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機械臂橫梁在使用過程中出現裂紋，無法使用，經現場調查、宏觀分析、理化檢測、應力應變和結構強度分析，結果表明橫梁使用的鑄造鋁合金存在夾雜和氣孔缺陷，且截面為方形中空結構，內部加強筋數量少，承壓能力相對較差，受外力后裂紋從缺陷處延伸導致失效。
鑄造鋁合金；裂紋；失效分析
引言
某車間全面檢修時發現生產軸流風葉的機械設備橫 梁臂出現 2 道裂紋，存在質量和安全隱患，為查找失效 原因，避免其他設備出現同類異常，對故障件進行失效 分析。經了解該設備機械臂材質為 ZL101A 鑄造鋁合金， 國標要求鑄件表面上不允許有裂紋、縮孔、穿透性缺陷 等。
1 現場調查
經核實出現裂紋的機器為 17 年 5 月份發貨，5 月底 安裝，發現裂紋時使用周期為 15 個月?，F場查看機械手 出現的兩處裂紋均在橫梁上，橫梁為懸臂梁式結構，一 端采用四個螺栓固定，另一端懸空。橫梁（UV 軸）上的 機械臂沿著 UV 軸導槽可以左右滑動，機械手自身沿垂 直方向運動夾取物料。
2 理化檢測
2.1 宏觀分析 取下異常懸臂橫梁，觀察表面存在兩處裂紋，在中 間段和靠左段（也是橫梁懸空段），橫梁為方形中空結構。 兩處裂紋均是由導軌安裝槽處開始，貫穿橫梁直至側面。 橫梁的導軌槽未噴涂，該處基材呈裸露狀態，整個表面 均存在氣孔，外觀質量較差。 截取端部橫梁，沿裂紋前端解剖，發現靠近導槽位 置裂紋穿透整個截面，已經出現斷裂狀態，斷口表面氧 化發黑，其余位置表面裂紋深度約 3-6 mm。沿裂紋走向掰斷故障件，發現多處 斷口存在發黑，可以判斷為已經裂紋產生 很久了，圖1 處掰斷處斷口明顯存在塊狀 夾雜，另1掰斷處斷口齊平，無撕裂狀， 材料未結合在一起。
圖 1 兩處裂紋均出現在橫梁上（UV 軸）
2.2 硬度測試 使 用 維 氏 硬 度 計 測 試 硬 度 值 為 75.3~78.6 HV，僅作參考，因國標給出的 為布氏硬，暫無標準換算公式。
2.3 材質成份分析 從裂紋處截取一塊進行打磨，去掉表 面涂層后，使用直讀光譜儀掃描材料成份， 測試結果顯示部分位置雜質含量超標，不 符合標準要求，影響材料使用性能。
2.4 金相分析 從裂紋起始處截取一塊樣件進行打 磨、拋光，使用濃度和 20 % 的氫氧化鈉 溶液進行腐蝕，使用顯微鏡觀察（50、 100 倍），有大量氣孔，晶粒組織存在不 均勻現象。α 固溶體枝晶狀較明顯，主要為局部散熱差，冷卻速度緩慢，使得固 溶體形成和長大較快，出現晶粒粗細不均 的情況。氣孔和晶粒不均處均為材料薄弱 處，受外力后易產生裂紋。
3 應力應變分析
為采集機械手實際工作時的受力情 況，使用應力應變設備進行布點采集實時 數據。因設備運行時幅度過大，固定采集 點受影響 ，因此只在 UV 軸左、右及 UV 連接塊進行布點，模擬機械手單次取料動 作時的各點的受力情況。 應力測試情況總結 : ①受機械手運 動影響，UV 連接塊應力值要比其他點大；
② UV 軸左 / 右數據在進 300/320（分別對應手動130/150）各測試 3 組數據，最大值為 194.75 μ。
4 導軌組件差異對比
對比現場其他家機械手導軌組件，失效廠家組件的 固定方式、材料結構與之存在差異，其機械手的 UV 軸 為鑄造鋁合金，且為懸臂梁式單點固定，橫梁內部承壓 面積小，具體差異點如表 2。
5 原因分析
經宏觀、微觀、物理性能、應力應變分析，及差異 點對比，確定機械手導軌組件失效點如下：
1）材質：UV 軸使用材料為鑄造鋁合金，該材料生 產過程處理不當，使得表面和內部出現大量氣孔，局部 存在夾雜，此類內部缺陷導致材料結合性差，易失效產 生裂紋。
2）受力：應力應變結果顯示，機械手運動時，UV 連接塊應力值相對比其他點大，該處螺栓易出現松脫和 斷裂的情況。
3）承壓面積：UV 軸為懸臂梁式結構，只在一端固定， 受力集中，且 UV 軸為方形中空結構，內部加強筋數量少， 承壓能力相對較差 。
6 改善建議
經綜合分析，確定為加工不當使得材料本身存在氣 孔、夾雜和晶粒大小不均缺陷，采用懸臂梁式一端固定， 承壓橫截面小，在使用過程中受外力影響，從材料缺陷 處（最脆弱處）產生裂紋，再延伸出現斷裂口。 根據失效原因，建議如下：①設備制造廠家對使用材料加嚴檢驗，確保質量合格；②變更 UV 軸（即 失效橫梁）固定方式，分散受力點；③增加加強 筋數量，增加橫梁承壓面積和承壓能力；④提高 UV- 連接塊固定螺釘強度等級
參考文獻：
[1] 吳義志 . ZL101A 熔模鑄件氣孔和夾渣的成因及防止辦法 [J]. 鑄造技術 , 2011,5.
[2]GB/T 1173-1995 鑄造鋁合金 [S].
[3]GB/T 9438-1999 鋁合金鑄件 [S].
[4] 韓茵 , 陳詩鍵 . 鑄造鋁合金組織對力學性能的影響 [J] 理 化檢測 - 物理分冊 , 2003.9（11）: 555-559.
