圆角处理（通用7篇）
圆角处理 篇1
1 曲轴圆角淬火处理背景
轴颈圆角是发动机运行时最容易成为裂纹起源的位置,出于提高曲轴疲劳强度的目的,必须对圆角进行强化处理。对批量1.6 L及以下的小排量发动机铸铁曲轴,由于曲轴有待强化的圆角(R角)更小,很多情况下甚至仅为1.2 mm,大大增加了进行淬火加热的难度。故面对小排量发动机球墨铸铁曲轴的圆角强化处理,“轴颈面淬火+圆角滚压”(图1)依然是当前国內外汽车制造业的主流工艺。
2 小型铸铁曲轴圆角感应淬火强化工艺的实践
2.1 感应淬火工艺在小排量发动机铸铁曲轴圆角强化的生产实践
为了使“轴颈表面和圆角一次性感应淬火”(图2)能够适应批量生产的要求,需要解决以下几个方面的问题:
a.配置高性能的专用感应淬火头等硬件,这是满足对很小的圆角进行有效强化的基础;
b.在试生产期间,及时且有针对性的调整并优化相应的工艺参数,以根据出现的问题,不断改进零件经强化处理的表面质量;
c.在进行试验过程中,曾多次发现形态不一的淬火裂纹,只有准确找出其发生根源,才能杜绝此类隐患的发生。
2.2 感应淬火试验时曲轴表面出现裂纹的原因追溯
2012年前、后的试生产期间,在运行了曲轴表面强化处理工序,再通过荧光磁粉探伤工位时,曾多次发现在零件表面出现形态不一的裂纹。
所出现的裂纹可分为两类,第1类是淬火裂纹,指在施行新的热处理强化工艺后,在圆角(图3a)及两侧止推面所出现的裂纹(图3b);第2类是出现在主轴颈和连杆轴颈工作面上有关部位的裂纹,如油孔旁边出现的细微裂纹等(图4)。由于加工对象中的绝大多数是球墨铸铁件,淬火后,在短时间内曲轴获得由过大能量转换成的热量,将会产生很大的内应力,因铸铁毛坯本身强度有限,故而有产生裂纹的趋势。采取了降低电压来减少施加能量的方法,再辅以淬火延时,以减小可能产生的微观裂纹。经反复调整、试验,确定了较合适的淬火电压。采取壳型铸造方式时,在模具没有完全冷却时直接进行浇铸,会导致疏松等缺陷的发生。通过对毛坯质量的改进,优化了淬火液的浓度及温度,改善了零件的制造质量,大大降低了裂纹等缺陷。
2.3 用于小型铸铁曲轴圆角强化处理的一次性感应淬火的工艺验证
曲轴强化处理工艺验证主要通过硬化层的性状(包括硬化层深度、硬度和金相组织)、在工件表层形成的残余应力场的状况2个方面的结果分析来进行评价。
采用传统方式生产的EA111自然吸气发动机曲轴系列发动机已不再生产,但鉴于安装有该发动机的上百万辆轿车依然正常行驶,为此,工厂里还保留了包括圆角滚压在内的一些关键设备,以定期生产EA111系列的曲轴备件。执行新强化工艺的曲轴产品中有20%左右的锻钢件,用于涡轮增压机型,其属性决定了经感应淬火强化处理后的效果将更加稳定。工艺验证以现今常用的对标方式进行,标样即为EA111的1.6L滚压曲轴和EA211的1.4L TSI曲轴。
3 经过感应淬火强化处理形成的硬化层性状测试
3.1 对试样表面形成的硬化层性状的全面测试
对采用感应淬火后形成的硬化层性状进行全面测试依据的标准,既有GB/T 9450-2005(钢件渗碳淬火硬化层深度测定和校核),也有企业推出的针对性更强的专业标准,验证测试参照的是大众标准PV1069-2013(感应淬火的球墨铸铁曲轴表面硬化层的相关试验)。图5给出了被测试曲轴的受检部位,覆盖了工件的所有区域,至于圆角,强调务必测出对应(主轴颈或连杆颈)的左右两处,见图6,其中2个箭头所指为PL2,即第2连杆轴颈进行检测时的相应圆角示意。
表1是5种曲轴经表面强化后硬化层的测试结果。从表1中可见,经过感应淬火强化处理后的球墨铸铁曲轴,硬化层深度要求控制在1.8~5.2 mm之间。硬化层深度定义与GB/T 9450-2005的表述一致,只是通用标准中边界值规定为450HV,而这里规定为325HV。打点时的间隔和逐点测试硬度时的负载均由企业自定。
图7是通过在硬化层深度范围逐点测试,而绘制出来的硬度梯度曲线,在曲线绘制完成后,就可以对硬化层深度合格与否做出判断,此处选圆角位置,为1.7 mm,与合格线下限很接近。另外,对应的金相组织评定也相当完善,除了需在报告中有如表1那样的说明外,均要求附有各个被检位置的金相图,参见图8。图8a是在做金相试验时尚未进行腐蚀时的状况,反映了试样在常态下的组织形态。中间和右图对应于在3%硝酸腐蚀下产生的金相组织显微图,分别为淬火区域和非淬火区域,均正常。
3.2 对测试结果的观察和分析
对表1中的测试结果观察、分析后可以看出,球墨铸铁曲轴在采用了感应淬火强化工艺后,其表面经过强化处理后的质量可以保证,而锻钢件圆角的硬化层深度大多接近允许值下限。球墨铸铁曲轴圆角在经过滚压强化处理后,硬化层深度很少达到1 mm,即抵御疲劳破坏所必须的残余压应力都集中在表层,从而降低了抵抗工作中疲劳载荷的稳定性。
图9为EA211和EA111两款1.6L发动机曲轴的对比。从图中可见,EA211曲轴通过改变结构来达到减轻重量的目的。轻量化结构的改变主要有3处,第1处为减少了用于平衡的扇形板数量,从8块减少为4块;第2处为增加了4处去重孔,第3处为主轴颈和连杆轴颈直径减小。而曲轴重量由原来EA111 1.6L的12 353 g减轻到EA211的8 858 g,重量降低率达到了30%[8]。在经过结构轻量化后,EA211的曲轴变得更加细长,刚性变差。
4 表层残余压应力的形成及其对提高零件疲劳强度的意义
4.1 影响汽车零件工作寿命和性能发挥的原因及改善的途径
曲轴承受弯、扭复合疲劳载荷,结构特点决定了其扭转强度远大于弯曲强度,对4缸机以下曲轴,主要以(平面)弯曲负载为主,6缸机及以上,才可能出现扭转大于弯曲的情况。实践表明,曲轴的主要失效形式为弯曲疲劳破坏[3]。而在发动机曲轴断裂失效中,80%由弯曲断裂引起,如前所述,对以4缸机为主的小排量发动机曲轴,其平面弯曲(图10)强度更低。
4.2 曲轴圆角残余应力测试
当曲轴受到如图10所示弯曲载荷作用时,将在工件上部轴线方向产生拉应力,而由于曲轴承受的是交变载荷,故上部由主轴颈与曲柄、即扇形板连接处的2处圆角,以及与之对应的图11中的连杆轴颈与左、右曲柄连接处圆角均为危险区域。因此,要确认圆角强化后产生的残余压应力是否足以抵御上述由弯曲造成的拉应力时,只需检测沿工件轴线方向的正应力即可。按国外标准(PV1005-2005)的规定,要在曲轴圆角完整地建立残余应力场,需要按辐射状在90°范围内,每隔15°进行一次由表及里的测试,采用电解腐蚀的“剥层”方式,除第一层为0.2 mm外,之后每0.5 mm再取一点。这项实际操作的要求很高,在圆角半径仅为1.2~1.5 mm、又是位于连杆轴颈内侧的情况下,即使利用如Proto型的先进检测仪器,并采取更灵活的侧倾法,也很难完成全部测试,见图12。因此,实际测试时,只选择在45°方向,且按不等距离方式来进行采样。
