機載計算機鎖鉤斷裂失效機理分析及工藝改進*

劉謙文，王立志，王夢華，朱光輝，張紅娟，焦超鋒

(西安航空計算技術(shù)研究所，陜西 西安 710068)

0 引 言

航空機載設(shè)備通過鎖鉤與鎖緊裝置將機箱與安裝架連接，鎖鉤在使用過程中，承受各種振動、沖擊以及離心等載荷，是機載設(shè)備的主要受力件之一[1]。在對某型機載計算機進行耐久試驗過程中，出現(xiàn)了鎖鉤斷裂的現(xiàn)象，這對機載計算機的正常工作造成了極大的安全隱患。

為分析結(jié)構(gòu)件斷裂失效原因，徐周玨通過對飛機上的裝配螺栓的斷口進行微觀分析，對材料進行硬度測試和金相分析，得出斷裂失效原因為氫脆斷裂[2]。趙旭通過對沖擊試驗失效的雙耳片進行斷口和金相觀察、硬度檢測、強度分析計算及試驗過程監(jiān)測，得出斷裂原因為沖擊載荷超過試驗要求[3]。劉本武通過斷口、材料成分和冶金組織分析以及振動特性計算得出燃氣輪機低壓二級葉片斷裂是高循環(huán)斷裂，主要由靠近疲勞源的溝槽制造缺陷引起的[4]。

筆者通過結(jié)構(gòu)強度分析、斷口和金相分析對鎖鉤的斷裂失效機理進行了分析，從生產(chǎn)過程控制及加工工藝兩個方面提出了改進措施，為解決機載計算機鎖鉤斷裂失效問題的提供參考。

1 工作原理及故障現(xiàn)象

1.1 工作原理

鎖鉤結(jié)構(gòu)及工作方式如圖1所示，鎖鉤的設(shè)計符合GJB780-89《機載電子設(shè)備的安裝架及其附件的基本尺寸》中的要求，在實際應用中，鎖鉤與機箱固聯(lián)后，通過鎖緊裝置固定在飛機上的安裝架上，以此方式限制機箱的運動，保證機箱內(nèi)電子設(shè)備的正常工作及散熱。

圖1 鎖鉤結(jié)構(gòu)及工作方式示意圖

1.2 故障現(xiàn)象

產(chǎn)品在進行定期的耐久試驗中發(fā)生一側(cè)鎖鉤斷裂，斷裂部位出現(xiàn)在圓角根部。耐久試驗是驗證產(chǎn)品在規(guī)定的試驗時間內(nèi)能否承受預期的振動應力，檢查結(jié)構(gòu)是否出現(xiàn)破壞現(xiàn)象[5]，振動試驗分三個方向，每個方向振動持續(xù)14.7 h，振動量值11.05g，寬帶隨機耐久試驗功率譜密度如圖2所示。鎖鉤斷裂發(fā)生在第一個垂向振動至10.75 h，試驗即刻停止。

圖2 寬帶隨機振動試驗功率譜密度

2 失效機理分析

2.1 強度分析

鎖鉤材料為優(yōu)質(zhì)合金結(jié)構(gòu)鋼30CrMnSiA，進行熱處理強化，整機重量為4.95 kg，振動量值為11.09 g材料拉伸強度極限σb=1080 MPa，疲勞強度極限σs=835 MPa。

在Inventor11中對零件進行靜力分析，得到的鎖鉤靜載安全系數(shù)為10.2。在Ansys中進行隨機振動分析[6]，得到1σ時的最大應力為133.8 MPa，根據(jù)材料疲勞強度計算得出其疲勞安全系數(shù)為6.24，計算結(jié)果如圖3所示。

圖3 鎖鉤強度分析結(jié)果

通過強度分析，得出鎖鉤的材料強度能夠滿足振動試驗的要求。

2.2 斷口分析

對發(fā)生斷裂的鎖鉤的斷口部位在低倍顯微鏡下進行觀察，發(fā)現(xiàn)了一條裂紋，如圖4所示。

初步分析認為，該鎖鉤發(fā)生斷裂的原因應該是鎖鉤圓角處存在裂紋造成的，接著對裂紋產(chǎn)生的機理進行了詳細分析。

圖4 低倍放大下的鎖鉤斷面圖像

將斷面方在顯微鏡放大250倍觀察，發(fā)現(xiàn)其斷裂紋理明顯呈現(xiàn)放射狀，這種破壞現(xiàn)象屬低周疲勞破壞，順著放射狀紋理反面搜索，可找到疲勞裂紋源[7]。由此可得該鎖鉤斷裂時，施加在鎖鉤上的應力并不大，鎖鉤斷裂是由圓角處存在裂紋引起的。

圖5 顯微鏡下的鎖鉤斷面圖像

2.3 金相分析

零件表面處理方式為電鍍裝飾鉻，對斷口及鎖鉤材料進行金像分析的結(jié)果表明，該鎖鉤是由于表面處理過程中酸洗過度，在表面形成腐蝕微孔，在隨后的鍍銅過程中，銅沿微孔進入鎖鉤表面深約15～20 μm左右，致使鍍銅層非常不平整，而尖角處由于電化學腐蝕的作用表現(xiàn)尤為明顯。蜂窩狀在受力很小的情況下，會形成一個大的裂紋，裂紋在振動過程中擴展導致斷裂。

綜上可得，由于鎖鉤圓角處的基材表層存在約20 μm長的裂紋，隨機振動過程中裂紋的擴展及增長導致了此次鎖鉤斷裂失效。

3 改進措施

鎖鉤由原材料到最終加工成產(chǎn)品經(jīng)歷了原材料，熱處理，機加工，表面處理，通過故障樹分析裂紋產(chǎn)生的原因如圖6所示。

圖6 裂紋成因故障樹

由故障樹分析可得裂紋產(chǎn)生的原因為：

(1)冶煉過程中殘留在基材中的雜質(zhì)導致裂紋產(chǎn)生。

(2)熱處理過程中，由于熱應力，使得鎖鉤圓角處產(chǎn)生了裂紋。

(3)機加過程中產(chǎn)生了零件表面損傷。

根據(jù)可能產(chǎn)生裂紋的途徑，提出鎖鉤加工工藝流程的改進措施如下：

(1)規(guī)定零件在棒料中的取材位置，避免鎖鉤彎曲部位處于棒料芯部夾雜較大的部位。

(2)淬火和回火處理時采用真空爐，防止零件表面產(chǎn)生氧化、腐蝕等缺陷。

(3)鎖鉤所有結(jié)構(gòu)特征采用數(shù)控銑削加工，保證圓角質(zhì)量、表面光潔度和產(chǎn)品一致性。

(4)電鍍前不得用濃硫酸清洗，電鍍后須進行除氫處理，防止出現(xiàn)氫脆斷裂。

4 結(jié) 論

(1)由靜力分析得到靜載安全系數(shù)為10.2，隨機振動分析得疲勞安全系數(shù)為6.24，說明材料強度滿足振動試驗要求。

(2)根據(jù)斷口和金相分析可得鎖鉤圓角處的基材表層存在約20微米長的裂紋，隨機振動過程中裂紋的擴展及增長導致了此次鎖鉤斷裂失效。

(3)根據(jù)可能產(chǎn)生裂紋的原因，從工藝過程提出了改進措施和要求，解決了鎖鉤零件因裂紋導致斷裂失效的問題，一定程度上為解決同類斷裂失效問題提供了參考。