凸輪軸頂端斷裂原因失效分析

辛延君，王超，黃俊，姜愛龍，王福祥

（1.內燃機可靠性國家重點實驗室，山東 濰坊 261061；2.濰柴動力股份有限公司，山東 濰坊 261061；3.濰柴動力（濰坊）鑄鍛有限公司，山東 濰坊 261199;4.西南技術工程研究所，重慶 400039）

凸輪軸是柴油發動機的重要零部件，主要由凸輪和凸輪軸軸頸等組成。凸輪在發動機工作過程中需要經受氣門間歇性開啟的周期性沖擊載荷，因此，要求凸輪的表面既要耐磨、同時也要有足夠的韌性和剛度。凸輪軸材料一般為優質鍛鋼和特種鑄鐵，凸輪軸的凸輪和各個軸頸的工作表面需要熱處理后再精磨和拋光，來提高其硬度及耐磨性[1]。凸輪軸斷裂的原因有很多，例如在加工過程中要求凸輪軸的加工工藝良好，表面粗糙度差，刀痕深，凸輪軸在受到交變扭轉力作用下，容易產生疲勞源擴展，導致斷裂[2-3]。凸輪軸止推片材料選材不合理，且熱處理工藝不滿足技術要求，使得在工作過程中凸輪軸止推片和凸輪軸端面之間發生嚴重的粘著磨損，導致工作過程中凸輪軸異常受力，發生疲勞斷裂[4]。原材料存在較多的硫化物夾雜，調質處理后存在大量的鐵素體組織且晶粒粗細不均勻，在淬火加熱過程中溫度偏高，綜合原因導致凸輪軸早期的斷裂[5]。凸輪軸和齒輪錐面的加工質量差，導致錐面的貼合率不滿足要求，工作過程中凸輪軸與齒輪間存在微動磨損，造成凸輪軸斷裂失效[6]。

1 試驗背景

某船用柴油機進行性能試驗時，柴油機出現悶響，停車后發現，缸蓋墊片呲破鼓出，并漏水。下臺架進行拆檢，拆檢過程中發現凸輪軸斷裂，凸輪軸斷口如圖1所示。柴油機前期進行了多輪的耐久和性能試驗，具體的運行時間和里程不詳。

凸輪軸材料為高碳鉻軸承鋼GCr15，生產工藝流程為：軋制、球化退火精車精坯、鉆銷孔、攻絲車銑凸輪、粗磨凸輪、感應淬火、回火、精磨軸頸、精磨凸輪、清毛刺、磁力探傷、成品檢驗、清洗包裝。

凸輪軸螺栓材料為40Cr，性能等級為12.9級。

2 失效分析

2.1 斷口分析

2.1.1 螺栓宏觀斷口分析

凸輪軸斷口表面6根螺栓仍擰緊在螺紋孔中，螺栓底孔磨損嚴重。把6根螺栓隨機命名為1#—6#。

圖1 凸輪軸斷口表面Fig.1 Fracture surface of the camshaft: a) gear side fracture; b) body side fracture

拆檢螺栓過程中，發現 1#螺栓存在貫穿裂紋，用手可以掰斷，掰斷后對比發現1#和4#螺栓的斷裂位置相同，均位于最后第三扣螺紋處，如圖2所示。

對斷裂嚴重的 4#螺栓進行分析，螺栓斷口宏觀形貌如圖3所示。整個螺栓斷口表面較為平整，斷口及周邊的區域無明顯的銹蝕和塑性變形。螺栓斷口形貌上表面可見明顯的貝紋線，裂紋源處存在臺階，在工作過程中裂紋逐步向心部擴展，擴展區占整個斷口總面積的80%以上。

綜合判定，4#螺栓為多點疲勞斷裂，裂紋起始于螺紋的根部。

對螺栓斷口表面進行掃描電鏡分析，觀察螺栓斷口的微觀形貌，如圖4所示。疲勞源表面已被磨平，表面無裂紋和夾雜物等原始缺陷，微觀形貌上呈現準解理斷裂的特征。擴展區呈現準解理斷口特征，斷口由許多大致相當于晶粒的小解理刻面集合而成，為典型的疲勞斷裂形貌[7-8]。整個斷口形貌擴展區面積較大，說明螺栓在工作過程中受力較小，承受較低的循環載荷，為低應力高周疲勞斷裂。

