連桿加工工藝對殘余應(yīng)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(yīng)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(jìn)行分析，獲得加工變形最小的加工工藝方案。最后，基于最優(yōu)方案對連桿的殘余應(yīng)力與變形分布進(jìn)行研究。結(jié)果表明：當(dāng)加工工序?yàn)殂妰善矫妗@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(shí)，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(nèi)部為拉應(yīng)力，表面為壓應(yīng)力且最大變形出現(xiàn)在大頭孔處。

關(guān)鍵詞：生死單元；加工工藝；連桿；殘余應(yīng)力；回火；約束方式

1引言

柴油機(jī)因其良好的可靠性，廣泛應(yīng)用于船舶等大型船用機(jī)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(shí)分割為體和蓋兩部分，使加工后易產(chǎn)生變形。引起連桿加工變形的因素包括殘余應(yīng)力、熱力耦合、材料性能及裝夾等，在連桿整個(gè)加工過程中，殘余應(yīng)力隨著材料去除，連桿內(nèi)部應(yīng)力不斷疊加，使得內(nèi)部應(yīng)力分布不均導(dǎo)致變形。而切削在仿真過程中由于其復(fù)雜性，將三維切削力轉(zhuǎn)換成三個(gè)方向分力的方法廣泛的應(yīng)用于切削研究，并具有較高的仿真精度[1-2]。文獻(xiàn)[3]分析了切削過程中殘余應(yīng)力對鑄造件變形的影響，并提供相應(yīng)的方法指導(dǎo)。制定合理的加工方案可以有效的減小由殘余應(yīng)力引起的變形[4]。連桿的加工精度是影響柴油機(jī)性能的主要因素，而加工精度受加工工藝的影響，文獻(xiàn)[5]對連桿原有的加工工藝進(jìn)行改進(jìn)，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(diào)質(zhì)處理提高連桿的抗拉強(qiáng)度，同時(shí)也提高了連桿的表面強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和抗疲勞強(qiáng)度[6]。文獻(xiàn)[7]根據(jù)含碳量不同，對連桿進(jìn)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(xiàn)[8]基于正交試驗(yàn)的方法分析了冷卻時(shí)間、冷卻介質(zhì)、回火溫度、回火時(shí)間對連桿強(qiáng)度與硬度的影響，發(fā)現(xiàn)回火溫度的影響最大，回火時(shí)間和冷卻介質(zhì)的影響次之，而冷卻時(shí)間影響最小。由于考慮初始應(yīng)力及不同加工工序?qū)庸ぷ冃蔚挠绊戸r有報(bào)道，因此，以連桿加工過程應(yīng)力變化為研究對象，引入初始應(yīng)力場，并基于“生死單元”技術(shù)研究不同工藝對連桿基本尺寸與平行度的影響，建立最優(yōu)方案，得到連桿在加工過程后的殘余應(yīng)力及變形分布，有助于提高柴油機(jī)連桿加工精度和性能。

2有限元模型

由于在分析時(shí)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(shí)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(yīng)力變化對變形的影響。

2.1連桿主要加工工序

在整個(gè)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(chǎn)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(jìn)行研究。連桿主要加工工序，如圖1所示。

2.2連桿應(yīng)力疊加有限元模型

為了提高計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性，對連桿的倒角等特征進(jìn)行簡化，其網(wǎng)格模型，如圖2所示。在熱處理模擬過程中，連桿的網(wǎng)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(shù)[9-10]，其網(wǎng)格單元類型為C3D8。連桿的材料為42CrMo，熱處理過程中，密度在數(shù)值計(jì)算中為常數(shù)7850kg/m3，而楊氏模量、泊松比等受溫度影響較大，其具體參數(shù)，如表1所示。 

3試驗(yàn)結(jié)果與討論

針對不同工序順序、約束方式、回火溫度進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)，并根據(jù)不同試驗(yàn)方案進(jìn)行有限元分析，其次建立連桿平行度的計(jì)算方法，得到各個(gè)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(yōu)試驗(yàn)方案對連桿的殘余應(yīng)力與變形進(jìn)行研究。

3.1試驗(yàn)設(shè)計(jì)

