金兄珍，馮賢，牛杰，高天芬，王曉華，吳成衛(wèi)

萬(wàn)向錢(qián)潮股份有限公司 浙江杭州 311215

1 序言

等速驅(qū)動(dòng)軸是汽車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)中的重要組成部分，三球銷(xiāo)萬(wàn)向節(jié)是汽車(chē)傳動(dòng)系統(tǒng)等速驅(qū)動(dòng)軸總成的一個(gè)關(guān)鍵部件，常用于汽車(chē)等速驅(qū)動(dòng)軸的移動(dòng)端，連接萬(wàn)向節(jié)的主動(dòng)軸、從動(dòng)軸以等角速度運(yùn)轉(zhuǎn)，用來(lái)傳遞發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸端輸出的力矩，以實(shí)現(xiàn)汽車(chē)行駛。因此，對(duì)三球銷(xiāo)萬(wàn)向節(jié)高性能的要求尤為重要。

2 失效情況

某車(chē)型等速驅(qū)動(dòng)軸總成在臺(tái)架試驗(yàn)中，發(fā)生早期失效，檢查發(fā)現(xiàn)等速移動(dòng)節(jié)三銷(xiāo)架裂開(kāi)，扭轉(zhuǎn)疲勞壽命不足，其材料牌號(hào)為16MnCr5H，加工工藝為：下料→加熱→鍛造成形→機(jī)加工→熱處理→精加工。本文通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)失效零件進(jìn)行斷口宏觀形貌及斷裂源觀察分析，并結(jié)合金相、有限元分析等方法，揭示該類(lèi)零件的斷裂原因，為產(chǎn)品的安全、延壽提供技術(shù)支持。斷裂三銷(xiāo)架臺(tái)架試驗(yàn)見(jiàn)表1。

表1 斷裂三銷(xiāo)架臺(tái)架試驗(yàn)

3 原因分析與排查

3.1 失效件觀察

斷裂三銷(xiāo)架宏觀形貌如圖1所示，目視可見(jiàn)三銷(xiāo)架鼓形花鍵部位發(fā)生斷裂，存在不同程度的擠壓變形和磨損痕跡。

圖1 斷裂三銷(xiāo)架宏觀形貌

將斷口置于電鏡下進(jìn)行觀察，兩處斷口形貌如圖2所示。由圖2可看出，斷口1較為平整，斷口2起伏較大，從斷口擴(kuò)展方向紋路判斷（見(jiàn)圖3），裂紋是由內(nèi)側(cè)花鍵向外擴(kuò)展，裂紋源處為沿晶及韌窩形貌（見(jiàn)圖4），存在沿晶裂紋，裂紋擴(kuò)展區(qū)為韌窩及解理形貌（見(jiàn)圖5）。從斷口宏觀和微觀形貌判斷，三銷(xiāo)架的斷裂模式應(yīng)為疲勞斷裂。

圖2 斷口形貌

圖3 斷口處低倍形貌

圖4 裂紋源處形貌

圖5 裂紋擴(kuò)展區(qū)解理形貌

3.2 金相與材質(zhì)檢查

（1）金相組織 將斷裂件三銷(xiāo)架制備成金相試樣進(jìn)行觀察（見(jiàn)圖6），可見(jiàn)表面組織為馬氏體+殘留奧氏體和碳化物，心部組織為低碳馬氏體，花鍵部位存在低碳勢(shì)滲碳層，金相檢測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。參照金相組織評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)級(jí)，滿足設(shè)計(jì)要求，但花鍵部位存在低碳勢(shì)滲碳層，不滿足設(shè)計(jì)要求。在三銷(xiāo)架疲勞源區(qū)未見(jiàn)明顯材料缺陷。

圖6 斷裂三銷(xiāo)架金相組織

（2）硬度檢測(cè) 對(duì)金相試樣進(jìn)行顯微硬度測(cè)試（見(jiàn)表2）[1]，表面硬度為59.5HRC、59.8HRC，心部硬度為393HV、373HV，表面滲碳淬硬層深度為0.87mm、0.80mm，花鍵硬度640HV、404HV，扭轉(zhuǎn)疲壽命試驗(yàn)1#件花鍵硬度明顯偏高，扭轉(zhuǎn)疲壽命試驗(yàn)2#件花鍵硬度符合圖樣設(shè)計(jì)要求。兩件的硬度差異表明，花鍵硬度超高的三銷(xiāo)架零件在熱處理時(shí)花鍵部位滲碳?xì)夥战脒M(jìn)去了，使得花鍵表面產(chǎn)生滲碳淬硬層，導(dǎo)致花鍵表面硬度超高?；谠摦a(chǎn)品花鍵硬度超高，會(huì)使得三銷(xiāo)架零件花鍵韌性下降，導(dǎo)致產(chǎn)品扭轉(zhuǎn)疲勞壽命下降，結(jié)合斷裂源部位在花鍵部位，分析認(rèn)為這是三銷(xiāo)架斷裂的主要原因。

