彈性擋圈裝配斷裂原因分析及改善

張衛(wèi)新 胡啟賽 王曉輝 盧俊宏 陳文春

摘 ?要：標(biāo)準(zhǔn)件生產(chǎn)企業(yè)缺少對(duì)彈性擋圈裝配過(guò)程中斷裂的根本原因的分析和認(rèn)識(shí)。本文結(jié)合裝配過(guò)程中多次存在的此類(lèi)問(wèn)題，以分析彈性擋圈裝配斷裂的原因?yàn)檠芯空n題。進(jìn)行充分的原因分析，發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致斷裂的原因有模具因素和毛刺的因素。對(duì)影響因素做對(duì)比試驗(yàn)，通過(guò)壓力機(jī)得出不同的推入力值，發(fā)現(xiàn)毛刺、缺口裂紋是影響裝配過(guò)程中斷裂的重要因素，并提出模具預(yù)防、減小毛刺的方案，可以避免斷裂的現(xiàn)象。

關(guān)鍵詞：止推帽;彈性擋圈;開(kāi)裂;沖壓;65Mn

中圖分類(lèi)號(hào)：TH162.1 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ?文章編號(hào)：1005-2550（2021）03-0129-06

Cause Analysis and Improvement of Assembly Fracture of Elastic Block Ring

Zhang Wei-xin， Hu Qi-sai， Wang Xiao-hui， Lu Jun-hong， Chen Wen-chun

（ Zhejiang Huayuan Automobile Parts Co.， Ltd， Wenzhou 325000， China ）

Abstract： Standard parts production enterprises lack of analysis and understanding of the root causes of fracture in the assembly process of elastic ring. In this paper， the reasons for the fracture of the elastic retaining ring assembly are analyzed. Carry on the sufficient cause analysis， find that the cause of fracture is mold factor and burr factor. The influence factors are compared and tested. Different push force values are obtained by press. It is found that burr and notch crack are important factors affecting fracture in assembly process， and the scheme of preventing and reducing burr reduction of burr can avoid the phenomenon of fracture.

Key Words： Stoppers; Elastic Retaining Ring; Cracking; Stamping; 65Mn

張衛(wèi)新

畢業(yè)于太原理工大學(xué)，材料工程專(zhuān)業(yè)，工程碩士學(xué)位?，F(xiàn)就職于浙江華遠(yuǎn)汽車(chē)零部件有限公司，任質(zhì)量工程師，已發(fā)表文章：《螺母內(nèi)螺紋銹跡狀物產(chǎn)生原因分析及改善》、《壓鉚螺釘裝配過(guò)程中斷裂原因分析及改善》、《彈性擋圈裝配斷裂原因分析及改善》、和《制樣對(duì)超聲波測(cè)試軸力的影響》等13篇論文。

彈性擋圈，是配套汽車(chē)管柱類(lèi)的專(zhuān)用零件，裝配后可卡于套管卡槽內(nèi)固定不動(dòng)，且無(wú)法二次拆卸，它可以防止軸上的其它制件軸向竄動(dòng)。

針對(duì)彈性擋圈裝配斷裂的問(wèn)題，相關(guān)作者[1-4]主要描述了65Mn材料含硫高、夾雜物、產(chǎn)品表面增碳、硬度高、熱處理工藝不合適等產(chǎn)生的開(kāi)裂現(xiàn)象，主要分析工藝過(guò)程中產(chǎn)生的裂紋，未有相關(guān)在裝配過(guò)程中彈性擋圈裂紋產(chǎn)生的描述，對(duì)產(chǎn)品裝配時(shí)出現(xiàn)斷裂的原因分析，因需考慮工藝流程，對(duì)直觀判斷裂口成因造成較大困難，不能有效識(shí)別開(kāi)裂在具體的工藝位置，對(duì)改善方向造成不確定性，且相關(guān)作者沒(méi)有實(shí)質(zhì)性的從產(chǎn)品受力、試驗(yàn)驗(yàn)證上給與論證。擋圈的開(kāi)裂成因異于已有作者分析的原因，我廠擋圈在裝配中產(chǎn)生開(kāi)裂現(xiàn)象，一直未有效識(shí)別，無(wú)法找到相關(guān)分析資料，不能從根本上論證開(kāi)裂原因。作者結(jié)合實(shí)際產(chǎn)品裝配過(guò)程和生產(chǎn)工藝，充分分析斷口形貌，識(shí)別影響因素，進(jìn)行單因素對(duì)比驗(yàn)證，并結(jié)合生產(chǎn)工藝，確定開(kāi)裂原因，給予預(yù)防措施及解決生產(chǎn)問(wèn)題的分析思路。

