彈性擋圈裝配斷裂原因分析及改善

張衛新 胡啟賽 王曉輝 盧俊宏 陳文春

摘 ?要：標準件生產企業缺少對彈性擋圈裝配過程中斷裂的根本原因的分析和認識。本文結合裝配過程中多次存在的此類問題，以分析彈性擋圈裝配斷裂的原因為研究課題。進行充分的原因分析，發現導致斷裂的原因有模具因素和毛刺的因素。對影響因素做對比試驗，通過壓力機得出不同的推入力值，發現毛刺、缺口裂紋是影響裝配過程中斷裂的重要因素，并提出模具預防、減小毛刺的方案，可以避免斷裂的現象。

關鍵詞：止推帽;彈性擋圈;開裂;沖壓;65Mn

中圖分類號：TH162.1 ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ?文章編號：1005-2550（2021）03-0129-06

Cause Analysis and Improvement of Assembly Fracture of Elastic Block Ring

Zhang Wei-xin， Hu Qi-sai， Wang Xiao-hui， Lu Jun-hong， Chen Wen-chun

（ Zhejiang Huayuan Automobile Parts Co.， Ltd， Wenzhou 325000， China ）

Abstract： Standard parts production enterprises lack of analysis and understanding of the root causes of fracture in the assembly process of elastic ring. In this paper， the reasons for the fracture of the elastic retaining ring assembly are analyzed. Carry on the sufficient cause analysis， find that the cause of fracture is mold factor and burr factor. The influence factors are compared and tested. Different push force values are obtained by press. It is found that burr and notch crack are important factors affecting fracture in assembly process， and the scheme of preventing and reducing burr reduction of burr can avoid the phenomenon of fracture.

Key Words： Stoppers; Elastic Retaining Ring; Cracking; Stamping; 65Mn

張衛新

畢業于太原理工大學，材料工程專業，工程碩士學位?，F就職于浙江華遠汽車零部件有限公司，任質量工程師，已發表文章：《螺母內螺紋銹跡狀物產生原因分析及改善》、《壓鉚螺釘裝配過程中斷裂原因分析及改善》、《彈性擋圈裝配斷裂原因分析及改善》、和《制樣對超聲波測試軸力的影響》等13篇論文。

彈性擋圈，是配套汽車管柱類的專用零件，裝配后可卡于套管卡槽內固定不動，且無法二次拆卸，它可以防止軸上的其它制件軸向竄動。

針對彈性擋圈裝配斷裂的問題，相關作者[1-4]主要描述了65Mn材料含硫高、夾雜物、產品表面增碳、硬度高、熱處理工藝不合適等產生的開裂現象，主要分析工藝過程中產生的裂紋，未有相關在裝配過程中彈性擋圈裂紋產生的描述，對產品裝配時出現斷裂的原因分析，因需考慮工藝流程，對直觀判斷裂口成因造成較大困難，不能有效識別開裂在具體的工藝位置，對改善方向造成不確定性，且相關作者沒有實質性的從產品受力、試驗驗證上給與論證。擋圈的開裂成因異于已有作者分析的原因，我廠擋圈在裝配中產生開裂現象，一直未有效識別，無法找到相關分析資料，不能從根本上論證開裂原因。作者結合實際產品裝配過程和生產工藝，充分分析斷口形貌，識別影響因素，進行單因素對比驗證，并結合生產工藝，確定開裂原因，給予預防措施及解決生產問題的分析思路。

1 ? ?產品描述

2020年，某汽車座椅公司的裝配人員反饋軸用彈性擋圈在裝配軸管過程中，發現某批次產品出現斷裂現象，斷裂率約0.1%，該問題已被多次投訴?，F場裝配位置如圖1所示。檢測產品性能尺寸都符合圖紙要求。因無法確定根本影響因素，該問題已持續較長時間。本文以斷裂批次產品作為研究對象，對主要影響因素進行深入的分析。產品尺寸測量數據如表1所示，圖紙尺寸要求如圖2所示，且符合尺寸要求。

