何惜港，梁英，宋海濤，郭帥

(洛陽LYC軸承有限公司，河南 洛陽 471039)

鉚釘作為一種機(jī)械連接件在軸承行業(yè)中主要應(yīng)用于軸承保持架，通過鉚釘將兩半保持架鉚接為一體。與整體保持架相比，鉚接保持架具有更好的加工及裝配工藝性。

一般來說，保持架鉚釘多采用鋼絲直接截成釘桿后隨即冷鍛一端，形成一端帶釘頭的鉚釘。目前，鉚接結(jié)構(gòu)的軸承保持架應(yīng)用廣泛，并形成了相對成熟、穩(wěn)定的工藝。實際應(yīng)用中鉚接結(jié)構(gòu)一旦失效，保持架將解體，導(dǎo)致軸承無法正常運轉(zhuǎn)而最終失效。結(jié)合軸承在工程應(yīng)用中出現(xiàn)的鉚釘失效問題，對現(xiàn)有鉚釘設(shè)計及工藝進(jìn)行分析，以避免軸承保持架因鉚釘失效而解體，提高軸承整體質(zhì)量和可靠性。

1 問題的提出

某主機(jī)在分解檢查過程中發(fā)現(xiàn)，軸承保持架一側(cè)有6個鉚釘釘頭脫落。軸承累計工作時間約400 h。

保持架由蓋端和座端兩部分組成，通過30個鉚釘連接，軸承結(jié)構(gòu)如圖1所示。鉚釘釘頭為一端冷墩成形一端熱鉚成形。其中位于保持架蓋端的釘頭為熱鉚釘頭，位于保持架座端的釘頭為冷墩釘頭。6個失效鉚釘?shù)臄嗔盐恢镁诶涠蔗旑^端，鉚釘頭脫落，而鉚釘桿仍在釘孔內(nèi)。

鉚釘材料為ML15鋼，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的抗拉強(qiáng)度為390～540 MPa。

2 鉚釘頭脫落原因

2.1 鉚釘斷口外觀分析

2.1.1 失效鉚釘斷口宏觀觀察

失效鉚釘均在鉚釘頭和鉚釘桿的倒角R處發(fā)生斷裂，斷口附近未見明顯的塑性變形痕跡，如圖2所示，觀察失效鉚釘?shù)尼敆U部位，均可見光亮痕跡。在斷裂的鉚釘端部可見較大的麻點坑形貌，也可見相對較小的金屬突起(已磨得發(fā)亮)，如圖3所示。

1—外圈；2—滾子；3—內(nèi)圈；4—保持架蓋；5—保護(hù)架座；6—鉚釘

圖2 失效鉚釘及斷裂位置

圖3 斷裂鉚釘端部的形貌特征

鉚釘斷口宏觀形貌基本相同，表現(xiàn)為：斷面基本呈灰黑色，裂紋起始于表面多處，可見從裂紋源發(fā)散的棱線；斷口上有兩個較為平坦的裂紋擴(kuò)展區(qū)；瞬斷區(qū)較粗糙，位于兩個擴(kuò)展區(qū)的中間(偏向斷面一側(cè))，約占整個斷面的10%，如圖4所示。

圖4 斷裂鉚釘頭部位的形貌特征

2.1.2 失效鉚釘斷口微觀觀察

對斷口進(jìn)行超聲波清洗后，在掃描電鏡下進(jìn)行斷口微觀觀察。

鉚釘斷口的微觀斷裂特征基本相同，均表現(xiàn)為一大一小兩個相對的疲勞擴(kuò)展區(qū)，瞬斷區(qū)處在兩個疲勞區(qū)之間，且瞬斷區(qū)所占斷口面積比例較小。鉚釘斷裂起源區(qū)也可見周向摩擦痕跡，未見明顯的冶金缺陷；擴(kuò)展區(qū)可見擦傷痕跡，具有微動疲勞損傷的特征。鉚釘斷口低倍形貌如圖5所示。

圖5 鉚釘斷口低倍形貌

根據(jù)斷口形貌，可將斷面分為斷裂Ⅰ區(qū)、斷裂Ⅱ區(qū)和斷裂Ⅲ區(qū)3個區(qū)域，其中斷裂Ⅰ區(qū)和斷裂Ⅱ區(qū)斷面較平坦，斷裂Ⅲ區(qū)較粗糙，斷裂Ⅰ區(qū)約占整個斷面的80%，斷裂Ⅱ區(qū)約占整個斷面的10%。

斷裂Ⅰ區(qū)起源區(qū)微觀斷裂形貌如圖6所示。表現(xiàn)為多點起源特征，可見從源區(qū)發(fā)散的細(xì)小棱線，起源位置處可見周向的摩擦痕跡，具有微動疲勞損傷的特征，源區(qū)附近未見夾雜等冶金缺陷。

