機械制造中幾個似是而非的問題

■ 上海瑞紐機械股份有限公司 （201314） 宋正忠

機械制造是一套嚴謹的科學體系，許多看似“正確”的說法，實際上卻是錯誤的。這些不求甚解的思想往往對我們的技術工作產生不利的影響，甚至會造成嚴重的技術錯誤。下面摘錄幾個筆者在工作中遇到的 “似是而非”的問題，希望對大家有所啟發。

1.問題一

“似是而非”的問題之一：“彈性圓柱銷（空心）的剪切強度略高于同一尺寸的實心冷鐓鋼銷?！?/p>

上述文字摘自化學工業出版社出版的《機械設計手冊》第五版第2卷第五篇“連接與緊固”第3章銷、鍵和花鍵聯接中的表5-3-2銷連接的強度計算公式（P5-216）的注釋。而且有相應的計算與數據作為輔證，具體如下：

（1）實心冷鐓鋼銷的剪切應力τ＝4F／πd2≤τp，其中F為銷所受的橫向力（N）；d為銷的直徑（mm）；τp為銷的許用剪切應力，對于銷的常用材料，取τp＝80MPa。

我們以d＝10mm的實心冷鐓鋼銷為例，取τp＝80MPa，則Fmax＝6 283.2N。

（2）查《機械設計手冊》，GB/T 879.1―2000中φ10mm彈性圓柱銷的最小雙面剪切載荷Gmin＝7 016N。

通過上述（1）、（2）的論證，《機械設計手冊》中得出“彈性圓柱銷（空心）的剪切強度略高于同一尺寸的實心冷鐓鋼銷。”這一結論也就不足為奇了。

而在上述論證中忽視了一個重要問題：（1）中討論的是銷子承受單截面剪切載荷，而（2）中采用的是試驗數據，GB/T 879.1―2000《彈性圓柱銷 直槽 重型》中規定采用GB/T 13683―1992《銷 剪切試驗方法》，而這一試驗方法得到的剪切載荷是銷子承受雙截面剪切載荷值，也就是說，GB/T 879.1―2000中φ10mm彈性圓柱銷的最小單面剪切載荷Gmin＝7 016÷2＝3 508N，遠小于d＝10mm的實心冷鐓鋼銷的單面剪切載荷Fmax＝6 283.2N。

我談這個問題是想提醒大家兩點：①GB/T 879.1―2000《彈性圓柱銷 直槽 重型》中提供的是最小雙面剪切載荷，彈性圓柱銷（空心）的剪切強度小于同一尺寸的實心冷鐓鋼銷。②再經典的著作中也有疏漏之處。

2.問題二

“似是而非”的問題之二：“不論是鍛造還是軋制，心部和表層相比，其加工效果不能充分達到心部。因此鍛材、軋材其心部附近的機械性能大幅降低?！?/p>

上述文字摘自小栗富士雄、小栗逹男合著的《機械設計禁忌手冊》中的2.1，這是一本深受機械類院校生和技術人員喜愛的小冊子。

對于通過鍛造、軋制的毛坯而言，普遍的觀點是鍛造、軋制的效果不能充分影響到心部，因此鍛造、軋制毛坯的表面機械性能優良，心部機械性能大幅度降低，切削掉毛坯表面的金屬纖維是不合適的。這對于碳鋼件而言是正確的，但對于變形鋁合金的鍛造、軋制件而言則是錯誤的。盲目照搬甚至會造成嚴重的技術錯誤。

隨著我國基礎工業水平的不斷提高，高強度鋁合金以其比強度（強度―質量比）高、機加工工藝性優良及零件外形美觀等優點而日益成為常用的工程材料。但其鍛造和軋制件的表面存在著一種特別的組織：粗晶環。

粗晶環主要是在擠壓變形過程中形成的。晶粒粗大，機械強度低，在其中易形成裂紋、折疊、拉傷、起皮和殘余毛刺等缺陷。這些缺陷若不及時加以清除，極易在后續工序或使用中繼續擴展，導致整個零件失效。

所以在使用變形鋁合金時，尤其是選用2A50、2A02、2A11、2A12、6A02和7A04等牌號時，特別要注意粗晶環問題，要采取一些措施，例如：①對于鍛造毛坯的原料進行低倍檢查，確定表面粗晶環的深度，然后將其切除，以減少鍛造過程中的殘、次品。②選擇合理的熱處理工藝參數，必要時通過機加工的方式切除粗晶環組織。③直接使用軋制毛坯，如軋制棒料、板材和型材等，盡可能切除表面的粗晶環組織，或使帶粗晶環組織的表面不處在應力大的位置上。

3.問題三

“似是而非”的問題之三：“加強筋類的結構有助于提高零件的抗彎強度。”

圖1所示為TB/T 1578―1998《液壓起道器通用技術條件》所描述的一種產品的底板，是整個機具（見圖2）的承載零件，主要承受剪切和彎矩載荷，圖1中示出了其受載的彎矩圖。該底板采用鋁合金7A04制造，多年以來性能穩定。

圖 1

圖 2

后來用戶為方便在鋼軌上移位，要求我們在底板上增加了兩條筋作為導向結構，如圖3所示，從膚淺的層面來理解，這相當于為底板在所承受彎矩方向上增加了兩條加強筋，只會增加零件的強度。

但實際情況恰恰相反，增加了筋的底板在使用中大量出現了斷裂情況。我們從鋁合金7A04的模鍛工藝、熱處理工藝及零件強度等多方面進行了分析和試驗。

圖4所示為底板的有限元應力分析，最大應力點恰恰出現在兩條筋上，應力已超出材料的屈服極限，且很接近材料的強度極限。為何在零件受力方向上增加了材料，反而降低了強度，下面僅從理論上做一個大致的分析。

根據純彎曲梁橫截面上正應力公式

式中，σA為危險點的應力；MA為危險點所在截面承受的彎矩；yA為危險點的慣性半徑；Iz為危險點所在截面的慣性矩。

在本例中，由于兩條筋的增加，Iz僅增加了6%，而yA增加了近50%，所以σA當然大幅增加了。一旦有一個點被破壞，裂紋便會不斷擴展，造成整個零件的損壞。

找出了問題的原因，我們對底板作了一個小小的修改，如圖5所示，將筋應力高的部分切除，保留應力低的部分，作為導向結構，就解決了問題。

圖 3

圖 4

圖 5

4.結語

上述的三個例子，只是作者在工作中遇到的“似是而非”問題的一個極小的縮影，寫出來與大家共同探討，希望起到拋磚引玉的作用。

（收稿日期：20180412）

專家點評

機械制造技術日新月異，新材料、新工藝日益成熟，受時間因素和生產條件的限制，過去的一些理論知識和實踐經驗，存在很大的片面性，許多看似“正確”的說法，實際上卻是錯誤的。在具體應用中僅做參考，不可照抄。作者從實際出發，以認真負責的態度指出教科書中存在的錯誤，以三個典型例子，闡述了工作中遇到的“似是而非”的問題，闡明了在機械制造中不求甚解、生搬硬套的危害。引導人們走出經驗誤區，打破傳統約束，樹立正確的制造理念。