汽車支撐配件疲勞裂紋的產(chǎn)生與改進(jìn)措施的研究

林展祺,高康,王國(guó)芳,周亦泉

(廣東省肇慶市質(zhì)量計(jì)量監(jiān)督檢測(cè)所,廣東肇慶 526060)

0 引言

汽車支撐配件(以下簡(jiǎn)稱“支撐件”)作為車輛最重要和最基礎(chǔ)的部件之一，它對(duì)安全使用車輛起到關(guān)鍵作用。汽車在各種不同狀況的道路上行駛，經(jīng)常容易遭受不同程度的振動(dòng)沖擊，支撐件在汽車行駛過程中承受振動(dòng)沖擊及交變拉壓載荷，容易出現(xiàn)疲勞失效現(xiàn)象，進(jìn)而誘發(fā)斷裂破壞的風(fēng)險(xiǎn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)支撐件的失效有80%是由疲勞引起，對(duì)汽車的安全行駛產(chǎn)生了威脅，具有很大的危險(xiǎn)性，容易造成車毀人亡的惡性事故。相關(guān)研究表明，振動(dòng)是導(dǎo)致支撐件疲勞的關(guān)鍵因素之一，因此研究振動(dòng)對(duì)其產(chǎn)生的影響以及疲勞裂紋產(chǎn)生的原因，并提出有效改進(jìn)措施，對(duì)增強(qiáng)支撐件的安全性和穩(wěn)定性具有重大意義，不僅可以提高其壽命，減少事故的發(fā)生，而且能夠降低生產(chǎn)成本并產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

1 汽車支撐配件的振動(dòng)疲勞試驗(yàn)

1.1 國(guó)內(nèi)研究的現(xiàn)狀與基礎(chǔ)

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)振動(dòng)引起支撐件疲勞問題的研究還在初級(jí)階段，對(duì)其內(nèi)在機(jī)制、模型的認(rèn)識(shí)還在初步探索階段，研究工作主要以實(shí)驗(yàn)為主，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和相關(guān)現(xiàn)象進(jìn)行總結(jié)歸納，進(jìn)而形成理論基礎(chǔ)。用于支撐件振動(dòng)疲勞實(shí)驗(yàn)的設(shè)備主要是各種振動(dòng)臺(tái)，如電磁式振動(dòng)臺(tái)、電動(dòng)式振動(dòng)臺(tái)，對(duì)支撐件振動(dòng)疲勞研究采用的典型方法是用一定數(shù)量的典型支撐件在電磁振動(dòng)臺(tái)進(jìn)行疲勞實(shí)驗(yàn)，通過對(duì)試樣施加恒定載荷、設(shè)置固有共振頻率，采用定頻試驗(yàn)的方法對(duì)試樣進(jìn)行激勵(lì)，并測(cè)定其諧振頻率降低作為疲勞裂紋擴(kuò)展的判定依據(jù)[1]，依據(jù)實(shí)驗(yàn)得出的數(shù)據(jù)和相關(guān)資料對(duì)支撐件疲勞裂紋產(chǎn)生的原因進(jìn)行分析研究，進(jìn)而提出相應(yīng)的解決措施和方法。下面將抽取典型的支撐件試樣按上述程序進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析支撐件疲勞裂紋產(chǎn)生的原因，并提出改進(jìn)措施。

1.2 振動(dòng)疲勞試驗(yàn)方法

按照支撐配件壽命設(shè)計(jì)的要求，施加恒定載荷，設(shè)置固有共振頻率，采用定頻試驗(yàn)的方法對(duì)試件進(jìn)行激勵(lì)，隨著試驗(yàn)的進(jìn)行和結(jié)構(gòu)的疲勞，將會(huì)導(dǎo)致試件結(jié)構(gòu)剛度的下降，從而使固有頻率和振型發(fā)生變化，且與原始設(shè)定的激勵(lì)頻率和共振區(qū)域發(fā)生偏離[1]。根據(jù)試件產(chǎn)生疲勞與所受載荷值關(guān)系曲線的變化，借助斷裂力學(xué)失效的準(zhǔn)則，如果試件在設(shè)定的條件下完成試驗(yàn)，試驗(yàn)載荷曲線保持在上下幅值范圍波動(dòng)，則可判定試件通過試驗(yàn)未產(chǎn)生疲勞裂紋，符合使用壽命設(shè)計(jì)要求；如果試件在試驗(yàn)過程中載荷值出現(xiàn)縮減下降且幅度超出設(shè)定限值，嚴(yán)重偏離共振區(qū)域，則可判定試件產(chǎn)生疲勞，可依據(jù)變化的趨勢(shì)確定其使用壽命。文中振動(dòng)疲勞試驗(yàn)采用跟蹤控制技術(shù)設(shè)定停機(jī)標(biāo)準(zhǔn)，停機(jī)時(shí)所經(jīng)歷的振動(dòng)頻次即為振動(dòng)疲勞的試驗(yàn)壽命，此方法結(jié)合理論與實(shí)際使用進(jìn)行仿真試驗(yàn)，為試件的振動(dòng)疲勞壽命的判斷提供了可靠的理論依據(jù)。

