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连杆加工工艺对残余应力变形的影响

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摘要:为了深入研究加工工艺对连杆变形的影响,首先采用“生死单元”方法,基于不同工艺阶段连杆的几何形状建立相应的有限元模型。其次,针对不同工序顺序、回火温度、以及约束方式下的平行度和基本尺寸的影响进行分析,获得加工变形最小的加工工艺方案。最后,基于最优方案对连杆的残余应力与变形分布进行研究。结果表明:当加工工序为铣两平面、钻小头孔、锯开连杆、装配和车大头孔,回火温度为640℃,约束方式为小头孔时,平行度误差最小;回火温度对连杆的基本尺寸影响较大,而约束方式和工序顺序影响较小;加工完成后,连杆内部为拉应力,表面为压应力且最大变形出现在大头孔处。

关键词:生死单元;加工工艺;连杆;残余应力;回火;约束方式

1引言

柴油机因其良好的可靠性,广泛应用于船舶等大型船用机械中。连杆作为主要的传动部件,主要加工表面有连杆大、小头孔和上下两端面及定位齿,大、小头孔间具有较高的位置精度要求,而连杆大头端在加工时分割为体和盖两部分,使加工后易产生变形。引起连杆加工变形的因素包括残余应力、热力耦合、材料性能及装夹等,在连杆整个加工过程中,残余应力随着材料去除,连杆内部应力不断叠加,使得内部应力分布不均导致变形。而切削在仿真过程中由于其复杂性,将三维切削力转换成三个方向分力的方法广泛的应用于切削研究,并具有较高的仿真精度[1-2]。文献[3]分析了切削过程中残余应力对铸造件变形的影响,并提供相应的方法指导。制定合理的加工方案可以有效的减小由残余应力引起的变形[4]。连杆的加工精度是影响柴油机性能的主要因素,而加工精度受加工工艺的影响,文献[5]对连杆原有的加工工艺进行改进,提高了连杆的尺寸精度和表面光洁度。在保证断面收缩率基本不变的情况下,通过增碳调质处理提高连杆的抗拉强度,同时也提高了连杆的表面强度、弯曲强度和抗疲劳强度[6]。文献[7]根据含碳量不同,对连杆进行分组并采用不同的热处理工艺,提高了连杆的合格率。文献[8]基于正交试验的方法分析了冷却时间、冷却介质、回火温度、回火时间对连杆强度与硬度的影响,发现回火温度的影响最大,回火时间和冷却介质的影响次之,而冷却时间影响最小。由于考虑初始应力及不同加工工序对加工变形的影响鲜有报道,因此,以连杆加工过程应力变化为研究对象,引入初始应力场,并基于“生死单元”技术研究不同工艺对连杆基本尺寸与平行度的影响,建立最优方案,得到连杆在加工过程后的残余应力及变形分布,有助于提高柴油机连杆加工精度和性能。

2有限元模型

由于在分析时连杆所受到的装夹力不在其变形的敏感方向且连杆属于非薄壁件,因此可忽略加工时由装夹及刀具等因素对连杆变形的影响,只需考虑连杆本身材料去除引起的应力变化对变形的影响。

2.1连杆主要加工工序

在整个加工过程中,连杆由毛坯到成品需要去除大量加工余量,因此考虑因去除材料对连杆产生的变形影响,而去除材料较多的工序是铣平面、钻小头孔、锯开连杆以及车大头孔几道工序,因此主要针对这几道工序进行研究。连杆主要加工工序,如图1所示。

2.2连杆应力叠加有限元模型

为了提高计算结果的准确性,对连杆的倒角等特征进行简化,其网格模型,如图2所示。在热处理模拟过程中,连杆的网格类型为传热单元DC3D8;在去除材料模拟过程中采用“生死单元”技术[9-10],其网格单元类型为C3D8。连杆的材料为42CrMo,热处理过程中,密度在数值计算中为常数7850kg/m3,而杨氏模量、泊松比等受温度影响较大,其具体参数,如表1所示。 

3试验结果与讨论

针对不同工序顺序、约束方式、回火温度进行试验设计,并根据不同试验方案进行有限元分析,其次建立连杆平行度的计算方法,得到各个分析步下的平行度变化趋势以及连杆最终的基本尺寸。最终,针对最优试验方案对连杆的残余应力与变形进行研究。

3.1试验设计

连杆在加工工艺过程中,工序顺序可分为:铣两平面-钻小头孔-锯开连杆-车大头孔(工序1)和钻小头孔-铣两平面-锯开连杆-车大头孔(工序2);约束方式可分为:中间约束和小头孔约束;回火温度可分为:620℃和640℃,则所有可能出现的试验方案,如表2所示。

