柴油机主轴承孔胀断工艺试验与模拟研究
张朝烛1, 董非1, 张奇2, 倪捷1     
1. 江苏大学 汽车与交通工程学院, 江苏镇江 212013;
2. 一汽解放汽车有限公司 无锡柴油机厂, 江苏无锡 214026
摘要: 针对柴油机主轴承孔圆度问题,在装配完成、温度为150 ℃和施加爆压3种状况下,对原机模型和胀断模型的主轴承孔位移进行数值模拟,分析了两种模型主轴孔周围位移的差异;制造出RuT450和HT250材料的试验件,运用试验对比方法,从材料材质、胀断面质量和主轴承孔径变化方面,对Ru450、HT250试验件和德国MAN公司的D26合金材料进行主轴承孔胀断工艺研究。结果表明Ru450在硬度和强度方面都能满足柴油机性能要求,且适合采用胀断技术。胀断后Ru450试样胀断面非常光整且材质组织非常致密,对主轴承孔径进行检测,发现所有样件孔径变化都不超过设定值0.1 mm,表明胀断后主轴承孔加工精度较高。
关键词: 柴油机     主轴承孔     胀断     铸铁     有限元    
Simulation and Technological Experiment of Main Bearing Hole Splitting for Diesel Engine
Zhang Chaozhu1, Dong Fei1, Zhang Qi2, Ni Jie1     
1. School of Automobile and Traffic Engineering, Jiangsu University, Jiangsu Zhenjiang 212013, China;
2. Wuxi Diesel Engine Plant, Faw Jiefang Automotive Company, Jiangsu Wuxi 214026, China
Abstract: On diesel engine main bearing hole roundness, the displacement of main bearing hole via original model and splitting model are simulated when it is assembled, at 150℃ and under explosion pressure. The stress difference around the main bearing hole is analyzed. With contrast test analysis, RuT450 materials and HT250 materials were used respectively to create specimen. With the comparison method, the influence of the material quality, the splitting surface quality and the change of main bearing hole precision on the fracture splitting technology of the main bearing hole among the Ru450, the HT250 specimen and the German company MAN D26 alloy material was studied. The results show that Ru450 can meet the performance requirements of hardness and strength for the diesel engine, and it is suitable for the use of splitting technology. The splitting surface of Ru450 specimen is very smooth and the material organization is very compact. The change in all main bearing hole detected in specimens does not exceed the setting value of 0.1 mm. It shows that the precision of the expanding hole after splitting is very high.
Key words: diesel engine     main bearing hole     splitting     cast iron     finite element    

当前, 柴油机气缸体主轴承座和主轴承盖通常是由不同材料单独铸造、分开加工而成的, 两者结合面精确加工和气缸体与主轴承盖精确吻合难以实现, 影响主轴承孔圆度和同轴度。在柴油机承受着巨大交变载荷时, 很容易引发主轴承孔变形, 大大增加了主轴承孔和曲轴之间的磨损, 导致柴油机性能下降, 寿命缩短[1-2]。主轴承孔胀断技术对降低柴油机主轴承孔和曲轴之间的磨损具有重要意义。

主轴承孔胀断技术优点是主轴承座与主轴承盖材料的线膨胀系数相同, 对保证主轴承孔圆度、降低轴孔变形和提高发动机性能十分有利; 在满足主轴承孔本体强度要求下, 简化了加工工艺过程[3]。因此, 近年来其得到越来越多学者的关注, 如文献[4-5]探讨了连杆胀断采用粉末冶金和铸铁的性能, 具有较高疲劳强度和可加工性。文献[6]对主轴承胀断加工进行了数值模拟及参量研究, 文献[7-9]从主轴承胀断加工技术与装备方面进行了讨论, 文献[10]分析了影响胀断质量的各种因素。

