曲轴磨削工艺与残余应力关系

DOI: 10.16236/j.cnki.nrjxb.201902025

内 燃 机 学 报 Transactions of CSICE

Vol.37（2019）No.2

曲轴磨削工艺与残余应力关系

丛建臣1,2，孙 军2，倪培相2，邵诗波2，王军鹏2

(1. 山东理工大学 机械工程学院，山东 淄博 255000； 2. 天润曲轴股份有限公司 技术中心，山东 威海 264400)

摘要：对曲轴磨削过程中影响曲轴表面残余应力变化的几个磨削参量进行研究，分析不同参数变化对曲轴圆角和侧台残余应力分布的影响规律．结果表明：磨削速度、磨削进给量和磨削余量对曲轴圆角残余应力影响较小，对侧台残余应力影响较大．侧台残余应力随磨削速度的增大而减小，随磨削进给量和磨削余量的增加而增大．侧台残余应力在深度方向呈先增大后减小的趋势，侧台残余应力为拉应力，在一定深度拉应力下转变为压应力．当磨削速度为100m/s、进给量为0.45mm/r且磨削余量为0.35mm时，残余应力峰值最小，约为250MPa；当磨削速度为90m/s、进给量为0.90mm/r且磨削余量为0.35mm时，残余应力峰值为1200MPa．材料去除量与残余应力峰值呈正比关系，单位时间内材料去除量越大，残余拉应力越大．

关键词：曲轴；磨削；残余应力；磨削速度；进给量；磨削余量

中图分类号：TH161.1 文献标志码：A 文章编号：1000-0909(2019)02-0186-06

Relationship Between Crankshaft Grinding Process and Residual Stress

Cong Jianchen1,2， Sun Jun2， Ni Peixiang2， Shao Shibo2，Wang Junpeng2

(1. College of Mechanical Engineering，Shandong University of Technology，Zibo 255000，China；

2. Technical Center，Tianrun Crankshaft Company Limited，Weihai 264400，China)

Abstract：Several grinding parameters affecting the residual stress on the crankshaft surface were researched，and the

influence of different parameters on the residual stress distribution of crankshaft fillet，journal and side step was ana-lyzed. The results show that the influence of grinding speed，grinding feed rate and grinding allowance on the residual stress of fillet is weak，but the influence on the residual stress of side step is great. The residual stress of side step de-creases with increasing grinding speed and increases with increasing grinding feed and grinding allowance. The resid-ual stress of the side step first increases and then decreases in the depth direction. The residual stress of the subsurface is tensile stress. The residual stress changes into compressive stress at a certain depth. Furthermore，when the grinding speed is 100m/s，the feed rate is 0.45mm/r and the grinding allowance is 0.35mm，the peak residual stress value is about 250MPa. When the grinding speed is 90m/s，the feed rate is 0.90mm/r and the grinding allowance is 0.35mm，the peak residual stress value is 1200MPa. It is also found that the amount of material removal is directly proportional to the peak value of residual stress. The greater the material removal amount per unit time，the greater the residual tensile stress.

Keywords：crankshaft；grinding；residual stress；grinding speed；feed rate；grinding allowance

发动机曲轴是发动机的核心部件，高转速、高爆压的使用环境对曲轴尺寸和强度提出严格要求．曲轴经粗加工和表面强化后，进行最终磨削，磨削后的残余应力不仅直接影响曲轴的尺寸和形变，而且容易产生磨削烧伤和磨削裂纹，影响其疲劳强度等．磨削

后残余应力的大小和分布会因磨削条件和工件材料

不同而不同．近些年，磨削加工引起的工件残余应力已经受到人们的关注，但国内对磨削加工应力的研究较少，仅对磨削残余应力的机理进行了研究[1-2]．方华等[3]模拟了淬火条件下的残余应力分布，把淬火强

收稿日期：2018-07-16；修回日期：2018-12-25．

作者简介：丛建臣，工程技术应用研究员，E-mail：jchcong@tianrun.com.

