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        乘用車行李廂蓋扭桿失效分析

        2019-06-21 07:14:18甘柳忠韋賢毅萬永紅
        裝備制造技術(shù) 2019年4期
        關(guān)鍵詞:扭桿行李廂壓痕

        甘柳忠,韋賢毅,萬永紅,藍 先,謝 寧

        (上汽通用五菱汽車股份有限公司,廣西 柳州545007)

        0 引言

        某車型行李廂蓋扭桿(材料為TDCrSi)在軟工裝交樣階段的耐久性試驗中出現(xiàn)斷裂問題。扭桿的制備工藝如下:熱軋線材-酸洗-拉絲-油淬火-回火-檢測-成形加工-去應(yīng)力回火-電泳漆。行李廂蓋扭桿的結(jié)構(gòu)形式如圖1(a)所示。CAE分析表明扭桿彎角處為應(yīng)力集中處,見圖1(b)。失效扭桿的斷裂發(fā)生在彎角處,與CAE分析一致。

        圖1 尾門扭桿的結(jié)構(gòu)及CAE分析結(jié)果

        扭桿彈簧作為行李箱蓋的開啟輔助裝置,在其制造過程中需要控制扭桿質(zhì)量以避免發(fā)生斷裂等[1]失效現(xiàn)象。應(yīng)用于車型行李廂蓋的扭桿,需要滿足成分、表面脫碳、金相組織結(jié)構(gòu)、硬度與耐久性等技術(shù)要求,如表1所示。

        表1 某車型行李廂蓋扭桿技術(shù)要求

        采用斷口分析、金相檢驗和硬度檢測等方法對2根斷裂扭桿(1號失效扭桿和2號失效扭桿)進行失效分析。

        1 檢測與分析

        1.1 成分分析

        采用OES光譜儀測量失效扭桿的化學(xué)成分(如表2所示),結(jié)果表明扭桿材料TDCrSi化學(xué)成分的實測值符合技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求(標(biāo)準(zhǔn)值Min和標(biāo)準(zhǔn)值Max所列即為《GB/T18983-2017淬火-回火彈簧鋼絲》對TDSiCr要求的范圍值)。

        表2 行李廂蓋扭桿的化學(xué)成分分析(wt%)

        1.2 斷口形貌

        從圖2至圖4的宏觀形貌可知:2根失效扭桿的外表面存在損傷缺陷,并在斷口邊緣(扭桿表面)觀察到裂紋源。經(jīng)過對扭桿整個生產(chǎn)流程進行追蹤,確認表面損傷是在扭桿成形時工裝對扭桿表面進行擠壓而形成壓痕,產(chǎn)生表面損傷缺陷。

        圖2 1號失效扭桿的斷口形貌

        圖3 1號失效扭桿裂紋源外表面

        圖4 2號失效扭桿裂紋源處表面

        利用掃描電子顯微鏡(SEM)對裂紋源進行觀察,可以觀察到裂紋源的微觀形貌,如圖5和圖6所示。裂紋從扭桿表面處的裂紋源開始,沿垂直表面方向呈射線狀向中心擴展。

        圖5 失效扭桿裂紋源處

        圖6 失效扭桿裂紋源處的放大圖(裂紋源起于表面)

        圖7和圖8可以觀察到失效扭桿的裂紋起始擴展區(qū)和快速擴展區(qū)的疲勞輝紋,及其擴展方向。

        圖7 失效扭桿起始擴展區(qū)(疲勞輝紋)

        圖8 失效扭桿快速擴展區(qū)(疲勞輝紋,二次裂紋)

        表面裂紋源經(jīng)起始擴展和快速擴展之后,裂紋擴展失穩(wěn),形成典型的韌窩形貌,最終導(dǎo)致扭桿斷裂,如圖9所示。圖5~圖9展示了表面裂紋源-裂紋起始擴展-快速擴展-擴展失穩(wěn)-瞬斷區(qū)的典型微觀形貌,證明扭桿斷裂是疲勞斷裂[2]。

        圖9 失效扭桿瞬斷區(qū)(韌窩)

        1.3 硬度分析

        在扭桿的3個不同位置,分別測量2根失效扭桿的維氏硬度,其數(shù)值和平均值如表3所列。

        表3 扭桿維氏硬度測量值(HV50)

        失效扭桿的維氏硬度(HV50)約為500,在扭桿硬度的正常范圍內(nèi),失效扭桿的硬度值正常。

        1.4 金相分析

        利用光學(xué)顯微鏡觀察失效扭桿的表面脫碳情況和金相組織,結(jié)果如圖10和圖11所示。

        圖10 扭桿無脫碳

        圖11 扭桿回火屈氏體:上)1號扭桿下)2號扭桿

        分析結(jié)果表明:失效扭桿表面均未觀察到脫碳現(xiàn)象,扭桿金相組織為回火屈氏體。失效扭桿的金相組織正常,扭桿表面無脫碳。這說明扭桿不是由表面脫碳引起扭桿疲勞強度下降而導(dǎo)致斷裂的。

        1.5 分析與討論

        綜合上述結(jié)果:兩根失效扭桿的硬度和金相組織均正常,這說明扭桿不是由于扭桿內(nèi)部缺陷引起抗拉強度下降(硬度下降)或者表面脫碳引起疲勞強度下降而引發(fā)斷裂的。其斷裂原因是:1號扭桿和2號扭桿裂紋源都起于表面,裂紋源處的外表面有明顯的缺陷損傷,起始擴展區(qū)和快速擴展區(qū)的疲勞輝紋,以及瞬斷區(qū)的韌窩表明,兩根扭桿屬于正常的疲勞斷裂[1,3]。1號扭桿和2號扭桿均是由表面缺陷損傷引發(fā)裂紋源從而導(dǎo)致的疲勞斷裂。

        追蹤扭桿的整個生產(chǎn)流程,確認成形過程產(chǎn)生的工裝壓痕是失效扭桿表面損傷缺陷的根本原因。針對扭桿斷裂的原因,在工裝樣件階段,通過原材料表面質(zhì)量控制、扭桿結(jié)構(gòu)優(yōu)化(圓角優(yōu)化)和扭桿成形工裝改善等改進措施的實施,大大減少扭桿表面的工裝壓痕,大幅度地提升扭桿質(zhì)量。改善后的扭桿滿足表1所列各項指標(biāo),通過了3萬次耐久循環(huán)試驗。

        2 結(jié)束語

        為解決某車型行李廂蓋扭桿在軟工裝交樣階段出現(xiàn)的斷裂問題,利用光學(xué)顯微鏡、掃描電子顯微鏡和硬度計等手段檢測失效扭桿的斷口形貌、硬度值和金相組織,找出斷裂扭桿的原因,提出解決措施并進行試驗驗證。

        (1)斷裂扭桿屬于正常的疲勞失效。對扭桿生產(chǎn)過程進行追蹤并確認成形過程產(chǎn)生的工裝壓痕是失效扭桿表面損傷的根本原因。

        (2)在車型項目的工裝樣件階段,通過原材料表面質(zhì)量控制、扭桿結(jié)構(gòu)優(yōu)化(圓角優(yōu)化)和扭桿成形工裝改善等改進措施的實施,大大減少扭桿表面的工裝壓痕,大幅度地提升扭桿質(zhì)量。

        (3)改善后的扭桿通過耐久性試驗的驗證,并滿足車型規(guī)定的其他技術(shù)要求,最終在車型項目上順利應(yīng)用。

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