辛延君，王超，黃俊，姜愛龍，王福祥

（1.內(nèi)燃機(jī)可靠性國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濰坊 261061；2.濰柴動(dòng)力股份有限公司，山東 濰坊 261061；3.濰柴動(dòng)力（濰坊）鑄鍛有限公司，山東 濰坊 261199;4.西南技術(shù)工程研究所，重慶 400039）

凸輪軸是柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的重要零部件，主要由凸輪和凸輪軸軸頸等組成。凸輪在發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中需要經(jīng)受氣門間歇性開啟的周期性沖擊載荷，因此，要求凸輪的表面既要耐磨、同時(shí)也要有足夠的韌性和剛度。凸輪軸材料一般為優(yōu)質(zhì)鍛鋼和特種鑄鐵，凸輪軸的凸輪和各個(gè)軸頸的工作表面需要熱處理后再精磨和拋光，來提高其硬度及耐磨性[1]。凸輪軸斷裂的原因有很多，例如在加工過程中要求凸輪軸的加工工藝良好，表面粗糙度差，刀痕深，凸輪軸在受到交變扭轉(zhuǎn)力作用下，容易產(chǎn)生疲勞源擴(kuò)展，導(dǎo)致斷裂[2-3]。凸輪軸止推片材料選材不合理，且熱處理工藝不滿足技術(shù)要求，使得在工作過程中凸輪軸止推片和凸輪軸端面之間發(fā)生嚴(yán)重的粘著磨損，導(dǎo)致工作過程中凸輪軸異常受力，發(fā)生疲勞斷裂[4]。原材料存在較多的硫化物夾雜，調(diào)質(zhì)處理后存在大量的鐵素體組織且晶粒粗細(xì)不均勻，在淬火加熱過程中溫度偏高，綜合原因?qū)е峦馆嗇S早期的斷裂[5]。凸輪軸和齒輪錐面的加工質(zhì)量差，導(dǎo)致錐面的貼合率不滿足要求，工作過程中凸輪軸與齒輪間存在微動(dòng)磨損，造成凸輪軸斷裂失效[6]。

1 試驗(yàn)背景

某船用柴油機(jī)進(jìn)行性能試驗(yàn)時(shí)，柴油機(jī)出現(xiàn)悶響，停車后發(fā)現(xiàn)，缸蓋墊片呲破鼓出，并漏水。下臺架進(jìn)行拆檢，拆檢過程中發(fā)現(xiàn)凸輪軸斷裂，凸輪軸斷口如圖1所示。柴油機(jī)前期進(jìn)行了多輪的耐久和性能試驗(yàn)，具體的運(yùn)行時(shí)間和里程不詳。

凸輪軸材料為高碳鉻軸承鋼GCr15，生產(chǎn)工藝流程為：軋制、球化退火精車精坯、鉆銷孔、攻絲車銑凸輪、粗磨凸輪、感應(yīng)淬火、回火、精磨軸頸、精磨凸輪、清毛刺、磁力探傷、成品檢驗(yàn)、清洗包裝。

凸輪軸螺栓材料為40Cr，性能等級為12.9級。

2 失效分析

2.1 斷口分析

2.1.1 螺栓宏觀斷口分析

凸輪軸斷口表面6根螺栓仍擰緊在螺紋孔中，螺栓底孔磨損嚴(yán)重。把6根螺栓隨機(jī)命名為1#—6#。

圖1 凸輪軸斷口表面Fig.1 Fracture surface of the camshaft: a) gear side fracture; b) body side fracture

拆檢螺栓過程中，發(fā)現(xiàn) 1#螺栓存在貫穿裂紋，用手可以掰斷，掰斷后對比發(fā)現(xiàn)1#和4#螺栓的斷裂位置相同，均位于最后第三扣螺紋處，如圖2所示。

對斷裂嚴(yán)重的 4#螺栓進(jìn)行分析，螺栓斷口宏觀形貌如圖3所示。整個(gè)螺栓斷口表面較為平整，斷口及周邊的區(qū)域無明顯的銹蝕和塑性變形。螺栓斷口形貌上表面可見明顯的貝紋線，裂紋源處存在臺階，在工作過程中裂紋逐步向心部擴(kuò)展，擴(kuò)展區(qū)占整個(gè)斷口總面積的80%以上。

綜合判定，4#螺栓為多點(diǎn)疲勞斷裂，裂紋起始于螺紋的根部。

對螺栓斷口表面進(jìn)行掃描電鏡分析，觀察螺栓斷口的微觀形貌，如圖4所示。疲勞源表面已被磨平，表面無裂紋和夾雜物等原始缺陷，微觀形貌上呈現(xiàn)準(zhǔn)解理斷裂的特征。擴(kuò)展區(qū)呈現(xiàn)準(zhǔn)解理斷口特征，斷口由許多大致相當(dāng)于晶粒的小解理刻面集合而成，為典型的疲勞斷裂形貌[7-8]。整個(gè)斷口形貌擴(kuò)展區(qū)面積較大，說明螺栓在工作過程中受力較小，承受較低的循環(huán)載荷，為低應(yīng)力高周疲勞斷裂。