表2 試驗(yàn)件金相檢測(cè)數(shù)據(jù)

（3）成分分析 采用火花只讀原子發(fā)射光譜儀對(duì)金相試樣進(jìn)行檢測(cè)，材料主要化學(xué)成分符合16MnCr5H鋼標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)要求。16MnCr5H鋼是德國(guó)材料牌號(hào)，與中國(guó)16C r M n H鋼接近（參照G B/T 5216—2014）[2]，有較好的淬透性和可加工性，對(duì)較大截面零件，熱處理后能得到較高表面硬度和耐磨性，低溫沖擊韌度也較高。16MnCr5H齒輪鋼經(jīng)滲碳淬火后使用，主要用于制造齒輪、蝸桿、密封軸套等零部件。

3.3 過(guò)程排查

原材料采用帶鋸式下料，制成一顆顆坯料，自動(dòng)上料經(jīng)中頻感應(yīng)加熱，過(guò)程中加熱溫度自動(dòng)控制，鋼質(zhì)模鍛鍛造成形，后進(jìn)行機(jī)加工至工藝圖樣要求，零件進(jìn)行串棒裝筐后在多用爐進(jìn)行滲碳淬火、回火。因樣品生產(chǎn)緊急，工裝為臨時(shí)代用，加工過(guò)程中設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)、工藝執(zhí)行均正常，在數(shù)控磨床上完成精磨外圓加工至成品。通過(guò)對(duì)這些過(guò)程逐一排查發(fā)現(xiàn)：滲碳淬火、回火的工裝為臨時(shí)代用工裝，部分工裝不符合工藝要求，導(dǎo)致花鍵部位產(chǎn)生低碳勢(shì)的滲碳層。熱處理金相檢測(cè)屬于破壞性測(cè)試，執(zhí)行抽檢方式，當(dāng)時(shí)抽檢金相檢測(cè)數(shù)據(jù)符合工藝要求，未抽到不符合的情況?；ㄦI拉刀的大徑為極上限，導(dǎo)致三銷(xiāo)架拉花鍵后產(chǎn)品尺寸為極上限（見(jiàn)表3）。

表3 花鍵與齒根檢測(cè)結(jié)果

3.4 對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行數(shù)字化模擬有限元分析

對(duì)三銷(xiāo)架建模進(jìn)行數(shù)字化模擬有限元分析，軸頸根部強(qiáng)度應(yīng)力分布云圖如圖7所示。因三銷(xiāo)架產(chǎn)品結(jié)構(gòu)因素影響，等效應(yīng)力最大處在軸頸根部R部位，此處應(yīng)為三銷(xiāo)架產(chǎn)品最薄弱部位。

圖7 軸頸根部強(qiáng)度應(yīng)力分布云圖

對(duì)三銷(xiāo)架的花鍵模型對(duì)比分析，如圖8所示[3]。從應(yīng)力分布云圖上可看出，三銷(xiāo)架內(nèi)花鍵應(yīng)力分布不均勻，在偏離軸頭中心3～4顆花鍵齒處應(yīng)力最大，三個(gè)軸頭相對(duì)最薄弱齒處強(qiáng)度相當(dāng)。

圖8 三銷(xiāo)架的花鍵模型對(duì)比分析

通過(guò)多組花鍵大徑尺寸和齒根圓角的理論計(jì)算，計(jì)算數(shù)據(jù)見(jiàn)表4、圖9。根據(jù)計(jì)算的數(shù)據(jù)情況，建議花鍵大徑尺寸按φ32.2～φ32.4mm控制，齒根圓角理論分析R0.26～R0.36mm較為理想，考慮實(shí)際制造精度需要，建議按R0.25～R0.5mm控制。

表4 組花鍵大徑尺寸和齒根圓角的理論計(jì)算數(shù)據(jù)

