發動機凸輪軸斷裂失效分析和預防

楊超林 繆志橋 黃云飛 林觀生

摘要：凸輪軸是活塞式發動機配氣機構的重要組成部件，在發動機領域有著廣泛的應用，如果凸輪軸出現斷裂失效將會對發動機的正常功能造成致命性的影響，本文通過運用各種失效分析的方法對凸輪軸的斷裂失效進行合理分析，并給出相關建議以便改進質量，預防類似的失效模式。

Abstract： The camshaft is an important component of valve-train piston engine， has been widely used in the field of the engine， if the camshaft appear fracture failure will be fatal influence on the normal function of the engine， this paper use many kinds of failure analysis method to analysis the reason of fracture failure of the camshaft， and gives Suggestions to improve quality， to prevent the similar failure mode.

關鍵詞：凸輪軸;斷裂;失效分析;預防

Key words： camshaft;fracture;failure analysis;prevention

中圖分類號：TG111.91? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）08-0117-02

1? 背景

我司發動機裝配線反饋冷試階段發動機出現異常，通過拆機分解發現一側排氣凸輪軸發生斷裂，該凸輪軸材料為G300冷激鑄鐵，現需對凸輪軸斷口進行分析以確認斷裂原因，并采取相關預防措施降低質量風險。

2? 斷口宏觀分析

先對凸輪軸宏觀斷口進行分析，如圖1所示發現凸輪軸斷口邊緣有較深和較大面積的打磨痕跡，使用卡尺測量打磨深度為1.15mm（正常零件要求0.5mm以內）;打磨長度21.21mm，占據凸輪軸約1/2圓周區域。經檢查，整根凸輪軸外觀無明顯磕碰痕跡，宏觀斷口未發現明顯缺陷，通過斷口宏觀分析看，主要異常點是凸輪軸結合處有超出標準的打磨行為。

3? 斷口微觀分析（SEM）

①對凸輪軸斷口進行超聲波清洗，并放置在日立S-3400N 鎢燈絲掃描電子顯微鏡中觀察A區域的斷口情況，發現A區域裂口內有夾渣鑄造缺陷（如圖2）。

②再通過日立S-3400N 鎢燈絲掃描電子顯微鏡中觀察B區域裂口的情況，發現內有表面割痕，割痕區域占據斷口橫截面約1/2圓周范圍，割痕有延伸至斷口面（如圖3）。

③將日立S-3400N 鎢燈絲掃描電子顯微鏡放大倍數增加到800倍觀察斷口的其余區域，發現斷口有解理斷裂（脆性斷裂）的形貌特征，可以判斷凸輪軸為脆性斷裂（如圖4）。

4? 斷口宏觀與微觀分析結論

通過宏觀與微觀分析可見凸輪軸約占1/2斷面的邊緣區域存在打磨/鋸傷割痕，且割痕較深，大于正常零件要求0.5mm，約占1/4斷面的邊緣區域存在表面夾渣鑄造缺陷。打磨/鋸傷割痕連成約占1/2圓周的區域是凸輪軸的裂紋源，是其發生脆性斷裂的誘因，而表面夾渣鑄造缺陷是進一步加速凸輪軸斷裂的誘因。凸輪軸斷口裂源區的表面打磨割傷痕跡會引起應力集中，加速初期裂紋的形成，夾渣鑄造缺陷會加劇裂紋擴展，最終導致凸輪軸整體發生快速的解理斷裂（脆性斷裂）。分析認為，大面積較深的打磨/鋸傷割痕是造成凸輪軸發生脆性斷裂的誘因。黑色箭頭是裂紋擴展方向，詳見圖5。

5? 其余性能檢測

5.1 硬度檢測

采用AFFRI? LD300布氏硬度計對斷裂凸輪軸硬度3個檢測點進行硬度檢測，檢測數據見表1，其硬度要求為207～262HBW，實測平均值為238.50 HBW，檢測結果合格。

5.2 金相檢測

采用Leica? DMI3000M金相顯微鏡對做好的斷口樣件進行金相分析，對腐蝕前的斷口樣件進行放大100倍觀察，如圖6所示，對照相關圖譜可以樣件的石墨類型為：A型+B型，石長5級，符合要求。采用4%硝酸酒精對樣件進行腐蝕，然后分別用100倍和400倍的放大倍率觀察樣件的金相組織，如圖7、圖8所示，對照金相圖譜可以得出金相組織為：珠光體+少量鐵素體，金相組織合格。

6? 結論

①斷裂凸輪軸的金相組織和硬度均合格，斷裂類型為脆斷裂。②斷裂凸輪軸存在打磨/鋸傷的現象，并超出打磨的要求，大面積較深的打磨/鋸傷區域是本次凸輪軸斷裂失效的主要原因，該原因主要是凸輪軸供應商對質量管控上的疏忽，未嚴格按照標準的要求進行打磨和修復作業。③斷裂凸輪軸表面存在夾渣鑄造缺陷，該缺陷加劇了裂紋擴展，加速凸輪軸的斷裂失效，可以認為是本次凸輪軸斷裂失效的第二項主要原因，需從凸輪軸的加工鑄造過程加以控制才可以消除。

7? 措施落實

①停止該批次凸輪軸的使用，并排查已裝機的發動機的凸輪軸質量情況。②對新上線的凸輪軸進行目視檢查，對凸輪軸出現有打磨/鋸傷的情形，一律停用。③反饋凸輪軸供應商該次凸輪軸斷裂失效的質量問題和主要原因，并通知其進行針對性整改，并要求提供整改報告和斷點期限。④組織多功能團隊分析相關質量風險，確認存在失效風險的凸輪軸不會流出工廠，并跟蹤供應商后續整改零件的質量狀況，對相關質量損失進行索賠。

8? 總結

通過對失效凸輪軸進行斷口宏觀、微觀分析、硬度、金相等分析，我們得出了本次凸輪軸斷裂失效的主要原因，并進行了針對性的措施落實，后續使用的凸輪軸未再出現類似的失效質量問題，獲得很好的質量預防效果。在實際生產過程中還存在其他各種不同的失效模式，事實上的失效分析經常綜合了不同學科和不同分析技術，不同的失效模式所采取的分析方法也會存在一定的差異，如還需要進行化學成分分析、力學性能分析等方面的分析，本文通過對一例具體的凸輪軸斷裂失效模式進行詳細分析，希望可以給業內同行做失效模式分析的一個參考思路。

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