主動(dòng)軸的失效有哪些原因及如何工藝改進(jìn)？

1.宏觀分析

斷裂發(fā)生在卡環(huán)槽的根部，零件斷裂如圖1所示，卡環(huán)槽表面無磕碰傷等影響表面粗糙度的損傷；零件的斷口形貌如圖2所示，從圖中可看出，零件斷口附近沒有明顯的宏觀塑性變形，且斷面平坦，有明顯的疲勞弧線，符合疲勞斷裂的特征；裂紋起源于卡環(huán)槽表面，疲勞擴(kuò)展區(qū)域表面平整光滑，明顯的疲勞弧線只出現(xiàn)在瞬斷區(qū)附近，并且瞬斷區(qū)域相對(duì)較小。另外，瞬斷區(qū)相對(duì)位置和裂紋源存在一定的角度，說明該主動(dòng)軸所承受的工作應(yīng)力不大。

根據(jù)以上斷口特征可以判定，該主動(dòng)軸的斷裂性質(zhì)為低應(yīng)力高周旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞；根據(jù)疲勞弧線背向裂紋源的特征，可看出該軸卡環(huán)槽處的幾何形狀所造成的應(yīng)力集中對(duì)裂紋的擴(kuò)展起到一定的促進(jìn)作用。為此，在裂紋源處取樣進(jìn)行材質(zhì)分析。

2.材質(zhì)分析

將裂紋源處所取的試樣進(jìn)行金相分析，試樣經(jīng)磨制、拋光后在光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行非金屬夾雜物檢驗(yàn)，依據(jù)GB/T10561—2005進(jìn)行評(píng)級(jí)，結(jié)果顯示各類夾雜物的評(píng)級(jí)均為0.5級(jí)，非金屬夾雜物結(jié)果滿足技術(shù)要求；試樣經(jīng)4%硝酸酒精浸蝕后進(jìn)行金相組織檢驗(yàn)，因?yàn)樵撆鲃?dòng)軸零件的熱處理工序?yàn)椋赫{(diào)質(zhì)處理和感應(yīng)淬火+低溫回火，所以針對(duì)圖樣要求的指標(biāo)逐一進(jìn)行檢驗(yàn)。

（1）調(diào)質(zhì)指標(biāo)

試樣腐蝕后的組織為回火索氏體+少量的細(xì)條狀鐵素體，如圖3所示，依據(jù)GB/T13320—2007進(jìn)行評(píng)級(jí)，結(jié)果顯示回火組織評(píng)級(jí)為2級(jí)；在調(diào)質(zhì)位置進(jìn)行硬度檢測(cè)，結(jié)果為270～280HBW，均滿足圖樣要求（調(diào)質(zhì)組織≤4級(jí)，硬度262～302HBW）。

（2）感應(yīng)淬火指標(biāo)

在斷裂部位（見圖4）取樣，檢測(cè)其淬硬層深、馬氏體級(jí)別和表面硬度。參照Q/YT 310.4—2014標(biāo)準(zhǔn)，所檢感應(yīng)淬火結(jié)果如下：斷裂部位軸頸處淬硬層深2.2mm，馬氏體5級(jí)(見圖5) 表面硬度55～56HRC，符合圖樣要求，但是卡環(huán)槽底部無淬硬層（感應(yīng)淬火層深1～2.5mm，表面硬度52～57HRC）。

3.原因分析

通過以上的分析可知，該主動(dòng)軸起裂于卡環(huán)槽根部，根據(jù)斷口分析可以判定，該軸的斷裂性質(zhì)為低應(yīng)力高周旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞斷裂；通過對(duì)其材質(zhì)的分析可知，在試樣上未發(fā)現(xiàn)夾雜物、疏松等材料類缺陷，并且該軸的調(diào)質(zhì)組織和感應(yīng)淬火組織以及相應(yīng)的硬度均滿足圖樣要求，說明該主動(dòng)軸的材質(zhì)本身狀態(tài)良好；但是值得注意的一點(diǎn)是，在卡環(huán)槽的底部無淬硬層。

