上銀導(dǎo)軌壽命影響因素研究
華中理工大學(xué)　　　　　　　李傳印　　
天津隆創(chuàng)日盛科技 　孫健利　
摘要　通過(guò)對(duì)影響上銀導(dǎo)軌疲勞壽命諸多因素的分析,建議在以后的計(jì)算中可采用修正后的壽命計(jì)算公式。并針對(duì)各因素,提出了延長(zhǎng)壽命的措施。
關(guān)鍵詞　上銀導(dǎo)軌　東莞上銀導(dǎo)軌 疲勞壽命　影響因素　表面殘余應(yīng)力

1　前言
滾動(dòng)直線導(dǎo)軌的壽命計(jì)算一般借助于Lundberg-Palmgren提出的動(dòng)態(tài)切應(yīng)力理論。該理論認(rèn)為疲勞裂紋始發(fā)于接觸表面下某一含有雜質(zhì)的材料弱點(diǎn)處,動(dòng)態(tài)切應(yīng)力決定接觸表面的疲勞剝落。導(dǎo)軌的使用概率S與動(dòng)態(tài)切應(yīng)力τ0的幅值大小和位置、循環(huán)次數(shù)M以及作用體積V有關(guān),即ln∝(τc0MeV/Zw0)式中Z0———動(dòng)態(tài)切應(yīng)力τ0的深度,mm,c,e,w———指數(shù)系數(shù)
由此推出壽命計(jì)算公式為
N0= (C/P)ε
(2)式中N0———額定壽命,×50km
C———額定動(dòng)負(fù)荷,N
P———當(dāng)量動(dòng)負(fù)荷(計(jì)算時(shí)可取一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期的平均值),N
ε———指數(shù),一般滾動(dòng)體為滾珠時(shí),取ε=3,滾動(dòng)體為其它滾子時(shí),取ε=10/3
生產(chǎn)實(shí)踐證明,Lundberg-Palmgren提出的壽命理論是正確的,但隨著冶煉技術(shù)的提高、加工工藝的改進(jìn),導(dǎo)軌副的失效機(jī)理已經(jīng)發(fā)生了明顯的變化。從近期發(fā)表的實(shí)驗(yàn)結(jié)果[1]可以看出,與表面接觸狀態(tài)相關(guān)的諸多因素在導(dǎo)軌的疲勞過(guò)程中起著越來(lái)越重要的作用。這些因素主要包括接觸表面的預(yù)損傷、表面粗糙度的大小及形式、表面殘余應(yīng)力、外來(lái)硬顆粒雜質(zhì)、潤(rùn)滑油膜的狀態(tài)等,這就對(duì)壽命理論的進(jìn)一步發(fā)展提出了要求。

2　影響上銀導(dǎo)軌疲勞壽命的因素

2•1固體雜質(zhì)
固體雜質(zhì)摻入滾珠與滾道的接觸表面是上銀導(dǎo)軌磨損的一個(gè)主要原因。這可從兩方面理解。首先,固體顆粒特別是一些特定大小的硬顆粒的摻入,破壞了滾珠與導(dǎo)軌表面的正常接觸。在運(yùn)行過(guò)程中,由于外加載荷的作用,硬顆粒壓入滾道表面,使接觸表面強(qiáng)烈變形,形成壓痕。而塑性變形材料運(yùn)動(dòng)到壓痕邊緣,則形成壁凸?fàn)钏苄宰冃巍＿@種塑性變形嚴(yán)重削弱了壓痕區(qū)域的疲勞強(qiáng)度,所以,顆粒壓入不久,便會(huì)產(chǎn)生麻點(diǎn),并擴(kuò)展形成疲勞剝落。麻點(diǎn)的產(chǎn)生位置和擴(kuò)展方向取決于壓痕周圍材料強(qiáng)度的差異,以及滑塊正反行程中載荷的變化。其次,導(dǎo)軌副的運(yùn)動(dòng)可以看作是滾動(dòng)與滑動(dòng)的復(fù)合運(yùn)動(dòng)。磨粒的摻入會(huì)在滑動(dòng)量大的區(qū)域產(chǎn)生磨損,從而改變了接觸表面的幾何形狀,使?jié)L道的個(gè)別區(qū)域承受不同的負(fù)荷。負(fù)荷的差值隨時(shí)間而逐漸增大。這種載荷的不均勻必然會(huì)造成局部的高負(fù)荷,縮短導(dǎo)軌副的壽命。需要指出的是,并非所有顆粒的摻入都是有害的,只有那些特定大小并具有較大硬度的顆粒才會(huì)對(duì)疲勞壽命產(chǎn)生不良影響。

