淺析高速雙螺桿擠出機花鍵軸斷裂失效機理

陳鴻景

淺析高速雙螺桿擠出機花鍵軸斷裂失效機理

陳鴻景

（廈門毅興行塑膠原料有限公司，福建 廈門 361027）

隨著我國科技實力不斷提高，各種機器被不斷發明并應用，其中高速雙螺旋桿擠出機逐漸被廣泛應用。但是在高速雙螺桿擠出機早期運行中，容易出現螺桿軸斷裂現象，對此，可通過掃描電鏡觀察、化學分析及力學性能測試等多種方式有效分析出花鍵軸斷裂原因。下面將對高速雙螺桿擠出機花鍵軸斷裂失效機理進行簡要闡述。

高速雙螺桿擠出機；花鍵軸斷裂；失效機理；斷裂原因

高速雙螺桿擠出機具有高生產效率等優點，因此在聚合加工中具有重要地位。高速雙螺桿擠出機自身結構和材料強度對其正常的運轉會產生重要影響。如果企業中大型高速雙螺桿擠出機花鍵軸出現斷裂問題，容易導致企業大規模停產，同時使工作人員生命安全受到嚴重威脅。

1 理化檢驗及結果

1.1 螺桿軸斷口宏觀外貌

螺桿軸斷為兩節，因為螺桿軸兩邊斷口呈現對稱結構，可觀察尺寸較長一段的部分。經過仔細研究發現，螺桿軸斷口較為平整，并且沒有任何明顯的塑性變形現象，斷口的平面和主軸線垂直，具有明顯脆弱材料扭斷特點[1]。可通過肉眼觀察到斷口較為明顯的疲勞弧線特征。從裂紋擴展現象來看，斷口的疲勞源位置主要存在于花鍵齒的根部且疲勞源不止一個。通過觀察發現，在斷裂源處形成了人字條紋，由于人字條紋的不斷向外延伸，條紋也逐漸變粗。由于疲勞臺階出現在裂紋源區和擴展區中，因此，這說明在疲勞開裂的初始階段產生的應力較大。

1.2 螺桿軸斷口微觀外貌

工作人員將斷口在產超聲波清洗機中反復清洗，其中使用丙酮溶液作為清洗劑，之后應用電子掃描顯微鏡仔細觀察斷口微觀形貌。經過仔細觀察發現，花鍵齒部的裂紋區域具有明顯的放射條紋，同時伴有大量的放射臺階。除此之外，在裂紋區域內還發現一定數量的微孔。通過對裂紋擴展區仔細觀察，可以發現其中的裂紋弧線具有連續分布和斷續分布兩種形式，其中帶有臺階的疲勞弧線和裂紋處于平行狀態并向前延伸，這種現象充分說明疲勞破壞過程中存在裂紋擴展，而且疲勞輝紋和裂紋的擴展方向處于垂直狀態。瞬時斷裂區域還存在二次裂紋及河流花樣等現象。

1.3 顯微組織觀察

工作人員將斷軸的內部、螺節以及邊緣進行取樣處理，經過拋光和研磨等方式處理，緊接著使用一定含量的碳酸進行腐蝕處理，最后使用DMM-400型光型顯微鏡觀察樣品內部組織結構[2]。通過仔細觀察可以發現，花鍵軸內部的機體組織主要以板條狀形態分布，主要組成為低碳馬氏體，因此，又稱為板條馬氏體。關于板條馬氏體，其主要特點是具有較好的強度和塑性，但是，從花鍵芯軸邊緣提取的金屬式樣品組織中發現了針狀馬氏體。通過觀察可以發現，針狀馬氏體具有硬度高及脆性大等優點，并且晶體粒子直徑較小?；ㄦI芯軸邊緣提取的式樣品中之所以會出現針狀馬氏體，主要原因是花鍵芯軸表面經過了滲碳處理，采用滲碳處理方式，雖然可以有效提高其硬度和耐磨性，但是也導致了其韌性程度有所降低。結合有關鋼件滲碳淬火檢驗報告可以正確區分花鍵軸等級，一般而言，評級的結果主要在2級到3級范圍內，是為正常評級。螺節處的主要組織為黑色的回火馬氏體，經過仔細觀察發現，黑色回火馬氏體表面分布著一定數量的白色碳化物，其組織形態等級為4級，并且分布也較為均勻。黑色回火馬氏體表面存在白色碳化物，使其強度有所降低，脆性增大。高速雙螺桿擠出機材料中硬度是關鍵，但是，如果雙螺桿擠出機材料硬度過大，或者是存在體積較大的塊狀物，很容易導致高速雙螺桿擠出機在高速運行時對材料產生較強沖擊力，進而導致材料表面容易發生斷裂現象。

