CN108950146A - 一种可工业应用的曲轴圆角强化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可工业应用的曲轴圆角强化方法，包括以下步骤：步骤1）：曲轴圆角感应淬火处理；步骤2）：曲轴圆角磨削处理；步骤3）：曲轴圆角激光冲击强化处理；步骤4）：曲轴圆角检查。本发明采用感应淬火处理和激光冲击强化处理结合的方法进行曲轴圆角的强化，克服了单独感应淬火处理存在的问题，先进行感应淬火处理再进行激光冲击强化处理，使处理后的曲轴疲劳强度高，并且变形量很小，淬火处理完成后可以进行磨削，激光冲击强化处理后不需要抛光与矫直，最大程度的保留了强化效果，使曲轴使用更加安全，可以承受更大载荷，满足工业化应用的要求。

Description

一种可工业应用的曲轴圆角强化方法

技术领域

本发明属于金属表面处理技术领域，具体涉及一种可工业应用的曲轴圆角强化方法。

背景技术

曲轴是发动机中最典型、最重要的零件之一，其功用是将活塞连杆传递来的气体压力转变为转矩，作为动力而输出做功，驱动其它工作机构，并带动内燃机辅助装备工作。这就意味着剧烈的加速和减速，并伴随高弯曲变形、高扭矩和振动冲击，导致非常高且多变的应力。由于汽车发动机曲轴受力复杂，失效形式及失效原因多样，主要有以下几点：①曲轴圆角弯曲疲劳断裂；②校直过程中引起的裂纹失效；③锻造质量上出现失效；④弯扭复合疲劳失效；其中曲轴圆角弯曲疲劳断裂出现失效大约占80％。因此，对发动机曲轴圆角进行强化尤为重要。

传统强化工艺

目前，国内外曲轴圆角强化方法主要有感应淬火、渗氮处理、圆角滚压和喷丸强化等。

1)感应淬火

感应淬火是把工件加热到临界温度以上，保温一定时间后，然后以大于临界冷却速度进行冷却，从而获得以马氏体为主(或奥氏体)不平衡组织的一种热处理工艺方法。

感应淬火优点是：硬化层深度(3～4mm)、磨削余量大、生产效率较高。但是，在淬火层有硬化区和非硬化区过渡区域容易产生应力，形成应力集中，成为曲轴断裂危险区；由于曲轴形状复杂，必须分多次完成，淬火应力复杂，易造成变形量超差，同时提高后续磨削技术的难度。

2)渗氮处理

渗氮是一种比较成熟的曲轴强化工艺，渗氮处理后表层形成氮化层，提高了轴颈表面的耐磨性，扩散层中氮的渗入，产生残余压应力，使整个曲轴表面包括曲颈圆角得到强化。

但由于渗氮层较薄，渗氮件渗氮后产生的变形不能用磨削的方法消除，所以对于渗氮件，都有较高的变形要求。

3)喷丸强化

喷丸强化，是用高速运动的弹丸连续向零件表面喷射，零件经高速弹丸打击后，表面产生强烈的塑性变形，使零件表面产生一定厚度的冷作硬化层，并具有一定的残余应力。

喷丸强化层不同于心部的压应力状态和组织结构，可以提高零件表面的疲劳强度，一般可提高20％～50％，零件残余压应力越高，亚晶粒越细，疲劳强度越高。但达到一定覆盖率后，强化层深度和残余应力不再增加，而表面粗糙度却会恶化。

4)圆角滚压强化

金属表层在滚轮压力作用下，由于滚压力超过材料屈服极限，产生塑性变形，发生冷作硬化，使硬度得到提高，且在金属表层到某一深度，出现残余压应力。一般硬化层深度为 1～2mm，同时使圆角表面粗糙度大大降低，减小了圆角处的应力集中，从而可提高130％～170％的疲劳强度。

滚压工序步骤一般包括：曲轴圆跳动测量，圆角滚压，滚压后变形量测量，滚压矫直等。滚压后曲轴会弯曲变形，通过测量和计算曲轴的变形量，进行滚压矫直，保证曲轴跳动符合过程要求。但矫直次数不宜过多，矫直会破坏圆角处残余应力，所以矫直工艺是滚压曲轴的关键工步。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种可工业应用的曲轴圆角强化方法，克服了现有技术中感应淬火易形成应力集中、尺寸超差且会造成后续磨削难度增加；渗氮处理产生的变形不能用磨削处理且容易引起曲轴变形；喷丸强化层较浅，喷丸后零件表面较粗糙；圆角滚压后需要进行矫直，矫直会破坏圆角处的残余压应力，降低曲轴圆角滚压强化效果等问题。

