滾珠絲杠精度失效原因分析（三）

第三節(jié) 斷裂失效

數(shù)控機(jī)床滾珠絲杠的使用壽命規(guī)定在1~1.5萬h,按每天工作8h,每年251個(gè)工作日計(jì)算，大約可運(yùn)行5~7.5年。但是許多數(shù)控車床選用的滾珠絲杠達(dá)不到這個(gè)運(yùn)行時(shí)間就發(fā)生了斷裂。有些經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床橫向滾珠絲杠的壽命還不到一年。從滾珠絲杠斷口的宏觀形貌分析，早期斷裂滾珠絲杠都屬于低應(yīng)力脆斷，不難斷定是因?yàn)橹圃爝^程中形成的微觀裂紋或材料內(nèi)部缺陷造成的。對(duì)于那些運(yùn)行3~4年以后才斷裂的滾珠絲杠，則不容易區(qū)分是低應(yīng)力脆斷還是疲勞斷裂。按滾珠絲杠12r/min計(jì)算，其循環(huán)次數(shù)應(yīng)在7.2×106~1.08×107之間，屬于高周期疲勞設(shè)計(jì)范圍。也就是說，如果滾珠絲杠尺寸規(guī)格、材料、制造工藝、安裝精度和使用方法都沒有問題的話，它在使用壽命之內(nèi)不應(yīng)該斷裂。
斷裂失效指零件斷裂而導(dǎo)致整個(gè)機(jī)械設(shè)備無法工作的現(xiàn)象。分為疲勞斷裂和受到超過材料強(qiáng)度極限的外加負(fù)載或沖擊載荷造成的過載斷裂。滾珠絲杠副的斷裂具體表現(xiàn)為絲杠、螺母明顯的部分脫落或整體裂痕；滾珠碎裂；反向器損壞等。
產(chǎn)生因素有：載荷過大；安裝不好，絲杠傾斜，撓度過大；使用不當(dāng)，受到?jīng)_擊振動(dòng)，瞬間載荷過大；轉(zhuǎn)速過高，急劇地加減速；異物污染造成滾珠運(yùn)動(dòng)阻塞；材料缺陷，制造不良等。措施：選擇合適的產(chǎn)品；采用正確安裝方法；查驗(yàn)應(yīng)用條件，如載荷、運(yùn)轉(zhuǎn)及溫度等；避免沖擊、振動(dòng)；選擇合適的密封產(chǎn)品；選擇適當(dāng)?shù)臐?rùn)滑劑與潤(rùn)滑量等。
一、絲杠中頻溶火后磨削產(chǎn)生裂紋
國(guó)內(nèi)各制造企業(yè)普遍選用GCr15鋼材，在經(jīng)過球化退火處理或調(diào)質(zhì)處理等預(yù)先熱處理后，進(jìn)行表面感應(yīng)溶火熱處理，以滿足滾珠絲杠內(nèi)在的性能要求。大型滾珠絲杠一般采中頻感應(yīng)率火。在生產(chǎn)中，經(jīng)常會(huì)發(fā)現(xiàn)經(jīng)過中頻溶火（回火）的絲杠經(jīng)磨削螺紋后，經(jīng)磁力探傷檢查，常在螺紋滾道的圓弧上出現(xiàn)軸向的或網(wǎng)狀的裂紋，甚至在磨削螺紋過程中僅憑肉眼就可發(fā)現(xiàn)，從而造成絲杠的報(bào)廢。這不僅給企業(yè)造成直接經(jīng)濟(jì)損失，而且由于造成該問題的因素是多方面的，給企業(yè)生產(chǎn)一線操作者帶來較大的壓力。
(一）原材料不良
滾珠絲杠主要表現(xiàn)為GCr15材料的網(wǎng)狀碳化物級(jí)別超差或球化退火組織不合格(有片狀珠光體）。通過對(duì)裂紋絲杠碳化物的不均勻性分析、顯微組織分析，出現(xiàn)網(wǎng)狀碳化物級(jí)別超差或球化退火組織不合格絲杠約占總數(shù)的40%。碳化物不均勻性造成絲杠表面感應(yīng)溶火后存在表面硬度和內(nèi)應(yīng)力分布不均，碳化物較集中的部位其內(nèi)應(yīng)力也較集中。在絲杠磨削時(shí)，由于該部位內(nèi)應(yīng)力超過材料的屈服強(qiáng)度，就會(huì)產(chǎn)生磨削裂紋。片狀珠光體存在，則造成絲杠表面感應(yīng)溶火后晶粒粗大，降低鋼材的屈服強(qiáng)度，絲杠磨削時(shí)在內(nèi)應(yīng)力超過材料的屈服強(qiáng)度部位產(chǎn)生磨削裂紋。
