CN114262788A - 一种大型曲轴变形控制方法 - Google Patents

Abstract

一种大型曲轴变形控制方法，包括：检测并记录曲轴待调控部为的应力值；将曲轴固定在工装上，使高能声束换能器的发射端与待调控部位耦合；开启高能声束换能器向曲轴内发射高能声束，并控制工作频率在10‑30kHz范围内，根据待调控部为应力值设定预计调控时间；到达预计调控时间，关闭高能声束换能器，从工装上取下曲轴。采用如上方法，可以将曲轴的待调控部位与高能声束换能器完全耦合，并开启高能声束换能器，向曲轴打入高能超声波，在保证超声波的工作频率在10～30kHz范围内的情况下，驱动曲轴内部质点沿着声束方向发生振动，实现对材料内部特定方向残余应力调控通过高能声束去除曲轴加工残余应力，以保证曲轴加工精度、减少曲轴加工形变。

Description

一种大型曲轴变形控制方法

技术领域

本发明涉及大型曲轴加工控制领域，特别是指一种大型曲轴变形控制方法。

背景技术

曲轴是发动机中最重要的部件。它承受连杆传来的力，并将其转变为转矩通过曲轴输出并驱动发动机上其他附件工作。曲轴受到旋转质量的离心力、周期变化的气体惯性力和往复惯性力的共同作用，使曲轴承受弯曲扭转载荷的作用。因此要求曲轴有足够的强度和刚度，轴颈表面需耐磨、工作均匀、平衡性好。与其他构件相比大型曲轴的毛坯生产主要采用热模锻为主，曲轴粗加工广泛采用数控车床、铣床等先进设备对主轴颈、连杆轴颈进行数控车削、内铣削、车-拉削加工，以有效减少曲轴加工的变形量。曲轴精加工广泛采用CNC控制的曲轴磨床对其轴颈进行精磨加工。另外为了保证曲轴的加工硬度要求曲轴采用中频淬火、氮化处理进行表面硬化处理，加工工艺复杂，加工过程中产生的残余应力复杂导致变形过大。

对于大型曲轴加工工艺来说，加工机床目前还是依赖于国外进口，加工工艺参数等还是依赖于国外的经验值，导致曲轴加工成品率惨淡，复杂的加工工艺导致的残余应力应力集中是曲轴加工变形超差的最主要原因，尤其在去除加工工装时，由于残余应力作用，使得曲轴取下后立即产生了可见变形，同时曲轴的很多失效，如应力腐蚀、疲劳等，都与残余应力紧密相关。为了避免上述变形等问题，急需一种曲轴加工变形控制方法，能够对曲轴的变形进行控制。

文献检索发现，目前曲轴加工去处残余应力还是依赖于传统的退火去应力办法，并没有相关的去处残余应力的其他方法值得借鉴。现有技术中有很多消减金属材料残余应力的方法及装置，例如退火、回火、振动冲击等。例如，名称为基于高能声磁耦合原理的残余应力消除装置的发明专利申请(申请号为201410099482.0)公开了一种用于消除金属材料在切削、热处理、焊接等加工过程中引入的残余应力的装置。再如，名称为一种用于消除焊接残余应力的便携式振动处理装置的实用新型专利(申请号为03219437.4)公开了一种能够显著地消除焊接残余应力，提高焊接结构的承载能力和疲劳寿命的装置。上述两篇现有技术都是关于对金属材料残余应力的消减的装置，且所用到的方法及装置都较为复杂，但并没有体现加工变形控制的说明。

因此，目前亟需一种大型曲轴变形控制方法，以能更为便捷地实现对曲轴加工残余应力的消减。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种大型曲轴变形控制方法，以能更为便捷地实现对曲轴加工残余应力的消减。

本发明提供的大型曲轴变形控制方法，包括步骤：

S1、检测并记录曲轴待调控部为的应力值；

S2、将曲轴固定在工装上，使高能声束换能器的发射端与待调控部位耦合；

S3、开启高能声束换能器向曲轴内发射高能声束，并控制工作频率在10-30kHz范围内，根据待调控部为应力值设定预计调控时间；

S4、到达预计调控时间，关闭高能声束换能器，从工装上取下曲轴。

采用如上方法，可以将曲轴的待调控部位与高能声束换能器完全耦合，并开启高能声束换能器，向曲轴打入高能超声波，在保证超声波的工作频率在10～30kHz范围内的情况下，驱动曲轴内部质点沿着声束方向发生振动，实现对材料内部特定方向残余应力调控通过高能声束去除曲轴加工残余应力，以保证曲轴加工精度、减少曲轴加工形变。

