劉謙文，王立志，王夢(mèng)華，朱光輝，張紅娟，焦超鋒

(西安航空計(jì)算技術(shù)研究所，陜西 西安 710068)

0 引 言

航空機(jī)載設(shè)備通過鎖鉤與鎖緊裝置將機(jī)箱與安裝架連接，鎖鉤在使用過程中，承受各種振動(dòng)、沖擊以及離心等載荷，是機(jī)載設(shè)備的主要受力件之一[1]。在對(duì)某型機(jī)載計(jì)算機(jī)進(jìn)行耐久試驗(yàn)過程中，出現(xiàn)了鎖鉤斷裂的現(xiàn)象，這對(duì)機(jī)載計(jì)算機(jī)的正常工作造成了極大的安全隱患。

為分析結(jié)構(gòu)件斷裂失效原因，徐周玨通過對(duì)飛機(jī)上的裝配螺栓的斷口進(jìn)行微觀分析，對(duì)材料進(jìn)行硬度測(cè)試和金相分析，得出斷裂失效原因?yàn)闅浯鄶嗔裑2]。趙旭通過對(duì)沖擊試驗(yàn)失效的雙耳片進(jìn)行斷口和金相觀察、硬度檢測(cè)、強(qiáng)度分析計(jì)算及試驗(yàn)過程監(jiān)測(cè)，得出斷裂原因?yàn)闆_擊載荷超過試驗(yàn)要求[3]。劉本武通過斷口、材料成分和冶金組織分析以及振動(dòng)特性計(jì)算得出燃?xì)廨啓C(jī)低壓二級(jí)葉片斷裂是高循環(huán)斷裂，主要由靠近疲勞源的溝槽制造缺陷引起的[4]。

筆者通過結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析、斷口和金相分析對(duì)鎖鉤的斷裂失效機(jī)理進(jìn)行了分析，從生產(chǎn)過程控制及加工工藝兩個(gè)方面提出了改進(jìn)措施，為解決機(jī)載計(jì)算機(jī)鎖鉤斷裂失效問題的提供參考。

1 工作原理及故障現(xiàn)象

1.1 工作原理

鎖鉤結(jié)構(gòu)及工作方式如圖1所示，鎖鉤的設(shè)計(jì)符合GJB780-89《機(jī)載電子設(shè)備的安裝架及其附件的基本尺寸》中的要求，在實(shí)際應(yīng)用中，鎖鉤與機(jī)箱固聯(lián)后，通過鎖緊裝置固定在飛機(jī)上的安裝架上，以此方式限制機(jī)箱的運(yùn)動(dòng)，保證機(jī)箱內(nèi)電子設(shè)備的正常工作及散熱。

圖1 鎖鉤結(jié)構(gòu)及工作方式示意圖

1.2 故障現(xiàn)象

產(chǎn)品在進(jìn)行定期的耐久試驗(yàn)中發(fā)生一側(cè)鎖鉤斷裂，斷裂部位出現(xiàn)在圓角根部。耐久試驗(yàn)是驗(yàn)證產(chǎn)品在規(guī)定的試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)能否承受預(yù)期的振動(dòng)應(yīng)力，檢查結(jié)構(gòu)是否出現(xiàn)破壞現(xiàn)象[5]，振動(dòng)試驗(yàn)分三個(gè)方向，每個(gè)方向振動(dòng)持續(xù)14.7 h，振動(dòng)量值11.05g，寬帶隨機(jī)耐久試驗(yàn)功率譜密度如圖2所示。鎖鉤斷裂發(fā)生在第一個(gè)垂向振動(dòng)至10.75 h，試驗(yàn)即刻停止。

圖2 寬帶隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)功率譜密度

2 失效機(jī)理分析

2.1 強(qiáng)度分析

鎖鉤材料為優(yōu)質(zhì)合金結(jié)構(gòu)鋼30CrMnSiA，進(jìn)行熱處理強(qiáng)化，整機(jī)重量為4.95 kg，振動(dòng)量值為11.09 g材料拉伸強(qiáng)度極限σb=1080 MPa，疲勞強(qiáng)度極限σs=835 MPa。

在Inventor11中對(duì)零件進(jìn)行靜力分析，得到的鎖鉤靜載安全系數(shù)為10.2。在Ansys中進(jìn)行隨機(jī)振動(dòng)分析[6]，得到1σ時(shí)的最大應(yīng)力為133.8 MPa，根據(jù)材料疲勞強(qiáng)度計(jì)算得出其疲勞安全系數(shù)為6.24，計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