为了解决技术问题，本发明的技术方案是：一种可工业应用的曲轴圆角强化方法，包括以下步骤：

步骤1)：曲轴圆角感应淬火处理；

步骤2)：曲轴圆角磨削处理；

步骤3)：曲轴圆角激光冲击强化处理；

步骤4)：曲轴圆角检查。

优选的，所述步骤1)中曲轴圆角感应淬火处理将曲轴圆角在淬火机床上采用开式半环形喷液感应器进行淬火处理。

优选的，所述步骤2)中曲轴圆角磨削处理将曲轴圆角磨削至要求尺寸，并进行曲轴圆角清洗、除油。

优选的，所述步骤3)中曲轴圆角激光冲击强化处理包括以下步骤：

(1)利用夹具夹持曲轴，并将曲轴圆角定位；

(2)对曲轴圆角需强化位置进行路径设置；

(3)试打激光，检查路径是否合理，确定激光冲击强化区域是否准确；

(4)当(3)中的激光冲击强化区域准确，设定激光参数，对曲轴圆角进行激光冲击强化处理；

(5)先进行水处理，接着进行干燥处理，并在曲轴圆角处涂抹矿物油。

优选的，所述(4)中设定的激光参数为脉冲能量：5～15J，波长1064nm，脉宽10～20ns，加工频率1～10Hz，光斑直径为1～5mm，加工定位精度≤0.01mm。

优选的，所述曲轴圆角激光冲击强化处理的设备包括高能激光器、机器人、软件控制系统、水处理系统、电源及导光系统，其中高能激光器、机器人、水处理系统、电源及导光系统分别连接软件控制系统，所述电源及导光系统分别连接高能激光器和机器人，其中机器人利用夹具夹持曲轴，并将曲轴圆角定位，所述高能激光器用于对曲轴圆角进行激光冲击强化处理，所述水处理系统用于清洗曲轴圆角表面杂质。

优选的，所述曲轴圆角包括主轴颈圆角和连杆轴颈圆角，所述主轴颈圆角进行感应淬火处理时功率为160～170kW，电压为650～700V，加热时间为12s，冷却时间为12s；所述连杆轴颈圆角进行感应淬火处理时功率为150～165kW，电压为600～650V，加热时间为12s，冷却时间为12s。

优选的，所述主轴颈圆角和连杆轴颈圆角进行激光冲击强化处理时脉冲能量为7.4J，加工频率为4Hz，光斑直径为2mm。

优选的，所述步骤4)中曲轴圆角检查为测试处理后曲轴圆角的弯曲疲劳极限和强化效果，当弯曲疲劳极限≥4800N·m，强化效果≥170％为合格品，可以进行工业上批量处理。

相对于现有技术，本发明的优点在于：

(1)本发明采用感应淬火处理和激光冲击强化处理结合的方法进行曲轴圆角的强化，克服了单独感应淬火处理存在的问题，先进行感应淬火处理再进行激光冲击强化处理，使处理后的曲轴疲劳强度高，并且变形量很小，淬火处理完成后可以进行磨削，激光冲击强化处理后不需要抛光与矫直，最大程度的保留了强化效果，使曲轴使用更加安全，可以承受更大载荷，满足工业化应用的要求；