試驗(yàn)在PLS-200三通道疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，通過數(shù)字振動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行控制和對(duì)載荷力傳感進(jìn)行應(yīng)變測(cè)量，系統(tǒng)能保持實(shí)時(shí)的共振狀態(tài)和載荷穩(wěn)定，對(duì)瞬時(shí)的少許擾動(dòng)變化能自動(dòng)識(shí)別響應(yīng)并迅速恢復(fù)至初始的恒定狀態(tài)，從而保證試驗(yàn)過程的連續(xù)性。試件為如圖1所示企業(yè)大批量生產(chǎn)的汽車支撐配件，材料為鋁合金，按指定軸向用專用夾具將試件緊固在振動(dòng)臺(tái)。依據(jù)設(shè)計(jì)要求，對(duì)預(yù)估最大受力位置的X軸向施加載荷進(jìn)行單向振動(dòng)破壞試驗(yàn)，試驗(yàn)參數(shù)設(shè)定如下：施力負(fù)荷±6 000 N，峰值±7 200 N，谷值±500 N，頻率1 Hz，總頻次50 000次，控制系統(tǒng)完成設(shè)定總頻次或監(jiān)測(cè)到激勵(lì)載荷連續(xù)高于峰值低于谷值時(shí)，機(jī)器自動(dòng)停機(jī)試驗(yàn)停止。為降低試驗(yàn)過程中不確定因素的影響，除了觀察曲線圖是否異常，還每隔60 min停機(jī)一次檢查夾具緊固件有無松動(dòng)、試件是否發(fā)生移位破壞等，以保證試驗(yàn)的順利進(jìn)行[2]。

圖1 鋁合金支撐配件

1.3 振動(dòng)疲勞試驗(yàn)結(jié)果

文中對(duì)圖1所示編號(hào)為1#、2#、3#的3個(gè)試件進(jìn)行三組獨(dú)立試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果得到時(shí)間進(jìn)程與激勵(lì)載荷的關(guān)系曲線圖譜。三組試件均在設(shè)定參數(shù)下完成振動(dòng)試驗(yàn)，試驗(yàn)過程頻率恒定，無夾具松動(dòng)、試件移位等不確定因素的影響，試驗(yàn)結(jié)果可靠。1#、2#試件整個(gè)試驗(yàn)進(jìn)程載荷曲線沒有較大的跳躍波動(dòng)，均在設(shè)定的負(fù)荷幅值范圍內(nèi)保持，試驗(yàn)結(jié)束前曲線截圖分別如圖2和圖3所示；3#試件試驗(yàn)結(jié)果顯示，在試驗(yàn)進(jìn)程10 h內(nèi)載荷曲線也在設(shè)定的負(fù)荷幅值范圍內(nèi)保持，之后載荷曲線波動(dòng)幅值逐漸收窄，到10∶47∶00時(shí)負(fù)荷已從設(shè)定的負(fù)荷±6 000 N衰減至±4 300 N，如圖4所示；當(dāng)試驗(yàn)時(shí)間繼續(xù)進(jìn)行到11∶47∶00 時(shí)載荷衰減至峰值不足+4 000 N、谷值為-2 000 N左右，如圖5所示。依據(jù)斷裂力學(xué)失效的準(zhǔn)則，結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果的曲線圖譜進(jìn)行分析，1#、2#試件在設(shè)定參數(shù)內(nèi)完成試驗(yàn)，頻率和載荷穩(wěn)定，圖譜曲線正常，可見試件未產(chǎn)生疲勞裂紋缺陷，滿足設(shè)計(jì)壽命要求；3#試件試驗(yàn)中后段曲線波動(dòng)幅值明顯收窄，激勵(lì)載荷值大幅衰減，可見試件已經(jīng)產(chǎn)生疲勞，剛度正在降低，隨著疲勞試驗(yàn)的繼續(xù)，激勵(lì)載荷將急劇下降，當(dāng)疲勞擴(kuò)展到臨界點(diǎn)，很快發(fā)生疲勞裂紋斷裂失效，3#試件不滿足設(shè)計(jì)壽命要求。

