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胡明杰

（揚州大學機械工程學院，江蘇揚州225009）

摘要：介紹了軸桿件在壓力機上的應用及其作用，并結合實例，對壓力機曲軸和立柱斷裂失效進行了分析，在此基礎上分析了在壓力機生命周期內導致壓力機軸桿件斷裂失效的原因，并提出了相應的預防措施。

關鍵詞：壓力機；軸桿件；斷裂失效；預防措施中圖分類號：TG3巧文獻標志碼：A文章編號：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

壓力機作為壓力成形裝備廣泛應用于國民經濟的各個領域，是裝備制造業的重要組成部分。壓力機的性能已經成為衡量一個國家科技水平、國際競爭力和綜合國力的重要標志。

壓力機根據執行機構的驅動方式不同，分為機械式傳動（如機械壓力機）和液壓式傳動（如液壓機）。

不論機械壓力機還是液壓機，都是通過軸桿件的旋轉或往復直線運動進行機械能或液壓能的傳遞，同時為執行機構（如液壓機滑塊）提供運動導向。

軸桿件是壓力機的重要組成部分和核心功能部件。

軸桿件的斷裂失效，輕則造成壓力機無法使用，影響生產；重則導致壓力機損毀甚至釀成安全事故。

壓力機軸桿件斷裂失效分析

隨著現代科學技術的飛躍發展，失效分析已經成為一門綜合性的邊緣學科，在工程領域得到了日益廣泛地應用。

為了提高設備的質量和對其壽命進行評估，國內外對失效現象進行了大量的分析與研究，積累了豐富的經驗，日益完善了失效分析技術及其理論。

應用失效分析技術，可以指導設備規劃、設計、選材、加工、制造、壽命評估、檢驗及質量管理等方面的工作，同時失效分析技術又是制定技術規范、科技發展規劃、法律仲裁和對外索賠等的重要依據。

根據金屬材料斷裂前所產生的宏觀塑性變形的大小可將斷裂分為韌性斷裂和脆性斷裂。

韌性斷裂是指金屬材料或機械構件斷裂時出現較大的或明顯的塑性變形，通常指金屬材料產生的宏觀塑性形變量大于 10％的斷裂。

用肉眼或放大鏡觀察時，斷口表面呈現纖維狀或絲光狀，灰色或暗灰色等宏觀形貌特征；脆性斷裂是指金屬材料或機械構件斷裂時不發生或發生較小的宏觀塑性變形，通常指金屬材料產生的宏觀塑性形變量小于2％的斷裂。

斷口表面形貌較平整，在光照下具有發亮特性。

用肉眼或放大鏡觀察不到宏觀變形，但在電子顯微鏡下可觀察到局部的塑性形變，即出現韌窩花樣形貌特征。

脆性斷裂是一種突然發生的斷裂，裂紋的傳播速度較快，沒有明顯的征兆，因而危害性很大，常常導致機械構件的災難性失效。

對壓力機軸桿件而言，斷裂失效的形式主要是脆性斷裂。

曲軸斷裂失效分析

曲軸的作用及要求

在機械壓力機中，曲軸的作用是將電機的旋轉運動通過曲軸的旋轉運動轉化為滑塊的上下往復直線運動，同時將電機的電能轉化為滑塊的機械能。

曲軸的受力情況復雜，除受彎矩作用外，還受扭矩和剪切力的作用，因而其制造工藝要求高。

曲軸一般選用45#鋼，經過鍛打制成曲軸鍛坯，然后進行加工和熱處理。

其主要工藝過程為：粗加工乛調質熱處理乛精加工乛中頻淬火熱處理乛磨削加工。

其中熱處理工藝要求為：曲軸基體進行調質處理；運動偶合面（支承頸、曲柄頸）進行中頻淬火處理。

通過宏觀觀察，斷裂源位于立柱退刀槽根部過渡圓角處，裂紋擴展呈規則的月牙形。

其中疲勞起源區、疲勞裂紋擴展區組織較細，形貌較為平坦、光滑，疲勞裂紋擴展區內分布有弧形跡線一一一貝紋線（疲勞裂紋擴展過程中留下的痕跡）；瞬間斷裂區為結晶狀，形貌和組織較為粗糙。

