压力机轴杆件断裂失效分析及预防(一)

压力机轴杆件断裂失效分析及预防(一)

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压力机轴杆件断裂失效分析及预防(一)

2022-03-04

胡明杰

(扬州大学机械工程学院,江苏扬州225009)

摘要:介绍了轴杆件在压力机上的应用及其作用,并结合实例,对压力机曲轴和立柱断裂失效进行了分析,在此基础上分析了在压力机生命周期内导致压力机轴杆件断裂失效的原因,并提出了相应的预防措施。

关键词:压力机;轴杆件;断裂失效;预防措施中图分类号:TG3巧文献标志码:A文章编号:1001一3881(20巧)1一201一4

Analysis and Prevention Of Fracture Failure Of Axostyle Of Press HU Mingjie

(College of Mechanical Engineering,Yangzhou University,Yangzhou Jiangsu 225009,China)

Abstract: The application and function axostyle for press were introduced. By combined with examples,the fracture failure of the crankshafts and the columns of press were analyzed. On the basis of this,the causes of the axostyle ' s fracture failure for the press ' s life cycle were analyzed. The corresponding preventive measures are proposed.

Keywords:Press;Axostyle;Fracture failure;Prevention 0前言

压力机作为压力成形装备广泛应用于国民经济的各个领域,是装备制造业的重要组成部分。压力机的性能已经成为衡量一个国家科技水平、国际竞争力和综合国力的重要标志。

压力机根据执行机构的驱动方式不同,分为机械式传动(如机械压力机)和液压式传动(如液压机)。

不论机械压力机还是液压机,都是通过轴杆件的旋转或往复直线运动进行机械能或液压能的传递,同时为执行机构(如液压机滑块)提供运动导向。

轴杆件是压力机的重要组成部分和核心功能部件。

轴杆件的断裂失效,轻则造成压力机无法使用,影响生产;重则导致压力机损毁甚至酿成安全事故。

压力机轴杆件断裂失效分析

随着现代科学技术的飞跃发展,失效分析已经成为一门综合性的边缘学科,在工程领域得到了日益广泛地应用。

为了提高设备的质量和对其寿命进行评估,国内外对失效现象进行了大量的分析与研究,积累了丰富的经验,日益完善了失效分析技术及其理论。

应用失效分析技术,可以指导设备规划、设计、选材、加工、制造、寿命评估、检验及质量管理等方面的工作,同时失效分析技术又是制定技术规范、科技发展规划、法律仲裁和对外索赔等的重要依据。

根据金属材料断裂前所产生的宏观塑性变形的大小可将断裂分为韧性断裂和脆性断裂。

韧性断裂是指金属材料或机械构件断裂时出现较大的或明显的塑性变形,通常指金属材料产生的宏观塑性形变量大于 10%的断裂。

用肉眼或放大镜观察时,断口表面呈现纤维状或丝光状,灰色或暗灰色等宏观形貌特征;脆性断裂是指金属材料或机械构件断裂时不发生或发生较小的宏观塑性变形,通常指金属材料产生的宏观塑性形变量小于2%的断裂。

断口表面形貌较平整,在光照下具有发亮特性。

用肉眼或放大镜观察不到宏观变形,但在电子显微镜下可观察到局部的塑性形变,即出现韧窝花样形貌特征。

脆性断裂是一种突然发生的断裂,裂纹的传播速度较快,没有明显的征兆,因而危害性很大,常常导致机械构件的灾难性失效。

压力机轴杆件而言,断裂失效的形式主要是脆性断裂。

曲轴断裂失效分析

曲轴的作用及要求

在机械压力机中,曲轴的作用是将电机的旋转运动通过曲轴的旋转运动转化为滑块的上下往复直线运动,同时将电机的电能转化为滑块的机械能。

曲轴的受力情况复杂,除受弯矩作用外,还受扭矩和剪切力的作用,因而其制造工艺要求高。

曲轴一般选用45#钢,经过锻打制成曲轴锻坯,然后进行加工和热处理。

其主要工艺过程为:粗加工乛调质热处理乛精加工乛中频淬火热处理乛磨削加工。

其中热处理工艺要求为:曲轴基体进行调质处理;运动偶合面(支承颈、曲柄颈)进行中频淬火处理。

通过宏观观察,断裂源位于立柱退刀槽根部过渡圆角处,裂纹扩展呈规则的月牙形。

其中疲劳起源区、疲劳裂纹扩展区组织较细,形貌较为平坦、光滑,疲劳裂纹扩展区内分布有弧形迹线一一一贝纹线(疲劳裂纹扩展过程中留下的痕迹);瞬间断裂区为结晶状,形貌和组织较为粗糙。

