機(jī)械制造中幾個(gè)似是而非的問題

■ 上海瑞紐機(jī)械股份有限公司 （201314） 宋正忠

機(jī)械制造是一套嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)體系，許多看似“正確”的說法，實(shí)際上卻是錯(cuò)誤的。這些不求甚解的思想往往對(duì)我們的技術(shù)工作產(chǎn)生不利的影響，甚至?xí)斐蓢?yán)重的技術(shù)錯(cuò)誤。下面摘錄幾個(gè)筆者在工作中遇到的 “似是而非”的問題，希望對(duì)大家有所啟發(fā)。

1.問題一

“似是而非”的問題之一：“彈性圓柱銷（空心）的剪切強(qiáng)度略高于同一尺寸的實(shí)心冷鐓鋼銷。”

上述文字摘自化學(xué)工業(yè)出版社出版的《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》第五版第2卷第五篇“連接與緊固”第3章銷、鍵和花鍵聯(lián)接中的表5-3-2銷連接的強(qiáng)度計(jì)算公式（P5-216）的注釋。而且有相應(yīng)的計(jì)算與數(shù)據(jù)作為輔證，具體如下：

（1）實(shí)心冷鐓鋼銷的剪切應(yīng)力τ＝4F／πd2≤τp，其中F為銷所受的橫向力（N）；d為銷的直徑（mm）；τp為銷的許用剪切應(yīng)力，對(duì)于銷的常用材料，取τp＝80MPa。

我們以d＝10mm的實(shí)心冷鐓鋼銷為例，取τp＝80MPa，則Fmax＝6 283.2N。

（2）查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》，GB/T 879.1―2000中φ10mm彈性圓柱銷的最小雙面剪切載荷Gmin＝7 016N。

通過上述（1）、（2）的論證，《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》中得出“彈性圓柱銷（空心）的剪切強(qiáng)度略高于同一尺寸的實(shí)心冷鐓鋼銷。”這一結(jié)論也就不足為奇了。

而在上述論證中忽視了一個(gè)重要問題：（1）中討論的是銷子承受單截面剪切載荷，而（2）中采用的是試驗(yàn)數(shù)據(jù)，GB/T 879.1―2000《彈性圓柱銷 直槽 重型》中規(guī)定采用GB/T 13683―1992《銷 剪切試驗(yàn)方法》，而這一試驗(yàn)方法得到的剪切載荷是銷子承受雙截面剪切載荷值，也就是說，GB/T 879.1―2000中φ10mm彈性圓柱銷的最小單面剪切載荷Gmin＝7 016÷2＝3 508N，遠(yuǎn)小于d＝10mm的實(shí)心冷鐓鋼銷的單面剪切載荷Fmax＝6 283.2N。

我談這個(gè)問題是想提醒大家兩點(diǎn)：①GB/T 879.1―2000《彈性圓柱銷 直槽 重型》中提供的是最小雙面剪切載荷，彈性圓柱銷（空心）的剪切強(qiáng)度小于同一尺寸的實(shí)心冷鐓鋼銷。②再經(jīng)典的著作中也有疏漏之處。

2.問題二

“似是而非”的問題之二：“不論是鍛造還是軋制，心部和表層相比，其加工效果不能充分達(dá)到心部。因此鍛材、軋材其心部附近的機(jī)械性能大幅降低。”

上述文字摘自小栗富士雄、小栗逹男合著的《機(jī)械設(shè)計(jì)禁忌手冊(cè)》中的2.1，這是一本深受機(jī)械類院校生和技術(shù)人員喜愛的小冊(cè)子。

對(duì)于通過鍛造、軋制的毛坯而言，普遍的觀點(diǎn)是鍛造、軋制的效果不能充分影響到心部，因此鍛造、軋制毛坯的表面機(jī)械性能優(yōu)良，心部機(jī)械性能大幅度降低，切削掉毛坯表面的金屬纖維是不合適的。這對(duì)于碳鋼件而言是正確的，但對(duì)于變形鋁合金的鍛造、軋制件而言則是錯(cuò)誤的。盲目照搬甚至?xí)斐蓢?yán)重的技術(shù)錯(cuò)誤。

隨著我國基礎(chǔ)工業(yè)水平的不斷提高，高強(qiáng)度鋁合金以其比強(qiáng)度（強(qiáng)度―質(zhì)量比）高、機(jī)加工工藝性優(yōu)良及零件外形美觀等優(yōu)點(diǎn)而日益成為常用的工程材料。但其鍛造和軋制件的表面存在著一種特別的組織：粗晶環(huán)。

