圓角滾壓殘余壓應力與曲軸疲勞強度的關系

楊如松

（上海汽車集團有限公司乘用車公司，上海201804）

圓角滾壓殘余壓應力與曲軸疲勞強度的關系

楊如松

（上海汽車集團有限公司乘用車公司，上海201804）

通過對某發動機鍛鋼曲軸滾壓工藝研究，測試分析了不同圓角滾壓工藝條件下曲軸圓角表面殘余壓應力與彎曲疲勞極限彎矩的關系。試驗結果表明，圓角滾壓對曲軸有顯著強化效果，可使疲勞極限彎矩和安全系數顯著提高，試驗結果對曲軸設計開發中圓角滾壓工藝的選擇具有一定的參考價值。

曲軸圓角滾壓殘余壓應力疲勞極限彎矩安全系數

1　概述

曲軸是發動機最重要的部件之一。曲軸服役工況條件惡劣，其失效形式一般是軸頸磨損和疲勞斷裂［1］。在發動機小型化、高功率的發展趨勢下，更要求曲軸具有足夠的強度和剛度，具有良好的承受沖擊載荷的能力。需通過氮化、噴丸、圓角淬火、圓角滾壓及復合強化等工藝強化曲軸，來提升曲軸的疲勞強度。曲軸圓角滾壓強化具有成本低、效率高和強化效果顯著等優點［2］。鋼制曲軸采用圓角滾壓，對提高疲勞強度具有明顯的作用，據文獻介紹可使壽命提高70%～150%。

因此，為了選擇適宜的提升曲軸疲勞壽命的強化工藝，對曲軸進行強度分析和疲勞壽命的研究是一項重要的工作。本文介紹某發動機鍛鋼曲軸采用不同圓角滾壓工藝試驗后，其表面滾壓殘余應力對曲軸彎曲疲勞強度的影響。

2　試驗樣品與滾壓工藝方法

2.1試驗樣品

試驗曲軸樣品為某量產發動機曲軸成品零件，為鍛鋼曲軸。試驗曲軸毛坯材料為非調質鋼SAE1538MV，化學成分如表1所示。

曲軸采用鍛后控冷工藝方式，其基體組織為珠光體+鐵素體，硬度為259～274 HBW，見圖1。成品曲軸軸徑處采用中頻感應淬火，感應淬火區域顯微組織為4～5級回火馬氏體組織，見圖2。其表面硬度為51.5～53.0 HRC，有效硬化層深度在2.32～2.55 mm（440 HV）。

表1　化學成分（%）

圖1　曲軸基體組織（500×）

圖2　曲軸感應淬火區組織（500×）

2.2圓角滾壓工藝分類

根據圓角加工方法和曲軸加工工藝流程中的滾壓工序次序，目前主流曲軸圓角滾壓工藝主要可分為3種：成品滾壓、半精加工圓角滾壓和圓角沉割滾壓。

本文研究的曲軸采用圓角沉割滾壓，即在過渡圓角處沉割出與滾輪半徑大小相同的圓角，然后再進行滾壓加工，其對粗加工精度要求較高。這種工藝優點是，（1）滾壓時不會在圓角與軸徑交界處產生凸緣；（2）曲軸圓角及軸徑端面均不需要磨削而直接加工成型；（3）一定范圍內的滾壓變形可以在精磨時消除［3］。圖3為典型圓角滾壓加工時滾輪與曲軸的位置關系，滾輪和曲軸分別繞自身軸線旋轉，并在圓角處形成對滾。圖4為實際滾壓工藝示意圖。

圖3　圓角滾壓加工示意圖

圖4　曲軸深滾壓頭示意圖

2.3滾壓工藝試驗方法

采用德國Hegenscheidt-MFD公司生產的7893R型曲軸圓角滾壓設備裝置，整機由9個滾壓單元對5個主軸頸和4個連桿軸頸同時進行滾壓，見圖5。采用該深滾壓工藝設備，曲軸圓角表面滾壓后可實現低表面粗糙度、形成形變硬化層和保持殘余壓應力等，同時對曲軸可以實現邊滾壓邊矯直的特點，可提高曲軸的整體疲勞強度。