以上特征,显示立柱的断裂失效属于疲劳引起的脆性断裂。

立柱断裂失效原因分析

四柱式液压机立柱工作时主要承受拉伸载荷,当偏心载荷时滑块将会发生倾斜,倾斜的滑块会给立柱施加一个水平分力。水平分力是导致液压机机架产生

扭曲和立柱弯曲应力急增的主要力学因素。特别是当液压机卸压时能量的突然释放,会引起机架的剧烈振动和摇晃,此时液压机立柱受力状况最为恶劣。

立柱退刀槽处由于外形突变(沟槽、过渡圆角)、过渡圆角加工粗糙、沟槽表面的加工划痕等多方面因素产生应力集中现象。

随着液压机循环交变应力的作用,致使立柱反复变形,应力集中部位一一退刀槽处极易引起微观裂纹,微观裂纹逐渐扩展为宏观裂纹,最终导致了立柱的断裂。

压力机轴杆件断裂失效预防

致使压力机轴杆件断裂失效的因素多种多样,有的是单一因素造成,有的是两个或多个因素共同作用所致,并且贯穿于压力机的整个生命周期,包括设计、制造和使用(维护)等各个主要环节。

设计环节

设计是预防断裂失效的先天之本,设计环节的质量决定了压力机的性能。

在设计前应充分了解压力机的工艺过程和使用工况,然后进行力学(应力)分析,确定最优结构形式,以保证轴杆件的强度、刚度和疲劳寿命等。

在设计过程中需注意以下几点:

过渡圆角设计对断裂失效的影响

曲轴曲柄颈和立柱退刀槽根部过渡圆角为应力集中区域,直接影响曲轴和立柱的疲劳强度和使用寿命,过渡圆角半径越小、光滑程度(粗糙度)越差,应力集中现象越严重。

在条件允许的情况下,可在曲轴曲柄颈和立柱退刀槽根部过渡圆角处采用辊子辗压强化。

热处理工艺设计对断裂失效的影响

压力机轴杆件的受力情况复杂,使用工况恶劣,

因此轴杆件应具有优良的综合力学性能。

对压力机轴杆件而言,首先应对毛坯进行锻制处理,然后对锻制毛坯基体进行调质理,以改善其综合力学性能;然后对承载面(支承颈、曲柄颈)和导向面进行表面中频淬火处理,以提高其表面硬度。

在中频淬火时注意控制淬硬带宽度,边缘距过渡圆角太近,会在过渡圆角处产生残余拉应力,降低轴杆件的疲劳强度。

安全系数选取对断裂失效的影响

压力机轴杆件设计时有的只考虑了影响安全系数的常规因素和主要因素,有时往往忽略了非常规因素和次要因素,致使安全系数不足,给轴杆件的断裂失效留下了隐患。

实际上,压力机轴杆件的受力情况复杂,承受的力包括:拉(压)力,弯扭力矩、横向侧推力和剪切力及其他附加载荷产生的应力。

制造环节

制造是预防断裂失效的关键,牵涉到材质选择、锻造、热处理、机加工、检验、装配等诸多环节,制造过程的质量决定了压力机的最终使用性能。

据相关文献报到,70%的压力机轴杆件断裂失效与制造环节相关。

因此,加强制造环节的质量控制,对实现压力机的工作性能和延长压力机的使用寿命有着非常重要的意义。在制造过程中需注意以下几点:

锻坯质量对断裂失效的影响

化学元素对断裂失效的影响

轴杆件锻坯中主要有害元素有硫、磷、氧等,因此应注意控制其含量,否则会直接影响轴杆件的力学性能。

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