2019年3月 丛建臣等：曲轴磨削工艺与残余应力关系 ·187· 化工艺产生的残余压应力引入到曲轴的疲劳计算里，证明了曲轴强度分析方法的合理性．刘莉娟等[4]对平面零件的磨削与残余应力进行了仿真，结果表明：磨削深度对磨削温度变化的影响效应较砂轮线速度和工件进给速度大，残余应力在工件表层表现为拉应力状态，随着深度增加，拉应力转变为压应力并逐渐趋于稳定，湿磨比干磨的工件表面残余应力明显减小. 贾亚凯等[5]对钛合金材料的磨削过程和残余应力分布进行了仿真，结果表明：砂轮速度对钛合金工件表面残余应力影响最显著，磨削深度影响次之，随磨削深度和砂轮速度的增大，残余应力最大值增大. 孔德军等[6]对淬火、滚压和气体氮化等强化状态的曲轴圆角残余应力进行了研究，并进行了疲劳寿命对比，发现机械加工后曲轴圆角残余应力处于拉压交错状态，是影响曲轴疲劳寿命的主要因素. 国外在磨削加工的有限元模拟和试验研究方面取得了一些进展，Martell等[7]研究发现，车削与磨削都会产生大量的表面压应力，并在表面以下产生陡峭的应力梯度，但磨削比车削产生更高的压应力. Pala等[8]研究了磨削过程中冷却环境对金属材料表面残余应力的影响，结果表明：液体冷却样品的残余压应力明显高于相同温度的空气冷却. Liu等[9]用有限元模拟的方法研究了磨削参数对表面残余应力的影响，结果表明：随着磨削道次的增加，残余压应力增大，塑性变形区变宽，多道次磨削中热积累和砂轮磨损的耦合作用是硬化层增厚的主要原因. 综上，国内外对磨削工艺与残余应力的关系研究大多局限于模拟分析和平面零件的试验方面，对轴类零件实际生产和工程应用中不同磨削参数对工件残余应力影响的试验则鲜见报道.

基于此，笔者详细研究了中碳合金钢曲轴在不同磨削条件下圆角、侧台位置的残余应力分布状态，以期为调整、控制和消除磨削加工引起的曲轴表面残余拉应力、提高曲轴表面质量提供一定参考．

1 试验方案

1.1 试样制备

曲轴主要由毛坯锻造、毛坯热处理、机加工和表面强化处理等主要工序完成．采用48MnV非调质钢材料经加热、预锻、终锻、切边、整形和控温冷却生产曲轴毛坯．毛坯经车削和铣削等粗加工后，再进行表面中频感应淬火和低温回火，淬火、回火后表面硬度在48～52HRC，然后用装配立方结构氮化硼(CBN)砂轮的JUNKER磨床进行磨削，采用不同磨削工艺加工成不同状态的成品曲轴．图1为成品曲轴实物．图2为加工过程砂轮与曲轴的相对位置关系，砂

轮采用直切方式给进．

图1 成品曲轴实物

Fig.1 Finished crankshaft

图2 砂轮与曲轴相对位置

Fig.2Relative position between grinding wheel and

crankshaft

1.2 试验方法

为了研究磨削参数对曲轴圆角、侧台残余应力的影响，采用单因素试验方法分析各个磨削参数对曲轴圆角、侧台残余应力分布的影响．试验分3个工况进行：(1)固定磨削余量为0.35mm、磨削进给量为0.45mm/r，研究不同磨削速度对残余应力的影响；(2)固定磨削余量为0.35mm、磨削速度为90m/s，研究磨削进给量对残余应力的影响；(3)固定磨削速度为90m/s、磨削进给量为0.45mm/r和0.75mm/r，研究磨削余量对残余应力的影响．磨削进给量是指单位时间内砂轮前进的速度．磨削余量是指磨削前曲轴样件留出的最大磨削厚度．磨削速度是指砂轮旋转运动的线速度．磨削工序使用的JUNKER磨床为曲轴高速磨削专用机床，采用CBN砂轮磨削时，磨削速度通常设置为80～100m/s．

