船用曲轴滚压设备开发及工艺优化研究

发布时间：2020-05-12 02:40

【摘要】：曲轴是发动机的回转部件,其刚性差及部分结构区域应力集中的特点一直是设计开发的侧重点,如何实现曲轴关键部位的强化是加工工艺的关键技术。长期以来,我们沿用氮化热处理方式对曲轴进行强化,但此工艺效率低,耗能大,易出现氮化过程中发生氧化或变形。许多车用内燃机企业通过曲轴滚压作为提升曲轴的疲劳强度的方式并已实现应用,因此曲轴滚压推广至船用曲轴的加工中一样能实现曲轴局部强度的增加。但是,现阶段船用内燃机曲轴通过滚压实现圆角强化的案例在国内制造业中尚为稀缺,车铣复合加工中心匹配随动磨床的设备配置未在国内企业中普及应用,曲轴本身在切削加工中的变形因素可控性就较差,若进行滚压应用则不可控因素会大大增加,曲轴合格率不能得到有效控制,因此滚压技术的应用未在企业中形成成熟工艺。本文通过对企业精度丧失的老旧设备进行技术改造,实现船用柴油机曲轴圆角滚压。依据滚压试验所得数据分析及经验将曲轴原有工艺进行优化,在曲轴生产中实现曲轴氮化热处理的替代或补充,本文主要设计内容从以下各方面进行开展:(1)不同曲轴滚压方式在曲轴表面强化及应力分析中的案例比对,确认滚压强化的可行性。(2)依据曲轴工况下的受力状况确定曲轴所受应力集中部位,依据QT800-2曲轴在运转过程中工作参数,利用Ansys进行有限元分析并计算所受交变应力大小,确定曲轴圆角处形成所需要预置压应力的大小,为后续配置夹钳的输入压力提供理论参数,通过压力转换计算,提升应力传导的准确性。(3)确定曲轴改造项目所实现的基本结构设计,整个滚压设备改造中所包含的液压系统、控制系统、润滑系统以及滚压钳结构组成。(4)曲轴滚压过程控制,滚压前曲轴各项参数的确定,包括滚压圈数,压力,转速等。对滚压后的数据进行整理和对比,依据现场检测数据制定曲轴滚压后校直方案,使得滚压后的曲轴主轴径跳动不超出氮化曲轴要求,确保曲轴在机器中的运行状态。(5)曲轴在设备改造及滚压试验中出现的问题及应对措施,避免出现因滚压导致的曲轴缺陷的增大及或已加工表面的伤害,确保曲轴在滚压后表面硬度提升30%。
【图文】：

曲轴,应力图,柴油机,受力情况

过程中的技术要求很高，是柴油机中造价最高的一个部件，在船用柴油机的制造逡逑过程中曲轴作为整个内燃机关键件进行质量控制也就无可厚非，其造价占整台柴逡逑油机造价的１０－２０％左右。正如图１－２中所示，曲轴过度圆角处所受的拉应力最集逡逑中，实际运转过程中，曲轴发生断裂的情况中其位置也与理论中相符，早期，逡逑Ｃｈｉｅｎ［２］、Ｃｈｏｉ［３］ｉ对圆角的应力进行计算，Ｓｐｉｔｅｒｉ［４］利用三维模型设置刚性滚压轮逡逑对曲轴残余应力进行了分析，其结果都论证了圆角应力存在对曲轴疲劳寿命的影逡逑响，得出了裂纹萌生的过程，随着该技术应用，Ｄ．ｔｙｌｏｒ［５］深入研究曲轴疲劳强度逡逑理论与相关疲劳试验，分析曲轴疲劳寿命的可靠性。为了抵消曲轴运转中的应力，逡逑就形成了较为广泛的预置压应力的共识，目前可以通过增加滚压工序提升圆角处逡逑的强度来达到此目的，生产中同样需要对曲轴工艺流程需要做进一步优化实施。逡逑１．１．２船用球铁曲轴氮化工艺现状逡逑某型柴油机曲轴主要采用球墨铸铁ＱＴ８００－２。相比于钢制曲轴

应力图,曲轴疲劳,等温淬火球铁,抗擦伤性

山东大学硕士学位论文逡逑图１－２曲轴圆角处的应力图逡逑由于曲轴形状和受力情况复杂，及其在柴油机中的重要地位，因此它在制造逡逑过程中的技术要求很高，，是柴油机中造价最高的一个部件，在船用柴油机的制造逡逑过程中曲轴作为整个内燃机关键件进行质量控制也就无可厚非，其造价占整台柴逡逑油机造价的１０－２０％左右。正如图１－２中所示，曲轴过度圆角处所受的拉应力最集逡逑中，实际运转过程中，曲轴发生断裂的情况中其位置也与理论中相符，早期，逡逑Ｃｈｉｅｎ［２］、Ｃｈｏｉ［３］ｉ对圆角的应力进行计算，Ｓｐｉｔｅｒｉ［４］利用三维模型设置刚性滚压轮逡逑对曲轴残余应力进行了分析，其结果都论证了圆角应力存在对曲轴疲劳寿命的影逡逑响
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：U673.3

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