范知友， 謝東升

(1.中國北方車輛研究所，北京 100072；2.解放軍陸軍第一綜合訓(xùn)練基地，江蘇句容 212421)

傳動箱是車輛的重要部件，其可靠性直接影響車輛的可使用性.特種車輛的傳動箱由于在復(fù)雜地形的使用中遭受強(qiáng)烈的交變載荷作用，所以出現(xiàn)疲勞損壞的情況時有發(fā)生.某特種車輛的傳動箱在使用中損壞比較頻繁，而其損壞主要出現(xiàn)在箱體齒輪軸承座孔周圍的螺紋孔邊上.螺紋孔邊存在應(yīng)力集中，螺紋本身也有應(yīng)力集中，應(yīng)力集中部位對疲勞載荷很敏感；不僅如此，螺紋孔表層附近還存在微觀缺陷，這些缺陷對疲勞載荷也很敏感，容易擴(kuò)展成宏觀裂紋，進(jìn)而發(fā)展成臨界裂紋而形成疲勞破壞.所以，要解決該傳動箱的損壞問題，就必須提高其螺紋孔的抗疲勞特性.

1 冷擠壓強(qiáng)化原理

提高螺紋孔的抗疲勞特性的有效措施之一是冷擠壓強(qiáng)化技術(shù).

圖1是螺紋孔在冷擠壓前后的顯微組織狀態(tài).圖1(a)中的黑色紋理為帶尖角的鑄造氣孔，圖1(b)中的孔壁沒有經(jīng)冷擠壓，孔表面的鑄造氣孔未被壓縮(含箭頭所指的位置)，可以看出光潔度差；圖1(a)、(b)中的缺陷，是構(gòu)件中的裂紋源，在疲勞載荷作用下，這些裂紋源容易擴(kuò)展成宏觀裂紋直至斷裂.圖1(c)是經(jīng)冷擠壓的孔壁，可見表面光潔度好，表層氣孔已被壓合，裂紋源大為減少，疲勞強(qiáng)度因此提高.

圖1 圓孔在擠壓前后的顯微組織狀態(tài)

按照《抗疲勞制造原理與技術(shù)》[1]，疲勞強(qiáng)度提高，也就延長了疲勞壽命.因?yàn)槁菁y孔被冷擠壓時，在孔壁外圍一定的深層內(nèi)由于受力較大而產(chǎn)生塑性變形，塑性變形區(qū)的外層由于受力較小只產(chǎn)生彈性變形.冷擠壓完后，隨著擠壓件的卸載，彈性變形區(qū)回彈，壓迫塑性變形區(qū)，使孔壁表層產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，這個殘余壓應(yīng)力層就是強(qiáng)化層.當(dāng)構(gòu)件受到疲勞載荷作用時，孔壁所受的應(yīng)力幅值不變.但由于殘余壓應(yīng)力存在而使平均應(yīng)力降低.設(shè)工作應(yīng)力幅值為σa，工作平均應(yīng)力為σm，材料強(qiáng)度極限為σb.根據(jù)古德曼公式，等效應(yīng)力幅值為：

(1)

由式(1)可知，工作平均應(yīng)力σm越小，等效應(yīng)力幅值σae就越小.

而傳動箱承受的是高周疲勞載荷.壽命N與所受應(yīng)力幅值σae的關(guān)系如式(2)所示.[2]

.

(2)

式中：A、α為材料常數(shù).

所以，等效應(yīng)力幅值σae越小，壽命N就越長.

基于以上理論，本研究采用冷擠壓強(qiáng)化技術(shù)對某特種車輛傳動箱進(jìn)行了可靠性增長研究.

2 螺紋孔冷擠壓強(qiáng)化方案研究

2.1 預(yù)攻絲錐設(shè)計(jì)

針對該傳動箱體的材料極限斷裂應(yīng)變很小的現(xiàn)狀，確定適當(dāng)?shù)臄D壓量是提高疲勞壽命的關(guān)鍵.若擠壓量過小，強(qiáng)化程度也小，壽命提高幅度不大；若擠壓量過大，由于其材料脆性較大，容易產(chǎn)生裂紋，反而會降低疲勞壽命.所以，螺紋的哪些部位需要擠壓、各部位的擠壓量如何匹配是本研究的關(guān)鍵.

箱體上的螺紋孔是標(biāo)準(zhǔn)化的，為了實(shí)現(xiàn)對螺紋孔冷擠壓強(qiáng)化，研究中采用了先鉆孔→預(yù)攻絲→擠壓成標(biāo)準(zhǔn)螺孔的工藝程序.即在加工標(biāo)準(zhǔn)化螺紋前先用預(yù)攻絲錐預(yù)先攻成初始螺紋，螺紋各部位的擠壓量由預(yù)攻絲錐來控制；然后再用設(shè)計(jì)圖紙所規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)商用絲錐擠壓成標(biāo)準(zhǔn)螺紋孔.