为看得更清晰,在图11中只绘制了2条曲线,反映了经滚压和感应淬火两种强化处理后的残余应力场状况。后面的实测数据表明,其他样本的几个起点和走势相似。表2给出了工件在这2个位置的实测值。
MPa
5 结束语
曲轴是发动机的关键件,因此,确保其有足够疲劳强度的强化工艺非常重要。为了简化生产流程、提高产品质量、降低制造成本,进行了一次性感应淬火工艺实践,通过对所形成的曲轴圆角表面硬化层的性状测试和表面残余应力分析,验证了这一新的强化工艺的效果和可行性。为众多同类企业提供了可以借鉴的成功案例。
参考文献
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圆角处理 篇2
随着航空、航天、高速列车、高级乘用车等行业的蓬勃发展,各领域对高强度螺栓的要求越来越高。螺栓头下圆角处是应力集中点,是发生疲劳断裂的危险截面之一。对螺栓头下圆角部位采取冷滚压工艺,是大幅度地提高螺栓的疲劳强度的重要手段[1]。目前,国内对螺栓头下圆角滚压多采用钻床加装辅助工装,手工操作。使得生产中存在工艺参数不确定、不稳定,产品一致性差,工人劳动强度大等缺点。对于大飞机等重大项目,对高温合金、钛合金等特种螺栓提出的技术要求就更高,上述加工方式很难实现。
因此,研究螺栓圆角滚压工艺,研制与高强度螺栓圆角滚压大批量生产模式相适应的高性能专用生产装备,解决企业在高强度螺栓生产中的技术及装备瓶颈,具有重要意义。
1 螺栓圆角滚压工艺及影响因素分析
1.1 螺栓圆角滚压原理
对螺栓圆角的冷滚压是利用金属材料冷变形加工硬化的特性,通过滚压工具对圆角部位的回转滚压,使其表层材料在压应力作用下产生塑性变形,使表层晶粒组织致密,减小表面粗糙度,纤维保持连续流畅的状态,同时产生冷作硬化现象,在表面产生有利的残余压应力,从而提高螺栓的抗疲劳强度和可靠性[2]。
1.2 螺栓圆角变形要求
高强度螺栓的头下圆角经滚压后的变形量需要严格控制[3]。如图1所示,为螺栓头下圆角滚压变形示意图,为了满足提高疲劳强度的要求,相关标准中,对螺栓头下圆角的滚压变形量有严格规定,如图1中:A、B、C等。圆角滚压的基本要求是确保滚压深度尺寸B,又保证圆角两侧与螺栓杆部、端部过渡光滑。
1.3 影响圆角滚压尺寸的主要参数分析
螺栓圆角的塑性变形受螺栓材料的性能、滚压前圆角几何尺寸及其公差、热处理情况等多因素的影响。通过大量试验研究表明,在工艺参数中影响圆角变形量的主要参数是滚压力、滚压转速及滚压时间[2,4]。
1)滚压力:滚压力是螺栓圆角产生塑性变形的直接原因,也是影响产品加工质量的主要参数。滚压力加载过大,导致变形量过大,滚压变形量控制参数A、B、C可能超差;滚压力加载太小,圆角变形量过小,达不到提高螺栓疲劳强度的预期效果。滚压力在圆角滚压过程中是一个动态的变化过程,受到螺栓本身的材料性能、圆角几何尺寸及其公差和变形程度,加载方式及其稳定性等因素的影响。此外,滚压过程还是一个包含了塑性变形、弹性变形的复杂变形过程。因此,滚压力的控制极为重要并有一定难度。
2)滚压转速:对于不同的材料性能、热处理、直径尺寸和圆角尺寸的螺栓,在不同的滚压力作用下有不同的变形速度要求。因此,滚压转速必须根据螺栓的材料性能、热处理、直径尺寸、圆角尺寸、滚压力以及加工效率进行合理选择。滚压转速过快,材料变形不充分,变形反弹大,达不到变形量要求;反之,加工效率低下。
3)滚压时间:滚压时间是影响滚压变形量、表面质量的一个重要参数。滚压时间过长,效率低下,滚压部位可能出现起皮,表面质量反而下降;而滚压时间过小,变形量不足,表面质量低。为此,为了保证圆角滚压的塑性变形量、批量生产时滚压质量的稳定,必须合理控制滚压时间。
2 数控圆角滚压机研制
2.1 数控圆角滚压机工作原理
经过研究分析以及与相关企业进行充分研讨,研制出了适应高强度螺栓大批量、现代化生产的专用数控生产装备。数控圆角滚压机由主机、滚压夹具和控制系统组成,如图2、3、4所示。工作时,变频电机驱动主轴做回转运动,并可根据加工螺栓的材料性能、热处理、直径尺寸、圆角尺寸、滚压力以及合理的加工效率等因素所需的变形速度要求通过人机交互界面调整转速;伺服电机通过传动系统驱动滚压夹具上升,当螺栓头部与主轴相连的压头接触时,在摩擦力的作用下,主轴带动螺栓做回转运动。同时,夹具上的滚轮也在摩擦力的作用下,由螺栓带动绕其轴线的回转运动;当压力检测系统检测到滚压力达到设定的参数时,控制系统进入恒压保持阶段。此时,螺栓圆角在滚轮的滚压作用下变形,滚压时间到达后,伺服电机反转,滚压夹具回到初始位置,完成一个螺母收口工作循环。
2.2 滚压力加载过程分析
经过对圆角滚压过程和特点的试验、研究,变形量尺寸精度控制要求、圆角滚压后螺栓抗疲劳强度试验和大量生产、试验结果分析,结合生产要求,数控圆角滚压机应具有滚压力控制精度高、响应速度快,生产过程效率高、产品精度高和一致性好等特点。工作循环主要应包括装卸、快进、工进1、工进2、保压及快退等过程。滚压夹具在这五个过程中的位移线图如图5所示。
工作循环中:
装卸过程(0—t1):设备进给系统处于停止状态,进行工件的装卸;
快进过程(t1—t2):装卸位置的存在使滚压夹具有较大的空行程,这一过程中工件应尽可能快速接近压头,提高生产效率;
工进1过程(t2—t3):此时,工件离压头距离较小,滚压夹具上升速度迅速减小,实现平稳加载;
工进2过程(t3—t4):当滚压力接近设定目标值时,夹具从工进1速度切换到一个更低的速度进行加载,以利精确控制滚压力;
保压过程(t4—t5):滚压力达到设定值时,为了使材料充分变形,有效控制回弹量,保证圆角滚压变形量精度、表面质量,系统进入恒压滚压阶段。
快退过程(t5—t6):夹具以最快速度退回到装卸位置,提高加工效率;
上述工作过程中,滚压转速和滚压力是实现圆角滚压的关键;保压过程,是保证圆角变形尺寸精度及大批量生产产品尺寸、抗疲劳强度一致性的关键;快进、快退与工进、保压之间进行大速度比的运动转换是实现大批量高效生产的关键。
2.3 数控圆角滚压机主要特点
2.3.1 位置控制精度高
在位置控制技术方面,螺母收口机采用数控技术进行位置控制,通过绝对位置控制模式,实现了运动部件快速而准确的坐标位置精确控制。执行件的脉冲当量为δ=10µm/pulse的高精度控制。
2.3.2 滚压力的精确控制
设备在滚压夹具与传动系统中串联了合适的弹性补偿系统以及压力传感器。无弹性补偿系统串联时,系统刚度过大。由于不可避免的零件尺寸误差、变形过程中的尺寸变化、设备运动误差及振动等将造成压力波动过大。弹性补偿系统的引入,降低了滚压力对夹具位移、螺栓变形尺寸、设备振动、运动及运转误差和位置控制精度等因素的敏感性,同时起到缓冲作用,为力的精确控制奠定了基础。通过压力传感器实现滚压力的实时测量与监控,两者共同作用实现了滚压力的精确控制,误差控制在设定值的3%之内。
