不同熱處理和加工工藝對(duì)扭桿疲勞性能影響分析

摘要：為了分析不同狀態(tài)下扭桿部件的疲勞性能表現(xiàn)，本文首先分析了扭桿的疲勞受力情況和實(shí)際工作過(guò)程中常見(jiàn)的疲勞斷裂部位，并進(jìn)一步研究了影響扭桿疲勞性能的幾大影響因素：材料特性、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加工方式和熱處理形式。通過(guò)疲勞拉伸試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)等溫淬火熱處理顯著優(yōu)于QT 熱處理，而加工工藝對(duì)疲勞性能影響不明顯。通過(guò)分析以期指導(dǎo)生產(chǎn)制造中的扭桿實(shí)際工藝的優(yōu)化，進(jìn)而提高扭桿整體剛度及可靠性。

關(guān)鍵詞：扭桿疲勞特性；QT ；等溫淬火；疲勞拉伸試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：U466 DOI ：10.20042/j.cnki.1009-4903.2024.03.003

0 引言

轉(zhuǎn)向扭桿作為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)傳遞扭矩的關(guān)鍵零部件，承擔(dān)著傳遞扭矩與助力轉(zhuǎn)向的重要任務(wù)。乘用車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)幾乎都采用轉(zhuǎn)閥式轉(zhuǎn)向控制閥，而扭桿正是這一核心部件的關(guān)鍵組成部分[1～2]。具體而言，扭桿的前端通過(guò)花鍵與轉(zhuǎn)向齒輪緊密相連，后端則借助銷子與轉(zhuǎn)向軸實(shí)現(xiàn)可靠連接，從而確保扭桿能夠高效地帶動(dòng)整個(gè)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)完成轉(zhuǎn)向操作。

在實(shí)際操作過(guò)程中，扭桿會(huì)不斷受到周期性的彎曲和扭轉(zhuǎn)等復(fù)雜交變應(yīng)力的作用。為了應(yīng)對(duì)這些應(yīng)力，扭桿必須充分利用其彈性變形特性來(lái)有效吸收和釋放能量。因此，對(duì)扭桿的材料提出了嚴(yán)格要求，特別是需要具備高的彈性極限和卓越的疲勞強(qiáng)度[3]。但疲勞強(qiáng)度的表現(xiàn)受到多種因素的共同影響。本文旨在深入剖析生產(chǎn)中常見(jiàn)的扭桿疲勞破壞形式，并系統(tǒng)探討影響扭桿疲勞強(qiáng)度的主要因素，以期為扭桿的設(shè)計(jì)與制造提供有益的參考。

1 常見(jiàn)的疲勞斷裂問(wèn)題

從圖1 可以看出，扭桿的結(jié)構(gòu)一般為圓柱狀桿體，其兩端配合部分的直徑相較于中部直徑有所增大。這種設(shè)計(jì)使得桿體的一端能夠與轉(zhuǎn)向輸入軸緊密配合，而另一端則與轉(zhuǎn)向軸或其他部件進(jìn)行有效連接。當(dāng)扭桿的一端受到外力作用時(shí)，由于力矩的作用，扭桿會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的扭矩，并同時(shí)發(fā)生彈性變形，從而將扭矩有效地傳遞至另一端。

作為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的核心部件，扭桿主要承受的是扭轉(zhuǎn)載荷。由于最大應(yīng)力往往集中在扭桿的表面，因此疲勞斷裂現(xiàn)象通常首先出現(xiàn)在扭桿的薄弱部位。在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，扭桿可能遭遇多種疲勞斷裂情況，如圖2 所示，這些斷裂部位往往反映了扭桿在不同工況下的受力特點(diǎn)和潛在弱點(diǎn)。

選取了多種常見(jiàn)的扭桿系列，包括光桿式調(diào)質(zhì)扭桿、花鍵式等溫淬火扭桿及花鍵式局部退火扭桿等。分析對(duì)比在不同加工狀態(tài)和熱處理方式下，扭桿具有不同的疲勞特性，是否能夠滿足不同工作環(huán)境和負(fù)載條件下的需求。

