基于ABAQUS的曲轴圆角滚压数值分析

基于ABAQU S 的曲轴圆角滚压数值分析 同济大学汽车学院　黄晓东　杜爱民 [摘　要 ]依据曲轴圆角滚压加工工艺过程在ABAUQ S 中建立了滚压有限元模型, 分析了几种不同滚压力作用下的 最大残余应力及曲拐变形情况, 得出了其随滚压力的变化规律, 可为滚压加工时滚压力的选取提供参考并有助于后续 的曲轴疲劳寿命分析。 [关键词 ]圆角滚压　残余应力　ABAQU S 　　1、引言 曲轴是内燃机的主要零件之一, 在工作过程中承受很大的 弯曲应力和扭转应力, 同时受到扭转振动和附件应力的作用, 受 力情况非常复杂。所以要求曲轴有很高的抗拉强度、刚度、耐磨 性、耐疲劳性以及冲击韧性, 因此必须对曲轴进行强化处理。 目前国内外曲轴常见的强化工艺大致有氮化、喷丸、淬火、 圆角滚压以及复合强化。而其中滚压的强化效果是最显著的。根 据统计资料, 球铁曲轴经圆角滚压后寿命可提高 120% - 300% , 钢轴经圆角滚压后寿命可提高 70% - 150% , 同时还具 有加工成本低、可使用强度较低的材料、加工时间短 (< 2 分钟ö 根)、工艺简单等优点。圆角滚压的强化效果主要取决于滚压参 数, 同时与材料的剪切屈服强度和变形能力相关, 而滚压的数值 模拟可以为工艺参数的选择提供参考。 2. 强化机理与工艺过程 曲轴在工作时圆角过渡处为薄弱环节, 尤其是主轴颈和连 杆颈的过渡处更为严重, 并且由于轴颈经过磨削加工后留下的 刀痕引起的应力集中, 在长时间的循环后便会产生裂纹, 最终发 生疲劳断裂。其受力情况如图 1。 2. 1 强化机理 曲轴滚压显著提高曲轴疲劳强度的机理在于: (1)滚压后形 成沿一定层深分布的残余压缩预应力, 这种残余压应力可以抵 消部分在交变弯曲力矩作用下的拉应力和冲击力, 部分或全部 消除拉应力, 使疲劳强度大幅度提高, 一般认为残余压缩预应力 是曲轴强度提高的主要原因; (2)表层形貌的改变和表层材料的 硬化: 由于滚轮以较大的滚压力作用在曲轴圆角表面, 使表面微 观不平度减小, 降低圆角粗糙度, 减小金属表面的应力集中, 使 裂纹萌生时的疲劳寿命大大地增加, 从而达到提高零件疲劳强 度的目的。另外, 滚压后表面微观组织结构发生了变化, 如组织 硬化, 位错密度提高等, 从而提高了疲劳裂纹的扩展能力, 使其 扩展速率下降。 根据上述分析可知: 曲轴滚压强化效果的改善需要从两个 方面考虑, 即合理控制滚压载荷以获得数值大小适中、分布合理 的滚压残余压应力; 合理设计并选择滚压运动及结构参数以改 善被滚压表面的形貌、消除微观裂纹。 2. 2 工艺参数 曲轴圆角滚压强化工艺过程包括三方面的内容: 曲轴圆角 滚压、曲轴弯曲变形测量、曲轴滚压校直。国内外对曲轴圆角滚 压的工艺研究并不是十分充分, 滚压工艺参数对圆角滚压层和 曲轴疲劳强度的影响方面还缺乏系统的研究, 可供利用的工艺 资料非常少。对于最佳滚压力的选取一般根据等效应力准则来 评判: 等效应力准则认为如果滚压后表面的残余应力状态使得 等效应力在具体工况条件下为最小值, 则该残余应力为最佳的 残余应力状态, 也即在最优滚压力作用下可以获得最佳的残余 应力状态。本文进行滚压数值模拟的目的即为了确定滚压力等 工艺参数对于圆角残余应力的影响, 为实际加工提供参考。 3. 滚压过程有限元模拟 3. 1 在ABAQU S 中建立有限元模型 由于加工过程的对称性, 选取单拐的一半进行建模, 对于除 轴颈以外不重要的部位进行简化, 以方便划分规则的六面体网 格, 提高计算速度, 而在圆角的局部进行网格细化, 为了模拟圆 角与滚轮之间的接触并精确计算应力, 在圆角部分采用修正的 二阶四面体单元。利用ABAQU S 强大的多体及非线性分析功 能, 建立滚轮与圆角之间的接触关系, 并在滚轮参考点施加实际 滚压力, 而曲拐作为主动件旋转, 以准确模拟真实滚压过程。有 限元模型及接触关系如图 2 和图 3 所示, 总共生成 17457 个网 格, 曲轴材料为 42C rM o, 弹性模量为 210000M Pa, 屈服极限 930M Pa, 滚轮材料为 GC r15, 在模拟过程中滚轮作为刚形体考 虑。 —353— 科技信息 博士·专家论坛 　　　　　　 曲轴圆角滚压加工中滚轮和曲轴圆角的接触与球轴承中滚 子与内圈的接触、滚珠丝杠副中滚珠与丝杠沟槽的接触类似, 从 运动学角度都属于一种特殊的摩擦传动形式——圆弧接触线回 转体摩擦传动。立足于上述理论, 以在获得足够的残余压应力的 同时, 尽最大可能提高表面加工质量, 减小发热量, 降低功率损 耗, 从而达到强化和抛光的双重目的, 对曲轴圆角滚压加工问题 的运动和结构参数进行优化设计, 并根据轴颈圆角几何尺寸计 算相关加工参数, 如表 1 所示。 滚压力范围的确定依据下述原则: 滚轮上的最小滚压载荷 应为材料开始发生塑性变形时的滚压载荷, 而滚轮上的最大滚 压载荷为接触区域金属达到完全的塑性变形时的大小。 表 1 轴颈半径 (mm ) 轴颈宽度 (mm ) 圆弧半径 (mm ) 加工转速 (röm in) 滚轮半径(mm ) 滚轮撑开角 (°) 滚压力范围(N ) 17. 5 18 1. 2 30 7. 6 70 325- 2916 　　3. 2 仿真结果与分析 为了确定滚压力对最大残余应力及其分布的影响, 在所确 定的滚压力范围内分别选取几种不同的载荷大小进行加载计 算, 并对最大残余应力、滚轮压缩圆角表面位移量、曲拐变形相 对转角等结果进行比较, 列于表 2。 表 2 滚压力 (N ) 圆角表面压缩量(mm ) 曲拐变形相对转角 (°) 圆角某固定点最大 M ises 应力 (M Pa) 400 0. 016- 0. 024 0. 0005 535. 63 1000 0. 022- 0. 03 0. 0013 792. 42 1500 0. 027- 0. 033 0. 002 834. 06 2000 0. 031- 0. 036 0. 0032 879. 74 2500 0. 035- 0. 04 0. 0036 886. 85 3000 0. 04- 0. 045 0. 0085 893. 82 4000 0. 048- 0. 053 0. 0119 903. 47 　　从表 2 中可以看出, 随着滚压力的增加, 最大残余应力也逐 渐增加, 且在 400N 到 2000N 的范围内增加显著, 而随后最大残 余应力的增加并不明显, 但曲拐相对转角在 2500N 之后却是显 著增加, 使得曲轴在滚压之后发生较大的变形。 滚压力为 3000N 时连杆轴颈沿周向和径向的应力分布如 图 4 所示, 残余应力主要集中在圆角表面沿径向 3mm 范围内, 而轴颈中心基本未形成残余应力, 而圆角表面周向应力相差不 大。 　　4、结论 通过在不同滚压力作用下对曲轴圆角滚压进行数值模拟, 得出了圆角最大残余应力及曲拐变形都是随着滚压力的增大而 增大, 其中残余应力在滚压力较小的时候增加明显, 而滚压变形 在滚压力较大的时候变化显著。 该模型数值分析的结果可为滚压加工时滚压力的选取提供 参考, 以光整抛光为目的的滚压加工可以选择较小的滚压力, 以 最大残余压缩应力为原则的滚压加工可以选择较大的滚压力, 但不宜过大, 否则将给曲轴的校直带来不必要的麻烦。同时仿真 所得出的残余应力分布数据将有助于后续的曲轴疲劳寿命分 析。 参考文献 [ 1 ]Pau l Sp iteri, Simon Ho, Yung - L i L ee. assessm en t of bending fat igue lim it fo r crank shaft sect ions w ith inclu sionn of residual stresses[J ]. In ternat ional Jou rnal of Fatigue. 2006. [ 2 ]庄茁, 张帆, 岑松等. ABAQU S 非线性有限元分析与实 例[M ]. 北京: 科学出版社, 2005. [3 ]刘荣昌. 曲轴参数化有限元分析系统与滚压关键参数设 计理论研究[D ]. 西安: 西安理工大学, 2005. [ 4 ]薛隆泉, 刘荣昌等. 曲轴圆角滚压运动及结构参数优化 设计[J ]. 机械工程学报, 2002 (1) : 146- 148 —453— 科技信息 博士·专家论坛