摘 要:某铁路车轮锻压过程中其下芯棒频繁发生断裂。采用宏观观察、化学成分分析、扫描电 镜分析、金相检验、硬度测试等方法,分析了下芯棒断裂的原因。结果表明:下芯棒R 角尺寸偏小, 在下芯棒工作时,R 角处因应力集中而发生断裂。对倒角部位的尺寸进行优化,可以避免下芯棒 发生断裂。
关键词:下芯棒;断裂;R 角;应力集中
中图分类号:TB31;TG315.2;TG115.2 文献标志码:B 文章编号:1001-4012(2023)01-0072-03
辗钢车轮生产工艺包括较大的塑性变形,该工 艺有助于提高产品的质量,是车轮制造厂采用的主 要生产工艺。辗钢车轮成形的工序为:预成形→成 形→轧制扩径→压弯冲孔[1]。车轮成形所用锻压力 较大,模具结构复杂,各模具受力较大。下芯棒是车 轮 成 形 工 序 所 用 的 重 要 模 具 之 一,材 料 为 5CrMnMo钢,在车轮成形过程中,下芯棒的主要作 用是分配车轮金属。
某厂作用的下芯棒模具频繁发生断裂,导致车 轮生产线停产,造成重大经济损失。笔者采用宏观 观察、化学成分分析、扫描电镜(SEM)分析、金相检 验、硬度测试等方法,分析了下芯棒的断裂原因,并 提出预防措施,以避免该类事故再次发生。
1 理化检验
1.1 宏观观察
断裂下芯棒的宏观形貌如图1所示,可见下芯 棒从R 角处裂开,被撕裂成多块。下芯棒尺寸及断裂位置如图2所示。
在下芯棒断口处取样进行宏观观察,结果如图 3所示。由图3可知:断裂为多源脆性断裂,裂纹源 起始于下芯棒R 角区域;裂纹由下芯棒R 角处向内 扩展,裂纹快速扩展区的面积最大,导致芯棒断裂为 多块[2]。
1.2 化学成分分析
在断裂下芯棒上取样,用直读光谱仪进行化学 成分分析,结果如表1所示,可见下芯棒的化学成分 符合 GB/T1299—2014 《工模具钢》对5CrMnMo 钢的要求。
1.3 SEM 分析
在下芯棒断口处取样,用SEM 进行分析,结果
如图4所示。由图4可知:断裂起源于R 角处表
面,断裂起源处局部区域呈沿晶断裂;脆性区部分晶
粒内部呈脆性解理断裂,晶界附近有韧窝形貌;断
口绝大部分区域为快速扩展区,微观形貌为准解理
断裂;断口上未见明显夹杂物等原始冶金缺陷,未发
现明显的其他缺陷。
1.4 硬度测试
采用洛氏硬度计对下芯棒R 角处的断面进行
硬度测试,结果如表2所示,可见R 角处的断面硬
度都符合设计要求,未见异常。
1.5 金相检验
在下芯棒断口处取样,并进行金相检验,结果如 图5所示。由图5可知:断裂起源处可见一些微裂 纹,起源处未见冶金缺陷,裂纹内未见夹杂物;试样 显微组织不均匀,可见黑白区,黑区显微组织为索氏 体,白区显微组织为贝氏体;试样内部可见锯齿形裂 纹,裂纹内未见非金属夹杂物,裂纹处没有发现明显 的缺陷;断口的裂纹扩展形式为穿晶断裂,判断为 脆性断裂。
2 综合分析
由上述理化检验结果可知,下芯棒的化学成分、
硬度及显微组织等都符合相关标准及技术要求。对
下芯棒的服役环境进行调查可知,在车轮成形的锻
压和脱模过程中,下芯棒都承受着瞬间大冲击载荷。
下芯棒是由芯棒杆体与尾部组成的阶梯轴式工件,
杆体与尾杆之间有较大的尺寸变化,在芯棒尾部受
力时,发生尺寸变化的位置会产生应力集中。下芯
棒多次在R 角处发生断裂,可推断出下芯棒R 角处
是应力集中区,R 角处一旦萌生裂纹,在多次受力
的情况下,裂纹会快速扩展,最终导致下芯棒断
裂[3-6]。
3 改进措施
对于阶梯轴类的工件而言,在其他条件相同的
情况下,工件过渡圆角半径与轴半径之比越小,阶梯
两侧尺寸变化越大,有效应力集中因数越大,工件对
应力集中越敏感[7]。采用增大尾杆直径以及过渡圆
角半径等方法,可以减小应力集中对下芯棒尾部寿
命的影响。对下芯棒R 角尺寸进行优化设计,将倒
圆角半径由2mm改为10mm,可以避免下芯棒在
R 角处的应力集中。经过现场实际使用,改进后的
下芯棒未再次发生断裂。
4 结论与建议
下芯棒的化学成分、硬度、显微组织等均符合要 求。下芯棒断裂原因为:R 角尺寸偏小,在R 角处 产生应力集中导致下芯棒发生断裂。下芯棒为多源 脆性断裂,裂纹由下芯棒R 角处向内扩展。
对下芯棒R 角处尺寸进行优化,减小R 角半
径,可以避免再次发生该类芯棒断裂事故。
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