3.2连杆基本尺寸

不同试验方案对连杆主要尺寸的影响,如图3所示。连杆整体尺寸A,其尺寸为381mm,如图3(a)所示。各试验方案所得连杆A尺寸变化,如图3(b)所示。由图3可知,当回火温度为620℃时,连杆的基本尺寸变化较小,其基本尺寸约为378.195mm,而回火温度为640℃时,连杆基本尺寸变化相对较大,其基本尺寸约为378.077mm。因此,回火是影响连杆基本尺寸A的主要因素。当回火温度相同时,连杆的基本尺寸无明显变化,因此,不同工序顺序和约束方式对连杆基本尺寸的影响较小,这是由于连杆属于非薄壁件,加工过程中切削力对变形影响小,而在热处理过程中的热应力和组织应力使得连杆出现较大变形。

3.3平行度分析

不同工序对两孔平行度的影响,如图4所示。由图4可知,大、小头孔的平行度在不同试验方案中变化均呈现先上升后下降的趋势,这是由于热处理带来的表面变形较大,而内部变形较小,因此,在车大头孔后,平行度误差出现下降趋势。当约束方式为小头孔,热处理回火温度为620℃时,平行度误差波动较大,而通过车大头孔可以有效的减小平行度误差。经过计算得到不同试验方案之间的最大误差为32.5%,因此,在实际应用中选择试验2方案对连杆进行机加工。

4连杆应力应变分析

基于试验方案2,针对连杆的初始应力场的构建以及连杆的应力分布规律与变形进行研究。

4.1初始应力场的构建

建立连杆加工变形有限元分析模型时,首先应建立热处理模型,得到热处理工艺的残余应力场作为连杆机加工工艺的初始应力场。以连杆热处理中的回火工艺为研究对象。具体工艺是:连杆初始温度是640℃,环境温度为20℃,假定连杆加热后内部温度分布基本均匀。连杆退火后残余应力分布云图,如图5所示。由图5可知,连杆经退火处理后,其内部为拉应力且最大拉应力为10.8MPa,外部主要为压应力,且最大压应力为51.23MPa。热处理对连杆变形的影响,如图6所示。由图6可知,连杆经退火处理后,其变形量从小头孔到大头孔呈递增梯度变化,且在大头孔处发生最大变形,最大变形量为2.989mm;在小头孔方向变形相对较小,最小变形量为0.1526mm。这主要是由于在有限元分析时约束小头孔。

4.2连杆应力分布

连杆在各加工工序过程中的应力分布云图,如图7所示。在整个加工过程中,连杆应力分布均匀,没有出现应力集中,且每道工序完成后应力没有较大改变,说明去除材料对连杆应力分布影响较小且每道工序结束后应力都会释放和重新分配。同时,连杆应力呈现“内拉外压”的状态,连杆的最大拉应力出现在连杆内部且越往外侧应力越小,最后表面呈现压应力,这是由于连杆存在对称特征,且冷却速度不同。为了更加直观地分析连杆在加工工艺过程中的应力分布规律,在连杆不加工表面选取6个点作为参考点,如图8(a)所示。连杆应力变化曲线,如图8(b)所示。由图8(b)可以看出,连杆1、2两点应力随连杆加工过程变化较小,应力值相对稳定。3、4、5、6四点分布在大头孔四周,在连杆的加工过程中,锯开连杆和车大头孔这两道工序应力变化值较大,这是由于连杆大头孔部位在这两道工序上去除了较多的材料,使连杆内部应力释放并重新分布,进而导致与连杆需要加工部位相邻的部位应力变化较大,远离加工部位的部位应力变化相对较小。

4.3连杆变形分析

连杆加工完成后与加工前毛坯的对比图,如图9所示。将有限元中连杆模型的变形比例因子扩大5倍,可以得到图9的变形结果,由图可知,连杆在经过加工后,整体尺寸减小,且连杆在小头孔上变形很小,而在大头孔上的变形相对较大,这主要是因为连杆在加工过程中约束了小头孔。

5结论

回火是影响连杆基本尺寸的主要因素,而约束方式和工序顺序影响相对较小。连杆大、小头孔的平行度在加工过程中变化均呈现先上升后下降的趋势。当工序顺序为铣两平面、钻小头孔、锯开连杆、装配和车大头孔,回火温度为640℃,约束方式为小头孔时,连杆平行度误差最小,提高了32.6%。毛坯初始残余应力对工件的整体加工变形产生重要影响,且约束位置不同时,连杆变形也随之不同,当约束小头孔时,连杆小头孔变形最小,而大头孔变形最大,约为3.017mm;当约束连杆中间部位时,连杆中间部位变形最小,可以忽略,而大、小头孔变形较大,大头孔最大变形量为2.052mm,小头孔最大变形量为1.296mm。

作者:周宏根 刘珊 王新彦 顾向阳 单位:江苏科技大学机械工程学院

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