圖2 螺栓斷裂情況Fig.2 Bolt fracture: a) bolt fracture morphology; b) bolt length contrast

圖3 4#螺栓斷口宏觀形貌Fig.3 Macro morphology of 4# bolt fracture

圖4 螺栓斷口微觀形貌Fig.4 Micromorphology of bolt fracture: a) fracture crack source;b) fatigue fracture extension area

2.1.2 凸輪軸斷裂位置

觀察凸輪軸的斷裂位置，發現在凸輪軸前端20~27 mm位置處開始斷裂，整個凸輪軸斷口崎嶇不平，如圖5所示。

凸輪軸斷口側面裂紋較為曲折，各螺栓對應凸輪軸的側面形貌如圖6所示。其中，4#、5#螺栓距凸輪軸前端距離最小，約為 20 mm，其他位置均大于 20 mm。1#、2#、6#螺栓對應凸輪軸側面裂紋擴展較為平整，3#、4#、5#螺栓對應凸輪軸側面裂紋擴展較為曲折。

2.1.3 凸輪軸宏觀斷口分析

對凸輪軸斷口進行宏觀觀察，如圖7所示。4#、5#螺紋孔所在的凸輪軸表面可見明顯的放射線及貝紋線，弧線圓心位于4#螺栓螺紋孔附近。判斷初始疲勞源位于4#螺紋孔位置，凸輪軸為多源疲勞斷裂[7-8]。

圖5 凸輪軸斷裂位置Fig.5 Location of camshaft fracture

圖6 各螺栓對應凸輪軸側面形貌Fig.6 Morphology of bolts corresponding to camshaft profile: a) crresponding location of 1 # bolt fracture; b) crresponding location of 2 # bolt fracture; c) crresponding location of 3 # bolt fracture; d) crresponding location of 4 # bolt fracture;e) crresponding location of 5 # bolt fracture; f) crresponding location of 6 # bolt fracture

圖7 凸輪軸斷口形貌Fig.7 Morphology of camshaft fracture

2.1.4 起因件判定

發動機拆檢后，發現凸輪軸的前端和齒輪連接位置斷裂，且連接凸輪軸與齒輪的6根螺栓有2根發生斷裂，2根螺栓的斷裂位置相同。螺栓根部應力集中現象較為嚴重，螺栓工作過程中受力最大的位置為第一扣螺紋的根部[9]，所以螺栓首先在齒根處斷裂。由此判定凸輪軸發生斷裂不是凸輪軸和齒輪之間的連接螺栓強度不足造成。

綜合分析整個事件，凸輪軸為起因件，凸輪軸發生斷裂，隨后凸輪軸和齒輪之間的連接螺栓發生斷裂，連接螺栓為受害件。

2.2 凸輪軸斷裂外因分析

目前，發動機采用硅油減震器，硅油減震器通過齒輪將力逐級傳遞到凸輪軸頂端，凸輪軸頂端受到剪切作用。發動機的標定轉速為2300 r/min，功率為1212 kW，爆壓為16.9 MPa。

測試結果顯示最大扭振振幅為 0.2°，出現在3階轉速時，滿足設計限制0.25°。

2.3 凸輪軸感應淬火情況分析

因凸輪軸前端受力過大，超出其承受的最大載荷，導致凸輪軸在前端螺紋孔處斷裂。從外因分析可能是減震器失效導致凸輪軸前端承受載荷過大引起斷裂，從內因分析可能是凸輪軸的加工和熱處理工藝、或者原材料存在問題[10]。因此，需進一步分析確定凸輪軸斷裂原因。對柴油機上的減震器進行扭振測試，分析測試結果表明所用的減震器正常，未發生失效。

觀察凸輪軸斷口橫截面處螺紋孔的淬硬情況，如圖8所示。可見凸輪軸橫截面從表面已經淬透至螺紋底孔，如圖中虛線所示。

沿凸輪軸 1#、4#螺栓孔縱向切割，觀察螺栓孔處淬硬情況，如圖9所示，4#螺栓斷口稍高處已感應淬火，最低處螺牙未感應淬火。

2.4 金相組織分析

按照文獻[11]對圖9斷口附近的金相組織進行分析,如圖10所示。圖9a近斷口處表面的金相組織為針狀回火馬氏體+粒狀碳化物，圖9b表面的整個截面由表及里金相組織一致，為細小均布的粒狀珠光體，進一步證明圖9b近斷口處未感應淬火。說明4#螺紋孔位于感應淬火和非感應淬火的臨界區域，組織應力和熱應力較大。且在螺栓根部的尖角位置容易發生尖角效應，應力集中較為嚴重，導致工件運行過程中容易萌生疲勞裂紋，發生斷裂[12]。

