圓角對機械零件可靠性的影響

□ 李光瑾 □ 任頌贊 □ 蔡 紅 □ 陳德華 □ 滕魯湘 □ 祖慶川

1.上海市機械制造工藝研究所有限公司 上海 200070

2.上海金屬材料改性工程技術(shù)研究中心 上海 200070

3.常州市南方驅(qū)動技術(shù)有限公司 江蘇常州 213149

機械零件圓角的設(shè)計與加工質(zhì)量，對機械零件的可靠性有直接的影響，這種影響，表現(xiàn)在以下2個方面。

（1）圓角的大小和加工質(zhì)量直接影響零件的熱處理工藝性能。熱處理是材料性能強化的重要手段，同時也是暴露材料和零件缺陷（結(jié)構(gòu)缺陷與加工缺陷）的環(huán)節(jié)。倒圓和倒角的設(shè)計或加工不當，是引發(fā)熱處理畸變與開裂的常見因素。在零件熱處理（尤其是淬火）過程中，因相變應(yīng)力（因組織轉(zhuǎn)變導(dǎo)致的體積變化差異）和熱應(yīng)力（因溫差導(dǎo)致零件不同部位熱脹冷縮差異）的共同作用，致使零件畸變；當該應(yīng)力超過材料的斷裂強度時，將致零件開裂。

（2）零件結(jié)構(gòu)突變位置為應(yīng)力集中處。在應(yīng)力集中處，微裂紋的萌生與擴展更為容易和迅速，因圓角的設(shè)計或加工不當，在零部件工作過程中，循環(huán)交變的應(yīng)力能“自尋找”到結(jié)構(gòu)上的薄弱環(huán)節(jié)，可在該部位產(chǎn)生微裂紋，隨后裂紋擴展產(chǎn)生疲勞失效。其中尤以早期失效（低周疲勞）危害較大，機械產(chǎn)品的損壞會以“突發(fā)”形式呈現(xiàn)，蘊含著極大的危險。

本文以若干機械零件因圓角設(shè)置與加工不當為例，展現(xiàn)圓角對機械零件的可靠性的直接影響。

1 依據(jù)國家標準和企業(yè)具體產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的需求設(shè)計圓角

GB/T 6403.4-2008零件倒角與圓角，推薦了不同直徑適用的倒角和倒圓數(shù)據(jù)，對通用的（非特殊）圓角尺寸選擇有普遍指導(dǎo)意義。標準展示了4種圓角-倒角匹配關(guān)系（如圖1所示）和機械零件常用圓角的推薦值（見表1），對于特殊結(jié)構(gòu)的機械零件，可依據(jù)具體產(chǎn)品的要求與經(jīng)驗，設(shè)計并加工圓角。圖中，C1為外圓倒角，C為內(nèi)孔倒角，R1為外圓倒圓，R為內(nèi)孔倒圓。

表1 與直徑相對應(yīng)的倒角C、倒圓R的推薦值

2 圓角設(shè)計或加工不當至圓角開裂的案例

2.1 某型齒輪軸與某型花鍵軸內(nèi)孔底部開裂

某型齒輪軸為18模數(shù)的較大齒輪軸，選用17Cr2Ni2Mo滲碳淬硬處理。在裝配時發(fā)現(xiàn)齒輪軸內(nèi)孔底部開裂（如圖2所示）。經(jīng)查，圖紙要求內(nèi)孔底部R=25 mm，實際加工接近直角，在滲碳后的淬火過程中，因相變應(yīng)力與熱應(yīng)力集中產(chǎn)生了“八”字形開裂。

某型花鍵軸，用42CrMo鋼經(jīng)鍛造-加工而成，調(diào)質(zhì)處理（296～340HB）。內(nèi)孔根部圓角要求不明確，加工后幾乎為直角，在調(diào)質(zhì)處理的淬火過程中，因相變應(yīng)力與熱應(yīng)力的作用，自φ155 mm內(nèi)孔根部圓角處呈“八”字形完全斷開（如圖3的虛線所示）。

