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滾珠絲杠精度失效原因分析(一)

返回列表 發布日期: 2021.08.23

 表面損傷失效指機械零件因表面損傷而造成機械設備無法正常工作或失去精度的現象。主要包括:接觸疲勞失效、磨損失效與腐蝕失效。
一、接觸疲勞
滾珠絲杠副接觸疲勞失效是指零件在作滾動或滾滑復合運動時,由于承受交變接觸載荷,使表面材料疲勞斷裂而形成點蝕或剝落的現象。具體表現有螺母、絲杠的滾道及滾珠的工作表面產生點蝕,材料產生剝落
滾珠絲杠副的材料均為多晶體。由于各晶粒位相不同,以及位錯、夾雜等微觀、宏觀缺陷與第二相的存在,在多晶體中存在著各向異性和非均質性。疲勞破壞總是由應力應變最高和位向最不利的薄弱晶?;驃A雜等缺陷處起始,并沿著一定的結晶面開始擴展。
當滾道或滾動體的直徑發生變化時,其接觸線上各對應點的運動關系(旋滾比)也會隨之發生變化。當滾動體直徑變大時,滾子與滾道接觸的對應點之間線速度不等,出現了滑動摩擦。在一定的負載條件下,絲杠副轉速越高,線速度差別越大,摩擦就越強烈,并導致異常溫升。
誘發滾道表面非正常磨損的另一個誤差因素是:內外滾道母線和滾動體母線對其中心線的傾斜角度誤差,即角度差。滾道的實際角度過大或過小,均可使載荷向絲杠副某處集中。載荷集中的區域必然是變形量和應力最大的區域。在絲杠副旋轉過程中,滾道上某一點的應力隨時間呈周期性變化,由0到最大值再返回到0,如此循環往復。在這種情況下,應力集中處的近表層會因疲勞而提前出現微小裂紋,這種微小裂紋在反復循環載荷下擴展,最終擴展到表層,剝落出肉眼可見的微粒,于是接觸表面出現了磨損麻坑,這種現象稱為表面疲勞磨損。剝落出的微粒又會參與到磨損當中,形成磨粒磨損,使滾道的磨損進一步加劇。
原因:長期超負荷運行;產品缺陷:如材料、硬度、滾道表面粗糙度等;潤滑問題:潤滑劑粘度和用量用法不當;固體顆粒侵入,循環作用造成的疲勞損壞;未及時維修或維修不當;設備老化等。措施:選擇適當的滾珠絲杠產品;優化潤滑方式,選擇合適的潤滑劑和潤滑量;安裝時保證零件與環境的清潔,優化密封結構;定期進行產品維護,及時更換疲勞產品。

