工程機(jī)械穿孔桿零件失效分析及改進(jìn)

上官琪 許征兵 朱斌強(qiáng) 張 璇

（1.廣西柳工機(jī)械股份有限公司，廣西 柳州 545007；2.廣西大學(xué)廣西有色金屬及特色材料加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 南寧 530004）

0 引言

失效廣泛存在于現(xiàn)代工業(yè)系統(tǒng)中，該狀況會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品服役期內(nèi)功能、性能降級(jí)或喪失[1]。該文針對(duì)某型工程機(jī)械穿孔桿類零件失效事件，開展了全面的檢驗(yàn)與分析。在宏觀斷口分析基礎(chǔ)上，對(duì)零件的各部位取樣，進(jìn)行了金相檢驗(yàn)、維氏硬度測(cè)試和表面探傷。根據(jù)疲勞極限模型對(duì)零件壽命進(jìn)行了估算，結(jié)合失效件的斷裂受力分析、工藝調(diào)查、殘余應(yīng)力以及疲勞分析結(jié)果，提出結(jié)構(gòu)改進(jìn)和工藝調(diào)整的建議。

穿孔桿類零件作為工程機(jī)械常用的一種零件，被廣泛用于機(jī)構(gòu)的連接，在承擔(dān)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的同時(shí)，通常利用徑向孔承擔(dān)潤(rùn)滑補(bǔ)油的作用。穿孔桿類零件失效的主要失效模式是斷裂，在以往的失效分析中，僅強(qiáng)調(diào)對(duì)宏觀裂紋的觀察和分析[2]。該文擬以某工程機(jī)械穿孔桿零件斷裂失效為案例，對(duì)穿孔桿類零件失效分析展開探討。根據(jù)市場(chǎng)反饋，某型用于工作裝置的穿孔桿零件連續(xù)發(fā)生斷裂事故，斷裂時(shí)的工作時(shí)間集中在65h～1200h，失效多表現(xiàn)為徑向油孔處斷裂。經(jīng)斷口和外觀檢查，初步確定為疲勞斷裂，為進(jìn)一步確定原因，該文任意抽取了4 件穿孔桿類零件產(chǎn)品，對(duì)孔口位置斷口處進(jìn)行了宏觀斷口分析、金相檢驗(yàn)和維氏硬度測(cè)試，以研究疲勞斷裂的機(jī)理及原因。同時(shí)以孔口位置為研究對(duì)象，根據(jù)疲勞極限模型，對(duì)零件壽命進(jìn)行了估算，估算結(jié)果與實(shí)際統(tǒng)計(jì)趨勢(shì)相符，證明了失效機(jī)理的正確性。

1 試驗(yàn)過程與結(jié)果

1.1 失效分析流程

根據(jù)產(chǎn)品的工作特點(diǎn)及設(shè)計(jì)、加工要求，系統(tǒng)梳理了適用于穿孔桿零件的失效分析流程，并將其標(biāo)準(zhǔn)化。分析步驟為服役信息收集、斷口宏觀分析、原材料成分檢查、金相組織調(diào)查、零件受力分析、熱處理工藝調(diào)查、表面狀態(tài)調(diào)查、疲勞壽命分析，失效分析流程圖如圖1 所示。

圖1 失效分析流程圖

1.2 失效情況檢查

4 件樣本中，1#、4#樣件為故障現(xiàn)場(chǎng)返回的失效件，2#、3#樣件為同批次生產(chǎn)的正常件。失效零件斷裂位置集中于中間孔處，穿孔桿斷裂后如未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，極易引起安全事故。斷口處外觀呈銀亮光澤，無氧化色，斷口清晰。

1.3 斷口試驗(yàn)及分析

將1#、4#樣件從斷裂位置打開，為便于對(duì)比分析，將2#、3#樣件同樣從中油孔處打開。宏觀斷口照片顯示，斷裂屬典型的彎曲疲勞斷裂，呈現(xiàn)油孔口的疲勞源、中部的疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)和油孔尾部瞬間斷裂區(qū)3 個(gè)區(qū)域。圖2 所示為1#和2#樣件的油孔口斷面圖。油孔口附近均有表面淬火加熱痕跡，鉆孔后內(nèi)表面粗糙不平，殘留深淺不一的加工臺(tái)階痕跡，尖角引起應(yīng)力集中，導(dǎo)致裂紋首先在此起源。加工臺(tái)階刀痕成為多個(gè)裂紋源，裂紋源距加工油孔口表面3mm～5mm，距離表面越近受力越大，形成扇形裂紋擴(kuò)展區(qū)。孔口倒角表面粗糙度高，刀痕尖端在表淬時(shí)極易引起應(yīng)力集中甚至淬火裂紋[3]。

