CN114117670B - 一种磨削凸轮轴疲劳辉纹间距的估算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磨削凸轮轴疲劳辉纹间距的估算方法，包括以下步骤，对凸轮轴试样进行不同磨削深度下的磨削处理，然后进行旋转弯曲疲劳试验，获得不同磨削试样的疲劳断口，确定疲劳裂纹萌生数与磨削深度之间的数值关系，并通过试样应力状态分析得到疲劳加载应力与裂纹萌生数之间的关系，再结合Paris理论公式，建立裂纹扩展速率与磨削深度参数之间的关系模型，通过疲劳辉纹间距与裂纹扩展速率之间的正比例关系，最终建立疲劳辉纹间距与磨削深度之间的理论关系。本发明通过疲劳实验与理论分析的方法获得疲劳辉纹间距与磨削深度之间的关系模型，通过模型可估算出不同磨削深度试样的疲劳辉纹间距，避免了大量的实验流程和资源浪费，对凸轮轴磨削工艺参数优化具有重要的指导意义。

Description

一种磨削凸轮轴疲劳辉纹间距的估算方法

技术领域

本发明属于船舶制造技术，具体涉及一种适用于磨削凸轮轴疲劳辉纹间距的估算方法。

背景技术

磨削深度是凸轮轴磨削工艺中的一个重要参数，通过选择合适的磨削深度参数可以获得较小的工件表面粗糙度，引入加工硬化和残余压应力，有利于凸轮轴疲劳性能的改善。为了进行凸轮轴磨削深度工艺参数优化，需要进行大量的疲劳试验，然而，这样难免会造成大量的人力、物力和财力浪费。疲劳断口的特征信息能够反应加工材料的疲劳性能，而疲劳辉纹间距作为疲劳断口的一种微观特征形貌，能够反应材料的抗疲劳裂纹扩展能力，疲劳辉纹间距越小，裂纹扩展抗力越大；因此，如何通过疲劳辉纹间距建立断口特征与磨削工艺参数之间的关系模型是对磨削凸轮轴疲劳性能进行评估的一种重要途径。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于提供一种适用于磨削凸轮轴疲劳辉纹间距的估算方法，可预测不同磨削深度下凸轮轴的疲劳辉纹间距，为磨削加工质量优化提供参考。

技术方案：本发明的一种磨削凸轮轴疲劳辉纹间距的估算方法，包括如下步骤：

步骤一：根据凸轮轴材料和实际生产工艺，对凸轮轴试样进行不同磨削深度下的磨削处理，根据凸轮轴实际受载，对磨削加工后试样进行旋转弯曲疲劳试验，获得不同磨削试样的疲劳断口；

步骤二：通过扫描电子显微镜对步骤一获得的疲劳断口的裂纹萌生源区和扩展区进行观察，得到裂纹源数目，通过非线性拟合建立裂纹源数目与磨削深度之间的数值关系式；

步骤三：分析裂纹源数目对试样应力状态的影响规律，结合步骤二确定的数值关系式，进行疲劳加载试样受力分析，得到疲劳加载应力与磨削深度之间的数值关系式；

步骤四：将步骤三得到的数值关系式代入Paris理论公式中，构建疲劳裂纹扩展速率和磨削深度之间的关系模型；

步骤五：建立疲劳辉纹间距与疲劳裂纹扩展速率之间的比例关系，基于凸轮磨削加工工艺特点和所用凸轮轴材料属性，确定相关比例系数，得到疲劳辉纹间距与磨削深度之间的关系模型；

