曲轴加工制造强度的控制工艺研究

内燃机械中曲轴是十分重要的零部件，对内燃机使用寿命和运作的可靠性起着决定性的作用，曲轴强度如果不足，会对整个内燃机造成损坏，严重的也可能造成人员伤亡问题。因此，必须重视对曲轴强度控制方法的研究，确保其可靠运行，延长其使用寿命。常见的组合式曲轴，是曲拐部件和轴颈部件组装而成，整体式曲轴则是钢锭锻压而成。近些年来，随着人们对环境问题的重视，越来越追求省能、效率高的发动机，这对曲轴的强度和可靠性提出了更好的要求，也越来越关注曲轴的疲劳强度。通过连杆将活塞上下运动改变成旋转运动的曲轴，在弯曲应力和扭曲应力的作用下，拐角处需要有特殊的疲劳强度。要提升曲轴的强度，需要采用高强度的材质，采用先进的锻造法和控制工艺。

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1 内燃机曲轴强度现状概述

内燃机的曲柄连杆机构中，曲轴作为关键性的组件，是不可缺少的零件，且自身的受力情况相对复杂，采用锻造工艺技术，选用高质量的合金钢纤维挤压锻造，或者是模锻后形成，包括了曲柄和轴径等组成部分

。

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1.1 结构复杂

内燃机械曲轴结构相对比较复杂，除了拥有良好的承受荷载的水平，更需要满足机械功率的实际要求，因此，在加工制造时，必须确保曲轴强度与具体的标准相符合，才能确保加工制造符合工艺水准

。内燃机中曲轴所具有的作用，主要是负载气缸内砌体的作用力，借助不同的运动手段，常见的如旋转等，从而给内燃机械的运转提供对应的惯性力

。但内燃机运转中，在不同的时间段内，荷载会随着环境变化和时间范围的不同产生改变，在此情况下，曲轴要承受弯曲单位面积附加内力的同时，也要承受扭转单位面积的附加内力，尤其是一些特殊的位置，如圆角所处位置，拐角等，常常会出现曲轴的疲劳失效现象。

1.2 永久性性能的改变

在控制曲轴强度的过程中，必须科学准确地分析应力和单元面积内力的分布情况，也就需要借助曲轴的应力计算，改善有效应力系数的精确度，并优化单位面积承受的附件内力的精确性。具体实践中，可以采用有限元分析的方法，计算曲轴单位面积承受的附加内力，在此基础上算出曲轴的疲劳安全系数。计算之前需要对曲轴上方单位面积承受的附加内力进行判断，可以假设曲柄销圆角、主轴颈圆角等承受内力的位置，从而优化互相独立的主轴，形成截断筒支梁模型，在此基础上，可以对完全单元承受的内力及对曲轴的损害情况进行计算和分析，最终在试验和分析的基础上，不断优化曲轴的常规强度，并确定安全系数，进行表面处理等。

当前内燃机曲轴的强度设计，主要是融入动力学、仿真学等学科内容，在分析研究的基础上，对曲轴的应力点分布进行分析，从而进一步确定曲轴疲劳强度储备系数，在此情况下选择出最佳的强度储备点，并反复多次进行疲劳试验

。在试验过程中，需要研究分析数据库中的参数、材料特性等，对并部件有限元加以综合分析，从而估算出疲劳的强度，也可以借助虚拟现实技术等进行模拟和仿真试验，最终通过试验获取的数据，获取优良的设计方案。

1.3 强度设计现状

“我喜欢承诺如金，考虑得如此周全证明你多么看重承诺。”萧飞羽一边说一边走到一方血腥少的空地道：“早了早结束，夜长梦多。”

2 内燃机械加工制造曲轴强度的控制方法探讨

2.1 研究曲轴系统动力学模型

因内燃机结构比较复杂，在曲轴的设计过程中，可以通过曲轴系统动力学模型的设计和建立，可以充分利用现代信息技术和计算机技术，借助动力学相关仿真软件和模块等，形成具体的模块、子系统等，组成完成的模型结构

