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圖1　斷裂傳動(dòng)軸的宏觀形貌

銷孔直徑為5mm，在工作時(shí)受到的擠壓應(yīng)力約為80MPa，設(shè)計(jì)安全系數(shù)較大，銷孔由電火花加工而成，電火花加工后無后續(xù)處理。電火花加工是一種利用電、熱能進(jìn)行加工的方法，其不受材料硬度、脆性、韌性、熔點(diǎn)等的限制，可加工任意導(dǎo)電材料，適用于加工結(jié)構(gòu)特殊、形狀復(fù)雜及薄壁結(jié)構(gòu)的零件。

為了查明該傳動(dòng)軸斷裂的原因，筆者對其進(jìn)行了檢驗(yàn)與分析。

理化檢驗(yàn)

分析與討論

由理化檢驗(yàn)結(jié)果可知，斷裂傳動(dòng)軸的化學(xué)成分及基體顯微組織均未見異常，傳動(dòng)軸銷孔表面存在變質(zhì)層及微裂紋，斷裂部位未見明顯塑性變形痕跡。斷口微觀呈現(xiàn)疲勞條帶特征，斷裂源區(qū)存在疲勞臺階，可知傳動(dòng)軸為多源疲勞斷裂。傳動(dòng)軸銷孔表面存在多條沿變質(zhì)層微裂紋擴(kuò)展的長裂紋，說明傳動(dòng)軸的斷裂起源于銷孔表面的微裂紋，在外力作用下擴(kuò)展直至斷裂。

電火花加工是一種直接利用電能與熱能加工的特種工藝。電火花加工時(shí)，工件之間不相互接觸，通過電極分別與脈沖電源的兩極相接，然后浸入工作液里，通過相互之間間隙控制進(jìn)給量，使得兩電極之間的脈沖電壓將工作液擊穿，產(chǎn)生火花放電。瞬時(shí)集中大量的熱能，溫度急劇升高，壓力驟然變化，從而使工件接觸面的金屬材料立刻熔化、氣化，并爆炸式地飛濺。在電火花加工過程中，放電時(shí)的瞬時(shí)高溫與工作液的快速冷卻作用對材料表面層產(chǎn)生重要的影響，使表面層分為表面熔化凝固層和其下面的熱影響層。熔化凝固層，由于觀察顯微組織時(shí)呈現(xiàn)白亮色，故又稱之為白層。白層是放電時(shí)瞬時(shí)高溫熔化，受工作液快速冷卻而又滯留下來的一層物質(zhì)，其組織為樹枝狀的淬火鑄造組織，由晶粒極細(xì)的馬氏體和殘余奧氏體及某些碳化物組成。熔化凝固層的厚度隨能量的變化而變化，但一般不超過0.1mm。熱影響層是熔化凝固層和基體之間的過渡區(qū)域，其和基體材料之間無很明顯的界限，熱影響層的金屬材料并沒有熔化，只是受到高溫的影響，使材料的顯微組織發(fā)生了變化。

電火花加工表面由于受到瞬時(shí)高溫作用后極速冷卻，容易產(chǎn)生拉應(yīng)力，因此在表面容易出現(xiàn)顯微裂紋。大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，一般裂紋僅在熔化凝固層內(nèi)出現(xiàn)，只有在能量很大情況下(粗加工時(shí))才有可能擴(kuò)展到熱影響層。顯微裂紋的存在使其耐疲勞性能比機(jī)械加工的表面低許多倍。因此，在選擇加工方法時(shí)應(yīng)充分考慮零件的實(shí)際工況。傳動(dòng)軸銷孔處在工作中會(huì)受到較大的交變載荷作用，一旦存在微裂紋，將快速擴(kuò)展并使傳動(dòng)軸斷裂。

結(jié)論及建議

該傳動(dòng)軸的斷裂模式為疲勞斷裂，是由于電火花加工工藝設(shè)置不當(dāng)，使傳動(dòng)軸的銷孔表面產(chǎn)生了微裂紋，在交變載荷作用下，銷孔表面處的微裂紋不斷擴(kuò)展直至傳動(dòng)軸發(fā)生斷裂。

建議將銷孔的加工工藝由電火花加工改為機(jī)械鉆孔，以增強(qiáng)銷孔表面的完整性，提高其耐疲勞性能。