圖9 不同狀態(tài)下齒根最大應(yīng)力分布

4 分析與討論

1）宏觀和微觀觀察結(jié)果表明，等速移動(dòng)端三銷(xiāo)架疲勞源區(qū)位于花鍵部位，花鍵斷裂部位存在不同程度的擠壓變形和磨損痕跡。三銷(xiāo)架花鍵之所以會(huì)萌生疲勞裂紋，與其經(jīng)受加載正負(fù)交變扭矩有關(guān)。在正負(fù)交變扭矩作用下，三銷(xiāo)架花鍵與軸桿花鍵的配合情況逐漸惡化，二者不斷發(fā)生相互擠壓、磨損，導(dǎo)致花鍵發(fā)生一定程度的變形，加之花鍵齒根圓弧較小，花鍵大徑極上限的因素影響，促進(jìn)了花鍵薄弱處齒根R部位疲勞裂紋的萌生。為了防止三銷(xiāo)架花鍵齒根薄弱處情況惡化，一方面，需要三銷(xiāo)架?chē)?yán)格控制三銷(xiāo)架花鍵處硬度，降低三銷(xiāo)架花鍵部位的脆性，提高三銷(xiāo)架花鍵部位的韌性；另一方面，花鍵齒根應(yīng)控制適當(dāng)?shù)腞尺寸，以提高花鍵承載能力。

2）顯微硬度測(cè)試結(jié)果表明，三銷(xiāo)架花鍵硬度為640HV，明顯高于設(shè)計(jì)要求，這會(huì)導(dǎo)致三銷(xiāo)架花鍵處承載能力和抗疲勞性能不足。三銷(xiāo)架花鍵硬度偏低可能與兩方面原因有關(guān)：一方面是三銷(xiāo)架熱處理工藝不當(dāng)，導(dǎo)致三銷(xiāo)架材料硬度超高；另一方面是三銷(xiāo)架在熱處理時(shí)，存在部分裝筐不合理，導(dǎo)致滲碳?xì)夥諠B入三銷(xiāo)架花鍵部位，導(dǎo)致花鍵硬度超高。

上述兩個(gè)原因究竟哪一種起主要作用，目前通過(guò)對(duì)同批次產(chǎn)品檢查金相符合要求，可排除該方面的因素。另外，該三銷(xiāo)架為新品樣品加急，熱處理工裝為臨時(shí)代用，存在個(gè)別工裝不合理的情形，導(dǎo)致熱處理后部分產(chǎn)品花鍵硬度超高，使得該批次樣品作報(bào)廢處理。為了防止此問(wèn)題的發(fā)生，決定制作新工裝，重新制作樣品。

3）火花只讀原子發(fā)射光譜儀對(duì)材料檢測(cè)結(jié)果表明，三銷(xiāo)架主合金元素及含量與16MnCr5H鋼成分相符。金相分析結(jié)果表明，基體表面組織為馬氏體+殘留奧氏體和碳化物，心部組織為低碳馬氏體+鐵素體，組織分析可見(jiàn)材料無(wú)異常。

4）產(chǎn)品進(jìn)行數(shù)字化模擬有限元分析表明，三銷(xiāo)架軸頸等效應(yīng)力分析為最大處在軸頸根部R部位，此處應(yīng)為三銷(xiāo)架產(chǎn)品最薄弱部位；對(duì)三銷(xiāo)架的花鍵模型對(duì)比分析可見(jiàn)，在偏離軸頭中心3～4顆花鍵齒處應(yīng)力最大，三個(gè)軸頭相對(duì)最薄弱齒處強(qiáng)度相當(dāng)。為提升三銷(xiāo)架花鍵強(qiáng)度，建議嚴(yán)格控制花鍵齒根R和大徑尺寸。

綜合上述分析，建議嚴(yán)格控制三銷(xiāo)架熱處理工裝與質(zhì)量、花鍵齒根圓弧和大徑，保證三銷(xiāo)架強(qiáng)度滿足要求，從而避免三銷(xiāo)架早期失效，延長(zhǎng)其使用壽命，保證汽車(chē)的行駛安全。

5 結(jié)論與建議

1）汽車(chē)等速移動(dòng)節(jié)三銷(xiāo)架的斷裂模式為疲勞斷裂。

2）早期失效斷裂原因與熱處理工裝、花鍵大徑、齒根R等不合理、不足有關(guān)。

3）嚴(yán)格控制熱處理工裝、花鍵大徑和齒根圓弧。