胡明杰

（揚(yáng)州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇揚(yáng)州225009）

摘要：介紹了軸桿件在壓力機(jī)上的應(yīng)用及其作用，并結(jié)合實(shí)例，對壓力機(jī)曲軸和立柱斷裂失效進(jìn)行了分析，在此基礎(chǔ)上分析了在壓力機(jī)生命周期內(nèi)導(dǎo)致壓力機(jī)軸桿件斷裂失效的原因，并提出了相應(yīng)的預(yù)防措施。

關(guān)鍵詞：壓力機(jī)；軸桿件；斷裂失效；預(yù)防措施中圖分類號：TG3巧文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號：1001一3881（20巧）1一201一4

Analysis and Prevention Of Fracture Failure Of Axostyle Of Press HU Mingjie

（College of Mechanical Engineering，Yangzhou University，Yangzhou Jiangsu 225009，China）

Abstract: The application and function axostyle for press were introduced. By combined with examples，the fracture failure of the crankshafts and the columns of press were analyzed. On the basis of this，the causes of the axostyle ' s fracture failure for the press ' s life cycle were analyzed. The corresponding preventive measures are proposed.

Keywords：Press；Axostyle；Fracture failure；Prevention 0前言

壓力機(jī)作為壓力成形裝備廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)的各個領(lǐng)域，是裝備制造業(yè)的重要組成部分。壓力機(jī)的性能已經(jīng)成為衡量一個國家科技水平、國際競爭力和綜合國力的重要標(biāo)志。

壓力機(jī)根據(jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動方式不同，分為機(jī)械式傳動（如機(jī)械壓力機(jī)）和液壓式傳動（如液壓機(jī)）。

不論機(jī)械壓力機(jī)還是液壓機(jī)，都是通過軸桿件的旋轉(zhuǎn)或往復(fù)直線運(yùn)動進(jìn)行機(jī)械能或液壓能的傳遞，同時為執(zhí)行機(jī)構(gòu)（如液壓機(jī)滑塊）提供運(yùn)動導(dǎo)向。

軸桿件是壓力機(jī)的重要組成部分和核心功能部件。

軸桿件的斷裂失效，輕則造成壓力機(jī)無法使用，影響生產(chǎn)；重則導(dǎo)致壓力機(jī)損毀甚至釀成安全事故。

壓力機(jī)軸桿件斷裂失效分析

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛躍發(fā)展，失效分析已經(jīng)成為一門綜合性的邊緣學(xué)科，在工程領(lǐng)域得到了日益廣泛地應(yīng)用。

為了提高設(shè)備的質(zhì)量和對其壽命進(jìn)行評估，國內(nèi)外對失效現(xiàn)象進(jìn)行了大量的分析與研究，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，日益完善了失效分析技術(shù)及其理論。

應(yīng)用失效分析技術(shù)，可以指導(dǎo)設(shè)備規(guī)劃、設(shè)計(jì)、選材、加工、制造、壽命評估、檢驗(yàn)及質(zhì)量管理等方面的工作，同時失效分析技術(shù)又是制定技術(shù)規(guī)范、科技發(fā)展規(guī)劃、法律仲裁和對外索賠等的重要依據(jù)。

根據(jù)金屬材料斷裂前所產(chǎn)生的宏觀塑性變形的大小可將斷裂分為韌性斷裂和脆性斷裂。

韌性斷裂是指金屬材料或機(jī)械構(gòu)件斷裂時出現(xiàn)較大的或明顯的塑性變形，通常指金屬材料產(chǎn)生的宏觀塑性形變量大于 10％的斷裂。

用肉眼或放大鏡觀察時，斷口表面呈現(xiàn)纖維狀或絲光狀，灰色或暗灰色等宏觀形貌特征；脆性斷裂是指金屬材料或機(jī)械構(gòu)件斷裂時不發(fā)生或發(fā)生較小的宏觀塑性變形，通常指金屬材料產(chǎn)生的宏觀塑性形變量小于2％的斷裂。

斷口表面形貌較平整，在光照下具有發(fā)亮特性。

用肉眼或放大鏡觀察不到宏觀變形，但在電子顯微鏡下可觀察到局部的塑性形變，即出現(xiàn)韌窩花樣形貌特征。

脆性斷裂是一種突然發(fā)生的斷裂，裂紋的傳播速度較快，沒有明顯的征兆，因而危害性很大，常常導(dǎo)致機(jī)械構(gòu)件的災(zāi)難性失效。

對壓力機(jī)軸桿件而言，斷裂失效的形式主要是脆性斷裂。

曲軸斷裂失效分析

曲軸的作用及要求

在機(jī)械壓力機(jī)中，曲軸的作用是將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動通過曲軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)化為滑塊的上下往復(fù)直線運(yùn)動，同時將電機(jī)的電能轉(zhuǎn)化為滑塊的機(jī)械能。

曲軸的受力情況復(fù)雜，除受彎矩作用外，還受扭矩和剪切力的作用，因而其制造工藝要求高。

曲軸一般選用45#鋼，經(jīng)過鍛打制成曲軸鍛坯，然后進(jìn)行加工和熱處理。

其主要工藝過程為：粗加工乛調(diào)質(zhì)熱處理乛精加工乛中頻淬火熱處理乛磨削加工。

其中熱處理工藝要求為：曲軸基體進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理；運(yùn)動偶合面（支承頸、曲柄頸）進(jìn)行中頻淬火處理。

