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摘 要 在大型的机器构件体系中，曲轴是其中必不可少的主要零件，在机器高速运转的过程中，曲轴能够承受机器的循环应力，因此，曲轴的工作环境与条件都非常恶劣，而曲轴圆角滚压强化能够使曲轴的寿命有效延长。本文以圆角滚压强化的概述为研究基点，从曲轴圆角滚压的强化机理以及滚压工艺等方面进行的技术综述，并对滚压强化技术的未来发展做出了展望。
关键词 曲轴；滚压强化；技术综述
中图分类号：TK403 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2015）02-0167-02
在大型机械运转的过程中，曲轴所起到的作用非常关键，但恶劣的工作环境会使得曲轴在长期应力与应变的作用下发生局部变形，且这种变形是不可恢复的，长时期处于这种状态的曲轴便会产生裂纹，直至完全性断裂。所以，在很多机械应用曲轴之前，都会对其进行强化处理，而圆角滚压技术便是强化曲轴的有效方法，具有成本低、效率高、效果好的特点。
1 圆角滚压强化的概述
在滚压强化中，表面滚压强化事实上是无屑光整的一种加工方法，一般在常温状态下进行，以淬火钢等高硬度材料为依托，对被加工零件的表面形成压力，进而使其产生一种塑性形变，以提升零件表面的压应力，达到强化目的[1]。而圆角滚压强化是表面滚压强化中的一种，主要是在主轴与曲轴的轴颈以及连杆与曲柄之间的圆角等部位，运用滚压旋转的方式，将压力施加到零件上，以形成一种塑性的变形区域，使零件危险界面处的应压力产生变化，令其更加具有合理性，是一种比较特殊的表面强化方法。
曲轴圆角滚压强化技术的主要特点有以下几方面：1）可以使曲轴表面的粗糙度有效降低，从而令被滚压零件的表面得到强化，在进行滚压之后，零件会产生一部分残余的压应力，使零件的硬化层深度与硬度得到明显提升。2）可以有效减小零件在切削过程中留下的痕迹，降低零件表面缺陷，进而使零件的集中应力程度得到有效降低。3）滚压技术在应用过程中无需加热，因此，其处理零件的时间也会相对较短。4）圆角滚压强化技术的成本相对较低，有助于提升生产率。
2 曲轴圆角滚压强化机理
曲轴的应力主要集中在曲轴的圆角部位，因此，曲轴一旦发生问题，大多也都出现在圆角处[2]。而滚压强化机理主要指的是曲轴在进行圆角滚压之后，使零件疲劳寿命得到有效提升的基础理论，本文主要从以下几方面进行论述。
1）微观组织。曲轴在进行圆角滚压的过程中，零件的表层金属会在滚轮的压力下发生塑性形变，其基本形变方式为滑移，也就是一些晶体沿着一个晶面向另一部分晶体发生的动态变化，这一过程基本是通过曲轴载荷完成的，而晶界可以在一定程度上对晶体的运动产生阻碍作用，同时，因为晶体之间的位向会有所差异，也会在一定程度上对晶体之间的运动产生制约作用，阻碍晶体形变。在同样条件的影响下，晶体数量越多则产生的局部应力越分散，进而使零件能够承受的塑性形变加大。
2）表面质量。零件在经过加工以后，其表面会变得相对粗糙，这也是应力集中的主要原因，而尖端切口的产生也造成了应力的集中。一般情况下，零件的疲劳源都发生在应力相对集中的区域，而疲劳裂纹的形成与扩散也主要源于应力的过度集中。所以，零件表面粗糙度越低，则零件的疲劳强度与寿命越强。为了使曲轴表面应力的集中程度下降，需要对曲轴进行磨削加工，使其表面粗糙度达到Ra=0.8μm，而圆角处的特殊形状使其很难被加工，表面粗糙度也很难得到保证，所以，曲轴圆角滚压的加工原理是一个表面粗糙度较低的硬质与一个表面粗糙度较高的软质之间的摩擦，运用这种方式降低零件的表面粗糙度。
