淺析高速雙螺桿擠出機花鍵軸斷裂失效機理

陳鴻景

淺析高速雙螺桿擠出機花鍵軸斷裂失效機理

陳鴻景

（廈門毅興行塑膠原料有限公司，福建 廈門 361027）

隨著我國科技實力不斷提高，各種機器被不斷發(fā)明并應用，其中高速雙螺旋桿擠出機逐漸被廣泛應用。但是在高速雙螺桿擠出機早期運行中，容易出現(xiàn)螺桿軸斷裂現(xiàn)象，對此，可通過掃描電鏡觀察、化學分析及力學性能測試等多種方式有效分析出花鍵軸斷裂原因。下面將對高速雙螺桿擠出機花鍵軸斷裂失效機理進行簡要闡述。

高速雙螺桿擠出機；花鍵軸斷裂；失效機理；斷裂原因

高速雙螺桿擠出機具有高生產(chǎn)效率等優(yōu)點，因此在聚合加工中具有重要地位。高速雙螺桿擠出機自身結(jié)構(gòu)和材料強度對其正常的運轉(zhuǎn)會產(chǎn)生重要影響。如果企業(yè)中大型高速雙螺桿擠出機花鍵軸出現(xiàn)斷裂問題，容易導致企業(yè)大規(guī)模停產(chǎn)，同時使工作人員生命安全受到嚴重威脅。

1 理化檢驗及結(jié)果

1.1 螺桿軸斷口宏觀外貌

螺桿軸斷為兩節(jié)，因為螺桿軸兩邊斷口呈現(xiàn)對稱結(jié)構(gòu)，可觀察尺寸較長一段的部分。經(jīng)過仔細研究發(fā)現(xiàn)，螺桿軸斷口較為平整，并且沒有任何明顯的塑性變形現(xiàn)象，斷口的平面和主軸線垂直，具有明顯脆弱材料扭斷特點[1]?？赏ㄟ^肉眼觀察到斷口較為明顯的疲勞弧線特征。從裂紋擴展現(xiàn)象來看，斷口的疲勞源位置主要存在于花鍵齒的根部且疲勞源不止一個。通過觀察發(fā)現(xiàn)，在斷裂源處形成了人字條紋，由于人字條紋的不斷向外延伸，條紋也逐漸變粗。由于疲勞臺階出現(xiàn)在裂紋源區(qū)和擴展區(qū)中，因此，這說明在疲勞開裂的初始階段產(chǎn)生的應力較大。

1.2 螺桿軸斷口微觀外貌

工作人員將斷口在產(chǎn)超聲波清洗機中反復清洗，其中使用丙酮溶液作為清洗劑，之后應用電子掃描顯微鏡仔細觀察斷口微觀形貌。經(jīng)過仔細觀察發(fā)現(xiàn)，花鍵齒部的裂紋區(qū)域具有明顯的放射條紋，同時伴有大量的放射臺階。除此之外，在裂紋區(qū)域內(nèi)還發(fā)現(xiàn)一定數(shù)量的微孔。通過對裂紋擴展區(qū)仔細觀察，可以發(fā)現(xiàn)其中的裂紋弧線具有連續(xù)分布和斷續(xù)分布兩種形式，其中帶有臺階的疲勞弧線和裂紋處于平行狀態(tài)并向前延伸，這種現(xiàn)象充分說明疲勞破壞過程中存在裂紋擴展，而且疲勞輝紋和裂紋的擴展方向處于垂直狀態(tài)。瞬時斷裂區(qū)域還存在二次裂紋及河流花樣等現(xiàn)象。