為了深入研究扭桿的疲勞性能，我們選取了多種具有代表性的扭桿系列進(jìn)行分析，包括光桿式調(diào)質(zhì)扭桿、花鍵式等溫淬火扭桿以及花鍵式局部退火扭桿等。通過(guò)對(duì)比這些扭桿在不同加工狀態(tài)和熱處理方式下的疲勞特性，旨在探究它們?cè)诓煌ぷ鳝h(huán)境和負(fù)載條件下的適應(yīng)性及性能表現(xiàn)，從而為扭桿的優(yōu)化設(shè)計(jì)和生產(chǎn)制造提供科學(xué)依據(jù)。

2 影響扭桿疲勞性能的主要因素

2.1 材料特性

本實(shí)驗(yàn)對(duì)象扭桿的主要材料為51CrV4 合金，其詳細(xì)的化學(xué)成分如表1 所示。

在51CrV4 圓鋼中，通過(guò)加入適量的碳和合金元素，可以穩(wěn)定材料的組織狀態(tài)，提高其對(duì)微量塑性變形的抗力和抗松弛性能。這種合金化設(shè)計(jì)確保了材料具有較高的淬透性，經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)臒崽幚砗螅軌颢@得優(yōu)異的高強(qiáng)度和彈性極限。此外，為了避免非金屬夾雜物對(duì)材料性能的不利影響，應(yīng)盡量減少其含量。因?yàn)榇嬖谟诒砻娴膴A雜物是應(yīng)力集中的源頭，可能導(dǎo)致該處過(guò)早地產(chǎn)生疲勞裂紋，從而縮短扭桿的使用壽命。表2 列出了該批扭桿試驗(yàn)樣件的力學(xué)性能，均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

值得注意的是，扭桿的性能不僅受材料成分的影響，還受到制造工藝、熱處理方式、使用環(huán)境等多種因素的共同作用。因此，在設(shè)計(jì)和制造扭桿時(shí)，需要全面考慮這些因素，通過(guò)優(yōu)化工藝參數(shù)和改善使用環(huán)境，以實(shí)現(xiàn)扭桿性能的最佳表現(xiàn)。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖1 所示，扭桿的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)通常由多個(gè)不同直徑的段組成。這種設(shè)計(jì)是為了彌補(bǔ)扭桿端部因應(yīng)力集中而對(duì)連接部位強(qiáng)度可能造成的削弱。為了確保扭桿端部與直桿部分具有等強(qiáng)度的要求，通常將兩端的直徑設(shè)計(jì)得比工作直徑大。

在圖3 的示例中，為了避免應(yīng)力集中現(xiàn)象，扭桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)往往采用圓弧連接作為過(guò)渡部分。這種設(shè)計(jì)不僅減小了應(yīng)力集中的風(fēng)險(xiǎn)，還提高了結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度。此外，扭桿的一端常被加工成花鍵形狀，這種設(shè)計(jì)不僅便于裝配，更重要的是能夠使作用于扭桿和連接件之間的載荷分布更加均勻。通過(guò)均勻分布載荷，可以有效避免因應(yīng)力集中而導(dǎo)致的扭桿早期斷裂問(wèn)題，從而延長(zhǎng)扭桿的使用壽命。

2.3 加工方式

扭桿在承受高應(yīng)力環(huán)境下工作時(shí)，其最大應(yīng)力往往發(fā)生在材料表面。因此，扭桿的表面質(zhì)量對(duì)疲勞強(qiáng)度具有至關(guān)重要的影響。表面粗糙度越大，應(yīng)力集中現(xiàn)象越顯著，從而導(dǎo)致疲勞強(qiáng)度降低。如圖3 所示，對(duì)于扭桿的不同區(qū)域（ 如① ～ ④標(biāo)記的部分），需要采用不同的加工參數(shù)進(jìn)行精細(xì)加工，以確保表面質(zhì)量達(dá)到最佳狀態(tài)，進(jìn)而提升扭桿的疲勞壽命。

