前殼體開裂分析及改進(jìn)

劉文根

上海汽車變速器有限公司 上海市 201807

前殼體是變速器總成的主要零部件之一，變速器內(nèi)部它承擔(dān)聯(lián)接后殼體、作為輸入軸總成和中間軸總成的支撐部件；外部它作為動(dòng)力總成一部分，和發(fā)動(dòng)機(jī)、離合器、分離軸承等連接，對(duì)變速器的正常運(yùn)轉(zhuǎn)起到至關(guān)重要的作用，因此它的質(zhì)量好壞直接影響變速器的功能。

1 故障現(xiàn)象-離合器不回位

在項(xiàng)目開發(fā)階段，變速器OTS樣件在整車廠進(jìn)行5萬公里高速耐久道路試驗(yàn)中，客戶試驗(yàn)驗(yàn)證組反饋當(dāng)路試試驗(yàn)進(jìn)行到試驗(yàn)里程4546公里9.1%時(shí)，發(fā)現(xiàn)離合器踏板不回位，后檢查樣車發(fā)現(xiàn)變速箱共2處部位出現(xiàn)裂紋；如圖1，裂紋分別位于變速器離合器分離撥叉窗口A和分泵安裝支座延伸處B，由于殼體開裂造成離合器分泵定位偏移，以致離合器無法回位。

2 失效原因分析

2.1 零部件質(zhì)量分析

該變速箱殼體材料為ADC12鋁合金，經(jīng)過壓鑄機(jī)壓鑄后加工制造而成，現(xiàn)對(duì)故障變速箱殼體零件質(zhì)量進(jìn)行全面分析，包括外觀及斷裂位置的檢查，X射線檢測，原始斷口宏微觀檢查，金相組織檢查、布氏硬度檢測、化學(xué)成分分析、拉伸和沖擊性能試驗(yàn)。

2.1.1 裂紋外觀祥述

為了更好地對(duì)斷裂部位進(jìn)行描述和后續(xù)分析，變速箱殼體外觀及斷裂位置請(qǐng)見圖2，斷裂位置位于撥叉窗口上端邊以上區(qū)域，形成兩個(gè)軸向的彎曲斷口，分別命名為斷口A和斷口B，撥叉窗口左右下端角內(nèi)分別存在一條裂紋，分別命名為左裂紋和右裂紋，左裂紋長度的中心位于加強(qiáng)筋端角邊緣，長度方向大致與加強(qiáng)筋長度方向垂直，已穿透殼體壁厚，內(nèi)表面的裂紋長度大于外表面的裂紋長度。右端角外表面近似沿殼體軸向擴(kuò)展，宏觀呈弧線狀，已穿透殼體壁厚，裂紋外表面的裂紋長度大于內(nèi)表面的裂紋長度。內(nèi)表面近似沿與殼體軸向呈45°方向擴(kuò)展，宏觀呈弧線狀，已穿透殼體壁厚，內(nèi)表面裂紋較短。總體上，所有裂紋均貫穿殼體，除一條位于加強(qiáng)筋端部過渡處，其它四條原始裂紋均位于撥叉窗口端角處。

圖1

2.1.2 X射線檢測

對(duì)變速箱殼體進(jìn)行X射線檢測。殼體的多個(gè)部位存在明顯的疏松。殼體上斷裂下來的殘塊、撥叉窗口附近加強(qiáng)筋部位的疏松形貌見圖3。

2.1.3 原始斷口形貌觀察

殼體斷口A宏觀形貌見圖4（a），呈傾斜斷面，斷面較粗糙，表面存在清晰的人字紋及疲勞弧線，兩者收斂方向均指向端框，源區(qū)可見一光亮小平面。將斷口A置于掃描電子顯微鏡下進(jìn)行形貌觀察。源區(qū)形貌見圖4（b），源區(qū)位于亞表面、宏觀光亮小平面部位以及端框邊緣的疏松缺陷位置，光亮小平面及疏松缺陷向外的放射棱線明顯，源區(qū)附近可見多個(gè)疏松及球形顆粒缺陷。裂紋擴(kuò)展區(qū)類解理特征明顯，未見明顯疲勞條帶，見圖4（c）。

