變速器鑄鋼撥叉叉口斷裂失效分析

劉海云 鄧小梅

(格特拉克(江西)傳動(dòng)系統(tǒng)有限公司，江西 南昌 330013)

1 簡(jiǎn)介

變速器撥叉常用有鑄鋼件、沖壓件和壓鑄鋁合金件。其中壓鑄鋁合金件以其重量輕的優(yōu)勢(shì)應(yīng)用最廣，但有時(shí)在實(shí)際設(shè)計(jì)中，由于結(jié)構(gòu)的限制，使用壓鑄鋁合金件其設(shè)計(jì)強(qiáng)度不夠，而鑄鋼件能用于多種不同的工況，其綜合力學(xué)性能優(yōu)于其他任何鑄造合金，加上其成本的經(jīng)濟(jì)性和設(shè)計(jì)的靈活性，尤其是形狀復(fù)雜和中空結(jié)構(gòu)的零件，設(shè)計(jì)人員往往會(huì)采用鑄鋼件撥叉。

某鑄鋼件撥叉，材料為ZG310-570，為中空結(jié)構(gòu)，形狀比較復(fù)雜，鑄造工藝受到零件的尺寸、模具澆口位置、模具的結(jié)構(gòu)等各種因素的影響，容易產(chǎn)生夾雜物、氣孔、縮孔、縮松和裂紋等鑄造缺陷，在開(kāi)發(fā)初期，該零件在換擋過(guò)程中出現(xiàn)叉口斷裂(圖1B處)，為了查找其斷裂產(chǎn)生的原因，對(duì)零件進(jìn)行了外觀檢測(cè)、磁粉探傷、斷口分析、材料分析、工藝過(guò)程排查，CAE分析等，確定了零件斷裂產(chǎn)生的原因，并提出了相應(yīng)的解決措施和預(yù)防措施。

2 檢測(cè)分析

2-1 外觀及探傷檢測(cè)

撥叉如(圖1)所示，叉口部位A為高頻淬火區(qū)，B為裂紋位置。

對(duì)同批次零件進(jìn)行磁粉探傷，未發(fā)現(xiàn)有裂紋，然后進(jìn)行X光探傷檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)部分零件內(nèi)部有鑄造氣孔如(圖2)，對(duì)有氣孔的零件進(jìn)行目測(cè)，發(fā)現(xiàn)在其叉口底部表面有裂紋如(圖3)。重新用煤油清洗零件，再次磁粉探傷，并且將零件旋轉(zhuǎn)90°，對(duì)零件進(jìn)行兩次磁粉探傷，則可識(shí)別叉口位置有裂紋缺陷。經(jīng)過(guò)探傷A1靈敏度試片檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，探傷機(jī)識(shí)別率只有70%-80%。

圖1 外觀

圖2 鑄造氣孔

圖3 裂紋

2-2 裂紋斷口分析

對(duì)裂紋件進(jìn)行斷口電鏡掃描分析，裂紋斷口形貌如(圖4)所示，表面存在2.37mm×1.894mm的疏松區(qū)。斷口特征為沿晶擴(kuò)展+原始鑄造缺陷，如(圖5)(圖6)所示。

圖4 B處裂紋斷口

圖5 沿晶擴(kuò)展

圖6 原始鑄造缺陷

2-3 能譜檢測(cè)

裂紋斷口譜圖如(圖7)所示，能譜結(jié)果如(表1)，頂部疏松部位存在較多氧原子。

圖7 裂紋斷口譜圖

C0MSSiSMnFe總的譜圖18.635.270.380.7384.99100.00譜圖212.7611.380.320.230.9374.37100.00譜圖36.821.980.380.8689.97100.00譜圖48.782.060.390.310.6487.82100.00譜圖56.630.400.370.9591.65100.00譜圖65.390.330.7693.82100.00

2-4 材料分析

2-4-1 材料化學(xué)成分檢測(cè)結(jié)果如(表2)。

表2 化學(xué)成分檢測(cè)結(jié)果

2-4-2 零件硬度檢測(cè)結(jié)果如(表3)

表3 硬度檢測(cè)結(jié)果

3 CAE分析

對(duì)零件施加2400N的力進(jìn)行靜強(qiáng)度CAE分析，分析結(jié)果最大拉應(yīng)力為274Mpa(圖8)，小于材料的屈服強(qiáng)度310 Mpa，對(duì)零件分別按疲勞強(qiáng)度分析載荷(表4)的要求進(jìn)行疲勞損傷CAE分析，零件的最大損傷為0.72(圖9)，結(jié)果小于1。

