圆角滚动载荷对微合金钢柴油机曲轴疲劳性能的影响
引用这篇文章：Guuml;lCcedil;evik和RzaGuuml;rbuuml;z2017 J. Phys。：Conf。序列。 843 012044
圆角滚动载荷对微合金钢柴油机曲轴的疲劳性能的影响进行更新和改进
圆角滚压工艺是一种有效的方法，用于通过硬化圆角区域并诱导残余压应力来改善曲轴的疲劳性能。本文总结了为研究轧制载荷对用于柴油机应用的微合金钢曲轴疲劳行为的影响而进行的工作。根据楼梯试验方法，进行了构件尺寸共振弯曲疲劳试验，以获得应力对循环次数的曲线，并评估曲轴在三种不同载荷下的未轧制状态和角焊轧制状态下的疲劳耐用极限。通过Dixon-Mood方法分析测试数据以计算耐力极限。结果表明，与未轧制状态相比，角焊工艺的耐力极限显着增加。随着滚动负荷的增加，耐久极限进一步增加，但是在有限的程度之上，过度硬化恶化了圆角区域;这是可行性限制。这项研究的结果揭示了角焊轧制过程，以便为所用设计和材料条件选择最佳轧制载荷。
1、介绍
曲轴是内燃机的关键部件之一，通过将活塞的往复运动转换为旋转运动来驱动发动机系统部件。 在使用过程中，曲轴承受大量循环载荷; 例如由于旋转和往复运动部件以及气体爆炸力引起的惯性力。 由于这些力而在曲轴上产生的主要应力是循环弯曲和扭转。
曲轴上的疲劳失效大部分是在圆角区域观察到的，因为它们是动态的，而几何上最重要的区域和应力集中最终存在。 裂纹萌生的其他关键区域是曲轴表面上的销表面和油孔端部。
为了改善曲轴的疲劳和磨损性能，应用了各种表面处理工艺，例如： 氮化，感应淬火和角焊。其中，角焊轧制工艺是一种在汽车工业中广泛使用的工艺，它改善了曲轴角焊缝区域的疲劳强度[1]。
圆角滚压工艺旨在通过局部机械加载来产生压缩残余应力并增加圆角区域的硬度。 通过补偿在工作条件下产生的拉伸应力分量，除了提高表面硬度以外，所产生的压应力也提高了疲劳强度。为了获得适合滚轮的合适几何形状，在该区域形成具有曲率半径的底切，该底切称为底切区域。
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由于曲轴上的任何故障都会导致发动机发生灾难性故障，因此，通过角焊工艺优化曲轴耐久性的研究一直处于大量基于实验和分析方法的研究范围之内。
许多研究人员已经研究了工艺参数的影响。 通过对具有不同轧制条件的曲轴进行曲轴钻机测试以及对残余应力进行X射线测量，Koet.al.[2]已经发展了轧制载荷，表面硬度和残余应力与所施加的弯矩之间的相关性。通过使用实验数据，CAE分析确定了轧制载荷，圆角几何形状和材料的最佳条件。Ccedil;eviket.al评估角焊轧制过程对球墨铸铁曲轴的影响。[3]通过弯曲疲劳试验曲轴在圆角轧制和未轧制条件下进行。 Regul#39;skii等人[4]研究了通过使用未经淬硬的带有圆角的硬化曲轴以及没有经过圆角的淬火和未淬火的曲轴的疲劳试验来进行的轧制的效果。 通过对试验结果的分析，提出了疲劳试验的程序以获得摩托车曲轴的在役断裂模式。
已经对曲轴的部件尺寸测试进行了各种研究以确定应力与周期数（S-N）曲线的关系。在曲轴两件失效的情况下，试验台上的损伤形成的可能性已经成为多年来关于实验室试验失败标准建议的研究的起点。后来，共振转换失效准则一直是基于由共振弯曲疲劳试验中的裂纹形成和随后的刚度下降引起的共振位移的广泛使用的方法之一。冯和李[5]开发了电动试验机和汽车零部件测试程序，并提出了裂纹形成，刚度和共振位移之间的关系。基于裂纹萌生的表面破坏准则也是许多研究的主题。根据这个标准，任何可以被视觉识别的裂纹都可以被认为是失败[1,6]。 Chien等[7]通过应力强度因子与圆角深度的有限元映射，研究了由于存在残余压应力而引起的地下裂纹停滞现象。 Spiteri等人[8]进行了一项实验性工作，以鉴定和验证Chien等人（8）提出的裂纹抑制理论。