2.3.3 生产效率高
由于采用伺服驱动,各运动过程的速度均可在相当大的范围调整,适应了大速度比运动速度转换,使快进、快退等过程得以高速完成,节约了时间,且过程转换平稳,生产效率大幅度提高,满足了高效生产要求。
2.3.4 滚压速度可控可调
主轴采用无级变频调速驱动,可根据加工螺栓的材料性能、热处理、直径尺寸、圆角尺寸、滚压力以及加工效率等因素需要的变形速度要求进行调整,调速方便、可靠,实现不同的滚压转速控制。
2.3.5 设备适应性好
通过更换滚压夹具及调整,能适应各种不同规格的螺栓圆角滚压加工。滚压夹具的三组滚轮,具有自动定心功能,调整方便。
2.3.6 具有配方功能和日记功能
产品质量追踪、配方生产是许多重要零件质量保证的重要措施,也是必不可少的环节。设备利用高端触摸屏实现了产品生产工艺的配方功能及日记功能。配方功能实现了相同规格产品的工艺参数的一致性,从而保证了不同批次产品的质量与一致性,减少人为因素,提高了工作效率。日记功能实现了每件产品的生产情况记录,对生产日期、生产者、批号、工艺参数的动态记录,为产品质量追踪、质量保证提供了数字资料。
2.3.7 操作、监控界面友好,使用、维护方便
数控螺母收口机采用触摸屏及少量按钮开关组成人机交互系统,为用户提供了友好的操作、监控界面[5],工艺参数、设备运行参数均通过屏幕直接数字输入,操作简便、直观。同时,通过触摸屏可以在线实时监控加工过程及设备运行情况,快速发现产品缺陷和设备故障。设备使用、维护方便。部分操作界面如图6所示。
3 应用效果
数控圆角研制成功后,进行了大量针对性试验,试验结果表明,设备性能良好。其中,对圆角滚压起关键作用的滚压力、滚压速度及滚压时间控制精度均达到较高水平。滚压力控制误差3%范围内,较好的控制了滚压转速,精确控制了滚压时间。设备运行平稳,基本无噪声,设备运行参数可以在相当大的范围调整,适应不同产品加工要求。目前,设备已交付国内多家企业使用,对几十种上百万件不同规格不同材料的高强度螺栓进行了批量加工,产品合格率近100%,设备运行稳定,提高了产品质量及稳定性,为企业提高了生产效率,创造了良好的经济效益。
4 结论
通过对高强度螺栓圆角滚压工艺的试验、分析,找出了影响圆角滚压的主要因素。根据工艺研究结果,研制了满足螺栓圆角滚压大批量、现代化生产的专用数控生产装备。该设备采用了数控、伺服驱动、变频调速、触摸屏人机交互等技术,具有滚压力控制精度高且稳定,生产效率高、适应性好、运行平稳、操作维护简单、环境友好等特点。实际应用表明,数控圆角滚压机运行良好,产品质量稳定,适合于各种规格的高强度螺栓的单件试验及大批量生产。
摘要：分析了影响螺栓圆角滚压的主要工艺参数。在此基础上,提出了螺栓圆角滚压的合理工艺过程和要求,研制了数控螺栓圆角滚压机。该设备采用了数控、伺服驱动、变频调速和触摸屏人机交互等技术,实现了螺栓圆角滚压工艺过程的自动控制。实际生产检验表明,该设备具有工艺参数控制精度高、生产效率高、适应性好、运行平稳、操作维护简单、环境友好等特点,适合于各种规格的高强度螺栓的单件试验及大批量生产。
关键词：螺栓,滚压,数控
参考文献
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复杂轮廓棱边倒圆角的加工 篇3
1 倒圆角数学模型、刀具半径补偿与可编程参数设定指令
1.1 倒圆角数学模型
(1)建立倒圆角方程
在制造中,常用球头铣刀进行倒圆角加工。球头刀半径的圆弧面与倒圆角的圆弧面相切原理如图1所示,根据数学三角函数的辅助线构造设定的各种变量值如下:R=球刀的半径;r=倒圆角的半径;α=角度变量;
刀具Z方向的变量:A=(R+r)sinα(1)
刀具X方向的变量:C=(R+r)cosα(2)
刀位点(刀尖)Z方向的变量:B=A-R-r(3)
刀具中心线到圆角底部轮廓的法向距离:D=C-r(4)
由式(1)、(2)、(3)、(4)得到:
由式(5)、(6)可以看出:圆弧圆心点O与刀心点O1的连线OO1和圆弧底部水平线OP之间夹角α的变化可以控制B、D的值,从而控制刀具在圆弧面上的路径轨迹线,这为我们利用宏程序编程提供了条件。
(2)倒圆角数学模型的边界条件
倒圆角加工轨迹路线见图2和图3所示。从圆角的最低面开始,如图2(a)所示,此时的球刀刀心点水平位置与圆角的最低线处于同一直线上,即为图3中球刀处于1位置,可知球刀刀位点的绝对值与圆角顶部的距离刚好为球刀的半径值加圆角的半径值,那么由图1及式(5)、(6)中得知,此时:
当刀具以等角度方式自下而上逐层爬升加工时,如图2所示,每一层走完一次轮廓后,刀具就平移一个变化量,每一层的变化量根据角度变化而定,对于此时的任意位置如图2(b)位置,即图3中球刀在2的位置。当变化角度α从0°增大至90°时,即图3中粗实线轮廓尺寸由小变大,形成等角度环绕加工(以角度为自变量),D由正值递减为负值。当球刀到达倒角圆弧的顶面时,如图2(c)位置,即图3中球刀3的位置,由式(5)、(6)可知,此时:α=90°,D=-r,B=0(8)
边界条件的确定,对于宏程序的编写有着至关重要的作用,可利用这些边界条件来判断循环的开始和终止。
1.2 刀具半径补偿
在实际加工零件中,通常为了加工出合格的零件,在编写程序时,都需要用到半径补偿指令,其格式为:
中,D参数为00~99的存储器,在加工前将要补偿的半径值通过机床面板输入相应的存储器中,加工时可自动提取存储器中的补偿值供程序使用,从而加工出合格的产品,但是,直接利用上述刀具半径补偿指令只能解决补偿值常量的产品加工,对于半径补偿值为变量的情况就不能只使用此指令编程了。
1.3 可编程参数设定指令G10
在FANUC系统中,G10指令可以实现刀具几何参数的设定和编辑,通过此指令能够把一个变量输入到半径(或长度)补偿的存储器中。具体刀具补偿存储器的和补偿值设置范围如表1所示。
在表1中,“P_”为刀具补偿号;“R_”为刀具补偿量,表1中的格式有四种,在倒圆角数控编程当中所需的是刀具半径补偿量,故选用第三种格式即:G10 L12 P_R_。
使用了此格式指令后,就可以将刀具的半径补偿值通过G10指令赋给相应的刀具半径存储器。例如:G10L12 P01 R#4,该指令表示:将“变量4”的值赋给01号存储器D01中。值得注意的是,在G90(绝对坐标)有效的情况下,R后面的数值会直接输入相应的刀具的补偿号中;而在G9l(相对坐标)有效的情况下,R后面的数值会与相应的刀具的补偿号中原有的数值叠加,得到一个新的数值后替换掉原来的数值。通过半径补偿指令和G10指令配合使用,可以很方便地实现刀具变半径的补偿。
