本文關鍵詞：組合式凸輪軸徑向滾花裝配工藝優(yōu)化及粉末凸輪裝配失效分析　出處：《吉林大學》2015年博士論文　論文類型：學位論文

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【摘要】：組合式凸輪軸采用新型分體式設計與集成式裝配的制造模式,在制造精度、生產(chǎn)成本、生產(chǎn)效率、材料匹配靈活性、輕量化及節(jié)能減排等諸多方面具有傳統(tǒng)鑄鍛凸輪軸無法企及的優(yōu)勢,已成為汽車凸輪軸制造產(chǎn)業(yè)新的發(fā)展方向。凸輪與軸體的連接工藝以及高性能分體材料的優(yōu)化匹配作為組合式凸輪軸的關鍵技術,是當前凸輪軸制造業(yè)的研究熱點以及汽車發(fā)動機行業(yè)的重要課題。凸輪與軸管的連接方式有多種選擇,如粉末燒結、焊接、擴徑、熱套及滾花連接等,其中徑向滾花連接因具備常溫局部變形、可靠性及尺寸精度高、設備通用等顯著優(yōu)勢,逐漸成為凸輪軸裝配技術的主流。該技術的前期研究集中于單一裝配過程的定性分析以及鋼質凸輪的連接工藝。目前存在的主要技術難點有:(1)缺乏滾花、壓裝、扭轉過程的全面系統(tǒng)研究,工藝參數(shù)制定仍依靠傳統(tǒng)實驗,成本高、盲目性大,亟待合理的工藝制定優(yōu)化手段。(2)未涉及新材料凸輪裝配技術的研究,不同材質凸輪裝配可靠性差異明顯,鐵基粉末冶金作為最重要的凸輪新型材料,具備碳鋼無法比擬的高硬度、耐磨、抗點蝕及耐沖擊等機械性能,然而裝配可靠性的不確定性,以及高脆性引起的裝配過程損傷極大的限制了PM凸輪的規(guī)�；瘧谩１疚慕Y合數(shù)值模擬與裝配實驗,以軸管、凸輪應力及位移場為橋梁,首次對徑向滾花裝配進行滾花—壓裝—承扭性能分析的系統(tǒng)研究,探討了關鍵技術參數(shù)對壓裝力、靜扭強度及凸輪型線精度的影響;以滾花刀參量及刀具進給量為影響因素,進行了降低裝配壓裝力及提高連接靜扭強度的雙目標工藝優(yōu)化,確定最優(yōu)工藝參數(shù)組合;對PM凸輪材料進行機械及力學性能測試;首次開展了復合層式PM凸輪裝配可靠性及裝配損傷研究,以期實現(xiàn)該新型凸輪的可靠裝配。本文主要的研究內容及成果如下:1.徑向滾花過盈裝配力學分析及滾花—壓裝—靜力扭轉分析有限元模型建立基于徑向滾花組合式凸輪軸過盈裝配連接原理,將裝配過程分為擠壓軸齒及厚壁圓筒過盈連接兩個相對獨立的過程,通過壓裝力及扭轉強度力學解析,確定滾花刀齒高、齒頂角、進給量、軸管與凸輪材料力學性能是影響壓裝力、扭轉強度和凸輪型線精度的關鍵工藝參數(shù)。構建徑向滾花加工、壓裝及扭轉有限元模型�？紤]到軸管表面局部材料變形劇烈,特采用耦合的歐拉—拉格朗日有限元描述法;為軸管材料賦予綜合金屬加工硬化效應和失效行為的Johnson-Cook本構及失效模型。ii2.徑向滾花—壓裝—靜力扭轉全過程系統(tǒng)模擬及研究裝配過程不僅傳遞滾花加工過程刀具及加工參量的影響,更因滾花后軸齒硬化而影響裝配過程中材料流動與壓配應力;上述兩過程使凸輪和軸管連接區(qū)的變形與彈性壓配發(fā)生改變,直接影響了裝配后凸輪軸的承扭性能。因此要進行凸輪軸裝配和靜扭強度分析,必須綜合考慮三個過程的相關性。為此,本文開展?jié)L花—壓裝—扭轉過程數(shù)值模擬,深入探討三個階段凸輪與軸體應力應變分布特點、軸齒成型過程、刀具受力狀況、連接件受力及變形情況,并與實際裝配過程進行對比。結果表明:滾花過程中,僅在軸管表層存在塑性變形,滾花結束后軸管表面存在最大211mpa的殘余應力。各階段模擬變形體的材料流動情況與實驗結果高度吻合。3.關鍵工藝參數(shù)對裝配質量的影響分析首次開展復合層式pm凸輪裝配及承扭性能研究;系統(tǒng)分析連接件材料匹配、滾花刀進給量、滾花刀齒參數(shù)對裝配壓裝力、凸輪軸承扭性能及凸輪型線精度的影響,并進行對照實驗,驗證模擬有效性。