圖2 螺栓斷裂情況Fig.2 Bolt fracture: a) bolt fracture morphology; b) bolt length contrast

圖3 4#螺栓斷口宏觀形貌Fig.3 Macro morphology of 4# bolt fracture

圖4 螺栓斷口微觀形貌Fig.4 Micromorphology of bolt fracture: a) fracture crack source;b) fatigue fracture extension area

2.1.2 凸輪軸斷裂位置

觀察凸輪軸的斷裂位置，發(fā)現(xiàn)在凸輪軸前端20~27 mm位置處開始斷裂，整個(gè)凸輪軸斷口崎嶇不平，如圖5所示。

凸輪軸斷口側(cè)面裂紋較為曲折，各螺栓對應(yīng)凸輪軸的側(cè)面形貌如圖6所示。其中，4#、5#螺栓距凸輪軸前端距離最小，約為 20 mm，其他位置均大于 20 mm。1#、2#、6#螺栓對應(yīng)凸輪軸側(cè)面裂紋擴(kuò)展較為平整，3#、4#、5#螺栓對應(yīng)凸輪軸側(cè)面裂紋擴(kuò)展較為曲折。

2.1.3 凸輪軸宏觀斷口分析

對凸輪軸斷口進(jìn)行宏觀觀察，如圖7所示。4#、5#螺紋孔所在的凸輪軸表面可見明顯的放射線及貝紋線，弧線圓心位于4#螺栓螺紋孔附近。判斷初始疲勞源位于4#螺紋孔位置，凸輪軸為多源疲勞斷裂[7-8]。

圖5 凸輪軸斷裂位置Fig.5 Location of camshaft fracture

圖6 各螺栓對應(yīng)凸輪軸側(cè)面形貌Fig.6 Morphology of bolts corresponding to camshaft profile: a) crresponding location of 1 # bolt fracture; b) crresponding location of 2 # bolt fracture; c) crresponding location of 3 # bolt fracture; d) crresponding location of 4 # bolt fracture;e) crresponding location of 5 # bolt fracture; f) crresponding location of 6 # bolt fracture

圖7 凸輪軸斷口形貌Fig.7 Morphology of camshaft fracture

2.1.4 起因件判定

發(fā)動(dòng)機(jī)拆檢后，發(fā)現(xiàn)凸輪軸的前端和齒輪連接位置斷裂，且連接凸輪軸與齒輪的6根螺栓有2根發(fā)生斷裂，2根螺栓的斷裂位置相同。螺栓根部應(yīng)力集中現(xiàn)象較為嚴(yán)重，螺栓工作過程中受力最大的位置為第一扣螺紋的根部[9]，所以螺栓首先在齒根處斷裂。由此判定凸輪軸發(fā)生斷裂不是凸輪軸和齒輪之間的連接螺栓強(qiáng)度不足造成。

綜合分析整個(gè)事件，凸輪軸為起因件，凸輪軸發(fā)生斷裂，隨后凸輪軸和齒輪之間的連接螺栓發(fā)生斷裂，連接螺栓為受害件。

2.2 凸輪軸斷裂外因分析

目前，發(fā)動(dòng)機(jī)采用硅油減震器，硅油減震器通過齒輪將力逐級傳遞到凸輪軸頂端，凸輪軸頂端受到剪切作用。發(fā)動(dòng)機(jī)的標(biāo)定轉(zhuǎn)速為2300 r/min，功率為1212 kW，爆壓為16.9 MPa。

測試結(jié)果顯示最大扭振振幅為 0.2°，出現(xiàn)在3階轉(zhuǎn)速時(shí)，滿足設(shè)計(jì)限制0.25°。

2.3 凸輪軸感應(yīng)淬火情況分析

因凸輪軸前端受力過大，超出其承受的最大載荷，導(dǎo)致凸輪軸在前端螺紋孔處斷裂。從外因分析可能是減震器失效導(dǎo)致凸輪軸前端承受載荷過大引起斷裂，從內(nèi)因分析可能是凸輪軸的加工和熱處理工藝、或者原材料存在問題[10]。因此，需進(jìn)一步分析確定凸輪軸斷裂原因。對柴油機(jī)上的減震器進(jìn)行扭振測試，分析測試結(jié)果表明所用的減震器正常，未發(fā)生失效。

觀察凸輪軸斷口橫截面處螺紋孔的淬硬情況，如圖8所示。可見凸輪軸橫截面從表面已經(jīng)淬透至螺紋底孔，如圖中虛線所示。

沿凸輪軸 1#、4#螺栓孔縱向切割，觀察螺栓孔處淬硬情況，如圖9所示，4#螺栓斷口稍高處已感應(yīng)淬火，最低處螺牙未感應(yīng)淬火。

2.4 金相組織分析

按照文獻(xiàn)[11]對圖9斷口附近的金相組織進(jìn)行分析,如圖10所示。圖9a近斷口處表面的金相組織為針狀回火馬氏體+粒狀碳化物，圖9b表面的整個(gè)截面由表及里金相組織一致，為細(xì)小均布的粒狀珠光體，進(jìn)一步證明圖9b近斷口處未感應(yīng)淬火。說明4#螺紋孔位于感應(yīng)淬火和非感應(yīng)淬火的臨界區(qū)域，組織應(yīng)力和熱應(yīng)力較大。且在螺栓根部的尖角位置容易發(fā)生尖角效應(yīng)，應(yīng)力集中較為嚴(yán)重，導(dǎo)致工件運(yùn)行過程中容易萌生疲勞裂紋，發(fā)生斷裂[12]。

