组合式凸轮轴采用新型分体式设计与集成式装配的制造模式,在制造精度、生产成本、生产效率、材料匹配灵活性、轻量化及节能减排等诸多方面具有传统铸锻凸轮轴无法企及的优势,已成为汽车凸轮轴制造产业新的发展方向。凸轮与轴体的连接工艺以及高性能分体材料的优化匹配作为组合式凸轮轴的关键技术,是当前凸轮轴制造业的研究热点以及汽车发动机行业的重要课题。凸轮与轴管的连接方式有多种选择,如粉末烧结、焊接、扩径、热套及滚花连接等,其中径向滚花连接因具备常温局部变形、可靠性及尺寸精度高、设备通用等显著优势,逐渐成为凸轮轴装配技术的主流。该技术的前期研究集中于单一装配过程的定性分析以及钢质凸轮的连接工艺。目前存在的主要技术难点有:(1)缺乏滚花、压装、扭转过程的全面系统研究,工艺参数制定仍依靠传统实验,成本高、盲目性大,亟待合理的工艺制定优化手段。(2)未涉及新材料凸轮装配技术的研究,不同材质凸轮装配可靠性差异明显,铁基粉末冶金作为最重要的凸轮新型材料,具备碳钢无法比拟的高硬度、耐磨、抗点蚀及耐冲击等机械性能,然而装配可靠性的不确定性,以及高脆性引起的装配过程损伤极大的限制了PM凸轮的规模化应用。本文结合数值模拟与装配实验,以轴管、凸轮应力及位移场为桥梁,首次对径向滚花装配进行滚花—压装—承扭性能分析的系统研究,探讨了关键技术参数对压装力、静扭强度及凸轮型线精度的影响;以滚花刀参量及刀具进给量为影响因素,进行了降低装配压装力及提高连接静扭强度的双目标工艺优化,确定最优工艺参数组合;对PM凸轮材料进行机械及力学性能测试;首次开展了复合层式PM凸轮装配可靠性及装配损伤研究,以期实现该新型凸轮的可靠装配。本文主要的研究内容及成果如下:1.径向滚花过盈装配力学分析及滚花—压装—静力扭转分析有限元模型建立基于径向滚花组合式凸轮轴过盈装配连接原理,将装配过程分为挤压轴齿及厚壁圆筒过盈连接两个相对独立的过程,通过压装力及扭转强度力学解析,确定滚花刀齿高、齿顶角、进给量、轴管与凸轮材料力学性能是影响压装力、扭转强度和凸轮型线精度的关键工艺参数。构建径向滚花加工、压装及扭转有限元模型。考虑到轴管表面局部材料变形剧烈,特采用耦合的欧拉—拉格朗日有限元描述法;为轴管材料赋予综合金属加工硬化效应和失效行为的Johnson-Cook本构及失效模型。ii2.径向滚花—压装—静力扭转全过程系统模拟及研究装配过程不仅传递滚花加工过程刀具及加工参量的影响,更因滚花后轴齿硬化而影响装配过程中材料流动与压配应力;上述两过程使凸轮和轴管连接区的变形与弹性压配发生改变,直接影响了装配后凸轮轴的承扭性能。因此要进行凸轮轴装配和静扭强度分析,必须综合考虑三个过程的相关性。为此,本文开展滚花—压装—扭转过程数值模拟,深入探讨三个阶段凸轮与轴体应力应变分布特点、轴齿成型过程、刀具受力状况、连接件受力及变形情况,并与实际装配过程进行对比。结果表明:滚花过程中,仅在轴管表层存在塑性变形,滚花结束后轴管表面存在最大211mpa的残余应力。各阶段模拟变形体的材料流动情况与实验结果高度吻合。3.关键工艺参数对装配质量的影响分析首次开展复合层式pm凸轮装配及承扭性能研究;系统分析连接件材料匹配、滚花刀进给量、滚花刀齿参数对装配压装力、凸轮轴承扭性能及凸轮型线精度的影响,并进行对照实验,验证模拟有效性。