本发明优选，所述S4之后还包括：S5、检测并记录曲轴待调控部为的应力值，并与上次检测的应力值进行比较，如应力值降低则回到S2，如应力值不变，则结束。

采用如上方法，可以通过调控前后的残余应力比较以确定曲轴内残余应力是否调控完成，从而保证曲轴加工精度、减少曲轴加工形变。

本发明优选，所述S3还包括调节高能声束换能器的工作频率和电压，使电压和输出电流相位一致。

采用如上方法，根据所述高能声束换能器的频率，调节所述高能声束的工作频率和电压，以确保输出电压和输出电流相位一致。这样可以达到较佳的调试效果，可以使高能声束对曲轴残余应力的调试效果更好。

本发明优选，所述S3还包括控制高能声束是声波能量聚焦到材料表面或内部。

采用如上方法，声束的指向性可以使声波能量聚焦到材料表面和内部任何部位，实现材料内部局部聚焦和定向消减和均化残余应力。

本发明优选，所述S2还包括通过工装的固定使曲轴对准曲轴轴线。

采用如上方法，可以对曲轴起到一定的校直作用，保证曲轴的加工精度、减少曲轴的加工变形。

本发明优选，所述高能声束可以包括低频高能量的高能声波、高频低能量的高能声波、宽范围的频带和宽范围的能量的高能声波、纵波、横波、表面波和导波模态的高能声波中的至少一种。

采用如上方法，可以根据残余应力位置的不同选择合适的高能声束来对残余应力进行消减和均化。

本发明优选，所述S2还包括在高能声束换能器的发射端涂抹耦合介质。

本发明优选，所述耦合介质可以为工业用油脂、超声横纵波耦合剂、蜂蜜或甘油。

采用如上方法，可以减少高能声束的能量损失，提高对残余应力消减和均化的效果。

附图说明

图1为本申请大型曲轴变形控制方法的流程图；

图2为用于大型曲轴变形控制方法的工装；

图3为本申请方法调控前、后残余应力分布值；

图4为曲轴形变对比图。

附图标记说明

工作台1；曲轴支架2；调节板21；安装板22；第一安装口221；压板23；第二安装口231；激励器支架3；安装环31；高能声束换能器4；激励器41；变幅杆42。

具体实施方式

下面，结合附图对本申请的大型曲轴变形控制方法的具体内容进行详细的描述。

图1为本申请大型曲轴变形控制方法的流程图；图2为用于大型曲轴变形控制方法的工装。如图1、图2所示，本申请提供了一种大型曲轴变形控制方法，同时还提供了一种可应用与该方法的工装。

如图2所示，该工装包括：工作台1；工作台1上固定设置有曲轴支架2，曲轴支架2由水平安装在工作台1上的长方形调节板21以及调节板21上部两端及中间位置竖直平行设置的安装板22构成。安装板22上具有呈V字形向上开口状的第一安装口221，用于放置曲轴。安装板22上端部设置有压板23，压板23的下部与安装口相对位置设置有V字形向下开口状的第二安装口231，压板23通过螺钉固定在安装板22上，从而将曲轴固定在曲轴支架2上，同时可以通过第一安装口221、第二安装口231的限位作用使曲轴对准曲轴轴线；调节板21上设置有激励器支架3，激励器支架3上设置有安装环31，安装环31均匀分成三段的圆环状部件，其中位于下部一段的两端分别与另外两段的一端铰链连接，另外两段的另一端通过螺栓固定连接。当曲轴固定在安装板22上后，可将安装环31套设在曲轴需要进行调控的部位。安装环31的三段的中间部分各设置有一朝向安装环31的圆心的高能声束换能器4。高能声束换能器4由激励器41及设置在激励器41发射端的变幅杆42构成，变幅杆42的端部具有与曲轴相同弧度的弧面，以使变幅杆42可以与曲轴相贴合。通过变幅杆42可以增大激励器41发出的超声波的震动幅度。变幅杆42与曲轴之间的接触部位还可以涂抹耦合介质，以减少超声波的能量损失。

如图1所示，本申请的大型曲轴变形控制方法具体包括以下步骤：

步骤S1、检测并记录曲轴构件当前工艺的待调控部位的应力值；

确定曲轴加工变形较大的工艺，对该工艺后的应力分布应进行详细的检测确定曲轴应调控的部位，可以采用超声临界折射纵波无损检测法进行曲轴加工应力评估。超声检测应力能够对曲轴进行无损、原位检测。进一步地，还可以在下述步骤S2后再进行应力值检测，不妨碍曲轴调控的工作进行。

步骤S2、将曲轴构件固定在曲轴支架2的安装板22上，并通过压板23进行固定以及限位，以保证曲轴每次放置能够使曲轴对准曲轴轴线。同时，将激励器支架3放置在曲轴的每一个轴段上，并在工作台1上固定好。根据曲轴曲率选取变幅杆42并将其安装至激励器41头部，在曲轴和变幅杆42发射端涂抹耦合介质，将安装环31合并，保证高能声束换能器4耦合到曲轴上；