无疑, 上述研究成果为进一步提高主轴承孔胀断加工质量, 实际加工提供参考依据。然而, 从模拟分析和试验对比角度, 对柴油机主轴承孔不同胀断材料的研究并不足。

为此, 本文以胀断主轴承孔为研究对象, 对原机模型和胀断模型的主轴承孔位移进行数值模拟。同时, 笔者通过试验对比方法, 就不同铸铁材料对柴油机主轴承孔胀断工艺的影响进行了探究。

1 主轴承孔位移有限元模型 1.1 计算模型建立

为进行胀断主轴承孔工艺性研究, 对比RuT450和HT250两种材质的胀断差异, 建立主轴承孔及对应主轴承盖、主轴承螺栓和轴瓦组成装配体的模型, 分为原机模型(气缸体为HT250材料, 主轴承盖为QT450材料)和胀断件模型(材料为RuT450), 如图 1图 2所示。

图 1 原机模型
图 2 胀断件模型
1.2 网格划分和边界条件

利用ABAQUS软件画出四面体网格(C3D10M)。相关零部件采用的材料特性见表 1, 螺栓会产生明显的塑性变形, 则采用弹塑形本构, 其余材料采用弹性本构。

表 1 有限元模型采用的材料特性参数
区域 单元数 弹性模量/GPa 泊松比 膨胀系数/k
原机主轴承壁 92 573 115 0.26 1.25×10-5
原机主轴承盖 22 459 164 0.27 1.2×10-5
胀断件模型 102 784 145 0.27 1.1×10-5

各个模型顶剖面所有节点坐标y=0, 中央一个节点固定。螺纹副部位螺纹接触, 摩擦系数0.1, 轴瓦与主轴承孔过盈配合接触, 过盈量0.094 mm, 摩擦系数0.2, 螺栓头部与主轴承盖相互绑定。原机模型主轴承座与主轴承盖接触摩擦系数0.2[11]。根据柴油机主轴承孔实际工作情况, 设定装配完成时每根螺栓预紧力为181.56 kN、温度为150 ℃(20 ℃为零热应变)和轴瓦的油膜压力可由气缸爆发压力22 MPa计算得到, 其载荷沿轴瓦圆周方向120°区域内呈余弦分布, 沿轴瓦轴线方向均匀分布。建立网格模型如图 3图 4所示。

图 3 原机网格模型
图 4 胀断件网格模型
1.3 结果分析

对装配完成时、温度为150 ℃时和施加爆压时的主轴承孔位移进行模拟分析。图 5~图 7为各情况下模拟得出的主轴承孔位移图, 等位移量区域呈层状分布, 在图中标出1、2、3、4区域。表 2为相应区域的具体位移值。装配完成时, 施加同样的螺栓预紧力, 观察主轴承孔周围位移量, 最大位移出现在与螺栓头接触的主轴承盖端面区域, 胀断件模型相应区域的位移与原机相比要小约0.016 mm。温度影响导致的位移明显高于装配和爆压导致的位移, 可见温度对材料变形影响较大, 150 ℃下胀断模型位移比原机模型至少小0.020 mm。爆发压力作用下, 整个模型在竖直方向上被拉伸, 胀断模型位移量变化梯度比原机模型好, 仅2区域出现胀断模型位移比原机模型大0.013 mm, 其他区域胀断模型位移比原机模型小。究其原因为RuT450材料强度和刚度比HT250材料稍大, 可见RuT450材料对限制柴油机主轴承孔位移具有优势, 可提高主轴孔的精度。

图 5 装配完成时位移
图 6 在150 ℃时位移
图 7 施加爆压时位移
表 2 3种状况下各区域位移量
区域 1 2 3 4
装配完成时各区域位移量/mm 原机模型 0.133 0.100 0.055 0.033
胀断模型 0.117 0.083 0.040 0.017
150 ℃时各区域位移量/mm 原机模型 0.350 0.250 0.300 0.200
胀断模型 0.250 0.220 0.250 0.180
施加爆压时各区域位移量/mm 原机模型 0.020 0.020 0.067 0.045
胀断模型 0.017 0.033 0.050 0.033
2 试样制备和胀断试验 2.1 胀断试样件

