锦纶6切片—23—
《装备维修技术》2021年第1期
绪论
Breaker TE500X(03)是一款用于在混凝土和砖石上进行轻型凿破的多用途的凿破机。
该款凿破机额定单次冲击能量为7.5 焦耳，最大冲击频率约为3200次/每分钟，最大凿破效能为 1000 cm^3/每分钟，具有轻巧耐用，功率强劲的特点。
TE500X(03)在开发过程中面临了很多的挑战。一方面，该款凿破机的目标市场为新加坡、印度等新兴市场，与欧美成熟市场相比，目标市场对价格更为敏感，这就要求我们在开发过程中更加重视成本的控制。
另一方面很多客户又是专业级客户，甚至有些客户本身就是租赁公司，所以很多机器都要面临着需要超长时间连续工作的问题，这对机器是苛刻的，尤其是对整个锤击系统来说。作为用户希望机器即轻巧又性能强劲，方便用户长时间使用。 基于以上的客观需求，着眼于锤击系统中的单个零件——连杆的设计开发，我们大胆的做出了采用塑料 来做连杆的决定。传统的金属连杆，先用铝压铸做出毛坯，再采用机加工的方法加工出连杆所需要的功能面。不同于铝合金连杆，塑料连杆的优势有以下几点：
第一，不需要机加工，塑料连杆直接注塑成型出来就能达到较好的表面质量；而在铝合金连杆成本中，除去本身铝合金压铸模的费用外，后续机加工的费用比较高；
第二，铝合金连杆两端销孔为了给机加工留下余量，在压铸时要留足一定的壁厚，然而，受铝压铸的工艺所限制，留有余量的部位普遍存在气孔、夹渣等内部缺陷，引起局部机械性能下降，在交变载荷的作用下，连杆销孔部位会出现裂纹；而塑料连杆的销孔则能通过模具直接成型，可以很好的避免这个问题；
第三，塑料的密度只有铝的一半，结构大致相同的形况下，塑料连杆的质量只有铝制连杆的一半左右，这对于整个凿破机质量的控制有好处；
第四，塑料的价格优势相对于铝锭也是很明显的。
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1塑料连杆的基本分析
1.1连杆的材料选择
在TE500X(03)凿破机的锤击系统里面，连杆所在区域受到空气弹簧影响，温度相对较高，工作温度能达到120摄氏度左右；连杆自身也受到交变载荷的影响，对于强度有很高的要求；连杆自身一端以销轴连接活塞，一段连接偏心轴，工作环境里面有大量润滑油，这就需要连杆材料有良好的化学稳定性。
基于该款连杆的工作环境，我们选用巴斯夫出品的A3WC4作为原材料。A3WC4这是一款双6加百分之二十碳钎的尼龙，该款材料
和普通玻璃纤维塑料相比，具有强度、硬度、抗冲击等机械性能更好，热稳定性更高，化学稳定型也很好的特性。因为加入碳纤维，材料本身的耐磨性能也有所提高。A3WC4在塑料齿轮方面也有广泛的应用。
1.2连杆失效的原因
玻璃压延机在第一次测试中，我们安排了3台凿破机同步进行测试以供对比。凿破机工作80小时后，3台机器都出现的了整机震动变大，有异响，输出单击能量下降的情况。我们决定停止一台机器的测试，拆开检查原因；另外两台机器继续进行测试，以检验该塑料连杆的整体寿命。
在此次拆机过程中，我们发现，连杆连接偏心轴的孔有失圆现象，变成了较光滑的椭圆，其他部件此
时并没有异常，润滑油状态也比较好，没有明显老化。初步得出结论，震动变大，有异响，单机能量变低就是由连杆轴孔失圆引起的。
配合孔的失圆初步分析是以下两点共同作用造成的，
第一，塑料本身的抗疲劳强度不够，在交变载荷的冲击下，配合孔内局部塑料被压溃，并逐渐扩大。
交变应力引起的疲劳失效，一般有三个发展阶段：裂纹萌生，裂纹扩展，脆断。初期，交变应力超过一定的限度，在连杆内孔应力集中处产生微小裂纹。随着时间推移，微小裂纹再向四周扩展，集结沟通，形成宏观裂纹，继续扩展。裂纹扩展的过程是缓慢且不连续的。裂纹表面与偏心轴时压、时离，相互研磨，形成了较光滑的光滑区。这就是为什么我们看到了连杆内孔变成了一个较光滑的椭圆。 第二，连杆上与偏心轴配合的孔，尺寸超差，精度不够。针对连杆上与偏心轴的配合孔的检测，出于检验效率的考量，我们选用了PIN 规来进行检测，这个方式具有简单、速度快、人力成本低的优点。但是PIN 规是不能检测出孔是否失圆的。我们有理由怀疑，由于普通的注塑工艺精度难以控制到μm 级别，在连杆从注塑机里面出来的时候，这个孔尺寸就超差或者失圆了，导致连杆在工作过程中，内孔局部受力不均匀，时接触，时不接触，受到了周期性的冲击。