圖3

殼體斷口B宏觀形貌見圖5(a)，呈傾斜斷面，斷面較粗糙，起源于端邊區(qū)域，源區(qū)磨損較重，源區(qū)向外的放射棱線明顯，斷口中后部可見弧線狀形貌。將斷口B置于掃描電子顯微鏡下進(jìn)行形貌觀察。斷口B源區(qū)形貌見圖5(b)，源區(qū)磨損較重，未見明顯的疏松、夾雜缺陷，由放射棱線可知，裂紋由端邊起源，裂紋擴(kuò)展區(qū)類解理特征明顯，見圖5（c）。

2.1.4 金相檢查

圖5

圖4

在斷裂殼體殘片上斷口A與斷口B之間垂直于斷口A的表面制取源區(qū)金相試樣。金相試樣磨制后宏觀可見明顯的疏松分別見圖6。斷口A與斷口B之間的試樣存在條紋狀偏析及與基體結(jié)合較好的球形顆粒形貌，球形顆粒內(nèi)的樹枝晶狀形貌比基體明顯，初生α相粗大，見圖7。

垂直于斷口A源區(qū)表面制取的金相形貌見圖8，源區(qū)斷口表面及亞表面可見較大的疏松、熔合不良顆粒邊界及開裂特征。源區(qū)端邊亞表面也可見明顯的疏松，其中一個(gè)疏松較大、距表面約為356um，見圖9。

2.1.5 硬度測量

在變速箱殼體上制取硬度試樣，進(jìn)行布氏硬度測量，結(jié)果見表1。可見變速箱殼體材料的硬度為97.7HB，滿足殼體壓鑄原料技術(shù)要求的HB≥74.1。

圖6 斷口A與斷口B之間試樣

圖7

圖8 斷口剖面金相

圖9 斷口A源區(qū)附近殼體端部組織

2.1.6 化學(xué)成分分析

在變速箱殼體上制取試末進(jìn)行化學(xué)成分分析，測量結(jié)果及技術(shù)要求見表2。可見變速箱殼體材料的化學(xué)成分在壓鑄材料技術(shù)要求的范圍之內(nèi)。

2.1.7 拉伸試驗(yàn)

在變速箱殼體下部制取拉伸和V型缺口沖擊試樣（取樣位置見圖10），進(jìn)行拉伸和沖擊性能試驗(yàn)；試驗(yàn)結(jié)果見表3。可見變速箱殼體抗拉強(qiáng)度和伸長率均明顯小于殼體壓鑄原料的技術(shù)要求JIS H5302中ADC12合金的抗拉強(qiáng)度≥187MPa，伸長率≥1%相比也明顯較小。

2.1.8 分析總結(jié)

2.1.8.1 斷裂性質(zhì)分析

變速箱殼體斷口A和斷口B宏觀塑性變形不明顯、可見疲勞弧線，這表明變速箱殼體斷裂的性質(zhì)為疲勞斷裂。變速箱殼體左裂紋、右裂紋及加強(qiáng)筋裂紋斷口宏觀塑性變形不明顯、可見疲勞弧線，微觀可見疲勞條帶，這表明上述裂紋的開裂性質(zhì)為疲勞開裂。

2.1.8.2 斷裂原因分析

變速箱殼體斷口A位置的裂紋源位于亞表面光亮面及靠近邊緣的疏松缺陷；斷口A位置源區(qū)的金相剖面分析表明，源區(qū)及亞表面含有較多的疏松、并可見與基體結(jié)合不良的類似其他位置存在的球形顆粒區(qū)（熔合不良區(qū)），斷口亞表面可見壓鑄不良導(dǎo)致的局部開裂特征，斷口表面的光亮面應(yīng)是熔合不良區(qū)發(fā)生斷裂所致。疏松和熔合不良區(qū)割斷了材料的連續(xù)性，在周期性應(yīng)力作用下容易導(dǎo)致疲勞斷裂。這表明變速箱殼體斷口A位置的斷裂與疏松和熔合不良有關(guān)。

變速箱殼體斷口B位置的裂紋源位于端邊區(qū)域，源區(qū)磨損較重，斷口中后部可見弧線狀形貌；疲勞弧線不如斷口A位置明顯，這表明斷口B位置斷裂過程較快，受力較大。而斷口A位置和斷口B 位置分別是撥叉窗口的兩端角，因此，斷口B位置的斷裂可能是斷口A位置開裂或斷裂后，受力增大導(dǎo)致的。所以，斷口B位置的斷裂可能主要與受力較大有關(guān)，在斷口A斷裂后形成。