3）残余压应力。在延长零件疲劳寿命方面，一种早已被人们发现的方法便是引入残余压应力，其主要作用于零件材料的疲劳性能，而残余压应力也因为这一点备受世人所关注[3]。当前主要的研究途径主要在应力的强度因子方面，在零件表面出现裂纹时，如果交变载荷达到了一定程度，便会使零件的应力强度达到临界状态，裂纹也会因此发生拓展，隐密处，必须要提升零件的交变应力，才能够使残余压应力真正对零件疲劳强度产生作用。
3 曲轴圆角滚压工艺
现阶段，曲轴圆角滚压技术由于工序与圆角的差异性[4]，将曲轴滚压划分为以下两种。
1）切线滚压。这种滚压方式主要应用于曲轴的精磨加工以后，其优势在于加工过程相对简单，从而提升加工的生产效率，但其劣势在于在对零件轴颈表面进行加工的过程中，零件很容易被挤出凸台，不仅后续工艺中也增加了一到工序，也会造成滚压层变薄，影响滚压效果。
2）圆角沉割槽滚压。这种滚压方式是基于切线滚压的缺点而研发的，主要是在切线滚压的基础上，增加一个与滚轮半径相同的凹槽。如此以来，在滚压完成之后进入磨削工序时，便不会产生滚压层变薄的现象，提升滚压效果。是当前应用相對较广的一种工艺。
4 曲轴圆角滚压工艺参数优化
曲轴滚圆强化是通过滚压将曲轴中容易疲劳破坏的过渡圆角产生塑性变形，同时产生残余压应力使表面强化的工艺。该工艺可以显著提高曲轴的疲劳寿命。由于滚压强化的效果在于滚压后滚压区域产生残余压应力的数值大小及其分布形态。因此，曲轴圆角滚压工艺中，滚压力、滚压圈数等参数对提高滚压加工质量和加工效率有着重要意义。
通过查阅资料[5-6]，国内外研究人员利用“有限元”的方法，来探究滚压加工过程中形变及应力变化规律。可以从动力学上进行滚压的数值模拟，分析曲轴滚压后圆角处残余应力和塑性应变的分布和大小，得出残余应力和塑性应变在圆角处得分布趋势。曲轴圆角滚压工艺的参数滚压结果的影响可以从滚压道次、摩擦因数、滚压深度、滚轮形状、滚轮倾角等考虑。通过仿真实验结果，探究了曲轴残余应力和塑性变形的影响，得出参数与残余应力和塑性变形的对应关系。以上研究方法曲轴滚压中工艺参数的选取和曲轴圆角的检测提供参考和理论。
5 滚压强化技术的未来发展
在未来，滚压强化技术主要会在理论、工艺以及数值模拟等方面有所发展。具体来讲，理论方面主要会在滚压强化机理以及计算方面有所发展，更加倾向于对最佳残余应力等方面的理论研究；工艺方面主要需要提升滚压参数的准确度与充分性，以便于在未来研究曲轴材料等对滚压层的影响；在数值模拟方面，主要研究曲轴圆角在滚压完成之后存在的残余应力状态。
6 结论
现阶段，圆角滚压技术已经成为曲轴的主要强化方法，本文对曲轴圆角滚压的强化机理以及滚压工艺等方面进行的技术综述，相信在未来，滚压强化技术能够在理论、工艺、数值模拟等方面更加完善，使该技术能够得到更好发展。
参考文献
[1]王庆祝，马淑英，尚玉峰.曲轴的强度研究方法与曲轴疲劳寿命的提高[J].拖拉机与农用运输车，2013（08）.
[2]薛焕东.大型球墨铸铁曲轴轴颈部的圆角滚压强化工艺[J].机车车辆工艺，2014（09）.
[3]徐劲力，盛小兵，韩少军.曲轴滚压强化圆角变形的有限元分析与仿真[J].制造业自动化，2011（10）.
[4]薛隆泉，刘荣昌，崔亚辉.曲轴圆角滚压运动及结构参数的优化设计[J].机械工程学报，2002（01）.
[5]李惠珍，杨松林，袁兆成，方华，李盛成.曲轴圆角的优化设计[J].内燃机工程，1991（02）.
[6]李海国.数控曲轴圆角滚压机床的设计与开发[J].汽车工艺与材料，2014（07）.