2•2殘余應(yīng)力
一般認(rèn)為,接觸表面保持一定的殘余壓應(yīng)力,可以增加表面的抗疲勞磨損的能力,從而延長(zhǎng)接觸零件的疲勞壽命,反之,若表面殘存拉應(yīng)力,則會(huì)降低疲勞壽命。當(dāng)殘余壓應(yīng)力剛好疊加在彈性應(yīng)力上時(shí),可得到較高的疲勞壽命,此時(shí)的應(yīng)力狀態(tài)即為殘余應(yīng)力狀態(tài)。可見,殘余應(yīng)力分布對(duì)接觸表面的幾何形狀和負(fù)荷強(qiáng)度有很大的依賴性。根據(jù)H-M-H屈服準(zhǔn)則,在不考慮表面殘余應(yīng)力時(shí)接觸表面的等效應(yīng)力為
σE(ξ)=1/21/2[(σX-σY)2+(σY-σZ)2+(σX-σZ)2+6ξ2(τ2XY+τ2YZ)+6τ2XZ]1/2

(3)式中　σX、σY、σZ———X、Y、Z三垂直方面的正應(yīng)力,MPa
τXY、τYZ、τXZ———平面XY、YZ、XZ內(nèi)的切應(yīng)力,MPa
ξ———系數(shù)
考慮到殘余應(yīng)力分布時(shí)等效應(yīng)力可表示為A1+A2+A3+6ξ2(τ2XY+τ2YZ)+6τ2XZ
σER(ξ)=1/21/2 A1+A2+A3+6ξ2(τ2XY+τ2YZ)+6τ2XZ

(4)式中　A1={(σX+σXR)-(σY+σYR)}2
A2={σZ-(σY+σXR)}2
A3={σZ-(σX+σXR)}2
σYR———殘余應(yīng)力引起的切向應(yīng)力,MPa
σXR———殘余應(yīng)力引起的軸向應(yīng)力,MPa
對(duì)于負(fù)荷區(qū)域內(nèi)的某點(diǎn),取
σXR=σZ-σX
σYR=σZ-σY
此時(shí),等效應(yīng)力值最小,為
σER(ξ) = [3ξ2(τ2XY+τ2YZ)+3τ2XZ]1/2

我們稱σXR=σZ-σX,σYR=σZ-σY為殘余應(yīng)力分布。一般在壽命計(jì)算中用殘余應(yīng)力系數(shù)表示殘余應(yīng)力的影響。