2.4 熱處理狀態(tài)

熱處理對(duì)扭桿的性能具有顯著影響[4]。通過(guò)適當(dāng)?shù)臒崽幚恚梢蕴岣吲U的扭矩強(qiáng)度和其他力學(xué)性能。在工程實(shí)際中，扭桿常采用QT 熱處理和等溫淬火2 種方式進(jìn)行熱處理。QT 熱處理方式主要用于優(yōu)化材料的機(jī)械性能。該方式首先通過(guò)淬火快速冷卻，使工件獲得高硬度和高強(qiáng)度；隨后進(jìn)行回火處理，以消除淬火過(guò)程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，提高工件的韌性和塑性，降低脆性。等溫淬火則是另一種有效的熱處理方式。在淬火加熱后，工件被長(zhǎng)時(shí)間保持在下貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)的溫度范圍內(nèi)，以完成奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變，最終獲得下貝氏體組織。

圖4 所示為2 種熱處理后的扭桿金相組織情況。經(jīng)過(guò)QT熱處理的扭桿，其金相組織主要由回火屈氏體和索氏體組成；而經(jīng)過(guò)等溫淬火的扭桿，則展現(xiàn)出清晰的下貝氏體組織。

3 疲勞剛度臺(tái)架試驗(yàn)

扭桿疲勞性能可通過(guò)疲勞試驗(yàn)測(cè)試臺(tái)開(kāi)展模擬扭桿在實(shí)際使用過(guò)程中的疲勞和剛度性能，進(jìn)一步評(píng)估扭桿在不同工作條件下的耐久性和疲勞壽命，以確保其在使用過(guò)程中的安全性與可靠性。通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的高速、高負(fù)荷運(yùn)行，觀察扭桿在不同加載條件下的應(yīng)力分布狀況、變形情況以及疲勞斷裂的臨界點(diǎn)等性能是否滿足產(chǎn)品要求與設(shè)計(jì)要求，為扭桿產(chǎn)品的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。圖5 展示了扭桿試驗(yàn)樣件的組裝狀態(tài)。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

在本次試驗(yàn)中，我們?cè)O(shè)定了特定的扭桿加工參數(shù)，包括砂輪轉(zhuǎn)速為1 450 r/min，導(dǎo)輪轉(zhuǎn)速為28 r/min，以及砂輪修磨頻次150 只/ 次。根據(jù)扭桿不同部位的尺寸和結(jié)構(gòu)要求，加工進(jìn)給速度分別被設(shè)置為F80、F450、F300 和F350 4 種不同的速度。同時(shí)，我們進(jìn)行了QT 熱處理和等溫淬火熱處理的2 組對(duì)比實(shí)驗(yàn)，每組實(shí)驗(yàn)均選取了5 根扭桿，并在頻率5 Hz、偏轉(zhuǎn)角度7.2°、運(yùn)行次數(shù)50 萬(wàn)次的條件下進(jìn)行了疲勞剛度試驗(yàn)。

分析上表數(shù)據(jù)可知，等溫淬火狀態(tài)下的極限扭矩角度約為QT 狀態(tài)的3 倍，疲勞強(qiáng)度也優(yōu)于QT 狀態(tài)；2 種熱處理狀態(tài)的極限扭矩?zé)o明顯差異；粗糙度差異對(duì)零件極限強(qiáng)度無(wú)明顯變化，零件斷裂均為細(xì)桿部分。

5 結(jié)論

綜上所述，通過(guò)全面分析扭桿疲勞特性的影響因素，特別是深入研究了扭桿的加工方式和熱處理狀態(tài)對(duì)其疲勞特性的影響情況，我們得出了一系列有價(jià)值的結(jié)論。這些結(jié)論不僅為實(shí)際生產(chǎn)制造中的扭桿加工工藝優(yōu)化提供了科學(xué)依據(jù)，還有助于顯著提升扭桿的整體剛度和可靠性，從而為企業(yè)有效降低了產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中的試錯(cuò)成本。

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