2 复杂轮廓棱边倒圆角的宏程序编制
对于倒圆角的宏程序是建立在平面轮廓的参数方程和倒圆角的数学模型两个重要的数学基本条件之上,两者之间相互关联,相互影响。
2.1 复杂轮廓的数学表达及其宏程序实现
对于二维平面内的复杂轮廓,通常总是能够用数学模型表达出来,或者分段后可以用数学模型表达。同样,在数控程序编写时,就可以利用宏程序来描述这些轮廓。例如:如图4所示渐开线轮廓,用方程表示为:x=a(cost+tsint),y=a(sint-tcost)用宏程序可以描述为:
对于上面的宏程序,可以用于任何能用方程表达的平面轮廓,这样,就可以很方便地实现程序编写。
2.2 建立倒圆角宏程序的基本结构
倒圆角宏程序是建立在半径补偿、可编程参数设定指令G10基础之上的,再结合上面分析得到的式(5)、(6)、(7)、(8),可以写出倒圆角宏程序的基本框架如下:
综上所述,要进行倒圆角的处理,必须用宏程序结合刀具半径补偿、可编程参数设定指令G10才能实现。由于宏程序通用性强,编程简练,加工效率高,在有规则的曲线、曲面(可用参数方程表达)铣削加工中,具有独特的作用。刀补值使用变量表达后,就可以将不断变化的刀补值利用G10指令来赋值给半径补偿存储器,利用宏代码来编写程序,从而实现棱边倒圆角的加工。
3 复杂轮廓棱边倒圆角应用举例
以下通过椭圆槽棱边倒圆角加工,如图5所示,进行对其倒圆角宏程序的编制。图形说明:零件的外轮廓及椭圆槽都已加工完毕,以下所讲述的是针对椭圆槽棱边R5倒圆角而进行详细说明。椭圆槽中心即为G54原点,顶面为Z0,以等角度方式自下而上加工,以顺铣方式(逆时针方向)单向走刀加工椭圆圆角。
分析椭圆的参数方程为:X=acosβ,Y=bsinβ其中a为长半轴,b为短半轴,β为椭圆轮廓的变化角度(椭圆中心与椭圆上任一点连线与X轴的夹角),本例中采用左刀补的方式来加工,根据上述半径补偿,G10指令及倒圆角模型程序主体如下:
程序说明如下:
(1)“G10L12P01R#10”仅仅决定了“变量#10输入到刀具半径(几何)补偿值D01中”,而系统在处理“D01”时是将半径几何补偿值与半径磨损补偿值之算术和值为最终的D01值,因此必须事先在从CRT面板手工或者使用“G10L13P01R0”,把“D01”中的“半径磨损补偿值”一项清零,否则程序运行时很可能会出现过切报警。
(2)#14、#19为角度增量值,其对加工轮廓或曲面的精度和粗糙度都有影响,角度越小,精度越高,表面质量越好,但所需的加工时间会相应地延长。
(3)当要求分粗、精加工时,可以修改刀具半径,加上余量值,例如定义#6=3+0.3=3.3。
(4)程序中首尾出现的“G40”,对于经常性的程序暂停、重启以及调试将非常方便;而对于程序中间的“G40”对于保证刀路的逻辑正确性则是必不可少的,直接影响到程序的正常运行。
4 结语
通过实际加工,此编程方法可以快速地加工出轮廓棱线的圆角,比自动编程加工都要方便快捷,加工效果也十分优越,对于平面复杂轮廓曲线倒圆角来说,无疑是一种效率高、加工效果好的方法,而且程序简明,灵活性也较大。该程序适用于复杂轮廓的倒圆角加工,只要轮廓能够用数学模型表达出来,就能找出刀具半径补偿量的值,通过G10指令配合半径补偿及嵌套宏程序也同样能够进行倒圆角加工。
摘要：数控铣削加工中常常会遇到一些复杂轮廓棱边倒圆角的加工。针对使用软件自动编程的加工方法的缺陷问题,建立了倒圆角数学模型,讨论了复杂轮廓的宏程序实现及变半径补偿的编程方法,提出了一类复杂轮廓的倒圆角的加工程序编制方法,并举例说明了编程方法。该倒圆角方法可提高产品的加工效率和产品圆角表面质量。
关键词：G10指令,半径补偿,宏程序,复杂轮廓,倒圆角
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圆角处理 篇4
柔性铰链利用其自身的弹性变形而非刚性元件的运动来传递或转换运动、力或能量,相对于传统运动铰链,具有运动分辨率高、无摩擦、无需润滑、制造工艺简单等优点,广泛应用于光刻物镜[1,2,3,4]、微动工作台[5,6,7,8]、电子扫描显微镜[9]、超精密加工机床[10,11,12]等领域。
理想铰链转动时,其转动中心是固定不动的,而柔性铰链依靠自身弹性变形产生运动,其转动中心随着载荷变化而移动,因此会引起转动误差。其转动误差可以通过柔性铰链几何中心的偏移量表示。国内外学者围绕柔性铰链的精度进行了相关研究工作。文献[13,14]基于卡氏第一、第二定理建立了圆弧型、椭圆型、抛物线型、双曲线型以及直梁圆角型柔性铰链回转精度的理论模型,但其模型中没有考虑剪切引起的应变能。文献[15]同样基于卡氏第一、第二定理给出了直梁圆角型、抛物线型以及正割曲线型柔性铰链回转精度的解析计算公式,但其推导过程中同样没有考虑剪切引起的应变能的影响。文献[16]采用有限元法分析了圆弧型、直梁圆角型和椭圆型柔性铰链的回转精度,结果表明:当铰链的长度、宽度和最小厚度相等,且施加的外载荷和铰链偏转相同时,直梁圆角型柔性铰链相对回转精度最高。文献[17]分析了加工误差对柔性铰链精度的影响。
上述针对柔性铰链回转精度的分析大都是基于卡氏第一、第二定理采用能量法进行的推导,本文则根据材料力学悬臂梁理论,在考虑轴向拉伸、弯曲和剪切等作用下,针对直梁圆角型柔性铰链的回转精度进行了分析。首先,基于悬臂梁理论推导了柔性铰链几何中心平面内线性变形量Δx、Δy的解析计算方法,建立了柔性铰链回转精度矩阵的闭环解析模型,并给出了当r≪t时回转精度矩阵各项参数的简化计算公式。然后,建立了直梁圆角型柔性铰链的有限元模型,通过比较解析值和有限元仿真值,验证了回转精度矩阵闭环解析模型的正确性。最后,分析了柔性铰链的材料参数和结构参数对其回转精度的影响。
1 直梁圆角型柔性铰链的回转精度
直梁圆角型柔性铰链如图1所示,铰链为直梁片状结构,两端与基体采用圆角方式连接。直梁圆角型柔性铰链的主要几何参数有铰链高度h、铰链长度l、铰链厚度t及圆角半径r。 建模时将柔性铰链的右端固定,左端为自由端,x轴正方向从柔性铰链的固定端指向变形端,y轴垂直于直梁薄片平面。
图2所示为直梁圆角型柔性铰链的截面图。图中0-1段和3-4段为圆角部分,1-3段为直梁部分。直梁圆角型柔性铰链是厚度t随x变化的变截面梁,其函数表达式为
柔性铰链的回转精度是指在自由端4点处外载荷Fx、Fy、Mz作用下柔性铰链几何中心2点处的位姿变化量Δx、Δy。当柔性铰链的变形量较小时,可以认为其变形为线弹性变形,建模时应考虑轴向拉压、弯曲和剪切的影响。