2•3表面微觀幾何形狀
接觸表面的微觀幾何形狀對(duì)于導(dǎo)軌副的摩擦、磨損有直接的影響。表面越粗糙,表面上的刀痕、裂紋愈明顯,其輪廓谷低處愈容易引起應(yīng)力集中,致使材料的疲勞強(qiáng)度降低。而表面粗糙度值Ra小時(shí),上銀導(dǎo)軌表面大實(shí)際接觸面積增大,減少了局部應(yīng)力集中的可能性,表面磨損率降低。
2•4　潤(rùn)滑狀態(tài)
潤(rùn)滑狀態(tài)直接影響接觸表面的接觸表面的接觸狀況,從而影響接觸疲勞壽命。良好的潤(rùn)滑能在兩接觸
面間形成一層油膜,防止兩接觸面的直接接觸,降低峰值壓力和切向力,并同時(shí)減緩局部接觸壓力的增加。一般用膜厚比λ表示潤(rùn)滑狀態(tài)的好壞。
λ= h/ R2a1+ R2a2
Ra1、Ra2———兩接觸表面的粗糙度,μm
h———最小油膜厚度,mm
對(duì)于滾動(dòng)直線導(dǎo)軌,可取[3]
h =3.42μ0.49ν0.17(1- e-0.68ρ)
μ———粘性系數(shù)
ν———彈性系數(shù)
ρ———接觸橢圓率
為使接觸表面為彈性動(dòng)力潤(rùn)滑狀態(tài)取λ>3。
2•5　運(yùn)動(dòng)速度及沖擊載荷
循環(huán)接觸的滾動(dòng)表面,磨損率與工作速度間的關(guān)系隨粗糙度而變化。粗糙度值較大時(shí),磨損率受工作速度的影響較顯著(圖2);若表面質(zhì)量較好,則工作速度對(duì)磨損率的影響就不明顯。導(dǎo)軌副屬于精密運(yùn)動(dòng)部件,表面質(zhì)量較好,在正常情況下速度變化對(duì)壽命的影響不明顯。一般與外來(lái)沖擊、振動(dòng)等動(dòng)態(tài)特性一起考慮,在壽命計(jì)算中引入載荷系數(shù)表示其影響。

3 各參數(shù)對(duì)導(dǎo)軌副壽命的影響
3•1潤(rùn)滑狀態(tài)
潤(rùn)滑狀態(tài)用膜厚比λ表示。潤(rùn)滑油膜的狀態(tài)對(duì)上銀導(dǎo)軌的壽命是至關(guān)重要的。因此,在很多情況下上銀導(dǎo)軌采用脂潤(rùn)滑。
3•2表面粗糙度
粗糙度對(duì)壽命的影響可通過(guò)粗糙度應(yīng)力系數(shù)ua及粗糙度傾斜角θ反映出來(lái)。在此認(rèn)為θ為常量,來(lái)討論壽命隨粗糙度應(yīng)力系數(shù)變化的規(guī)律,經(jīng)過(guò)計(jì)算,整理得表3。由此可知,隨ua增大上銀導(dǎo)軌的壽命逐漸縮短,這與上面的討論是一致的。
3•3表面殘余應(yīng)力
由于表面殘余應(yīng)力受接觸表面幾何形狀及外加載荷影響比較大,它對(duì)壽命的影響應(yīng)通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)來(lái)確定,對(duì)滾動(dòng)軸承的殘余應(yīng)力系數(shù)及外界載荷的關(guān)系進(jìn)行了研究,鑒于二者失效機(jī)理的相似性,可進(jìn)行借鑒。表面殘余應(yīng)力受外界載荷的影響是很大的,隨著載荷的不斷增加,殘余應(yīng)力的積極作用也在不斷加強(qiáng)。

4　生產(chǎn)中應(yīng)采取的措施
由以上分析可知,表面的環(huán)境對(duì)于疲勞壽命的影響是很明顯的,在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)給予足夠重視。
(1)跑合是出廠前所必需的,經(jīng)過(guò)跑合可使表面的微觀幾何形狀得到改善。但跑合完后,一定要更換潤(rùn)
滑油,以預(yù)防跑合過(guò)程產(chǎn)生的金屬顆粒產(chǎn)生負(fù)面影響。
(2)使用過(guò)程中,注意保持上銀導(dǎo)軌周圍的環(huán)境清潔,預(yù)防硬顆粒進(jìn)入接觸面。
(3)生產(chǎn)流程中,嚴(yán)格把關(guān)密封裝置制造與安裝。
(4)適時(shí)更換潤(rùn)滑油,并控制其粘度,使接觸面處于彈性動(dòng)力潤(rùn)滑狀態(tài)。
(5)用適當(dāng)方式觸發(fā)表面殘余壓應(yīng)力,使之趨于殘余應(yīng)力分布狀態(tài)。
(6)在生產(chǎn)中,注意控制加工精度,并進(jìn)行嚴(yán)格的測(cè)量,禁止預(yù)缺陷的出現(xiàn)