以上特征，顯示立柱的斷裂失效屬于疲勞引起的脆性斷裂。

立柱斷裂失效原因分析

四柱式液壓機立柱工作時主要承受拉伸載荷，當偏心載荷時滑塊將會發生傾斜，傾斜的滑塊會給立柱施加一個水平分力。水平分力是導致液壓機機架產生

扭曲和立柱彎曲應力急增的主要力學因素。特別是當液壓機卸壓時能量的突然釋放，會引起機架的劇烈振動和搖晃，此時液壓機立柱受力狀況最為惡劣。

立柱退刀槽處由于外形突變（溝槽、過渡圓角）、過渡圓角加工粗糙、溝槽表面的加工劃痕等多方面因素產生應力集中現象。

隨著液壓機循環交變應力的作用，致使立柱反復變形，應力集中部位一一退刀槽處極易引起微觀裂紋，微觀裂紋逐漸擴展為宏觀裂紋，最終導致了立柱的斷裂。

壓力機軸桿件斷裂失效預防

致使壓力機軸桿件斷裂失效的因素多種多樣，有的是單一因素造成，有的是兩個或多個因素共同作用所致，并且貫穿于壓力機的整個生命周期，包括設計、制造和使用（維護）等各個主要環節。

設計環節

設計是預防斷裂失效的先天之本，設計環節的質量決定了壓力機的性能。

在設計前應充分了解壓力機的工藝過程和使用工況，然后進行力學（應力）分析，確定最優結構形式，以保證軸桿件的強度、剛度和疲勞壽命等。

在設計過程中需注意以下幾點：

過渡圓角設計對斷裂失效的影響

曲軸曲柄頸和立柱退刀槽根部過渡圓角為應力集中區域，直接影響曲軸和立柱的疲勞強度和使用壽命，過渡圓角半徑越小、光滑程度（粗糙度）越差，應力集中現象越嚴重。

在條件允許的情況下，可在曲軸曲柄頸和立柱退刀槽根部過渡圓角處采用輥子輾壓強化。

熱處理工藝設計對斷裂失效的影響

壓力機軸桿件的受力情況復雜，使用工況惡劣，

因此軸桿件應具有優良的綜合力學性能。

對壓力機軸桿件而言，首先應對毛坯進行鍛制處理，然后對鍛制毛坯基體進行調質理，以改善其綜合力學性能；然后對承載面（支承頸、曲柄頸）和導向面進行表面中頻淬火處理，以提高其表面硬度。

在中頻淬火時注意控制淬硬帶寬度，邊緣距過渡圓角太近，會在過渡圓角處產生殘余拉應力，降低軸桿件的疲勞強度。

安全系數選取對斷裂失效的影響

壓力機軸桿件設計時有的只考慮了影響安全系數的常規因素和主要因素，有時往往忽略了非常規因素和次要因素，致使安全系數不足，給軸桿件的斷裂失效留下了隱患。

實際上，壓力機軸桿件的受力情況復雜，承受的力包括：拉（壓）力，彎扭力矩、橫向側推力和剪切力及其他附加載荷產生的應力。

制造環節

制造是預防斷裂失效的關鍵，牽涉到材質選擇、鍛造、熱處理、機加工、檢驗、裝配等諸多環節，制造過程的質量決定了壓力機的最終使用性能。

據相關文獻報到，70％的壓力機軸桿件斷裂失效與制造環節相關。

因此，加強制造環節的質量控制，對實現壓力機的工作性能和延長壓力機的使用壽命有著非常重要的意義。在制造過程中需注意以下幾點：

鍛坯質量對斷裂失效的影響

化學元素對斷裂失效的影響

軸桿件鍛坯中主要有害元素有硫、磷、氧等，因此應注意控制其含量，否則會直接影響軸桿件的力學性能。

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