以上这两个原因是相互作用、相互影响的。内孔失圆使孔轴配合不好，内孔局部早期就收到了较大的
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冲击，能量不能有效的分散到整个轴孔的外壁上去，产生应力集中，造成局部微小裂纹；而局部的微小裂纹，不断的发展，轴与孔相互研磨，又使得失圆越来越严重。
在接下来的测试中，另外两台机器，在分别又测试了27小时和30小时后被发现，没有能量输出了，有较大的异响。在不通电的情况下，用手晃动机器，能明显听到咔哒声。在拆机后，我们发现，这两台凿破机的连杆都断裂了。可以看到断面的边缘比较粗糙，这也刚好符合疲劳断裂的第三阶段——脆断的表现。
2 连杆失效的改善方案
在对于连杆的的分析中我们确定了连杆失效的原因，知道了原因，
摘 要：本文对凿破机锤击系统中的连杆进行了一些研究，详细介绍了该连杆在实际生产和测试中遇到的失效问题，分析失效形式，
在兼顾生产、装配和成本的要求下如何从设计方面解决这些失效问题。
在测试的不同阶段，连杆的失效形式也不同，各种设计改善方案也有各自的优缺点。通过大量的实验和分析，我们把几种解决方案结合起来，取长补短，最终是该连杆顺利通过寿命测试。
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在这个过程中，团队成员都获得了很多宝贵的知识、技术和经验。后续如果再出现类似问题，对项目来说，这些经验知识就有很高的参考价值，同时对个人来说，不光是获得了技术知识，最重要的是学会了分析问题的方法，这也是个人能力很大的提高。
关键词：电动凿破机；连杆；轴套；塑料；嵌件注塑工艺 关于塑料连杆的一些研究
童 丽
方波信号发生器（福维克制造有限公司，上海 201100）
工作研究
我们就不难出解决连杆寿命问题的办法。
首先，我们要解决的是连杆上轴孔失圆的问题。因为轴孔失圆会使连杆在实验早期就收到冲击，使连杆疲劳失效的时间大大提前。但是受注塑工艺的限制，如果轴孔直接注塑成型，精度肯定是达不到普通轴孔配合的H7的要求。
其次，轴孔一直和偏心轴接触摩擦、受到冲击，轴孔内的材料的疲劳强度如果能够提高，可以很好的增加连杆的寿命。
要同时解决以上两个问题，在连杆轴孔内放轴套是唯一的选择。但是选择什么样的轴套，如何放置轴套是需要好好考虑的。
2.1塑料轴套
目前市面上的现有塑料轴套大多数是POM材质的，该材质和A3WC4相比，疲劳强度十分突出，10交变载荷作用后，疲劳强度可达35MPa。但是POM的聚合度不高，长期耐热温度不高，极易且易受热解聚。且根据多家轴套厂家提供的资料来看，POM材质的收缩率较大，能达到的精度比A3WC4也要差一个等级。
所以，市面上的现有轴套并不适用。为此，我们需要定制一款塑料轴套。轴套的原材料选用PEEK。PEEK的综合性能很优越，相比普通塑料，有很多优势。PEEK的收缩率小，这对轴套的尺寸公差控制非常有好处，使PEEK零件的尺寸精度比通用塑料高很多。同时，PEEK又具有出众的自润滑特性，适合严格要求低摩擦系数和耐摩耗用途使用，特别是碳纤、石墨各占一定比例混合改性的PEEK自润滑性能更佳。最重要的是PEEK是韧性和刚性兼备并取得平衡的塑料，特别是它对交变应力的优良耐疲劳是所有塑料中最出众的，可与合金材料媲美。
PEEK的种种特性，都表明了它是轴套材料的不二选择，因此我们定制了一批快速成型的PEEK轴套并进行了寿命测试，使用了PEEK轴套的连杆，寿命都达到了160小时。
但是PEEK轴套却有一个最大的短板——价格。定制量产的非标准件轴套，需要重新开模具，这需要钱和时间，PEEK本身的价格也比较高，是普通塑料的几十倍。对于项目组来说，这个成本虽然可以接受，但是还是希望能寻求到更好的方案，所以我们将PEEK作为了备选方案。
2.2金属轴套
2.2.1金属轴套的选择