利用XSTRESS3000(G3)型X射线无损检测仪按GB/T7704—2017《无损检测X射线应力测定方法》测量曲轴表面的残余应力．测量不同深度的残余应力主要分两步进行：利用剥层法(电解腐蚀抛光法)去除应力测量部位的表面材料，其主要是利用电解原理，将电流通过电解质在阴极和阳极上引起氧化还原反应的过程，去除工件特定部位的材料，每次去除材料的面积为直径6mm的圆，抛光后表面粗糙度小于Ra 0.5µm；利用X射线无损检测仪测量剥层部位的残余应力．测试仪的管电压为29kV，管电流为7mA，准直器直径为1mm，Fe(211)衍射晶面，双固态位敏探测器，衍射角2θ 为156.4°，摆动角ψ为 ±30°，同倾衍射法测试．曲轴的曲柄销与主轴颈之

·188· 内 燃 机 学 报 第37卷 第2期

间的过度圆角是曲轴应力最集中的部位，曲轴最容易在圆角发生失效，侧台容易发生磨削烧伤导致疲劳强度降低，因而重点研究过度圆角及其侧台的残余应力分布情况．圆角测量点位于曲柄与连杆颈过度圆弧的中心，侧台测量点位于主轴颈和连杆颈中心的连线上，距圆角切点2mm处，具体测量位置如图3所示．残余应力测量试块如图4所示．

图3 残余应力测量位置(A-A：剖视图，Y：局部放大)

Fig.3 Residual stress measurement location

图4 残余应力测量试块

Fig.4 Residual stress measurement specimen

2 试验结果

2.1 磨削前残余应力

图5为磨削前曲轴圆角和侧台残余应力分布．磨削前圆角、侧台表面和次表面淬火层残余应力均为压应力，并且在深度方向比较稳定，圆角和侧台位置的应力基本相当，在-200～-250MPa．

图5 磨削前圆角和侧台残余应力分布

Fig.5 Distribution of residual stress in fillet and side step

before grinding

2.2 砂轮磨削速度对残余应力的影响 2.2.1 磨削速度对圆角残余应力的影响

图6为不同磨削速度下圆角残余应力分布．固

定磨削余量为0.35mm和进给量为0.45mm/r不变，

在不同磨削速度下，圆角残余应力均为压应力，应力随深度变化比较稳定，且应力随磨削速度的增加逐渐降低，当磨削速度为100m/s时，圆角残余压应力最小，在-400MPa左右．

图6 不同磨削速度下圆角残余应力分布

Fig.6Distribution of residual stress in fillet at different

grinding speeds

2.2.2 磨削速度对侧台残余应力的影响

图7为不同磨削速度下侧台残余应力分布．磨削余量为0.35mm和磨削进给量为0.45mm/r固定不变(工况2)，在不同磨削速度下，侧台残余应力随深度变化呈先增大后减小趋势．侧台残余应力峰值随磨削速度增大而减小，当磨削速度为100m/s时，侧台残余拉应力峰值最小，在250MPa左右．

砂轮线速度变化会对单位面积磨削力产生影响，进而影响了曲轴表面的残余应力分布．在磨削深度以及磨削进给量一定的情况下，随着砂轮线速度的增大，单位面积磨削力呈现出比较明显的下降趋势[10]，从而使曲轴表面残余应力减小．

图7 不同磨削速度下侧台残余应力分布

Fig.7Distribution of residual stress in side step at dif-ferent grinding speeds

2.3 磨削进给量对残余应力的影响

2.3.1 磨削进给量对圆角残余应力的影响

图8为不同磨削进给量下圆角残余应力分布．在磨削余量为0.35mm、磨削速度为90m/s固定不变的情况下，不同磨削进给量圆角残余应力均为压应力，且应力随深度变化比较稳定，表面残余压应力