步骤六：通过步骤五的关系模型，获得不同磨削深度下对应的疲劳辉纹间距。

进一步的，所述步骤二中，裂纹源数目与磨削深度之间的数值关系式为：

式(1)中，n_i为裂纹源数目，a_p为磨削深度，A、B和C是与n_i无关的常数。

进一步的，所述步骤三的具体步骤包括：

第一步、确定疲劳加载应力与应力幅之间的关系式，具体为：

第二步、假设各个样品的S₀相等，得到S＝n_s·S₀；其中，S为试样截面面积，S₀为裂纹萌生面面积，n_s为常数；

第三步、将式(1)和S＝n_s·S₀代入式(2)中，得到疲劳加载应力与磨削深度之间的数值关系式，具体为：

式(3)中，σ_a为应力幅，F为疲劳加载应力；A、B和C′表示常数，且C′＝n_s-C。

进一步的，步骤四是针对船用凸轮轴磨削加工工艺，分析磨削深度参数和凸轮轴材料特性对Paris公式不同参数的影响规律，所述步骤四的具体步骤包括：

第一步、确定Paris理论公式，具体为：

第二步、将式(3)代入Paris理论公式中，得到疲劳裂纹扩展速率和磨削深度之间的关系模型，具体为；

式(5)中，f为几何因子，为一定值；a_c为裂纹长度；D和G为常数，与磨削加工所用材料有关。

进一步的，所述步骤五的具体步骤包括：

第一步、确定疲劳辉纹间距与疲劳裂纹扩展速率之间的比例关系，具体为：

式(6)中，E表示比例系数，与凸轮磨削加工工艺特点和所用凸轮轴材料属性有关；d可以反应da/dN的大小，两者存在一定的正比例关系；

第二步、将公式(5)代入公式(6)，得到：

式(7)中，d为疲劳辉纹间距，a_p为磨削深度，C″为常数，

第三步、对不同磨削深度样品的疲劳辉纹间距进行统计，并通过公式(7)对实际统计的疲劳辉纹间距和磨削深度进行拟合，获得常数C″，C′和G的值；

第四步、将C″、G、A、B和C′的值代入公式(7)，得到疲劳辉纹间距与磨削深度之间的关系模型。

进一步的，所述步骤一中，旋转弯曲疲劳试验的疲劳应力幅为600MPa，应力比-1。

进一步的，所述步骤一中，磨削处理时试样线速度为0.036m·s^-1，砂轮线速度35m·s^-1，磨削深度的范围是0～35μm。

进一步的，凸轮轴材料为40Cr钢、20CrMnTi钢或16MnCr5钢中的任一种。

本发明的模型构建原理：通过磨削试样疲劳试验与断口分析，获得疲劳裂纹萌生数与磨削深度之间的数值关系，并通过试样应力状态分析得到疲劳加载应力与裂纹萌生数之间的关系，结合Paris理论公式，建立裂纹扩展速率与磨削深度参数之间的关系模型，考虑疲劳辉纹间距与裂纹扩展速率之间的正比例关系，最终建立疲劳辉纹间距与磨削深度之间的理论关系。

有益效果：本发明和现有技术相比，具有如下显著优点：本发明通过疲劳实验与理论分析的方法获得疲劳辉纹间距与磨削深度之间的关系模型，与直接通过大量疲劳试验获得疲劳辉纹间距信息的现有技术相比，通过模型可估算出不同磨削深度试样的疲劳辉纹间距，避免了大量的实验流程和资源浪费，本发明可对不同磨削深度条件下试样的疲劳辉纹间距进行预测，模型的建立对凸轮轴磨削工艺参数优化具有重要的指导意义。

附图说明

图1为凸轮轴疲劳辉纹间距模型建立流程图；

图2为磨削加工试样尺寸图；

图3为磨削加工试样疲劳断口和疲劳辉纹扫描电镜照片；

图4为疲劳裂纹萌生数与磨削深度之间关系图；

图5为多裂纹源试样疲劳断裂机理图；

图6为疲劳辉纹间距与磨削深度之间关系图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

本发明是针对磨削凸轮轴疲劳辉纹间距的估算方法，具体流程参见图1，下面实施例以预测某型号磨削加工凸轮轴材料的疲劳辉纹间距为例。基本参数为：(1)机床：外圆磨床，(2)砂轮：铬刚玉砂轮，粒度45～120#；(3)凸轮轴材料：40Cr钢，疲劳应力幅σ_a为600MPa，应力比R为-1；(4)磨削参数：砂轮线速度(v_w)为35m·s^-1，试件线速度(v_s)为0.036m·s^-1，磨削深度(a_p)为0～35μm。

步骤1，固定凸轮轴材料、磨削液、砂轮型号等因素，根据凸轮轴的磨削加工经验，固定砂轮线速度和试件线速度，磨削深度选取不同值，对凸轮轴试样进行磨削加工，试样尺寸和磨削工艺参数分别如图2和表1所示。

表1 磨削加工参数

对试样进行磨削加工和疲劳应力幅为600MPa、应力比-1的旋转弯曲疲劳试验，疲劳断口和疲劳辉纹扫描电镜照片如图3所示。对不同磨削深度参数下试样断口的裂纹源数目(n_i)进行统计，如表2所示。

表2 不同a_p样品的n_i

由表2可以得到n_i与a_p之间的关系图，如附图4所示，根据理论公式(1)对n_i与a_p之间的关系进行拟合，

其中，n_i为疲劳裂纹源数目，A、B和C是与n_i无关的常数。

通过拟合可以得到公式(2)：

疲劳加载力(F)与应力幅(σ_a)之间的关系可以表示为：

其中，S为试样横截面面积，S₀为裂纹萌生面面积，S-n_i·S₀为F的实际作用面积，如图5所示；假设不同样品的S₀相等，S＝n_s·S₀，n_s为一常数；那么公式(3)可转变为：