圖2 油孔口宏觀斷面

1.4 材質(zhì)分析

1.4.1 成分檢查

已知零件使用的原材料為40Cr 鋼?；瘜W(xué)成分分析（wt.%）結(jié)果顯示，合金化學(xué)成分符合要求，可排除原材料因素。

1.4.2 硬度及金相檢查

對(duì)樣件進(jìn)行硬化層深度、硬度、組織等檢驗(yàn)結(jié)果顯示。見表1，零件表面淬火有效硬化層深、表面硬度均符合要求。

表1 樣件表面、心部硬度及組織

2 穿孔桿類零件斷裂的機(jī)理研究

2.1 受力分析

對(duì)某工程機(jī)械工作時(shí)實(shí)地調(diào)查發(fā)現(xiàn)，機(jī)構(gòu)運(yùn)作過程中，零件主要承受循環(huán)彎、剪載荷，作用力為來自下方的F1 和對(duì)稱作用力F2、F3（圖3）。CAE 模擬分析結(jié)果顯示，載荷施加面為中部下表面，在油孔口部位存在應(yīng)力集中，且應(yīng)力集中一直延伸至內(nèi)部油道1/3 處，應(yīng)力最大值為240 MPa。

圖3 零件受力情況

2.2 工藝調(diào)查

零件制造工藝為下料—調(diào)質(zhì)—機(jī)加（車、鉆）—表面淬火回火—機(jī)加（磨）—焊耳板（如需要）—涂裝（如需要）。熱處理技術(shù)要求為調(diào)質(zhì)處理后心部組織硬度229HB～302HB；硬化層深3 mm～5 mm，硬度范圍48HRC～55HRC。。經(jīng)核查，樣件表面硬化層深度均屬合理范圍，心部組織硬度也表現(xiàn)正常，但工藝記錄顯示1#、4#樣件表面淬火后未經(jīng)回火處理。

2.3 殘余應(yīng)力檢測(cè)及表面探傷

為進(jìn)一步確定回火工序?qū)Ρ砻嫖⒘鸭y起源的影響，聯(lián)系前文的分析結(jié)果，將調(diào)查的重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到裂紋源的產(chǎn)生。觀察失效件孔口附近斷口發(fā)現(xiàn)，油孔孔口倒角表面粗糙程臺(tái)階狀，淬火時(shí)易在臺(tái)階底部形成裂紋（圖4）。

圖4 孔口位置照片

為確定裂紋的起源，對(duì)零件孔口位置殘余應(yīng)力檢測(cè)和表面探傷。檢測(cè)點(diǎn)為油道孔口截面法向方向，及油道內(nèi)距孔口3 mm～5 mm 處（圖5）。殘余應(yīng)力的檢測(cè)結(jié)果顯示，在未經(jīng)回火處理的1#、4#樣件孔口附近存在劇烈的應(yīng)力變化，以壓應(yīng)力為主。而經(jīng)過回火處理的2#、3#樣件孔口附近應(yīng)力變化情況則較小。初步可以判定，熱處理工藝的差異，是導(dǎo)致孔口位置表面應(yīng)力劇烈變化的原因。而表面應(yīng)力的劇烈變化，則是裂紋的產(chǎn)生和發(fā)展的主要驅(qū)動(dòng)能量來源（表2）。

圖5 X 射線殘余應(yīng)力檢測(cè)點(diǎn)

表2 殘余應(yīng)力檢測(cè)結(jié)果

為確認(rèn)殘余應(yīng)力的分析結(jié)果，對(duì)失效樣件和同批次生產(chǎn)的正常件均進(jìn)行了表面探傷。發(fā)現(xiàn)，在未經(jīng)回火處理的1#、4#樣件孔口處有明顯的裂紋缺陷（圖6），但同批次生產(chǎn)的正常件則未發(fā)現(xiàn)有裂紋?？纱_定油孔口裂紋的產(chǎn)生與否，與表面淬火后是否經(jīng)回火處理有直接關(guān)系。

圖6 樣件表面探傷

2.4 疲勞分析及壽命估算

材料力學(xué)方法是目前疲勞研究或應(yīng)用中被最廣泛應(yīng)用的方法，可描述應(yīng)力振幅和循環(huán)次數(shù)的關(guān)系。根據(jù)機(jī)械零件疲勞極限的計(jì)算方法[4-5]，對(duì)40Cr 穿孔桿零件應(yīng)力疲勞情況進(jìn)行分析，將孔口位置應(yīng)力最大值代入公式，計(jì)算循環(huán)次數(shù)最少約為9.3×104次。按照40s 一次工作循環(huán)計(jì)算，估算零件的使用時(shí)間約為1100h，而零件失效時(shí)間集中于65h～1200h，壽命估算結(jié)果與工程實(shí)際情況相吻合。

3 結(jié)語

通過對(duì)穿孔桿類零件失效的基本特征分析可得，油孔口處缺口效應(yīng)及熱處理工序失控導(dǎo)致組織不合格，是造成早期失效的內(nèi)在原因。因此，建議采取以下措施：1）降低孔口出的應(yīng)力集中系數(shù)。調(diào)整孔口位置及桿徑，避開主承力面，提高零件抗載荷能力；控制油道機(jī)加表面粗糙度，提高疲勞極限值。2）嚴(yán)控?zé)崽幚磉^程。控制調(diào)質(zhì)及表面淬火后回火工序，保證桿類零件的內(nèi)部熱處理組織合格，避免微裂紋產(chǎn)生。同時(shí)，在完成熱處理后應(yīng)進(jìn)行殘余應(yīng)力檢測(cè)和表面探傷。