靠性及壽命產生重要影響。軸瓦工作環境較為苛刻，承受較大的沖擊力、工作表面溫度高，且受潤滑劑中雜質的磨損等因素致使軸瓦成為易損件。軸瓦主要失效形式有：嵌入和拉傷、偏磨、疲勞、咬合、腐蝕和瓦背微動磨損等。隨著內燃機日益向高速、大功率、低能耗方向發展，對軸瓦的性能有了更高的要求：抗疲勞強度高、耐磨性好、抗腐蝕性好及順應性好等［1］。

旋壓成形工藝作為現代塑性加工技術的一個重要分支，被認為是制造高強度筒形件最有效的成形方法。強力旋壓在普通旋壓工藝的基礎上發展起來，其成形工藝能夠改變材料的晶粒組織，抗疲勞性、耐磨性及材質硬度等性能顯著提高［2］。因此，研究軸瓦的強力旋壓工藝具有很好的現實意義。

1 翻邊軸瓦加工現狀

翻邊軸瓦即止推軸瓦，止推軸瓦按其止推邊與半圓軸瓦之間的連接結構分有整體式翻邊軸瓦和組合式翻邊軸瓦。軸瓦材料方面，鋁基合金和銅基合金由于較好的疲勞強度成為現代內燃機滑動軸承的主流，載荷較大的內燃機軸瓦一般采用承載能力較高的銅基合金。

目前軸瓦加工工藝主要有以下幾種：1）通過鍛造工藝將毛坯材料加工成瓦殼→離心澆注合金層后切分→對各功能結構進行精加工；該方法成品率較低，成本相對較高。2）由2條金屬帶通過翻邊和其他工藝直接成形為半圓式結構軸瓦；該結構具有一定的優越性，但工藝難度較大，國內生產受限［3］。3）滾壓成形。先用模具沖壓成半圓形，然后用滾輪翻邊，即：壓彎→滾壓翻邊→整形。該方法需要特定的滾壓翻邊模具，且翻邊工藝難度較大。4）沖壓成形。需要掌握好板料變形規律，采用最佳工藝方案，才能獲得合格的制件［4］。5）落料→翻邊→滾彎成形→機加工。該工藝基本滿足外圓貼合度要求，但成品疲勞強度不足［5］。

現有的工藝很難同時滿足軸瓦外圓貼合度及疲勞強度等要求。為了解決軸瓦的質量問題，需要改進現有的加工工藝。因此，提出通過強力旋壓成形工藝提高軸瓦疲勞強度，并借助計算機輔助設計軟件ANSYS，計算了加工過程中的相關重要參數，理論分析了利用旋壓工藝加工翻邊軸瓦的可行性。

2 加工工藝分析

強力旋壓工藝已在工程實踐中有較好的應用效果，其可以使材料的組織結構和力學性能均發生變化，組織晶粒度細小且具有纖維狀的特征；變形條件好；表面質量更好；抗拉強度和硬度均有提高，因此，強力旋壓的產品性能顯著提高。選取整體式軸瓦，材料為錫青銅，采用銅棒通過強力旋壓成形，再進行機加工。擬定的加工工藝流程為：下料→強力旋壓→車加工止推邊→油槽油孔加工→車加工止推邊外圓等→車端面→倒角圓角→線切割→壓定位唇→加工瓦口削薄量→精加工內圓。

旋壓軸瓦的工藝難點為：

1）旋壓尺寸的確定。如果直接按照止推邊外圓直徑為基準進行旋壓，止推邊間的工作段需要機加工完成，旋壓效果不明顯。因此，采用階梯式旋壓，只對止推邊間的部分進行旋壓，即預留出止推邊的厚度尺寸后起旋，旋過止推邊間距長度尺寸后停止，再對兩止推邊根部進行機加工處理。實際工況中，止推邊根部并沒有過高的強度要求，且止推邊間的有效作用尺寸小于止推邊間距，因而旋壓成品能夠滿足其強度要求。

2）旋壓成品為整圓筒形件，要得到兩半式翻邊軸瓦需進行切分，但平均切分后得到的兩部分均不能滿足軸瓦的重要結構參數——半周長高出度的要求；且GB/T 1151—2012《內燃機 主軸及連桿軸瓦 技術條件》規定了軸瓦在工作中與軸承座之間的貼合度和過盈量，以防止軸瓦發生轉動、保證具有良好的導熱性。如果直接將旋壓工藝尺寸定為軸瓦圖紙要求尺寸，將無法滿足工藝條件。因此，通過適當增大旋壓軸瓦直徑，經線切割后平均分為2個近半圓件，再將每個半圓件壓入專用模具中（模具的內圓面直徑與軸瓦圖紙要求的外圓面直徑相等），使軸瓦發生微量的彈塑性變形，從而滿足其貼合度及半周長高出度的要求。

3 計算及校核

以某型內燃機用翻邊軸瓦為例，其參數見表1，三維模型如圖1所示。

表1 翻邊軸瓦參數Tab.1 Parameters of flanged bushing mm

圖1 翻邊軸瓦三維模型Fig.1 The 3D model of flanged bushing

3.1 理論值計算

軸瓦經旋壓后壓入胎模，近似完成一次裝配（圖2）。壓入前、后軸瓦整體體積不變，由于受到軸向阻力，長度方向不會發生變化，因此，裝配前、后軸瓦橫截面積不變。胎模上、下模間隙等于軸瓦壁厚，故壁厚也不發生變化。

圖2 軸瓦壓入模具前、后對比圖Fig.2 Comparison diagram of before and after bushing pressured into themold

