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曲轴表面强化与光整加工工艺分析

来源:曲轴表面强化与光整加工工艺分析作者:李经理网址:http://www.jnusm.com浏览数:222 
文章附图

针对曲轴两大失效模式:轴颈磨损和疲劳断裂,需要对曲轴表面进行强化处理。径表面强化后的曲轴,在硬度、耐磨性及抗疲劳强度等方面有不同程度的提高,从而有效保证曲轴的性能。

曲轴是内燃机中承受冲击载荷、传递动力的关键零件,在内燃机五大件中是最难以保证加工质量的零件。由于曲轴工况条件恶劣,因此对曲轴的材质、毛坯加工技术、精度、表面粗糙度、热处理和表面强化、动平衡等要求都十分严格。若其中任何一个环节没有保证质量,即可严重影响曲轴的寿命和整机的可靠性。

曲轴材质目前主要分两类:一类是锻钢,另一类是球墨铸铁。采用铸造方法可获得较为理想的结构形状,有利于曲轴的轻量化设计,且加工余量随铸造工艺水平的提高而减小。另外,球墨铸铁的切削性能良好,并且和钢质曲轴一样可以进行各种热处理和表面强化处理来提高曲轴的抗疲劳强度、硬度和耐磨性,而且球铁中的内摩擦所耗功比钢大,减小了工作时的扭转振动的振幅和应力,应力集中也没有刚质曲轴敏感,所以球墨铸铁曲轴在国内外得到广泛应用。对于160 kW以上的大功率曲轴,则优先采用锻钢曲轴。

无论是锻钢曲轴还是球墨铸铁曲轴,一般都必须实施表面强化处理工艺,其目的在于针对曲轴的两大失效模式:轴颈磨损和疲劳断裂。经表面强化处理后的曲轴,在硬度、耐磨性、抗疲劳强度方面有不同程度的提高。针对不同材质、不同工况条件的曲轴,应采用不同的表面处理技术,才能达到较好的处理效果。

曲轴表面处理方法较多,但归纳起来可以分为:

1)氮化加圆角滚压工艺

曲轴氮化处理后,曲轴的表面形成结构均匀、具有一定韧性且硬度很高的致密化合物层,它对提高曲轴的耐磨性起着主要作用;另外与化合物结合成紧密的、由表及里并具有相当高硬度的扩散层,同样起着提高耐磨性的作用;同时,氮化层组织本身具有一定润滑减磨作用,使曲轴的摩擦系数大大降低。氮化后曲轴表面致密化合物层化学性能极为稳定,使其具有良好耐腐蚀性,这是其他表面处理方式所无法达到的。

曲轴的圆角滚压是利用滚压刀滚轮的压力作用,在曲轴的主轴颈和连杆颈过渡圆角处形成一条滚压塑性变形带,这条塑性变形带具有以下特点:

产生残余压应力,可与曲轴在工作时的拉应力抵消或部分抵消,从而提高曲轴的疲劳强度。

硬度提高。滚压使圆角处形成高硬度的致密层,使曲轴的机械强度和疲劳强度得到提高。

改善表面粗糙度。圆角滚压可使曲轴圆角表面粗糙度达到Ra0.2以下,从而大大减小了圆角处的应力集中,提高了疲劳强度。

    根据统计资料,球铁曲轴颈圆角滚压后寿命可提高70%~150%,采用德国宝力士滚光刀加工后,寿命可提高达200%以上。由此可见,采用圆角滚压强化工艺,可使大功率发动机曲轴采用球铁制造,从而代替锻钢曲轴,节约加工成本和材料成本。

2)淬火加圆角滚压工艺

曲轴轴颈淬火是为了增加曲轴轴颈表面的硬度和耐磨性,并提高曲轴的抗疲劳强度。轴颈淬火在锻钢曲轴中应用比较普遍,它是提高钢曲轴硬度、耐磨性和疲劳强度的最有效手段之一,目前已实现了自动化加工。该强化方式应用于球铁曲轴时,能提高疲劳强度的20%,而应用于钢轴时,则能提高100%以上。

滚磨光整是指零件在获得规定的尺寸精度、几何精度之后,那些旨在提高零件表面质量为目的的多种加工方法、技术被称为表面光整加工技术。高束能表面加工设备是一款金属表面镜面加工设备,该设备具体的效果和特点包括:

能较全面彻底地去除毛刺、钝化尖角锐边,对于复杂形状及大批量生产的零件效果尤佳。

粗糙度的数值可在原来的基础上通过高束能表面加工设备提高2~3个等级,达到镜面效果。

可大幅度提高表面轮廓支撑长度率TP值,提高表面耐磨性。

光整加工表面的纹理呈现非连续无方向麻点细粒状P形纹理,更利于储油提高抗魔性。

能去除手工无法去除的锈蚀、氧化层和改善缺陷,使表面光亮夺目且手感光滑柔和。

光整加工对尺寸只有微米级的影响(约减少1~3mm),不改变前面工序的尺寸和形位精度。

提高零件的清洁度,降低数值。

光整加工具有零件整体性的特点,即将零件沉默于磨具之中,对各表面不分工序,同时加工。

光整加工可改善零件的装配性,提高耐腐蚀性、抗磨性和疲劳强度,从而提高了曲轴的可靠性和使用寿命。