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淺談大型滾珠絲杠表面感應

【作者】:無錫爱情岛论坛亚洲 【來源】:無錫爱情岛论坛亚洲 【添加日期】:2016-6-20 12:16:35

滾珠絲杠副是由絲桿、螺母、滾珠等零件組成的機械元件。它將旋轉運動,轉變為直線運動,或將直線運動轉變為旋轉運動,具有傳動效率高、定位精度高、傳動可逆性、使用壽命長和同步性能好等優點,因而廣泛應用于各種產業設備、精密儀器和精密數控機床中。近年來,滾珠絲杠副作為數控機床直線驅動執行單元,在機床行業中得到廣泛應用,極大地推動了機床行業的發展。

滾珠絲杠副在各類設備上使用時,由于負荷不同,受力大小不同,絲桿工作時常承受彎曲、扭轉、疲憊和沖擊,同時在轉動部位承受較強的摩擦力,所以其主要的損壞形式是磨損和疲憊失效。因此絲桿在設計、制造時,必須具備高強韌度、高表面硬度和耐磨性以及高的尺寸穩定性等內在性能要求。特別是大型滾珠絲杠( 直徑≥80 mm) ,由于使用時承受的負荷較大( 動、靜負荷可達近1000kN) ,因此在強韌度、表面硬度和耐磨性等方面要求就更高。目前,國內各制造企業普遍選用GCr15 鋼材,在經過球化退火處理或調質處理等預先熱處理后,進行表面感應淬火熱處理,以滿足滾珠絲杠內在的性能要求。

目前,大型滾珠絲杠一般采用中頻感應淬火。在生產中,經常會發現經過中頻淬火( 回火) 的絲桿經磨削螺紋后,經磁力探傷檢查,常在螺紋滾道的圓弧上出現軸向的或網狀的裂紋,甚至在磨削螺紋過程中僅憑肉眼就可發現,從而造成絲桿的報廢。這不僅給企業造成直接經濟損失,而且由于造成該題目的因素是多方面的,給企業生產一線操縱者帶來較大的壓力。筆者長期從事滾珠絲杠熱處理的技術工作,通過對大量磨削裂紋大絲桿的失效分析和過程追溯,總結了造成這類裂紋的原因和控制措施,并通過批量生產獲得了有效性確認。
一、絲桿中頻淬火后磨削裂紋的原因分析

1. 原材料不良

主要表現為GCr15 材料的網狀碳化物級別超差或球化退火組織分歧格( 有片狀珠光體) 。通過對裂紋絲桿碳化物的不均勻性分析、顯微組織分析,出現網狀碳化物級別超差或球化退火組織分歧格絲桿約占總數的40 % 。碳化物不均勻性造成絲桿表面感應淬火后存在表面硬度和內應力分布不均,碳化物較集中的部位其內應力也較集中。在絲桿磨削時,由于該部位內應力超過材料的屈服強度,就會產生磨削裂紋。片狀珠光體存在,則造成絲桿表面感應淬火后晶粒粗大,降低鋼材的屈服強度,絲桿磨削時在內應力超過材料的屈服強度部位產生磨削裂紋。

2. 絲桿中頻淬火熱處理不

主要表現為淬火溫度偏高或回火不足。通過分析、統計,由此造成絲桿磨削裂紋的絲桿約占總數的20 % ~30 % 。

大型滾珠絲杠中頻淬火時,中頻輸出功率偏高,淬火速度過慢,都可能使絲桿淬火時的溫度偏高,絲桿淬火后的馬氏體組織級別偏上限( 馬氏體5 級) ,甚至可能超標( 馬氏體≥5 級) 。粗大的馬氏體組織會降低鋼材40 %。絲桿磨削時的工藝參數不規范,磨削時產生的磨削熱量在絲桿表面造成“二次回火”。更有甚者,磨削熱量甚至使絲桿表面的溫度升高達到絲桿材料的“淬火溫度”,在磨削液的冷卻作用下,絲桿表面形成“二次淬火”,造成表面晶粒粗大,降低鋼材的屈服強度,引起絲桿表面出現裂紋。大型滾珠絲杠淬火后,淬硬層較深,內應力( 包括熱應力和組織轉變應力) 較大,回火不足( 回火溫度低或回火時間短) ,絲桿淬火時形成的內應力消除不完全。絲桿淬火、回火后,內部的殘余內應力與磨削時產生的磨削應力相疊加,當疊加后的應力超過鋼材的屈服強度時,就會在絲桿表面形成裂紋。

3. 絲桿磨削時的工藝參數不規范該原因造成磨削裂紋的絲桿約占總數的30 % ~40 %。絲桿磨削時的工藝參數不規范, 磨削時產生的磨削熱量在絲桿表面造成“二次回火”。更有甚者, 磨削熱量甚至使絲桿表面的溫度升高達到絲桿材料的“淬火溫度”, 在磨削液的冷卻作用下, 絲桿表面形成“二次淬火”, 造成表面晶粒粗大, 降低鋼材的屈服強度, 引起絲桿表面出現裂紋。

 


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