圆角对机械零件可靠性的影响

□ 李光瑾 □ 任颂赞 □ 蔡 红 □ 陈德华 □ 滕鲁湘 □ 祖庆川

1.上海市机械制造工艺研究所有限公司 上海 200070

2.上海金属材料改性工程技术研究中心 上海 200070

3.常州市南方驱动技术有限公司 江苏常州 213149

机械零件圆角的设计与加工质量，对机械零件的可靠性有直接的影响，这种影响，表现在以下2个方面。

（1）圆角的大小和加工质量直接影响零件的热处理工艺性能。热处理是材料性能强化的重要手段，同时也是暴露材料和零件缺陷（结构缺陷与加工缺陷）的环节。倒圆和倒角的设计或加工不当，是引发热处理畸变与开裂的常见因素。在零件热处理（尤其是淬火）过程中，因相变应力（因组织转变导致的体积变化差异）和热应力（因温差导致零件不同部位热胀冷缩差异）的共同作用，致使零件畸变；当该应力超过材料的断裂强度时，将致零件开裂。

（2）零件结构突变位置为应力集中处。在应力集中处，微裂纹的萌生与扩展更为容易和迅速，因圆角的设计或加工不当，在零部件工作过程中，循环交变的应力能“自寻找”到结构上的薄弱环节，可在该部位产生微裂纹，随后裂纹扩展产生疲劳失效。其中尤以早期失效（低周疲劳）危害较大，机械产品的损坏会以“突发”形式呈现，蕴含着极大的危险。

本文以若干机械零件因圆角设置与加工不当为例，展现圆角对机械零件的可靠性的直接影响。

1 依据国家标准和企业具体产品结构的需求设计圆角

GB/T 6403.4-2008零件倒角与圆角，推荐了不同直径适用的倒角和倒圆数据，对通用的（非特殊）圆角尺寸选择有普遍指导意义。标准展示了4种圆角-倒角匹配关系（如图1所示）和机械零件常用圆角的推荐值（见表1），对于特殊结构的机械零件，可依据具体产品的要求与经验，设计并加工圆角。图中，C1为外圆倒角，C为内孔倒角，R1为外圆倒圆，R为内孔倒圆。

表1 与直径相对应的倒角C、倒圆R的推荐值

2 圆角设计或加工不当至圆角开裂的案例

2.1 某型齿轮轴与某型花键轴内孔底部开裂

某型齿轮轴为18模数的较大齿轮轴，选用17Cr2Ni2Mo渗碳淬硬处理。在装配时发现齿轮轴内孔底部开裂（如图2所示）。经查，图纸要求内孔底部R=25 mm，实际加工接近直角，在渗碳后的淬火过程中，因相变应力与热应力集中产生了“八”字形开裂。

某型花键轴，用42CrMo钢经锻造-加工而成，调质处理（296～340HB）。内孔根部圆角要求不明确，加工后几乎为直角，在调质处理的淬火过程中，因相变应力与热应力的作用，自φ155 mm内孔根部圆角处呈“八”字形完全断开（如图3的虚线所示）。

2.2 某型减速机齿轮轴圆角设计与加工不当导致开裂

某型减速机轴，其φ80 mm到φ100 mm的台阶由于过渡圆角设计得过小（R=0.5 mm），在运转过程中，数根齿轮轴沿该台阶圆角根部被“拧断”，经检查断裂原因类似于章节2.1的案例，轴及断口照片如图4所示。

▲图1 4种圆角-倒角匹配关系

▲图2 齿轮轴内孔圆角处开裂

▲图3 花键轴断裂位置

▲图4 某型齿轮轴于圆角处断裂

▲图5 凸轮轴圆角形态与裂纹分布

▲图6 曲轴轴肩台阶圆角不良至裂

▲图7 曲轴圆角与轴肩平面相贯致疲劳断裂

▲图8 钢丝绳卷筒驱动轴示意

▲图9 卷筒轴过渡圆角

▲图10 圆角R对于应力集中系数Ks的影响

2.3 某型凸轮轴齿轮端轴颈圆角加工不当导致开裂

任意选取4组凸轮轴，经渗碳淬硬后，轴的齿轮端轴颈圆角因加工不当，轴承φ60 mm与φ46 mm之间的过渡“圆角”圆弧线成折线，折线的拐点因淬火应力集中而产生批量开裂（周向裂纹），如图5所示。

2.4 某型曲轴加工圆角不当导致疲劳断裂

曲轴轴颈的轴肩平台被加工成直角，轴颈圆角感应淬火后在轴肩台阶上开裂（如图6所示），该处圆角要求R=5.8mm，操作者自以为该处远离轴颈，忽视了该圆角加工尺寸要求。

此外，曲轴轴颈的圆角与轴肩侧平面应为弧线与直线“相切”过渡，操作者加工成“相贯”连接，圆弧与平面的相贯线在实物疲劳试验中成为应力集中线，沿此线疲劳开裂（如图7所示）。

2.5 某型起重机卷筒轴断裂

某大型门式吊车起重机卷筒轴φ180 mm到φ220 mm的台阶，在过渡圆角处疲劳断裂，酿成重大事故。该轴用45钢制造，设计圆角R=2 mm。断裂的轴过渡圆角几近直角且有不恰当的焊补层（如图8、图9所示），依据标准要求，该圆角应不小于4 mm。

参照GB/T 3811-2008起重机设计规范，圆角R对于应力集中系数Ks的影响如图10所示，随着R的增大，Ks相应减小。可见在零部件设计中，适当增大圆角尺寸，对零件在淬火与运行中的可靠性是极为有益的。

3 讨论

强调机械零部件圆角的重要性，绝非小题大做，一些机械零部件因圆角的设计或加工的不当而失效，不仅直接影响了零部件的运行可靠性，还可造成直接的经济损失与安全危害，体现出“细节决定成败”的道理。

为此，在机械零件设计时，应严格遵照相关标准，使圆角大小符合技术要求，在机械零部件装配与运行中不发生相互干涉的情况下，适当加大圆角尺寸。

在机械零件加工过程中，应严格按照图样要求，确保圆角的大小与圆角表面的粗糙度，以及圆角与被过渡连接平面的相切衔接。