圖3 鎖鉤強(qiáng)度分析結(jié)果

通過強(qiáng)度分析，得出鎖鉤的材料強(qiáng)度能夠滿足振動(dòng)試驗(yàn)的要求。

2.2 斷口分析

對(duì)發(fā)生斷裂的鎖鉤的斷口部位在低倍顯微鏡下進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)了一條裂紋，如圖4所示。

初步分析認(rèn)為，該鎖鉤發(fā)生斷裂的原因應(yīng)該是鎖鉤圓角處存在裂紋造成的，接著對(duì)裂紋產(chǎn)生的機(jī)理進(jìn)行了詳細(xì)分析。

圖4 低倍放大下的鎖鉤斷面圖像

將斷面方在顯微鏡放大250倍觀察，發(fā)現(xiàn)其斷裂紋理明顯呈現(xiàn)放射狀，這種破壞現(xiàn)象屬低周疲勞破壞，順著放射狀紋理反面搜索，可找到疲勞裂紋源[7]。由此可得該鎖鉤斷裂時(shí)，施加在鎖鉤上的應(yīng)力并不大，鎖鉤斷裂是由圓角處存在裂紋引起的。

圖5 顯微鏡下的鎖鉤斷面圖像

2.3 金相分析

零件表面處理方式為電鍍裝飾鉻，對(duì)斷口及鎖鉤材料進(jìn)行金像分析的結(jié)果表明，該鎖鉤是由于表面處理過程中酸洗過度，在表面形成腐蝕微孔，在隨后的鍍銅過程中，銅沿微孔進(jìn)入鎖鉤表面深約15～20 μm左右，致使鍍銅層非常不平整，而尖角處由于電化學(xué)腐蝕的作用表現(xiàn)尤為明顯。蜂窩狀在受力很小的情況下，會(huì)形成一個(gè)大的裂紋，裂紋在振動(dòng)過程中擴(kuò)展導(dǎo)致斷裂。

綜上可得，由于鎖鉤圓角處的基材表層存在約20 μm長(zhǎng)的裂紋，隨機(jī)振動(dòng)過程中裂紋的擴(kuò)展及增長(zhǎng)導(dǎo)致了此次鎖鉤斷裂失效。

3 改進(jìn)措施

鎖鉤由原材料到最終加工成產(chǎn)品經(jīng)歷了原材料，熱處理，機(jī)加工，表面處理，通過故障樹分析裂紋產(chǎn)生的原因如圖6所示。

圖6 裂紋成因故障樹

由故障樹分析可得裂紋產(chǎn)生的原因?yàn)椋?/p>

(1)冶煉過程中殘留在基材中的雜質(zhì)導(dǎo)致裂紋產(chǎn)生。

(2)熱處理過程中，由于熱應(yīng)力，使得鎖鉤圓角處產(chǎn)生了裂紋。

(3)機(jī)加過程中產(chǎn)生了零件表面損傷。

根據(jù)可能產(chǎn)生裂紋的途徑，提出鎖鉤加工工藝流程的改進(jìn)措施如下：

(1)規(guī)定零件在棒料中的取材位置，避免鎖鉤彎曲部位處于棒料芯部夾雜較大的部位。

(2)淬火和回火處理時(shí)采用真空爐，防止零件表面產(chǎn)生氧化、腐蝕等缺陷。

(3)鎖鉤所有結(jié)構(gòu)特征采用數(shù)控銑削加工，保證圓角質(zhì)量、表面光潔度和產(chǎn)品一致性。

(4)電鍍前不得用濃硫酸清洗，電鍍后須進(jìn)行除氫處理，防止出現(xiàn)氫脆斷裂。

4 結(jié) 論

(1)由靜力分析得到靜載安全系數(shù)為10.2，隨機(jī)振動(dòng)分析得疲勞安全系數(shù)為6.24，說明材料強(qiáng)度滿足振動(dòng)試驗(yàn)要求。

(2)根據(jù)斷口和金相分析可得鎖鉤圓角處的基材表層存在約20微米長(zhǎng)的裂紋，隨機(jī)振動(dòng)過程中裂紋的擴(kuò)展及增長(zhǎng)導(dǎo)致了此次鎖鉤斷裂失效。

(3)根據(jù)可能產(chǎn)生裂紋的原因，從工藝過程提出了改進(jìn)措施和要求，解決了鎖鉤零件因裂紋導(dǎo)致斷裂失效的問題，一定程度上為解決同類斷裂失效問題提供了參考。