浅谈大型滚珠丝杆表面感应淬火后磨削裂纹的分析及控制

drifter2004

滚珠丝杆副是由丝杆、螺母、滚珠等零件组成的机械元件。它将旋转运动，转变为直线运动，或将直线运动转变为旋转运动，具有传动效率高、定位精度高、传动可逆性、使用寿命长和同步性能好等优点，因而广泛应用于各种工业设备、精密仪器和精密数控机床中。近年来，滚珠丝杆副作为数控机床直线驱动执行单元，在机床行业中得到广泛应用，极大地推动了机床行业的发展。    滚珠丝杆副在各类设备上使用时，由于负荷不同，受力大小不同，丝杆工作时常承受弯曲、扭转、疲劳和冲击，同时在转动部位承受较强的摩擦力，所以其主要的损坏形式是磨损和疲劳失效。因此丝杆在设计、制造时，必须具备高强韧度、高表面硬度和耐磨性以及高的尺寸稳定性等内在性能要求。特别是大型滚珠丝杆( 直径≥80 mm) ，由于使用时承受的负荷较大( 动、静负荷可达近1000kN) ，因此在强韧度、表面硬度和耐磨性等方面要求就更高。目前，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，进行表面感应淬火热处理，以满足滚珠丝杆内在的性能要求。
    目前，大型滚珠丝杆一般采用中频感应淬火。在生产中，经常会发现经过中频淬火( 回火) 的丝杆经磨削螺纹后，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，从而造成丝杆的报废。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。笔者长期从事滚珠丝杆热处理的技术工作，通过对大量磨削裂纹大丝杆的失效分析和过程追溯，总结了造成这类裂纹的原因和控制措施，并通过批量生产获得了有效性确认。
    一、丝杆中频淬火后磨削裂纹的原因分析
    1. 原材料不良
    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) 。通过对裂纹丝杆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杆约占总数的40 % 。碳化物不均匀性造成丝杆表面感应淬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。在丝杆磨削时，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，则造成丝杆表面感应淬火后晶粒粗大，降低钢材的屈服强度，丝杆磨削时在内应力超过材料的屈服强度部位产生磨削裂纹。
; `" L1 e% S( C    2. 丝杆中频淬火热处理不良
    主要表现为淬火温度偏高或回火不足。通过分析、统计，由此造成丝杆磨削裂纹的丝杆约占总数的20 % ～30 % 。
/ G4 k0 y+ J( g/ _) _! Y# ]8 Y    大型滚珠丝杆中频淬火时，中频输出功率偏高，淬火速度过慢，都可能使丝杆淬火时的温度偏高，丝杆淬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40 %。丝杆磨削时的工艺参数不规范，磨削时产生的磨削热量在丝杆表面造成“二次回火”。更有甚者，磨削热量甚至使丝杆表面的温度升高达到丝杆材料的“淬火温度”，在磨削液的冷却作用下，丝杆表面形成“二次淬火”，造成表面晶粒粗大，降低钢材的屈服强度，引起丝杆表面出现裂纹。大型滚珠丝杆淬火后，淬硬层较深，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) ，丝杆淬火时形成的内应力消除不完全。丝杆淬火、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，就会在丝杆表面形成裂纹。
    3. 丝杆磨削时的工艺参数不规范该原因造成磨削裂纹的丝杆约占总数的30 % ～40 %。丝杆磨削时的工艺参数不规范, 磨削时产生的磨削热量在丝杆表面造成“二次回火”。更有甚者, 磨削热量甚至使丝杆表面的温度升高达到丝杆材料的“淬火温度”, 在磨削液的冷却作用下, 丝杆表面形成“二次淬火”, 造成表面晶粒粗大, 降低钢材的屈服强度, 引起丝杆表面出现裂纹。
    二、控制措施
    1. 原材料的碳化物不均匀性和球化退火组织控制
    目前，国内GCr15 材料采购参照GB/ T18254 —2002《高碳铬轴承钢》执行。标准5. 10. 1 对碳化物不均匀性规定：对直径大于60 ～120mm 的球化退火钢材的碳化物网状不得大于3 级；对直径大于120mm 的球化退火钢材的碳化物网状由供需双方协议规定。标准5. 9. 2 对球化退火组织规定：≤60mm 的球化退火圆钢、盘条，所有尺寸的钢管的球化退火显微组织合格级别为2 ～4级；> 60mm 的球化退火钢材的显微组织由供需双方协议规定。
    在实际生产中，由于钢厂批量生产量较大，存在少量碳化物不均匀性超差的钢材，> 60mm 的球化退火钢材的显微组织也很难完全达到2 ～4 级的合格级别。因此，使用单位需对进厂钢材进行理化检查。对检查出碳化物不均匀性超差的钢材，必须进行“锻打→正火→球化退火” 处理；对检查出球化退火钢材显微组织不合格的钢材，必须重新进行“球化退火” 处理，直至钢材的碳化物不均匀性和球化退火组织合格才能投产。
    2. 感应淬火工艺控制
) k$ K) ?8 }6 ?4 Z4 K% y    淬火感应器的选择与控制。淬火感应器是感应淬火设备的关键部件与淬火工艺的关键参数。感应器与待淬火的工件( 丝杆) 之间的间隙决定了感应器的“加热效率” 和工件表面的实际加热功率。特别对GCr15 材料大型滚珠丝杆，由于淬硬层深度要求较深，所以丝杆表面加热温度一般采用“上限温度” ( 一般为880 ℃ 左右) ，如果感应器与丝杆之间的间隙变小了，感应器的“加热效率” 也就提高了。因此，在原来的淬火参数下工作，丝杆实际的淬火温度就变高了。淬火后获得的马氏体级别自然也就高了。因此，对感应器与丝杆之间的间隙一定要严格监测与控制。大型丝杆淬火感应器一般采用圆环通过式或半环浮动式。采用圆环通过式感应器，需要定期检查感应器的尺寸，偏差> 2mm 时必须整修或更换感应器；采用半环浮动式感应器，需要定期检查固定感应器与工件间隙的定位块厚度，当出现磨损较大时( >1mm) ，必须及时更换定位块。
    淬火工艺参数的定期验证。由于现有感应淬火设备普遍采用电参数等间接参数( 电流、电压、输出功率、相对移动速度) 来控制热参数( 加热温度、加热时间) ，以设备的稳定性对丝杆淬火质量影响较大。因此当设备( 包括淬火感应器) 经过大修或更换电器部件后，需要对淬火工艺参数进行再验证。同时在正常生产过程中，也必须定期验证原有淬火工艺参数，以确保生产工艺的长期有效性和可控性。保证丝杆淬火后回火充分。通过大量试验我们发现，大型丝杆感应淬火后，采用“160 ～180 ℃/ 8h/ 空冷” 的二次回火工艺，可以有效释放、消除丝杆淬火过程产生的内应力，大大减少磨削后开裂的比率。
    3. 磨削过程的控制
    采用“减小每次进刀磨削量，多次进刀” 及“磨削- 稳定丝杆表面温度- 磨削” 的方法，有效地降低了丝杆表面的磨削热量和磨削应力，杜绝丝杆磨削时产生的“二次淬火” 或“二次回火” 现象，从而避免“磨削裂纹” 的产生。
    三、有效性确认
    我们采取上述措施对586 件大型丝杆( 其中，80mm 的504 件；100mm 的53 件；120mm的29 件) 进行过程控制、检查，未出现一例磨削开裂的现象。的强度和韧性，丝杆磨削时在内应力超过钢材的屈服强度部位产生磨削裂纹。