連桿加工工藝對殘余應力變形的影響范文

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摘要：為了深入研究加工工藝對連桿變形的影響，首先采用“生死單元”方法，基于不同工藝階段連桿的幾何形狀建立相應的有限元模型。其次，針對不同工序順序、回火溫度、以及約束方式下的平行度和基本尺寸的影響進行分析，獲得加工變形最小的加工工藝方案。最后，基于最優方案對連桿的殘余應力與變形分布進行研究。結果表明：當加工工序為銑兩平面、鉆小頭孔、鋸開連桿、裝配和車大頭孔，回火溫度為640℃，約束方式為小頭孔時，平行度誤差最小；回火溫度對連桿的基本尺寸影響較大，而約束方式和工序順序影響較小；加工完成后，連桿內部為拉應力，表面為壓應力且最大變形出現在大頭孔處。

關鍵詞：生死單元；加工工藝；連桿；殘余應力；回火；約束方式

1引言

柴油機因其良好的可靠性，廣泛應用于船舶等大型船用機械中。連桿作為主要的傳動部件，主要加工表面有連桿大、小頭孔和上下兩端面及定位齒，大、小頭孔間具有較高的位置精度要求，而連桿大頭端在加工時分割為體和蓋兩部分，使加工后易產生變形。引起連桿加工變形的因素包括殘余應力、熱力耦合、材料性能及裝夾等，在連桿整個加工過程中，殘余應力隨著材料去除，連桿內部應力不斷疊加，使得內部應力分布不均導致變形。而切削在仿真過程中由于其復雜性，將三維切削力轉換成三個方向分力的方法廣泛的應用于切削研究，并具有較高的仿真精度[1-2]。文獻[3]分析了切削過程中殘余應力對鑄造件變形的影響，并提供相應的方法指導。制定合理的加工方案可以有效的減小由殘余應力引起的變形[4]。連桿的加工精度是影響柴油機性能的主要因素，而加工精度受加工工藝的影響，文獻[5]對連桿原有的加工工藝進行改進，提高了連桿的尺寸精度和表面光潔度。在保證斷面收縮率基本不變的情況下，通過增碳調質處理提高連桿的抗拉強度，同時也提高了連桿的表面強度、彎曲強度和抗疲勞強度[6]。文獻[7]根據含碳量不同，對連桿進行分組并采用不同的熱處理工藝，提高了連桿的合格率。文獻[8]基于正交試驗的方法分析了冷卻時間、冷卻介質、回火溫度、回火時間對連桿強度與硬度的影響，發現回火溫度的影響最大，回火時間和冷卻介質的影響次之，而冷卻時間影響最小。由于考慮初始應力及不同加工工序對加工變形的影響鮮有報道，因此，以連桿加工過程應力變化為研究對象，引入初始應力場，并基于“生死單元”技術研究不同工藝對連桿基本尺寸與平行度的影響，建立最優方案，得到連桿在加工過程后的殘余應力及變形分布，有助于提高柴油機連桿加工精度和性能。

2有限元模型

由于在分析時連桿所受到的裝夾力不在其變形的敏感方向且連桿屬于非薄壁件，因此可忽略加工時由裝夾及刀具等因素對連桿變形的影響，只需考慮連桿本身材料去除引起的應力變化對變形的影響。

2.1連桿主要加工工序

在整個加工過程中，連桿由毛坯到成品需要去除大量加工余量，因此考慮因去除材料對連桿產生的變形影響，而去除材料較多的工序是銑平面、鉆小頭孔、鋸開連桿以及車大頭孔幾道工序，因此主要針對這幾道工序進行研究。連桿主要加工工序，如圖1所示。

2.2連桿應力疊加有限元模型

為了提高計算結果的準確性，對連桿的倒角等特征進行簡化，其網格模型，如圖2所示。在熱處理模擬過程中，連桿的網格類型為傳熱單元DC3D8；在去除材料模擬過程中采用“生死單元”技術[9-10]，其網格單元類型為C3D8。連桿的材料為42CrMo，熱處理過程中，密度在數值計算中為常數7850kg/m3，而楊氏模量、泊松比等受溫度影響較大，其具體參數，如表1所示。 

3試驗結果與討論

針對不同工序順序、約束方式、回火溫度進行試驗設計，并根據不同試驗方案進行有限元分析，其次建立連桿平行度的計算方法，得到各個分析步下的平行度變化趨勢以及連桿最終的基本尺寸。最終，針對最優試驗方案對連桿的殘余應力與變形進行研究。

3.1試驗設計

連桿在加工工藝過程中，工序順序可分為：銑兩平面-鉆小頭孔-鋸開連桿-車大頭孔（工序1）和鉆小頭孔-銑兩平面-鋸開連桿-車大頭孔（工序2）；約束方式可分為：中間約束和小頭孔約束；回火溫度可分為：620℃和640℃，則所有可能出現的試驗方案，如表2所示。