圖2 1#試件振動(dòng)曲線

圖3 2#試件振動(dòng)曲線

圖4 3#試件振動(dòng)曲線圖(1)

圖5 3#試件振動(dòng)曲線圖(2)

2 裂紋產(chǎn)生的原因分析

通過對(duì)3#試件進(jìn)行分析，利用目視和放大鏡觀測(cè)其表面并無明顯裂痕或未澆足的情況。通過工業(yè)CT進(jìn)一步對(duì)其分析，發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部存在一呈圓形的孔洞，并有裂紋沿孔洞向一個(gè)方向擴(kuò)展。初步分析發(fā)生疲勞斷裂失效的主要原因?yàn)閮?nèi)部孔洞所致[3]，其他原因可能包括澆注溫度和澆注時(shí)間[4-5]。

通過跟蹤該型號(hào)支撐件的實(shí)際生產(chǎn)，記錄了45件支撐件生產(chǎn)過程的工藝，主要記錄了支撐件生產(chǎn)過程中澆注的溫度、時(shí)間，工業(yè)CT分析其是否存在孔洞，最后通過振動(dòng)疲勞試驗(yàn)方案觀察是否發(fā)生疲勞斷裂失效，結(jié)果見表1。

表1 支撐件澆注過程工藝數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

由表1可看出，45件支撐件中有5件支撐件通過抗振疲勞試驗(yàn)后發(fā)生疲勞斷裂失效。將這45件中所有發(fā)生疲勞斷裂失效的支撐件的澆注溫度和澆注時(shí)間統(tǒng)計(jì),可以得出發(fā)生疲勞斷裂失效的支撐件的澆注溫度為744、715、712、676和677 ℃，而澆注時(shí)間則分別對(duì)應(yīng)為：64、93、66、116和98 s。

通過分析上述數(shù)據(jù)可知，澆注溫度、澆注時(shí)間和是否發(fā)生疲勞斷裂失效沒有明顯的相關(guān)性，所以可以認(rèn)為，在目前的生產(chǎn)工藝之下，在690～730 ℃的澆注溫度和80～110 s的澆注時(shí)間范圍內(nèi)，澆注溫度和澆注時(shí)間并不是支撐件是否發(fā)生疲勞斷裂失效的重要因素。

接著對(duì)這45件中所有發(fā)生疲勞斷裂失效的支撐件和支撐件是否有孔洞進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)45件支撐件中存在孔洞的有10件，發(fā)生疲勞斷裂失效的有5件，占比為50%。而其余沒有孔洞的支撐件也沒有發(fā)生疲勞斷裂失效，占比為0。

由表1可看出，所有發(fā)生疲勞斷裂失效的支撐件內(nèi)部都存在孔洞，因此可以認(rèn)為支撐件發(fā)生疲勞斷裂失效決定性因素為其內(nèi)部存在孔洞，為了進(jìn)一步確定支撐件內(nèi)部孔洞情況對(duì)疲勞斷裂失效的影響，再次通過分析工業(yè)CT圖像結(jié)果見表2。

表2 支撐件CT圖像數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

由表2可以看出，支撐件內(nèi)部的孔洞大小對(duì)是否發(fā)生疲勞斷裂失效有明顯的相關(guān)性，孔洞越大發(fā)生疲勞斷裂失效的概率越大。當(dāng)孔洞最大直徑小于1 mm時(shí)基本不會(huì)發(fā)生疲勞斷裂失效；當(dāng)孔洞直徑大于1.5 mm時(shí)，發(fā)生疲勞斷裂失效的概率大大增加。

3 改進(jìn)措施建議

細(xì)小的孔洞是汽車壓鑄零部件存在的主要內(nèi)部缺陷，它嚴(yán)重影響著零部件的性能參數(shù)，其中對(duì)疲勞性能的影響起著關(guān)鍵作用。汽車壓鑄零部件的疲勞性能與孔洞缺陷及微觀組織特征有很大關(guān)系。孔洞數(shù)量比較多的汽車壓鑄零部件，它們的分散程度對(duì)疲勞性能的影響，主要跟孔洞的數(shù)量和尺寸有關(guān)；孔洞數(shù)量比較少的汽車壓鑄零部件，它們對(duì)疲勞性能的影響較小，其影響疲勞性能的因素除了孔洞之外還跟其他微觀組織如枝晶間距、氧化膜、相粒子、晶粒大小等有關(guān)，由它們的特征決定[6-7]。

