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內(nèi)燃機(jī)曲軸芯孔非正常斷裂有哪些原因?

來(lái)源:深圳市泰立儀器儀表有限公司   2018年04月12日 09:16  

內(nèi)燃機(jī)曲軸芯孔非正常斷裂有哪些原因?

某型號(hào)四缸內(nèi)燃機(jī)曲軸,在取樣做疲勞試驗(yàn)過(guò)程中,所有子樣運(yùn)行20多萬(wàn)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(méi)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1900Nm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(guò)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?cái)嗫谌訖z測(cè)結(jié)果:球化2級(jí),石墨大小6級(jí),珠光體90%,抗拉強(qiáng)度860N/mm2,伸長(zhǎng)率4%,符合技術(shù)要求。

 

 

工藝分析

1)正火過(guò)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(duì)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(shí)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(dòng)機(jī)的動(dòng)力源裝置,并由曲軸向外輸出功率。曲軸在工作時(shí)承受交變載荷,主軸頸和連桿頸圓角過(guò)渡處屬于曲軸強(qiáng)度的薄弱環(huán)節(jié),軸頸與曲柄臂過(guò)渡圓角在切削或磨削加工后刀痕存在應(yīng)力集中,長(zhǎng)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(duì)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(duì)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(guò)渡處得到強(qiáng)化,同時(shí)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(cè)得彎曲疲勞中值是控制發(fā)動(dòng)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(cè)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(guò)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(jiàn)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(guò)程是噴水冷卻,芯孔部位有水流流過(guò),致使冷卻迅速降至室溫,相對(duì)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(méi)得到及時(shí)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(shí)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(huì)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(guò)程中會(huì)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(duì)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(jiàn)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(gè)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(jiàn)圖6。

 

5.結(jié)語(yǔ)

我公司在疲勞試驗(yàn)過(guò)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(guò)程噴霧冷卻不合理,冷卻時(shí)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(shí)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。

 

泰立儀器為您提供各類無(wú)損檢測(cè)產(chǎn)品

 

 深圳市泰立儀器儀表有限公司成立于2005年11月,是專業(yè)從事測(cè)試儀器儀表設(shè)備的代理、銷售和服務(wù)工作。并與國(guó)外儀表生產(chǎn)廠商有著廣泛的技術(shù)與銷售合作的良好基礎(chǔ)。作為德國(guó)FOERSTER霍釋特、美國(guó)Dakota達(dá)高特、英國(guó)SONATEST聲納、英國(guó)ETHER NDE易德、美國(guó)GE通用、日本SHIMPO新寶、日本KANOMAX加野麥克斯、中國(guó)臺(tái)灣Motive一諾等公司的中國(guó)銷售代理。主要銷售的儀器有:超聲波測(cè)厚儀、超聲波探傷儀、汽車點(diǎn)焊探傷儀、超聲波硬度計(jì)、電導(dǎo)率儀、磁導(dǎo)率儀、渦流探傷儀、涂層測(cè)厚儀、工業(yè)內(nèi)窺鏡、風(fēng)速計(jì)、粒子計(jì)數(shù)器、推拉力計(jì)、扭力計(jì)等測(cè)試儀器。

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