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        空壓機(jī)曲軸斷裂分析

        2018-04-26 01:00:16姜永升
        金屬加工(熱加工) 2018年4期
        關(guān)鍵詞:軸頸調(diào)質(zhì)圓角

        ■ 姜永升,李 忙

        曲軸受到周期性不斷變化的交變載荷作用,產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)和橫向與縱向振動(dòng),承受彎曲、扭轉(zhuǎn)、沖擊等多種應(yīng)力的作用。曲軸在斷裂之前沒(méi)有先兆,是一種突發(fā)性事故,一旦發(fā)生將造成較大危害。近期公司生產(chǎn)的1.6m3空壓機(jī)曲軸出現(xiàn)多起斷裂事故。該類曲軸材質(zhì)為40Cr,熱處理工藝流程為:鍛造→正火→調(diào)質(zhì)→軸頸高頻感應(yīng)淬火。

        1. 力學(xué)性能分析

        (1)斷口宏觀分析 圖1為曲軸斷面形貌,斷口邊緣無(wú)明顯的塑性變形。整個(gè)斷面與軸頸軸線呈45°角,斷口面呈現(xiàn)出典型的海灘花樣疲勞紋及斷裂臺(tái)階特征,可以判斷該曲軸斷裂性質(zhì)為彎曲-扭轉(zhuǎn)疲勞斷裂。瞬斷區(qū)所占斷面面積較小,說(shuō)明曲軸在運(yùn)行過(guò)程中所受載荷不大。裂紋源位于退刀槽圓角處,可以看出該處車削刀痕較深,同時(shí)存在毛刺。

        (2)裂紋源分析 對(duì)斷裂曲軸進(jìn)行解剖,并觀察退刀槽圓角處組織。圖2可以看出退刀槽圓角表面粗糙度很差,存在尖銳凹坑與突起的毛刺。

        圖1 曲軸斷裂形貌

        圖2 圓角剖面

        圖3顯示在該處表面金屬存在塑性流變,同時(shí)在塑性流變的局部區(qū)域存在微裂紋,說(shuō)明在車削過(guò)程中車刀與曲軸表面基本上未產(chǎn)生切削,存在高速摩擦現(xiàn)象,造成了表面金屬損傷,大幅降低了金屬的抗塑性變形能力與阻礙裂紋擴(kuò)展的能力。

        由圖4可以看出,在軸拐頸與退刀槽交界位置存在一條表面擴(kuò)展裂紋。該裂紋起始于退刀槽表面金屬受損區(qū),在運(yùn)行過(guò)程中沿著最大受力方向,向內(nèi)部擴(kuò)展。

        (3)基體組織分析 由圖5可以看出,曲軸基體組織為回火索氏體+較多條狀鐵素體組織,同時(shí)硬度為245HBW,偏于標(biāo)準(zhǔn)下限。

        (4)感應(yīng)淬火區(qū)組織 如圖6所示,硬化區(qū)組織為回火馬氏體組織,硬度為55HRC,符合標(biāo)準(zhǔn)要求(48~55HRC)。

        圖3 金屬流變區(qū)

        圖4

        圖5 基體組織

        圖6 硬化區(qū)組織

        2. 分析與討論

        根據(jù)以上檢驗(yàn)結(jié)果,曲軸基體調(diào)質(zhì)組織及硬度(偏下限)、軸頸表面高頻感應(yīng)淬硬層組織及其硬度均合格。通過(guò)斷口分析表明該曲軸斷裂性質(zhì)為彎曲-扭轉(zhuǎn)疲勞斷裂,裂紋源位于退刀槽薄弱區(qū),為切削加工刀痕、金屬微觀損傷、毛刺和尖銳的交匯線。當(dāng)曲軸表面這些加工缺陷達(dá)到一定程度并處于與交變的主應(yīng)力面平行時(shí)便形成了裂紋源,在運(yùn)行過(guò)程中形成應(yīng)力集中,在交變載荷的作用下最終造成曲軸疲勞斷裂。

        3. 結(jié)論和建議

        (1)該曲軸斷裂為彎曲-扭轉(zhuǎn)疲勞斷裂,裂紋源位于退刀槽加工刀痕及金屬塑性流變區(qū)(局部存在微裂紋),在運(yùn)行過(guò)程中形成應(yīng)力集中,造成曲軸疲勞斷裂。

        (2)優(yōu)化調(diào)質(zhì)工藝,適當(dāng)提高曲軸強(qiáng)度,增加其抗彎曲變形能力;對(duì)退刀槽過(guò)渡圓弧處進(jìn)行磨削加工,降低表面粗糙度值并減少金屬損傷對(duì)疲勞強(qiáng)度產(chǎn)生的影響。經(jīng)過(guò)上述工藝有效地控制了曲軸的斷裂失效現(xiàn)象。

        參考文獻(xiàn):

        [1] 熱處理手冊(cè)編委會(huì).熱處理手冊(cè):第四卷[M].3版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2001.

        [2] 黃錫愷.機(jī)械原理[M].北京:人民教育出版社,1981.

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