裂紋擴(kuò)展區(qū)主要表現(xiàn)為細(xì)密的疲勞條帶斷裂特征，可見擦傷痕跡，如圖7所示。疲勞裂紋擴(kuò)展后期，疲勞條帶間距有所加寬。

斷裂Ⅱ區(qū)的微觀斷裂形貌如圖8所示，也表現(xiàn)為多點起源的疲勞斷裂特征，疲勞條帶細(xì)密。

圖8 斷裂Ⅱ區(qū)微觀形貌特征

斷裂Ⅲ區(qū)為瞬斷區(qū)，表現(xiàn)為韌窩斷裂特征，如圖9所示。

個別鉚釘斷口的疲勞擴(kuò)展后期，可見明顯的疲勞弧線特征，如圖10所示。

2.2 外力打斷鉚釘斷口觀察

為比較斷裂特征，對一鉚釘在鉚釘桿部位進(jìn)行外力打斷。外力打斷斷口呈銀灰色，斷口附近可見明顯的宏觀塑性變形，斷口微觀形貌為韌窩斷裂特征，如圖11所示。

圖9 斷裂Ⅲ區(qū)及斷裂交界處的形貌特征

圖10 斷口疲勞擴(kuò)展后期的疲勞弧線特征

圖11 外力打斷鉚釘桿斷口的斷裂特征

2.3 金相組織觀察

在斷裂鉚釘桿處截取金相試樣，進(jìn)行組織觀察。金相組織表現(xiàn)為鐵素體基體上彌散分布細(xì)小顆粒狀的碳化物，鐵素體晶粒細(xì)小，組織未見異常，因此排除了材料缺陷的影響。

2.4 失效原因分析

2.4.1 失效模式

斷口宏、微觀觀察結(jié)果表明，所有鉚釘斷裂特征基本相同，疲勞區(qū)面積較大、瞬斷區(qū)面積較小,與機(jī)械外力打斷后的斷口區(qū)別明顯。綜合判斷失效鉚釘?shù)臄嗔涯Ｊ綖槠跀嗔选?/p>

2.4.2 失效原因

失效鉚釘斷口觀察表明，斷裂起源區(qū)未見明顯的夾雜等冶金缺陷，金相組織未見異常；熱鐓釘頭的材料強(qiáng)度弱于冷鐓釘頭，但斷裂失效卻出現(xiàn)在冷墩端，因此鉚釘?shù)臄嗔咽?yīng)與材質(zhì)無關(guān)。鉚釘斷口均包含一大一小兩個明顯的疲勞斷裂區(qū)。正常情況下，鉚釘一般受剪切應(yīng)力作用，不應(yīng)發(fā)生疲勞斷裂。從斷裂均出現(xiàn)在冷鐓釘頭位置、且存在周向摩擦痕跡、鉚釘桿斷裂位置處也存在明顯的磨損痕跡等來看，鉚釘釘頭脫落應(yīng)為微動磨損導(dǎo)致的疲勞斷裂。

3 工藝分析與改進(jìn)措施

鉚釘加工工藝為鉚釘鋼絲經(jīng)截斷形成釘桿，釘桿一端經(jīng)冷墩后形成一端帶釘頭的鉚釘。鉚釘裝配至保持架釘孔后，另一端熱墩形成釘頭，將兩半保持架鉚接為一體。整個工藝過程中，主要存在以下問題：

(1)冷墩釘頭時由于模具的原因，在釘頭與釘桿過渡處容易形成“飛邊”，造成鉚接時此端面與保持架端面不能完全貼合；

(2)受工藝難度大及鉚釘數(shù)量多等制約，通常鉚釘釘桿外徑尺寸及表面質(zhì)量由采購的鋼絲外徑?jīng)Q定，與鉚釘孔的配合難以受控，使鉚釘與釘孔間多為間隙配合；

(3)熱墩形成釘頭后可以保證與保持架端面及釘孔的緊密配合，但強(qiáng)度較低。

由以上分析可知，當(dāng)鉚釘與保持架之間存在間隙時，在具備了如振動等特定條件時就可能會出現(xiàn)微動磨損，進(jìn)而導(dǎo)致鉚接失效。因此，應(yīng)根據(jù)軸承的具體使用工況，適度控制鉚釘與保持架之間的配合間隙，以避免鉚釘釘頭脫落。當(dāng)然并非過盈量越大越好，過盈量太大，將直接造成裝配困難，最終也會影響軸承裝配質(zhì)量。因此，鉚釘?shù)呐浜线^盈量應(yīng)根據(jù)具體情況分析確定。

4 結(jié)束語

通過對典型鉚釘失效案例的分析，明確了鉚釘釘頭斷裂脫落的機(jī)理，希望能為同類結(jié)構(gòu)軸承的保持架鉚釘設(shè)計及工藝提供有益的借鑒和參考，避免再發(fā)生類似的故障。

當(dāng)前受鉚釘工藝條件的制約，冷墩釘頭與釘桿過渡處除產(chǎn)生“飛邊”外，還存在應(yīng)力集中及冷墩裂紋等，同時類似鉚釘斷裂故障機(jī)理也各有不同，這些問題有待今后進(jìn)一步探究。