1.1 Fx引起的x方向线性变形
柔性铰链几何中心2点处x方向的线性变形主要是由力Fx拉压引起的。
根据拉压胡克定律,得到0-1段变截面梁的轴向变形量为
式中,E为柔性铰链材料的弹性模量。
根据拉压胡克定律,得到1-2段等截面梁的轴向变形量为
柔性铰链几何中心2点沿x轴方向的变形量为0-1段和1-2段变形量的总和,因此有
于是得到柔性铰链的回转精度矩阵参数cx,Fx为
当r≪t时,式(4)、式(5)分别简化为
1.2 Fy引起的y方向线性变形
力Fy引起的沿y方向变形主要由弯矩变形和剪切变形组成。
Fy弯矩引起的0-1段变截面梁沿y方向的变形量为
Fy弯矩引起的1-2段等截面梁沿y方向的变形量为
Fy剪切引起的0-1段变截面梁沿y方向的变形量为
式中,G为柔性铰链材料的切变模量;ν为柔性铰链材料的泊松比。
Fy剪切引起的1-2段等截面梁沿y方向的变形量根据剪切胡克定律有
于是得到Fy作用下柔性铰链几何中心2点沿y方向的总变形量为
于是得到柔性铰链的回转精度矩阵参数为
当r≪t时,式(13)、式(14)可简化为
1.3 Mz引起的y方向的线性变形
施加力矩Mz时,0-1段变截面梁沿y方向的变形量为
施加力矩Mz时,1-2段等截面梁沿y方向的变形量为
由Mz引起的沿y方向的变形量为0-1段、1-2段变形量的总和,因此有
于是得到柔性铰链的回转精度矩阵参数为
当r≪t时,式(19)、式(20)可简化为
1.4 柔性铰链的回转精度矩阵闭环模型
根据式(5)、式(13)、式(20)可以得到直梁圆角型柔性铰链几何中心2点处平面内的偏移量Δx、Δy与平面内力/力矩Fx、Fy、Mz的关系,将公式转换成矩阵形式为
式中,C为柔性铰链平面内的回转精度矩阵。
2 直梁圆角型柔性铰链回转精度的有限元验证
为了验证推导得到的直梁圆角型柔性铰链回转精度闭环解析式,采用UG NX NASTRAN软件对直梁圆角型柔性铰链进行了有限元建模仿真和分析。直梁圆角型柔性铰链的有限元模型如图3所示。柔性铰链的材料参数和结构参数分别为:弹性模量E=141GPa,泊松比ν=0.259,铰链高度h=11mm,铰链厚度t=1mm,铰链长度l=4mm,圆角半径r=0.3mm。建模时,柔性铰链的右端完全约束,在左侧的直梁自由端4点处施加单位力Fx、Fy和单位力矩Mz,观察柔性铰链几何中心2点的偏移量Δx、Δy。图4为单位力Fx、Fy和单位力矩Mz综合作用下的直梁圆角型柔性铰链的变形图,图中虚线所示为柔性铰链变形前的位置,由图可知施加单位载荷时,偏移量Δy远大于偏移量Δx。
回转精度矩阵各参数的有限元仿真分析结果与解析计算值如表1所示,两者的相对误差控制在5%以内,从而验证了直梁圆角型柔性铰链回转精度的闭环解析式的正确性。
3 材料参数和几何参数对柔性铰链回转精度的影响
柔性铰链的回转精度是通过其几何中心2点的偏移量来表示的,相同外载荷作用下,几何中心2点的偏移量越小,其回转精度就越高。为了便于分析,取加载到自由端4点的外载荷为单位力和单位力矩,于是式(23)可以表示为
由式(24)可知,柔性铰链回转精度与材料弹性模量E和泊松比ν有关系,其中,弹性模量E越大,回转精度越高;泊松比ν越大,回转精度越低;柔性铰链回转精度与铰链高度h成反比,即柔性铰链高度h越大时,其回转精度越高。
为了分析铰链厚度t、铰链长度l及圆角半径r对回转精度的影响,以及量纲一参数s和q对偏移量Δx、Δy的影响,假设s=r/t, q= l/t,且0≤s≤1,3≤q≤10,如图5所示。由图5可知,柔性铰链几何中心2点的偏移量Δx随着s的增大而近似线性减小,随着q的增大而线性增大;Δy随着s的增大而非线性减小,随着q的增大而非线性增大。因此,当柔性铰链的厚度t确定时,圆角半径r越大,铰链长度l越小,其回转精度就越高。
为了分析柔性铰链的厚度t对其回转精度的影响,若假定0.5mm≤t≤4mm,h=11mm,r=0.3mm,l=4mm,则Δx、Δy均随着t的增大而非线性减小,且其减小的速率均随着t的增大越来越小,如图6所示。
4 结论
本文基于悬臂梁理论推导了直梁圆角型柔性铰链几何中心点2的偏移量Δx、Δy的解析计算方法,建立了柔性铰链平面内回转精度矩阵的闭环解析模型,给出了r≪t时回转精度矩阵模型的简化计算公式。采用与有限元分析结果相比较的方式对解析模型进行了验证,结果表明两者的相对误差小于5%,从而验证了回转精度矩阵闭环解析模型的正确性。分析了柔性铰链的材料参数(弹性模量E、泊松比ν)以及结构参数(铰链高度h、铰链厚度t、铰链长度l和圆角半径r)对回转精度的影响,结果表明:
(1)直梁圆角型柔性铰链材料的弹性模量E越大、泊松比ν越小,其回转精度越高。
(2)直梁圆角型柔性铰链的高度h越大时,其回转精度越高。
(3)当量纲一参数0≤s≤1,3≤q≤10时,随着s的增大、q的减小,回转精度越来越高。因此当柔性铰链的厚度t一定时,圆角半径r越大,铰链长度l越小,其回转精度就越高。
(4)当柔性铰链的结构参数h、r、l一定,且0.5mm≤t≤4mm时,随着t的增大,回转精度非线性增高,变化速率越来越小。
本文建立的直梁圆角型柔性铰链回转精度矩阵闭环解析模型,可为柔性铰链以及柔顺机构的设计优化提供理论依据。
倒圆角直梁型柔性铰链疲劳分析 篇5
柔性铰链是柔顺机构的重要组成部分。典型柔性铰链在柔顺机构中的应用最为广泛, 但也存在着运动空间较窄、强度较弱、适用范围较小等问题, 而复合型柔性铰链不仅解决了上述问题, 而且还具有较少的间隙、较高的定位精度和较好的疲劳性能。因此, 复合型柔性铰链在精密定位平台中拥有极好的发展前景。
近年来, 随着计算机的高速发展, 计算机仿真技术在产品研发过程中的运用越来越多, 其中采用有限元仿真技术对产品机构进行疲劳分析更是一大趋势。与传统疲劳分析方法相比, 有限元疲劳仿真技术能够提供零部件表面的疲劳寿命分布, 可以在产品的最初设计阶段, 通过确定零部件表面的疲劳寿命薄弱位置, 可以极大的避免不良设计。
本文以一复合型柔性铰链—倒圆角直梁型柔性铰链为基体, 通过有限元疲劳仿真实验, 得到倒圆角直梁型柔性铰链表面的疲劳寿命分布, 确定其薄弱位置的疲劳寿命, 从而掌握了倒圆角直梁型柔性铰链的使用寿命。
1 疲劳分析方法与过程
疲劳, 是用来表述材料在循环载荷作用下的损伤和破坏。国际标准化组织对疲劳所做的定义是:“金属材料在应力或应变的反复作用下所发生的性能变化叫做疲劳。”根据疲劳破坏发生时, 材料的应力循环次数, 疲劳破坏可以分为低周疲劳和高周疲劳两种不同的破坏形式, 对于不同的疲劳破坏形式, 疲劳分析方法各不相同。工程设计中常用的疲劳分析方法有:名义应力法、局部应力应变、应力场强法和能量法。
