杜 健 查佳朋 段美姣 黃時華 阮晉如 鄒成科 蒯金斌

（格力電器（合肥）有限公司 合肥 230000）

引言

某車間全面檢修時發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)軸流風葉的機械設備橫梁臂出現(xiàn)2道裂紋，存在質(zhì)量和安全隱患，為查找失效原因，避免其他設備出現(xiàn)同類異常，對故障件進行失效分析。經(jīng)了解該設備機械臂材質(zhì)為ZL101A鑄造鋁合金，國標要求鑄件表面上不允許有裂紋、縮孔、穿透性缺陷等。

1 現(xiàn)場調(diào)查

經(jīng)核實出現(xiàn)裂紋的機器為17年5月份發(fā)貨，5月底安裝，發(fā)現(xiàn)裂紋時使用周期為15個月。現(xiàn)場查看機械手出現(xiàn)的兩處裂紋均在橫梁上，橫梁為懸臂梁式結構，一端采用四個螺栓固定，另一端懸空。橫梁（UV軸）上的機械臂沿著UV軸導槽可以左右滑動，機械手自身沿垂直方向運動夾取物料。

2 理化檢測

2.1 宏觀分析

取下異常懸臂橫梁，觀察表面存在兩處裂紋，在中間段和靠左段（也是橫梁懸空段），橫梁為方形中空結構。兩處裂紋均是由導軌安裝槽處開始，貫穿橫梁直至側面。橫梁的導軌槽未噴涂，該處基材呈裸露狀態(tài)，整個表面均存在氣孔，外觀質(zhì)量較差。

圖1 兩處裂紋均出現(xiàn)在橫梁上（UV軸）

截取端部橫梁，沿裂紋前端解剖，發(fā)現(xiàn)靠近導槽位置裂紋穿透整個截面，已經(jīng)出現(xiàn)斷裂狀態(tài)，斷口表面氧化發(fā)黑，其余位置表面裂紋深度約3～6 mm。沿裂紋走向掰斷故障件，發(fā)現(xiàn)多處斷口存在發(fā)黑，可以判斷為已經(jīng)裂紋產(chǎn)生很久了，且1處掰斷處斷口明顯存在塊狀夾雜，另1掰斷處斷口齊平，無撕裂狀，材料未結合在一起。

2.2 硬度測試

使用維氏硬度計測試硬度值為75.3～78.6 HV，僅作參考，因國標給出的為布氏硬，暫無標準換算公式。

2.3 材質(zhì)成份分析

從裂紋處截取一塊進行打磨，去掉表面涂層后，使用直讀光譜儀掃描材料成份，測試結果顯示部分位置雜質(zhì)含量超標，不符合標準要求，影響材料使用性能。

2.4 金相分析

從裂紋起始處截取一塊樣件進行打磨、拋光，使用濃度和20 %的氫氧化鈉溶液進行腐蝕，使用顯微鏡觀察（50、100倍），有大量氣孔，晶粒組織存在不均勻現(xiàn)象。α固溶體枝晶狀較明顯，主要為局部散熱差，冷卻速度緩慢，使得固溶體形成和長大較快，出現(xiàn)晶粒粗細不均的情況。氣孔和晶粒不均處均為材料薄弱處，受外力后易產(chǎn)生裂紋。

3 應力應變分析

為采集機械手實際工作時的受力情況，使用應力應變設備進行布點采集實時數(shù)據(jù)。因設備運行時幅度過大，固定采集點受影響 ，因此只在UV軸左、右及UV連接塊進行布點，模擬機械手單次取料動作時的各點的受力情況。

圖2

圖3

圖4

圖5 維氏硬度值

應力測試情況總結:①受機械手運動影響，UV連接塊應力值要比其他點大；②UV軸左/右數(shù)據(jù)在進300/320（分別對應手動130/150）各測試3組數(shù)據(jù)，最大值為194.75 μ。

表1 材質(zhì)成分測試結果

圖6 箭頭處為粗大固溶體，黑色孔洞為氣孔

圖7

4 導軌組件差異對比

對比現(xiàn)場其他家機械手導軌組件，失效廠家組件的固定方式、材料結構與之存在差異，其機械手的UV軸為鑄造鋁合金，且為懸臂梁式單點固定，橫梁內(nèi)部承壓面積小，具體差異點如表2。

5 原因分析

經(jīng)宏觀、微觀、物理性能、應力應變分析，及差異點對比，確定機械手導軌組件失效點如下：

1）材質(zhì)：UV軸使用材料為鑄造鋁合金，該材料生產(chǎn)過程處理不當，使得表面和內(nèi)部出現(xiàn)大量氣孔，局部存在夾雜，此類內(nèi)部缺陷導致材料結合性差，易失效產(chǎn)生裂紋。

2）受力：應力應變結果顯示，機械手運動時，UV連接塊應力值相對比其他點大，該處螺栓易出現(xiàn)松脫和斷裂的情況。

3）承壓面積：UV軸為懸臂梁式結構，只在一端固定，受力集中，且UV軸為方形中空結構，內(nèi)部加強筋數(shù)量少，承壓能力相對較差 。

6 改善建議

經(jīng)綜合分析，確定為加工不當使得材料本身存在氣孔、夾雜和晶粒大小不均缺陷，采用懸臂梁式一端固定，承壓橫截面小，在使用過程中受外力影響，從材料缺陷處（最脆弱處）產(chǎn)生裂紋，再延伸出現(xiàn)斷裂口。

根據(jù)失效原因，建議如下：①設備制造廠家對使用材料加嚴檢驗，確保質(zhì)量合格；②變更UV軸（即失效橫梁）固定方式，分散受力點；③增加加強筋數(shù)量，增加橫梁承壓面積和承壓能力；④提高UV-連接塊固定螺釘強度等級。

表2 不同廠家機械手的導軌組件差異點對比