張勇

(安徽工業(yè)經(jīng)濟(jì)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械與汽車工程學(xué)院,安徽 合肥,230051)

數(shù)控機(jī)床是一種裝有程序控制系統(tǒng)的自動化機(jī)床,在現(xiàn)代化制造業(yè)中扮演著非常重要的角色,可以完成復(fù)雜、精密、小批量、多品種的零件加工問題[1–3],代表了現(xiàn)代機(jī)床控制技術(shù)的發(fā)展方向。在數(shù)控機(jī)床的使用過程中,因工藝參數(shù)、材料、設(shè)計(jì)等原因容易誘發(fā)機(jī)床故障[4],故障分析也是學(xué)者研究的熱點(diǎn)。祝戰(zhàn)科等通過分析數(shù)控加工中心實(shí)際生產(chǎn)使用中的幾個(gè)相關(guān)故障現(xiàn)象,進(jìn)行故障原因分析,給出了診斷過程以及解決問題的辦[5];宋丹等在系統(tǒng)總結(jié)國內(nèi)外研究成果的基礎(chǔ)上,結(jié)合(BAM)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)修正模型、非線性動態(tài)系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等數(shù)控機(jī)床故障診斷技術(shù)7個(gè)方面分析了數(shù)控機(jī)床故障診斷技術(shù)理論與研究進(jìn)展[6]。可見,數(shù)控機(jī)床的故障分析是行業(yè)縱深發(fā)展的重要技術(shù)支撐。在諸多故障原因中,連接線斷裂導(dǎo)致的故障最為普遍且有代表性,本文以某型號數(shù)控機(jī)床在使用過程中發(fā)生連接線斷裂故障為例,經(jīng)過檢查發(fā)現(xiàn),具體部位為連接線發(fā)生部分?jǐn)嗔?要求對試樣進(jìn)行化學(xué)成分、力學(xué)性能和斷口形貌觀察等,找出數(shù)控機(jī)床連接線的失效原因,研究結(jié)果可為預(yù)防潛在事故的發(fā)生和判定提供參考[7]。

1 試驗(yàn)材料與方法

發(fā)生失效故障的數(shù)控機(jī)床部位為連接線,材質(zhì)為65鋼,由一根內(nèi)芯和六根外股單絲組成。從連接線上取樣進(jìn)行成分測試,并與65鋼的成分進(jìn)行對比分析,結(jié)果見表1,連接線的材質(zhì)符合65鋼要求。

表1 連接線成分測試結(jié)果 /%(w/w)

采用尼康D810數(shù)碼相機(jī)對數(shù)控機(jī)床連接線的宏觀形貌進(jìn)行拍攝;拉伸力學(xué)性能測試按照國標(biāo)GBT228-2002《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》進(jìn)行,所用設(shè)備為EA-51268型拉伸試驗(yàn)機(jī);采用TESCAN-3型電鏡進(jìn)行顯微組織觀察,并用牛津IE250X-Max50能譜成分分析儀對微區(qū)成分進(jìn)行測定;金相試樣經(jīng)過線切割、機(jī)械打磨、拋光、腐蝕后,采用Olymplus GX51光學(xué)顯微鏡進(jìn)行觀察。

2 試驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 宏觀形貌

送檢連接線的宏觀形貌如圖1所示。數(shù)控機(jī)床連接線由一根內(nèi)芯和六根外股組成,斷裂處呈散開狀,附近絞纏段有彎折塑性變形。斷口附近表面受到燒蝕呈深藍(lán)色,并且存在嚴(yán)重的磨損損傷。目視檢查7根鋼絲斷口,其中有1根外股單絲斷面較為平坦,其余6根斷口均有縮頸變形,斷口附近表面有撕裂的裂紋。

圖1 送檢試樣宏觀形貌

2.2 力學(xué)性能測試

從數(shù)控機(jī)床連接線上選取較完整的外股和內(nèi)芯單絲進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn),結(jié)果見表2。有兩根內(nèi)芯的抗拉強(qiáng)度和規(guī)定塑性延伸強(qiáng)度較高,抗拉強(qiáng)度達(dá)到1 460 MPa以上;而外股根鋼絲在熱損傷區(qū)發(fā)生斷裂,抗拉強(qiáng)度僅為622 MPa和618 MPa,抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)低于內(nèi)芯鋼絲。

