CN107030143A - 曲轴完全残余压应力校直装置和工艺 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种曲轴完全残余压应力校直装置和工艺，其解决了现有曲轴成品经过精磨后，都要进行校直工艺，但不允许进行冷校直，也不允许在压力机上压校，这容易在两端圆角处与加载力相对表面形成拉应力，使曲轴原有的疲劳强度降低，在发动机工作运转过程易导致断裂的技术问题，其设有上滚压摆臂和下滚压摆臂，上滚压摆臂一端和下滚压摆臂一端通过张开加压装置铰接在一起，上滚压摆臂另一端设有上滚压部件，上滚压部件包括上滚压轮，上滚压轮与上滚压部件旋转连接，下滚压摆臂另一端设有下支撑滚压部件，下支撑滚压部件包括下支撑滚压轮，下支撑滚压轮与下支撑滚压部件旋转连接。本发明可广泛应用于曲轴径向跳动超差时的校正。

Description

曲轴完全残余压应力校直装置和工艺

技术领域

本发明涉及一种曲轴校直装置和方法，特别是涉及一种曲轴完全残余压应力校直装置和方法。

背景技术

我们知道，曲轴经过铸造或锻造形成毛坯之后，需要进行机械加工，机械加工的基本流程是粗加工、半精加工和精加工，最终形成成品。其中精加工通常都是在磨床上完成的，而经过精磨后，为了保证发动机具有良好的工作性能，对曲轴的中间轴径跳动要求不得超过0.15mm，但在加工的过程中由于应力释放，曲轴经过精磨后会出现20％左右的中间轴径跳动会超差，如果不进行校直，则会成为废品。

现有的曲轴成品经过精磨后，都要进行校直工艺，保证曲轴的中间轴径跳动能够满足质量要求。但现有曲轴成品不允许进行冷校直，因为采用强迫冷校直方法，就是在压力机上压校，这种方法一般在曲轴中间主轴颈中部单向加载，这容易在两端圆角处与加载力相对表面形成拉应力，使曲轴原有的疲劳强度降低10％，在发动机工作运转过程易导致断裂；同时又不能进行热校直，热校直会导致曲轴成品精加工表面发生氧化，而且前期热处理工艺如淬火、氮化在圆角处形成的硬化层和压应力也会被破坏，这是不允许的。

发明内容

本发明就是要解决现有曲轴成品经过精磨后，曲轴成品不允许进行冷校直，因为采用强迫冷校直方法，就是在压力机上压校，这种方法一般在曲轴中间主轴颈中部单向加载，这容易在两端圆角处与加载力相对表面形成拉应力，使曲轴原有的疲劳强度降低10％，在发动机工作运转过程易导致断裂；同时又不能进行热校直，热校直会导致曲轴成品精加工表面发生氧化，而且前期热处理工艺如淬火、氮化在圆角处处形成的硬化层和压应力也会被破坏的技术问题，提供一种曲轴成品经过精磨后，曲轴成品不需要进行冷校直，不需要采用强迫冷校直方法，不会在两端圆角处与加载力相对表面形成拉应力，曲轴原有的疲劳强度不会降低，在发动机工作运转过程不易出现断裂，同时也不需要进行热校直，不会导致曲轴成品精加工表面发生氧化，曲轴成品前期热处理工艺如淬火、氮化在圆角处形成的硬化层和压应力也不会被破坏，测量简单，工艺参数简单，操作方便，经精磨后的曲轴都可利用恒定滚压力形成残余压应力的一种曲轴完全均匀残余压应力校直装置和方法。

为此，本发明的技术方案是，一种曲轴完全残余压应力校直装置，设有上滚压摆臂和下滚压摆臂，上滚压摆臂一端和下滚压摆臂一端通过张开加压装置铰接在一起，上滚压摆臂另一端设有上滚压部件，上滚压部件包括上滚压轮，上滚压轮与上滚压部件旋转连接，下滚压摆臂另一端设有下支撑滚压部件，下支撑滚压部件包括下支撑滚压轮，下支撑滚压轮与下支撑滚压部件旋转连接。

