內(nèi)燃機(jī)曲軸芯孔非正常斷裂有哪些原因？

某型號四缸內(nèi)燃機(jī)曲軸，在取樣做疲勞試驗(yàn)過程中，所有子樣運(yùn)行20多萬次后位于曲軸的芯孔斷裂，裂紋源起始部位，屬非正常斷裂，且疲勞強(qiáng)度遠(yuǎn)沒達(dá)到客戶的要求。其材質(zhì)要求是QT800-3，疲勞強(qiáng)度要求承載1900N﹒m彎矩載荷循環(huán)10⁷次超越，加工路線：鐵模鑄造→正火→機(jī)加工→圓角滾壓。

斷口及材質(zhì)檢驗(yàn)

如圖1所示斷口特征，裂紋源位于靠近曲柄端的芯孔，裂紋擴(kuò)展至曲柄梢斷裂。曲軸的連桿芯孔的作用：減輕本身重量易平衡；減少澆鑄過程的鑄造缺陷；起加強(qiáng)筋的作用，增強(qiáng)曲軸的疲勞強(qiáng)度。芯孔面為鑄造面而非加工面，允許一定的粗糙度。

沿斷口取樣檢測結(jié)果：球化2級，石墨大小6級，珠光體90%，抗拉強(qiáng)度860N/mm²，伸長率4%，符合技術(shù)要求。

工藝分析

（1）正火過程

工藝曲線如圖5所示，由于是流水線作業(yè)，保溫后出爐噴霧吹風(fēng)快速約30min冷卻至室溫，實(shí)際上霧冷幾乎是噴水冷卻。冷卻方式不符合熱處理標(biāo)準(zhǔn)對正火工藝的要求，即將鋼鐵件加熱到臨界點(diǎn)以上的適當(dāng)溫度，保持一定的時間后在空氣（風(fēng)冷或空冷）中冷卻得到珠光體組織的熱處理工藝。冷卻方式的不合理，造成曲軸本身的殘留內(nèi)應(yīng)力非常大。

（2）圓角滾壓

曲軸是內(nèi)燃機(jī)中zui重要的零件之一，它與汽缸、活塞、連桿等組成發(fā)動機(jī)的動力源裝置，并由曲軸向外輸出功率。曲軸在工作時承受交變載荷，主軸頸和連桿頸圓角過渡處屬于曲軸強(qiáng)度的薄弱環(huán)節(jié)，軸頸與曲柄臂過渡圓角在切削或磨削加工后刀痕存在應(yīng)力集中，長期的高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)和較大的交變負(fù)荷應(yīng)力將有可能造成曲軸圓角處特別是連桿圓角處產(chǎn)生裂紋或斷裂。

針對曲軸的工作特點(diǎn)，我公司采用先進(jìn)的曲軸滾壓技術(shù)對曲軸頸圓角進(jìn)行滾壓處理，滾壓后表面形成一種硬化層和保持殘余壓應(yīng)力，使曲軸強(qiáng)度薄弱環(huán)節(jié)主軸頸和連桿頸圓角過渡處得到強(qiáng)化，同時減小了曲軸圓角表面粗糙度，提高了曲軸整體疲勞強(qiáng)度。

（3）疲勞試驗(yàn)

疲勞強(qiáng)度是衡量曲軸的綜合力學(xué)性能的重要指標(biāo)，利用疲勞試驗(yàn)測得彎曲疲勞中值是控制發(fā)動機(jī)曲軸可靠性的基本手段，其原理是：給曲拐施加一定的彎矩，使曲拐以試驗(yàn)設(shè)備機(jī)械系統(tǒng)固有的頻率和幅度經(jīng)受循環(huán)載荷而進(jìn)行的疲勞試驗(yàn)；其目的是檢測樣品母體能經(jīng)受規(guī)定的循環(huán)基數(shù)而不產(chǎn)生裂紋或斷裂的疲勞承載能力。

曲拐在疲勞試驗(yàn)過程中，如斷裂的話，裂紋源一般是如圖6所示產(chǎn)生于連桿圓角zui薄弱的部位，并沿著圓角約45°方向往曲柄梢端擴(kuò)展至斷裂。

結(jié)果分析與討論

正火工藝見圖5所示，在880℃保溫結(jié)束出爐冷卻，在霧冷區(qū)，實(shí)際工藝過程是噴水冷卻，芯孔部位有水流流過，致使冷卻迅速降至室溫，相對造成的殘留應(yīng)力極大，且因芯孔表面冷卻比心部冷卻快，使芯孔表面承受拉應(yīng)力。

就我公司的正火流水線冷卻方式，以及經(jīng)機(jī)械加工后，產(chǎn)生極大的殘留應(yīng)力，而沒得到及時的消除。

曲軸經(jīng)圓角滾壓強(qiáng)化后，使主軸頸和連桿頸圓角處疲勞強(qiáng)度zui薄弱處提高了60%～100%。在疲勞試驗(yàn)中，連桿軸頸圓角以及與圓角處于同一受力平面方向的芯孔同時承受拉壓循環(huán)載荷，致使疲勞裂紋源的產(chǎn)生擴(kuò)展不會按圖5所示進(jìn)行，而是由于有正火所造成的極大殘留應(yīng)力的存在，在芯孔邊緣拉應(yīng)力zui大的部位裂紋萌生并擴(kuò)展至曲柄梢端而斷裂，如圖1、圖2所示。

4.所采取的措施

像這樣的曲軸如果裝機(jī)后，在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中會發(fā)生突然斷裂，造成極大的損失。為此，我公司迅速采取措施，針對正火流水線的正火工藝進(jìn)行整改，如圖7所示。采用風(fēng)冷，利用余熱自回火消除或減少組織應(yīng)力、熱應(yīng)力，并且在粗加工后轉(zhuǎn)精加工前，加高溫回火工序，工藝曲線見圖8，以消除熱處理及機(jī)加工所產(chǎn)生的殘留應(yīng)力。

經(jīng)正火工藝改進(jìn)及加回火工序后進(jìn)行生產(chǎn)加工，取樣在相同的試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，10個子樣均能在1900N﹒m彎矩載荷循環(huán)10⁷次超越，且增加步幅載荷到2200N﹒m運(yùn)行，在曲拐的連桿R圓角處斷裂，見圖6。

5.結(jié)語

我公司在疲勞試驗(yàn)過程中曲拐位于芯孔斷裂，不是正常斷裂，而是應(yīng)力斷裂。是由于正火過程噴霧冷卻不合理，冷卻時間太短，造成極大的殘余內(nèi)應(yīng)力，且芯孔處殘留的拉應(yīng)力zui大，在疲勞試驗(yàn)中承受循環(huán)拉壓應(yīng)力，使其在遠(yuǎn)低于材料的疲勞強(qiáng)度情況下，位于殘留拉應(yīng)力zui大的芯孔邊緣處斷裂。經(jīng)及時采取糾正措施，改進(jìn)工藝，獲得理想效果，避免批量廢品事故發(fā)生。

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