表4 疲勞強(qiáng)度分析載荷

圖8 強(qiáng)度分析

圖9 疲勞分析

4 工藝過(guò)程分析

零件的加工工藝流程：壓制蠟?zāi)！＝M焊接→制殼除蠟→模殼焙燒→澆鑄→機(jī)加→高頻淬火→探傷→終檢。在模殼焙燒工序發(fā)現(xiàn)焙燒的模殼有燒制不透的現(xiàn)象，高頻后探傷，探傷設(shè)備不能有效的識(shí)別缺陷零件。

5 原因分析

5.1 設(shè)計(jì)分析

靜強(qiáng)度CAE分析結(jié)果，零件的最大拉應(yīng)力為274Mpa<310 Mpa，疲勞損傷CAE分析結(jié)果，零件的最大損傷為0.72<1，零件設(shè)計(jì)符合要求。

5-2 裂紋性質(zhì)分析

通過(guò)對(duì)裂紋的斷口及能譜分析，零件斷口表面含有較多氧元素，說(shuō)明零件開(kāi)裂后又經(jīng)歷了高溫環(huán)境，根據(jù)零件的生產(chǎn)工藝路線，由此可以確定零件裂紋在高頻淬火時(shí)就已經(jīng)產(chǎn)生了。裂紋斷口為沿晶擴(kuò)展+原始鑄造缺陷，裂紋周圍有明顯的疏松和孔洞，開(kāi)裂部位未見(jiàn)材料、組織缺陷，由此可以推斷裂紋的性質(zhì)為鑄造熱裂紋。

5.3 裂紋產(chǎn)生的原因分析

內(nèi)澆口設(shè)計(jì)不合理，澆鑄時(shí)排氣不暢，產(chǎn)品壁厚不均勻，導(dǎo)致補(bǔ)縮不夠，焙燒爐使用煙煤，容易產(chǎn)生焦油，焦油容易堵塞火口，導(dǎo)致焙燒的模殼燒制不透，加上零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，鑄造工藝性差，從而導(dǎo)致零件澆鑄時(shí)收縮受阻，冷卻不均勻，產(chǎn)生裂紋、氣孔、疏松等鑄造缺陷。

加上探傷機(jī)識(shí)別度不夠，只能識(shí)別一個(gè)方向的裂紋，垂直于網(wǎng)帶方向無(wú)法有效識(shí)別，并對(duì)異形件的探傷，探傷機(jī)識(shí)別率只有70%-80%。且零件探傷前未按要求擺放，表面有油的零件未清洗干凈，導(dǎo)致探傷時(shí)探傷設(shè)備對(duì)裂紋識(shí)別不出。

6 改進(jìn)措施驗(yàn)證

鑄造時(shí)將零件原來(lái)的空心主孔改為實(shí)心，澆口位置更改到主孔的斷面，同時(shí)用燃燒生物顆粒替代煤氣，生物顆粒模殼焙燒爐配備熱電偶及溫度顯示儀，每爐對(duì)模殼溫度、爐膛溫度進(jìn)行監(jiān)控記錄。生物顆粒燃燒爐溫度可以達(dá)到工藝要求(780～850℃)，燃燒過(guò)程穩(wěn)定，模殼燃燒均勻，外觀顏色透白，模殼驗(yàn)收符合要求，燃燒廢棄物清理方便，燃燒參數(shù)已固化。用以生產(chǎn)兩組模殼共28個(gè)蠟?zāi)＃瑢?shí)心毛坯經(jīng)X光探傷，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)內(nèi)部有氣口，經(jīng)磁粉探傷未發(fā)現(xiàn)叉口處有裂紋，措施驗(yàn)證有效。。

采用夾持式探傷設(shè)備，規(guī)定探傷的數(shù)量、擺放方向、堆放層數(shù)，每天首末件檢驗(yàn)探傷機(jī)識(shí)別度，探傷A1試片裂紋痕跡清晰，防止缺陷件流出。

7 結(jié)論

零件斷口特征為沿晶擴(kuò)展+原始鑄造缺陷，裂紋的性質(zhì)為鑄造熱裂紋，零件斷裂的主要原因是由于零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，鑄造工藝性差，加上蠟?zāi)部谖恢迷O(shè)計(jì)不合理，以及焙燒爐管道堵塞，模殼難以燒透，澆鑄時(shí)排氣不暢，從而導(dǎo)致零件澆鑄時(shí)收縮受阻，冷卻不均勻，產(chǎn)生裂紋、氣孔、疏松等鑄造缺陷，檢測(cè)過(guò)程中探傷設(shè)備設(shè)別度不夠，探傷未按工藝要求操作，從而導(dǎo)致缺陷件流出，叉口部位有鑄造缺陷的零件，在換擋受力的情況下叉口極易斷裂。

通過(guò)更改澆口位置以及改善焙燒爐燃燒物質(zhì)，改善了零件的鑄造缺陷。同時(shí)采用識(shí)別度較高的探傷設(shè)備，規(guī)范探傷工藝要求，從而避免了缺陷件的流出。