作者简介
郭威（1985-），男，汉族，河北衡水人，长城汽车股份有限公司天津哈弗分公司动力事业部门技术主管，助理工程师，研究方向：汽车发动机生产现场刀具切削技术。
关键词 曲轴；滚压强化；技术综述
中图分类号：TK403 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2015）02-0167-02
在大型机械运转的过程中，曲轴所起到的作用非常关键，但恶劣的工作环境会使得曲轴在长期应力与应变的作用下发生局部变形，且这种变形是不可恢复的，长时期处于这种状态的曲轴便会产生裂纹，直至完全性断裂。所以，在很多机械应用曲轴之前，都会对其进行强化处理，而圆角滚压技术便是强化曲轴的有效方法，具有成本低、效率高、效果好的特点。
1 圆角滚压强化的概述
在滚压强化中，表面滚压强化事实上是无屑光整的一种加工方法，一般在常温状态下进行，以淬火钢等高硬度材料为依托，对被加工零件的表面形成压力，进而使其产生一种塑性形变，以提升零件表面的压应力，达到强化目的[1]。而圆角滚压强化是表面滚压强化中的一种，主要是在主轴与曲轴的轴颈以及连杆与曲柄之间的圆角等部位，运用滚压旋转的方式，将压力施加到零件上，以形成一种塑性的变形区域，使零件危险界面处的应压力产生变化，令其更加具有合理性，是一种比较特殊的表面强化方法。
曲轴圆角滚压强化技术的主要特点有以下几方面：1）可以使曲轴表面的粗糙度有效降低，从而令被滚压零件的表面得到强化，在进行滚压之后，零件会产生一部分残余的压应力，使零件的硬化层深度与硬度得到明显提升。2）可以有效减小零件在切削过程中留下的痕迹，降低零件表面缺陷，进而使零件的集中应力程度得到有效降低。3）滚压技术在应用过程中无需加热，因此，其处理零件的时间也会相对较短。4）圆角滚压强化技术的成本相对较低，有助于提升生产率。
2 曲轴圆角滚压强化机理
曲轴的应力主要集中在曲轴的圆角部位，因此，曲轴一旦发生问题，大多也都出现在圆角处[2]。而滚压强化机理主要指的是曲轴在进行圆角滚压之后，使零件疲劳寿命得到有效提升的基础理论，本文主要从以下几方面进行论述。
1）微观组织。曲轴在进行圆角滚压的过程中，零件的表层金属会在滚轮的压力下发生塑性形变，其基本形变方式为滑移，也就是一些晶体沿着一个晶面向另一部分晶体发生的动态变化，这一过程基本是通过曲轴载荷完成的，而晶界可以在一定程度上对晶体的运动产生阻碍作用，同时，因为晶体之间的位向会有所差异，也会在一定程度上对晶体之间的运动产生制约作用，阻碍晶体形变。在同样条件的影响下，晶体数量越多则产生的局部应力越分散，进而使零件能够承受的塑性形变加大。
2）表面质量。零件在经过加工以后，其表面会变得相对粗糙，这也是应力集中的主要原因，而尖端切口的产生也造成了应力的集中。一般情况下，零件的疲劳源都发生在应力相对集中的区域，而疲劳裂纹的形成与扩散也主要源于应力的过度集中。所以，零件表面粗糙度越低，则零件的疲劳强度与寿命越强。为了使曲轴表面应力的集中程度下降，需要对曲轴进行磨削加工，使其表面粗糙度达到Ra=0.8μm，而圆角处的特殊形状使其很难被加工，表面粗糙度也很难得到保证，所以，曲轴圆角滚压的加工原理是一个表面粗糙度较低的硬质与一个表面粗糙度较高的软质之间的摩擦，运用这种方式降低零件的表面粗糙度。