一般來說，影響疲勞斷裂失效的主要因素有零件的結(jié)構(gòu)形狀、表面狀態(tài)、材料及其組織狀態(tài)、使用環(huán)境及載荷頻譜等。

通過以上分析發(fā)現(xiàn)：卡環(huán)槽表面光滑，表面粗糙度滿足要求；在斷口上未發(fā)現(xiàn)腐蝕、高溫等環(huán)境影響因素；斷口的瞬斷區(qū)較小，且擴(kuò)展區(qū)域多為光滑細(xì)實(shí)的平坦面，因此，可排除以上因素對(duì)該軸斷裂的影響。

雖然該主動(dòng)軸材質(zhì)本身狀態(tài)良好，熱處理結(jié)果都滿足要求，但是在卡環(huán)槽處未發(fā)現(xiàn)感應(yīng)淬火組織。因?yàn)榭ōh(huán)槽處與零件的其他淬硬區(qū)一樣承受相同的機(jī)械傳遞應(yīng)力，由于該處未淬火，會(huì)使其強(qiáng)度明顯低于淬硬區(qū)的強(qiáng)度，根據(jù)兩處的硬度可以估算，卡環(huán)槽處的強(qiáng)度約為其他淬硬區(qū)的一半，導(dǎo)致該處材料的疲勞抗力大幅降低；從零件殘余應(yīng)力的角度來說，感應(yīng)加熱淬火后，從零件表面往里，會(huì)構(gòu)成表面受壓、中間受拉或略微受壓的應(yīng)力特點(diǎn)，拉應(yīng)力的峰值往往出現(xiàn)在硬化層結(jié)束的過渡區(qū)域，并隨著硬化層深度的變淺，拉應(yīng)力峰值趨于表面。從金相分析可以看出，由于卡環(huán)槽處未感應(yīng)淬火，導(dǎo)致淬火區(qū)與非淬火區(qū)的過渡帶正好落在卡環(huán)槽根部，加之由于零件幾何結(jié)構(gòu)而產(chǎn)生的應(yīng)力集中影響，各種拉應(yīng)力峰值彼此相互交叉，甚至重合疊加，造成該槽底表面處于較大的拉應(yīng)力水平，同樣會(huì)降低材料的疲勞抗力。

綜合以上分析，說明卡環(huán)槽底部無淬硬層深是導(dǎo)致該批零件失效的主要原因。為此需調(diào)整感應(yīng)淬火工藝，保證卡環(huán)槽底部淬硬層深連續(xù)。

4.改進(jìn)措施

通過對(duì)零件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，結(jié)合圓環(huán)感應(yīng)器磁力線分布的特性，發(fā)現(xiàn)相對(duì)于相鄰的軸徑部位，卡環(huán)槽底部升溫速度慢。所以想要卡環(huán)槽底部有一定的淬硬層深，需要在感應(yīng)器移動(dòng)至卡環(huán)槽部位時(shí)，靜止加熱一定的時(shí)間，便于卡環(huán)槽底部達(dá)到淬火溫度。但是因感應(yīng)淬火存在尖角效應(yīng)，在該部位加熱時(shí)，卡環(huán)槽尖角的部位升溫速度會(huì)更快。如加熱時(shí)間過長，易使尖角部位因溫度過高，在同樣的冷卻條件下，出現(xiàn)淬裂現(xiàn)象，或者尖角部位被燒熔，從而導(dǎo)致零件報(bào)廢。因此，工藝*的關(guān)鍵點(diǎn)在于合理地控制卡環(huán)槽部位的靜止加熱時(shí)間。