浇注一批RuT450材料和HT250材料的胀断试验样件毛坯, 对所有胀断试验样件毛坯的主轴承孔进行机加工。主轴承盖胀断工艺流程依次为激光切槽、主轴承孔胀断、螺栓拧紧、断口清理、螺栓拧紧后精加工主轴承孔, 其中激光切槽和主轴承孔胀断是整个胀断工艺中的两道关键工序。

试验样件在LNM-3型连杆激光切槽机床上进行激光切槽, 激光切割的影响因素有峰值功率、脉宽、切割速度、辅助气体及气压、入射角、激光进给方式等。加工过程中激光头与样件不发生接触, 只需对样件进行准确定位即可, 夹具设计相对简单。

预制胀断槽的几何形状变化, 影响到胀断载荷的大小, 同时也影响着胀断加工的断面质量。预制胀断槽能够使裂纹按照预定位置发生扩展并最终断裂。本次主轴承孔胀断试验激光槽几何模型如图 8所示, 取激光基本参数为切槽深度h=0.7 mm、张角a=0和曲率半径r=0.1 mm, 峰值功率3.2 kW, 脉宽0.5 ms, 脉冲频率40 Hz, 平均功率64 W, 切割速度600 mm/min[12-14]。如图 9所示, 胀断试验样件主轴承孔中加入动套、定套、拉杆, 通过胀断动套、定套和小头定位销轴完成工件定位, 再手动拧紧2个盖端压紧螺栓和1个杆端压紧螺栓, 实现试验样件的背压夹紧。拉杆在胀断主油缸拉动下高速下移, 通过拉杆和胀套楔形机构实现胀断加载, 得到胀断试验样件的无屑分离[15]

图 8 预制激光切槽的几何参数
图 9 胀断原理图

图 10为胀断试验样件安装图。考虑胀断的质量与效率, 取胀断主油缸系统压力14 MPa, 滑块油缸系统压力4 MPa, 胀断滑块速度110 mm/s[12]

图 10 胀断试验样件安装图
2.2 结果与分析 2.2.1 材质对比

从HT250和RuT450试验样件中, 各取3个分别进行抗拉强度和硬度测试试验, 并编号1#、2#、3#。由表 3可知, RuT450样件的抗拉强度和硬度值都明显大于HT250试验样件。RuT450试验样件抗拉强度和硬度要高于德国MAN公司D26型发动机胀断气缸体采用的合金材料(以下简称D26合金材料)。

表 3 3种材料力学性能
材料 性能 1# 2# 3#
HT250 抗拉强度/MPa 275 280 265
硬度/HB 207 213 204
RuT450 抗拉强度/MPa 520 500 460
硬度/HB 250 242 257
D26 抗拉强度/MPa 480 470 485
硬度/HB 229 226 224
注:D26合金抗拉试样取自主轴承盖, 由于试样结构的限制, 通过楔压强度换算得出, 只作参考。

图 11a)所示, 灰铸铁碳量较高, 其显微组织是片状石墨和珠光体基体组织。如图 11b)所示, 蠕墨铸铁的石墨形态介于片状和球状石墨之间, 呈蠕虫状。蠕虫状石墨的铸造性能、减振性和导热性都优于球墨铸铁, 与灰铸铁相近, 而其强度明显高于灰铸铁。蠕墨铸铁兼具灰铸铁和球墨铸铁的优点, 适用于受热循环载荷及高强度的工况。RuT450试验样件蠕虫状石墨率在80%~90%之间, 未出现局部的聚集型小片状石墨, 故有更好的热疲劳性能。如图 11c)所示, D26合金材料蠕虫状石墨率达到95%, 组织中存在局部的聚集型小片状石墨, 影响热疲劳性能。RuT450试验样件和D26合金材料金相组织中的珠光体一样达到95%以上, 说明RuT450试验样件适于胀断工艺。

