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滚珠丝杠精度失效原因分析(三)

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第三节 断裂失效


数控机床滚珠丝杠的使用寿命规定在1~1.5h,按每天工作8h,每年251个工作日计算,大约可运行5~7.5年。但是许多数控车床选用的滚珠丝杠达不到这个运行时间就发生了断裂。有些经济型数控车床横向滚珠丝杠的寿命还不到一年。从滚珠丝杠断口的宏观形貌分析,早期断裂滚珠丝杠都属于低应力脆断,不难断定是因为制造过程中形成的微观裂纹或材料内部缺陷造成的。对于那些运行3~4年以后才断裂的滚珠丝杠,则不容易区分是低应力脆断还是疲劳断裂。按滚珠丝杠12r/min计算,其循环次数应在7.2×106~1.08×107之间,属于高周期疲劳设计范围。也就是说,如果滚珠丝杠尺寸规格、材料、制造工艺、安装精度和使用方法都没有问题的话,它在使用寿命之内不应该断裂。
断裂失效指零件断裂而导致整个机械设备无法工作的现象。分为疲劳断裂和受到超过材料强度极限的外加负载或冲击载荷造成的过载断裂。滚珠丝杠副的断裂具体表现为丝杠、螺母明显的部分脱落或整体裂痕;滚珠碎裂;反向器损坏等。
产生因素有:载荷过大;安装不好,丝杠倾斜,挠度过大;使用不当,受到冲击振动,瞬间载荷过大;转速过高,急剧地加减速;异物污染造成滚珠运动阻塞;材料缺陷,制造不良等。措施:选择合适的产品;采用正确安装方法;查验应用条件,如载荷、运转及温度等;避免冲击、振动;选择合适的密封产品;选择适当的润滑剂与润滑量等。
一、丝杠中频溶火后磨削产生裂纹
国内各制造企业普遍选用GCr15钢材,在经过球化退火处理或调质处理等预先热处理后,进行表面感应溶火热处理,以满足滚珠丝杠内在的性能要求。大型滚珠丝杠一般采中频感应率火。在生产中,经常会发现经过中频溶火(回火)的丝杠经磨削螺纹后,经磁力探伤检查,常在螺纹滚道的圆弧上出现轴向的或网状的裂纹,甚至在磨削螺纹过程中仅凭肉眼就可发现,从而造成丝杠的报废。这不仅给企业造成直接经济损失,而且由于造成该问题的因素是多方面的,给企业生产一线操作者带来较大的压力。
(一)原材料不良
滚珠丝杠主要表现为GCr15材料的网状碳化物级别超差或球化退火组织不合格(有片状珠光体)。通过对裂纹丝杠碳化物的不均匀性分析、显微组织分析,出现网状碳化物级别超差或球化退火组织不合格丝杠约占总数的40%。碳化物不均匀性造成丝杠表面感应溶火后存在表面硬度和内应力分布不均,碳化物较集中的部位其内应力也较集中。在丝杠磨削时,由于该部位内应力超过材料的屈服强度,就会产生磨削裂纹。片状珠光体存在,则造成丝杠表面感应溶火后晶粒粗大,降低钢材的屈服强度,丝杠磨削时在内应力超过材料的屈服强度部位产生磨削裂纹。
(二)滚珠丝杠丝杠中频粹火热处理不良
主要表现为溶火温度偏高或回火不足。通过分析、统计,由此造成丝杠磨削裂纹的丝杠约占总数的20%~30%。大型滚珠丝杠中频溶火时,中频输出功率偏高,冲火速度过慢,都可能使丝杠粹火时的温度偏高,丝杠粹火后的马氏体组织级别偏上限(马氏体5级),甚至可能超标(马氏体≥5级)。粗大的马氏体组织会降低钢材断裂韧性40%。丝杠磨削时的工艺参数不规范,磨削时产生的磨削热量在丝杠表面造成二次回火。更有甚者,磨削热量甚至使丝杠表面的温度升高达到丝杠材料的溶火温度,在磨削液的冷却作用下,丝杠表面形成二次冲火,造成表面晶粒粗大,降低钢材的屈服强度,引起丝杠表面出现裂纹。大型滚珠丝杠粹火后,溶硬层较深,内应力(包括热应力和组织转变应力)较大,回火不足(回火温度低或回火时间短),丝杠溶火时形成的内应力消除不完全。丝杠率火、回火后,内部的残余内应力与磨削时产生的磨削应力相叠加,当叠加后的应力超过钢材的屈服强度时,就会在丝杠表面形成裂纹。
(三)丝杠磨削时的工艺参数不规范
该原因造成磨削裂纹的丝杠约占总数的30%~40%。丝杠磨削时的工艺参数不规范,磨削时产生的磨削热量在丝杠表面造成二次回火。更有甚者,磨削热量甚至使丝杠表面的温度升高达到丝杠材料的粹火温度,在磨削液的冷却作用下,丝杠表面形成二次溶火,造成表面晶粒粗大,降低钢材的屈服强度,引起丝杠表面出现裂纹。采用减小每次进刀磨削量,多次进刀磨削——稳定丝杠表面温度——磨削的方法,有效地降低了丝杠表面的磨削热量和磨削应力,杜绝滚珠丝杠磨削时产生的二次粹火二次回火现象,从而避免磨削裂纹的产生。
二、钢珠破裂
钢珠最常用的材质是铭钥钢,若要使一颗直径3.175mm(1/8in)的钢珠破裂,约须14~16kN力。滚珠螺杆有、无润滑对于温升的差异明显,此温升可能造成钢珠破裂或损坏,因此造成螺母或珠槽的损坏。因此设计过程中须考虑润滑油的补充,如无法使用自动润滑系统,必须将润滑油的补充计算列入保养手册。
三、反向器凹陷或断裂
螺母过行程或反向器受到的撞击会造成反向器的凹陷或断裂,因此阻碍钢珠的循环路径,使得钢珠变成滑动而非正常滚动,最后造成反向器断裂。
四、滚珠丝杠肩部断裂
(1)丝杠肩部应避免锐角设计,以减少局部应力集中。
(2)丝杠轴颈弯曲。轴承承靠面与锁紧螺母轴心的垂直度超差,或锁紧螺母面平行度超差,皆会导致丝杠肩部的弯曲或断裂,因此在锁紧螺母锁紧后,丝杠肩部偏摆量不得超过0.01mm
(3)径向力或反复应力。安装丝杠时造成的偏心而产生异常的交变切应力会使滚珠丝杠过早损坏。


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