曲軸深滾壓技術(shù)應(yīng)用探討

曲軸作為發(fā)動機核心零件之一，由于加工基準在曲軸中心孔和主軸頸間經(jīng)常轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生基準不重合誤差，再加上各軸頸加工精度高和軸類零件加工過程中剛性差的特點，是發(fā)動機本體五大件中加工質(zhì)量最難保證的零件。

深滾壓技術(shù)工藝背景

曲軸在工作中承受交變載荷，主軸頸和連桿頸圓角過渡處屬于曲軸強度的薄弱環(huán)節(jié)，軸頸與曲柄臂過渡圓角在切削或磨削加工后刀痕存在應(yīng)力集中，長期的高速旋轉(zhuǎn)運轉(zhuǎn)和較大的交變負荷應(yīng)力將有可能造成曲軸圓角處產(chǎn)生裂紋或斷裂。

在以往的工藝中，為了提高曲軸的疲勞強度，在曲拐半徑一定的前提下，主要增加曲軸的主軸頸和連桿軸頸的直徑，增加兩軸頸的重疊高度或重疊面積來保證曲軸的疲勞強度。但是，這樣會造成曲軸結(jié)構(gòu)的龐大和重量的增加，不僅使材料的利用率低，同時也增加了發(fā)動機的重量，使發(fā)動機燃油經(jīng)濟性差。現(xiàn)在追求發(fā)動機的輕量化，很多曲軸主軸頸和連桿軸頸的重疊度減小，甚至重疊度為零或負重疊度，為了保證曲軸的強度，需要對軸頸和曲柄臂的過渡圓角進行處理。奇瑞發(fā)動機曲軸采用最先進的曲軸深滾壓技術(shù)，使?jié)L壓后的曲軸圓角表面粗糙度小，滾壓后表面形成一種硬化層和保持殘余壓應(yīng)力等特點，對曲軸可以邊滾壓邊矯直等特點，提高了曲軸整體疲勞強度。

深滾壓技術(shù)的優(yōu)點

使用深滾壓技術(shù)，滾壓輪在接觸壓力下沿著溝槽圓周方向移動，根據(jù)金屬變形理論：零件表面在外力作用下，被滾壓金屬的原子間距離會暫時減小或晶粒間產(chǎn)生滑動，當外力達到一定數(shù)值時，被加工表面金屬除產(chǎn)生彈性變形外，還形成塑性變形。由于塑性變形的產(chǎn)生，使零件被加工表面的形狀、組織結(jié)構(gòu)和物理性能都發(fā)生了變化，使金屬被滾壓層的組織變得緊密、晶粒變細、晶粒形狀也沿著變形最大的方向延伸，在被滾壓金屬表層內(nèi)產(chǎn)生一定殘余壓應(yīng)力，使金屬表面得到強化，提高了零件表層冷作硬化硬度，壓平了微觀不平度，降低了零件的表面粗糙度，被滾壓金屬表面的強度極限、屈服極限和疲勞極限都有提高。

深滾壓加工特點主要有：圓角表面粗糙度低；曲軸整體疲勞強度得到很大程度的提高；成本低，生產(chǎn)率高，滾壓過程中設(shè)備對曲軸滾壓力進行監(jiān)控，確保工件只有經(jīng)過正確的深滾壓后才被傳送到下一工位，使設(shè)備開動率大于97%；磨削工序不用磨側(cè)面和過渡圓角；邊滾壓邊對曲軸進行校直（見圖1），確保主軸頸跳動小于0.12mm，連桿軸頸的對稱度滿足磨削能力的要求。

圖1 曲軸滾壓校直實體

1.滾壓力

滾壓力大小的設(shè)定決定了工件接觸表面塑性變形量（工件材料的密度均勻性/有無疏松/硬度的均勻性也會對塑性變形有影響）的大小和工件表面殘余壓應(yīng)力的大小，滾壓力大小的設(shè)定主要取決于工件的材料、圓角的大小和發(fā)動機最大爆發(fā)壓力，滾壓力太小將達不到曲軸強化的效果，太大可能會壓潰曲軸表面，降低曲軸的疲勞強度。奇瑞公司曲軸滾壓力的設(shè)定是根據(jù)試驗中心做抗疲勞強度，在疲勞試驗機里施加800～900N.m的力，做上1千萬次擠拉振動，試驗后根據(jù)曲軸振動頻率的下降檢查圓角是否有裂紋確定滾壓力的大小。

2.滾壓的角度

滾壓輪的壓入方向和主軸頸軸線的夾角，一般根據(jù)各個廠家的設(shè)備和滾壓輪大小而設(shè)定，奇瑞公司曲軸生產(chǎn)線滾壓輪壓入設(shè)定的角度為55°。

3.根據(jù)滿負荷滾壓力持續(xù)的圈數(shù)、滾壓力的升壓階段和降壓階段等。

奇瑞發(fā)動機公司481H/484J曲軸，工件在放入滾壓機床內(nèi)進行滾壓前，先利用激光進行掃描，掃描工件類型和工件擺放角度，便于滾壓頭準確抱合曲軸軸頸，圓角滾壓滿負荷滾壓力持續(xù)的圈數(shù)為6圈，升壓階段和降壓階段各3圈，主軸頸每個單元的滾壓力為18.5kN，連桿頸每個單元的滾壓力是變壓力的，在每個曲拐偏離曲軸中心在角度和距離上不同，滾壓力從9kN到18.5kN變化著（見圖2）。滾壓后機床利用自動檢測軸頸跳動功能，進行滾壓校直功能，軸頸跳動低于0.12mm，機床進行打碼標識，超過0.12mm，機床再次進行滾壓校直。校直后再次進行檢測，合格，打標記。