X射線、金相檢測及剖面宏觀檢查結(jié)果表明，變速箱殼體在多個(gè)部位均存在一定的疏松。金相檢測結(jié)果表明，變速箱殼體組織為粗大初生α相及共晶硅組織，局部含有熔合不良的球形顆粒狀區(qū)，球形顆粒狀區(qū)內(nèi)的樹枝晶狀形貌比基體明顯。這些疏松或熔合不良的球形顆粒狀區(qū)位于變速箱殼體的轉(zhuǎn)角、端角或亞表面等應(yīng)力集中或受力較大的容易發(fā)生疲勞斷裂的部位時(shí)，在一定工作應(yīng)力作用下，就會(huì)引起早期疲勞斷裂。

圖10 拉伸和沖擊試驗(yàn)取樣位置

表1 顯微硬度測量結(jié)果（HB）

表2 變速箱殼體化學(xué)成分分析結(jié)果（wt.%）

表3 變速箱殼體拉伸試驗(yàn)結(jié)果

化學(xué)成分檢測結(jié)果表明，變速箱殼體材料的化學(xué)成分在壓鑄材料技術(shù)要求的范圍之內(nèi)，因此，變速箱殼體斷裂與材料化學(xué)成分無關(guān)。

硬度檢測結(jié)果表明，變速箱殼體材料的硬度為97.7HB，滿足壓鑄材料技術(shù)要求的HB≥74.1。變速箱殼體抗拉強(qiáng)度和伸長率均明顯小于殼體壓鑄原料的技術(shù)要求，沖擊性能較低；這可能由試樣中存在疏松、熔合不良的球形顆粒狀區(qū)所致，可能導(dǎo)致殼體發(fā)生早期疲勞斷裂。

2.1.8.3 結(jié)論

（1）變速箱殼體的斷裂（開裂）性質(zhì)均為疲勞斷裂（開裂）；

（2）變速箱殼體從撥叉窗口右上角端框位置（斷口A源區(qū)位置）率先萌生疲勞裂紋和發(fā)生斷裂；

（3）變速箱殼體疲勞斷裂主要與局部含有較多的疏松及熔合不良的球形顆粒狀區(qū)有關(guān)。

2.2 改進(jìn)及驗(yàn)證

2.2.1 改進(jìn)措施

針對(duì)零部件存在的缺陷，特制定以下改進(jìn)措施：

（1）模具上在產(chǎn)品分離撥叉離合器窗口添加輔助過橋，改善鋁液填充（見圖11）；離合器殼體部位的分支內(nèi)澆口倒一斜角，改善鋁液填充的流向，減少對(duì)大滑塊側(cè)壁的沖擊（見示意圖12），該兩項(xiàng)主要針殼體局部含有較多的疏松采取的改進(jìn)措施。

（2）熔煉加強(qiáng)管控，嚴(yán)格按照新舊料配比大于7：3，按照精煉除氣機(jī)作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行操作（熔煉精煉除氣機(jī)作業(yè)指導(dǎo)書）該項(xiàng)措施主要防止舊料比例過大，生產(chǎn)過程中容易形成成熔合不良的球形顆粒狀組織。

2.2.2 改進(jìn)結(jié)果

經(jīng)過以上改進(jìn)措施加工過程完成的產(chǎn)品驗(yàn)證如下：

圖11 在窗口處添加輔助過橋，改善鋁液填充

圖12

（1）X射線檢測未見疏松縮孔符合要求，具體如圖13。

（2）拉伸試驗(yàn)驗(yàn)證：殼體抗拉強(qiáng)度最小223MPa；斷后申長率最小2.6%，完全符合要求。

（3）整改后的殼體，順利完成整車路試試驗(yàn)驗(yàn)證，未出現(xiàn)失效現(xiàn)象，使得項(xiàng)目順利進(jìn)行，按照既定的項(xiàng)目節(jié)點(diǎn)完成開發(fā)任務(wù)。

圖13

圖14

表2 拉伸測試結(jié)果

3 結(jié)語

本文通過對(duì)失效故障件零件質(zhì)量進(jìn)行全面檢測和分析，從中不難發(fā)現(xiàn)，該類型產(chǎn)品結(jié)構(gòu)是比較典型的產(chǎn)品，但是在該項(xiàng)目開發(fā)過程中仍然出現(xiàn)不合格零件造成試驗(yàn)失效現(xiàn)象，說明在日常開發(fā)過程中對(duì)關(guān)鍵工序把控仍需提高，以便進(jìn)一步提高項(xiàng)目開發(fā)質(zhì)量。