虽然根据不同的适用范围, 疲劳分析方法不尽相同, 但是疲劳分析方法都要通过以下步骤: (1) 对零部件进行结构分析, 确定零部件的危险部位; (2) 进行材料的S-N疲劳实验, 得到材料的S-N曲线; (3) 处理载荷, 形成载荷谱; (4) 选择合适的疲劳损伤累积理论, 得到零件危险部位的疲劳寿命。
设计人员将通过有限元分析得到的零部件表面的应力分布导入疲劳分析系统;然后在疲劳分析系统中选择材料的S-N曲线, 并输入载荷谱;在确定合适的疲劳损伤累积规则后, 疲劳分析系统便开始对零部件的危险部位进行疲劳分析, 得到零部件危险部位的疲劳寿命, 从而掌握整个柔性铰链的疲劳寿命。传统疲劳分析过程与有限元疲劳分析过程之间的比较如表1所示。
2 基于有限元倒圆角直梁型柔性铰链疲劳分析
2.1 倒圆角直梁型柔性铰链的数学模型建立
如图1所示的倒圆角直梁型柔性铰链, 其缺口形状由直梁型和直圆型复合而成。其杆部截面是矩形, 铰链由4个垂直于端面的1/4圆柱面和两个矩形块对称切割而成。其结构参数为:宽度b、高度H、最小厚度t、倒圆角半径R、直梁部分长度L。考虑到倒圆角直梁型柔性铰链形状较为复杂。因此, 假定倒圆角直梁型柔性铰链为一边固定, 另一边上端受力。
2.2 倒圆角直梁型柔性铰链的有限元分析
由于倒圆角直梁型柔性铰链薄弱位置的极限载荷与运动范围要求, 选择一组较为恰当的数据进行疲劳分析, 选择机构的几何参数为b=0.2 mm, t=0.4 mm, R=0.8 mm, L=1.6 mm。
2.2.1 建立倒圆角直梁型柔性铰链的有限元模型
有限元分析软件可对倒圆角直梁型柔性铰链的数学模型进行应力分析。如图2所示, 作者通过有限元软件ANSYS建立了倒圆角直梁型柔性铰链的有限元模型, 单元数为8956, 节点数为27559。
2.2.2 倒圆角直梁型柔性铰链应力的有限元求解
根据倒圆角直梁型柔性铰链的工作原理, 对其添加了约束和外力 (边界条件为左边固定, 右边上端施加力F) , 对倒圆角直梁型柔性铰链的弯曲正应力进行数值求解。
倒圆角直梁型柔性铰链承受100 N正压力时的计算结果如图3所示, 可以看出最大弯曲正应力位于两个缺口形状的连接处。
由分析机构可知倒圆角直梁型柔性铰链的最大弯曲应力小于材料的屈服极限。所以, 倒圆角直梁型柔性铰链产生疲劳破坏时, 材料仍将处于弹性变形区。因此, 采用名义应力法对倒圆角直梁型柔性铰链进行疲劳分析, 分析过程如下。
2.3 倒圆角直梁型柔性铰链疲劳分析
将通过有限元分析得到的倒圆角直梁型柔性铰链表面的应力分布导入疲劳分析系统, 然后选择材料的S-N曲线, 并输入载荷谱;最后, 选择合适的疲劳损伤累积理论, 便可以开始对倒圆角直梁型柔性铰链进行疲劳分析。
2.3.1 倒圆角直梁型柔性铰链的工作情况
在倒圆角直梁型柔性铰链工作过程中, 最大应力小于材料的许用应力即可保证倒圆角直梁型柔性铰链正常工作, 因此分析倒圆角直梁型柔性铰链应力的疲劳寿命时, 只需对受到最大应力破坏的节点进行讨论。利用静力学进行疲劳分析, 根据提供的材料参数, 选择材料的S-N曲线如图4所示。
2.3.2 倒圆角直梁型柔性铰链的载荷施加
倒圆角直梁型柔性铰链在F=100 N的作用下做往复运动, 其运动轨迹复符合正弦规律, 输入的载荷谱如图5所示。
2.3.3 倒圆角直梁型柔性铰链疲劳分析结果
根据倒圆角直梁型柔性铰链载荷作用下的应力分布, 计算其疲劳寿命, 求得最大弯曲应力破坏的节点Node 1342在两个缺口形状的连接处, 疲劳寿命为循环次数617 580次, 在1×105~1×107范围之内, 属于高周疲劳范畴。
3 结论
本文通过对倒圆角直梁型柔性铰链疲劳分析可知:
(1) 有限元分析表明采用梁单元可准确模拟分析倒圆角直梁型柔性铰链的内部应力;
(2) 有限元仿真实验结果表明:倒圆角直梁型柔性铰链最大弯曲应力破坏点位于两个缺口形状的连接处, 疲劳寿命循环次数为6.18×105次;
(3) 倒圆角直梁复合型柔性铰链的抗疲劳强度优于直圆型柔性铰链和直梁型柔性铰链;
(4) 研究的复合型柔性铰链为倒圆角直梁型, 对于双曲线、椭圆、抛物线等其他曲线复合的柔性铰链并没有涉及, 需要进行后续的研究。
摘要：典型柔性铰链研究结果表明, 柔性铰链的缺口形状对柔性铰链的疲劳性能具有本质影响, 而具有特殊缺口形状的柔性铰链一直缺乏系统研究, 其疲劳性能具有重要研究价值。尤其对于复合型柔性铰链, 通过有限元仿真实验, 计算其疲劳寿命, 对于复合型柔性铰链的疲劳性能研究具有重要意义。基于有限元疲劳分析法, 在一端固定, 另一端承受力矩或力的边界条件下, 对倒圆角直梁型柔性铰链进行疲劳分析, 得到柔性铰链薄弱环节的寿命情况, 进而掌握整个柔性铰链的使用寿命, 为新型柔性铰链的工程设计提供了理论依据。
关键词：柔性铰链,倒圆角直梁型,仿真实验,疲劳分析
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圆角处理 篇6
深滚压技术背景
曲轴在工作中承受交变载荷, 主轴颈和连杆颈圆角过渡处属于曲轴强度的薄弱环节, 轴颈与曲柄臂过渡圆角在加工后存在应力集中, 长期的高速旋转和较大的交变负荷应力将有可能造成曲轴圆角处产生裂纹或断裂。
为了提高曲轴的疲劳强度, 如果靠增加曲轴主轴颈和连杆轴颈的直径, 以达到增加两轴颈的重叠高度或重叠面积来保证曲轴的疲劳强度, 就会造成曲轴结构的庞大和重量的增加, 不仅使材料的利用率低, 同时也增加了发动机的重量, 使发动机燃油经济性差, 这与当前发动机轻量化、经济性、环保性发展要求相悖。而发动机曲轴采用深滚压技术, 在曲轴原有材质结构基础上, 就可以大大提高曲轴整体疲劳强度, 满足这一要求。
深滚压技术原理
使用深滚压技术, 滚压轮在接触压力下沿着沟槽圆周方向移动, 根据金属变形理论:零件表面在外力作用下, 被滚压金属的原子间距离会暂时减小或晶粒间产生滑动, 当外力达到一定数值时, 被加工表面金属除产生弹性变形外, 还形成塑性变形。由于塑性变形的产生, 使零件被加工表面的形状、组织结构和物理性能都发生了变化, 使金属被滚压层的组织变得紧密、晶粒变细, 晶粒形状也沿着变形最大的方向延伸, 在被滚压金属表层内产生一定残余压应力, 使金属表面得到强化, 提高了零件表层冷作硬化硬度, 压平了微观不平度, 降低了零件的表面粗糙度值, 被滚压金属表面的强度极限、屈服极限和疲劳极限都有提高。
曲轴圆角滚压装备
滚压头是曲轴圆角滚压设备中直接作用于曲轴的部件, 它安装在滚压臂上, 以其与曲轴的相对关系分为深滚压头和支撑头 (见图1) 。知名深滚压设备制造商Hegenscheidt公司 (以下简称HG公司) 提供的深滚压工具代表了当前的流行趋势。H G公司拥有先进的机床设计制造技术、经验, 全球最先进的汽车发动机曲轴深滚压机床 (见图2) 基本上都出自H G公司, 其产品遍布各大轿车、商用车发动机曲轴生产线上。
