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曲軸表面強化與光整加工工藝分析

來源:曲軸表面強化與光整加工工藝分析作者:李經理網址:http://www.szryjp.com瀏覽數:344 
文章附圖

針對曲軸兩大失效模式:軸頸磨損和疲勞斷裂,需要對曲軸表面進行強化處理。徑表面強化后的曲軸,在硬度、耐磨性及抗疲勞強度等方面有不同程度的提高,從而有效保證曲軸的性能。

曲軸是內燃機中承受沖擊載荷、傳遞動力的關鍵零件,在內燃機五大件中是最難以保證加工質量的零件。由于曲軸工況條件惡劣,因此對曲軸的材質、毛坯加工技術、精度、表面粗糙度、熱處理和表面強化、動平衡等要求都十分嚴格。若其中任何一個環節沒有保證質量,即可嚴重影響曲軸的壽命和整機的可靠性。

曲軸材質目前主要分兩類:一類是鍛鋼,另一類是球墨鑄鐵。采用鑄造方法可獲得較為理想的結構形狀,有利于曲軸的輕量化設計,且加工余量隨鑄造工藝水平的提高而減小。另外,球墨鑄鐵的切削性能良好,并且和鋼質曲軸一樣可以進行各種熱處理和表面強化處理來提高曲軸的抗疲勞強度、硬度和耐磨性,而且球鐵中的內摩擦所耗功比鋼大,減小了工作時的扭轉振動的振幅和應力,應力集中也沒有剛質曲軸敏感,所以球墨鑄鐵曲軸在國內外得到廣泛應用。對于160 kW以上的大功率曲軸,則優先采用鍛鋼曲軸。

無論是鍛鋼曲軸還是球墨鑄鐵曲軸,一般都必須實施表面強化處理工藝,其目的在于針對曲軸的兩大失效模式:軸頸磨損和疲勞斷裂。經表面強化處理后的曲軸,在硬度、耐磨性、抗疲勞強度方面有不同程度的提高。針對不同材質、不同工況條件的曲軸,應采用不同的表面處理技術,才能達到較好的處理效果。

曲軸表面處理方法較多,但歸納起來可以分為:

1)氮化加圓角滾壓工藝

曲軸氮化處理后,曲軸的表面形成結構均勻、具有一定韌性且硬度很高的致密化合物層,它對提高曲軸的耐磨性起著主要作用;另外與化合物結合成緊密的、由表及里并具有相當高硬度的擴散層,同樣起著提高耐磨性的作用;同時,氮化層組織本身具有一定潤滑減磨作用,使曲軸的摩擦系數大大降低。氮化后曲軸表面致密化合物層化學性能極為穩定,使其具有良好耐腐蝕性,這是其他表面處理方式所無法達到的。

曲軸的圓角滾壓是利用滾壓刀滾輪的壓力作用,在曲軸的主軸頸和連桿頸過渡圓角處形成一條滾壓塑性變形帶,這條塑性變形帶具有以下特點:

產生殘余壓應力,可與曲軸在工作時的拉應力抵消或部分抵消,從而提高曲軸的疲勞強度。

硬度提高。滾壓使圓角處形成高硬度的致密層,使曲軸的機械強度和疲勞強度得到提高。

改善表面粗糙度。圓角滾壓可使曲軸圓角表面粗糙度達到Ra0.2以下,從而大大減小了圓角處的應力集中,提高了疲勞強度。

    根據統計資料,球鐵曲軸頸圓角滾壓后壽命可提高70%~150%,采用德國寶力士滾光刀加工后,壽命可提高達200%以上。由此可見,采用圓角滾壓強化工藝,可使大功率發動機曲軸采用球鐵制造,從而代替鍛鋼曲軸,節約加工成本和材料成本。

2)淬火加圓角滾壓工藝

曲軸軸頸淬火是為了增加曲軸軸頸表面的硬度和耐磨性,并提高曲軸的抗疲勞強度。軸頸淬火在鍛鋼曲軸中應用比較普遍,它是提高鋼曲軸硬度、耐磨性和疲勞強度的最有效手段之一,目前已實現了自動化加工。該強化方式應用于球鐵曲軸時,能提高疲勞強度的20%,而應用于鋼軸時,則能提高100%以上。

滾磨光整是指零件在獲得規定的尺寸精度、幾何精度之后,那些旨在提高零件表面質量為目的的多種加工方法、技術被稱為表面光整加工技術。高束能表面加工設備是一款金屬表面鏡面加工設備,該設備具體的效果和特點包括:

能較全面徹底地去除毛刺、鈍化尖角銳邊,對于復雜形狀及大批量生產的零件效果尤佳。

粗糙度的數值可在原來的基礎上通過高束能表面加工設備提高2~3個等級,達到鏡面效果。

可大幅度提高表面輪廓支撐長度率TP值,提高表面耐磨性。

光整加工表面的紋理呈現非連續無方向麻點細粒狀P形紋理,更利于儲油提高抗魔性。

能去除手工無法去除的銹蝕、氧化層和改善缺陷,使表面光亮奪目且手感光滑柔和。

光整加工對尺寸只有微米級的影響(約減少1~3mm),不改變前面工序的尺寸和形位精度。

提高零件的清潔度,降低數值。

光整加工具有零件整體性的特點,即將零件沉默于磨具之中,對各表面不分工序,同時加工。

光整加工可改善零件的裝配性,提高耐腐蝕性、抗磨性和疲勞強度,從而提高了曲軸的可靠性和使用壽命。