目前常用的金属轴套种类比较多，按照工艺来划分，大致上有粉末冶金、机加工和卷板这三类。基于连杆偏心轴的应用场合，机加工的轴套首先被排除。因为连杆内孔和偏心轴不断的摩擦，所以机加工的轴套并不能直接使用，需要做热处理保证表面硬度，不然很快就会磨损。由于尺寸的限制，轴套的尺寸有很薄，只有不到1mm，做完热处理，尺寸变化会比较大，需要再次研磨，才能达到轴孔配合要求，且研磨加工难度。使用机加工轴套，可以预见到它可以完全满足功能要求，但是太不经济。至于，粉末冶金轴承虽然可以做浸油工艺、选用铜基合金等方法来减少零件之间的摩擦，但是粉末冶金出来的轴套也是需要机加工来保证内孔尺寸的，单个零件价格比较高。而且，粉末冶金轴套因为生产工艺的问题，内部组织相对松散、不够致密，所以耐冲击性能并不好，粉末冶金轴套并一定能通过寿
命测试。
在价格和性能之间一个平衡点，卷板类轴套成了最佳的选择。卷板类轴套一般采用压制储油槽的方式来减少孔轴之间的摩擦力。但是，在连杆和偏心轴的工作环境中，润滑油很难将连杆和偏心轴整个系统浸润，轴套厚度偏薄，储油槽很浅，这就导致储油槽里面的油液不能及时补充，后续轴套和偏心轴可能会干摩，会影响寿命。所以在做轴套的原材料选用了带PTFE涂层的板材。
所谓PTFE俗称特氟龙，即聚四氟乙烯。聚四氟乙烯有优良的耐热、耐寒性，可在-180℃~260℃长时间使用；又兼有抗各种有机溶剂的特点，几乎不溶于所有的溶剂；摩擦系数极低，可在接触面起到润滑的作用。
2.2.2金属轴套的安装
选择了PTFE轴套后，怎么安装轴套又是一个问题。卷板类轴套是外观类似C形的开口轴套，只有安装到满足规格书要求的尺寸的内孔里面，安装后的轴套的尺寸才是我们需要的尺寸。基于规格书，安装轴套的内孔均为金属内孔，而我们的连杆孔为塑料的，这里面就有两个问题。第一，连杆上轴套孔是直接注塑成型的，孔的尺寸精度是达不到轴套规格书里面的要求的，那么安装后的轴套内孔尺寸肯定也是很难达到我们图纸的要求；第二，连杆孔为塑料，而塑料的刚性相对于轴套来说，是比较小的。那么在安装的过程中就有一种可能，轴套没有被连杆孔完全压缩形变，但是连杆孔被轴套挤压，发生
形变。在后续的压配卷板轴套的时候，确实发生了这种情况，安装后轴套的内孔尺寸明显偏大。
为了解决这问题，我们可以采用嵌件注塑(insert molding)的工艺。金属嵌件注塑是一种将金属嵌件预先固定在模具中适当的位置，然后再注入塑料成型，开模后嵌件被冷却固化的塑料包紧埋在制品内得到带有如螺纹环、电极等嵌件的制品的方法。嵌件注塑工艺要求制品包埋金属嵌件的部位有适当的结构和厚度，模具内固定嵌件的部位可以迅速可靠地定位并防止塑料流入固定嵌件的孔内。
总体而言，嵌件注塑的前提是将相应的零件可以比较好的固定在模具内的。由于我们的轴套是一个C型开口的，尺寸较小，常规机械手并不能抓取并将它压配在模具内，而单纯靠人工手动安装，生产效率又很低。但是考虑到注塑模具内的注塑压力和保压压力都比较大，通常都能达到数十MPa以上，对于轴套来说，这个压力足以使轴套紧紧的贴紧在模具上的Pin针上，这样轴套内孔的尺寸可以得到有效的保证。而我们需要考虑的是成品连杆上，轴套的内孔里可能会有部分溢料。因为在塑料熔融液压紧轴套的过程中，可能有部分塑料熔融液流过轴套的C型开口与模具的Pin针接触。
虽然轴套内孔有溢料的风险，但是这个风险是可控的。第一，溢料是可以通过调节注塑工艺来控制的，就算有溢料也可以被控制在很小范围里；第二，溢料并不影响内孔的尺寸，且溢出的A3WC4也具有一定的自润滑性。
修改模具之后拿到的连杆样品确认了我们对嵌件的分析是对的。连杆样品肉眼可见溢料很少，对部分
有可见溢料的连杆样品挑选了最严重的进行了寿命测试，这些连杆在寿命测试200小时后均没有发现异常，状态良好。
3结论
综合以上的解决方案，在解决了疲劳强度问题和塑料件注塑公差问题后，我们可以知道，塑料连杆是完全可以代替金属连杆的。随着科技的发展，各种改性塑料层出不穷，相信只要到合适的方法，塑料可以在更多的场合得到应用。
参考文献：
［1］庞学慧. 《互换性与测量技术基础（第2版）》. 电子工业出版社，2015.05
［2］付宏生、刘国良. 《塑料成型工艺与设备》. 机械工业出版社，2009.1
［3］机械设计手册编委会. 机械设计手册（新版），第1卷. 北京：机械工业出版社，2004.8
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