為了確定合適的冷擠壓量，就需要研究不同螺紋部位不同擠壓量對疲勞壽命的影響.本研究設(shè)計(jì)了針對標(biāo)準(zhǔn)M12螺紋孔的5種不同規(guī)格的預(yù)攻絲錐來進(jìn)行試樣的加工.各種預(yù)攻絲錐的尺寸見表1.

表1 預(yù)攻絲錐尺寸

2.2 等幅疲勞試驗(yàn)

按照表1中的預(yù)攻絲錐制作試樣進(jìn)行等幅疲勞試驗(yàn)，得到了不同的壽命，結(jié)果見表2.

表2 等幅疲勞試驗(yàn)結(jié)果

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

通過對表2中試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，可以得到以下基本結(jié)論：

1號方案，用標(biāo)準(zhǔn)絲錐直接由圓孔擠成螺紋孔，齒根名義擠壓量為1.06 mm，齒尖擠壓量為0，由于擠壓量過大，造成預(yù)損傷，壽命提高幅度不大(60.1%).

2號方案，齒根名義擠壓量為0.46 mm，齒尖擠壓量為0，擠壓量過小，壽命提高幅度也不大(74%).

3號方案，齒根擠壓量為0.66 mm，齒尖擠壓量為0，介于方案1和方案2之間，壽命提高較大(169%).

將試樣打斷，在電子顯微鏡下觀察斷口中的疲勞區(qū)，發(fā)現(xiàn)齒根部應(yīng)力集中最大，但其表面光滑，而且有較大的殘余壓應(yīng)力，因此不容易萌生疲勞裂紋.疲勞裂紋多萌生于齒中部和前部的齒側(cè)面.而方案2和方案3主要是擠壓齒根，沒擠壓齒側(cè)面.1號方案雖然擠壓了齒側(cè)面，但擠壓量過大，造成預(yù)損傷.所以，這三個方案壽命提高幅度不大.

方案4同時擠壓了齒根和齒側(cè)側(cè)面，齒根名義擠壓量為0.16 mm，齒尖名義擠壓量為0.14 mm，擠壓齒尖的同時又?jǐn)D壓了齒側(cè)面.在這5個方案中，這一方案提高的壽命最大(5.38倍).

方案5是為了研究齒尖擠壓的作用.方案3中，對齒根、齒側(cè)面和齒尖同時擠壓.在方案5中，在對齒根、齒側(cè)面擠壓量不變的情況下，使齒尖名義擠壓量為0，結(jié)果，壽命低于方案4.

從以上分析可以得出，對螺紋的齒根、齒側(cè)和齒尖同時非均勻擠壓，壽命才能明顯提高.

因此，方案4是比較合適的方案.

3 壽命增長試驗(yàn)研究

為了進(jìn)一步確定預(yù)攻絲錐方案4對螺紋孔冷擠壓的實(shí)際效果，分別研制模擬樣件和實(shí)物樣件進(jìn)行了試驗(yàn)研究.

3.1 模擬樣件臺架試驗(yàn)研究

1)模擬試樣設(shè)計(jì).

為了比較冷擠壓強(qiáng)化和未冷擠壓強(qiáng)化的箱體的疲勞壽命，加工了兩種模擬試樣.這兩種試樣的外形尺寸和熱處理工藝與原產(chǎn)品都一樣，其中一種試樣的螺紋孔不進(jìn)行冷擠壓，另一種試樣按方案4進(jìn)行冷擠壓加工.前者叫未擠壓試樣，后者叫擠壓試樣.為了提高對比試驗(yàn)結(jié)果的置信度，兩種試樣的數(shù)量都是12根，以避免隨機(jī)因素的干擾.

2)試驗(yàn)載荷的確定.

為了模擬產(chǎn)品的實(shí)際使用載荷，將實(shí)測的載荷譜按疲勞損傷等效法則轉(zhuǎn)化為程序載荷譜[3]，如表3所示.關(guān)于程序載荷譜的轉(zhuǎn)化問題在此不作詳述.

表3 試驗(yàn)載荷譜

考慮到加載順序?qū)ζ趬勖挠绊?，按照常?guī)采用中一高一低順序試驗(yàn)譜[4]，如圖2所示.

圖2 試驗(yàn)譜

3)試驗(yàn)結(jié)果分析.

按照圖2所示的試驗(yàn)順序譜，對12根試樣進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表4.

表4 兩種試樣的對比試驗(yàn)

由表4給出的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析，得到表5所示的分析結(jié)果.

表5 數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果

由表5的結(jié)果可以看到：

1)與變異系數(shù)相對應(yīng)，冷擠壓試樣最少試件數(shù)為6個，未冷擠壓試件最少試件為12個，實(shí)際試驗(yàn)件數(shù)都是12個，這表明試驗(yàn)件數(shù)滿足置信度為95%中值壽命所需的試件數(shù).