式(4)中，C′＝n_s-C。

将公式(4)代入到Paris理论公式(5)中，可得公式(6)：

其中，f为几何因子，这里不同裂纹的形状基本一致，故f取定值；a_c为裂纹长度，D和G为常数，与磨削加工所用材料有关。

疲劳辉纹间距d可以反应da/dN的大小，且两者之间存在比例关系，根据式(6)可以得到疲劳辉纹间距与磨削深度之间的关系模型，具体为：

其中，E为常数，与凸轮磨削加工工艺特点和所用凸轮轴材料属性有关；

为常数；

将公式(2)代入公式(7)中，可以得到公式(8)：

为了确定C″和G，如图3中的(b)所示，对不同磨削深度样品的疲劳辉纹间d进行统计，统计结果如表3所示，根据表3可以得到d与a_p之间的关系图，如图6所示。

表3 不同a_p样品的d值

通过公式(8)对图6中d和a_p之间的关系进行拟合，可得对应的C″＝-0.065，C′＝-21.92，G＝-1。将C″、C′和G代入公式(8)，得到d与a_p之间的关系模型：

为了验证所建立模型的准确性，任取40Cr钢材料的试样，在其他磨削参数不变条件下，进行a_p为20μm的磨削加工，并进行同样条件下的旋转弯曲疲劳，测得疲劳断口辉纹间距为1.39μm，而通过模型得到的疲劳辉纹间距为1.41μm，模型预测误差为～1.44％，表明模型的预测准确性较高。

Claims (4)

1.一种磨削凸轮轴疲劳辉纹间距的估算方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：根据凸轮轴材料和实际生产工艺，对凸轮轴试样进行不同磨削深度下的磨削处理，根据凸轮轴实际受载，对磨削加工后试样进行旋转弯曲疲劳试验，获得不同磨削试样的疲劳断口；

步骤二：通过扫描电子显微镜对步骤一获得的疲劳断口的裂纹萌生源区和扩展区进行观察，得到裂纹源数目，通过非线性拟合建立裂纹源数目与磨削深度之间的数值关系式；

步骤三：分析裂纹源数目对试样应力状态的影响规律，结合步骤二确定的数值关系式，进行疲劳加载试样受力分析，得到疲劳加载应力与磨削深度之间的数值关系式；

步骤四：将步骤三得到的数值关系式代入Paris理论公式中，构建疲劳裂纹扩展速率和磨削深度之间的关系模型；

步骤五：建立疲劳辉纹间距与疲劳裂纹扩展速率之间的比例关系，基于凸轮磨削加工工艺特点和所用凸轮轴材料属性，确定相关比例系数，得到疲劳辉纹间距与磨削深度之间的关系模型；

步骤六：通过步骤五的关系模型，获得不同磨削深度下对应的疲劳辉纹间距；

所述步骤二中，裂纹源数目与磨削深度之间的数值关系式为：

式(1)中，n_i为裂纹源数目，a_p为磨削深度，A、B和C是与n_i无关的常数；

所述步骤三的具体步骤包括：

第一步、确定疲劳加载应力与应力幅之间的关系式，具体为：

第二步、假设各个样品的S₀相等，得到S＝n_s·S₀；其中，S为试样截面面积，S₀为裂纹萌生面面积，n_s为常数；

第三步、将式(1)和S＝n_s·S₀代入式(2)中，得到疲劳加载应力与磨削深度之间的数值关系式，具体为：

式(3)中，σ_a为应力幅，F为疲劳加载应力；A、B和C′表示常数，且C′＝n_s-C；

所述步骤四的具体步骤包括：

第一步、确定Paris理论公式，具体为：

第二步、将式(3)代入Paris理论公式中，得到疲劳裂纹扩展速率和磨削深度之间的关系模型，具体为；

式(5)中，f为几何因子，a_c为裂纹长度；D和G为常数，与磨削加工所用材料有关；

所述步骤五的具体步骤包括：

第一步、确定疲劳辉纹间距与疲劳裂纹扩展速率之间的比例关系，具体为：

式(6)中，E表示比例系数；

第二步、将公式(5)代入公式(6)，得到：

式(7)中，d为疲劳辉纹间距，a_p为磨削深度，C″为常数，

第三步、对不同磨削深度样品的疲劳辉纹间距进行统计，并通过公式(7)对实际统计的疲劳辉纹间距和磨削深度进行拟合，获得常数C″，C′和G的值；

第四步、将C″、G、A、B和C′的值代入公式(7)，得到疲劳辉纹间距与磨削深度之间的关系模型。

2.根据权利要求1所述的一种磨削凸轮轴疲劳辉纹间距的估算方法，其特征在于：所述步骤一中，旋转弯曲疲劳试验的疲劳应力幅为600MPa，应力比-1。

3.根据权利要求1所述的一种磨削凸轮轴疲劳辉纹间距的估算方法，其特征在于：所述步骤一中，磨削处理时试样线速度为0.036m·s^-1，砂轮线速度35m·s^-1，磨削深度的范围是0～35μm。

4.根据权利要求1所述的一种磨削凸轮轴疲劳辉纹间距的估算方法，其特征在于：凸轮轴材料为40Cr钢、20CrMnTi钢或16MnCr5钢中的任一种。