1 ? ?產(chǎn)品描述

2020年，某汽車(chē)座椅公司的裝配人員反饋軸用彈性擋圈在裝配軸管過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)某批次產(chǎn)品出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，斷裂率約0.1%，該問(wèn)題已被多次投訴?，F(xiàn)場(chǎng)裝配位置如圖1所示。檢測(cè)產(chǎn)品性能尺寸都符合圖紙要求。因無(wú)法確定根本影響因素，該問(wèn)題已持續(xù)較長(zhǎng)時(shí)間。本文以斷裂批次產(chǎn)品作為研究對(duì)象，對(duì)主要影響因素進(jìn)行深入的分析。產(chǎn)品尺寸測(cè)量數(shù)據(jù)如表1所示，圖紙尺寸要求如圖2所示，且符合尺寸要求。

擋圈是由凹側(cè)推入軸管過(guò)程中產(chǎn)生開(kāi)裂，推入力約3-6kN，擋圈宏觀裂紋如圖3所示。

擋圈材質(zhì)65Mn，生產(chǎn)工藝：板料沖裁→熱處理等溫淬火、中溫回火→錳系磷化。

2 ? ?開(kāi)裂原因分析

擋圈在推入套管過(guò)程中內(nèi)圈受到與軸管接觸的摩擦力和與軸管產(chǎn)生過(guò)盈配合而產(chǎn)生的膨脹力。對(duì)開(kāi)裂前的受力方式進(jìn)行分析，判斷裂紋所處受力環(huán)境，并從微觀上分析斷口形貌，判斷裂紋源，最終結(jié)合生產(chǎn)工藝中影響裂紋的因素，識(shí)別出裂紋成因。

2.1 ? 受力分析

擋圈在被推入軸管過(guò)程中，受到軸管表面對(duì)擋圈內(nèi)環(huán)表面的摩擦阻力和因過(guò)盈配合產(chǎn)生的軸管表面對(duì)擋圈內(nèi)環(huán)的徑向支撐力的共同作用，支撐力使內(nèi)環(huán)產(chǎn)生膨脹力，當(dāng)內(nèi)環(huán)存在薄弱位置時(shí)，更容易在摩擦力和膨脹力的作用下造成開(kāi)裂。擋圈厚度0.5mm，擋圈受外力作用如圖4所示。對(duì)缺口進(jìn)行受力分析如圖5所示，缺口兩側(cè)會(huì)產(chǎn)生較大的摩擦阻力，當(dāng)兩者差異較大時(shí)會(huì)形成對(duì)裂紋破壞的剪切力，力值足夠大，在較小的膨脹力下發(fā)生開(kāi)裂現(xiàn)象。未裝配的產(chǎn)品在放大鏡下觀察，內(nèi)圈邊緣斷裂帶存在1-2處缺口，如圖6所示，圖中，左側(cè)黑色區(qū)域?yàn)閿嗔褞В覀?cè)亮色區(qū)域?yàn)楣饬翈?，是在板料沖裁過(guò)程中形成，光亮帶約占切口的一半，說(shuō)明凹凸模間隙配合合適。

沖裁凸凹模如圖7所示。放大鏡下觀察模具表面，發(fā)現(xiàn)凹模存在裂紋，凹模缺陷如圖8所示，凹模存在的刃口裂紋缺口會(huì)使沖裁過(guò)程中，落料不能及時(shí)分離，金屬因塑性變形產(chǎn)生斷裂帶缺口，遺留在產(chǎn)品表面，沖模在回程過(guò)程中，與缺口周?chē)绦纬奢^大阻力，對(duì)缺口進(jìn)一步產(chǎn)生破壞，并可能產(chǎn)生微裂紋。落料表面毛刺如圖9所示，一部分邊緣毛刺較長(zhǎng)，說(shuō)明凹模刃口已產(chǎn)生明顯磨損狀態(tài)[5]。