2)冷擠壓試樣的平均壽命是未冷擠壓試樣的6.1倍，與表2中方案4下的冷擠壓試樣壽命與未冷擠壓試樣壽命之比基本一致.

3)擠壓試樣變異系數(shù)為未冷擠壓孔試樣的60%，即擠壓試樣的疲勞壽命分散性減小了.大量試驗(yàn)表明，此產(chǎn)品的疲勞壽命為對數(shù)正態(tài)分布，其可靠性系數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)差的減函數(shù)，即分散性越小，可靠性越高.所以，擠壓試樣分散性減小了，表明其可靠性提高了.

為了說明這一點(diǎn)，我們由表5分析兩種試樣在不同存活率(可靠度)下的壽命比.存活率即可靠度為P的對數(shù).平均疲勞壽命Xp、標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)偏量Up、對數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差S之間的關(guān)系如式(3)所示.[5]

.

(3)

按照式(3)并經(jīng)查表計(jì)算可以得出不同存活率下的壽命比，結(jié)果見表6.

表6 不同存活率下的壽命比

由表6可以看出，存活率越高，擠壓試樣比未擠壓試樣的疲勞壽命提高就越大.表明螺紋孔經(jīng)本方案的非均勻冷擠壓強(qiáng)化后，疲勞壽命與疲勞可靠性都有明顯提高.

3.2 樣件壽命試驗(yàn)研究

經(jīng)過模擬樣件試驗(yàn)后，按照預(yù)攻絲錐設(shè)計(jì)方案4，加工3臺傳動箱實(shí)物樣機(jī)在使用單位進(jìn)行了裝車行駛試驗(yàn)考核.

為了對比試驗(yàn)的效果，試驗(yàn)中，將3臺樣機(jī)安裝在以往傳動箱損壞最嚴(yán)重的車上進(jìn)行試驗(yàn).此前，其中一臺車已連續(xù)損壞了3臺傳動箱，其使用壽命分別為17 h、52 h和63 h，平均使用壽命44 h.

按照冷擠壓方案4加工的3臺傳動箱樣機(jī)，分別裝在車上按照日常的使用方式進(jìn)行行駛試驗(yàn).截止數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)前，各傳動箱的使用時間分別達(dá)到1 120 h、950 h和926 h，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了以往的使用壽命，達(dá)到了平均壽命提高22.7倍的效果.雖然試驗(yàn)樣本量有限，試驗(yàn)數(shù)據(jù)不能完全作為提高壽命倍數(shù)的結(jié)論依據(jù)，但可以肯定的是，采用非均勻冷擠壓強(qiáng)化技術(shù)可以大幅提高產(chǎn)品的疲勞壽命.

4 結(jié) 論

1)本研究針對某特種車輛的傳動箱的螺紋孔處損壞問題，采用冷擠壓強(qiáng)化技術(shù)設(shè)計(jì)了多種預(yù)攻絲錐進(jìn)行冷擠壓的方案并研制試樣進(jìn)行了等幅疲勞

試驗(yàn)，得到了只有對螺紋的齒根、齒側(cè)和齒尖同時非均勻擠壓，壽命才能明顯提高的基本結(jié)論，試驗(yàn)得到了冷擠壓試樣的平均壽命是未冷擠壓試樣的5.4倍的結(jié)果.

2)按照疲勞損傷等效法將實(shí)測的載荷譜轉(zhuǎn)化為程序載荷譜，對試件進(jìn)行了臺架模擬試驗(yàn)，結(jié)果表明冷擠壓試樣的平均壽命是未冷擠壓試樣的6.1倍，進(jìn)一步驗(yàn)證了冷擠壓強(qiáng)化能夠大幅提高產(chǎn)品的疲勞壽命.

3)道路行駛試驗(yàn)結(jié)果表明，樣機(jī)平均壽命比改進(jìn)前提高了22.7倍.雖然試驗(yàn)樣本量有限，試驗(yàn)數(shù)據(jù)不能完全作為提高壽命倍數(shù)的結(jié)論依據(jù)，但可以肯定的是，采用非均勻冷擠壓強(qiáng)化技術(shù)可以大幅提高產(chǎn)品的疲勞壽命.

本研究是針對特定的鑄造箱體傳動箱開展的研究，雖然研究結(jié)果有一定的針對性，不同材料、加工工藝不同，冷擠壓強(qiáng)化的方案也就會有所不同，但可以肯定的是，采用非均勻冷擠壓技術(shù)對螺紋齒根、齒側(cè)和齒尖同時擠壓，可以大幅度提升螺紋連接結(jié)構(gòu)件的疲勞壽命，這對開展結(jié)構(gòu)件的可靠性提升具有重要的借鑒意義.