摘要：
机械臂横梁在使用过程中出现裂纹，无法使用，经现场调查、宏观分析、理化检测、应力应变和结构强度分析，结果表明横梁使用的铸造铝合金存在夹杂和气孔缺陷，且截面为方形中空结构，内部加强筋数量少，承压能力相对较差，受外力后裂纹从缺陷处延伸导致失效。
关键词：
铸造铝合金；裂纹；失效分析
引言
某车间全面检修时发现生产轴流风叶的机械设备横 梁臂出现 2 道裂纹，存在质量和安全隐患，为查找失效 原因，避免其他设备出现同类异常，对故障件进行失效 分析。经了解该设备机械臂材质为 ZL101A 铸造铝合金， 国标要求铸件表面上不允许有裂纹、缩孔、穿透性缺陷 等。
1 现场调查
经核实出现裂纹的机器为 17 年 5 月份发货，5 月底 安装，发现裂纹时使用周期为 15 个月。现场查看机械手 出现的两处裂纹均在横梁上，横梁为悬臂梁式结构，一 端采用四个螺栓固定，另一端悬空。横梁（UV 轴）上的 机械臂沿着 UV 轴导槽可以左右滑动，机械手自身沿垂 直方向运动夹取物料。
2 理化检测
2.1 宏观分析 取下异常悬臂横梁，观察表面存在两处裂纹，在中 间段和靠左段（也是横梁悬空段），横梁为方形中空结构。 两处裂纹均是由导轨安装槽处开始，贯穿横梁直至侧面。 横梁的导轨槽未喷涂，该处基材呈裸露状态，整个表面 均存在气孔，外观质量较差。 截取端部横梁，沿裂纹前端解剖，发现靠近导槽位 置裂纹穿透整个截面，已经出现断裂状态，断口表面氧 化发黑，其余位置表面裂纹深度约 3-6 mm。沿裂纹走向掰断故障件，发现多处 断口存在发黑，可以判断为已经裂纹产生 很久了，图1 处掰断处断口明显存在块状 夹杂，另1掰断处断口齐平，无撕裂状， 材料未结合在一起。
图 1 两处裂纹均出现在横梁上（UV 轴）
2.2 硬度测试 使 用 维 氏 硬 度 计 测 试 硬 度 值 为 75.3~78.6 HV，仅作参考，因国标给出的 为布氏硬，暂无标准换算公式。
2.3 材质成份分析 从裂纹处截取一块进行打磨，去掉表 面涂层后，使用直读光谱仪扫描材料成份， 测试结果显示部分位置杂质含量超标，不 符合标准要求，影响材料使用性能。
2.4 金相分析 从裂纹起始处截取一块样件进行打 磨、抛光，使用浓度和 20 % 的氢氧化钠 溶液进行腐蚀，使用显微镜观察（50、 100 倍），有大量气孔，晶粒组织存在不 均匀现象。α 固溶体枝晶状较明显，主要为局部散热差，冷却速度缓慢，使得固 溶体形成和长大较快，出现晶粒粗细不均 的情况。气孔和晶粒不均处均为材料薄弱 处，受外力后易产生裂纹。
3 应力应变分析
为采集机械手实际工作时的受力情 况，使用应力应变设备进行布点采集实时 数据。因设备运行时幅度过大，固定采集 点受影响 ，因此只在 UV 轴左、右及 UV 连接块进行布点，模拟机械手单次取料动 作时的各点的受力情况。 应力测试情况总结 : ①受机械手运 动影响，UV 连接块应力值要比其他点大；
② UV 轴左 / 右数据在进 300/320（分别对应手动130/150）各测试 3 组数据，最大值为 194.75 μ。
4 导轨组件差异对比
对比现场其他家机械手导轨组件，失效厂家组件的 固定方式、材料结构与之存在差异，其机械手的 UV 轴 为铸造铝合金，且为悬臂梁式单点固定，横梁内部承压 面积小，具体差异点如表 2。
5 原因分析
经宏观、微观、物理性能、应力应变分析，及差异 点对比，确定机械手导轨组件失效点如下：
1）材质：UV 轴使用材料为铸造铝合金，该材料生 产过程处理不当，使得表面和内部出现大量气孔，局部 存在夹杂，此类内部缺陷导致材料结合性差，易失效产 生裂纹。
2）受力：应力应变结果显示，机械手运动时，UV 连接块应力值相对比其他点大，该处螺栓易出现松脱和 断裂的情况。
3）承压面积：UV 轴为悬臂梁式结构，只在一端固定， 受力集中，且 UV 轴为方形中空结构，内部加强筋数量少， 承压能力相对较差 。
6 改善建议
经综合分析，确定为加工不当使得材料本身存在气 孔、夹杂和晶粒大小不均缺陷，采用悬臂梁式一端固定， 承压横截面小，在使用过程中受外力影响，从材料缺陷 处（最脆弱处）产生裂纹，再延伸出现断裂口。 根据失效原因，建议如下：①设备制造厂家对使用材料加严检验，确保质量合格；②变更 UV 轴（即 失效横梁）固定方式，分散受力点；③增加加强 筋数量，增加横梁承压面积和承压能力；④提高 UV- 连接块固定螺钉强度等级
参考文献：
[1] 吴义志 . ZL101A 熔模铸件气孔和夹渣的成因及防止办法 [J]. 铸造技术 , 2011,5.
[2]GB/T 1173-1995 铸造铝合金 [S].
[3]GB/T 9438-1999 铝合金铸件 [S].
[4] 韩茵 , 陈诗键 . 铸造铝合金组织对力学性能的影响 [J] 理 化检测 - 物理分册 , 2003.9（11）: 555-559.
来源：格力电器（合肥）有限公司 作者：杜 健 查佳朋 段美姣 黄时华 阮晋如 邹成科 蒯金斌
