沖鎖機液壓缸導柱螺紋斷裂失效分析

呂曉艷，文宏偉

1.新鄉航空工業（集團）有限公司軍品九車間 河南新鄉 453000 2.新鄉艾迪威汽車科技有限公司 河南新鄉 453000

1 失效概況

沖鎖機在某型號產品組件加工中，用于將螺紋套沖壓變形，防止螺紋套在使用過程中發生松動而造成質量事故。其設備結構（見圖1）及工作原理為：液壓缸固定在底板上，由4根導柱連接，液壓缸舉升過程中，向上推動連桿機構，帶動沖頭壓入螺紋套一定深度并保持一定時間，使螺紋套變形，從而在螺紋副中形成鎖止效果，此時4根導柱的螺紋均勻承受反向的15kN工作壓力。從2017年5月該設備投入使用后，每隔3～5個月導柱的螺紋處就會發生斷裂，維修方式均為更換原廠導柱，由于設備結構狹小，每次更換需要5～6h，嚴重影響生產效率。由于廠家未提供導柱圖樣，無法進行針對性改進，為了縮短維修時間，減少對設備的損傷，2018年10月對再次發生的斷裂件進行分析，以查明并解決斷裂問題。

圖1 沖鎖機結構示意

2 檢測情況

2.1 宏觀斷口分析

經過觀察，斷裂位置仍然在導柱的螺紋與光軸交接部位，清洗斷面后，斷面較為平整，目視可見清晰的貝紋線（見圖2），初步判定為疲勞斷裂[1]。

圖2 宏觀斷口

2.2 微觀斷口分析

從宏觀貝紋線的扇形區指向可判斷出裂紋源區在左側[2]。經過電鏡分析，斷口形貌為大量疲勞條帶（見圖3a、圖3b），符合疲勞斷裂的特征。

圖3 斷口疲勞條帶形貌

2.3 化學成分分析

從螺紋上截取一段樣品，采用斯派克直讀光譜儀進行化學成分分析，結果見表1。從化學成分上看，符合GB/T 699—2015中45鋼的要求。

2.4 硬度檢測

對斷裂螺紋隨機選取3點進行硬度檢測，結果見表2。

表1 導柱螺紋化學成分（質量分數） （%）

表2 螺紋部位硬度檢測數據

2.5 金相檢查

對斷口附近進行金相組織檢查，表面為珠光體+半網狀鐵素體+少量上貝氏體（見圖4），心部為珠光體+網狀鐵素體+上貝氏體（見圖5）。

3 分析與討論

根據理化分析結果，可以判定材料為熱軋態45鋼，沒有經過后續熱處理。斷口分析結果表明，斷裂為典型的疲勞斷裂[3]。

圖4 表面金相組織

圖5 心部金相組織

沖鎖機在15kN的條件下，每天工作1400次循環，每個月工作3.6萬次循環，斷裂周期在3～5個月，即10萬～18萬次循環后發生斷裂。查閱GB/T 699—2015《優質碳素結構鋼》、GB/T 33362—2016《金屬材料硬度值的換算》可知，該硬度下45鋼的抗拉強度在660～770MPa，強度較低。在螺紋與光軸交界處，截面形狀發生較大變化時，容易在最后一個螺紋根部形成較大的應力集中[4]，而較低的抗拉強度結合大載荷循環狀態，會造成應力集中部位產生微缺陷，從而形成裂紋源，在使用過程中發生疲勞斷裂。

4 結論及建議

1）綜上所述，導柱采用熱軋態45鋼進行制作，導致強度不足，在最后一個螺紋根部產生微缺陷，形成裂紋源，造成使用過程中發生疲勞斷裂。

2）根據分析結果，建議將材料更換為42CrMo鋼，采用調質處理，硬度30～35HRC。新制造的導柱經過一年的運行，狀態良好，沒有再發生斷裂問題。