2 強度校核及花鍵芯軸的有限元模擬

高速雙螺桿擠出機在實際的運行中，主要受到扭轉應力作用，此時，花鍵芯軸將承受沖擊作用力和交變彎曲作用力，正因為如此，容易導致局部應力過于集中[3]。要想更好地研究應力集中對螺桿軸斷裂失效具體影響，可使用ANSYS有限元軟件對螺桿軸斷裂失效進行深入探究，以此分析螺桿軸應力集中問題。

應力模擬結果：通過一系列數據運算和幾何分析，最終得出重要結論，即局部用力過于集中是導致裂紋開始出現的重要原因。

疲勞強度的校準：螺桿軸在實際工作中主要受到扭轉力的影響，結合機械使用手冊可以知道，螺桿軸疲勞強度安全系數核對中，應重點考慮受到扭矩作用時產生的安全系數。從有關資料和文獻中可以發現，如果螺桿材料組織均勻，載荷情況也不夠準確，使用的安全系數應在1.5～1.8之間。通過具體的計算可以發現，螺桿軸的疲勞強度系數要低于螺桿軸的使用安全系數，由此可以得出，螺桿軸花鍵根部比較薄弱，其疲勞強度無法滿足使用要求。

3 斷裂原因分析

通過以上簡要分析可知，高速雙螺桿擠出機螺桿軸出現了扭轉疲勞斷裂，其主要原因如下：

通過對螺桿軸斷口形貌仔細觀察可以發現，疲勞裂紋的主要源頭在花鍵齒根部位置。正是因為花鍵齒根部截面尺寸突然減小，所以容易出現應力過于集中問題。通過采取強度校對的方式檢驗發現，齒根部的使用安全性能要明顯低于疲勞強度安全性能。

通過仔細觀察斷口疲勞源區，可以發現有大量微孔分布在其表面上，而大量的微孔會導致斷口疲勞源區域的應力分布狀況發生重要改變，容易發生局部應力過于集中現象[4]。除此之外，大量微孔的聚集會直接影響整體力學性能的穩定性和連續性，表面上大量分布的微孔也容易導致承受力的有效面積逐漸減少。由于微孔邊緣應力過于集中，導致疲勞裂紋出現擴張同時不斷和前方微孔匯合，這將逐漸加快疲勞裂紋的擴展速度。由于疲勞裂紋逐漸向外擴展，因此，機器材料內部可承受的交變應力逐漸減弱，如果所承受的應力高于實際運轉負荷，則發生瞬間斷裂。