該零件生產(chǎn)所用感應(yīng)器規(guī)格為：φ80mm(加裝導(dǎo)磁體)、寬20mm。經(jīng)過多次試驗(yàn)，將感應(yīng)器移動(dòng)至卡環(huán)槽處位于感應(yīng)器上端1/3處時(shí)，可用短的加熱時(shí)間，使卡環(huán)槽底部達(dá)到淬火溫度。按照上述思路，對(duì)零件開始進(jìn)行工藝調(diào)試。

同時(shí)，對(duì)零件整體熱處理指標(biāo)的檢測(cè)顯示，除卡環(huán)槽底部無淬硬層外，其余部位指標(biāo)皆滿足圖樣要求。故此次試驗(yàn)，在原生產(chǎn)工藝的基礎(chǔ)上，只針對(duì)卡環(huán)槽處進(jìn)行調(diào)整。

原軸頸處工藝參數(shù)為：功率75kW，移動(dòng)速度F450。

（1）次試驗(yàn)

試驗(yàn)方案：在原工藝的基礎(chǔ)上，增加靜止加熱時(shí)間，即將感應(yīng)器移動(dòng)至卡環(huán)槽處，靜止加熱0.1s。待卡環(huán)槽移動(dòng)至噴水位置時(shí)，觀察卡環(huán)槽底部溫度。

試驗(yàn)結(jié)果：按照上述方案，實(shí)際生產(chǎn)過程中通過肉眼觀察，卡環(huán)槽底部溫度過低(底部顏色呈暗櫻紅色)，沒有達(dá)到淬火溫度。故需要增加靜止加熱時(shí)間。

（2）第二次試驗(yàn)

試驗(yàn)方案：在次試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，將靜止加熱時(shí)間更改為0.3s。

試驗(yàn)結(jié)果：肉眼觀察卡環(huán)槽移動(dòng)至噴水圈位置時(shí)，卡環(huán)槽底部顏色呈亮櫻紅色。淬火后，切檢卡環(huán)槽底部及其相鄰軸頸，檢測(cè)其淬火結(jié)果。

經(jīng)切檢，卡環(huán)槽底部兩端有淬硬層，底部中間約2/3的部位依舊無淬硬層。如圖6所示。

（3）第三次試驗(yàn)

試驗(yàn)方案：在第二次試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，更改靜加熱時(shí)間為0.5s。

試驗(yàn)結(jié)果：肉眼觀察當(dāng)卡環(huán)槽移動(dòng)至噴水圈位置時(shí)，卡環(huán)槽底部顏色呈亮紅色。淬火后，切檢同樣部位，檢驗(yàn)其淬火結(jié)果。

檢測(cè)結(jié)果如下：卡環(huán)槽底部淬硬層深1.0mm，相鄰軸頸處淬硬層深2.5mm，如圖7所示。

經(jīng)過上述三次試驗(yàn)，終保證軸頸與卡環(huán)槽底部止層連續(xù)，且相鄰軸頸處止層深符合圖樣技術(shù)要求。按照第三次試驗(yàn)方案，再生產(chǎn)5件該零件，肉眼觀察卡環(huán)槽兩端尖角處溫度無異常，淬火后檢查尖角兩端并無燒蝕等現(xiàn)象發(fā)生。同時(shí)，經(jīng)磁粉探傷，無裂紋。

截止目前按照第三次試驗(yàn)方案，分兩次共生產(chǎn)了該零件200余件，無異常情況發(fā)生。

5.結(jié)語

（1）主動(dòng)軸卡環(huán)槽底部無淬硬層深是導(dǎo)致該零件失效的主要原因。

（2）對(duì)于感應(yīng)淬火區(qū)域中有卡環(huán)槽、臺(tái)階等結(jié)構(gòu)的零件，淬火區(qū)域必須連續(xù)，使其表面處于壓應(yīng)力狀態(tài)，能夠抵消因結(jié)構(gòu)缺口產(chǎn)生的應(yīng)力集中，提高零件的疲勞極限。