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铸造铝合金横梁出现裂纹的失效分析
发布日期:2022-09-26  来源:格力电器(合肥)有限公司  作者:杜 健 查佳朋 段美姣 黄时华 阮晋如 邹成科 蒯金斌  浏览次数:10336
核心提示:摘要:机械臂横梁在使用过程中出现裂纹,无法使用,经现场调查、宏观分析、理化检测、应力应变和结构强度分析,结果表明横梁使用
     摘要:
     机械臂横梁在使用过程中出现裂纹,无法使用,经现场调查、宏观分析、理化检测、应力应变和结构强度分析,结果表明横梁使用的铸造铝合金存在夹杂和气孔缺陷,且截面为方形中空结构,内部加强筋数量少,承压能力相对较差,受外力后裂纹从缺陷处延伸导致失效。
     关键词:
     铸造铝合金;裂纹;失效分析

引言 

某车间全面检修时发现生产轴流风叶的机械设备横 梁臂出现 2 道裂纹,存在质量和安全隐患,为查找失效 原因,避免其他设备出现同类异常,对故障件进行失效 分析。经了解该设备机械臂材质为 ZL101A 铸造铝合金, 国标要求铸件表面上不允许有裂纹、缩孔、穿透性缺陷 等。 

1 现场调查 

经核实出现裂纹的机器为 17 年 5 月份发货,5 月底 安装,发现裂纹时使用周期为 15 个月。现场查看机械手 出现的两处裂纹均在横梁上,横梁为悬臂梁式结构,一 端采用四个螺栓固定,另一端悬空。横梁(UV 轴)上的 机械臂沿着 UV 轴导槽可以左右滑动,机械手自身沿垂 直方向运动夹取物料。

2 理化检测 

2.1 宏观分析 取下异常悬臂横梁,观察表面存在两处裂纹,在中 间段和靠左段(也是横梁悬空段),横梁为方形中空结构。 两处裂纹均是由导轨安装槽处开始,贯穿横梁直至侧面。 横梁的导轨槽未喷涂,该处基材呈裸露状态,整个表面 均存在气孔,外观质量较差。 截取端部横梁,沿裂纹前端解剖,发现靠近导槽位 置裂纹穿透整个截面,已经出现断裂状态,断口表面氧 化发黑,其余位置表面裂纹深度约 3-6  mm。沿裂纹走向掰断故障件,发现多处 断口存在发黑,可以判断为已经裂纹产生 很久了,图1 处掰断处断口明显存在块状 夹杂,另1掰断处断口齐平,无撕裂状, 材料未结合在一起。

QQ截图20220923192933

图 1 两处裂纹均出现在横梁上(UV 轴)

QQ截图20220926165502

2.2 硬度测试 使 用 维 氏 硬 度 计 测 试 硬 度 值 为 75.3~78.6 HV,仅作参考,因国标给出的 为布氏硬,暂无标准换算公式。

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     2.3 材质成份分析 从裂纹处截取一块进行打磨,去掉表 面涂层后,使用直读光谱仪扫描材料成份, 测试结果显示部分位置杂质含量超标,不 符合标准要求,影响材料使用性能。

2.4 金相分析 从裂纹起始处截取一块样件进行打 磨、抛光,使用浓度和 20 % 的氢氧化钠 溶液进行腐蚀,使用显微镜观察(50、 100 倍),有大量气孔,晶粒组织存在不 均匀现象。α 固溶体枝晶状较明显,主要为局部散热差,冷却速度缓慢,使得固 溶体形成和长大较快,出现晶粒粗细不均 的情况。气孔和晶粒不均处均为材料薄弱 处,受外力后易产生裂纹。

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3 应力应变分析 

为采集机械手实际工作时的受力情 况,使用应力应变设备进行布点采集实时 数据。因设备运行时幅度过大,固定采集 点受影响 ,因此只在 UV 轴左、右及 UV 连接块进行布点,模拟机械手单次取料动 作时的各点的受力情况。 应力测试情况总结 : ①受机械手运 动影响,UV 连接块应力值要比其他点大;


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② UV 轴左 / 右数据在进 300/320(分别对应手动130/150)各测试 3 组数据,最大值为 194.75 μ。

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4 导轨组件差异对比

对比现场其他家机械手导轨组件,失效厂家组件的 固定方式、材料结构与之存在差异,其机械手的 UV 轴 为铸造铝合金,且为悬臂梁式单点固定,横梁内部承压 面积小,具体差异点如表 2。

QQ截图20220926193429

  5 原因分析

  经宏观、微观、物理性能、应力应变分析,及差异 点对比,确定机械手导轨组件失效点如下:

  1)材质:UV 轴使用材料为铸造铝合金,该材料生 产过程处理不当,使得表面和内部出现大量气孔,局部 存在夹杂,此类内部缺陷导致材料结合性差,易失效产 生裂纹。

  2)受力:应力应变结果显示,机械手运动时,UV 连接块应力值相对比其他点大,该处螺栓易出现松脱和 断裂的情况。

  3)承压面积:UV 轴为悬臂梁式结构,只在一端固定, 受力集中,且 UV 轴为方形中空结构,内部加强筋数量少, 承压能力相对较差 。

  6 改善建议 

经综合分析,确定为加工不当使得材料本身存在气 孔、夹杂和晶粒大小不均缺陷,采用悬臂梁式一端固定, 承压横截面小,在使用过程中受外力影响,从材料缺陷 处(最脆弱处)产生裂纹,再延伸出现断裂口。 根据失效原因,建议如下:①设备制造厂家对使用材料加严检验,确保质量合格;②变更 UV 轴(即 失效横梁)固定方式,分散受力点;③增加加强 筋数量,增加横梁承压面积和承压能力;④提高 UV- 连接块固定螺钉强度等级

 

参考文献: 

 [1] 吴义志 . ZL101A 熔模铸件气孔和夹渣的成因及防止办法 [J]. 铸造技术 , 2011,5.
        [2]GB/T 1173-1995 铸造铝合金 [S]. 

[3]GB/T 9438-1999 铝合金铸件 [S].

[4] 韩茵 , 陈诗键 . 铸造铝合金组织对力学性能的影响 [J] 理 化检测 - 物理分册 , 2003.9(11): 555-559.

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