2.2 ? 斷口分析

擋圈推入金屬套管時(shí)，內(nèi)圈受到擠壓力和摩擦力，裂紋方向垂直于擠壓產(chǎn)生的膨脹徑向力，判斷裂紋屬于脆性斷裂。通過(guò)電子顯微鏡觀察裂紋斷口的形貌，如圖10所示。識(shí)別出斷裂源區(qū)，擴(kuò)展區(qū)，裂紋末端，裂紋走向如圖11所示，紅色箭頭指裂紋源，黃色箭頭指裂紋擴(kuò)展方向，裂紋末端呈現(xiàn)支狀。斷裂源區(qū)存在冰糖狀的磷化顆粒，如圖12所示，說(shuō)明有磷化液滲入。斷裂源區(qū)能譜圖，P含量約0.6，大于65Mn材質(zhì)要求的低于0.04，說(shuō)明工藝過(guò)程中磷化前已存在裂紋。斷口圓環(huán)內(nèi)圈位置微觀呈延晶形貌，此處為裂紋源，斷裂源區(qū)域微觀可見(jiàn)小塊狀結(jié)晶物等異物覆蓋，P、Zn元素較豐富，能譜圖如圖13所示。斷口其它擴(kuò)展區(qū)位置微觀整體呈細(xì)小的刃窩形貌，擴(kuò)展區(qū)如圖14所示。綜合觀察宏觀和微觀形貌，斷口呈過(guò)載斷裂特征，斷裂源位于內(nèi)圓環(huán)位置，且位于毛刺位置，在磷化前存在裂紋。

2.3 ? 開(kāi)裂原因

通過(guò)斷口分析，裂紋由內(nèi)向外擴(kuò)展，裂紋源起始于內(nèi)環(huán)斷口形成斷裂帶毛刺一側(cè)，結(jié)合受力分析，在板材被沖裁過(guò)程中，模具缺口使落料分離困難，導(dǎo)致毛刺形成缺口。裝配過(guò)程中，毛刺和缺口與套管表面存在接觸阻力，不同位置的毛刺會(huì)形成不同的摩擦阻力，當(dāng)缺口處阻力最大時(shí)，容易形成應(yīng)力集中，產(chǎn)生剪切力，大于材料所能承受的剪切強(qiáng)度時(shí)形成裂紋。

結(jié)合生產(chǎn)工藝過(guò)程分析，裂紋起始于沖裁，在熱處理過(guò)程中容易形成延晶微裂紋，經(jīng)過(guò)磷化，使裂紋源處P、Zn元素含量高于基體，并有磷化顆粒覆蓋。在現(xiàn)場(chǎng)裝配過(guò)程中，擋圈受到擠壓和摩擦阻力，當(dāng)隨機(jī)產(chǎn)生的毛刺造成較大的摩擦阻力時(shí)，便在缺口處已形成的裂紋，繼續(xù)擴(kuò)展形成開(kāi)裂現(xiàn)象。

3 ? ?試驗(yàn)

通過(guò)斷口形貌分析，以及受力分析，解釋裂紋產(chǎn)生機(jī)理，已產(chǎn)生的裂紋缺口在毛刺的作用下最終導(dǎo)致產(chǎn)品開(kāi)裂。為進(jìn)一步驗(yàn)證分析的結(jié)論，進(jìn)行單因素對(duì)比試驗(yàn)，通過(guò)數(shù)據(jù)驗(yàn)證毛刺對(duì)開(kāi)裂的影響，以及只存在缺口時(shí)是否會(huì)產(chǎn)生開(kāi)裂。

3.1 ? 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

選取同批次產(chǎn)品，來(lái)自存在裂紋缺口的模具，在放大鏡下觀察產(chǎn)品內(nèi)圈缺陷位置，并標(biāo)記。使用400#砂紙清理內(nèi)圈毛刺，與原狀態(tài)產(chǎn)品進(jìn)行推入力測(cè)試。準(zhǔn)備工裝模具，凹模尺寸φ34×φ60×36mm，凸模尺寸φ32×18mm，模具如圖15所示。壓力機(jī)使用SHT4305電液伺服萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)壓入。