圖8 凸輪軸橫截面螺栓孔淬硬情況Fig.8 Bolt hole hardening of camshaft cross section

2.5 硬度分析

按照GB/T 231.1—2009金屬材料 布氏硬度試驗第1部分：試驗方法[13],GB/T 230.1—2009金屬材料洛氏硬度試驗 第1部分：試驗方法（A、B、C、D、E、F、G、H、N、T標尺）[14],采用布氏和洛氏硬度計分別檢測凸輪心部、桃尖和基圓的硬度，具體結果見表1，滿足圖紙要求。

圖9 4#螺栓孔感應淬火情況Fig.9 4 # bolt hole induction hardening: a) Camshaft bolt with one side not hardened; b) Camshaft bolt with one side hardened

圖10 凸輪軸金相組織Fig.10 Microstructure of the camshaft: a) mcrostructure of surface; b) mcrostructure of core

表1 凸輪軸硬度檢測結果Tab.1 Camshaft hardness test results

3 優化和改進措施

在凸輪軸感應淬火過程中，凸輪軸前端螺紋孔壁被淬透，增加了此位置的組織應力和熱應力。目前，凸輪軸的感應淬火方式為中頻感應加熱，可以更改為高頻感應加熱，使得電流透入深度減小，得到較淺的硬度層，避免螺紋孔壁被淬透[15]。或者可以采用在開孔部位加塞工裝的方式進行屏蔽，也可以在防開裂位置與零件之間增加一層 120目左右的打磨砂紙作為電絕緣層，并覆蓋紫銅板，避免螺紋孔壁部位在感應淬火過程中接觸冷卻液，防止此位置產生開裂[16]。或首先加工凸輪軸的定位銷孔，再進行熱處理，最后鉆螺紋孔、攻絲，也可以降低螺紋孔位置被淬透的風險。通過上述措施，熱處理過程中可以完全避開凸輪軸前端的螺紋孔，消除了尖角效應。

采用先加工凸輪軸的定位銷孔，然后用高頻感應加熱的方式，對凸輪軸頂端表面進行淬火，最后鉆螺紋孔、攻絲的方式生產凸輪軸。將凸輪軸成品的頂端切割研磨拋光觀察淬硬層，發現感應淬火有效避開了凸輪軸前端的螺紋孔。淬火情況如圖11虛線所示。

將采用新工藝生產的凸輪軸裝配在發動機上進行了500 h循環耐久試驗，試驗過程中無異常現象。試驗結束后拆檢發動機，凸輪軸一切正常。

4 結論

1）發動機性能試驗過程中，凸輪軸連接螺栓和凸輪軸均發生斷裂，螺栓工作過程中受力最大的位置為第一扣螺紋的根部，受力過大應首先在齒根處斷裂。此螺栓在螺紋末端斷裂，由此判定凸輪軸為起因件，凸輪軸發生斷裂，隨后凸輪軸和齒輪之間的連接螺栓發生斷裂，連接螺栓為受害件。

2）凸輪軸為疲勞斷裂，疲勞源位于凸輪軸的螺栓孔位置。在淬火過程中螺栓孔壁為感應淬火和非感應淬火的交界處，此處存在較大的組織應力和熱應力，工作過程中此處為薄弱點，受力較大產生疲勞裂紋，隨后裂紋不斷擴展，最終導致凸輪軸斷裂。

3）對凸輪軸進行金相組織和硬度分析，均滿足要求。表面金相組織為針狀馬氏體+粒狀碳化物，心部組織為粒狀珠光體。

4）將中頻感應淬火更改為高頻感應淬火，先鉆定位銷孔再進行熱處理，最后鉆螺紋孔，可以有效避免凸輪軸螺紋孔處被淬透的問題，按照上述措施改進后，耐久試驗后的凸輪軸無異常。