圖8 凸輪軸橫截面螺栓孔淬硬情況Fig.8 Bolt hole hardening of camshaft cross section

2.5 硬度分析

按照GB/T 231.1—2009金屬材料 布氏硬度試驗(yàn)第1部分：試驗(yàn)方法[13],GB/T 230.1—2009金屬材料洛氏硬度試驗(yàn) 第1部分：試驗(yàn)方法（A、B、C、D、E、F、G、H、N、T標(biāo)尺）[14],采用布氏和洛氏硬度計(jì)分別檢測凸輪心部、桃尖和基圓的硬度，具體結(jié)果見表1，滿足圖紙要求。

圖9 4#螺栓孔感應(yīng)淬火情況Fig.9 4 # bolt hole induction hardening: a) Camshaft bolt with one side not hardened; b) Camshaft bolt with one side hardened

圖10 凸輪軸金相組織Fig.10 Microstructure of the camshaft: a) mcrostructure of surface; b) mcrostructure of core

表1 凸輪軸硬度檢測結(jié)果Tab.1 Camshaft hardness test results

3 優(yōu)化和改進(jìn)措施

在凸輪軸感應(yīng)淬火過程中，凸輪軸前端螺紋孔壁被淬透，增加了此位置的組織應(yīng)力和熱應(yīng)力。目前，凸輪軸的感應(yīng)淬火方式為中頻感應(yīng)加熱，可以更改為高頻感應(yīng)加熱，使得電流透入深度減小，得到較淺的硬度層，避免螺紋孔壁被淬透[15]?；蛘呖梢圆捎迷陂_孔部位加塞工裝的方式進(jìn)行屏蔽，也可以在防開裂位置與零件之間增加一層 120目左右的打磨砂紙作為電絕緣層，并覆蓋紫銅板，避免螺紋孔壁部位在感應(yīng)淬火過程中接觸冷卻液，防止此位置產(chǎn)生開裂[16]。或首先加工凸輪軸的定位銷孔，再進(jìn)行熱處理，最后鉆螺紋孔、攻絲，也可以降低螺紋孔位置被淬透的風(fēng)險(xiǎn)。通過上述措施，熱處理過程中可以完全避開凸輪軸前端的螺紋孔，消除了尖角效應(yīng)。

采用先加工凸輪軸的定位銷孔，然后用高頻感應(yīng)加熱的方式，對凸輪軸頂端表面進(jìn)行淬火，最后鉆螺紋孔、攻絲的方式生產(chǎn)凸輪軸。將凸輪軸成品的頂端切割研磨拋光觀察淬硬層，發(fā)現(xiàn)感應(yīng)淬火有效避開了凸輪軸前端的螺紋孔。淬火情況如圖11虛線所示。

將采用新工藝生產(chǎn)的凸輪軸裝配在發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行了500 h循環(huán)耐久試驗(yàn)，試驗(yàn)過程中無異?，F(xiàn)象。試驗(yàn)結(jié)束后拆檢發(fā)動(dòng)機(jī)，凸輪軸一切正常。

4 結(jié)論

1）發(fā)動(dòng)機(jī)性能試驗(yàn)過程中，凸輪軸連接螺栓和凸輪軸均發(fā)生斷裂，螺栓工作過程中受力最大的位置為第一扣螺紋的根部，受力過大應(yīng)首先在齒根處斷裂。此螺栓在螺紋末端斷裂，由此判定凸輪軸為起因件，凸輪軸發(fā)生斷裂，隨后凸輪軸和齒輪之間的連接螺栓發(fā)生斷裂，連接螺栓為受害件。

2）凸輪軸為疲勞斷裂，疲勞源位于凸輪軸的螺栓孔位置。在淬火過程中螺栓孔壁為感應(yīng)淬火和非感應(yīng)淬火的交界處，此處存在較大的組織應(yīng)力和熱應(yīng)力，工作過程中此處為薄弱點(diǎn)，受力較大產(chǎn)生疲勞裂紋，隨后裂紋不斷擴(kuò)展，最終導(dǎo)致凸輪軸斷裂。

3）對凸輪軸進(jìn)行金相組織和硬度分析，均滿足要求。表面金相組織為針狀馬氏體+粒狀碳化物，心部組織為粒狀珠光體。

4）將中頻感應(yīng)淬火更改為高頻感應(yīng)淬火，先鉆定位銷孔再進(jìn)行熱處理，最后鉆螺紋孔，可以有效避免凸輪軸螺紋孔處被淬透的問題，按照上述措施改進(jìn)后，耐久試驗(yàn)后的凸輪軸無異常。