黃飛波， 劉昌標(biāo)， 黃 凱， 賀凱歌， 劉麗玉

（1.空軍裝備部駐常州地區(qū)軍事代表室，江蘇 常州 213000；2.中國(guó)航發(fā)常州蘭翔機(jī)械有限責(zé)任公司，江蘇 常州 213000；3.中國(guó)航發(fā)北京航空材料研究院，北京 100095）

0 引言

疲勞斷裂失效在斷裂前沒有明顯的宏觀塑性變形先兆，往往造成災(zāi)難性的后果[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，60%~80%的各種機(jī)械零件失效是由于疲勞斷裂引起的[2]。軸承座雖為靜子件，但因?yàn)樘幱诎l(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部件的環(huán)境中，不可避免地會(huì)承受一些交變載荷，引起疲勞失效[3]。而作為軸承關(guān)鍵轉(zhuǎn)動(dòng)部件的承載件，軸承座的失效也會(huì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生影響，甚至危及發(fā)動(dòng)機(jī)使用安全[4]。在對(duì)疲勞失效因素的研究中，較多地關(guān)注零件材質(zhì)、熱處理、缺陷等，往往忽略結(jié)構(gòu)尺寸，比如缺口、轉(zhuǎn)接圓角等結(jié)構(gòu)因素影響[5]。事實(shí)上，零件的疲勞性能不僅和材料有關(guān)，還主要和零件尺寸、結(jié)構(gòu)等直接相關(guān)。對(duì)于疲勞失效尤其是高周疲勞失效，一些結(jié)構(gòu)尺寸帶來(lái)的公差尤其應(yīng)力集中效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致疲勞強(qiáng)度急劇下降[6]。因此，研究一些設(shè)計(jì)、制造方面帶來(lái)的結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)疲勞失效的影響，對(duì)預(yù)防結(jié)構(gòu)件的失效有重要的工程意義。

發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)行60 h后分解檢查，發(fā)現(xiàn)滾棒軸承座安裝軸承外環(huán)處開裂，裂紋貫穿整個(gè)軸承外環(huán)配合面。滾棒軸承座作為發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)獍l(fā)生器的后支點(diǎn)，在保證載重和剛度的情況下，還需對(duì)燃?xì)獍l(fā)生器后軸承進(jìn)行有效的冷卻。軸承座材料為2Cr23Ni12W3Si，經(jīng)固溶處理。本研究對(duì)軸承座進(jìn)行宏微觀觀察，材質(zhì)組織檢查，確定其開裂性質(zhì)，對(duì)開裂原因進(jìn)行分析，并提出改進(jìn)措施。

1 試驗(yàn)過程與結(jié)果

1.1 外觀觀察和痕跡檢查

此型軸承座為燃?xì)獍l(fā)生器后軸承座，與后封嚴(yán)環(huán)、鼠籠式彈性支承、軸承支座安裝座等連接固定，外觀見圖1。其內(nèi)環(huán)配合孔壁分為軸承外環(huán)配合面和封嚴(yán)篦齒配合面，與封嚴(yán)篦齒配合面的孔壁粘有鎳鉻封嚴(yán)墊，與雙聯(lián)篦齒配合形成封嚴(yán)結(jié)構(gòu)。此外，內(nèi)孔壁有3處對(duì)稱的螺栓安裝臺(tái)，開裂位置位于其中一處螺栓安裝臺(tái)與軸承外環(huán)配合面的轉(zhuǎn)接處，貫穿整個(gè)軸承外環(huán)配合面（圖2）。

圖1 軸承座外觀Fig.1 Bearing housing appearance

從開裂后的斷面上觀察，可以判斷，起源位置位于螺栓安裝臺(tái)弧面和軸承外環(huán)配合面的交界臺(tái)階處，此位置由于周向環(huán)孔的結(jié)構(gòu)形成一個(gè)立體的尖角。從斷面方向觀察，起源位置基本呈現(xiàn)一個(gè)直角形貌（圖3）。此外，在螺栓安裝臺(tái)弧面處可見明顯的退刀槽。對(duì)比觀察其他2個(gè)螺栓安裝臺(tái)處對(duì)應(yīng)開裂位置的倒角，均呈現(xiàn)與開裂部位一致的直角形貌（圖4）。

圖3 開裂起源位置Fig.3 Cracking origin location

圖4 故障發(fā)生部位的結(jié)構(gòu)形貌Fig.4 Structure and morphology of the fault location

1.2 斷口觀察

開裂斷口前期斷面平坦，后期斷面上可見疲勞弧線和疲勞臺(tái)階（圖5）。 掃描電鏡下觀察，疲勞源區(qū)處于直角棱邊處，可見磨損，未見冶金缺陷，擴(kuò)展區(qū)面積較大，微觀可見細(xì)密的疲勞條帶[6]（圖6）。說(shuō)明軸承座開裂性質(zhì)為高周疲勞。

