电动机是把电能转换成机械能的设备。在机械、冶金、石油、煤炭、化学、航空、交通、农业以及其他各种工业中，电动机被广泛地应用着。随着工业自动化程度不断提高，需要采用各种各样的控制电机作为自动化系统的元件，人造卫星的自动控制系统中，电机也是不可缺少的。此外在国防、文教、医疗及日常生活中(现代化的家电工业中)电动机也愈来愈广泛地应用起多以齿轮传动、蜗杆传动为主，而轴是电动机中不可缺少的重要零件之一,也是最常见的失效零件。 为此，我们对电动机输出轴的断裂原因进行了比较系统的分析：轴的宏、微观分析和结构分析，了解该轴的应力分布情况，找出应力集中部位，分析该类轴断裂的原因。在此基础上充分利用PRO/E技术进行进一步的应力分析,以验证宏、微观分析结果,再利用PRO/E技术进行轴的优化设计,达到改进轴的目的。使减速器的工作性能达到最优。这样既能保证设备的正常使用，提高工厂的经济效益，有很高的实用价值，而且为轴失效问题的分析可提供有效的参考资料。 Pro/ENGINEE是1985年美国波士顿PTC公司开发出来的参数化建模软件，目前已经成为三维建模软件的领头羊。目前已经发布了Pro/ENGINEER WILDFIRE 3.O。它包括了在工业设计和机械设计等方面的多项功能，还包括对大型装配体的管理、功能仿真、制造、产品数据管理等等。而且Pro/ENGINEER还提供了目前所能达到的最全面、集成最紧密的产品开发环境，本文所进行轴的结构分析就是基于Pro/ENGINEER这一软件。 失效分析及失效的防止好比医生治病,正确的诊断、配合对症下药才能将病治好,这是紧密联系的两个方面。其基本思路是: 1.具体服役条件下的零部件进行具体分析,从中找出主要的失效形式及主要失效抗力指标。 2.用金属学、材料强度学和断裂物理、化学、力学的研究成果,深入分析各种失效现象的本质,以主要失效抗力指标与材料成分、组织、状态的关系,提出改进措施。 3.据“不同服役条件要求材料强度和塑性、韧性的合理配合”这一规律,分析研究失效零部件现行的选材、用材技术条件是否合理,是否受旧的传统学术观念束缚。在失效分析中常遇到一些“合法而不合理”的技术条件规定,如果把它当成金科玉律,则会犯分析上的错误,对防止零部件失效不利。 4.用局部复合强化,克服零部件上的薄弱环节,争取达到材料的等强度设计。 5.进行失效分析和提出防止失效的措施时,还应做到几个结合: （1）材料、工艺相结合,即对形状、尺寸、材料、成型加工和强化工艺统一考虑 （2）结构强度(力学计算、实验应力分析)与材料强度相结合,试棒试验与实际零部件台架模拟试验相结合; (3)客观规律与微观机理相结合,宏观断口和微观断口分析相结合,宏观与显微、亚显微组织分析相结合; (4)实验室规律性试验研究与生产试验相结合。 1.6失效分析的程序 进行失效分析,对于具体零部件要具体对待,不能企求有统一的方法。在整个失效分析过程中,应重点抓住以下几个环节: 1.收集失效件的背景数据除了解失效零部件在机器中的部位和作用、材料牌号、处理状态等基本情况外,应着重收集下面两方面的资料: (1)失效件全部制造工艺历史。从取得有关图纸和技术标准开始,了解冶炼、铸造、压力加工、切削加工、热处理、化学热处理、抛光、磨削、各种表面强化和表面处理及装配、润滑情况; (2)失效件的服役条件及服役历史。除了解载荷性质、加载次序、应力状态、环境介质、工作温度外,应特别注意环境细节和异常工况,如突发超载、温度变化、温度梯度和偶然与腐蚀介质的接触等。 2.失效零部件及全部碎片的外观检查在进行任何清洗之前都应经过彻底的外观检查,用摄相等方法详细做好记录。重点检查内容为: (1)观察整个零部件的变形情况,看是否有镦粗、下陷、内孔扩大、弯曲、颈缩等; (2)观察零部件表面冷热加工质量,如有无过烧、折叠、斑疤等热加工缺陷,有无刀痕、刮伤等机加工缺陷,有无冷热加工造成的裂纹; (3)观察断裂部位是否在键槽、油孔、尖角、加工深刀痕、凹坑等应力集中处; (4)观察零部件表面有无氧化、腐蚀、气蚀、咬蚀、磨损、龟裂、麻点或其它损伤; (5)观察相邻零部件或配偶件的情况; (6)观察零部件表面有无附着物。 （1）由于该大型轴的阶梯截面部位的较大几何形状因素，使工件局部截面冷却速度急剧变化，截面小的部位在淬火时先发生马氏体转变，随后截面粗的部位发生马氏体转变时，体积膨胀，在截面粗细交界处产生了较大的应力集中，因而在大型轴阶梯截面部位出现淬火裂纹。35Cr Mo钢对裂纹十分敏感，在外力作用下发生低应力断裂。 （2）该大型轴属于淬不透的大型轴，在其阶梯截面部位内部有冶金缺陷（白点、夹杂、疏松、缩孔残余等），这些缺陷破坏了工件的连续性，在淬火应力作用下这些缺陷成为产生裂纹的起源点。在产生裂纹的工件中发现有白点，这是由于在残余应力作用下，氢含量过高并向应力集中处扩散，产生氢脆开裂。这主要是由于淬火操作不当或回火不及时致使工件中存在过大的残余应力所致。 （3） 35CrMo是中淬透性钢，淬火加高温回火处理能获得优良机械性能的回火索氏体组织。该钢材的淬透性比较好，应采用较慢的冷却速度淬火，一般用油淬，以避免出现热处理缺陷（35CrMo调质工艺850 860℃油淬、540℃回火；30CrMo调质工艺860 870℃水淬、540℃回火）。由于该轴采用35Cr Mo钢，而采用了30CrMo整体调质工艺，使该轴冷却速度较大，再加上该轴截面急剧变化部位温差较大，产生较大的热应力。 注：冷却介质的冷却能力越大，材料的冷却速度越大，越容易超过该材料的临界淬火温度，则工件越容易淬硬，淬硬层的深度越深，但是，冷却速度过大将产生巨大的淬火应力，易于使工件产生变形或开裂。 水的冷却特性很不理想，在需要快冷650 400℃区间，其冷却速度很小，不超过200℃/s。而在需要慢冷的马氏体转变温度区，其冷却速度又很大，在340℃最大冷却速度高达775℃/s，很容易造成淬火工件的变形或开裂。水温升高，高温区冷却速度显著下降，而低温区的冷却速度仍然很高，适用于尺寸不大、形状简单的碳钢淬火。其次，由于蒸汽膜阶段会延长很长，随着淬火水温的升高，助长了蒸汽膜的停留时间，使阶段延长，造成硬度不变。 油的主要优点是在低温区的冷却速度比水小很多，从而可大大降低淬火工件的组织应力，减少工件变形或开裂的倾向。