技術人員將該失效件送往當地技術部門進行檢測，通過分析檢測結果我們發現，其問題為調質處理淬火裂紋。隨后，技術人員對熱處理工藝進行了進一步的分析，但是發現包括工件來料裝筐、熱處理工藝的制訂及實施等工藝中不存在問題。隨后技術人員對相關部件進行了二次檢測，在20 mm× 20 mm×40 mm的裂紋樣塊中并沒有發現有失效件本體、斷裂部位和斷裂形式，但是，技術人員并沒有詳細掌握工件實際服役狀況。通過與客戶進行溝通發現，42CrMo低合金調質鋼是該工件所選用的材料，其零件加工的順序分別為下料、鍛造、粗加工、調制。隨后將樣件分割為兩塊，再對樣件進行經鑲嵌、磨制、拋光、浸蝕等處理。這樣，就可以肉眼觀察到樣件斷口凹凸不平，并且斷口處明顯有一層較深的白亮層，通過分析，該亮白層可能是脫碳層。斷口處的二次裂紋兩側，被以鐵素體組織為主的脫碳層完全包圍，裂紋內充滿淺灰色的高溫氧化產物，說明二次裂紋仍然是在鍛造加工過程中形成。主裂紋斷口表面堆積大量的高溫形成的氧化物，表明鍛造加工時加熱溫度高，裂紋邊緣氧化脫碳現象嚴重，其中全脫碳層較深，半脫碳層較淺。裂紋的次表層鑲嵌有較多量的氧化物夾雜，這是由于鍛造加工時，裂紋內表層高溫氧化形成氧化皮，在鍛軋焊合過程中嵌入到次表層而 形成。

螺桿軸的基本組織為板條馬氏體，這主要是通過調質處理形成，但是在實際的觀察中發現了大量的針狀馬氏體，其組織評級可定為4級，并不是常見的級別。

盡管馬氏體具有較高的強度和硬度，但是其塑性和韌性卻明顯不足[5]。如果螺桿軸的材料調質處理工藝工作沒有有效落實，易使螺桿軸材料組織出現不均勻現象，這也是引起螺桿軸發生疲勞斷裂的重要內因之一。

4 結論及建議

結論：螺桿軸發生斷裂性質以源疲勞斷裂為主，疲勞裂紋發生源主要位于花鍵齒根部；螺桿軸花鍵齒根局部應力過于集中，內部微孔數量過多以及材料自身不符合要求，存在組織不均勻現象。多種原因共同引起高速雙螺桿擠出機花鍵軸早期出現斷裂現象。

建議：如果想有效降低高速雙螺桿擠出機花鍵軸故障率，建議優化螺桿軸的設計結構，可以通過增大過渡圓角等方式，使螺桿軸平面過渡區域的應力大幅度降低，進而有效防止局部區域應力過于集中；提高熱處理施工水平，最大程度上降低較為粗大的馬氏體組織，有效避免冶金缺陷問題，最終保證螺桿軸材料組織均勻；提升螺桿軸的安裝質量、配合度以及精密度，進而有效降低高速雙螺桿擠出機高速運轉時產生的較強沖擊力。

5 結語

隨著時代的發展和科技實力提高，機器設備逐漸被發明出來，其中高速雙螺桿擠出機這幾年逐漸被廣泛應用。本文通過實際觀察研究發現，螺桿花鍵軸出現斷裂的原因有多種，比如花鍵根部應力集中、具有多個疲勞源以及熱處理工藝欠佳，等等。只有及時找到斷裂原因根本所在，才能有效避免斷裂現象的發生。

［1］王天鵬.同向雙螺桿擠出機擠壓系統的設計與性能研究［D］.青島：青島科技大學，2018.

［2］周陽.高速雙螺桿擠出機花鍵軸斷裂失效機理研究［D］.廣州：華南理工大學，2017.

［3］馬小明，周陽.高速雙螺桿擠出機螺桿軸斷裂失效分析［J］.機械工程材料，2017，41（3）：107-111.

［4］劉艷層.雙螺桿擠出機傳動系統的優化設計［D］.邯鄲：河北工程大學，2014.

［5］呂柏燦.異向高速積木式雙螺桿擠出機在塑料加工工業中的應用［J］.科技風，2018（25）：216.

TQ320.52

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.08.064

2095－6835（2020）08－0144－02

陳鴻景（1972—），男，廣東揭陽人，本科，工程師，主要研究方向為塑膠擠出。

〔編輯：王霞〕