3.2 ? 試驗(yàn)結(jié)果

分別壓入凸模有毛刺和去毛刺產(chǎn)品各5件，推入力如表1所示。其中有毛刺試樣3和4發(fā)生開(kāi)裂，裂紋由內(nèi)圈向外圈擴(kuò)展，與現(xiàn)場(chǎng)裝配開(kāi)裂方式相同，且斷裂位置在標(biāo)記處，開(kāi)裂產(chǎn)品如圖16所示。無(wú)毛刺產(chǎn)品，均勻壓入，無(wú)開(kāi)裂現(xiàn)象發(fā)生。

3.3 ? 結(jié)果分析

試驗(yàn)中通過(guò)對(duì)比有毛刺和無(wú)毛刺產(chǎn)品的推入力，發(fā)現(xiàn)有毛刺產(chǎn)品推入力波動(dòng)較大，均值是7.82kN，3σ值是10.09kN，測(cè)試結(jié)果范圍3.58kN-12.57kN，其中開(kāi)裂產(chǎn)品是3.58kN和6.37kN，說(shuō)明推入力不是決定產(chǎn)品開(kāi)裂的主要影響因素，有毛刺產(chǎn)品壓入后，會(huì)殘留較多鐵屑，如圖17所示，在壓入過(guò)程中，毛刺會(huì)影響阻力大小。無(wú)毛刺產(chǎn)品推入力波動(dòng)較小，均值是8.09kN，3σ值是1.53kN，測(cè)試結(jié)果范圍7.49kN-8.87kN，且產(chǎn)品無(wú)開(kāi)裂現(xiàn)象。

產(chǎn)品由內(nèi)圈向外圈產(chǎn)生裂紋，位于標(biāo)記處，說(shuō)明裂口存在于缺口處，斷裂后的裂口放大如圖18所示。產(chǎn)品在沖裁過(guò)程中，產(chǎn)生缺口存在微裂紋，形成薄弱位置，但毛刺對(duì)阻力影響不大時(shí)，缺口不能造成產(chǎn)品開(kāi)裂，當(dāng)毛刺產(chǎn)生較大阻力時(shí)，使應(yīng)力集中在缺口處，發(fā)生開(kāi)裂現(xiàn)象。通過(guò)單因素對(duì)比試驗(yàn)，產(chǎn)品存在缺口的條件下，毛刺是造成產(chǎn)品開(kāi)裂的根本因素。

4 ? ?小結(jié)

彈性擋圈在裝配過(guò)程中產(chǎn)生的開(kāi)裂現(xiàn)象，微觀上判斷裂紋是在過(guò)載條件下產(chǎn)生，并識(shí)別裂紋源位置，從宏觀上分析裂紋源，起始于毛刺位置的缺口，并結(jié)合工藝過(guò)程分析，模具是產(chǎn)生缺口的原因，通過(guò)裝配過(guò)程中的受力分析，推斷出裂紋的產(chǎn)生是在毛刺和缺口共同作用下形成，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，得出毛刺是導(dǎo)致開(kāi)裂的最終原因。對(duì)于避免該產(chǎn)品的開(kāi)裂措施，得出以下結(jié)論：

（1）沖裁凹模磨損嚴(yán)重的刃口會(huì)使產(chǎn)品形成較多毛刺，形成的裂紋缺口會(huì)遺傳至產(chǎn)品，應(yīng)在使用前保持模具刃口的完好，并檢查沖裁出的落料是否存在較大毛刺;

（2）存在缺口的產(chǎn)品，可以通過(guò)去除毛刺的方式，避免裝配過(guò)程中受力不均勻而產(chǎn)生開(kāi)裂。

（3）增加程序控制文件，記錄每批次產(chǎn)品生產(chǎn)前模具表面狀態(tài)，要求無(wú)裂紋、缺口，以及首件產(chǎn)品的落料邊緣無(wú)明顯毛刺，同一生產(chǎn)批次產(chǎn)品，抽檢7件，增加模具壓入試驗(yàn)，無(wú)開(kāi)裂則可流轉(zhuǎn)。

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