冷鐓圓錐滾子大端裂紋產(chǎn)生原因分析

縣曉明，葉健熠

(1.甘肅海林中科科技股份有限公司，甘肅 天水 741018；2．洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039)

1 裂紋形貌特征

Φ20.2 mm GCr15球化退火磨光直條料采用單工位壓力機(jī)開式下料、冷鐓為圓錐滾子時(shí)，在滾子大端環(huán)帶部位和大端面上出現(xiàn)裂紋，其形貌特征如圖1和圖2所示。

圖1 冷鐓圓錐滾子大端環(huán)帶部位裂紋形貌

圖2 冷鐓圓錐滾子大端面上裂紋形貌

去其環(huán)帶并經(jīng)熱酸洗腐蝕后，從端面剪切纖維流向判斷，裂紋多集中于剪切下料形成的剪切唇口一側(cè)。磨制試樣觀察裂紋，裂紋起始角度同切面約呈45°，后逐漸沿縱向擴(kuò)展，如圖3所示。

圖3 圖2所示裂紋擴(kuò)展的形態(tài)特征

2 下料過程中材料切面的形態(tài)變化

采用開式下料，然后冷鐓成圓錐滾子的生產(chǎn)方式，具有工裝簡單、便于調(diào)整的特點(diǎn)，切料示意圖如圖4所示。但下料過程應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜，材料應(yīng)變、塑性變形等缺點(diǎn)突出：在A切面處，活動(dòng)刀板與材料接觸區(qū)域形成塌角、切料筒刀口形成剪切唇口、斷口傾斜、切面橢圓化明顯(圖5、圖6)，甚至在此切面上還存在大量微裂紋(圖7～圖9)。在B切面處未發(fā)現(xiàn)裂紋(圖10～圖12)。

1—活動(dòng)刀板；2—切筒；3—冷拉直條料；4—定位砧

圖5 切口塌角、偏傾示意圖

圖6 切面橢圓(A切面橢圓化趨勢明顯大于B切面)

圖7 A切面的形態(tài)特征(存在明顯的剪切唇口區(qū)和脆性斷裂區(qū)，切面橢圓化趨勢明顯)

圖8 A切面經(jīng)熱酸洗后的表面特征(剪切唇口、脆性斷裂區(qū)存在大量微裂紋)

圖9 冷鐓后A切面經(jīng)熱酸洗后的表面特征(滾子端面的裂紋集中于剪切唇口區(qū))

圖10 B切面的形態(tài)特征(斷口呈平緩、脆斷特征，小月牙面是由定位砧刮蹭所致)

圖11 B切面經(jīng)熱酸洗后的表面特征(僅切面中心部位存在少量微裂紋)

圖12 冷鐓后B切面經(jīng)熱酸洗后的表面特征(未見明顯裂紋)

由以上圖片可清楚看出，開式下料后兩切面的形態(tài)特征明顯不同，A切面剪切唇口寬而肥厚，切面變形量大，存在大量微裂紋；B切面變形量小，微裂紋明顯少于A切面；冷鐓成形后大端開裂的圓錐滾子，其裂紋出現(xiàn)部位、開口方向均同A切面剪切唇口區(qū)的微裂紋一致，說明圓錐滾子大端面裂紋同A切面產(chǎn)生的微裂紋存在高度關(guān)聯(lián)。

3 開裂原因分析

3.1 材質(zhì)分析

材料晶粒度、非金屬夾雜物分布形態(tài)、強(qiáng)度及塑性變形能力的大小；刀板的鋒利程度，剪切刀板、套筒的間距大小等多種因素，均會(huì)對開式下料切面微裂紋的出現(xiàn)產(chǎn)生一定影響[1]。以下從材料的非金屬夾雜物分布形態(tài)、晶粒度、硬度等方面的檢驗(yàn)和開式下料切料過程分析滾子大端裂紋形成的原因。

3.1.1 化學(xué)成分

采用OBLFGS-1000直讀光譜儀對滾子的化學(xué)成分進(jìn)行測定，結(jié)果見表1。由表1可知，化學(xué)成分符合GB/T 18254—2002要求。

表1 滾子的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

3.1.2 非金屬夾雜物和晶粒度

對圖8經(jīng)熱酸洗后的料段沿縱向制備試樣，在100倍下觀察，A切面中的裂紋與剪切面呈45°分布，較深的裂紋達(dá)1 mm左右，微裂紋及裂紋擴(kuò)展區(qū)域未見明顯的非金屬夾雜物，如圖 13和圖14所示。采用氧化法[2]檢驗(yàn)其晶粒度，并依據(jù)GB/T 6394—2002進(jìn)行判定，其晶粒度為7級，如圖15所示，且表層、次表層的晶粒度與心部基本一致；另外，原材料表層、次表層顯微維氏硬度值和心部顯微維氏硬度值一致，其HV 0.2均為200～208，說明條料在磨制過程中表面產(chǎn)生的磨削硬化現(xiàn)象不明顯。