標準軸瓦和增大直徑后軸瓦截面如圖3、圖4所示，由于軸瓦截面面積相等，因此，可求得增大直徑后軸瓦的扇環形。

圖3 標準軸瓦橫截面示意圖Fig.3 Schematic cross section of tandard bushing

圖4 增大直徑后軸瓦的橫截面示意圖Fig.4 Schematic cross section of increase the diameter of bushing

設軸瓦成形件的內半徑為r1，外半徑為r2，增大直徑后軸瓦的內半徑為r′1，外半徑為r′2，所求角度為θ，則由S1=S2得

示例中，r1=42.5 mm，r2=47.5 mm，則r′1，r′2取不同的值時，將得到不同的θ。當r′2分別取47.6，47.7，47.8，47.9，48.0 mm時對應的θ見表2。

表2 不同外徑對應的角度Tab.2 Different outer diameter corresponding to the angle

3.2 參考接觸應力值仿真計算

將切分后軸瓦件壓入胎膜后，要求軸瓦與模具間具有軸瓦在實際工況下所需要滿足的貼合度，并滿足一定的接觸應力。文獻［6］進行了大量分析后認為，裝配過盈量為0.08～0.12 mm時接觸應力滿足相關要求，因此，這里取過盈量為0.1 mm時的應力值作為參考。

利用ANSYS軟件進行仿真計算。選取實際工況中相關參數，如瓦座采用硬質鋼，E1=2.02×105MPa，μ1=0.3；軸瓦選用錫青銅，E2=1.1×105MPa，μ2=0.33。計算得到軸瓦與瓦座過盈量為0.1 mm時的應力分布如圖5所示，軸瓦與瓦座配合整體的等效應力值為50.194～244.407 MPa，軸瓦的等效應力值為207.618～244.407 MPa，接觸應力為25.322～27.293 MPa。

圖5 軸瓦與瓦座過盈量為0.1 mm時的應力分布Fig.5 Stress distribution of bushing and tile when the interference is 0.1 mm

4.3 強度校核

軸瓦需滿足的主要性能要求：1）軸瓦與瓦座貼合度大于85%；2）具有一定的接觸應力；3）材料變形應力在屈服極限范圍內（錫青銅為620 MPa）。

實際工況中軸瓦的主要工作部分為止推邊間隙內圓筒，因為胎膜不變形，作剛體處理，因此，取二分之一模型簡化計算。不同旋壓尺寸的軸瓦和瓦座的相對位置不同，取軸瓦的徑向位移為邊界條件，故需針對不同情況計算初始位移邊界條件值。

r′2為47.6mm，θ為0.2°，對應弧長為0.15mm，而線切割現階段使用的常用鉬絲直徑為0.16 mm，其余量無法滿足現有線切割設備切分損耗量。

r′2為47.7 mm時，軸瓦的等效應力為106.152～310.117 MPa＜620 MPa（圖6a），而接觸應力為23.056～89.006 MPa（圖6b），基本滿足接觸應力的要求。但切割加工難度較大，對操作員及設備要求較高。

r′2為47.8 mm時，軸瓦等效應力為77.144～475.961 MPa＜620 MPa（圖7a），且應力值大于350 MPa的部分出現在軸瓦內徑瓦口處（后續瓦口削薄量的銑削工藝可改善應力集中）；而軸瓦與胎膜間的接觸應力為32.106～71.093 MPa（圖7b），較過盈量為0.1 mm時的接觸應力（25.322～27.293 MPa）大，較好地滿足了接觸應力要求。

圖7 軸瓦應力分布（r′2為47.8 mm）Fig.7 Stree distribution of bushing

r′2為47.9 mm時，軸瓦的等效應力超過了所選材料的屈服極限，等效接觸應力仍有較大部分為0，無法滿足性能要求。

綜上所述，簡化模型仿真計算得到當軸瓦r′2為47.8 mm時，滿足了各項性能要求，為理想旋壓工藝尺寸。

3.4 增加止推邊后軸瓦的校核計算

還原翻邊軸瓦實際模型，在模型中增加止推邊，計算r′2為47.8 mm時應力分布如圖8所示。軸瓦的等效應力為43.936～307.459 MPa，接觸應力為31.186～93.067 MPa，滿足性能要求，且應力集中出現在瓦口處，可以通過后工序瓦口銑削得到改善。

圖8 增加止推邊后軸瓦應力分布（r′2為47.8 mm）Fig.8 Stress distribution of thrust bushing

3.5 修改彈性模量后軸瓦的校核計算

文獻［6］得出結論，旋壓后錫青銅的彈性模量值為1.29×105MPa（有力的說明強力旋壓改變了材料性能），因此，進一步修改軸瓦建模時設定的彈性模量值，進行新的校核計算。在r′2為47.8 mm時，得到軸瓦的等效接觸應力為90.468～558.172 MPa＜620 MPa（圖9a），接觸應力為37.651～83.373 MPa（圖9b），滿足了接觸應力要求。

圖9 修改彈性模量后軸瓦的應力分布（r′2為47.8 mm）Fig.9 Stress distribution of bushing after modify the elastic modulus

4 結束語

提出通過旋壓成形技術提高軸瓦的力學性能，采用階梯式旋壓方法解決翻邊厚度問題，以過盈量為0.1 mm時的應力情況為參考，仿真計算得到了各可能尺寸在下一步工藝中的性能滿足情況，并通過進一步還原軸瓦模型，修正旋壓軸瓦彈性模量值驗證了計算結果的可行性，可以為基于強力旋壓的軸瓦生產工藝提供借鑒。