為了更好地通過試驗研究分析不同圓角滾壓工藝，其表面滾壓殘余應力對曲軸彎曲疲勞強度的影響，特別選取了4種不同狀態的試驗工藝方案，見表2。

圖5　滾壓設備圖

表2　試驗工藝方案

曲軸從毛坯到最終成品的主要工藝流程如下：粗加工→切沉割槽→連桿/主軸軸徑感應淬火、回火→滾壓和矯直（或取消滾壓）→精磨軸徑、端面→拋光。

3　試驗方法

3.1殘余應力測試

在Proto-iXRD型X射線應力分析儀上，采用同傾衍射幾何方式對軸頸表面殘余應力進行測試，見圖6。測試按照ASTM E915-2010及DIN EN 15305-2008標準中的方法進行，具體測試原理可參照文獻［4，5］。采用Proto-8818電解拋光機及飽和NaCl水電解液。

圖6　X射線應力測試系統

3.2疲勞試驗

采用ERD-100電磁激振式曲軸彎曲疲勞測試系統（如圖7所示），加載波形為正弦波，加載步長分別為20 MPa和30 MPa，加載頻率約50 Hz。因在發動機曲軸工作中連桿頸部位的受力最為苛刻，故本試驗研究采用QC/T 637-2000中的升降法來測定曲軸第4拐的疲勞極限彎矩，試驗循環基數107次，取樣如圖8所示。試驗規定當系統共振頻率下降1%時，即判斷試件已發生失效。電磁激振設備在諧振狀態下，激勵彎矩可以放大數十倍甚至上百倍，并通過標定使等效彎矩達到工作彎矩值，且加載頻率較高，能夠實現加速疲勞試驗［6］。

圖7　電磁激振式曲軸彎曲疲勞試驗系統

圖8　曲軸第4拐疲勞試驗件（連桿軸頸）

4　試驗結果

采用第2章中的標準試驗和測試方法，完成了4種不同工藝條件下試件的殘余應力測試及彎曲疲勞試驗。

4.1滾壓殘余應力試驗結果

金屬表層在滾輪壓力作用下，由于滾壓力超過材料的屈服極限，產生塑性變形［7］。對10 kN試驗滾壓力與未滾壓狀態作比較，可見圓角深度發生明顯變化，侵入深度約0.12 mm，見圖9。同時，滾壓產生的冷作硬化效應，使得工件表面硬度得以提高，見圖10。隨著硬度提高，從金屬表層直到某一深度，也出現了顯著的殘余壓應力［8］，見圖11。

圖9　圓角深度變化示意圖

圖10　滾壓后連桿軸頸表面硬度曲線

圖11　滾壓后連桿軸頸圓角表面殘余壓應力曲線

4.2滾壓試件疲勞試驗結果

按照表1中4種工藝方案各加工12件樣件，檢測不同滾壓力對樣件連桿軸頸圓角處疲勞強度的影響程度。根據是否進行滾壓加工，以及滾壓力大小，每種情況分別設置了3種試驗彎矩，具體參數見表3。圖12～圖15分別是未滾壓和3種不同滾壓力后的軸頸疲勞試驗結果，圖中循環壽命小于107次的均為連桿軸頸圓角表面開裂。

表3　試驗彎矩

圖12　軸頸未滾壓疲勞試驗

圖13　軸頸滾壓力6.0/4.8 kN疲勞試驗

圖14　軸頸滾壓力10.0/8.0 kN疲勞試驗

圖15　軸頸滾壓力14.0/11.2 kN試件疲勞試驗

對圖12～圖15的試驗結果進行配對分析，可確定各工藝條件下有效數據對n=6。結合統計計算結果可知，所得數據均滿足置信度≥95%，相對誤差≤5%的要求，根據QC/T637-2000標準要求完成數據處理，見表4。

表44　種工藝方案下試件彎曲疲勞試驗結果

4.3安全系數估算

根據QC/T 637-2000中曲軸名義工作彎矩的計算方法，計算得到該曲軸的名義工作彎矩375.4 N· m，由此計算出50%和99.9%存活率下安全系數，計算結果如圖16所示。

