汽車沖壓模具彈簧失效的原因探析

余賢華

江鈴控股有限公司，江西南昌 330052

汽車沖壓模具彈簧失效的原因探析

余賢華

江鈴控股有限公司，江西南昌 330052

本文通過(guò)對(duì)彈簧斷口處開(kāi)展金相組織、硬度、化學(xué)成分、斷口等試驗(yàn)檢測(cè)分析汽車沖壓磨具彈簧失效的原因。試驗(yàn)表明，在高交應(yīng)變力作用下，彈簧絲內(nèi)側(cè)表面臨近部位會(huì)出現(xiàn)疲勞性裂紋源，最終造成彈簧發(fā)生早期斷裂而失效，并提出相應(yīng)的改進(jìn)對(duì)策。

沖壓磨具；彈簧；失效

隨著汽車工業(yè)的不斷發(fā)展發(fā)展，汽車磨具制造業(yè)獲得的了長(zhǎng)足發(fā)展，不同類型、規(guī)格的彈簧在沖壓磨具中得到廣泛應(yīng)用。彈簧是沖壓磨具中最為重要的一個(gè)構(gòu)件，其性能、質(zhì)量直接關(guān)系到?jīng)_壓磨具的操作效率[1]。本文通過(guò)對(duì)具體實(shí)驗(yàn)分析探討當(dāng)前汽車沖壓模具彈簧的失效的原因。

1 彈簧材料的試驗(yàn)概括

1.1 化學(xué)成分

從失效彈簧絲上截取一段樣品（OTEVA-70鋼絲）進(jìn)行化學(xué)成分檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果表明該樣品的化學(xué)成分均在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，具體如表1。

表1 樣品化學(xué)成分檢測(cè)結(jié)果（%）

1.2 試驗(yàn)分析

1）金相觀察：應(yīng)用Nikon金相顯微鏡對(duì)樣本斷口處周邊實(shí)行顯微組織分析。在打磨、拋光及腐蝕處理后進(jìn)行細(xì)致觀察，樣本邊緣與中間部位的組織無(wú)任何差異[2]。顯微組織就是經(jīng)中溫回火馬氏體與殘余奧氏體（如圖1）。原因是該彈簧鋼樣本中具有Cr合金元素，能夠引起C曲線出現(xiàn)右移，這在一定程度上使其淬透性有所增加。Si可有效阻止?jié)B碳體的析出，進(jìn)而使未發(fā)生轉(zhuǎn)變的奧氏體含碳量增加，這就使得奧氏體更加穩(wěn)定。

圖1 樣品斷裂處金相顯微組織情況

2）斷口分析：應(yīng)用PHILIP電子顯微鏡對(duì)樣本斷口處進(jìn)行掃描觀察，以了解其形狀。從整體層面看，斷口部位周邊的表層未有明顯磨損、斑痕等情況，但存在明顯的疲勞裂紋，表明只有一個(gè)單純性疲勞裂紋源、疲勞擴(kuò)散區(qū)域及迅速斷裂區(qū)域，表明該彈簧斷裂的性質(zhì)為疲勞型斷裂。疲勞型裂紋源部位的性狀，是典型的一種沿晶斷裂，裂紋表層存在諸多微型裂紋。裂紋產(chǎn)生區(qū)域相對(duì)較小，它的壽命在疲勞壽命中的比例很小，主要集中在裂紋的擴(kuò)展區(qū)。疲勞擴(kuò)展區(qū)域的典型疲勞條紋是自疲勞源逐步發(fā)展而來(lái)的，表現(xiàn)為弧線環(huán)狀發(fā)展，和裂紋擴(kuò)展向垂直。該區(qū)域大致為彈簧斷面的50%左右，表明它的運(yùn)行存在一定的疲勞周期，此點(diǎn)和實(shí)際壽命運(yùn)行1.2萬(wàn)h后出現(xiàn)的斷裂相對(duì)吻合，但和規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)的4.5萬(wàn)h壽命有較大距離。瞬時(shí)斷裂區(qū)域是疲勞裂紋逐步發(fā)展到臨界值后出現(xiàn)的快速性斷裂，存在靜載斷口的表征，在電子顯微鏡下可清晰觀察到大量韌窩，可以看出原材質(zhì)塑性良好。

3）硬度檢測(cè)：在樣本斷口周邊部位沿徑向截取一截面，再拋光出來(lái)后得到金相樣本采用洛氏硬度計(jì)開(kāi)展硬度測(cè)定，其三點(diǎn)硬度分別是：49.4HRC、48.5HRC及48.6HRC，平均硬度為48.9HRC。