表2 材料力學(xué)性能試驗(yàn)結(jié)果

2.3 顯微形貌和能譜成分分析

截取單絲試樣在掃描電鏡下觀察表面形貌,如圖2和圖3所示。平斷口和縮頸斷口的鋼絲表面形態(tài)較為類似,表面大部分區(qū)域均覆蓋泥狀和顆粒狀產(chǎn)物,EDX半定量分析方法分析表明,產(chǎn)物中含有較高的Zn、C、O、Si、Ca、Ti等元素和S、Cl腐蝕性介質(zhì)。部分鋼絲表面呈熔融形態(tài),能譜分析表明,成分以Fe的氧化物為主,Zn元素含量明顯低于其他區(qū)域,是鋼絲Zn層受到磨損和燒熔流失所致[8–9]。平斷口和頸縮斷口的附近表面均存在平行于斷口的橫向微裂紋,但裂紋數(shù)量和形態(tài)不同:平斷口附近的微裂紋數(shù)量少,且較為細(xì)長,微裂紋內(nèi)覆蓋鍍鋅層;縮頸斷口附近有許多平行的微裂紋,環(huán)向擴(kuò)展短,縱向張口大。

圖2 平斷口附近的鋼絲表面形貌

圖3 縮頸斷口附近表面形貌

清洗前的平斷口微觀形態(tài)如圖4所示,斷口覆蓋較厚的氧化產(chǎn)物和外來污染物,能譜分析表明,成分中含有很高的C、O、Al、Si和少量的K、Ca等,以及一定含量的Zn。平斷口斷裂是從單絲一側(cè)起始的,向另一側(cè)擴(kuò)展至斷裂。斷口大部分區(qū)域覆蓋顆粒狀和自由凝固形態(tài)的鍍鋅層[10],僅在瞬斷拉邊觀察到韌窩斷裂形態(tài)。內(nèi)芯縮頸斷口微觀形態(tài)如圖5所示,斷口大部分區(qū)域也覆蓋熔融形態(tài)的鋅層,局部斷口可觀察到清晰的韌窩斷裂形態(tài)。圖2～5的能譜分析結(jié)果如表3。

圖4 清洗前平斷口微觀形貌

圖5 清洗后內(nèi)芯頸縮斷口形貌

表3 圖2～5的能譜分析結(jié)果 /wt.%

2.4 金相組織

在數(shù)控機(jī)床連接線較完整區(qū)截取橫截面試樣。數(shù)控機(jī)床連接線的內(nèi)側(cè)表面可觀察到完好鍍鋅層,厚度約30μm;外側(cè)表面磨損較為嚴(yán)重,幾乎觀察不到鍍鋅層。鋼絲基體組織為細(xì)珠光體+少量鐵素體。由此可見,數(shù)控機(jī)床連接線發(fā)生失效的原因與外側(cè)表面的磨損有一定關(guān)系[4–5]。

分別在斷口、熱損傷區(qū)及正常基體制備縱剖面金相試樣。平斷口部分區(qū)域覆蓋鍍鋅層,厚度約為20μm。斷口附近表面有多條從表面擴(kuò)展的微裂紋,斷口附近及熱損傷區(qū)組織均為近似等軸的珠光體+鐵素體+屈氏體,沒有發(fā)生熱損傷的正?；w組織為縱向拉長的形變組織。

上述分析表明,數(shù)控機(jī)床連接線表面存在一段燒傷區(qū),斷裂大致發(fā)生在燒傷段的中部。斷裂的七根鋼絲中,有一根斷口有原始裂紋缺陷,斷面總體較為平整,塑性變形不明顯,斷面缺陷處覆蓋約20 μm厚的鍍鋅層;其余6根鋼絲均為頸縮斷口,是數(shù)控機(jī)床連接線發(fā)生熱損傷后承載能力下降發(fā)生的過載斷裂。

3 結(jié)論

(1)數(shù)控機(jī)床連接線材料的化學(xué)成分符合65鋼的規(guī)范要求;正常單根鋼絲抗拉強(qiáng)度在1 460 MPa以上,受熱損傷后鋼絲強(qiáng)度大幅下降,抗拉強(qiáng)度僅在622 MPa左右。

(2)數(shù)控機(jī)床連接線在熱損傷作用下發(fā)生連接線強(qiáng)度下降,以及連接線存在局部原始裂紋缺陷是造成其斷裂的重要原因。