3）残余压应力。在延长零件疲劳寿命方面，一种早已被人们发现的方法便是引入残余压应力，其主要作用于零件材料的疲劳性能，而残余压应力也因为这一点备受世人所关注[3]。当前主要的研究途径主要在应力的强度因子方面，在零件表面出现裂纹时，如果交变载荷达到了一定程度，便会使零件的应力强度达到临界状态，裂纹也会因此发生拓展，隐密处，必须要提升零件的交变应力，才能够使残余压应力真正对零件疲劳强度产生作用。
3 曲轴圆角滚压工艺
现阶段，曲轴圆角滚压技术由于工序与圆角的差异性[4]，将曲轴滚压划分为以下两种。
1）切线滚压。这种滚压方式主要应用于曲轴的精磨加工以后，其优势在于加工过程相对简单，从而提升加工的生产效率，但其劣势在于在对零件轴颈表面进行加工的过程中，零件很容易被挤出凸台，不仅后续工艺中也增加了一到工序，也会造成滚压层变薄，影响滚压效果。
2）圆角沉割槽滚压。这种滚压方式是基于切线滚压的缺点而研发的，主要是在切线滚压的基础上，增加一个与滚轮半径相同的凹槽。如此以来，在滚压完成之后进入磨削工序时，便不会产生滚压层变薄的现象，提升滚压效果。是当前应用相對较广的一种工艺。
4 曲轴圆角滚压工艺参数优化
曲轴滚圆强化是通过滚压将曲轴中容易疲劳破坏的过渡圆角产生塑性变形，同时产生残余压应力使表面强化的工艺。该工艺可以显著提高曲轴的疲劳寿命。由于滚压强化的效果在于滚压后滚压区域产生残余压应力的数值大小及其分布形态。因此，曲轴圆角滚压工艺中，滚压力、滚压圈数等参数对提高滚压加工质量和加工效率有着重要意义。
通过查阅资料[5-6]，国内外研究人员利用“有限元”的方法，来探究滚压加工过程中形变及应力变化规律。可以从动力学上进行滚压的数值模拟，分析曲轴滚压后圆角处残余应力和塑性应变的分布和大小，得出残余应力和塑性应变在圆角处得分布趋势。曲轴圆角滚压工艺的参数滚压结果的影响可以从滚压道次、摩擦因数、滚压深度、滚轮形状、滚轮倾角等考虑。通过仿真实验结果，探究了曲轴残余应力和塑性变形的影响，得出参数与残余应力和塑性变形的对应关系。以上研究方法曲轴滚压中工艺参数的选取和曲轴圆角的检测提供参考和理论。
5 滚压强化技术的未来发展
在未来，滚压强化技术主要会在理论、工艺以及数值模拟等方面有所发展。具体来讲，理论方面主要会在滚压强化机理以及计算方面有所发展，更加倾向于对最佳残余应力等方面的理论研究；工艺方面主要需要提升滚压参数的准确度与充分性，以便于在未来研究曲轴材料等对滚压层的影响；在数值模拟方面，主要研究曲轴圆角在滚压完成之后存在的残余应力状态。
6 结论
现阶段，圆角滚压技术已经成为曲轴的主要强化方法，本文对曲轴圆角滚压的强化机理以及滚压工艺等方面进行的技术综述，相信在未来，滚压强化技术能够在理论、工艺、数值模拟等方面更加完善，使该技术能够得到更好发展。
参考文献
[1]王庆祝，马淑英，尚玉峰.曲轴的强度研究方法与曲轴疲劳寿命的提高[J].拖拉机与农用运输车，2013（08）.
[2]薛焕东.大型球墨铸铁曲轴轴颈部的圆角滚压强化工艺[J].机车车辆工艺，2014（09）.
[3]徐劲力，盛小兵，韩少军.曲轴滚压强化圆角变形的有限元分析与仿真[J].制造业自动化，2011（10）.
[4]薛隆泉，刘荣昌，崔亚辉.曲轴圆角滚压运动及结构参数的优化设计[J].机械工程学报，2002（01）.
[5]李惠珍，杨松林，袁兆成，方华，李盛成.曲轴圆角的优化设计[J].内燃机工程，1991（02）.
[6]李海国.数控曲轴圆角滚压机床的设计与开发[J].汽车工艺与材料，2014（07）.
作者简介
郭威（1985-），男，汉族，河北衡水人，长城汽车股份有限公司天津哈弗分公司动力事业部门技术主管，助理工程师，研究方向：汽车发动机生产现场刀具切削技术。