2 汽車沖壓模具彈簧失效的原因分析

從該失效彈簧樣本的檢測(cè)結(jié)果看，其化學(xué)成分均滿足要求；從金相觀察分析，樣本表層未出現(xiàn)明顯劃傷、銹蝕等缺陷，也無(wú)明顯夾雜物；從斷口情況看，裂紋源主要在樣本內(nèi)側(cè)表層周邊。彈簧相關(guān)的理論是，當(dāng)圓柱形螺旋彈簧受軸向載荷作用時(shí)，應(yīng)力最大點(diǎn)一般在彈簧材料橫截面內(nèi)側(cè)。其橫截面任意點(diǎn)總應(yīng)力，應(yīng)為剪切及扭轉(zhuǎn)兩類剪應(yīng)力矢量和，通常于臨近軸線內(nèi)側(cè)，總應(yīng)力將上升到最大值，其計(jì)算式為：τmax＝τs+τ；τmax＝4p/πd2＋8pD/πd3；τmax＝8pD/πd3（d/2d＋1）。其中，P為軸向載荷，范圍在556到860N間；D為拉伸彈簧中徑，大致為46.5mm；d為彈簧絲直徑，大致為6mm。

通過(guò)該計(jì)算式進(jìn)行計(jì)算可得到，該樣本彈簧在運(yùn)行過(guò)程中內(nèi)側(cè)所承受的最大交變應(yīng)力大致是323～500MPa，該型號(hào)鋼絲在當(dāng)前設(shè)計(jì)中的應(yīng)力為900～1000MPa，在高交變載荷下，而內(nèi)側(cè)表面同時(shí)承受最大交變剪切及扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，所以在彈簧絲的內(nèi)側(cè)表層周邊部位會(huì)形成裂紋源，且會(huì)在斷口部位出現(xiàn)微裂紋。在交變應(yīng)力作用下，此種微裂紋會(huì)閉合、融合發(fā)展等，持續(xù)向前發(fā)展，進(jìn)而轉(zhuǎn)變?yōu)槠跀U(kuò)展區(qū)域，疲勞裂紋擴(kuò)展到臨界值后出現(xiàn)瞬間斷裂，造成彈簧過(guò)早失效。彈簧絲實(shí)測(cè)平均硬度是48.8HRC，而該型號(hào)鋼絲的硬度要求是50～51HRC，其硬度的減少，使得材質(zhì)的抗疲勞斷裂性能明顯降低。

3 汽車沖壓模具彈簧失效改進(jìn)對(duì)策

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，為改進(jìn)汽車沖壓模具的失效，避免斷裂，提高使用壽命，應(yīng)做好這幾方面的工作：1）提升主片的長(zhǎng)度，可有效減小極限扭轉(zhuǎn)應(yīng)力。2）提升彈簧總成自由弧高，能大幅改善和提升彈簧的滿載變形值。雖然強(qiáng)度降低，但彈簧承載力未減弱，因變形量提升高，平順性得到提高，進(jìn)而提升彈簧的抗沖擊性能。3）加大減振器，能有效減少振動(dòng)。4）強(qiáng)化表層質(zhì)量，增強(qiáng)葉片表面。一是噴丸工序內(nèi)轉(zhuǎn)變成應(yīng)力噴丸，可提升疲勞強(qiáng)度。二是降低表層脫碳層深度。因表層脫碳，通常于金屬表層易出現(xiàn)軟點(diǎn)，此類軟點(diǎn)在一定程度上會(huì)導(dǎo)致疲勞裂紋的出現(xiàn)。在表層脫碳、淬火過(guò)程中，加熱時(shí)間和一系列鋼材存在關(guān)系。通常淬火回執(zhí)時(shí)間越長(zhǎng)，脫碳層就會(huì)越深。減少鋼板爐內(nèi)停留時(shí)間，不但能大幅降低脫碳深度，還能細(xì)化晶粒，改善其塑性。三是表層拋光處理。通過(guò)該工序可有限去除葉片表層的脫碳層和其它缺陷，可大幅提升彈簧疲勞強(qiáng)度，但是需要花費(fèi)較長(zhǎng)時(shí)間，增加了成本，所以往往只對(duì)高級(jí)轎車的彈簧葉片開(kāi)展拋光處理。5）改善熱處理工藝。在制造汽車沖壓彈簧時(shí)，應(yīng)用了形變熱處理及高溫快速回火等新工藝，降低失效發(fā)生率。

[1]劉蕾，嚴(yán)智勇.沖件預(yù)斷槽折斷不良原因分析與解決措施[J].金屬加工，2011（9）：47-51.

[2]歐陽(yáng)波儀.多工位級(jí)進(jìn)模設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)教程[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009：46-99.

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1674-6708（2015）150-0139-01