本研究旨在评估角焊轧制工艺和施加的轧制载荷对微合金钢曲轴疲劳性能的影响。为此，在4种不同的角焊条件下对曲轴样品进行元件尺寸共振弯曲疲劳测试；在3种不同的负载下进行圆角滚轧。在这4个条件下获得了弯矩振幅相对于失效曲线的循环次数。 Dixon-Mood分析方法计算耐力极限，并与角焊条件进行比较。评估耐力极限提高与轧制负荷和改进极限的相关性。
2、实验程序
2.1材料
本研究采用锻造生产的38MnVS6级曲轴的微合金钢。锻造过程后，曲轴受控冷却，冷却后不再进行热处理。用来自钢曲轴的试样进行光谱分析，化学成分示于表1中。
表1.38MnVS6锻钢的化学成分。
化学成分，wt％
2.2圆角滚动过程
在本研究的框架中，研究了4种不同角焊条件下的曲轴，以便将疲劳强度与轧制载荷量相关联。也就是说，具有展开状态并且在15kN，20kN和24kN处滚圆轧制的曲轴被用在销圆角区域处。
在这项研究中，在圆角区域施加了1.55mm的底切深度。在曲轴的机械加工过程中，在轴颈拐角处加工出一个底切，以便为滚轮装配适合的形状。图1显示了底切区域的2D投影视图，描述了半径和深度剖面。
图1.底切区域的2D视图。
通过使用刚性滚动装置液压轧制曲轴的主轴颈和销轴颈的底切区域。轧制设备由与两个辅助辊相关联的主辊组成，其在轧制操作期间同时使曲轴轴颈的角部变形。滚子以曲柄轴55°的角度应用于曲轴轴颈。图2展示了曲轴的主要部件;示意性地示出底切区域和轧制操作。
曲轴的示意图及其主要特征
（b）底切区域 （c）曲轴滚动操作
图2.曲轴和轧制操作的示意图
共振疲劳试验方法用于评估曲轴在4种不同角焊条件下的弯矩与周转/失效曲线数据。谐振疲劳测试方法基于机械刚度理论。 在测试中，根据材料的弹性模量和系统的几何形状，测试频率稳定在测试设备上的组件的共振频率。 随着试样裂纹的形成和传播，试验台的共振频率由于横截面减小而减小，因此系统机械刚度降低[9]。
轧制操作是在主辊上以给定载荷（15kN，20kN和24kN）以80rpm的频率在12个曲柄转数的销倒角区域进行的。本研究中使用的辅助滚筒为圆盘形，直径为15 mm，厚度为5 mm。辊子在滚动接触区域的曲率半径为1.45mm。
2.3共振弯曲疲劳试验
在曲轴疲劳试验机上切下来自曲轴的试样，并在循环弯曲条件下进行试验。 在第五销轴颈的圆角区域施加了循环弯矩，该轴颈是服务中曲轴的最关键区域。 测试在完全反转的恒定幅度周期性负载下进行。
在测试过程中，观察到的谐振测试频率约为40赫兹。为了覆盖试验样品的裂纹萌生和扩展阶段，使用plusmn;4赫兹的频率极限的相当大的值，即共振频率的10％。
对于所施加的弯矩，记录了在4种不同角焊条件下曲轴的失效周期数（M-N）曲线的瞬间振幅与数量的关系。 测试运行标准被用作1000万次循环。 因此，本研究中使用的疲劳强度值定义了1000万次循环的疲劳强度。
在整个测试过程中，在66.1mm的跨度长度上的预定弯曲力矩被施加到靠近主轴颈侧的销钉圆角区域。图3显示了测试样本的示意图和实际视图，测试设置并演示了测试失败区域。
（a）测试样本的示意图，测试设置
（b）测试装置的照片
图3.测试设置的示意图和实际视图
楼梯测试方法[10]用于疲劳测试的载荷振幅选择。通过使用这种方法，首先根据经验在预先定义的负载幅度水平上对样本进行测试。如果试样失败，下一次试验的载荷幅度降低一级。 如果试样没有失效，则应用一个较高的应力幅值进行下列试验。 重复该过程直到获得有价值的数据以构建M-N曲线和耐力极限计算。
3.测试结果