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(xiàn)的試驗(yàn)方案，如表2所示。

3.2連桿基本尺寸

不同試驗(yàn)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(yàn)方案所得連桿A尺寸變化，如圖3（b）所示。由圖3可知，當(dāng)回火溫度為620℃時(shí)，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(shí)，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(dāng)回火溫度相同時(shí)，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(yīng)力和組織應(yīng)力使得連桿出現(xiàn)較大變形。

3.3平行度分析

不同工序?qū)煽灼叫卸鹊挠绊懀鐖D4所示。由圖4可知，大、小頭孔的平行度在不同試驗(yàn)方案中變化均呈現(xiàn)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(nèi)部變形較小，因此，在車大頭孔后，平行度誤差出現(xiàn)下降趨勢。當(dāng)約束方式為小頭孔，熱處理回火溫度為620℃時(shí)，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(jīng)過計(jì)算得到不同試驗(yàn)方案之間的最大誤差為32.5%，因此，在實(shí)際應(yīng)用中選擇試驗(yàn)2方案對連桿進(jìn)行機(jī)加工。

4連桿應(yīng)力應(yīng)變分析

基于試驗(yàn)方案2，針對連桿的初始應(yīng)力場的構(gòu)建以及連桿的應(yīng)力分布規(guī)律與變形進(jìn)行研究。

4.1初始應(yīng)力場的構(gòu)建

建立連桿加工變形有限元分析模型時(shí)，首先應(yīng)建立熱處理模型，得到熱處理工藝的殘余應(yīng)力場作為連桿機(jī)加工工藝的初始應(yīng)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(huán)境溫度為20℃，假定連桿加熱后內(nèi)部溫度分布基本均勻。連桿退火后殘余應(yīng)力分布云圖，如圖5所示。由圖5可知，連桿經(jīng)退火處理后，其內(nèi)部為拉應(yīng)力且最大拉應(yīng)力為10.8MPa，外部主要為壓應(yīng)力，且最大壓應(yīng)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(jīng)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(fā)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(shí)約束小頭孔。

4.2連桿應(yīng)力分布

連桿在各加工工序過程中的應(yīng)力分布云圖，如圖7所示。在整個(gè)加工過程中，連桿應(yīng)力分布均勻，沒有出現(xiàn)應(yīng)力集中，且每道工序完成后應(yīng)力沒有較大改變，說明去除材料對連桿應(yīng)力分布影響較小且每道工序結(jié)束后應(yīng)力都會釋放和重新分配。同時(shí)，連桿應(yīng)力呈現(xiàn)“內(nèi)拉外壓”的狀態(tài)，連桿的最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在連桿內(nèi)部且越往外側(cè)應(yīng)力越小，最后表面呈現(xiàn)壓應(yīng)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(yīng)力分布規(guī)律，在連桿不加工表面選取6個(gè)點(diǎn)作為參考點(diǎn)，如圖8（a）所示。連桿應(yīng)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(diǎn)應(yīng)力隨連桿加工過程變化較小，應(yīng)力值相對穩(wěn)定。3、4、5、6四點(diǎn)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(yīng)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(nèi)部應(yīng)力釋放并重新分布，進(jìn)而導(dǎo)致與連桿需要加工部位相鄰的部位應(yīng)力變化較大，遠(yuǎn)離加工部位的部位應(yīng)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(kuò)大5倍，可以得到圖9的變形結(jié)果，由圖可知，連桿在經(jīng)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?yàn)檫B桿在加工過程中約束了小頭孔。

5結(jié)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(xiàn)先上升后下降的趨勢。當(dāng)工序順序?yàn)殂妰善矫妗@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(shí)，連桿平行度誤差最小，提高了32.6%。毛坯初始?xì)堄鄳?yīng)力對工件的整體加工變形產(chǎn)生重要影響，且約束位置不同時(shí)，連桿變形也隨之不同，當(dāng)約束小頭孔時(shí)，連桿小頭孔變形最小，而大頭孔變形最大，約為3.017mm；當(dāng)約束連桿中間部位時(shí)，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(xué)機(jī)械工程學(xué)院