(2)本发明强化方法合理、方法简单、易操作、适用性高，并且加工效率高效、加工位置精确、强化效果显著、无污染。

具体实施方式

下面结合实施例描述本发明具体实施方式：

需要说明的是，本说明书中示意的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。

同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

实施例1

本发明公开了一种可工业应用的曲轴圆角强化方法，包括以下步骤：

步骤1)：曲轴圆角感应淬火处理；

步骤2)：曲轴圆角磨削处理；

步骤3)：曲轴圆角激光冲击强化处理；

步骤4)：曲轴圆角检查。

实施例2

本发明公开了一种可工业应用的曲轴圆角强化方法，包括以下步骤：

步骤1)：曲轴圆角感应淬火处理；

步骤2)：曲轴圆角磨削处理；

步骤3)：曲轴圆角激光冲击强化处理；

步骤4)：曲轴圆角检查。

优选的，所述步骤1)中曲轴圆角感应淬火处理将曲轴圆角在淬火机床上采用开式半环形喷液感应器进行淬火处理。

优选的，所述步骤2)中曲轴圆角磨削处理将曲轴圆角磨削至要求尺寸，并进行曲轴圆角清洗、除油。

实施例3

本发明公开了一种可工业应用的曲轴圆角强化方法，包括以下步骤：

步骤1)：曲轴圆角感应淬火处理；

步骤2)：曲轴圆角磨削处理；

步骤3)：曲轴圆角激光冲击强化处理；

步骤4)：曲轴圆角检查。

优选的，所述步骤1)中曲轴圆角感应淬火处理将曲轴圆角在淬火机床上采用开式半环形喷液感应器进行淬火处理。

优选的，所述步骤2)中曲轴圆角磨削处理将曲轴圆角磨削至要求尺寸，并进行曲轴圆角清洗、除油。

优选的，所述步骤3)中曲轴圆角激光冲击强化处理包括以下步骤：

(1)利用夹具夹持曲轴，并将曲轴圆角定位；

(2)对曲轴圆角需强化位置进行路径设置；

(3)试打激光，检查路径是否合理，确定激光冲击强化区域是否准确；

(4)当(3)中的激光冲击强化区域准确，设定激光参数，对曲轴圆角进行激光冲击强化处理；

(5)先进行水处理，接着进行干燥处理，并在曲轴圆角处涂抹矿物油。

优选的，所述(4)中设定的激光参数为脉冲能量：5～15J，波长1064nm，脉宽10～20ns，加工频率1～10Hz，光斑直径为1～5mm，加工定位精度≤0.01mm。

优选的，所述曲轴圆角激光冲击强化处理的装置包括高能激光器、机器人、软件控制系统、水处理系统、电源及导光系统，其中高能激光器、机器人、水处理系统、电源及导光系统分别连接软件控制系统，所述电源及导光系统分别连接高能激光器和机器人，其中机器人利用夹具夹持曲轴，并将曲轴圆角定位，所述高能激光器用于对曲轴圆角进行激光冲击强化处理，所述水处理系统用于清洗曲轴圆角表面杂质。

实施例4

本发明公开了一种可工业应用的曲轴圆角强化方法，包括以下步骤：

步骤1)：曲轴圆角感应淬火处理；

步骤2)：曲轴圆角磨削处理；

步骤3)：曲轴圆角激光冲击强化处理；

步骤4)：曲轴圆角检查。

优选的，所述步骤1)中曲轴圆角感应淬火处理将曲轴圆角在淬火机床上采用开式半环形喷液感应器进行淬火处理。

优选的，所述步骤2)中曲轴圆角磨削处理将曲轴圆角磨削至要求尺寸，并进行曲轴圆角清洗、除油。

优选的，所述步骤3)中曲轴圆角激光冲击强化处理包括以下步骤：

(1)利用夹具夹持曲轴，并将曲轴圆角定位；

(2)对曲轴圆角需强化位置进行路径设置；

(3)试打激光，检查路径是否合理，确定激光冲击强化区域是否准确；

(4)当(3)中的激光冲击强化区域准确，设定激光参数，对曲轴圆角进行激光冲击强化处理；

(5)先进行水处理，接着进行干燥处理，并在曲轴圆角处涂抹矿物油。

优选的，所述(4)中设定的激光参数为脉冲能量：5～15J，波长1064nm，脉宽10～20ns，加工频率1～10Hz，光斑直径为1～5mm，加工定位精度≤0.01mm。

优选的，所述曲轴圆角激光冲击强化处理的设备包括高能激光器、机器人、软件控制系统、水处理系统、电源及导光系统，其中高能激光器、机器人、水处理系统、电源及导光系统分别连接软件控制系统，所述电源及导光系统分别连接高能激光器和机器人，其中机器人利用夹具夹持曲轴，并将曲轴圆角定位，所述高能激光器用于对曲轴圆角进行激光冲击强化处理，所述水处理系统用于清洗曲轴圆角表面杂质。激光冲击强化设备90％已实现国产化，且设备稳定程度高，可以实现批量化生产需求，满足曲轴圆角激光冲击强化工业化需求

