摘要:本文通过一套滚珠丝杆的卡阻失效进行了分析,从丝杆的结构、材质、以及制造工艺等方面,发现是滚珠硬度偏高,而换向块硬度偏低,两者不匹配所致,要求在制造工艺中进行完善,严格执行工艺标准。
关键词:滚珠丝杆;失效分析;硬度
一、背景概述
由于滚珠丝杠在运动精度和速度方面的优势,滚珠丝杠在自动化设备中具有较高的使用频率。 它不仅可以作为设备的主要运动结构,还可以作为自动运动装置。 因此,螺杆的质量也决定了自动化设备的稳定性。 对常见的自动线滚珠丝杠卡涩故障进行了分析,并提出了改进建议。 首先,密切局部观察螺杆的外观,球槽上每3个槽上有明显的磨损痕迹,表面光滑的涂层破损,呈深灰色,均发生在同一螺旋上。 螺母旋转不顺畅,间隙大,晃动明显。
二、失效分析
1、宏观形貌观察
将螺帽与丝杆分离,卸下钢珠、拆除密封圈、换向块后、用煤油进行清洗,共拆解部件如下:螺帽本体1个、钢珠1套、密封圈2个、内卡簧2个、换向器4个。从拆解过程中可知,螺帽内部润滑良好,并未发现缺油、干涸的不良现象。
拆解螺帽组件后,可观察到除了丝杆滚珠槽有磨擦受损的痕迹以外,更明显的损伤发生在螺帽本身。主要表现为以下3个方面:
(1)钢珠严重磨损,其压印、划痕十分明显,普遍存在较深的沟槽,本来光洁的表面已完全被破坏,个别伴有烧伤的迹象。
(2)四个换向块当中,有两块已经断裂、磨损严重,另外两块也出现磨损,并且在转弯换向的位置有明显压印,滚道外壁有金属层剥离和脱落。
(3)螺帽滚珠槽与换向器的衔接处有明显的台阶和划痕,过渡不顺畅,配合间隙大于0.5mm,钢珠在该位置流动时会受到较大冲击。
对比之下,螺帽的两组螺纹(双头螺纹)滚道只有首尾末端与换向块连接的位置有磨损的痕迹,中段并无明显的损伤。查阅丝杆有关生产标准,合格的钢珠硬度范围应为62~66HRC,螺帽硬度应为58~62HRC,而螺杆为56~62HRC。从表1的测量结果可知,钢珠平均硬度为67.6HRC,比生产标准略高,螺帽的换向块平均硬度为37.5HRC,明显偏低,其硬度只有钢珠硬度的56%,而螺帽本体硬度达标。
对比分析如下:(1)螺母滚道与钢球的磨损性能:hm / ha 60.6 / 67.60.896 & gt;0.8,耐磨性与硬磨料磨损相当。(2)倒挡滚道与钢球之间:hm / ha 37.5 / 67.60.55 & lt;0.8,属于明显的硬磨料磨损,工作材料的耐磨性不足。
3、电镜扫描
针对钢珠磨损严重的情形,通过扫描电镜观察钢珠表面的微观形貌。如图8所示,取钢珠表面其中一处沟槽观察,呈3.5×1.6mm大小的椭圆形,进一步放大后,可看出该沟槽表面有片状剥离的金属层。
因此,判断钢珠表面发生了黏着磨损,属于一种软质金属与另一种硬质金属之间直接接触产生的摩擦和黏连,该结论与硬度测量结果相吻合。
4、金相组织观察
为检验金属零件的热处理是否存在缺陷,分别选取了钢珠、换向块磨制横截面金相试样,对其磨损面以及断面进行金相组织的观察。
首先,钢珠用4%硝酸酒精腐蚀后,用不同倍数检查磨损部位显微组织。200倍下发现了其中一颗样品钢珠的断裂带,700倍下放大另一颗样品钢珠的沟槽部位,发现细微裂纹,同时,钢珠边缘的金相组织出现明亮的带状区,最外层的金属组织呈蓝黑色。1000倍下观察钢珠内部的组织均匀、精细、致密,未发现热处理方面的缺陷。
结合扫描电镜发现的金属剥离层,钢珠表面的明亮带状区和最外层呈蓝黑色的金属组织,应为钢珠表面因剧烈摩擦产生高温,组织内的碳元素往表面高温层迁移出现明亮带状区,而最外层呈蓝黑色的组织则是金属发生氧化的结果。
经观察,钢珠及换向块的金相组织未发现异常,而钢珠工作过程中应受到剧烈摩擦并产生高温,导致表面磨损并出现氧化;换向块工作过程中曾受到强烈挤压,受压面位于钢珠换向入口处,并最终断裂。
5、材质金属成分检测
最后,重点对钢珠及换向器的样品进行了成分检测,结果如表1所列,对照行业准标的材质成分,钢珠为铬合金钢,而换向器则属于不锈钢。对照丝杆有关生产标准,钢珠、换向器所选用的材料是符合要求的。
表1 材料成分检测结果
钢珠 换向器
分析物 结果 分析物 结果
Fe 97.754% Fe 74.942%
Cr 1.601 % Cr 18.760%
Mn 0.418 % Ni 3.367%
Zn 0.145 % Cu 2.450%
Cu 0.082 % Nb 0.449%
/ / Mo 0.032%
参考《高性能高速钢刀具材料及热处理工艺》相关文献可知,目前应用表4对应牌号的刀具进行加工,零件硬度已经可以达到65HRC以上。可见该材料、工艺仍有进一步优化的空间。
丝杆的钢珠硬度67.4-67.8 HRC较之标准62~66HRC偏高,换向块硬度37.0-38.4HRC偏低,由于硬度匹配异常,工作过程中发生硬磨料磨损导致钢珠滞留并陷入该位置的凹坑内无法移动,从而阻碍所有钢珠的循环,最终造成丝杆螺帽卡死,出现了失效的现象。
三、改善建议
通过一系列的实验,从材料分析角度得出本案例中使用的滚珠丝杆,钢珠与换向块之间的硬度匹配出现异常,滚珠的硬度偏高,螺母换向块的硬度偏低,不符合丝杆的加工制造标准,需要在制造工艺中进行调整,建议按照表5的硬度要求进行严格的控制。
滚珠丝杆副是机械设计上精准性最好的机械结构之一,对于制造工艺的要求也近乎苛刻,在材料、研削、热处理等各工序都有严格的标准。差之毫厘,谬以千里,即使是硬度上的微小差别,也会在使用过程中出现失效的现象。唯有完美的制造工艺与质量控制,才有完美的质量。