2.2 某型減速機齒輪軸圓角設(shè)計與加工不當導(dǎo)致開裂

某型減速機軸，其φ80 mm到φ100 mm的臺階由于過渡圓角設(shè)計得過小（R=0.5 mm），在運轉(zhuǎn)過程中，數(shù)根齒輪軸沿該臺階圓角根部被“擰斷”，經(jīng)檢查斷裂原因類似于章節(jié)2.1的案例，軸及斷口照片如圖4所示。

▲圖1 4種圓角-倒角匹配關(guān)系

▲圖2 齒輪軸內(nèi)孔圓角處開裂

▲圖3 花鍵軸斷裂位置

▲圖4 某型齒輪軸于圓角處斷裂

▲圖5 凸輪軸圓角形態(tài)與裂紋分布

▲圖6 曲軸軸肩臺階圓角不良至裂

▲圖7 曲軸圓角與軸肩平面相貫致疲勞斷裂

▲圖8 鋼絲繩卷筒驅(qū)動軸示意

▲圖9 卷筒軸過渡圓角

▲圖10 圓角R對于應(yīng)力集中系數(shù)Ks的影響

2.3 某型凸輪軸齒輪端軸頸圓角加工不當導(dǎo)致開裂

任意選取4組凸輪軸，經(jīng)滲碳淬硬后，軸的齒輪端軸頸圓角因加工不當，軸承φ60 mm與φ46 mm之間的過渡“圓角”圓弧線成折線，折線的拐點因淬火應(yīng)力集中而產(chǎn)生批量開裂（周向裂紋），如圖5所示。

2.4 某型曲軸加工圓角不當導(dǎo)致疲勞斷裂

曲軸軸頸的軸肩平臺被加工成直角，軸頸圓角感應(yīng)淬火后在軸肩臺階上開裂（如圖6所示），該處圓角要求R=5.8mm，操作者自以為該處遠離軸頸，忽視了該圓角加工尺寸要求。

此外，曲軸軸頸的圓角與軸肩側(cè)平面應(yīng)為弧線與直線“相切”過渡，操作者加工成“相貫”連接，圓弧與平面的相貫線在實物疲勞試驗中成為應(yīng)力集中線，沿此線疲勞開裂（如圖7所示）。

2.5 某型起重機卷筒軸斷裂

某大型門式吊車起重機卷筒軸φ180 mm到φ220 mm的臺階，在過渡圓角處疲勞斷裂，釀成重大事故。該軸用45鋼制造，設(shè)計圓角R=2 mm。斷裂的軸過渡圓角幾近直角且有不恰當?shù)暮秆a層（如圖8、圖9所示），依據(jù)標準要求，該圓角應(yīng)不小于4 mm。

參照GB/T 3811-2008起重機設(shè)計規(guī)范，圓角R對于應(yīng)力集中系數(shù)Ks的影響如圖10所示，隨著R的增大，Ks相應(yīng)減小?？梢娫诹悴考O(shè)計中，適當增大圓角尺寸，對零件在淬火與運行中的可靠性是極為有益的。

3 討論

強調(diào)機械零部件圓角的重要性，絕非小題大做，一些機械零部件因圓角的設(shè)計或加工的不當而失效，不僅直接影響了零部件的運行可靠性，還可造成直接的經(jīng)濟損失與安全危害，體現(xiàn)出“細節(jié)決定成敗”的道理。

為此，在機械零件設(shè)計時，應(yīng)嚴格遵照相關(guān)標準，使圓角大小符合技術(shù)要求，在機械零部件裝配與運行中不發(fā)生相互干涉的情況下，適當加大圓角尺寸。

在機械零件加工過程中，應(yīng)嚴格按照圖樣要求，確保圓角的大小與圓角表面的粗糙度，以及圓角與被過渡連接平面的相切銜接。