深滚压头 (上滚压头) 主要组成部件:深滚压头壳体、盖板、心轴、轴承、导轮、滚压轮和滚压轮支撑 (见图3) , 其中导轮跟滚压轮需要特种材质制造及相应热处理后, 才能满足使用要求 (用设定滚压力对曲轴圆角进行强化, 并且具有较高的使用寿命) 。滚压轮支撑的设计制造要点是:在深滚压头与轴颈分离时既能保证滚压轮不脱落, 又要保证滚压轮在工作状态中自由转动。
如图4所示的H G深滚压头结构, 既可以满足滚压轮与轴颈接触点位置的调整, 也可以满足使用中快速更换损坏零件 (如滚压轮、滚压轮支撑) 。但采用该结构的深滚压头有一个弱点, 就是不同宽度的深滚压头, 必须搭配相应宽度的滚压轮支撑, 这对于备件管理来说增加了难度。
另一家作为专业设计制造深滚压刀具的公司为美国Lonero公司。Lonero的设备工艺以及设计技术都是最先进的, 可以提供设计生产各系列的深滚压工具。Lonero公司作为专业设计生产深滚压工具的供应商, 其代表产品更具特点。如图5所示, 滚轮支撑位于深滚压头壳体两侧, 对于不同宽度的滚压头, 滚轮支撑可以很好地互换, 并且更换相当方便。
1.滚压轮支撑2.心轴3.导轮4.滚压轮
支撑头 (下滚压头) 常见形式如图6所示。该结构广泛应用于各类深滚压机床, 但其弱点为支撑头滚轮宽度固定, 对于不同轴颈档宽的曲轴产品, 需要配置不同的支撑头, 因此削弱了机床柔性加工的适应能力。
另一种支撑头结构如图7所示, 采用滚柱来代替固定宽度的支撑头滚轮。采用该结构的支撑头可以通过更换滚柱来适应不同宽度的轴颈 (见图8) 。
对于自动深滚压机床, 需要在滚柱两边安装挡块, 以防滚柱产生窜动 (见图9) 。
支撑头的另一种结构为采用滚压轮来支撑曲轴轴颈 (见图10) , 但这种样式结构复杂, 在现实应用中比较少。
目前车用发动机曲轴制造企业, 除了优先选用国外品牌深滚压刀具外, 还可以选用国内深滚压设备制造商提供的产品。比较知名的有二汽工艺研究所、青海第二机床厂、山东滨州慧科科技等公司生产的深滚压设备及刀具系统。国产深滚压设备可在较大范围内做加工参数调整, 以适应企业多产品小批量生产的要求, 性价比高, 符合国内一般车用发动机曲轴生产企业的实际需求, 相比国外品牌具有更大的用户群。
结语
曲轴圆角滚压工艺是目前最为理想的强化工艺之一, 它不仅能够显著提高曲轴的疲劳寿命 (圆角滚压的曲轴疲劳强度约增加60%以上) , 而且还可获得较好的表面质量, 有利于提高生产率。与国外品牌相比, 国产曲轴圆角滚压装备的自动化、智能化程度还有待提高。另外, 滚压刀具的材质及热处理工艺直接影响到其使用寿命, 因此制造过程中的质量控制尤为重要。
圆角处理 篇7
许多机械零件(尤其是汽车零件)由于功能和结构的需要,其形状往往有一处或几处内圆角及外圆角的结构。零件直径在骤然增加或减小时,都将形成外圆角和内圆角。所谓内圆角是指抠向(或挖向)零件体内部形成的角,底部由圆弧过渡,称为圆弧内圆角。当然,底部也有清根的,称为清根内圆角。如果外圆角和内圆角结构同时处于感应淬火区域内加热,将产生明显的加热温度分布不均现象。
外圆角通俗叫法是“楞角”或“棱角”。感应加热有个效应,叫“边缘效应”或“楞角效应”,指的是感应加热时楞角处易“抓住”磁力线,而且“抓住后,轻易不放”,自然使楞角处加热快,温度高。内圆角在感应加热时的表现与外圆角正好相反,即加热慢,温度低,甚至完全加热不起来。因此,内圆角很难建立淬火层。
内圆角感应加热之所以困难,有两个原因。一是内圆角的两个“边”(图1)屏蔽了内圆角,使磁力线不能进入到圆角处。当使用圆环感应器的时候,磁力线是围绕有效导线的封闭圆环线,且具有能量。它在接近圆角时首先进入两个边,并在两个边上产生热量,使其升温。内圆角处没有磁力线进入,不会产生热量,内圆角的热量全靠两边传导而来。这样,内圆角的加热温度低于其两个“边”的相邻位置。二是内圆角处接受的热量要以270°扇面形式向内部传导。因此,内圆角及其里面的热容量远远大于其附近圆柱面及其里面(等厚度)的热容量,前者可能是后者的三倍以上,也就是说,当前者与后者获得相同的热量时,前者温度升高的幅度只能是后者的1/3,或者更低。因此,内圆角感应加热层的建立是很困难的,自然淬火层的建立也是困难的[1]。
国外的设计师们尊重感应加热的这个特点,坚持内圆角要有淬火层,使零件在该处的强度得到提高,但其深度要减到能够保证强度需要的最低值。于是,产生了一个优秀的设计:为了满足零件强度要求,内圆角要有一个较薄的淬火层深度,这样也防止了为追求内圆角淬火层较大的深度,而导致其相邻部位淬火层过深形成不良后果。下面列举几个国外厂家的设计例子,与国内同仁共同学习。
2 轿车轮毂轴
图2是某国外品牌轿车的轮毂轴,它的工况是很恶劣的,既要传动大扭矩,又要承受疲劳弯矩,而且危险截面就在R3内圆角处。因此,R3内圆角必须有淬火层,以保证零件强度和整车的安全。设计师也知道内圆角建立淬火层是很困难的,所以他将内圆角淬火层减至0.5(最小),而其他部位分别为1.3~3.5和1.5~4.5(图1)。
恒精公司(以下简称H公司)开发了该零件的感应技术,淬火层样品如图3所示。图中显示了淬火层基本仿形分布,R3内圆角45°方向上为1.5 mm,远大于技术要求的0.5 mm,甚至大于国外的原厂件的淬火深度,自然零件的疲劳寿命远高于国外的原厂件。该轮毂轴内圆角淬火层深度与疲劳寿命的具体关系如表1所示。
3 输出凸缘轴
图4所示的是某外国品牌轿车的输出凸缘轴,该零件的淬火区域内有两处台阶,属于阶梯轴类的零件,在其淬火区域中同样有两个内圆角(清根退刀槽)结构。显然,右面第一个退刀槽是危险截面,这里需要有一定深度的淬火层,以保证零件的强度。但是淬火层深度要达到与轴颈淬火层深度相同是很困难的,所以该零件的设计师将此处淬火层减了下来,注明淬火层大于1即可,其他部位淬火层为2.0~3.5。
将内圆角的淬火层深度减小,使整个零件淬火部位淬火层连续,保证内圆角附近的轴颈表面淬火温度不至于过高,淬火层不至于过深,从而使零件获得优秀的力学性能。
H公司开发了输出凸缘轴的淬火技术。其退刀槽部分的淬火样品如图5所示。经检验表明该处淬火层是2.2 mm左右,大于技术要求(表2)。显而易见,该零件的强度提高了,寿命也增加了。
4 轻型客车转向节
某公司生产的铃木轻型客车转向节的形状及内圆角淬火层要求如图6所示。由图可知在宽度25左右的范围内有两个内圆角和一个外圆角。这是小范围内的内圆角与外圆角结合结构,既有感应加热十分困难的两个内圆角,又有感应加热十分敏感的一个外圆角(楞角效应)。这样的结构很可能出现内圆角还没有淬好(淬火层很薄),外圆角却“烧了”(外圆角“过热”或产生淬火裂纹)的现象。H公司开发了转向节的感应淬火技术,淬火样品如图7所示,淬火层深度如表3所示。