3.2連桿基本尺寸

不同試驗方案對連桿主要尺寸的影響，如圖3所示。連桿整體尺寸A，其尺寸為381mm，如圖3（a）所示。各試驗方案所得連桿A尺寸變化，如圖3（b）所示。由圖3可知，當回火溫度為620℃時，連桿的基本尺寸變化較小，其基本尺寸約為378.195mm，而回火溫度為640℃時，連桿基本尺寸變化相對較大，其基本尺寸約為378.077mm。因此，回火是影響連桿基本尺寸A的主要因素。當回火溫度相同時，連桿的基本尺寸無明顯變化，因此，不同工序順序和約束方式對連桿基本尺寸的影響較小，這是由于連桿屬于非薄壁件，加工過程中切削力對變形影響小，而在熱處理過程中的熱應力和組織應力使得連桿出現較大變形。

3.3平行度分析

不同工序對兩孔平行度的影響，如圖4所示。由圖4可知，大、小頭孔的平行度在不同試驗方案中變化均呈現先上升后下降的趨勢，這是由于熱處理帶來的表面變形較大，而內部變形較小，因此，在車大頭孔后，平行度誤差出現下降趨勢。當約束方式為小頭孔，熱處理回火溫度為620℃時，平行度誤差波動較大，而通過車大頭孔可以有效的減小平行度誤差。經過計算得到不同試驗方案之間的最大誤差為32.5%，因此，在實際應用中選擇試驗2方案對連桿進行機加工。

4連桿應力應變分析

基于試驗方案2，針對連桿的初始應力場的構建以及連桿的應力分布規律與變形進行研究。

4.1初始應力場的構建

建立連桿加工變形有限元分析模型時，首先應建立熱處理模型，得到熱處理工藝的殘余應力場作為連桿機加工工藝的初始應力場。以連桿熱處理中的回火工藝為研究對象。具體工藝是：連桿初始溫度是640℃，環境溫度為20℃，假定連桿加熱后內部溫度分布基本均勻。連桿退火后殘余應力分布云圖，如圖5所示。由圖5可知，連桿經退火處理后，其內部為拉應力且最大拉應力為10.8MPa，外部主要為壓應力，且最大壓應力為51.23MPa。熱處理對連桿變形的影響，如圖6所示。由圖6可知，連桿經退火處理后，其變形量從小頭孔到大頭孔呈遞增梯度變化，且在大頭孔處發生最大變形，最大變形量為2.989mm；在小頭孔方向變形相對較小，最小變形量為0.1526mm。這主要是由于在有限元分析時約束小頭孔。

4.2連桿應力分布

連桿在各加工工序過程中的應力分布云圖，如圖7所示。在整個加工過程中，連桿應力分布均勻，沒有出現應力集中，且每道工序完成后應力沒有較大改變，說明去除材料對連桿應力分布影響較小且每道工序結束后應力都會釋放和重新分配。同時，連桿應力呈現“內拉外壓”的狀態，連桿的最大拉應力出現在連桿內部且越往外側應力越小，最后表面呈現壓應力，這是由于連桿存在對稱特征，且冷卻速度不同。為了更加直觀地分析連桿在加工工藝過程中的應力分布規律，在連桿不加工表面選取6個點作為參考點，如圖8（a）所示。連桿應力變化曲線，如圖8（b）所示。由圖8（b）可以看出，連桿1、2兩點應力隨連桿加工過程變化較小，應力值相對穩定。3、4、5、6四點分布在大頭孔四周，在連桿的加工過程中，鋸開連桿和車大頭孔這兩道工序應力變化值較大，這是由于連桿大頭孔部位在這兩道工序上去除了較多的材料，使連桿內部應力釋放并重新分布，進而導致與連桿需要加工部位相鄰的部位應力變化較大，遠離加工部位的部位應力變化相對較小。

4.3連桿變形分析

連桿加工完成后與加工前毛坯的對比圖，如圖9所示。將有限元中連桿模型的變形比例因子擴大5倍，可以得到圖9的變形結果，由圖可知，連桿在經過加工后，整體尺寸減小，且連桿在小頭孔上變形很小，而在大頭孔上的變形相對較大，這主要是因為連桿在加工過程中約束了小頭孔。

5結論

回火是影響連桿基本尺寸的主要因素，而約束方式和工序順序影響相對較小。連桿大、小頭孔的平行度在加工過程中變化均呈現先上升后下降的趨勢。當工序順序為銑兩平面、鉆小頭孔、鋸開連桿、裝配和車大頭孔，回火溫度為640℃，約束方式為小頭孔時，連桿平行度誤差最小，提高了32.6%。毛坯初始殘余應力對工件的整體加工變形產生重要影響，且約束位置不同時，連桿變形也隨之不同，當約束小頭孔時，連桿小頭孔變形最小，而大頭孔變形最大，約為3.017mm；當約束連桿中間部位時，連桿中間部位變形最小，可以忽略，而大、小頭孔變形較大，大頭孔最大變形量為2.052mm，小頭孔最大變形量為1.296mm。

作者：周宏根 劉珊 王新彥 顧向陽 單位：江蘇科技大學機械工程學院