研究結果表明:(1)凸輪及軸管材料影響裝配壓裝力及靜扭強度,軸管材料影響最為顯著;(2)滾花刀齒高與壓裝力和靜扭強度成正相關,相反滾花刀齒頂角與兩物理量成負相關;(3)一定范圍內,刀具進給量越大,壓裝力越大,靜扭強度越高,進給量過小無法形成過盈,過大導致軸齒破壞;(4)同樣裝配條件下,模擬與實驗獲得壓裝力及靜扭強度曲線吻合度高,數(shù)值模擬結果合理有效。4.鋼質凸輪徑向滾花過盈裝配工藝參數(shù)優(yōu)化從降低設備負荷,提高生產(chǎn)效率,避免裝配過程軸體變形及凸輪型線精度低的角度,降低裝配載荷是有利的,然而裝配載荷與靜扭強度正相關,為提高扭轉強度,往往導致裝配載荷難以下降。為此,本文采用中心復合設計與響應面分析法,以滾花刀齒高、齒頂角和進給量為獨立變量,壓裝力和靜扭強度兩個相互矛盾的量作為雙優(yōu)化目標,建立了變量與目標的二階響應面模型,對目標進行優(yōu)化,尋找限制條件下的最優(yōu)變量組合,以實現(xiàn)降低壓裝力的同時保持或提高靜扭強度,并對響應面模型預測能力進行必要驗證。結果顯示:存在且僅有一組最優(yōu)參數(shù)組合,即齒高0.73mm,齒頂角70°,進給量90%,所得響應面方程預測準確度高、誤差小,結果可用于刀具設計及滾花工藝參數(shù)的制定。5.新材料新結構凸輪機械性能及損傷參數(shù)測試針對一體及復合式pm凸輪材料耐磨性、硬度、孔隙率及微觀組織形貌進行分析。引入平臺加載方式的巴西圓盤實驗,結合單向拉伸測試,并通過有限元數(shù)值模擬標定法,得到了復合層兩種材料的抗拉強度ζ、彈性模量e和斷裂能gf;分析了平臺巴西圓盤實驗用于脆性粉末冶金材料力學性能測試的有效性;依據(jù)實驗結果為具有低拉壓比特性的PM凸輪材料賦予鑄鐵材料塑性本構模型。結果表明:巴西圓盤實驗用于脆性粉末冶金材料力學性能的測試具有較高的精度,可為PM凸輪裝配及失效過程數(shù)值模擬提供可靠材料參數(shù)。6.新材料新結構凸輪裝配性能及損傷斷裂研究從連續(xù)介質力學角度分析PM凸輪裝配可行性,比較GCr15鋼、一體式及復合層式PM凸輪裝配壓裝力、靜扭強度及凸輪型線精度差異。由于含碳量高、孔隙率大、內孔鍵槽應力集中,在實際裝配過程中承受拉應力易發(fā)生微裂紋損傷,導致裝配失效。本文基于斷裂力學理論,考慮到凸輪壓裝承受周向拉應力作用,確定最大拉應力準則及基于斷裂能的G判據(jù)作為裝配過程PM凸輪損傷萌生及擴展判據(jù);建立了適用于裝配損傷分析基于斷裂能的PM凸輪指數(shù)型內聚力損傷模型,并研究了該模型用于脆性粉末冶金材料損傷斷裂過程分析是否具備較高的有效性及精度。通過分析壓裝過程凸輪周向拉應力分布規(guī)律,明確凸輪裝配應力集中區(qū)域并預置內聚力單元;分析了PM凸輪在承受較大壓裝力時,微裂紋損傷萌生位置和擴展特點;從裝配損傷失效的角度分析裝配可行性,比較兩種結構凸輪可承受的最大壓裝力范圍,并確定合理的裝配參數(shù);探討裝配對中性對凸輪受力及損傷開裂的影響。結果表明:(1)鋼制與PM凸輪的裝配壓裝力和靜扭強度存在明顯差異,GCr15凸輪所受壓裝力及可承受的靜扭強度最大,較最低的復合層式PM凸輪分別高9.7%和10.3%;(2)同樣裝配條件下,復合層式凸輪內層承受較大周向拉應力,而外層承受壓裝力較一體式凸輪明顯減少,降低了外層脆性材料起裂的可能性,顯著提升了PM凸輪可承受的最大壓裝力;(3)一體式PM凸輪可承受的最大壓裝力處在19074 N~20733N之間,裝配軸齒高度應不高于0.72mm。復合層式PM凸輪可承受的最大壓裝力在21163 N~22968 N區(qū)間內,裝配軸齒高度應不高于0.77mm;軸管與凸輪對中性差,會引起凸輪受力不均勻,在壓裝初期即發(fā)生損傷斷裂。研究可指導PM凸輪制造技術和裝配工藝,有效避免裝配損傷失效,并為后續(xù)PM凸輪針對性工藝優(yōu)化奠定基礎。
[Abstract]:......
【學位授予單位】：吉林大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TH132.47;TG95

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本文編號：1381618