內燃機曲軸芯孔非正常斷裂有哪些原因？

某型號四缸內燃機曲軸，在取樣做疲勞試驗過程中，所有子樣運行20多萬次后位于曲軸的芯孔斷裂，裂紋源起始部位，屬非正常斷裂，且疲勞強度遠沒達到客戶的要求。其材質要求是QT800-3，疲勞強度要求承載1900N﹒m彎矩載荷循環(huán)10⁷次超越，加工路線：鐵模鑄造→正火→機加工→圓角滾壓。

斷口及材質檢驗

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；減少澆鑄過程的鑄造缺陷；起加強筋的作用，增強曲軸的疲勞強度。芯孔面為鑄造面而非加工面，允許一定的粗糙度。

沿斷口取樣檢測結果：球化2級，石墨大小6級，珠光體90%，抗拉強度860N/mm²，伸長率4%，符合技術要求。

工藝分析

（1）正火過程

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快速約30min冷卻至室溫，實際上霧冷幾乎是噴水冷卻。冷卻方式不符合熱處理標準對正火工藝的要求，即將鋼鐵件加熱到臨界點以上的適當溫度，保持一定的時間后在空氣（風冷或空冷）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應力非常大。

（2）圓角滾壓

曲軸是內燃機中zui重要的零件之一，它與汽缸、活塞、連桿等組成發(fā)動機的動力源裝置，并由曲軸向外輸出功率。曲軸在工作時承受交變載荷，主軸頸和連桿頸圓角過渡處屬于曲軸強度的薄弱環(huán)節(jié)，軸頸與曲柄臂過渡圓角在切削或磨削加工后刀痕存在應力集中，長期的高速旋轉運轉和較大的交變負荷應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。

針對曲軸的工作特點，我公司采用先進的曲軸滾壓技術對曲軸頸圓角進行滾壓處理，滾壓后表面形成一種硬化層和保持殘余壓應力，使曲軸強度薄弱環(huán)節(jié)主軸頸和連桿頸圓角過渡處得到強化，同時減小了曲軸圓角表面粗糙度，提高了曲軸整體疲勞強度。

（3）疲勞試驗

疲勞強度是衡量曲軸的綜合力學性能的重要指標，利用疲勞試驗測得彎曲疲勞中值是控制發(fā)動機曲軸可靠性的基本手段，其原理是：給曲拐施加一定的彎矩，使曲拐以試驗設備機械系統(tǒng)固有的頻率和幅度經(jīng)受循環(huán)載荷而進行的疲勞試驗；其目的是檢測樣品母體能經(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。

曲拐在疲勞試驗過程中，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°方向往曲柄梢端擴展至斷裂。

結果分析與討論

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

就我公司的正火流水線冷卻方式，以及經(jīng)機械加工后，產(chǎn)生極大的殘留應力，而沒得到及時的消除。

曲軸經(jīng)圓角滾壓強化后，使主軸頸和連桿頸圓角處疲勞強度zui薄弱處提高了60%～100%。在疲勞試驗中，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承受拉壓循環(huán)載荷，致使疲勞裂紋源的產(chǎn)生擴展不會按圖5所示進行，而是由于有正火所造成的極大殘留應力的存在，在芯孔邊緣拉應力zui大的部位裂紋萌生并擴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后，在運轉過程中會發(fā)生突然斷裂，造成極大的損失。為此，我公司迅速采取措施，針對正火流水線的正火工藝進行整改，如圖7所示。采用風冷，利用余熱自回火消除或減少組織應力、熱應力，并且在粗加工后轉精加工前，加高溫回火工序，工藝曲線見圖8，以消除熱處理及機加工所產(chǎn)生的殘留應力。

經(jīng)正火工藝改進及加回火工序后進行生產(chǎn)加工，取樣在相同的試驗設備進行疲勞試驗，10個子樣均能在1900N﹒m彎矩載荷循環(huán)10⁷次超越，且增加步幅載荷到2200N﹒m運行，在曲拐的連桿R圓角處斷裂，見圖6。

5.結語

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

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