图 11 石墨形态
2.2.2 胀断面质量对比

1) 直观观察胀断面。从HT250和RuT450两种材料中, 选取抗拉强度最高的试验件进行胀断试验, 观察两者及D26合金材料胀断面。HT250试样件胀断面比较粗糙, 表面有小的碎屑, 这主要与灰铁的材质本身的片状石墨形态有关, 且灰铁材质晶粒也偏粗大(图 12a)); RuT450试样件由于缺少了石墨的割裂作用, 试样胀断面非常光整且材质组织非常致密, 并没有发现可见的掉渣情况(图 12b)); D26合金材料胀断面表面较光整, 在最后开裂位置存在轻微的掉渣现象和因脆性断裂形成的小台阶(图 12c))。

图 12 胀断面直观图

2) 电镜下观察胀断面。在电镜下观察, 如图 13a)所示, HT250试样件胀断面有许多片状石墨脱落后留下的“凹坑”, 并伴随有一些基体组织脱落的现象。如图 13b), 可以发现RuT450试样件整个胀断面表面平整, 没有大的凸起或者凹陷; 如图 13c)所示, D26合金材料胀断面上有较多的“凸台”和“凹坑”, 有脱落形成掉渣的痕迹, 分析认为这很可能与材质中存在的缺陷有关, 其中的局部小片状石墨集聚区是材质中薄弱区域。

图 13 胀断面扫描图
2.2.3 主轴承孔径对比

由于受到较大拉应力, 胀断后可能存在主轴承孔径变化问题, 即主轴承孔呈椭圆状态。通过对胀断后所有材质试样的主轴承孔径进行检测, 发现所有样件孔径变化都不超过设定值0.1 mm, 没有出现孔径变化过大的情况, 其主要原因是铸铁本身材质脆性大, 在胀断前都进行了去应力处理, 断裂瞬间来不及塑性变形。这对保证主轴孔的精度十分有利。

综上, 气缸体和主轴承盖都采用RuT450材料的主轴承盖胀断技术, 具有明显的优势和可行性。这解决了气缸体与主轴承盖结合面精确加工和气缸体与主轴承盖精确吻合问题。降低加工成本的同时, 不仅提高了产品质量, 而且大大改善主轴承孔和曲轴配合精度, 从而提高柴油机使用寿命, 安全性和稳定性。

3 结论

1) 通过ABAQUS软件, 对原机模型和胀断模型的主轴承孔位移进行数值模拟, 得出采用RuT450材料的胀断模型稳定性高于传统的原机模型, 为RuT450材料胀断主轴承孔设计提供了理论依据。

2) 对RuT450试验样件与HT250试验样件进行胀断对比探究, 发现RuT450在材质、胀断面质量和主轴承孔径变化方面都优于传统柴油机气缸体采用的HT250。将RuT450用于柴油机的气缸体, 必将改善柴油机性能。

3) 胀断工艺完成后, RuT450试验样件和德国MAN公司D26柴油机气缸体合金材料进行对比, 结果表明RuT450在断口质量和材料力学性能方面都具有优势。

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DOI: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2017.0908
中华人民共和国工业和信息化部主管、西北工业大学主办。
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张朝烛, 董非, 张奇, 倪捷
Zhang Chaozhu, Dong Fei, Zhang Qi, Ni Jie
柴油机主轴承孔胀断工艺试验与模拟研究
Simulation and Technological Experiment of Main Bearing Hole Splitting for Diesel Engine
机械科学与技术, 2017, 36(9): 1357-1361
Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2017, 36(9): 1357-1361.
DOI: 10.13433/j.cnki.1003-8728.2017.0908

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收稿日期:2016-05-08

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