滚压对止推端面疲劳寿命的影响

表1 滚压前后硬度 球墨铸铁49MnVS3滚压前83HRB23HRC滚压后98HRB26HRC
1. 精车滚压前后硬度的变化
   精车滚压前后硬度的变化如表1。从表1可以看出，滚压后球墨铸铁曲轴的硬度提高了18.1%, 49MnVS3曲轴的硬度提高了13%。绝大多数资料显示，提高表面硬度能够不同程度增强表面的耐磨性。因此，这两种材料表面硬度的提高，都在不同程度上增强了止推端面的耐磨性。
2. 精车滚压前后粗糙度的变化
   精车滚压前后粗糙度的变化如表2。由表2看出，精车滚压后表面粗糙度值明显降低，大约降低了一个数量级，这无疑大大提高了表面的疲劳强度。根据断裂力学原理，表面粗糙度越大，切口效应就越大，故疲劳性能越差。这是因为机加工表面总是存在高低不平的加工痕迹如刀痕、裂痕(如图3) ，这些痕迹相当于很多微小缺口，使零件工作表面形成应力集中，可用理论应力集中系数K_t表示。即 K_t=1+2(ghr)^½(1)
   式中，h为微观不平度高度；r为波谷的曲率半径，g为不平度间距与高度之比的相关系数。
    
   图3 精车滚压后的加工表面(80×)
   图4 滚压分析
   根据式(1)，粗糙度波谷越深、曲率半径越小越容易形成应力集中。应力集中系数对材料疲劳性能的影响还与材料对缺口是否敏感有关，因此引入有效应力集中系数K_f，即 K_f=1+q(K_t-1)(2)表2 滚压前后的表面粗糙度R_a (µm)取样12345滚压前1.7320.9711.4151.1341.313滚压后0.1240.0980.1360.1580.129
   式中，q为材料对应力集中的敏感系数，它是材料强度和微观缺口尺寸形状的函数。随着材料强度的增加，r减小，q值增大。由式(2)可知，粗糙度越大，应力集中系数也越大，疲劳寿命越低；反之，则疲劳强度越高。
3. 滚压后表面层的残余应力
   止推端面滚压加工的余量只有0.005～0.01mm ，这主要由滚压加工在这里的主要目的和前道加工工序决定，即滚压主要是为了得到较低的表面粗糙度，以满足实际工作的需要。虽然加工余量比较小，但仍能形成一定的残余应力，并对止推端面的疲劳强度产生一定的影响。
   在滚压加工过程中，影响滚压效果的因素有很多，如滚压力(其实滚压力也主要是由滚压余量决定的)、滚压余量、滚压速度、滚压次数、滚压前零件的表面粗糙度、是否有润滑液等。但在实际加工过程中，滚压余量只能在很小的范围内波动，并且主要由前道工序的尺寸以及设计尺寸决定，因而讨论滚压余量对实际加工的影响意义不大。使用润滑液可以防止表面蜕皮和烧伤，改善滚压器的工作状况。一般第一次滚压的效果最明显，而3次以后几乎就没有什么效果了。因此，这里只考虑滚压速度对残余应力的影响。
   运用Deform软件对止推端面滚压所产生的残余应力进行了分析(如图4)。从分析结果看，滚压过程确实产生了残余压应力。其中，主要以x、z方向的压应力为主，切向方向的切应力几乎为零。残余应力影响的距离大约为1mm ，主要集中在距离表面0.5mm 以上的位置，如图5。
   滚压速度对形成的残余压应力的影响如图6。这里用静水应力来表示残余压应力的大小。经过比较发现，不同速度所形成的残余应力几乎没有什么区别。可以看出，滚压速度对残余压应力的形成没有太大的影响。滚压速度仅对表面粗糙度有比较大的影响。
   残余压应力可以增加裂纹的闭合程度，从而减缓裂纹的扩展速率。闭合力与残余压应力的分布存在对应关系，通常最大的裂纹闭合大致发生在最大应力处。
   在有残余压应力的情况下，裂纹的闭合率随裂纹长度变化V(a)的关系为： V(a)=V_in-(1-V_in)s_r(a)/s₁(3)
   式中，s₁为材料的流变应力；s₁(a)为残余应力分布在裂纹尖端的数值。
   当-s₁(a)值与s₁等值时，裂纹尖端将完全闭合，不会扩展；当-s₁(a)小于时，裂纹就会扩展。

图6 不同滚压速度下的残余压应力

(a)滚压前

(b)滚压后

球墨铸铁曲轴经滚压后表层组织的变化

结论

• 止推端面的滚压加工不仅可以提高生产效率，同时也在很大程度上改善了止推端面的表面质量。滚压可以显著提高零件的表面硬度，降低表面粗糙度，同时形成的残余压应力提高了止推端面的疲劳寿命，是一个值得推广的改善表面质量的好方法。
• 有限元分析也显示滚压速度对残余应力没有什么影响，但由于滚压压力比较大，所以球铁表面组织变化也比较大，大部分石墨和铁素体被挤压碾出表面，还有一些产生了严重的变形，形成了质量缺陷，对以后曲轴的工作方向对止推端面的寿命产生了较大的影响。精车滚压加工与汽车工作过程中要保持曲轴的旋向一致。