该转向节感应淬火有两个难点:
一是内圆角淬火层不易达到设计要求。
二是外圆角的淬火层必须控制,否则很容易产生淬火裂纹。
5 轿车半轴
图8是某外国品牌轿车的半轴,实际也是输出凸缘和半轴的结合体,这样巧妙的设计,不仅简化了结构,还降低了成本。然而,它却将所有难题交给了感应淬火。
第一,油封套部分,表面硬度55~62HRC。油封套壁厚2~3.2 mm,要求淬火层在0.5~0.8 mm,存在极易淬透的危险。考虑到强度需要,根部内圆角也要淬火,淬火层≥0.2。此外,根部的淬火层还要延伸到边缘。
为完成上述要求,必须选用高频淬火,而且要设计出高效率的感应器,保证在极短的时间内,使薄壁—小圆角—圆环面的复杂结构同时完成淬火。
第二,轴杆部分,表面硬度55~62HRC,淬火层深度2.5~4.0。轴杆的淬火层要求深入到油封套内部。为完成以上要求,必须设计特殊形状的感应器,使感应器大致要伸到油封套的底部,才能做出图示的淬火层。
H公司开发的淬火技术,完全达到了零件图纸的技术要求,具体数值见表4。
6 球头销
某国外品牌轿车的转向球头销感应淬火技术条件如图9所示(淬火层0.5~3.2,表面硬度600HV~700HV)。显然该设计师知道颈部内圆角的淬火层要求较深是很困难的,淬火层设计的下限为0.5 mm,这个深度就是给颈部内圆角,其他部位淬火层要深一些,最大做到3.2 mm。H公司开发的球头销淬火层样品如图10所示;球头销感应淬火要求及结果如表5所示。
中、重载重汽车的半轴大多都是有法兰盘的,法兰盘与轴杆之间的圆角也属于内圆角结构,必须感应淬火。但国内一些厂家的设计师,对半轴法兰盘淬火层设计存在一些误区,他们设计的法兰圆角处淬火层往往偏深,反而伤害了半轴强度。
半轴淬火层的深度设计:中型载重车半轴淬火层为4~7 mm;重型载重车为7~11 mm(或8~12 mm)。一般图纸上还附加一句话“花键淬火层从底径量起”。其实上述数据准确说来是指轴杆的淬火层深度,花键的淬火层深度可适当减小一点。而法兰圆角的淬火层一般没有特殊说法,生产厂家多把4~7或7~11理解为法兰盘圆角的淬火层深度。当然也有在零件图上强调法兰盘圆角淬火层并清楚地标明,如R淬火层7~9.5,甚至连法兰盘圆角的淬火园(Φ100)也明确表明要求(图11)。
作者认为法兰盘圆角淬火层设计一般有以下两个问题:一是法兰圆角淬火层太深;二是法兰盘上淬火圆太大。图11所示某种半轴规定法兰盘圆角淬火层要达到7~9.5 mm。法兰盘淬火圆直径为Φ100,即要淬火层从轴颈根部单面上爬18 mm。这种两条设计要求都是设计师的误区,他们以为R处淬火层越深,法兰盘淬火圆越大,半轴强度会更高。其实恰恰相反,半轴感应淬火如果真的做到以上要求,半轴的强度将被严重伤害。
法兰圆角既然属于内圆角结构,自然存在加热效率低,淬火层建立困难的问题。法兰圆角淬火层太深和法兰盘上淬火圆太大,对半轴强度的伤害原因是共同的,要实现这两条规定,都要进行长时间、大面积的加热。法兰盘厚度一般20 mm左右,长时间的加热会将法兰盘的整体热透,淬火冷却后除在一定厚度的淬火层内为压应力外,法兰盘的其余部分均在热应力作用下呈现拉应力状态,拉应力大大降低了法兰盘的强度。导致半轴轴杆从法兰盘上拧掉或法兰盘上出现一个大孔洞的重大质量问题(图12)。上述情况在文献[2]有明确论述,该文还介绍了某国外著名汽车公司的载重汽车半轴设计数据(表6),供参考。
mm
从表6可以看到三种半轴的圆角淬火层只要求>3 mm,法兰盘淬火圆的直径只要等于轴根直径加10 mm。其实法兰盘上的淬火圆是不用标注的,法兰盘淬火园是圆角淬火层的边缘,是自然形成的,不必特殊要求。当法兰圆角淬火层为4~5 mm时,淬火层会从轴根向上爬5 mm以上,形成法兰盘淬火园≥轴根直径+10(mm)。
8 挖掘机引导轮
引导轮是履带式挖掘机、起重机、拖拉机上的一种重要零件,其边缘周而复始地引导履带板循环运动,工况恶劣,所以导向部分必须硬化,特别是内圆角处。引导轮的淬火区域中也有内圆角结构(图13),该设计师同样知道内圆角感应淬火是困难的,因此特别指出内圆角淬火层≥1,而其他地方淬火层为2~4。
此种零件在我国的多数工厂采用连续淬火法,操作比较简单。连续淬火法内圆角淬火层是容易做到的,但在圆周上必须存在软带,零件工作时,软带处将会产生严重的局部磨损。
H公司开发了引导轮中频淬火自动线,由两台四工位淬火机床、翻身机构和感应回火装置等组成。图14是该线淬火的引导轮淬火样品,从图中可以看到圆角处的淬火层为2.5 mm。当然,这是采用某种技术措施之后的结果。之所以能采用技术措施,是因为引导轮是体型庞大、质量厚实的粗糙零件,精细的汽车零件是很难采用技术措施的。引导轮内圆角感应淬火要求及结果如表7所示。
9 支重轮轴
支重轮轴的内圆角是清根内圆角,感应加热十分困难。
图15是某国外厂家设计的支重轮轴及感应淬火层技术条件。零件材料原为48号钢,因国内没有该标准的钢号,不得不改用45号钢代替。
支重轮轴也是履带式挖掘机、起重机、拖拉机等工程机械的重要零件。在22宽的台阶两侧各安装1只支重轮,多个支重轮轴总成支撑着整台设备的重量。显然该轴在台阶两侧要承受巨大的弯矩,为提高轴的强度,两侧内圆角必须有淬火层,设计师也清楚地知道清根内圆角淬火很困难,特将内圆角处淬火层减小至>1 mm。
从图5我们可以看到,输出凸缘轴的清根内圆角淬火层做到了2.2 mm。研究图4我们可以看到在清根退刀槽附近,尽管是多台阶结构,但台阶并不高,仅3 mm左右,这样其屏蔽作用比较小。而图15的清根内圆角是在一个大直角里面,其最短的一个边也是19.5 mm,具有强大的屏蔽作用,因此支重轮轴的清根内圆角淬火层的建立是非常困难的。估计,国产支重轮轴的清根内圆角淬火层能达到设计要求的厂家,肯定是不多的。H公司开发了支重轮轴的淬火技术,但清根内圆角的淬火层也仅达到1.4 mm。支重轮轴感应淬火要求及结果如表8所示。
10 结论
a.内圆角类零件感应加热是困难的,自然建立淬火层也是困难的。其原因一是内圆角被它的两个“直角边”屏蔽了,磁力线进不到内圆角;二是内圆角部位的热容量远大于其临近圆柱面部位的热容量,致使内圆角处的温升幅度较小。
b.国外设计师了解内圆角部位感应加热的特点,将零件的内圆角淬火层深度有所减薄。这样既使得淬火层连续,保证了零件强度,又避免了可能产生的其他弊病。
参考文献
[1]林信智,杨连第.汽车零部件感应热处理工艺与设备[M].北京:北京理工大学出版社,1998:161-163.