1.3 顯微組織觀察

工作人員將斷軸的內(nèi)部、螺節(jié)以及邊緣進行取樣處理，經(jīng)過拋光和研磨等方式處理，緊接著使用一定含量的碳酸進行腐蝕處理，最后使用DMM-400型光型顯微鏡觀察樣品內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)[2]。通過仔細觀察可以發(fā)現(xiàn)，花鍵軸內(nèi)部的機體組織主要以板條狀形態(tài)分布，主要組成為低碳馬氏體，因此，又稱為板條馬氏體。關(guān)于板條馬氏體，其主要特點是具有較好的強度和塑性，但是，從花鍵芯軸邊緣提取的金屬式樣品組織中發(fā)現(xiàn)了針狀馬氏體。通過觀察可以發(fā)現(xiàn)，針狀馬氏體具有硬度高及脆性大等優(yōu)點，并且晶體粒子直徑較小?；ㄦI芯軸邊緣提取的式樣品中之所以會出現(xiàn)針狀馬氏體，主要原因是花鍵芯軸表面經(jīng)過了滲碳處理，采用滲碳處理方式，雖然可以有效提高其硬度和耐磨性，但是也導致了其韌性程度有所降低。結(jié)合有關(guān)鋼件滲碳淬火檢驗報告可以正確區(qū)分花鍵軸等級，一般而言，評級的結(jié)果主要在2級到3級范圍內(nèi)，是為正常評級。螺節(jié)處的主要組織為黑色的回火馬氏體，經(jīng)過仔細觀察發(fā)現(xiàn)，黑色回火馬氏體表面分布著一定數(shù)量的白色碳化物，其組織形態(tài)等級為4級，并且分布也較為均勻。黑色回火馬氏體表面存在白色碳化物，使其強度有所降低，脆性增大。高速雙螺桿擠出機材料中硬度是關(guān)鍵，但是，如果雙螺桿擠出機材料硬度過大，或者是存在體積較大的塊狀物，很容易導致高速雙螺桿擠出機在高速運行時對材料產(chǎn)生較強沖擊力，進而導致材料表面容易發(fā)生斷裂現(xiàn)象。

2 強度校核及花鍵芯軸的有限元模擬

高速雙螺桿擠出機在實際的運行中，主要受到扭轉(zhuǎn)應力作用，此時，花鍵芯軸將承受沖擊作用力和交變彎曲作用力，正因為如此，容易導致局部應力過于集中[3]。要想更好地研究應力集中對螺桿軸斷裂失效具體影響，可使用ANSYS有限元軟件對螺桿軸斷裂失效進行深入探究，以此分析螺桿軸應力集中問題。

應力模擬結(jié)果：通過一系列數(shù)據(jù)運算和幾何分析，最終得出重要結(jié)論，即局部用力過于集中是導致裂紋開始出現(xiàn)的重要原因。

疲勞強度的校準：螺桿軸在實際工作中主要受到扭轉(zhuǎn)力的影響，結(jié)合機械使用手冊可以知道，螺桿軸疲勞強度安全系數(shù)核對中，應重點考慮受到扭矩作用時產(chǎn)生的安全系數(shù)。從有關(guān)資料和文獻中可以發(fā)現(xiàn)，如果螺桿材料組織均勻，載荷情況也不夠準確，使用的安全系數(shù)應在1.5～1.8之間。通過具體的計算可以發(fā)現(xiàn)，螺桿軸的疲勞強度系數(shù)要低于螺桿軸的使用安全系數(shù)，由此可以得出，螺桿軸花鍵根部比較薄弱，其疲勞強度無法滿足使用要求。

3 斷裂原因分析

通過以上簡要分析可知，高速雙螺桿擠出機螺桿軸出現(xiàn)了扭轉(zhuǎn)疲勞斷裂，其主要原因如下：

通過對螺桿軸斷口形貌仔細觀察可以發(fā)現(xiàn)，疲勞裂紋的主要源頭在花鍵齒根部位置。正是因為花鍵齒根部截面尺寸突然減小，所以容易出現(xiàn)應力過于集中問題。通過采取強度校對的方式檢驗發(fā)現(xiàn)，齒根部的使用安全性能要明顯低于疲勞強度安全性能。

通過仔細觀察斷口疲勞源區(qū)，可以發(fā)現(xiàn)有大量微孔分布在其表面上，而大量的微孔會導致斷口疲勞源區(qū)域的應力分布狀況發(fā)生重要改變，容易發(fā)生局部應力過于集中現(xiàn)象[4]。除此之外，大量微孔的聚集會直接影響整體力學性能的穩(wěn)定性和連續(xù)性，表面上大量分布的微孔也容易導致承受力的有效面積逐漸減少。由于微孔邊緣應力過于集中，導致疲勞裂紋出現(xiàn)擴張同時不斷和前方微孔匯合，這將逐漸加快疲勞裂紋的擴展速度。由于疲勞裂紋逐漸向外擴展，因此，機器材料內(nèi)部可承受的交變應力逐漸減弱，如果所承受的應力高于實際運轉(zhuǎn)負荷，則發(fā)生瞬間斷裂。