粗晶環(huán)主要是在擠壓變形過程中形成的。晶粒粗大，機(jī)械強(qiáng)度低，在其中易形成裂紋、折疊、拉傷、起皮和殘余毛刺等缺陷。這些缺陷若不及時(shí)加以清除，極易在后續(xù)工序或使用中繼續(xù)擴(kuò)展，導(dǎo)致整個(gè)零件失效。

所以在使用變形鋁合金時(shí)，尤其是選用2A50、2A02、2A11、2A12、6A02和7A04等牌號(hào)時(shí)，特別要注意粗晶環(huán)問題，要采取一些措施，例如：①對(duì)于鍛造毛坯的原料進(jìn)行低倍檢查，確定表面粗晶環(huán)的深度，然后將其切除，以減少鍛造過程中的殘、次品。②選擇合理的熱處理工藝參數(shù)，必要時(shí)通過機(jī)加工的方式切除粗晶環(huán)組織。③直接使用軋制毛坯，如軋制棒料、板材和型材等，盡可能切除表面的粗晶環(huán)組織，或使帶粗晶環(huán)組織的表面不處在應(yīng)力大的位置上。

3.問題三

“似是而非”的問題之三：“加強(qiáng)筋類的結(jié)構(gòu)有助于提高零件的抗彎強(qiáng)度。”

圖1所示為TB/T 1578―1998《液壓起道器通用技術(shù)條件》所描述的一種產(chǎn)品的底板，是整個(gè)機(jī)具（見圖2）的承載零件，主要承受剪切和彎矩載荷，圖1中示出了其受載的彎矩圖。該底板采用鋁合金7A04制造，多年以來性能穩(wěn)定。

圖 1

圖 2

后來用戶為方便在鋼軌上移位，要求我們?cè)诘装迳显黾恿藘蓷l筋作為導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，如圖3所示，從膚淺的層面來理解，這相當(dāng)于為底板在所承受彎矩方向上增加了兩條加強(qiáng)筋，只會(huì)增加零件的強(qiáng)度。

但實(shí)際情況恰恰相反，增加了筋的底板在使用中大量出現(xiàn)了斷裂情況。我們從鋁合金7A04的模鍛工藝、熱處理工藝及零件強(qiáng)度等多方面進(jìn)行了分析和試驗(yàn)。

圖4所示為底板的有限元應(yīng)力分析，最大應(yīng)力點(diǎn)恰恰出現(xiàn)在兩條筋上，應(yīng)力已超出材料的屈服極限，且很接近材料的強(qiáng)度極限。為何在零件受力方向上增加了材料，反而降低了強(qiáng)度，下面僅從理論上做一個(gè)大致的分析。

根據(jù)純彎曲梁橫截面上正應(yīng)力公式

式中，σA為危險(xiǎn)點(diǎn)的應(yīng)力；MA為危險(xiǎn)點(diǎn)所在截面承受的彎矩；yA為危險(xiǎn)點(diǎn)的慣性半徑；Iz為危險(xiǎn)點(diǎn)所在截面的慣性矩。

在本例中，由于兩條筋的增加，Iz僅增加了6%，而yA增加了近50%，所以σA當(dāng)然大幅增加了。一旦有一個(gè)點(diǎn)被破壞，裂紋便會(huì)不斷擴(kuò)展，造成整個(gè)零件的損壞。

找出了問題的原因，我們對(duì)底板作了一個(gè)小小的修改，如圖5所示，將筋應(yīng)力高的部分切除，保留應(yīng)力低的部分，作為導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，就解決了問題。

圖 3

圖 4

圖 5

4.結(jié)語

上述的三個(gè)例子，只是作者在工作中遇到的“似是而非”問題的一個(gè)極小的縮影，寫出來與大家共同探討，希望起到拋磚引玉的作用。

（收稿日期：20180412）

專家點(diǎn)評(píng)

機(jī)械制造技術(shù)日新月異，新材料、新工藝日益成熟，受時(shí)間因素和生產(chǎn)條件的限制，過去的一些理論知識(shí)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，存在很大的片面性，許多看似“正確”的說法，實(shí)際上卻是錯(cuò)誤的。在具體應(yīng)用中僅做參考，不可照抄。作者從實(shí)際出發(fā)，以認(rèn)真負(fù)責(zé)的態(tài)度指出教科書中存在的錯(cuò)誤，以三個(gè)典型例子，闡述了工作中遇到的“似是而非”的問題，闡明了在機(jī)械制造中不求甚解、生搬硬套的危害。引導(dǎo)人們走出經(jīng)驗(yàn)誤區(qū)，打破傳統(tǒng)約束，樹立正確的制造理念。