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孔边倒角对直接芯棒孔冷挤压残余应力场的影响

侯帅 , 朱有利 , 王燕礼 , 边飞龙 , 叶雄林

兵器材料科学与工程

采用大变形弹塑性接触分析有限元方法,对倒角孔的直接芯棒冷挤压强化工艺进行仿真分析,研究不同大小倒角的孔结构经强化后的周向残余应力分布.结果表明:网格尺度会影响计算结果精度,网格尺度不合理不能得到正确的数值计算结果;在孔的挤入端加工的倒角,外圆直径应小于芯棒工作段直径,在孔的挤出端加工的倒角,外圆直径应大于芯棒工作段直径,这样对采用直接芯棒孔冷挤压强化工艺提高孔结构的抗疲劳性能更有益.

关键词: 倒角孔 , 冷挤压 , 残余应力 , 抗疲劳

芯棒锥面结构对孔冷挤压强化残余应力场的影响

朱有利 , 侯帅 , 王燕礼 , 边飞龙 , 管宇

材料科学与工艺 doi:10.11951/j.issn.1005-0299.20150415

为了在紧固孔周引入均匀的残余压应力，以延长紧固孔构件的疲劳寿命、提高其抗应力腐蚀性能，利用ANSYS有限元软件，建立了轴对称弹塑性有限元模型，对直接芯棒冷挤压强化过程进行了仿真，特别是对芯棒的前锥段曲线结构形式进行了设计与分析，研究了前锥段曲线形式对残余应力场分布的影响。结果表明：孔壁表面的周向残余应力分布复杂且不均匀，比较而言，外凸型正弦曲线型芯棒所产生的残余压应力沿孔壁深度方向分布更加均匀；几种曲线形式的芯棒在上表面近孔边区域均产生了径向残余拉应力，在孔的挤入段产生了轴向残余拉应力，但外凸型正弦曲线型芯棒在上述区域所产生的残余拉应力较小，且分布区域也较小。

关键词: 冷挤压 , 残余应力 , 芯棒结构 , 疲劳失效 , 有限元分析

HXD1机车牵引电机转轴组件断裂失效分析

王燕礼 , 朱有利 , 刘忠伟 , 唐亮

材料科学与工艺 doi:10.11951/j.issn.1005-0299.20160410

HXD1型电力机车的牵引电机转轴和小齿轮轴采用圆锥过盈配合传动结构（下称转轴组件），使用中该组件出现了早期断裂失效。本文通过理化检测、断口和配合面宏／微观形貌观察等失效分析技术对失效组件进行了分析。结果表明，材料成分、组织和显微硬度正常，小齿轮轴和电机转轴的失效形式分别为高周疲劳断裂和微动疲劳断裂。造成组件失效的原因和过程是，小齿轮轴近齿端油槽－油孔交界线处有较大的结构应力集中，油槽底部周向加工刀痕造成附加应力集中，在应力集中和旋转弯曲疲劳载荷作用下油孔边两个应力集中点萌生了疲劳裂纹并扩展；随小齿轮轴裂纹的不断扩展转轴组件结构刚度减小，继而诱发了与小齿轮轴匹配的电机轴配合面的微动疲劳，电机轴疲劳裂纹萌生于微动区的边缘处；电机转轴先于小齿轮轴完全断裂。基于本文的分析结果提出了提高组件抗疲劳断裂的技术措施。

关键词: 机车 , 转轴组件 , 应力集中 , 微动疲劳 , 高周疲劳 , 圆锥过盈配合

HXD1机车小齿轮轴断裂失效应力分析

朱有利 , 王燕礼 , 唐亮 , 刘忠伟

材料科学与工艺 doi:10.11951/j.issn.1005-0299.20160005

HXD1机车牵引电机小齿轮轴的两个疲劳源位于齿轮轴大端油槽－油孔交界处，相对于油槽谷底直径平面呈反对称分布，且不在油槽谷底。为深入研究应力在疲劳裂纹源萌生位置和裂纹萌生过程中的作用，本文基于有限元法建立了HXD1机车牵引电机转轴组件有限元细节应力分析模型，分析了在齿轮副啮合力作用下小齿轮轴的细节应力及分布状态。计算结果表明：小齿轮轴大端油孔两侧的两个应力集中点关于油槽谷底直径平面呈现反对称分布，这与裂纹源的实际位置吻合；从小齿轮轴锥端向齿端观察，油孔左侧应力集中点第一主应力值较右侧大（约26 MPa），这一区别导致左侧首先萌生疲劳裂纹的概率增大，该分析结果与失效小齿轮轴失效样本统计分析结果吻合。计算结果证实，油槽－油孔交界处呈反对称分布的应力集中在小齿轮轴的疲劳裂纹萌生过程中起决定性作用，建议采用表面机械强化的方法在两个疲劳危险点引入适当的残余压应力，以改善小齿轮轴的抗疲劳性能。

关键词: 机车齿轮轴 , 应力集中 , 疲劳断裂 , 有限元分析

疲劳载荷对17CrNiMo6喷丸强化层残余应力与组织的影响

孙寒骁 , 朱有利 , 侯帅 , 王燕礼 , 王伟

中国表面工程 doi:10.11933/j.issn.1007-9289.2016.04.006

高强度渗碳钢1 7CrNiMo6常用喷丸强化工艺来改善抗疲劳性能,但疲劳载荷会使喷丸强化层的残余应力与组织发生改变,削弱了强化效果.采用X射线衍射方法研究了其残余应力、半高宽和残余奥氏体随疲劳载荷周次的变化规律,同时研究了喷丸前后表面形貌、硬度和组织的变化.结果表明,喷丸与二次喷丸强化层残余应力场在疲劳载荷前100周次内发生了应力松弛,松弛幅度分别为50％与33％,之后基本保持稳定.半高宽随载荷周次的增加分别下降了5％与7％,而残余奥氏体含量变化不大.此外,喷丸处理增加了材料表层残余压应力,细化了晶粒尺寸,使疲劳寿命提高了11％;二次喷丸可进一步增加材料表层残余压应力,细化晶粒尺寸并改善表面形貌使材料疲劳寿命提高了23％.因此在评估喷丸工艺强化效果,预测喷丸处理后零部件的疲劳寿命时,宜采用松弛后的残余应力作为衡量参数.

关键词: 喷丸 , 17CrNiMo6 , 残余应力 , 应力松弛 , 组织结构 , 疲劳载荷

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