优选地，上滚压摆臂上铰接设有上浮动摆臂，上浮动摆臂与固定吊板铰接。

优选地，上滚压部件包括上加压轮，上加压轮与上滚压部件旋转连接，上加压轮两侧分别设有环形滚压槽，上滚压轮设在环形滚压槽内，上滚压轮与环形滚压槽旋转连接。

优选地，上滚压轮的上滚压轮径向中心面与上加压轮的上加压轮径向中心面的夹角为35°±10°。

优选地，下支撑滚压部件包括两个下支撑滚压轮。

优选地，下支撑滚压轮由两个支承辊支撑，下支撑滚压轮与两个支承辊旋转连接。

优选地，上滚压轮与两个下支撑滚压轮的外圆形成滚压圆周，上滚压轮与两个下支撑滚压轮相对滚压圆周呈120°角均匀分布。

优选地，上滚压轮与两个下支撑滚压轮的外圆形成滚压圆周，上滚压轮位于滚压圆周顶端，两个下支撑滚压轮位于滚压圆周底端，两个下支撑滚压轮相对经过上滚压轮的径向线对称分布。

优选地，两个下支撑滚压轮之间的夹角为60°±10°。

一种曲轴完全残余压应力校直工艺，包括如下步骤：

(1)确定滚压校直力在曲轴上的加载位置；

当曲轴主轴颈径向弯曲高点的位置在曲轴轴向圆周360度的范围内，与曲轴连杆轴径偏心的方向相一致时，滚压校直力应作用在相应曲轴连杆轴径的两端圆角处；

当曲轴主轴颈径向弯曲高点的位置在曲轴轴向圆周360度的范围内，与曲轴连杆轴径偏心的方向相反时，滚压校直力应作用在与相应曲轴连杆轴径相邻的曲轴主轴颈的两端圆角处；

当曲轴主轴颈径向弯曲高点的位置在曲轴轴向圆周360度的范围内，在曲轴连杆轴径之间的夹角处时，滚压校直力应依次作用在成120°角的两个曲轴连杆轴径上；

(2)确定滚压校直力和校直圈数和曲轴校直转速；

滚压校直力按照曲轴主轴颈或者曲轴连杆轴径的弯曲超差量和滚压校直力的位置进行计算，公式如下：

其中：W-弯曲超差量(mm)；

E-材料弹性模量(MPa)；

I-惯性矩，d为最大回转直径；

b-滚压校直力的作用位置距曲轴小头端面的距离(mm)；

L-曲轴总长度(mm)；

根据以上公式计算出曲轴需要的滚压校直力，同时设定曲轴滚压校直圈数和曲轴的校直转速；

(3)启动该曲轴完全残余压应力校直装置，完成曲轴的校正。

本发明的有益效果是，由于一种曲轴完全残余压应力校直装置，设有上滚压摆臂和下滚压摆臂，上滚压摆臂一端和下滚压摆臂一端通过张开加压装置铰接在一起，上滚压摆臂另一端设有上滚压部件，上滚压部件包括上滚压轮，上滚压轮与上滚压部件旋转连接，下滚压摆臂另一端设有下支撑滚压部件，下支撑滚压部件包括下支撑滚压轮，下支撑滚压轮与下支撑滚压部件旋转连接，需要对端跳超差的曲轴轴径或者连杆轴径进行矫正时，只需将需要校正的轴径放置于上滚压轮和下支撑滚压部件之间，通过张开加压装置加压，上滚压摆臂和下滚压摆臂将分别带动上滚压部件和下支撑滚压部件摆动，使上滚压轮和下支撑滚压轮的外圆周紧紧压在轴径的外圆周表面，此时旋转主轴，就可以对轴径外表面进行滚压校正，此工艺不需要进行热校直，不会导致曲轴成品精加工表面发生氧化，曲轴成品前期热处理工艺如淬火、氮化在圆角处形成的硬化层和压应力也不会被破坏，测量简单，工艺参数简单，操作方便，经精磨后的曲轴都可利用恒定滚压力形成均匀残余压应力，质量可靠。