2019年3月 丛建臣等：曲轴磨削工艺与残余应力关系 ·189· 略大于次表面．当进给量为0.9mm时，圆角残余压应力最大，在-200～-300MPa之间；当进给量低于0.75mm时，残余压应力基本相当，在-300～-400MPa之间．

图8 不同磨削进给量下圆角残余应力分布

Fig.8 Distribution of residual stress in fillet at different

grinding feed rates

2.3.2 磨削进给量对侧台残余应力的影响

图9为不同磨削进给量下侧台残余应力分布. 磨削进给量对侧台残余应力的影响较大，不同进给量下应力随深度变化呈现出明显的峰值．在磨削余量为0.35mm、磨削速度为90m/s条件下，随着磨削进给量增大，拉应力峰值逐渐变大．当进给量为0.45mm/r时，拉应力峰值为490MPa，当进给量增大到0.9mm/r时，拉应力峰值突增到1200MPa．磨削进给量是影响曲轴侧台表面质量的重要因素．

图9 不同磨削进给量下侧台残余应力分布

Fig.9 Distribution of residual stress in side step at dif-ferent grinding feed rates

2.4 磨削余量对残余应力的影响

2.4.1 磨削余量对圆角残余应力的影响

图10示出磨削速度为90m/s、磨削进给量为0.45mm/r和0.75mm/r时不同磨削余量下的圆角残余应力分布．

在磨削速度和进给量不变的情况下，随着磨削余量的增大，圆角残余应力略有增大．在进给量为0.45mm/r时，磨削余量为0.15mm的圆角压应力小于-400MPa，磨削余量为0.35mm的圆角压应力大于-400MPa；在进给量为0.75mm/r时，磨削余量为

0.15mm的圆角压应力在-400MPa左右，磨削余量

为0.35mm的圆角压应力大于-350MPa．

（a）进给量为0.45mm/r

（b）进给量为0.75mm/r

图10 不同磨削余量的圆角残余应力分布

Fig.10

Distribution of residual stress in filletat different grinding allowance

2.4.2 磨削余量对侧台残余应力的影响

图11示出磨削速度为90m/s、磨削进给量为0.45mm/r和0.75mm/r时不同磨削余量下的残余应力分布．

（a）进给量为0.45mm/r

（b）进给量为0.75mm/r

Fig.11图Distribution 11 不同磨削余量的侧台残余应力分布

ferent grinding allowanceof residual stress in side step at dif-

·190· 内 燃 机 学 报 第37卷 第2期

在磨削速度和进给量不变的情况下，当磨削余量变大时，残余应力峰值变大，而且位置均呈现向材料内部移动的趋势．在进给量为0.45mm/r条件下，磨削余量为0.15mm和0.35mm时分别对应的拉应力峰值为300MPa和500MPa，峰值位置为0.02mm和0.06mm；在进给量为0.75mm/r条件下，磨削余量为0.15mm和0.35mm时分别对应的拉应力峰值为700MPa和950MPa，峰值位置为0.04mm和0.08mm． 2.5 材料去除量与残余应力峰值的关系

由试验可知，曲轴圆角残余应力受磨削参数变化的影响较小，因而着重对侧台的应力变化进行进一步研究．根据曲轴结构和磨削工艺总结出侧台材料去除量的计算公式为

L=π(R2−r2)dv (3)式中：L为材料去除量(单位时间内的材料切削体积)；R为磨削前曲轴侧台半径；r为磨削一定时间后的侧台半径；d为磨削余量(磨削厚度)；v为砂轮转速. 经计算，在砂轮转速和磨削余量固定的情况下，磨削进给量分别为0.45、0.60、0.75和0.90mm/r时，材料去除量分别为33、43、54和70mm3/s，对应的最大残余应力分布如图12所示．当材料去除量为33mm3/s时，残余拉应力为500MPa；当材料去除量为70mm3/s时，残余拉应力达到1200MPa．侧台材料去除量与残余应力峰值基本呈对应关系，材料去除量越大，残余拉应力越大．材料去除过程中表面金属材料变形会产生一定的热量，同时较钝的砂轮磨粒与金属摩擦产生大量热量，单位时间内材料去除量大，意味着产生的热量越多，热量无法快速散失，使得工件表层温度升高而发生热塑性变形，导致残余拉应力变大[11]．