擋圈是由凹側推入軸管過程中產生開裂，推入力約3-6kN，擋圈宏觀裂紋如圖3所示。

擋圈材質65Mn，生產工藝：板料沖裁→熱處理等溫淬火、中溫回火→錳系磷化。

2 ? ?開裂原因分析

擋圈在推入套管過程中內圈受到與軸管接觸的摩擦力和與軸管產生過盈配合而產生的膨脹力。對開裂前的受力方式進行分析，判斷裂紋所處受力環境，并從微觀上分析斷口形貌，判斷裂紋源，最終結合生產工藝中影響裂紋的因素，識別出裂紋成因。

2.1 ? 受力分析

擋圈在被推入軸管過程中，受到軸管表面對擋圈內環表面的摩擦阻力和因過盈配合產生的軸管表面對擋圈內環的徑向支撐力的共同作用，支撐力使內環產生膨脹力，當內環存在薄弱位置時，更容易在摩擦力和膨脹力的作用下造成開裂。擋圈厚度0.5mm，擋圈受外力作用如圖4所示。對缺口進行受力分析如圖5所示，缺口兩側會產生較大的摩擦阻力，當兩者差異較大時會形成對裂紋破壞的剪切力，力值足夠大，在較小的膨脹力下發生開裂現象。未裝配的產品在放大鏡下觀察，內圈邊緣斷裂帶存在1-2處缺口，如圖6所示，圖中，左側黑色區域為斷裂帶，右側亮色區域為光亮帶，是在板料沖裁過程中形成，光亮帶約占切口的一半，說明凹凸模間隙配合合適。

沖裁凸凹模如圖7所示。放大鏡下觀察模具表面，發現凹模存在裂紋，凹模缺陷如圖8所示，凹模存在的刃口裂紋缺口會使沖裁過程中，落料不能及時分離，金屬因塑性變形產生斷裂帶缺口，遺留在產品表面，沖模在回程過程中，與缺口周圍毛刺形成較大阻力，對缺口進一步產生破壞，并可能產生微裂紋。落料表面毛刺如圖9所示，一部分邊緣毛刺較長，說明凹模刃口已產生明顯磨損狀態[5]。

2.2 ? 斷口分析

擋圈推入金屬套管時，內圈受到擠壓力和摩擦力，裂紋方向垂直于擠壓產生的膨脹徑向力，判斷裂紋屬于脆性斷裂。通過電子顯微鏡觀察裂紋斷口的形貌，如圖10所示。識別出斷裂源區，擴展區，裂紋末端，裂紋走向如圖11所示，紅色箭頭指裂紋源，黃色箭頭指裂紋擴展方向，裂紋末端呈現支狀。斷裂源區存在冰糖狀的磷化顆粒，如圖12所示，說明有磷化液滲入。斷裂源區能譜圖，P含量約0.6，大于65Mn材質要求的低于0.04，說明工藝過程中磷化前已存在裂紋。斷口圓環內圈位置微觀呈延晶形貌，此處為裂紋源，斷裂源區域微觀可見小塊狀結晶物等異物覆蓋，P、Zn元素較豐富，能譜圖如圖13所示。斷口其它擴展區位置微觀整體呈細小的刃窩形貌，擴展區如圖14所示。綜合觀察宏觀和微觀形貌，斷口呈過載斷裂特征，斷裂源位于內圓環位置，且位于毛刺位置，在磷化前存在裂紋。

2.3 ? 開裂原因

通過斷口分析，裂紋由內向外擴展，裂紋源起始于內環斷口形成斷裂帶毛刺一側，結合受力分析，在板材被沖裁過程中，模具缺口使落料分離困難，導致毛刺形成缺口。裝配過程中，毛刺和缺口與套管表面存在接觸阻力，不同位置的毛刺會形成不同的摩擦阻力，當缺口處阻力最大時，容易形成應力集中，產生剪切力，大于材料所能承受的剪切強度時形成裂紋。

結合生產工藝過程分析，裂紋起始于沖裁，在熱處理過程中容易形成延晶微裂紋，經過磷化，使裂紋源處P、Zn元素含量高于基體，并有磷化顆粒覆蓋。在現場裝配過程中，擋圈受到擠壓和摩擦阻力，當隨機產生的毛刺造成較大的摩擦阻力時，便在缺口處已形成的裂紋，繼續擴展形成開裂現象。

