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鍛造轉向節斷裂原因分析與工藝措施

魂斗罗归来贴吧ak升龙 www.tvlnp.icu 日期:2018-06-13來源:未知

汽車轉向節的功能是傳遞并承受汽車懸架系統載荷,支承并帶動輪轂繞主銷轉動而使汽車轉向。轉向節是汽車轉向系統中的重要安全零件,影響汽車行駛穩定性、安全性及轉向靈敏性,要求其具有高強度和高疲勞壽命。鍛造轉向節常用40Cr 材料,一般調質硬度為250 ~ 300HB。為進一步提高產品疲勞強度和疲勞壽命,軸類轉向節技術要求中常有軸承及軸頸段采取中頻淬火工藝,要求表面硬度50 ~ 60HRC,淬硬深度2 ~ 5mm。本文主要研究軸類轉向節發生斷裂的原因及改進措施。

 

轉向節斷裂的主要形式

 

軸類轉向節主要應用于卡車、客車、MPV、SUV 等汽車,產品臺架試驗及市場質量反饋表明軸部斷裂是主要質量風險。主要表現形式分四類:

 

⑴材料及鍛造毛坯缺陷。如材料帶來夾雜、折疊、裂紋等缺陷,鍛造過程產生的過熱、折疊、裂紋,鍛后余熱淬火中工件溫度不均、入油溫度過高而產生裂紋等。

 

⑵中頻淬火質量缺陷。如表面淬火硬度過高或過低,淬硬層深度范圍超差,中頻感應加熱出現過燒,淬火或回火過程出現裂紋等。

 

⑶輪轂軸承失效。如軸承裝配過緊、潤滑不良,汽車行走中軸承發熱或軸承破碎,導致轉向節軸頸燒損、斷裂。

 

⑷交通事故或嚴重超載。強大的沖擊載荷引起強度斷裂。

 

鍛造轉向節斷裂原因分析與工藝措施

圖1 轉向節軸頸斷裂FMEA 表

 

結合質量管理工具FMEA 對轉向節斷裂主要失效模式及影響進行分析。從圖1 看出,鍛造毛坯缺陷、中頻淬火缺陷和嚴重超載或交通事故沖擊載荷,風險指數(RPN)較高,必須從產品開發和制造過程高度關注和認真規劃。

 

關鍵工藝分析與控制措施

 

依據產品技術要求和FMEA 分析結果,分別對轉向節鍛造毛坯缺陷,特別是中頻淬火失效原因進行分析并提出工藝保證措施。

 

⑴鍛造毛坯缺陷分析及工藝措施。

 

1) 把好原材料進廠質量檢驗關,按爐號抽樣,采用光譜分析儀、硬度計、電子顯微鏡分別對材料化學成分、硬度、金相進行檢測,防止不合格材料進廠。

 

2) 鍛件調質處理后,100% 硬度檢測合格,發現不合格品標識返工處理。

 

3) 鍛件噴丸后,100% 磁粉探傷分選,杜絕裂紋、折疊等缺陷鍛件出廠。

 

⑵中頻淬火缺陷分析及工藝措施。

 

1)常見缺陷分析。

 

①中頻感應加熱產生集膚效應,表面溫度高,軸頸R 尖角處容易出現過燒,或工件與感應圈接觸“打火”。顯然是中頻感應器與產品結構尺寸不匹配;②表面淬火硬度過高或過低、淬硬層深度不足,主要影響因素有中頻工作功率、加熱與冷卻時間、冷卻介質等;③表面裂紋,主要影響因素有表面溫度不均導致淬火應力過大、冷卻介質冷速過快、回火工藝及淬回火間隔時間過長等。

 

2)典型轉向節斷裂分析。

 

典型案例一:某皮卡車鍛造轉向節總成在市場出現軸承位置斷裂,委托國家權威質檢機構對故障件宏微觀觀察、金相檢查、能譜分析、化學成分及硬度檢測、分析(圖2、圖3),認定轉向節的斷裂性質和原因為“轉向節淬火部位硬度偏高(技術要求為50 ~ 55HRC)且深度過大(技術要求的淬硬深度為2 ~ 3mm),導致脆性開裂的敏感性增加,在長時應力作用下,發生了沿晶脆性開裂。轉向節安裝臂等未中頻淬火區硬度約為28 ~ 29HRC,符合技術要求”,說明鍛件毛坯合格,軸承部位中頻淬火過程中加熱溫度過高或過熱導致表面硬度和淬硬層不合格。

 

鍛造轉向節斷裂原因分析與工藝措施

圖2 轉向節斷口宏觀圖

 

鍛造轉向節斷裂原因分析與工藝措施

圖3 斷口擴展后期沿晶+ 韌窩特征

 

典型案例二:某MPV 轉向節新品開發階段臺架試驗軸頸處斷裂,通過對同批樣件切片宏觀觀察、金相及硬度檢測、分析(圖4、圖5),認為斷裂原因是“中頻淬火后硬度偏低(技術要求為52 ~ 60HRC),尤其是軸頸R 處淬硬深度偏小(技術要求的淬硬深度為3 ~ 5mm),導致軸承位置強度不足,試驗中工作應力超過材料強度而出現斷裂”。

 

鍛造轉向節斷裂原因分析與工藝措施

圖4 臺架疲勞試驗軸頸斷裂

 

鍛造轉向節斷裂原因分析與工藝措施

圖5 切片檢查軸頸R 處淬硬深度過小

 

3)工藝保證措施。

 

轉向節軸部中頻淬火屬特殊特性工序,從以上分析看出,中頻淬火工藝過程能力CPk 決定產品性能和質量水平??⑿∽槎災釁蕩慊鶘璞?、工藝、檢測等進行全面策劃,主要措施有:①選購200 ~ 250kW大功率中頻電源,保證加熱速度和節拍滿足不同尺寸產品要求;②針對不同結構尺寸產品設計制作專用感應圈,以保證轉向節軸不同部位加熱均衡、淬火溫度一致;③選用PAG 水性介質,并針對不同淬火工藝和氣侯條件,調整PAG 介質濃度;④每批產品首件采取切片方式檢查金相、硬度及淬硬深度,首件合格方可批量生產。圖6 為切片檢查報告;⑤中頻淬火后,產品100% 磁粉探傷檢測,防止裂紋缺陷產品出廠;⑥加強工藝培訓和設備工裝點檢,確保中頻淬火過程CPk ≥ 1.33。

 

鍛造轉向節斷裂原因分析與工藝措施

圖6 中頻淬火切片檢查合格報告

 

結束語

 

汽車轉向節是重要安全件,追求質量零缺陷。在新產品開發階段運用APQP、FMEA、PPAP、SPC等質量管理工具進行前期策劃,對提高企業工藝水平和產品質量,防范市場風險尤為重要。

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