汽車壓鑄零部件細(xì)小孔洞等缺陷的存在，尤其在高應(yīng)力情況時(shí)表現(xiàn)得比較突出，既加速萌生出疲勞裂紋，又對(duì)疲勞裂紋的擴(kuò)展起到了促進(jìn)作用，嚴(yán)重縮短了汽車壓鑄零部件的疲勞壽命。研究表明，汽車壓鑄零部件的疲勞性能除了跟缺陷尺寸的大小有直接關(guān)系，還跟內(nèi)部缺陷的位置分布有一定的聯(lián)系，對(duì)于壓鑄零部件表面淺顯位置，而且距離澆道口處比較遠(yuǎn)的區(qū)域有比較好的疲勞性能；而在距離壓鑄零部件靠近內(nèi)部中心位置，而且距離澆道口處比較近的區(qū)域疲勞性能則相對(duì)較差[8]。造成汽車壓鑄零部件生產(chǎn)過程中產(chǎn)生孔洞等缺陷受諸多因素的影響，要想找到解決問題的辦法必須找出造成缺陷的根本原因。首先，在輔助用料方面，保證汽車壓鑄零部件熔煉時(shí)的精煉除氣質(zhì)量，選用好的精煉劑、除氣劑，降低金屬溶液中氣體的含量，對(duì)液面中的浮渣、泡子等氧化物采取及時(shí)清理措施，阻止將氣體又一次混合進(jìn)溶液內(nèi)，帶入模腔；對(duì)脫模劑采取優(yōu)中選優(yōu)，使用的脫模劑既能保證在澆灌過程中沒有氣體產(chǎn)生，而且對(duì)脫模又能起到很好的促進(jìn)作用；采用發(fā)氣量小的涂料，涂料用量薄而均勻，燃盡后再讓鋁液填充。第二，在控制模具內(nèi)腔排氣方面，應(yīng)充分考慮模具的排氣速度，保證排氣通順，型腔內(nèi)的氣體能排盡，關(guān)鍵是在金屬溶液后聚集區(qū)域位置排氣通道應(yīng)根據(jù)流經(jīng)澆道情況及時(shí)保持暢通，不應(yīng)出現(xiàn)澆道口相互堵塞的情況；汽車壓鑄零部件澆灌工藝過程中，金屬溶液進(jìn)入模腔內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)一般是紊流，此種狀態(tài)一般不可能改變?yōu)閷恿髂Ｊ?，只能?duì)給料系統(tǒng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)，降低澆灌時(shí)金屬溶液在澆注口位置氣體的夾帶量。第三，在澆注系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面，考慮適合排除氣體的澆注口位置，設(shè)置合理的澆道形狀進(jìn)行導(dǎo)流，在型腔內(nèi)采取先近后遠(yuǎn)，自下而上逐步推進(jìn)的導(dǎo)流模式，不能出現(xiàn)因上封閉分型面先填充，而導(dǎo)致下封閉分型面無法排除氣體的情況；直澆道的導(dǎo)流截面積應(yīng)盡可能比內(nèi)澆口截面積大些，腔體深處再增設(shè)排氣塞，采用鑲拼的形式增加型腔內(nèi)排氣量；在達(dá)到成型良好的壓鑄條件下，一般選用較小的壓室，增大內(nèi)澆口厚度來降低填充速度，提高壓室充滿度。

4 結(jié)束語

文中通過對(duì)汽車支撐配件產(chǎn)生疲勞裂紋成因的研究，采用定頻試驗(yàn)的方法進(jìn)行振動(dòng)疲勞試驗(yàn)，對(duì)支撐件的澆注溫度、澆注時(shí)間和孔洞進(jìn)行分析，得出疲勞斷裂失效的原因與孔洞有顯著關(guān)系，對(duì)此提出相應(yīng)的改進(jìn)措施，有效減少支撐配件產(chǎn)生疲勞失效的現(xiàn)象，大大降低斷裂風(fēng)險(xiǎn)，且能夠完善和豐富現(xiàn)有的疲勞裂紋機(jī)制研究，為發(fā)展創(chuàng)新汽車鑄造件的設(shè)計(jì)和工藝提供重要的理論指導(dǎo)，對(duì)提高汽車支撐配件的制造質(zhì)量具有重要的研究?jī)r(jià)值和科學(xué)意義。