技術(shù)人員將該失效件送往當?shù)丶夹g(shù)部門進行檢測，通過分析檢測結(jié)果我們發(fā)現(xiàn)，其問題為調(diào)質(zhì)處理淬火裂紋。隨后，技術(shù)人員對熱處理工藝進行了進一步的分析，但是發(fā)現(xiàn)包括工件來料裝筐、熱處理工藝的制訂及實施等工藝中不存在問題。隨后技術(shù)人員對相關(guān)部件進行了二次檢測，在20 mm× 20 mm×40 mm的裂紋樣塊中并沒有發(fā)現(xiàn)有失效件本體、斷裂部位和斷裂形式，但是，技術(shù)人員并沒有詳細掌握工件實際服役狀況。通過與客戶進行溝通發(fā)現(xiàn)，42CrMo低合金調(diào)質(zhì)鋼是該工件所選用的材料，其零件加工的順序分別為下料、鍛造、粗加工、調(diào)制。隨后將樣件分割為兩塊，再對樣件進行經(jīng)鑲嵌、磨制、拋光、浸蝕等處理。這樣，就可以肉眼觀察到樣件斷口凹凸不平，并且斷口處明顯有一層較深的白亮層，通過分析，該亮白層可能是脫碳層。斷口處的二次裂紋兩側(cè)，被以鐵素體組織為主的脫碳層完全包圍，裂紋內(nèi)充滿淺灰色的高溫氧化產(chǎn)物，說明二次裂紋仍然是在鍛造加工過程中形成。主裂紋斷口表面堆積大量的高溫形成的氧化物，表明鍛造加工時加熱溫度高，裂紋邊緣氧化脫碳現(xiàn)象嚴重，其中全脫碳層較深，半脫碳層較淺。裂紋的次表層鑲嵌有較多量的氧化物夾雜，這是由于鍛造加工時，裂紋內(nèi)表層高溫氧化形成氧化皮，在鍛軋焊合過程中嵌入到次表層而 形成。

螺桿軸的基本組織為板條馬氏體，這主要是通過調(diào)質(zhì)處理形成，但是在實際的觀察中發(fā)現(xiàn)了大量的針狀馬氏體，其組織評級可定為4級，并不是常見的級別。

盡管馬氏體具有較高的強度和硬度，但是其塑性和韌性卻明顯不足[5]。如果螺桿軸的材料調(diào)質(zhì)處理工藝工作沒有有效落實，易使螺桿軸材料組織出現(xiàn)不均勻現(xiàn)象，這也是引起螺桿軸發(fā)生疲勞斷裂的重要內(nèi)因之一。

4 結(jié)論及建議

結(jié)論：螺桿軸發(fā)生斷裂性質(zhì)以源疲勞斷裂為主，疲勞裂紋發(fā)生源主要位于花鍵齒根部；螺桿軸花鍵齒根局部應力過于集中，內(nèi)部微孔數(shù)量過多以及材料自身不符合要求，存在組織不均勻現(xiàn)象。多種原因共同引起高速雙螺桿擠出機花鍵軸早期出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。

建議：如果想有效降低高速雙螺桿擠出機花鍵軸故障率，建議優(yōu)化螺桿軸的設計結(jié)構(gòu)，可以通過增大過渡圓角等方式，使螺桿軸平面過渡區(qū)域的應力大幅度降低，進而有效防止局部區(qū)域應力過于集中；提高熱處理施工水平，最大程度上降低較為粗大的馬氏體組織，有效避免冶金缺陷問題，最終保證螺桿軸材料組織均勻；提升螺桿軸的安裝質(zhì)量、配合度以及精密度，進而有效降低高速雙螺桿擠出機高速運轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的較強沖擊力。

5 結(jié)語

隨著時代的發(fā)展和科技實力提高，機器設備逐漸被發(fā)明出來，其中高速雙螺桿擠出機這幾年逐漸被廣泛應用。本文通過實際觀察研究發(fā)現(xiàn)，螺桿花鍵軸出現(xiàn)斷裂的原因有多種，比如花鍵根部應力集中、具有多個疲勞源以及熱處理工藝欠佳，等等。只有及時找到斷裂原因根本所在，才能有效避免斷裂現(xiàn)象的發(fā)生。

［1］王天鵬.同向雙螺桿擠出機擠壓系統(tǒng)的設計與性能研究［D］.青島：青島科技大學，2018.

［2］周陽.高速雙螺桿擠出機花鍵軸斷裂失效機理研究［D］.廣州：華南理工大學，2017.

［3］馬小明，周陽.高速雙螺桿擠出機螺桿軸斷裂失效分析［J］.機械工程材料，2017，41（3）：107-111.

［4］劉艷層.雙螺桿擠出機傳動系統(tǒng)的優(yōu)化設計［D］.邯鄲：河北工程大學，2014.

［5］呂柏燦.異向高速積木式雙螺桿擠出機在塑料加工工業(yè)中的應用［J］.科技風，2018（25）：216.

TQ320.52

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.08.064

2095－6835（2020）08－0144－02

陳鴻景（1972—），男，廣東揭陽人，本科，工程師，主要研究方向為塑膠擠出。

〔編輯：王霞〕