沖鎖機(jī)液壓缸導(dǎo)柱螺紋斷裂失效分析

呂曉艷，文宏偉

1.新鄉(xiāng)航空工業(yè)（集團(tuán)）有限公司軍品九車間 河南新鄉(xiāng) 453000 2.新鄉(xiāng)艾迪威汽車科技有限公司 河南新鄉(xiāng) 453000

1 失效概況

沖鎖機(jī)在某型號產(chǎn)品組件加工中，用于將螺紋套沖壓變形，防止螺紋套在使用過程中發(fā)生松動而造成質(zhì)量事故。其設(shè)備結(jié)構(gòu)（見圖1）及工作原理為：液壓缸固定在底板上，由4根導(dǎo)柱連接，液壓缸舉升過程中，向上推動連桿機(jī)構(gòu)，帶動沖頭壓入螺紋套一定深度并保持一定時間，使螺紋套變形，從而在螺紋副中形成鎖止效果，此時4根導(dǎo)柱的螺紋均勻承受反向的15kN工作壓力。從2017年5月該設(shè)備投入使用后，每隔3～5個月導(dǎo)柱的螺紋處就會發(fā)生斷裂，維修方式均為更換原廠導(dǎo)柱，由于設(shè)備結(jié)構(gòu)狹小，每次更換需要5～6h，嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率。由于廠家未提供導(dǎo)柱圖樣，無法進(jìn)行針對性改進(jìn)，為了縮短維修時間，減少對設(shè)備的損傷，2018年10月對再次發(fā)生的斷裂件進(jìn)行分析，以查明并解決斷裂問題。

圖1 沖鎖機(jī)結(jié)構(gòu)示意

2 檢測情況

2.1 宏觀斷口分析

經(jīng)過觀察，斷裂位置仍然在導(dǎo)柱的螺紋與光軸交接部位，清洗斷面后，斷面較為平整，目視可見清晰的貝紋線（見圖2），初步判定為疲勞斷裂[1]。

圖2 宏觀斷口

2.2 微觀斷口分析

從宏觀貝紋線的扇形區(qū)指向可判斷出裂紋源區(qū)在左側(cè)[2]。經(jīng)過電鏡分析，斷口形貌為大量疲勞條帶（見圖3a、圖3b），符合疲勞斷裂的特征。

圖3 斷口疲勞條帶形貌

2.3 化學(xué)成分分析

從螺紋上截取一段樣品，采用斯派克直讀光譜儀進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1。從化學(xué)成分上看，符合GB/T 699—2015中45鋼的要求。

2.4 硬度檢測

對斷裂螺紋隨機(jī)選取3點進(jìn)行硬度檢測，結(jié)果見表2。

表1 導(dǎo)柱螺紋化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表2 螺紋部位硬度檢測數(shù)據(jù)

2.5 金相檢查

對斷口附近進(jìn)行金相組織檢查，表面為珠光體+半網(wǎng)狀鐵素體+少量上貝氏體（見圖4），心部為珠光體+網(wǎng)狀鐵素體+上貝氏體（見圖5）。

3 分析與討論

根據(jù)理化分析結(jié)果，可以判定材料為熱軋態(tài)45鋼，沒有經(jīng)過后續(xù)熱處理。斷口分析結(jié)果表明，斷裂為典型的疲勞斷裂[3]。

圖4 表面金相組織

圖5 心部金相組織

沖鎖機(jī)在15kN的條件下，每天工作1400次循環(huán)，每個月工作3.6萬次循環(huán)，斷裂周期在3～5個月，即10萬～18萬次循環(huán)后發(fā)生斷裂。查閱GB/T 699—2015《優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼》、GB/T 33362—2016《金屬材料硬度值的換算》可知，該硬度下45鋼的抗拉強(qiáng)度在660～770MPa，強(qiáng)度較低。在螺紋與光軸交界處，截面形狀發(fā)生較大變化時，容易在最后一個螺紋根部形成較大的應(yīng)力集中[4]，而較低的抗拉強(qiáng)度結(jié)合大載荷循環(huán)狀態(tài)，會造成應(yīng)力集中部位產(chǎn)生微缺陷，從而形成裂紋源，在使用過程中發(fā)生疲勞斷裂。

4 結(jié)論及建議

1）綜上所述，導(dǎo)柱采用熱軋態(tài)45鋼進(jìn)行制作，導(dǎo)致強(qiáng)度不足，在最后一個螺紋根部產(chǎn)生微缺陷，形成裂紋源，造成使用過程中發(fā)生疲勞斷裂。

2）根據(jù)分析結(jié)果，建議將材料更換為42CrMo鋼，采用調(diào)質(zhì)處理，硬度30～35HRC。新制造的導(dǎo)柱經(jīng)過一年的運行，狀態(tài)良好，沒有再發(fā)生斷裂問題。