二、磨損
材料選用優質GCr15鋼。滾珠絲杠的傳動功能是通過鋼球在滾道內滾動時帶動螺母運動的。由于一般企業采用的鋼球硬度達60HRC,這就要求滾道表面的硬 必須58~63HRC,硬度太低則滾道不耐磨,硬度超過上限則會大大降低溶火硬化層的力學性能,會在滾道表面產生磨削裂紋,甚至造成絲杠斷裂。對于滾珠絲杠率火硬化層深度要求,是基于絲杠耐磨性和長期反復運動的需要,為了保證其能很好地達到設計使用壽命。在對滾珠絲杠粹火硬化層組織的要求中,特別強調馬氏體組織必須控制在1~4級,即隱針狀馬氏體,不允許出現粗針狀馬氏體。根據生產經驗,類似滾珠絲杠這樣精密的滾動軸承類產品,如果溶火組織過粗則有可能在后續的磨削加工中產生裂紋。對于滾珠絲杠表面感應溶火徑跳的要求是基于兩方面的原因:一是絲杠精度的要求;二是大批量產品生產的要求。在溶火過程中產生的徑跳超過要求,會影響絲杠的加工精度。而且溶火后的絲杠硬度高、脆性大,校正工作難度較大,不利于產品的大批量生產,因此要求粹火時對絲杠徑跳進行嚴格控制。
滾珠絲杠副磨損是指表面之間的相對滑動摩擦導致其工作表面金屬不斷磨損而產生的失效。持續的磨損使各零件逐漸損壞,并最終導致絲杠系統的精度喪失及其他相關問題。按磨損形式通常又分為磨粒磨損和粘著磨損。
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一)磨粒磨損
磨粒磨損指滾動工作表面之間擠入外來硬質顆?;虍愇锘蚪饘俦砻婺バ枷嗷ツΣ炼鸬哪p,常在工作表面造成犁溝狀的擦傷或凹痕。其具體表現為絲杠系統運行劇烈顫動,有噪聲;滾珠運動阻滯,螺母卡死;絲杠、螺母的滾道工作表面有不均勻凹坑,局部剝離
產生因素有:密封不合適或損壞造成金屬顆粒等異物侵入;安裝或工作環境不清潔,造成污染;潤滑劑不合適等。措施:選擇合適的密封形式,及時更換受損的密封件;改善運輸、安裝與使用方法和條件;選用合適潤滑劑圖6-2螺母滾道的凹坑并及時更換等。
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二)粘著磨損
粘著磨損指由于摩擦表面的顯微凸起或異物使摩擦面受力不均,在潤滑條件嚴重惡化時,因局部摩擦生熱,造成摩擦面局部變形和材料焊合現象。輕微的粘著磨損稱為擦傷,嚴重的粘著磨損稱為咬合。具體表現為滾珠或滾道變粗糙;接觸面擦傷、材料卷起
產生因素有:滾珠在進入與離開承載區域時的急劇變速;潤滑劑的種類與用量不合適;異物侵入,滾珠滾動受阻;有水侵入等。措施:根據工況選用合適的絲杠產品;選用合適的潤滑劑和潤滑量;改善密封等。

絲杠和螺母采用相同的材料和熱處理工藝,硬度基本相同。雖然螺母滾道面的工作時間比絲杠軸滾道面長,但是實踐中卻發現,絲杠軸的磨損明顯大于螺母,致使絲杠副的有效壽命大大縮短。接觸應力理論分析表明,雖然滾珠與絲杠滾道和螺母滾道的接觸壓力相同,但由于接觸曲率不同,其接觸應力存在較大差異,滾珠與絲杠滾道的接觸應力要大于滾珠與螺母滾道的接觸應力,接觸應力的差異導致二者摩擦特性不同,這是絲杠滾道磨損較快的一個重要原因。根據彈流潤滑理論計算的最小油膜厚度值表明,滾珠與絲杠滾道和螺母滾道接觸副之間無顯著差異,但絲杠為細長軸類零件,剛度較低,在磨削過程中由于振動會導致精磨表面的粗糙度值較高,因而其潤滑狀態要比螺母滾道更惡劣。另外,在高溫狀態下,離心力的作用可能會導致潤滑油脫離絲杠滾道,造成絲杠滾道潤滑狀態進一步惡化。接觸應力大且潤滑狀態差,這兩者綜合作用的結果導致了絲杠滾道磨損過快,影響了絲杠副的有效壽命。

三、腐蝕
摩擦副對偶表面在相對滑動過程中,表面材料與周圍介質發生化學或電化學反應,并伴隨機械作用而引起的材料損壞現象稱為腐蝕磨損。具體表現為滾道工作表面出現不均勻的坑狀銹斑或與滾珠節距相同的銹蝕,絲杠整體生銹及腐蝕(參見圖6-4)。
產生因素有:存放或使用不當,水、腐蝕性物質等侵入;溫差變

化大,形成冷凝水;密封失效;潤滑劑、防銹劑不合適等。措施:存放與使用時禁止腐蝕性物質等侵入,能避免與水和腐蝕性物質接觸;改進密封;采用抗腐蝕能力強的潤滑劑;暫時不用或停轉時采取正確的防銹措施。

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