圖16　不同滾壓強化工藝下的曲軸彎曲疲勞安全系數

5　分析研究

5.1圓角滾壓工藝對殘余壓應力的影響

通過對方案1～方案4這4種不同滾壓工藝狀態下圓角殘余應力進行測試分析，可以發現未經圓角滾壓的曲軸，其連桿頸和主軸頸表面為拉應力；經滾壓后，可消除曲軸連桿頸和主軸頸處表面及次表面拉應力，并在圓角處產生一定的殘余壓應力。通過硬度測試分析，確定圓角滾壓工藝使滾壓處發生明顯塑形變形，并形成高硬度的致密層。

5.2圓角滾壓工藝對疲勞強度的影響

為評估圓角滾壓強化工藝及殘余壓應力對彎曲疲勞的影響，采用軸徑圓角彎曲疲勞試驗條件下99.9%存活率疲勞極限作為估算依據。不采用滾壓強化時，其99.9%存活率下的彎曲疲勞強度為294 N·m，采用3種不同滾壓工藝強化后，彎曲疲勞強度分別提高了

方案2：（670-294）/294=128%

方案3：（817-294）/294=178%

方案4：（910-294）/294=210%

即曲軸經過這3種不同工藝下的圓角滾壓強化后，其在99.9%存活率條件下的疲勞極限彎矩分別約提高了128%、178%和210%。

5.3圓角滾壓強化對安全系數的影響

在基本確定發動機曲軸的最重要的結構參數以后，需要進行CAE來分析計算曲軸強度，根據SAIC CAE要求，需要計算結果，安全系數要求大于1.5。

從圖16的結果可以確定，這3種不同圓角滾壓強化工藝，可有效提升軸頸圓角處50%和99.9%存活率下的安全系數，并均可滿足設計安全系數要求。同時從圖中也可以看出，在初始階段，隨著滾壓力的提升，強化效果對安全系數有明顯影響，后續滾壓力對安全系數的影響逐漸降低。

6　小結

（1）通過滾壓殘余應力測試及疲勞試驗結果，可以發現疲勞強度隨滾壓殘余應力的提升而提高，說明在疲勞強度試驗分析中考慮殘余應力對曲軸疲勞強度影響的必要性和合理性。

（2）采用圓角沉割滾壓強化工藝，能有效實現強化效果。曲軸經過方案2～方案4這3種不同工藝下的圓角滾壓強化后，其在99.9%存活率條件下的疲勞極限彎矩分別提高了約128%、178%和210%。

（3）試驗數據表明，在現有滾壓設備工藝能力條件下，采用3種不同滾壓力的圓角滾壓強化工藝后，試件在99.9%時的彎曲安全系數分別可達1.78、2.18和2.42，較未滾壓狀態下的0.78有明顯提升，均可滿足設計安全系數大于1.5的要求。綜合考慮到設計安全冗余量、工藝經濟性以及設備能力等因素，實際批量生產時選擇了安全系數為2.18的最適宜工藝方案。

（4）隨著發動機小型化、高功率的發展趨勢，要求曲軸具有更高的強度和剛度。為保證更高負荷發動機曲軸的設計要求，在滾壓工藝設備能力許可的條件下，試驗分析研究更高的滾壓強化工藝方案，可作為下一步的工作重點。

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The Relationship of Fillet Rolling Residual Compressive Stress and Crankshaft's Fatigue Strength

Yang Rusong
（SAIC Motor Passenger Vehicle Co.，Shanghai 201804，China）

Through the study on the rolling technique of one engine crankshaft，the relationship of the crankshaft's round corner surface residual compressive stress and fatigue limit bending moment in different fillet rolling technique was analyzed.The test result showed that fillet rolling technique had obvious definite effect on the crankshaft performance，which is to increase the fatigue limit bending moment and safety factor. This study result had a certain reference value in choosing suit-able fillet rolling technique under the crankshaft design process.

crankshaft，fillet rolling，residual compressive stress，fatigue limit，moment，safety factor

10.3969/j.issn.1671-0614.2016.03.010

來稿日期：2016-06-07

楊如松（1961-），男，高級工程師，主要研究方向為汽車金屬材料及工藝。