通過宏觀觀察，斷裂源位于立柱退刀槽根部過渡圓角處，裂紋擴(kuò)展呈規(guī)則的月牙形。

其中疲勞起源區(qū)、疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)組織較細(xì)，形貌較為平坦、光滑，疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)內(nèi)分布有弧形跡線一一一貝紋線（疲勞裂紋擴(kuò)展過程中留下的痕跡）；瞬間斷裂區(qū)為結(jié)晶狀，形貌和組織較為粗糙。

以上特征，顯示立柱的斷裂失效屬于疲勞引起的脆性斷裂。

立柱斷裂失效原因分析

四柱式液壓機(jī)立柱工作時主要承受拉伸載荷，當(dāng)偏心載荷時滑塊將會發(fā)生傾斜，傾斜的滑塊會給立柱施加一個水平分力。水平分力是導(dǎo)致液壓機(jī)機(jī)架產(chǎn)生

扭曲和立柱彎曲應(yīng)力急增的主要力學(xué)因素。特別是當(dāng)液壓機(jī)卸壓時能量的突然釋放，會引起機(jī)架的劇烈振動和搖晃，此時液壓機(jī)立柱受力狀況最為惡劣。

立柱退刀槽處由于外形突變（溝槽、過渡圓角）、過渡圓角加工粗糙、溝槽表面的加工劃痕等多方面因素產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。

隨著液壓機(jī)循環(huán)交變應(yīng)力的作用，致使立柱反復(fù)變形，應(yīng)力集中部位一一退刀槽處極易引起微觀裂紋，微觀裂紋逐漸擴(kuò)展為宏觀裂紋，最終導(dǎo)致了立柱的斷裂。

壓力機(jī)軸桿件斷裂失效預(yù)防

致使壓力機(jī)軸桿件斷裂失效的因素多種多樣，有的是單一因素造成，有的是兩個或多個因素共同作用所致，并且貫穿于壓力機(jī)的整個生命周期，包括設(shè)計(jì)、制造和使用（維護(hù)）等各個主要環(huán)節(jié)。

設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)

設(shè)計(jì)是預(yù)防斷裂失效的先天之本，設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的質(zhì)量決定了壓力機(jī)的性能。

在設(shè)計(jì)前應(yīng)充分了解壓力機(jī)的工藝過程和使用工況，然后進(jìn)行力學(xué)（應(yīng)力）分析，確定最優(yōu)結(jié)構(gòu)形式，以保證軸桿件的強(qiáng)度、剛度和疲勞壽命等。

在設(shè)計(jì)過程中需注意以下幾點(diǎn)：

過渡圓角設(shè)計(jì)對斷裂失效的影響

曲軸曲柄頸和立柱退刀槽根部過渡圓角為應(yīng)力集中區(qū)域，直接影響曲軸和立柱的疲勞強(qiáng)度和使用壽命，過渡圓角半徑越小、光滑程度（粗糙度）越差，應(yīng)力集中現(xiàn)象越嚴(yán)重。

在條件允許的情況下，可在曲軸曲柄頸和立柱退刀槽根部過渡圓角處采用輥?zhàn)虞殙簭?qiáng)化。

熱處理工藝設(shè)計(jì)對斷裂失效的影響

壓力機(jī)軸桿件的受力情況復(fù)雜，使用工況惡劣，

因此軸桿件應(yīng)具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能。

對壓力機(jī)軸桿件而言，首先應(yīng)對毛坯進(jìn)行鍛制處理，然后對鍛制毛坯基體進(jìn)行調(diào)質(zhì)理，以改善其綜合力學(xué)性能；然后對承載面（支承頸、曲柄頸）和導(dǎo)向面進(jìn)行表面中頻淬火處理，以提高其表面硬度。

在中頻淬火時注意控制淬硬帶寬度，邊緣距過渡圓角太近，會在過渡圓角處產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力，降低軸桿件的疲勞強(qiáng)度。

安全系數(shù)選取對斷裂失效的影響

壓力機(jī)軸桿件設(shè)計(jì)時有的只考慮了影響安全系數(shù)的常規(guī)因素和主要因素，有時往往忽略了非常規(guī)因素和次要因素，致使安全系數(shù)不足，給軸桿件的斷裂失效留下了隱患。

實(shí)際上，壓力機(jī)軸桿件的受力情況復(fù)雜，承受的力包括：拉（壓）力，彎扭力矩、橫向側(cè)推力和剪切力及其他附加載荷產(chǎn)生的應(yīng)力。

制造環(huán)節(jié)

制造是預(yù)防斷裂失效的關(guān)鍵，牽涉到材質(zhì)選擇、鍛造、熱處理、機(jī)加工、檢驗(yàn)、裝配等諸多環(huán)節(jié)，制造過程的質(zhì)量決定了壓力機(jī)的最終使用性能。

據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)報到，70％的壓力機(jī)軸桿件斷裂失效與制造環(huán)節(jié)相關(guān)。

因此，加強(qiáng)制造環(huán)節(jié)的質(zhì)量控制，對實(shí)現(xiàn)壓力機(jī)的工作性能和延長壓力機(jī)的使用壽命有著非常重要的意義。在制造過程中需注意以下幾點(diǎn)：

鍛坯質(zhì)量對斷裂失效的影響

化學(xué)元素對斷裂失效的影響

軸桿件鍛坯中主要有害元素有硫、磷、氧等，因此應(yīng)注意控制其含量，否則會直接影響軸桿件的力學(xué)性能。

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