內(nèi)燃機(jī)曲軸芯孔非正常斷裂有哪些原因,？

某型號(hào)四缸內(nèi)燃機(jī)曲軸,，在取樣做疲勞試驗(yàn)過(guò)程中，所有子樣運(yùn)行20多萬(wàn)次后位于曲軸的芯孔斷裂,，裂紋源起始部位,，屬非正常斷裂，且疲勞強(qiáng)度遠(yuǎn)沒(méi)達(dá)到客戶的要求,。其材質(zhì)要求是QT800-3,，疲勞強(qiáng)度要求承載1900N﹒m彎矩載荷循環(huán)10⁷次超越,，加工路線：鐵模鑄造→正火→機(jī)加工→圓角滾壓,。

斷口及材質(zhì)檢驗(yàn)

如圖1所示斷口特征,，裂紋源位于靠近曲柄端的芯孔,，裂紋擴(kuò)展至曲柄梢斷裂,。曲軸的連桿芯孔的作用：減輕本身重量易平衡,；減少澆鑄過(guò)程的鑄造缺陷,；起加強(qiáng)筋的作用,，增強(qiáng)曲軸的疲勞強(qiáng)度,。芯孔面為鑄造面而非加工面,，允許一定的粗糙度,。

沿?cái)嗫谌訖z測(cè)結(jié)果：球化2級(jí)，石墨大小6級(jí),，珠光體90%,，抗拉強(qiáng)度860N/mm²，伸長(zhǎng)率4%,，符合技術(shù)要求,。

工藝分析

（1）正火過(guò)程

工藝曲線如圖5所示，由于是流水線作業(yè),，保溫后出爐噴霧吹風(fēng)快速約30min冷卻至室溫,，實(shí)際上霧冷幾乎是噴水冷卻。冷卻方式不符合熱處理標(biāo)準(zhǔn)對(duì)正火工藝的要求,，即將鋼鐵件加熱到臨界點(diǎn)以上的適當(dāng)溫度,，保持一定的時(shí)間后在空氣（風(fēng)冷或空冷）中冷卻得到珠光體組織的熱處理工藝。冷卻方式的不合理,，造成曲軸本身的殘留內(nèi)應(yīng)力非常大,。

（2）圓角滾壓

曲軸是內(nèi)燃機(jī)中zui重要的零件之一，它與汽缸,、活塞,、連桿等組成發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力源裝置，并由曲軸向外輸出功率,。曲軸在工作時(shí)承受交變載荷,，主軸頸和連桿頸圓角過(guò)渡處屬于曲軸強(qiáng)度的薄弱環(huán)節(jié)，軸頸與曲柄臂過(guò)渡圓角在切削或磨削加工后刀痕存在應(yīng)力集中,，長(zhǎng)期的高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)和較大的交變負(fù)荷應(yīng)力將有可能造成曲軸圓角處特別是連桿圓角處產(chǎn)生裂紋或斷裂,。

針對(duì)曲軸的工作特點(diǎn)，我公司采用先進(jìn)的曲軸滾壓技術(shù)對(duì)曲軸頸圓角進(jìn)行滾壓處理,，滾壓后表面形成一種硬化層和保持殘余壓應(yīng)力,，使曲軸強(qiáng)度薄弱環(huán)節(jié)主軸頸和連桿頸圓角過(guò)渡處得到強(qiáng)化，同時(shí)減小了曲軸圓角表面粗糙度,，提高了曲軸整體疲勞強(qiáng)度,。

（3）疲勞試驗(yàn)

疲勞強(qiáng)度是衡量曲軸的綜合力學(xué)性能的重要指標(biāo)，利用疲勞試驗(yàn)測(cè)得彎曲疲勞中值是控制發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸可靠性的基本手段,，其原理是：給曲拐施加一定的彎矩,，使曲拐以試驗(yàn)設(shè)備機(jī)械系統(tǒng)固有的頻率和幅度經(jīng)受循環(huán)載荷而進(jìn)行的疲勞試驗(yàn)；其目的是檢測(cè)樣品母體能經(jīng)受規(guī)定的循環(huán)基數(shù)而不產(chǎn)生裂紋或斷裂的疲勞承載能力,。

曲拐在疲勞試驗(yàn)過(guò)程中,，如斷裂的話，裂紋源一般是如圖6所示產(chǎn)生于連桿圓角zui薄弱的部位，并沿著圓角約45°方向往曲柄梢端擴(kuò)展至斷裂,。

結(jié)果分析與討論

正火工藝見(jiàn)圖5所示,，在880℃保溫結(jié)束出爐冷卻，在霧冷區(qū),，實(shí)際工藝過(guò)程是噴水冷卻，芯孔部位有水流流過(guò),，致使冷卻迅速降至室溫,，相對(duì)造成的殘留應(yīng)力極大，且因芯孔表面冷卻比心部冷卻快,，使芯孔表面承受拉應(yīng)力,。

就我公司的正火流水線冷卻方式，以及經(jīng)機(jī)械加工后,，產(chǎn)生極大的殘留應(yīng)力,，而沒(méi)得到及時(shí)的消除。

曲軸經(jīng)圓角滾壓強(qiáng)化后,，使主軸頸和連桿頸圓角處疲勞強(qiáng)度zui薄弱處提高了60%～100%,。在疲勞試驗(yàn)中，連桿軸頸圓角以及與圓角處于同一受力平面方向的芯孔同時(shí)承受拉壓循環(huán)載荷,，致使疲勞裂紋源的產(chǎn)生擴(kuò)展不會(huì)按圖5所示進(jìn)行,，而是由于有正火所造成的極大殘留應(yīng)力的存在，在芯孔邊緣拉應(yīng)力zui大的部位裂紋萌生并擴(kuò)展至曲柄梢端而斷裂,，如圖1,、圖2所示。

4.所采取的措施

像這樣的曲軸如果裝機(jī)后,，在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中會(huì)發(fā)生突然斷裂,，造成極大的損失。為此,，我公司迅速采取措施,，針對(duì)正火流水線的正火工藝進(jìn)行整改，如圖7所示,。采用風(fēng)冷,，利用余熱自回火消除或減少組織應(yīng)力、熱應(yīng)力,，并且在粗加工后轉(zhuǎn)精加工前,，加高溫回火工序，工藝曲線見(jiàn)圖8,，以消除熱處理及機(jī)加工所產(chǎn)生的殘留應(yīng)力,。

經(jīng)正火工藝改進(jìn)及加回火工序后進(jìn)行生產(chǎn)加工，取樣在相同的試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行疲勞試驗(yàn)，10個(gè)子樣均能在1900N﹒m彎矩載荷循環(huán)10⁷次超越,，且增加步幅載荷到2200N﹒m運(yùn)行,，在曲拐的連桿R圓角處斷裂，見(jiàn)圖6,。

5.結(jié)語(yǔ)

我公司在疲勞試驗(yàn)過(guò)程中曲拐位于芯孔斷裂,，不是正常斷裂，而是應(yīng)力斷裂,。是由于正火過(guò)程噴霧冷卻不合理,，冷卻時(shí)間太短，造成極大的殘余內(nèi)應(yīng)力,，且芯孔處殘留的拉應(yīng)力zui大,，在疲勞試驗(yàn)中承受循環(huán)拉壓應(yīng)力，使其在遠(yuǎn)低于材料的疲勞強(qiáng)度情況下,，位于殘留拉應(yīng)力zui大的芯孔邊緣處斷裂,。經(jīng)及時(shí)采取糾正措施，改進(jìn)工藝,，獲得理想效果,，避免批量廢品事故發(fā)生。

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