附图说明

图1是本发明实施例曲轴径向跳动测试结构示意图；

图2是本发明实施例曲轴校正时结构示意图；

图3是本发明实施例的剖视图；

图4是本发明实施例侧视图；

图5是图4的A处放大图；

图6是本发明实施例的轴测图；

图7是本发明实施例上滚压部件的剖视图；

图8是本发明实施例曲轴主轴颈经过校正后的应力分布示意图。

图中符号说明：

1.油缸；2.上滚压摆臂；3.上浮动摆臂；4.固定吊板；5.上支座；6.轴；7.上加压轮；8.上滚压轮；9.环形滚压槽；10.下滚压摆臂；11.支撑辊；12.下支撑滚压轮；13.下支座；14.上滚压轮径向中心面；15.上加压轮径向中心面；101.下支撑滚压部件；102.上滚压部件；201.曲轴中心线；202.支架；203.百分表；204.曲轴主轴颈；205.曲轴连杆轴径；206.连杆轴中心线。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步描述。

图1-8是本发明的一种实施例，一种曲轴完全残余压应力校直装置，设有上滚压摆臂2和下滚压摆臂10，上滚压摆臂2一端和下滚压摆臂10一端通过张开加压装置1铰接在一起，上滚压摆臂2另一端设有上滚压部件102，上滚压部件102包括上滚压轮8，上滚压轮8与上滚压部件102旋转连接，下滚压摆臂10另一端设有下支撑滚压部件101，下支撑滚压部件101包括下支撑滚压轮12，下支撑滚压轮12与下支撑滚压部件101旋转连接。

图4中可看出，上滚压部件102包括上加压轮7，上加压轮7中间旋转设有轴6，上加压轮7与上滚压部件102旋转连接，上加压轮7两侧分别设有环形滚压槽9，上滚压轮8设在环形滚压槽9内，上滚压轮8与环形滚压槽9旋转连接。

图5是图4的A处放大图，可以很清楚地看到以上技术特征。图5中还可看出，下支撑滚压部件101包括两个下支撑滚压轮12，下支撑滚压轮12由两个支承辊11支撑，下支撑滚压轮12与两个支承辊11旋转连接；上滚压轮8与两个下支撑滚压轮12的外圆形成滚压圆周，上滚压轮8与两个下支撑滚压轮12相对滚压圆周呈120°角均匀分布；上滚压轮8与两个下支撑滚压轮12的外圆形成滚压圆周，上滚压轮8位于滚压圆周顶端，两个下支撑滚压轮12位于滚压圆周底端，两个下支撑滚压轮12相对经过上滚压轮8的径向线对称分布；两个下支撑滚压轮12之间的夹角为60°±10°，也可以根据需要设计成其他角度，无论多大角度，一般两个下支撑滚压轮12相对经过上滚压轮8的径向线都采取对称分布，这样力学性能均匀，有利于对于超差部分的纠正。

该实施例中的支撑辊11选用滚针轴承实现转动，滚针轴承承受压力均匀平稳，使整体装置受力稳定，运行平稳。

图6是图5的三维轴测图，主要显示上滚压摆臂2、下滚压摆臂10以及上滚压摆臂2一端和下滚压摆臂10一端通过张开加压装置1铰接在一起的示意图，该实施例中，张开加压装置1为油缸，油缸的加压可以提供上滚压摆臂2和下滚压摆臂10之间的滚压张力，并传递给上滚压轮8和下支撑滚压轮12，实现对曲轴主轴径204或者曲轴连杆轴径205的旋转滚压，使轴径残余正压力沿圆角处圆周方向均匀分布，同时达到纠正径向跳动超差的问题，使其能够满足轴向跳动误差的要求。

