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(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。

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