基于滚压圆角残余应力的球墨铸铁曲轴疲劳行为研究

摘要

圆角滚压技术在强化球墨铸铁曲轴的抗疲劳性能方面效果显著，得到了广泛应用。国内外学者对滚压技术进行了深入研究，但在建立滚压参数与圆角处残余应力以及曲轴疲劳强度三者之间的联系与规律方面，仍然需要大量的有效研究。
　　本文以某型号的曲轴作为研究对象，通过有限元仿真分析和试验分析相结合的手段，研究不同滚压力对残余应力的影响、残余应力对曲轴疲劳的影响，得到最佳滚压力，并对滚压力公式进行了修正;另外对滚压后圆角的微观结构进行了观测和分析，研究了不同滚压力下圆角微观结构的变化规律。
　　不同滚压力下圆角处残余应力分别通过X射线衍射残余应力测试法和显示动力学有限元法进行分析，仿真分析得到圆周方向的残余应力和试验结果最大误差为9.0％，同时本文对圆角的下沉量进行了测量，有限元与试验结果最大误差为14.4％，残余压应力的绝对值和下沉量均随着滚压力的增加而增大，到23500N时，变化趋势放缓。并且通过分析最可能发生裂纹萌生和扩展的平面深度方向的的法向残余应力的变化规律，证实滚压圈数和滚轮倾角选取是较为合理的。
　　电谐振弯曲疲劳试验被用来研究不同滚压力下曲轴疲劳强度的变化规律，滚压力较小时，曲轴疲劳强度随着滚压力增大而增强，当滚压力增大到23500N时增强趋势变缓，到达25500N时疲劳强度达到最大值且不再变化，此时施加弯矩是未滚压时的5.6倍。
　　残余应力对疲劳的影响是利用而Smith-Watson-Topper疲劳理论和基于线弹性断裂力学的疲劳裂纹扩展理论来评估。等效应力幅值最大值发生在圆角表面40-60度之间，为疲劳裂纹扩展最可能发生的区域，基此区域深度方向求得的曲轴等效应力强度因子幅度△Keff，cank随滚压力的增大而减小，在25500N到27500N变化趋于非常缓慢。
　　为提高选取滚压力的准确性，本文对滚压力选取公式进行了修正，修正得到的滚压力结果与本文得到的最佳滚压力误差为5.5％。
　　本文分别对不同滚压力的危险圆角处光学显微组织、硬度、以及表面粗糙度进行了测量和分析:滚压前后、不同滚压力下倍数为100×的光学显微组织未有明显变化;而圆角亚表层深度方向的硬度和滚压硬化层厚度随着滚压力的增加，总体趋势是增加的;滚压后粗糙度大幅度减小，粗糙度的提升是曲轴疲劳强度提高的因素之一，但是当到达一定滚压力时，粗糙度变化不再明显，粗糙度并不再影响曲轴的疲劳极限。
　　通过上述分析，本文形成了曲轴滚压强化量化预测方法，最终指导企业滚压力的选取和曲轴疲劳强度的预测。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．2 国内外研究现状

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．2．3 小结

1．3 本文的主要内容和结构

第二章 滚压后圆角处应力状态的测定

2．1 滚压工艺介绍及滚压参数的选择

2．1．1 滚压工艺简介

2．1．2 滚压参数选择

2．2 曲轴滚压残余应力实验研究

2．2．1 X射线残余应力测定法原理简介

2．2．2 残余应力测量方案

2．3 测量结果分析

2．3．1 残余应力测量结果分析

2．3．2 滚压前后圆角轮廓下沉量分析

2．4 本章小结

第三章 滚压强化的有限元分析

3．1 金属塑性成形理论

3．2 滚压强化有限元模型的建立

3．2．1 滚压模型的结构和材料参数

3．2．3 滚压模型的受力和边界条件

3．3 滚压强化有限元结果分析

3．4 本章小结

第四章：残余应力对曲轴弯曲疲劳强度影响

4．1 不同滚压力下的曲轴疲劳试验

4．2 圆角处引入残余应力的曲轴疲劳行为研究

4．2．1 未引入残余应力的曲轴有限元分析

4．2．2 引入残余应力的曲轴疲劳分析

4．3 滚压力公式的修正

4．4 本章小结

第五章：滚压力对滚压圆角的微观结构的影响

5．1 滚压圆角处微观组织分析

5．2 滚压圆角处硬度分析

5．3 滚压圆角处粗糙度分析

5．4 本章小结

第六章：结论和展望

6．1 全文总结

6．2 展望

参考文献

致谢