。这种模型结构的建立，对模块的子系统进行了更改，从而确保模型参数化，同时，也需要根据几何体约定俗成的比例，对模块的参数进行设定，并将多个子系统进行集合，从而为子系统传递信息等提供更加便捷性的渠道。曲轴系统动力学模型建立的同时，还要重视对初始拓扑结构进行研究，这其中还涉及到内燃机气缸数、冲程数、缸心距、轴承的布置等数据信息，建立子系统，需要根据实际情况及时调整曲轴部件的密度、尺寸、转动惯量等数据。通过建立曲轴系统动力学模型，从而给曲轴强度的设计工作提供更加准确和完整的数据作为参考，这也是内燃机曲轴强度发展的前提条件。

2.2 对曲轴系统动力学仿真结果进行分析整合

其二是圆角滚压技术。圆角滚压技术也是曲轴表面强化的工艺技术，曲轴的圆角在通过滚压处理后，会获得压缩预应力，从而可以减少拉伸疲劳应力及冲击力的影响，也就是可以提升曲轴的承受应力。同时，在滚子揉搓的作用力下，能改善圆角的粗糙度，滚压技术应用中，滚压的力度和深度并不需要太大，只需要可以使金属表面产生塑性，达到塑变层规定的厚度即可。针对一些小型的内燃机的曲轴，可以采用切线轴压装置进行处理，其效果与曲轴圆角滚压效果接近。针对一些中型的内燃机曲轴，则可以采用楔形的滚轮滚压，同样可以使金属产生塑性变形。需要注意的是，曲轴的轴颈属于特殊部位，在滚压时，接触点会不断变形，使得圆角处的金属也会不断反复变化，通过两侧铺开然后再向中间挤压，最终产生搓揉作用，这种情况下，专业滚压机床只需要30s则可完成曲轴处理。而对于大型的内燃机曲轴，多采用冲击滚压的方式。

2.3 曲轴所承受附加内力的计算

内燃机使用过程中，最开始对曲轴的影响程度相对较小，但随着时间的推移，曲轴的一些部位也会受到或多或少的影响，可能出现永久性的性能变化，在载荷的不断作用和力度影响下，曲轴会产生裂纹，如果不及时发现和更换，后续则甚至会出现破裂和断裂现象，也就是常见的疲劳断裂问题。疲劳断裂问题的出现，有明显的特点，诸如时间性、突发性、敏感性等特点。我国内燃机制造加工中，有80%及以上的内燃机结构强度出现破坏的问题，是因曲轴疲劳造成的，其占其他故障发生概率的95%左右。由此可见，机械结构的强度与曲轴的疲劳破坏有十分密切的联系。要提升内燃机的质量和效果，必须重视改善曲轴的强度

。

此外，通过截断筒支梁模型，对弯矩及计算界面模量进行分析，确定出曲轴的应力变化范围及平均应力的大小。曲轴强度设计的过程中，需要注意掌握重要的强度计算参数，如连杆长度和质量、活塞组的质量，缸套的内径、曲柄销的长度和直径，主轴长度，曲柄臂厚度，转速，材料的强度等。根据这些参数的计算和确定，最终计算出理论应力系数，对曲轴的疲劳强度加以分析。

2.4 曲轴弯曲疲劳试验

通常来讲，主要包括三种试验方法用于曲轴弯曲疲劳的实验测试中，如成组试验法、配对升降和疲劳极限统计的方法。其中，成组试验法在具体的应用过程中，主要是对曲轴过载的疲劳强度进行分析，估算其安全使用的时间和期限，这种估算方法，主要是从曲轴自身的安全性能的角度出发；配对升降法则是按照试验的标准和要求，随意选择自由组合的数据，这种方法多应用于相对分散性的试件试验中；疲劳极限统计的方法，主要是分析应力与寿命的双对数的坐标，寻找其中反复多次断裂点的具体位置，从而根据具体的数值，选择对应断裂强度的曲轴