圖2 深滾壓壓力參數(shù)變化趨勢

4 .滾壓后的效果

（1）滾壓后工件的伸長量：由于工件在滾壓中受到了軸向的作用力，且產(chǎn)生了塑性變形，導(dǎo)致工件的總長度會伸長，各個軸頸的開襠變大。工件滾壓后的延伸量由產(chǎn)品和工藝根據(jù)工件材料的不同進行試驗對比確定，目前奇瑞公司曲軸材料有球墨鑄鐵和鍛鋼等，兩者的延伸量截然不同，球墨鑄鐵材料的曲軸在上述的滾壓力作用下，每個軸頸軸向的延伸量約為0.06mm，鍛鋼曲軸每個軸頸延伸量約為0.03mm。

（2）滾輪的壓入量（即圓角的塑性變形量）由滾壓力大小、壓入方向、滾壓圈數(shù)和工件的材質(zhì)特性決定，奇瑞發(fā)動機曲軸圓角的壓入量通過輪廓度儀進行滾壓前后的對比，壓入量約為0.15mm。

（3）滾壓后，軸頸的圓角粗糙度有很大提高，圓角粗糙度由車削的RZ20降低到RZ6.3，圓角的滾壓與磨削后的軸頸光滑過渡，曲軸的疲勞強度增加。

滾壓過程中質(zhì)量控制

要從本質(zhì)上控制滾壓的效果就要在過程中控制滾壓后的殘留壓應(yīng)力，但是殘留壓應(yīng)力的檢測非常麻煩、耗時且成本很高，不能滿足現(xiàn)場生產(chǎn)快捷方便的要求，殘余壓應(yīng)力的檢測只限于在產(chǎn)品開發(fā)或零件試驗時完成?，F(xiàn)場控制滾壓的質(zhì)量主要可以從兩方面來檢查滾壓的效果：

1.滾壓的被動參數(shù)。控制滾壓力、滾壓圈數(shù)和滾壓角度，每月從生產(chǎn)線隨機抽取1～2根曲軸做疲勞試驗。

2.滾壓的主動參數(shù)。生產(chǎn)過程中只控制滾壓力、滾壓圈數(shù)和滾壓角度。曲軸在疲勞試驗、發(fā)動機強化試驗和整車試驗合格后就固化滾壓參數(shù)（滾壓力、滾壓圈數(shù)和滾壓角度），控制滾壓輪的壓入量。

奇瑞發(fā)動機二廠曲軸生產(chǎn)線曲軸滾壓采用HEGENSCHEIDT公司的滾壓設(shè)備，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，裝有滾壓工具和壓力傳感器的前臂，帶支持和導(dǎo)向滾子的后臂，通過閉合前后臂的氣壓、液壓閥使前后臂夾緊曲軸軸頸，頭架帶動曲軸旋轉(zhuǎn)，同時比例閥根據(jù)RTC的電信號加壓進行滾壓。工件由機械手上料,使用曲軸兩端的中心孔定位，自動夾緊法蘭徑，激光探測器檢測曲軸第二連桿頸高度來核對曲軸型號是否正確。滾壓機床在設(shè)計中充分考慮到了生產(chǎn)的一致性問題，機床有對壓力的雙重檢查保險機構(gòu)，液壓系統(tǒng)的壓力控制和每個滾壓單元的滾壓壓力實時監(jiān)控，在滾壓壓力超過設(shè)置范圍后，機床會報警。滾壓完畢后機床檢測裝置自動測量曲軸各主軸頸的跳動量，若測量超差，機床中的RTC系統(tǒng)進行運算在曲軸的不同部位，施加不同的壓力，對曲軸進行繼續(xù)滾壓校直，以達到工藝的加工精度要求，每一個滾壓合格的工件會打上標記。在設(shè)備預(yù)驗收時檢測圓角的壓入量，一般要求壓入量不小于0.15mm。HEGENSCHEIDT擁有專門檢測壓入量的檢測室，配備了專門的檢測人員，其檢測過程如下：先掃描未滾壓的工件圓角輪廓，再掃描滾壓后的圓角輪廓，把掃描后的輪廓放大40倍后對比測量圓角的壓入量。由確定的壓入量可確定一組滾壓參數(shù)，如果這組滾壓參數(shù)滾壓過的工件經(jīng)過疲勞試驗合格，則可以固化這組參數(shù)。

結(jié)語

曲軸圓角滾壓工藝是目前最為理想的強化工藝之一，它不僅能夠顯著提高曲軸的疲勞壽命（圓角滾壓的曲軸疲勞強度約增加60％以上），而且還可獲得較好的表面加工質(zhì)量，經(jīng)滾壓加工后的圓角不必精磨，就可以滿足表面質(zhì)量要求，從而有利于提高生產(chǎn)率和降低加工成本。