图7中可看出，上滚压轮径向中心面14与上加压轮径向中心面15设有夹角，上滚压轮8的外圆角与待修正的曲轴主轴径204的侧面圆角大小一致，上滚压轮8的外圆角母线与待修正的曲轴主轴径204的侧面圆角母线相吻合，该实施例中修正的曲轴主轴径204的圆角为R3，上滚压轮8的外圆角的圆角大小也采用R3，同时上滚压轮径向中心面14与上加压轮径向中心面15设有夹角采用35°，所以在修正滚压时，曲轴旋转，曲轴带动上滚压轮8旋转，上滚压轮8的外圆周与环形滚压槽9的内圆周接触旋转，并由上加压轮7提供压力；上滚压轮径向中心面14与上加压轮径向中心面15设有的夹角可以为35°±10°，也可以采用其他角度，只要能保证上滚压轮的圆周能与需要滚压的轴径圆角相吻合，就可以；上滚压轮8与环形滚压槽9之间形成浮动连接，可以自动适应轴径圆周的微小变化，在主轴旋转过程中，逐渐实现轴径高点的修复，实现残余正压力沿圆角处圆周方向地均匀分布，提高轴径的耐疲劳强度和可靠性，如图8所示是经过校正后的应力分布示意图。

该实施例中，上滚压部件102通过上支座5与上滚压摆臂2连接，上滚压部件102与上滚压摆臂2之间可拆卸安装，下支撑滚压部件101通过下支座13与下滚压摆臂10连接，下支撑滚压部件101与下滚压摆臂2之间可拆卸安装，可拆卸安装的设计，可以方便地满足各种规格大小的曲轴的径向误差超差的校正，方便拆卸更换。

实施例还将上滚压摆臂2上铰接设有上浮动摆臂3，上浮动摆臂3与固定吊板4铰接，在工作时，随着主轴的转动，该曲轴完全残余压应力校直装置整体可以通过上浮动摆臂3实现转动，进一步使整体的校直装置处于浮动的状态，以满足主轴的动态变化，不会因为整体校直装置的刚度对主轴造成损伤；该实施例中，油缸1的张紧力的大小可以任意设置，根据需要校正的高点的大小计算后，施加合适的张紧力，该张紧力通过上滚压摆臂2和下滚压摆臂10的杠杆效应施加到上滚压部件102和下支撑滚压部件101上，由于上滚压摆臂2上铰接设有上浮动摆臂3，校直装置整体处于浮动状态，所以无论施加到油缸1上的张紧力多大，都不会对轴径外表面和曲轴整体造成损伤，能够很好的修复径向跳动部分超差的质量问题。

下面结合以上一种曲轴完全残余压应力校直装置具体举例说明该装置的应用步骤：

以六缸曲轴为例，其含有七个曲轴主轴颈204和六个曲轴连杆轴径205，六个曲轴连杆轴径205按照顺序自小轴一侧向另一侧依次排号为1#、2#、3#、4#、5#、6#，其中1#和6#同轴，2#和5#同轴，3#和4#同轴，图1和图2可以清楚地看到七个曲轴主轴颈204和六个曲轴连杆轴径205的分布，其中1#和6#同轴的轴线、2#和5#同轴的轴线以及3#和4#同轴的轴线在曲轴的圆周方向呈120°分布。

按照正常的加工工艺，曲轴经过前道工序加工完成后，再经过精磨工序，此时需要对曲轴轴径进行径向跳动的测试，主要测试曲轴主轴颈204和曲轴连杆轴径205处的径向跳动误差，如果径向跳动超差，便需校直。

图1示出了该曲轴中曲轴轴径进行径向跳动的测试方法，图中可以看出曲轴中心线201和连杆轴中心线206，将支架202置于曲轴两端面的曲轴主轴径204上，支架202一般选用V型支架，将百分表203置于需要测试的曲轴主轴径204上，转动曲轴即可测量出曲轴主轴径204的最大径向跳动，同时可以测出曲轴主轴径204的最大径向跳动所处的圆周位置。图2示出了曲轴完全残余压应力校直装置工作时的安装位置。