在整个测试过程中，根据施加的弯矩振幅记录故障周期数。试验数据表示为Nm的施加力矩与图4，图6，图8和图10中的每个滚动条件下以半对数刻度的失效曲线的循环次数。 图中还显示了每个时刻振幅值的跳动次数。图5，图7，图9和图11显示了每种情况下围绕耐力极限的楼梯瞬间步骤和失效/跳动历史。
图4.未轧制状态的M-N曲线
图5.展开条件的失败/运行历史
图6.曲轴在15kN轧制的M-N曲线
图7.曲轴在15kN轧制的失效/退出历史。
图8 20kN圆角轧制曲轴的M-N曲线。
图9.曲轴在20kN轧制的失效/退出历史。
图10.曲轴在24kN时轧制的M-N曲线。
图11. 24kN的曲轴圆角滚轧失效/跳动历史。
4.耐力极限计算
使用Dixon-Mood [11]方法计算过渡区域周围失效/用尽数据的耐力极限。该方法基于最大似然估计，其假定疲劳极限的正态分布以计算平均值（mu;）和标准偏差（sigma;）。等间隔应力（S）水平从最低应力水平S0开始进行分类和编号。S0的编号由i = 0表示。应力增量或应力步骤由Sd表示。 在压力水平下不太常见事件的数量由ni定义。为了统计分析，在哪里计算三个参数A，B和C.
如果更频繁的事件失败，则在上述等式中使用加号，如果更频繁的事件是生存，则使用负号。 标准偏差由以下公式计算
Dixon和Mood提出的标准偏差方程是基于这样的假设，即应力增量值处于o0.5sigma;至2.0sigma;的数量级上。 在这项研究中，研究Moment值而不是Stress值;并由M.表示.Dixon-Mood以力矩幅度计算耐力极限值列于表2中。列出了95％置信度的计算平均耐力极限，标准偏差和低和耐久极限。 结果在下一节讨论。
表2.耐力极限计算结果
|
95%疲劳极限置信度 |
||||||
|
主疲劳极限 |
低疲劳极限 |
高疲劳极限 |
标准背离 |
增量 |
||
|
Nm |
Nm |
Nm |
Nm |
Nm |
||
|
0 KN |
322.24 |
311.01 |
333.46 |
8.77 |
16.53 |
1.89 |
|
15 kN |
1602.93 |
1591.7 |
1614.15 |
8.77 |
16.53 |
1.89 |
|
20 kN |
1677.29 |
1666.06 |
1688.581 |
8.77 |
16.53 |
1.89 |
|
24 kN |
1660.75 |
1649.54 |
1671.99 |
8.77 |
16.53 |
1.89 |
5.讨论和结论
为了评估Dixon-Mood方法计算楼梯试验数据的成功率，计算了每种情况下未轧制和已轧制曲轴的时刻增量与标准偏差比，对于所有情况均为1.89;因为使用了相同的时刻增量，并且在所有情况下都获得了8.77 Nm的标准偏差。对于Dixon-Mood结果评估为成功，这个比率应该在Dixon-Mood方程所基于的0.5到2.0的范围内。因此可以得出结论，计算的耐力极限可以被视为成功的评估。当数学上比较未轧制和轧制曲轴的平均耐疲劳极限时，可以推断出轧制曲轴的疲劳强度至少是展开曲轴的5倍。这个事实表明，角焊轧制是一种有效的方法，通过方便的局部变形和硬化过程显着提高曲轴的疲劳强度。角焊工艺的增强机理主要是局部塑性变形导致的残余压应力和局部硬化。压缩残余应力补偿了使用荷载的拉伸分量，局部硬度增加可以延缓裂纹的萌生，从而提高疲劳强度。
当比较未卷曲和卷绕曲轴的耐久极限时，计算了4.97的改进因子。如表2所示，将圆角轧制载荷增加到20kN导致疲劳强度进一步增加。 然而，当角焊轧负荷增加到24kN时，观察到耐力极限的轻微下降。该结果表明，在20kN和24kN的轧制载荷范围内可以获得最大可实现的疲劳强度。根据这些数据，检查了用20kN和24kN轧制的曲轴的表面质量。
附录中的图A
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