步骤S 3、开启高能声束换能器4，控制所述超声波换能器的工作频率在10-30kHz范围内，并根据所述待调控部位的应力值大小设定预计调控时间；

步骤S 4、到达所述预计调控时间，关闭所述超声波换能器，从所述工装中取出所述曲轴。

步骤S 5、再次检测并记录曲轴构件当前工艺的待调控部位的应力值，并与上次检测的应力值进行比较，如应力值减小则重新回到步骤S2，如应力值不再变化，则结束。

本申请所提供的大型曲轴变形控制方法通过高能声束去处曲轴加工残余应力以保证曲轴加工精度、减少曲轴加工形变。通过将曲轴的待调控部位与高能声束换能器4完全耦合，并开启高能声束换能器4，向曲轴打入高能超声波，在保证超声波的工作频率在10～30kHz范围内的情况下，驱动曲轴内部质点沿着声束方向发生振动，实现对材料内部特定方向残余应力调控。声束的指向性可以使声波能量聚焦到材料表面和内部任何部位，实现材料内部局部聚焦和定向消减和均化残余应力。

图3为本申请方法调控前、后残余应力分布值；图4为曲轴形变对比图。如图3所示，方形线型表示曲轴加工后的残余应力分布值，三角形线型表示经过本申请所提供的大型曲轴变形控制方法调试后的曲轴残余应力分布值。由调控前、后的残余应力进行比较，可以看出调控后曲轴各监测点的残余应力与调控前相比均有明显的降低。如图4所示，无处理的曲轴加工形变远远大于经过高能声束调控处理的曲轴形变，可以清楚有力的说明本申请实施例所提供的方法具有较强的消减残余应力与控制曲轴加工形变的能力。

为了使高能声束对曲轴调试效果更好，更有效的去处曲轴内部的残余应力的产生，在步骤S3之前和/或步骤S3过程中，还可以包括步骤S21，该步骤S21为根据上述实施方式中所采用的高能声束换能器4的频率，调节高能声束换能器4的工作频率和电压，以确保输出电压和输出电流相位一致，以达到较佳的调试效果，从而更有效的去除曲轴残余应力。

进一步的，在步骤S3过程中，还可以根据示波器显示的波形变化，调整高能声束的工作频率和电压。该示波器可以与高能声束换能器4电连接，放大功率后实时显示高能声束的电压值变化或电流值变化，以反映入射到曲轴内部高能声束的能量大小，显示电压值或电流值的数值越大，说明高能声束的能量越大，反之，显示电压值或电流值的数值越小，说明高能声束的能量越小。从而可以随时调节输入的电压及输入的频率，以调节发射的高能声束的能量大小，使高能声束可以持续输入适当的能量，始终保持较佳的调试状态，可以达到更好的调试效果。

进一步地，上述高能声束换能器4发出的高能声波可以为：低频高能量的高能声波、高频低能量的高能声波、宽范围的频带和宽范围的能量的高能声波、纵波、横波、表面波和导波模态的高能声波。由此，可以根据曲轴产生不同的高能声波，可以对不同曲率、厚度的曲轴内的残余应力进行消减和均化。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种大型曲轴变形控制方法，其特征在于，包括步骤：

S1、检测并记录曲轴待调控部为的应力值；

S2、将曲轴固定在工装上，使高能声束换能器的发射端与待调控部位耦合；

S3、开启高能声束换能器向曲轴内发射高能声束，并控制工作频率在10-30kHz范围内，根据待调控部为应力值设定预计调控时间；

S4、到达预计调控时间，关闭高能声束换能器，从工装上取下曲轴。

2.根据权利要求1所述的大型曲轴变形控制方法，其特征在于，所述S4之后还包括：

S5、检测并记录曲轴待调控部为的应力值，并与上次检测的应力值进行比较，如应力值降低则回到S2，如应力值不变，则结束。

3.根据权利要求1所述的大型曲轴变形控制方法，其特征在于，所述S3还包括调节高能声束换能器的工作频率和电压，使电压和输出电流相位一致。

4.根据权利要求1所述的大型曲轴变形控制方法，其特征在于，所述S3还包括控制高能声束是声波能量聚焦到材料表面或内部。

5.根据权利要求1所述的大型曲轴变形控制方法，其特征在于，所述S2还包括通过工装的固定使曲轴对准曲轴轴线。

6.根据权利要求1所述的大型曲轴变形控制方法，其特征在于，所述高能声束可以包括低频高能量的高能声波、高频低能量的高能声波、宽范围的频带和宽范围的能量的高能声波、纵波、横波、表面波和导波模态的高能声波中的至少一种。

7.根据权利要求1所述的大型曲轴变形控制方法，其特征在于，所述S2还包括在高能声束换能器的发射端涂抹耦合介质。

8.根据权利要求7所述的大型曲轴变形控制方法，其特征在于，所述耦合介质可以为工业用油脂、超声横纵波耦合剂、蜂蜜或甘油。

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