圖5 斷口宏觀形貌Fig.5 Macroscopic morphology of fracture

圖6 斷口微觀形貌Fig.6 Micro-morphology of fracture

1.3 金相及硬度檢查

在裂紋附近沿與裂紋擴(kuò)展方向一致的軸向截面，截取軸承外環(huán)配合面進(jìn)行金相分析，磨拋腐蝕后進(jìn)行觀察。組織為奧氏體+顆粒碳化物[7]，未見異常（圖7）。裂紋附近取樣進(jìn)行硬度檢查，硬度約為HB 190，其值也在要求的正常范圍內(nèi)。

圖7 軸承座金相組織Fig.7 Metallographic structure of bearing housing

2 分析與討論

軸承座開裂斷口斷面平坦，宏觀可見疲勞弧線，微觀可見細(xì)密的疲勞條帶，裂紋性質(zhì)為高周疲勞[8]。

軸承座材質(zhì)組織正常，源區(qū)未見冶金缺陷，但疲勞起源位置呈現(xiàn)直角過渡，存在明顯的應(yīng)力集中，且有明顯的退刀槽。一方面，軸承座與軸承外環(huán)配合段和與封嚴(yán)篦齒配合段之間的環(huán)孔無(wú)倒圓設(shè)計(jì)，直角轉(zhuǎn)接存在較大的應(yīng)力集中[9-10]；另一方面，螺栓安裝臺(tái)的弧面設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致源區(qū)位置的立體結(jié)構(gòu)上又呈現(xiàn)一個(gè)銳角結(jié)構(gòu)。斷口分析表明，軸承座疲勞源處于螺栓安裝臺(tái)弧面和軸承外環(huán)配合面的交界臺(tái)階處，此臺(tái)階無(wú)圓弧過渡，呈現(xiàn)一直角形貌，會(huì)導(dǎo)致較大的應(yīng)力集中[11-13]。

復(fù)查此軸承座的現(xiàn)行設(shè)計(jì)圖樣、樣機(jī)圖樣和樣機(jī)件進(jìn)行對(duì)比分析，認(rèn)為現(xiàn)行設(shè)計(jì)圖樣與樣機(jī)不符。現(xiàn)行設(shè)計(jì)圖樣中，對(duì)裂紋處的要求為回油槽上下兩邊倒R0.5~1.0圓角（圖8），即圖9中的1、2兩處位置倒R0.5~1.0圓角，其余尖邊倒圓為R0.1~0.2。而實(shí)際樣機(jī)圖紙要求“R0.5~1.0，四周”。即圖9中1、2、3處均要求為R0.5~1.0。復(fù)查樣機(jī)件，此位置確實(shí)為倒圓在R0.5以上。而故障件位置3倒圓為R0.1~0.2，幾乎呈直角形貌，且弧面的設(shè)計(jì)勢(shì)必導(dǎo)致此處的加工易出現(xiàn)退刀槽，進(jìn)一步加劇此位置的應(yīng)力集中。倒角不合格導(dǎo)致的應(yīng)力集中在發(fā)動(dòng)機(jī)輸出軸也出現(xiàn)過：由于實(shí)物圓角半徑比設(shè)計(jì)要求小，導(dǎo)致輸出軸斷裂處的實(shí)際旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞極限強(qiáng)度比設(shè)計(jì)要求降低一半，輸出齒輪軸的實(shí)際疲勞壽命相比設(shè)計(jì)壽命大大降低，導(dǎo)致該輸出齒輪軸工作中提前失效[9]。

圖8 設(shè)計(jì)圖樣倒圓要求Fig.8 Inverted circle requirements of design drawings

圖9 國(guó)產(chǎn)件與樣機(jī)件差異Fig.9 Differences between domestic parts and sample parts

因此，造成發(fā)動(dòng)機(jī)試車60 h軸承安裝座出現(xiàn)貫穿性疲勞開裂，與起源位置未倒圓呈一直角形貌且存在毛刺導(dǎo)致出現(xiàn)較大的應(yīng)力集中有關(guān)。

3 改進(jìn)措施及驗(yàn)證

為了改善裂紋位置的應(yīng)力集中，在設(shè)計(jì)上詳細(xì)規(guī)定各位置倒圓要求（回油槽處倒圓R0.5~1.0 mm）。在工藝上增加拋光工序，去除刀痕；增加各截面剖視圖，規(guī)范操作，檢驗(yàn)中增加目視檢查要求并記錄檢查結(jié)果；試車后分解檢查文件中對(duì)軸承座增加無(wú)損檢查要求。貫徹更改措施后生產(chǎn)的軸承座，隨發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)完成持久試車工作，返廠分解檢查，熒光檢測(cè)結(jié)果合格，未發(fā)現(xiàn)裂紋，在后續(xù)使用過程中也未出現(xiàn)此類故障。

4 結(jié) 論

1）軸承座開裂性質(zhì)為高周疲勞。

2）發(fā)動(dòng)機(jī)試車60 h軸承安裝座出現(xiàn)貫穿性疲勞開裂，與起源位置未倒圓呈一直角形貌且存在毛刺導(dǎo)致出現(xiàn)較大的應(yīng)力集中有關(guān)。

3）通過對(duì)設(shè)計(jì)圖樣進(jìn)行完善，細(xì)化尺寸，改進(jìn)軸承座的加工工藝及控制實(shí)物制造質(zhì)量等措施后，試車試驗(yàn)后未再發(fā)現(xiàn)此類故障。