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齿轮箱输出轴断裂失效研究及其锻造工艺模拟分析

陈燕飞  
【摘要】:输出轴作为船用齿轮箱的重要部件,主要用来传递输出扭矩。在实际工作过程中,输出轴在服役一年后便发生断裂失效。这不仅导致齿轮箱无法正常运行,也给生产和经济带来巨大的损失。因此,本文对断裂的输出轴做了失效分析,同时,对输出轴的锻造工艺过程进行了数值模拟,基于模拟结果,分析了输出轴锻造工艺对其断裂失效的影响。 本文对断裂的输出轴展开了研究分析,首先对输出轴断口进行了宏观检查,发现断口为宏观脆性断口,断裂源在输出轴中心附近。然后对断口试件进行了微观实验分析,通过金相分析发现断裂源区有大量夹杂,并发现有不合理的金相组织以及枝晶偏析,表明热处理工艺应该不合格;通过扫描电镜进一步发现轴内部表现为解理和沿晶断裂特征,同时存在夹杂,光谱分析表明夹杂为硅酸盐类夹杂。其次,对输出轴材料进行了化学成分分析,化学成分分析表明除Si含量偏高以外,其他成分都在标准范围之内,综合前面分析,可能是由于输出轴内部含有夹杂所致。另外,也对输出轴材料做了力学性能试验,包括拉伸试验和冲击试验,试验结果表明输出轴材料的机械性能是符合标准的。最后,综合以上调查,判断输出轴断裂可能是由于内部硅酸盐类夹杂的存在,加上热处理工艺不当,使该处变成危险截面,成为裂纹源,实际工作过程中在外力的作用下发生脆性断裂。 本文利用Kisssys软件对齿轮箱传动系统进行建模,然后通过Kisssoft软件对输出轴在齿轮箱顺车和倒车两种工作模式下进行了强度校核。结果表明,输出轴的强度设计是满足标准的,输出轴的断裂不是由于过载而引起的。 合理的锻造工艺参数对于生产高质量的轴锻件,提高轴的使用寿命有重要的意义。本文利用Deform-3D软件对输出轴的锻造工艺进行了数值模拟,基于模拟结果,并分别从输出轴的锻造工艺过程中孔洞闭合情况,夹杂性微裂纹以及晶粒演化情况对其断裂失效的影响进行了研究分析,结果表明,输出轴中心区域的夹杂以及粗大的晶粒可能对于输出轴的断裂有促进作用。


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