3 ? ?試驗

通過斷口形貌分析，以及受力分析，解釋裂紋產生機理，已產生的裂紋缺口在毛刺的作用下最終導致產品開裂。為進一步驗證分析的結論，進行單因素對比試驗，通過數據驗證毛刺對開裂的影響，以及只存在缺口時是否會產生開裂。

3.1 ? 試驗設計

選取同批次產品，來自存在裂紋缺口的模具，在放大鏡下觀察產品內圈缺陷位置，并標記。使用400#砂紙清理內圈毛刺，與原狀態產品進行推入力測試。準備工裝模具，凹模尺寸φ34×φ60×36mm，凸模尺寸φ32×18mm，模具如圖15所示。壓力機使用SHT4305電液伺服萬能試驗機壓入。

3.2 ? 試驗結果

分別壓入凸模有毛刺和去毛刺產品各5件，推入力如表1所示。其中有毛刺試樣3和4發生開裂，裂紋由內圈向外圈擴展，與現場裝配開裂方式相同，且斷裂位置在標記處，開裂產品如圖16所示。無毛刺產品，均勻壓入，無開裂現象發生。

3.3 ? 結果分析

試驗中通過對比有毛刺和無毛刺產品的推入力，發現有毛刺產品推入力波動較大，均值是7.82kN，3σ值是10.09kN，測試結果范圍3.58kN-12.57kN，其中開裂產品是3.58kN和6.37kN，說明推入力不是決定產品開裂的主要影響因素，有毛刺產品壓入后，會殘留較多鐵屑，如圖17所示，在壓入過程中，毛刺會影響阻力大小。無毛刺產品推入力波動較小，均值是8.09kN，3σ值是1.53kN，測試結果范圍7.49kN-8.87kN，且產品無開裂現象。

產品由內圈向外圈產生裂紋，位于標記處，說明裂口存在于缺口處，斷裂后的裂口放大如圖18所示。產品在沖裁過程中，產生缺口存在微裂紋，形成薄弱位置，但毛刺對阻力影響不大時，缺口不能造成產品開裂，當毛刺產生較大阻力時，使應力集中在缺口處，發生開裂現象。通過單因素對比試驗，產品存在缺口的條件下，毛刺是造成產品開裂的根本因素。

4 ? ?小結

彈性擋圈在裝配過程中產生的開裂現象，微觀上判斷裂紋是在過載條件下產生，并識別裂紋源位置，從宏觀上分析裂紋源，起始于毛刺位置的缺口，并結合工藝過程分析，模具是產生缺口的原因，通過裝配過程中的受力分析，推斷出裂紋的產生是在毛刺和缺口共同作用下形成，通過試驗驗證，得出毛刺是導致開裂的最終原因。對于避免該產品的開裂措施，得出以下結論：

（1）沖裁凹模磨損嚴重的刃口會使產品形成較多毛刺，形成的裂紋缺口會遺傳至產品，應在使用前保持模具刃口的完好，并檢查沖裁出的落料是否存在較大毛刺;

（2）存在缺口的產品，可以通過去除毛刺的方式，避免裝配過程中受力不均勻而產生開裂。

（3）增加程序控制文件，記錄每批次產品生產前模具表面狀態，要求無裂紋、缺口，以及首件產品的落料邊緣無明顯毛刺，同一生產批次產品，抽檢7件，增加模具壓入試驗，無開裂則可流轉。

參考文獻：

[1]祝小冬.65Mn扁鋼剪切開裂分析[J].熱處理，2014（6）：57-60.

[2]顧立業，張秉青. 65Mn鋼板開裂原因分析[J].河北冶金，2013（9）：8-14.

[3]張皓，陳曉光，王伯旬.淺析65Mn彈性擋圈制造工藝[J].中國新技術新產品，2013（24）：79-80.

[4]盧蒙，杜亞偉，姜桂良.渦卷彈簧用冷軋扁鋼絲表面缺陷及成因分析[J].金屬制品，2016（2）：40-43.

[5]劉運權，李程霞.彈性擋圈開裂問題的解決方法[J].模具制造，2016（4）：223-16.