圖13 A切面微裂紋的分布及形態(tài)特征(100×)

圖14 A切面局部區(qū)域微裂紋擴(kuò)展深約1 mm(100×)

圖15 球化退火組織的晶粒度(100×)

3.1.3 材料表面裂紋及脫碳檢驗(yàn)

抽取同批次單工位壓力機(jī)開式下料的料段及大端面開裂的冷鐓圓錐滾子毛坯分別在垂直于裂紋的橫向制備金相試樣，經(jīng) 2%硝酸酒精腐蝕后觀察，裂紋兩側(cè)未發(fā)現(xiàn)脫碳現(xiàn)象；將經(jīng)過金相檢驗(yàn)的試樣按照GB/T 18254—2002進(jìn)行熱酸洗檢驗(yàn)，表面未發(fā)現(xiàn)縱向貫穿型材料裂紋。

根據(jù)以上檢驗(yàn)結(jié)果可排除材料因非金屬夾雜物超標(biāo)，晶粒粗大，硬度偏高，材料表層存在磨削硬化層、表面裂紋及表面脫碳，誘發(fā)切面微裂紋的可能性。

3.2 開式下料切料過程分析

3.2.1 下料時(shí)的應(yīng)力作用特點(diǎn)

開式下料時(shí)剪切過程應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜，呈現(xiàn)非單一剪切應(yīng)力作用的特征。

剪切過程中活動(dòng)刀板U形槽口對材料接觸部位施加正壓力，材料發(fā)生塑性變形形成塌角；切料筒刀口嵌入部位形成月牙狀剪切唇口，其大小同刀口的鋒利程度、刀口間隙的大小存在一定關(guān)聯(lián)。其次，活動(dòng)刀板U形槽口的正壓力產(chǎn)生力矩作用，促使剪切唇口開裂的擴(kuò)展方向發(fā)生偏傾現(xiàn)象，導(dǎo)致剪切應(yīng)力、壓應(yīng)力的應(yīng)力分量隨料段切開而不斷變化，提供了唇口區(qū)域微裂紋大量萌生、擴(kuò)展的條件。可見開式下料切面存在變形量大，剪切面傾斜及微裂紋密集等缺點(diǎn)。

3.2.2 冷鐓過程的變形特征

采用壓力機(jī)冷鐓圓錐滾子，大端、大端面倒角R部位開裂多集中于A切面的唇口區(qū)域，B切面出現(xiàn)裂紋擴(kuò)張的現(xiàn)象不多見。其原因在于：(1)A切面唇口區(qū)域微裂紋密集，且裂紋延展方向垂直于材料表面；剪切唇口、塌角區(qū)域變形量大、冷作硬化導(dǎo)致材料塑性變形能力降低。(2)在沖壓環(huán)節(jié)，材料須通過大的塑性變形來填充凹模和凸模之間的型腔和環(huán)帶空間，多向應(yīng)力在微裂紋尖角產(chǎn)生缺口效應(yīng)[3]，而促使微裂紋在大端、大端面倒角R部位、環(huán)帶等應(yīng)力集中的部位先擴(kuò)張、開裂。(3)成形過程中，滾子小端在錐形凹模內(nèi)呈收縮趨勢，周向、正向壓應(yīng)力對微裂紋起抑制和縫合作用，通常不出現(xiàn)裂紋擴(kuò)張現(xiàn)象。

4 結(jié)束語

開式下料切面存在橢圓變形量大、塌角、切面傾斜等缺點(diǎn)，是斷口促生大量微裂紋的主要因素；而冷鐓過程中微裂紋的擴(kuò)張，是圓錐滾子大端及大端面倒角R部位產(chǎn)生裂紋的主要原因。

開式下料時(shí)料段兩端面存在明顯差異，變形量大且含塌角、剪切唇口的A切面存在大量徑向分布的微裂紋。生產(chǎn)中習(xí)慣以該A切面作為滾子大端面進(jìn)行冷鐓成形，往往導(dǎo)致微裂紋的擴(kuò)張直至出現(xiàn)開口裂紋。在冷鐓時(shí)，若將A切面轉(zhuǎn)向凹模腔體，可改變該切面成形時(shí)的應(yīng)力狀態(tài)，對微裂紋起抑制和縫合作用，避免裂紋發(fā)生。