研究结果表明:(1)凸轮及轴管材料影响装配压装力及静扭强度,轴管材料影响最为显著;(2)滚花刀齿高与压装力和静扭强度成正相关,相反滚花刀齿顶角与两物理量成负相关;(3)一定范围内,刀具进给量越大,压装力越大,静扭强度越高,进给量过小无法形成过盈,过大导致轴齿破坏;(4)同样装配条件下,模拟与实验获得压装力及静扭强度曲线吻合度高,数值模拟结果合理有效。4.钢质凸轮径向滚花过盈装配工艺参数优化从降低设备负荷,提高生产效率,避免装配过程轴体变形及凸轮型线精度低的角度,降低装配载荷是有利的,然而装配载荷与静扭强度正相关,为提高扭转强度,往往导致装配载荷难以下降。为此,本文采用中心复合设计与响应面分析法,以滚花刀齿高、齿顶角和进给量为独立变量,压装力和静扭强度两个相互矛盾的量作为双优化目标,建立了变量与目标的二阶响应面模型,对目标进行优化,寻找限制条件下的最优变量组合,以实现降低压装力的同时保持或提高静扭强度,并对响应面模型预测能力进行必要验证。结果显示:存在且仅有一组最优参数组合,即齿高0.73mm,齿顶角70°,进给量90%,所得响应面方程预测准确度高、误差小,结果可用于刀具设计及滚花工艺参数的制定。5.新材料新结构凸轮机械性能及损伤参数测试针对一体及复合式pm凸轮材料耐磨性、硬度、孔隙率及微观组织形貌进行分析。引入平台加载方式的巴西圆盘实验,结合单向拉伸测试,并通过有限元数值模拟标定法,得到了复合层两种材料的抗拉强度ζ、弹性模量e和断裂能gf;分析了平台巴西圆盘实验用于脆性粉末冶金材料力学性能测试的有效性;依据实验结果为具有低拉压比特性的PM凸轮材料赋予铸铁材料塑性本构模型。结果表明:巴西圆盘实验用于脆性粉末冶金材料力学性能的测试具有较高的精度,可为PM凸轮装配及失效过程数值模拟提供可靠材料参数。6.新材料新结构凸轮装配性能及损伤断裂研究从连续介质力学角度分析PM凸轮装配可行性,比较GCr15钢、一体式及复合层式PM凸轮装配压装力、静扭强度及凸轮型线精度差异。由于含碳量高、孔隙率大、内孔键槽应力集中,在实际装配过程中承受拉应力易发生微裂纹损伤,导致装配失效。本文基于断裂力学理论,考虑到凸轮压装承受周向拉应力作用,确定最大拉应力准则及基于断裂能的G判据作为装配过程PM凸轮损伤萌生及扩展判据;建立了适用于装配损伤分析基于断裂能的PM凸轮指数型内聚力损伤模型,并研究了该模型用于脆性粉末冶金材料损伤断裂过程分析是否具备较高的有效性及精度。通过分析压装过程凸轮周向拉应力分布规律,明确凸轮装配应力集中区域并预置内聚力单元;分析了PM凸轮在承受较大压装力时,微裂纹损伤萌生位置和扩展特点;从装配损伤失效的角度分析装配可行性,比较两种结构凸轮可承受的最大压装力范围,并确定合理的装配参数;探讨装配对中性对凸轮受力及损伤开裂的影响。结果表明:(1)钢制与PM凸轮的装配压装力和静扭强度存在明显差异,GCr15凸轮所受压装力及可承受的静扭强度最大,较最低的复合层式PM凸轮分别高9.7%和10.3%;(2)同样装配条件下,复合层式凸轮内层承受较大周向拉应力,而外层承受压装力较一体式凸轮明显减少,降低了外层脆性材料起裂的可能性,显著提升了PM凸轮可承受的最大压装力;(3)一体式PM凸轮可承受的最大压装力处在19074 N~20733N之间,装配轴齿高度应不高于0.72mm。复合层式PM凸轮可承受的最大压装力在21163 N~22968 N区间内,装配轴齿高度应不高于0.77mm;轴管与凸轮对中性差,会引起凸轮受力不均匀,在压装初期即发生损伤断裂。研究可指导PM凸轮制造技术和装配工艺,有效避免装配损伤失效,并为后续PM凸轮针对性工艺优化奠定基础。