(二）滾珠絲杠絲杠中頻粹火熱處理不良
主要表現(xiàn)為溶火溫度偏高或回火不足。通過分析、統(tǒng)計(jì)，由此造成絲杠磨削裂紋的絲杠約占總數(shù)的20%~30%。大型滾珠絲杠中頻溶火時(shí)，中頻輸出功率偏高，沖火速度過慢，都可能使絲杠粹火時(shí)的溫度偏高，絲杠粹火后的馬氏體組織級(jí)別偏上限（馬氏體5級(jí)）,甚至可能超標(biāo)（馬氏體≥5級(jí)）。粗大的馬氏體組織會(huì)降低鋼材斷裂韌性40%。絲杠磨削時(shí)的工藝參數(shù)不規(guī)范，磨削時(shí)產(chǎn)生的磨削熱量在絲杠表面造成“二次回火”。更有甚者，磨削熱量甚至使絲杠表面的溫度升高達(dá)到絲杠材料的“溶火溫度”，在磨削液的冷卻作用下，絲杠表面形成“二次沖火”，造成表面晶粒粗大，降低鋼材的屈服強(qiáng)度，引起絲杠表面出現(xiàn)裂紋。大型滾珠絲杠粹火后，溶硬層較深，內(nèi)應(yīng)力（包括熱應(yīng)力和組織轉(zhuǎn)變應(yīng)力）較大，回火不足（回火溫度低或回火時(shí)間短）,絲杠溶火時(shí)形成的內(nèi)應(yīng)力消除不完全。絲杠率火、回火后，內(nèi)部的殘余內(nèi)應(yīng)力與磨削時(shí)產(chǎn)生的磨削應(yīng)力相疊加，當(dāng)疊加后的應(yīng)力超過鋼材的屈服強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)在絲杠表面形成裂紋。
(三）絲杠磨削時(shí)的工藝參數(shù)不規(guī)范
該原因造成磨削裂紋的絲杠約占總數(shù)的30%~40%。絲杠磨削時(shí)的工藝參數(shù)不規(guī)范，磨削時(shí)產(chǎn)生的磨削熱量在絲杠表面造成“二次回火”。更有甚者，磨削熱量甚至使絲杠表面的溫度升高達(dá)到絲杠材料的“粹火溫度”，在磨削液的冷卻作用下，絲杠表面形成“二次溶火”，造成表面晶粒粗大，降低鋼材的屈服強(qiáng)度，引起絲杠表面出現(xiàn)裂紋。采用“減小每次進(jìn)刀磨削量，多次進(jìn)刀”及“磨削——穩(wěn)定絲杠表面溫度——磨削”的方法，有效地降低了絲杠表面的磨削熱量和磨削應(yīng)力，杜絕滾珠絲杠磨削時(shí)產(chǎn)生的“二次粹火”或“二次回火”現(xiàn)象，從而避免“磨削裂紋”的產(chǎn)生。
二、鋼珠破裂
鋼珠最常用的材質(zhì)是銘鑰鋼，若要使一顆直徑3.175mm(1/8in)的鋼珠破裂，約須14~16kN力。滾珠螺桿有、無潤(rùn)滑對(duì)于溫升的差異明顯，此溫升可能造成鋼珠破裂或損壞，因此造成螺母或珠槽的損壞。因此設(shè)計(jì)過程中須考慮潤(rùn)滑油的補(bǔ)充，如無法使用自動(dòng)潤(rùn)滑系統(tǒng)，必須將潤(rùn)滑油的補(bǔ)充計(jì)算列入保養(yǎng)手冊(cè)。
三、反向器凹陷或斷裂
螺母過行程或反向器受到的撞擊會(huì)造成反向器的凹陷或斷裂，因此阻礙鋼珠的循環(huán)路徑，使得鋼珠變成滑動(dòng)而非正常滾動(dòng)，最后造成反向器斷裂。
四、滾珠絲杠肩部斷裂
(1)絲杠肩部應(yīng)避免銳角設(shè)計(jì)，以減少局部應(yīng)力集中。
(2)絲杠軸頸彎曲。軸承承靠面與鎖緊螺母軸心的垂直度超差，或鎖緊螺母面平行度超差，皆會(huì)導(dǎo)致絲杠肩部的彎曲或斷裂，因此在鎖緊螺母鎖緊后，絲杠肩部偏擺量不得超過0.01mm。
(3)徑向力或反復(fù)應(yīng)力。安裝絲杠時(shí)造成的偏心而產(chǎn)生異常的交變切應(yīng)力會(huì)使?jié)L珠絲杠過早損壞。