该实施例中，测量曲轴所有曲轴主轴颈204的跳动，判定曲轴主轴颈204径向弯曲的高点和超差值，以曲轴主轴颈204径向弯曲的高点与曲轴连杆轴径205的角度确定滚压校直力的位置，以滚压校直力的位置和弯曲超差的数值确定滚压校直力的大小。

(1)确定滚压校直力的加载位置；

当曲轴主轴颈204径向弯曲高点的位置在曲轴轴向圆周360度的范围内，与曲轴连杆轴径205偏心的方向相一致时，滚压校直力应作用在相应曲轴连杆轴径205的两端圆角处；

当曲轴主轴颈204径向弯曲高点的位置在曲轴轴向圆周360度的范围内，与曲轴连杆轴径205偏心的方向相反时，滚压校直力应作用在与相应曲轴连杆轴径205相邻的曲轴主轴颈204的两端圆角处；

当曲轴主轴颈204径向弯曲高点的位置在曲轴轴向圆周360度的范围内，在曲轴连杆轴径205之间的夹角处时，滚压校直力应依次作用在成120°角的两个曲轴连杆轴径205上。

滚压校直力向下的分力作用在曲轴主轴颈204上，能够降低曲轴主轴颈204径向弯曲的高点，减小曲轴主轴颈204径向弯曲超差，同时会在与曲轴主轴颈204高点相反的低点的两圆角处产生拉应力，导致曲轴主轴颈204弯曲疲劳的降低，但加载在圆角上的压力会形成压应力，抵消了拉应力，最终体现为曲轴主轴颈204上均匀分布的残余压应力，进而提高了曲轴疲劳强度6-10％。

(2)确定滚压校直力和校直圈数和曲轴校直转速；

滚压校直力按照曲轴主轴颈204或者曲轴连杆轴径205的弯曲超差量和滚压校直力的位置进行计算，公式如下：

其中：W-弯曲超差量(mm)；

E-材料弹性模量(MPa)；

I-惯性矩，d为最大回转直径；

b-滚压校直力的作用位置距曲轴小头端面的距离(mm)；

L-曲轴总长度(mm)。

下面以两种不同热处理工艺曲轴为例来计算滚压校直力：

例1：某大型船机氮化曲轴，材料为QT800-3球墨铸铁，精磨氮化后成品弯曲超差0.15mm，需要校直的位置b为855mm，曲轴总长度为L为1966mm，则计算如下：

则该曲轴需要的滚压校直力为56600N。

例2：某淬火钢轴，材料为48MnV，淬火精磨后成品弯曲超差0.05mm，需要校直的位置b为355mm，总长度为857mm，则计算如下：

则该曲轴需要的滚压校直力为21996N。

根据实验得出，曲轴滚压校直圈数设定为1-10圈，曲轴的校直转速设定为30±10r/min，都可以满足最终的校直精度要求，一般设定曲轴的校直转速设定为30r/min，既可以实现高效率生产，又可以保证主轴校正质量。

按照以上参数，将该曲轴完全残余压应力校直装置中的上滚压部件和下支撑滚压部件置于需要校正的位置，设定好需要的压力，启动机床，使曲轴按照设定转速运行，就可以将径向跳动超差的曲轴主轴颈204或曲轴连杆轴径205修复合格，不会造成对曲轴性能的损伤。

此工艺不需要进行热校直，不会导致曲轴成品精加工表面发生氧化，曲轴成品前期热处理工艺如淬火、氮化在圆角处形成的硬化层和压应力也不会被破坏，也不需要采取对氮化轴进行支丝重新氮化热校直，成本低，一次校直成功率高，测量简单，工艺参数简单，操作方便，经精磨后的曲轴都可利用恒定滚压力形成均匀残余压应力，质量可靠。

惟以上所述者，仅为本发明的具体实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，故其等同组件的置换，或依本发明专利保护范围所作的等同变化与修改，皆应仍属本发明权利要求书涵盖之范畴。

Claims (10)