。通过这三种方法的应用和实践，在应用中多采用疲劳极限统计的方法。在具体的实践中，对试验台灵敏度等有严格的要求，并需要对荷载进行专门的标定，这也就是在静标动测的理论要求下，对某一个试件在特定区域内的静态和动态的应变情况加以研究，最终获得静标曲线数据。在试验中系统存在偏差，同样需要对偏差进行研究，一般主要是人为操作记录和总结，并对系统不断加以优化，减少误差的出现。因此，需要不断提升试验操作人员的技术水平，要求其熟练掌握试验的整个流程和关键事项，所有的操作必须按照标准和规定进行。同时，还需要对系统中衡量应变片及载荷测量的情况进行分析和考查，结合具体的试验要求对应变量的真实值进行调整，确保应变片和测量目标值差距最小。需要注意的是，在疲劳试验测试中，还需要正确处理试验所得的数据，要对母体的强度加以争取的的估量，同时还需要借助正态分布模型等统计方法，对实销数据中的中位秩进行估计，从而最终获得曲轴强度安全系数，为曲轴强度的合理设计提供依据。

3 内燃机曲轴强度控制的具体技术分析

3.1 机械强化技术

2.3.5 头痛、头晕发生率 纳入 8 个研究［6‐10，12‐13，16］，各研究间为同质性（P=0.96，I2=0%），采用固定效应模型进行Meta‐分析（图5）。结果显示卡贝缩宫素组的头痛、头晕发生率与缩宫素组无显著性差异（OR=0.69，95%CI=0.43～1.08，P=0.11）。

其一是圆角高频淬火技术。通过此技术，让曲轴表面形成特殊体层，也就是马氏体层，这种体层多占的比例与处理之前相比体积更大，从而提升曲轴表面的预应压力，减少因疲劳破坏带来的拉应力，最终提升疲劳强度，实验研究证明，淬火处理后，曲轴的弯曲疲劳强度可以提高高达70%左右，但是在淬火和非淬火区域的交界处，疲劳强度会有所降低，如果分界线的选择不合理，甚至还会降低疲劳强度。如果工艺应用不当，还会引起曲轴变形的问题，需要在此进行处理，因此，淬火技术的应用有很大的局限性。随着技术的不断进步，出现了成批生产的曲轴采用特殊的淬火工艺技术，将其变形情况缩小到最小范围，也能确保处理后的尺寸精度符合要求，且提升了曲轴的疲劳强度，在实际应用中得到了一定程度的推广。

通过对仿真结果的分析，了解曲轴系统动力学模型的具体应用，更高曲轴强度的实际计算结果，从而对减震器的参数进行调节，并对比分析活塞加速度，活塞侧击力，曲柄载荷及主轴的承载和等，对曲轴强度设计的差异性进行全方位的对比，在此基础上进行合理调节

。一是调试减震器的参数问题。分析系统测量布置和结构，主要是在曲轴的上方位置设置发动机，左右两侧则主要是唯一传感器、飞轮和信号齿轮等，位移传感器主要包括了采集卡、PC机等部件，减震器参数的调整，主要是对扭振响应曲线进行观察，了解振幅轴向是够保持一致，数据本身的误差不会对曲轴强度设计的精确度产生严重的影响。二是活塞加速度的比较分析，需要对曲轴转角、曲柄的半径、连杆摆角、中心距离等参数进行对比和确定，通过倍角关系及余弦函数来反映活塞的位移变化，最终通过计算获得内燃机曲轴的加速度，实际曲轴的强度设计中，也能减少相对误差等带来的影响