图12 材料去除量与最大残余应力关系

Fig.12 Relationship between material removal and maxi-mum residual stress

3 结果分析

磨削引起的零部件残余应力变化主要为[1,12]：

(1)磨削期间局部材料的热胀冷缩引起的热应力；(2)

砂轮磨损引起的塑性变形产生的内应力；(3)局部相变导致的体积变化引起的相变应力．材料热塑性变形产生一定的拉应力，组织发生相变转变为细小马氏体产生一定的压应力，最终的残余应力取决于两者的相互作用．

磨削前的曲轴为淬火-回火后状态，因曲轴表面淬火并低温回火处理后表面为回火马氏体，由于组织转变和体积增大，淬火层组织受内部材料的挤压作用，残余应力为压应力．

磨削后圆角表面和内部淬火层区域仍为压应力，而且比磨削前增大，主要是因为在磨削过程中圆角部位的磨削散热速度较快，组织转变为细小的针片状马氏体，体积膨胀，产生一定的压应力[13]，同时，磨削过程中砂轮对零件表面有一定的压力，表面层材料产生一定的塑性变形，再工件与磨粒刃尖接触点附近形成赫兹型应力场，导致表层产生一定的残留压应力[2, 14].

磨削后侧台表面为压应力，表面以下出现残余拉应力的主要原因：在磨削过程中因表面冷却速度最快，组织转变为细小的针片状马氏体，体积膨胀，产生一定的压应力[13]，而且在磨削过程中砂轮对零件表面有一定的压力，表面层材料产生一定的塑性变形，再工件与磨粒刃尖接触点附近形成赫兹型应力场，导致表层产生一定的残留压应力[2, 14]，两者相互作用，导致表面产生一定的压应力．这种机械作用被限于0.005～0.015mm的深度范围内，因而只在工件表面的极薄层分布着这种残余压应力[13]．由于磨削热的作用，从表面到一定深度范围内组织发生热塑性变形，产生一定的拉应力[15-16]，同时，组织变为粗大马氏体，体积缩小，其内部组织存在保持原来状态的趋势，对近表层转变的组织有一定的拉力作用，从而出现残余拉应力．

4 结 论

(1) 曲轴经淬火、回火后，圆角、侧台表面及淬火层范围内的残余应力均为压应力，压应力随深度变化基本稳定在-200～-250MPa之间．

(2) 磨削后的曲轴表面应力均为压应力，圆角应力随深度变化基本不变，而侧台应力随深度变化呈先增大后减小趋势，在一定深度拉应力变为压应力．

(3) 磨削速度、磨削余量和磨削进给量对圆角的应力影响不大，而对侧台应力影响较大；侧台残余应力随磨削速度的增大而减小，随磨削进给量和磨削余量的增加而增大；当磨削速度为100m/s、进给量为

2019年3月 丛建臣等：曲轴磨削工艺与残余应力关系 ·191· 0.45mm/r、磨削余量为0.35mm/r时，残余应力峰值最小，约为250MPa；当磨削速度为90m/s、进给量为0.90mm/r、磨削余量为0.35mm时，残余应力峰值为1200MPa．

(4) 曲轴侧台最大残余拉应力与单位时间内材料去除量呈明显的对应关系，单位时间内材料去除量越大，残余拉应力峰值越大；当材料去除量为33mm3/s时，残余拉应力为500MPa；当材料去除量为70mm3/s时，残余拉应力达到1200MPa． 参考文献：

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