优选的，所述曲轴圆角包括主轴颈圆角和连杆轴颈圆角，所述主轴颈圆角进行感应淬火处理时功率为160～170kW，电压为650～700V，加热时间为12s，冷却时间为12s；所述连杆轴颈圆角进行感应淬火处理时功率为150～165kW，电压为600～650V，加热时间为12s，冷却时间为12s。

优选的，所述主轴颈圆角和连杆轴颈圆角进行激光冲击强化处理时脉冲能量为7.4J，加工频率为4Hz，光斑直径为2mm。

优选的，所述步骤4)中曲轴圆角检查为测试处理后曲轴圆角的弯曲疲劳极限和强化效果，当弯曲疲劳极限≥4800N·m，强化效果≥170％为合格品，可以进行工业上批量处理。

激光冲击强化处理是一种利用激光冲击波力学效应的表面改性技术，在加工过程几乎没有热效应、非接触、指向性好以及强化效果显著等突出特点。通过设置合理的激光工作参数，可以在曲轴圆角处产生深度达1mm以上的较大残余压应力，表面粗糙度下降不大，更重要的是经激光冲击强化后的曲轴不用进行矫直处理，最大程度的保留了强化效果。

激光冲击强化处理的短脉冲(几十纳秒)、高峰值功率密度(＞10⁹W/cm²)的激光透过透明约束层(一般采用材料有：流水、有机玻璃等)后在曲轴表面，涂覆在曲轴表面的吸收涂层(一般采用材料有铝箔、黑胶带、黑漆等)吸收激光能量并发生爆炸性气体，形成等离子团进一步吸收激光能量，产生温度t＞10⁷℃、压强P＞1GPa的等离子体；该等离子体在约束层的限制作用下，形成GPa级瞬间高压等离子体冲击波，并向曲轴内部传播；在冲击波力学效应作用下，由于冲击波的峰值应力极高，远超材料屈服极限，材料表层产生塑性变形，材料表面将形成＞1mm以上的残余压应力层，从而实现对曲轴表面强化或精密成型加工，大幅提高抗疲劳性能。

实施例5

某六缸发动机曲轴，材料为：48MnV，主轴颈直径连杆轴直径激光冲击强化整个圆角R＝4.0mm。

1)曲轴圆角在淬火机床上采用开式半环形喷液感应器进行感应淬火处理，其中主轴颈圆角进行感应淬火处理时功率为165kW，电压为650V，加热时间为12s，冷却时间为12s；所述连杆轴颈圆角进行感应淬火处理时功率为150kW，电压为600V，加热时间为12s，冷却时间为12s；

2)将曲轴圆角磨削至要求尺寸，并进行曲轴圆角清洗、除油。

3)利用机器人夹具夹持曲轴，并将曲轴圆角定位，对曲轴圆角需强化位置进行路径设置；

4)试打激光，检查路径是否合理，确定激光冲击强化区域是否准确；

5)当(3)中的激光冲击强化区域准确，设定激光参数，利用高能激光器对曲轴圆角进行激光冲击强化处理；其中激光参数为脉冲能量：7.4J，波长1064nm，脉宽10ns，加工频率4Hz，光斑直径为2mm，加工定位精度≤0.01mm；

6)利用水处理系统进行水处理，接着进行干燥处理，并在曲轴圆角处涂抹矿物油；

7)测试处理后曲轴圆角的弯曲疲劳极限和强化效果，当弯曲疲劳极限≥4800N·m，强化效果≥170％为合格品，可以进行工业上批量处理。

本实施例强化效果如表1所示：

表1实施例5强化效果对比

本实施例中激光冲击强化设备频率为4Hz，强化主轴颈圆角易断裂的1/3圆周区域用时 76秒，强化连杆轴颈圆角易断裂的1/3圆周区域用时58秒。当仅使用感应淬火强化工艺对主轴颈和连杆轴颈处理均用时24秒，结合激光冲击强化处理，会增加1分钟左右时间，但曲轴圆角经复合方法强化后，其疲劳强度提高到246.4％，高于曲轴圆角感应淬火处理疲劳强度的171.4％，疲劳强度提高了75％，弯曲疲劳极限为6900N·m，远远大于4800N·m，疲劳强度的提高，使曲轴使用更加安全，可以承受更大载荷，满足工业化应用的要求。