1.一种曲轴完全残余压应力校直装置，其特征是：设有上滚压摆臂和下滚压摆臂，所述上滚压摆臂一端和下滚压摆臂一端通过张开加压装置铰接在一起，所述上滚压摆臂另一端设有上滚压部件，所述上滚压部件包括上滚压轮，所述上滚压轮与上滚压部件旋转连接，所述下滚压摆臂另一端设有下支撑滚压部件，所述下支撑滚压部件包括下支撑滚压轮，下支撑滚压轮与下支撑滚压部件旋转连接。

2.根据权利要求1所述的曲轴完全残余压应力校直装置，其特征在于：所述上滚压摆臂上铰接设有上浮动摆臂，所述上浮动摆臂与固定吊板铰接。

3.根据权利要求1所述的曲轴完全残余压应力校直装置，其特征在于：所述上滚压部件包括上加压轮，所述上加压轮与上滚压部件旋转连接，所述上加压轮两侧分别设有环形滚压槽，所述上滚压轮设在环形滚压槽内，上滚压轮与环形滚压槽旋转连接。

4.根据权利要求3所述的曲轴完全残余压应力校直装置，其特征在于：所述上滚压轮的上滚压轮径向中心面与上加压轮的上加压轮径向中心面的夹角为35°±10°。

5.根据权利要求1所述的曲轴完全残余压应力校直装置，其特征在于：所述下支撑滚压部件包括两个下支撑滚压轮。

6.根据权利要求5所述的曲轴完全残余压应力校直装置，其特征在于：所述下支撑滚压轮由两个支承辊支撑，所述下支撑滚压轮与两个支承辊旋转连接。

7.根据权利要求5所述的曲轴完全残余压应力校直装置，其特征在于：所述上滚压轮与两个下支撑滚压轮的外圆形成滚压圆周，所述上滚压轮与两个下支撑滚压轮相对滚压圆周呈120°角均匀分布。

8.根据权利要求5所述的曲轴完全残余压应力校直装置，其特征在于：所述上滚压轮与两个下支撑滚压轮的外圆形成滚压圆周，所述上滚压轮位于滚压圆周顶端，所述两个下支撑滚压轮位于滚压圆周底端，两个下支撑滚压轮相对经过上滚压轮的径向线对称分布。

9.根据权利要求8所述的曲轴完全残余压应力校直装置，其特征在于：所述两个下支撑滚压轮之间的夹角为60°±10°。

10.一种曲轴完全残余压应力校直工艺，其特征是：包括如下步骤：

(1)确定滚压校直力在曲轴上的加载位置；

当曲轴主轴颈径向弯曲高点的位置在曲轴轴向圆周360度的范围内，与曲轴连杆轴径偏心的方向相一致时，滚压校直力应作用在相应曲轴连杆轴径的两端圆角处；

当曲轴主轴颈径向弯曲高点的位置在曲轴轴向圆周360度的范围内，与曲轴连杆轴径偏心的方向相反时，滚压校直力应作用在与相应曲轴连杆轴径相邻的曲轴主轴颈的两端圆角处；

当曲轴主轴颈径向弯曲高点的位置在曲轴轴向圆周360度的范围内，在曲轴连杆轴径之间的夹角处时，滚压校直力应依次作用在成120°角的两个曲轴连杆轴径上；

(2)确定滚压校直力和校直圈数和曲轴校直转速；

滚压校直力按照曲轴主轴颈或者曲轴连杆轴径的弯曲超差量和滚压校直力的位置进行计算，公式如下：

其中：W-弯曲超差量(mm)；

E-材料弹性模量(MPa)；

I-惯性矩，d为最大回转直径；

b-滚压校直力的作用位置距曲轴小头端面的距离(mm)；

L-曲轴总长度(mm)；

根据以上公式计算出曲轴需要的滚压校直力，同时设定曲轴滚压校直圈数和曲轴的校直转速；

(3)启动该曲轴完全残余压应力校直装置，完成曲轴的校正。