。三是分析和比较活塞的侧击力，也就是对曲轴在强大的压力作用下精度误差问题，因所有的曲柄销载荷曲线具有一致性的特点，因此可以借助现代算法取值，得到曲柄销径向和切向数值，从而对连杆等质量进行检测。四是主轴承载荷的分析，对同一工作循环状态下，轴承载荷、转速、扭转等进行分析。

其一是喷丸处理技术。通过曲轴喷丸处理，对内燃机曲轴表面的质量进行优化和改善，从而让其表面能产生塑性变形，形成除应力，最终提升曲轴的疲劳强度，喷丸处理可以强化曲轴的表面，也能不断强化和提升其高应力区。钢制锻造的曲轴，经过喷丸处理，弯曲疲劳强度可以提高20%左右，且脉动疲劳强度则能提升高达70%，喷丸处理的曲轴弯曲疲劳度和脉动疲劳强度相对较高。而通过喷丸处理的球铁铸造的曲轴，其疲劳强度与钢制锻造曲轴相比，还要高出35%左右。喷丸处理中，丸粒直径选择多是0.5-0.8mm范围

。但具体应用中也存在不足之处，如曲轴的轴颈表面会受到直接的冲击，这样对其表面质量产生很大的影响，需要采用覆盖法或者是多次小幅度操作减少影响。

3.2 物理强化处理技术

在一次DMA读操作完成,下一次DMA读操作开始前,PCIE总线处于空闲状态,一方面需要等待中断响应,另一方面数据拷贝到缓冲区也有很大的延时,这就极大地限制了图像传输效率。

其二是液体等温淬火技术。这种技术应用的频次相对较多，主要是通过等文淬火处理曲轴，然后进行圆角滚压进行再次处理，从而提升曲轴的疲劳强度。

3.3 化学强化处理技术

其一是氮化处理技术。氮化处理能有效提升内燃机曲轴的疲劳强度，也能强化其表面的硬度，一般适用于锻钢曲轴和高强度的铸铁曲轴的处理中。通常是采用盐浴氮化处理，实验研究证明，氮化层深度达到1mm的状态时，钢制曲轴的疲劳强度可以提升35%左右，球铁曲轴也能提升25%左右，盐浴氮化比渗碳后淬火技术处理带来的疲劳强度提升效果更加明显，氮的扩散也会随着碳含量的减少不断增加，因此，可以采用铁素体、珠光体等制造曲轴，这两种材质的曲轴，通过氮化技术处理的效果更好，氮化层深度在0.5-0.6mm时，化合物的耐磨层一般在0.007mm左右。球铁曲轴通过氮化技术处理，疲劳强度可提升10%左右，而摆动弯曲的疲劳强度则可提高40%,且变形概率比钢制曲轴的变化更小。气体软氮化技术和离子氮化技术，都是在原有氮化技术是基础上的改进和补充，气体软氮化主要是借助强电流释放电能，确保氮能深入到金属表层，离子氮化则是阻止曲轴表面缺氧层的形成，而是在表面深处形成相对均匀的耐磨层。当然，氮化工艺使用中会出现曲轴冷却产生变形等问题，还需要通过热处理进行消除。

其二是低温氮化处理技术。低温氮化同样是强化表面，在表面形成碳性氮化物，提升弯曲疲劳强度。但是这种工艺应用中处理液存在一定的毒性，需要对其进行再次处理。

针对不同的型号和材质的曲轴，需要根据实际情况采取不同的技术手段进行处理，在对其表现带来最小损伤的同时，提升曲轴的疲劳强度。

4 结语

综上所述，内燃机曲轴强度控制过程中，内燃机加工制造中曲轴控制技术要求也存在不同，在具体的方法应用中，需要结合实际情况，了解工艺标准和流程要求，对曲轴的材质规格等进行了解，在此基础上对曲轴强度设计方案进行不断的调整和优化，结合我国实际生产经验，强化提升内燃机械加工制造中曲轴强度的控制水平。

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