本发明采用感应淬火处理和激光冲击强化处理结合的方法进行曲轴圆角的强化，克服了单独感应淬火处理存在的问题，先进行感应淬火处理再进行激光冲击强化处理，使处理后的曲轴疲劳强度高，并且变形量很小，淬火处理完成后可以进行磨削，激光冲击强化处理后不需要抛光与矫直，最大程度的保留了强化效果。

本发明强化方法合理、方法简单、易操作、适用性高，并且加工效率高效、加工位置精确、强化效果显著、无污染。

上面对本发明优选实施方式作了详细说明，但是本发明不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。

不脱离本发明的构思和范围可以做出许多其他改变和改型。应当理解，本发明不限于特定的实施方式，本发明的范围由所附权利要求限定。

Claims (9)

1.一种可工业应用的曲轴圆角强化方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1）：曲轴圆角感应淬火处理；

步骤2）：曲轴圆角磨削处理；

步骤3）：曲轴圆角激光冲击强化处理；

步骤4）：曲轴圆角检查。

2.根据权利要求1所述的一种可工业应用的曲轴圆角强化方法，其特征在于：所述步骤1）中曲轴圆角感应淬火处理将曲轴圆角在淬火机床上采用开式半环形喷液感应器进行淬火处理。

3.根据权利要求1所述的一种可工业应用的曲轴圆角强化方法，其特征在于：所述步骤2）中曲轴圆角磨削处理将曲轴圆角磨削至要求尺寸，并进行曲轴圆角清洗、除油。

4.根据权利要求1所述的一种可工业应用的曲轴圆角强化方法，其特征在于，所述步骤3）中曲轴圆角激光冲击强化处理包括以下步骤：

（1）利用夹具夹持曲轴，并将曲轴圆角定位；

（2）对曲轴圆角需强化位置进行路径设置；

（3）试打激光，检查路径是否合理，确定激光冲击强化区域是否准确；

（4）当（3）中的激光冲击强化区域准确，设定激光参数，对曲轴圆角进行激光冲击强化处理；

（5）先进行水处理，接着进行干燥处理，并在曲轴圆角处涂抹矿物油。

5.根据权利要求4所述的一种可工业应用的曲轴圆角强化方法，其特征在于，所述（4）中设定的激光参数为脉冲能量：5~15J，波长1064nm，脉宽10~20ns，加工频率1~10Hz，光斑直径为1~5mm，加工定位精度≤0.01mm。

6.根据权利要求4所述的一种可工业应用的曲轴圆角强化方法，其特征在于：所述曲轴圆角激光冲击强化处理的设备包括高能激光器、机器人、软件控制系统、水处理系统、电源及导光系统，其中高能激光器、机器人、水处理系统、电源及导光系统分别连接软件控制系统，所述电源及导光系统分别连接高能激光器和机器人，其中机器人利用夹具夹持曲轴，并将曲轴圆角定位，所述高能激光器用于对曲轴圆角进行激光冲击强化处理，所述水处理系统用于清洗曲轴圆角表面杂质。

7.根据权利要求1所述的一种可工业应用的曲轴圆角强化方法，其特征在于：所述曲轴圆角包括主轴颈圆角和连杆轴颈圆角，所述主轴颈圆角进行感应淬火处理时功率为160~170kW，电压为650~700V，加热时间为12s，冷却时间为12s；所述连杆轴颈圆角进行感应淬火处理时功率为150~165kW，电压为600~650V，加热时间为12s，冷却时间为12s。

8.根据权利要求7所述的一种可工业应用的曲轴圆角强化方法，其特征在于：所述主轴颈圆角和连杆轴颈圆角进行激光冲击强化处理时脉冲能量为7.4J，加工频率为4Hz，光斑直径为2mm。

9.根据权利要求1所述的一种可工业应用的曲轴圆角强化方法，其特征在于：所述步骤4）中曲轴圆角检查为测试处理后曲轴圆角的弯曲疲劳极限和强化效果，当弯曲疲劳极限≥4800N·m，强化效果≥170%为合格品，可以进行工业上批量处理。