滾珠絲杠副是由絲桿、螺母、滾珠等零件組成的機(jī)械元件。它將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)，或?qū)⒅本€運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，具有傳動(dòng)效率高、定位精度高、傳動(dòng)可逆性、使用壽命長(zhǎng)和同步性能好等優(yōu)點(diǎn)，因而廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)設(shè)備、精密儀器和精密數(shù)控機(jī)床中。近年來(lái)，滾珠絲桿副作為數(shù)控機(jī)床直線驅(qū)動(dòng)執(zhí)行單元，在機(jī)床行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，極大地推動(dòng)了機(jī)床行業(yè)的發(fā)展。
 

　　滾珠絲杠副在各類設(shè)備上使用時(shí)，由于負(fù)荷不同，受力大小不同，絲桿工作時(shí)常承受彎曲、扭轉(zhuǎn)、疲勞和沖擊，同時(shí)在轉(zhuǎn)動(dòng)部位承受較強(qiáng)的摩擦力，所以其主要的損壞形式是磨損和疲勞失效。因此絲桿在設(shè)計(jì)、制造時(shí)，必須具備高強(qiáng)韌度、高表面硬度和耐磨性以及高的尺寸穩(wěn)定性等內(nèi)在性能要求。特別是大型滾珠絲桿( 直徑≥80 mm) ，由于使用時(shí)承受的負(fù)荷較大( 動(dòng)、靜負(fù)荷可達(dá)近1000kN) ，因此在強(qiáng)韌度、表面硬度和耐磨性等方面要求就更高。目前，國(guó)內(nèi)各制造企業(yè)普遍選用GCr15 鋼材，在經(jīng)過(guò)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)淬火熱處理，以滿足滾珠絲桿內(nèi)在的性能要求。
 

　　目前，大型滾珠絲桿一般采用中頻感應(yīng)淬火。在生產(chǎn)中，經(jīng)常會(huì)發(fā)現(xiàn)經(jīng)過(guò)中頻淬火( 回火) 的絲桿經(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(guò)程中僅憑肉眼就可發(fā)現(xiàn)，從而造成絲桿的報(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(wèn)題的因素是多方面的，給企業(yè)生產(chǎn)一線操作者帶來(lái)較大的壓力。筆者長(zhǎng)期從事滾珠絲桿熱處理的技術(shù)工作，通過(guò)對(duì)大量磨削裂紋大絲桿的失效分析和過(guò)程追溯，總結(jié)了造成這類裂紋的原因和控制措施，并通過(guò)批量生產(chǎn)獲得了有效性確認(rèn)。
 

　　一、絲桿中頻淬火后磨削裂紋的原因分析
 

　　1. 原材料不良
 

　　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(guò)對(duì)裂紋絲桿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桿約占總數(shù)的40 % 。碳化物不均勻性造成絲桿表面感應(yīng)淬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。在絲桿磨削時(shí)，由于該部位內(nèi)應(yīng)力超過(guò)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，則造成絲桿表面感應(yīng)淬火后晶粒粗大，降低鋼材的屈服強(qiáng)度，絲桿磨削時(shí)在內(nèi)應(yīng)力超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度部位產(chǎn)生磨削裂紋。
 

　　2. 絲桿中頻淬火熱處理不
 

　　主要表現(xiàn)為淬火溫度偏高或回火不足。通過(guò)分析、統(tǒng)計(jì)，由此造成絲桿磨削裂紋的絲桿約占總數(shù)的20 % ～30 % 。
 

　　大型滾珠絲桿中頻淬火時(shí)，中頻輸出功率偏高，淬火速度過(guò)慢，都可能使絲桿淬火時(shí)的溫度偏高，絲桿淬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40 %。絲桿磨削時(shí)的工藝參數(shù)不規(guī)范，磨削時(shí)產(chǎn)生的磨削熱量在絲桿表面造成“二次回火”。更有甚者，磨削熱量甚至使絲桿表面的溫度升高達(dá)到絲桿材料的“淬火溫度”，在磨削液的冷卻作用下，絲桿表面形成“二次淬火”，造成表面晶粒粗大，降低鋼材的屈服強(qiáng)度，引起絲桿表面出現(xiàn)裂紋。大型滾珠絲桿淬火后，淬硬層較深，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) ，絲桿淬火時(shí)形成的內(nèi)應(yīng)力消除不全。絲桿淬火、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(guò)鋼材的屈服強(qiáng)度時(shí)，就會(huì)在絲桿表面形成裂紋。
 

　　3. 絲桿磨削時(shí)的工藝參數(shù)不規(guī)范該原因造成磨削裂紋的絲桿約占總數(shù)的30 % ～40 %。絲桿磨削時(shí)的工藝參數(shù)不規(guī)范, 磨削時(shí)產(chǎn)生的磨削熱量在絲桿表面造成“二次回火”。更有甚者, 磨削熱量甚至使絲桿表面的溫度升高達(dá)到絲桿材料的“淬火溫度”, 在磨削液的冷卻作用下, 絲桿表面形成“二次淬火”, 造成表面晶粒粗大, 降低鋼材的屈服強(qiáng)度, 引起絲桿表面出現(xiàn)裂紋。
 

　　二、控制措施
 

　　1. 原材料的碳化物不均勻性和球化退火組織控制
 

　　目前，國(guó)內(nèi)GCr15 材料采購(gòu)參照GB/ T18254 —2002《高碳鉻軸承鋼》執(zhí)行。標(biāo)準(zhǔn)5. 10. 1 對(duì)碳化物不均勻性規(guī)定：對(duì)直徑大于60 ～120mm 的球化退火鋼材的碳化物網(wǎng)狀不得大于3 級(jí)；對(duì)直徑大于120mm 的球化退火鋼材的碳化物網(wǎng)狀由供需雙方協(xié)議規(guī)定。標(biāo)準(zhǔn)5. 9. 2 對(duì)球化退火組織規(guī)定：≤60mm 的球化退火圓鋼、盤條，所有尺寸的鋼管的球化退火顯微組織合格級(jí)別為2 ～4級(jí)；> 60mm 的球化退火鋼材的顯微組織由供需雙方協(xié)議規(guī)定。
 

　　在實(shí)際生產(chǎn)中，由于鋼廠批量生產(chǎn)量較大，存在少量碳化物不均勻性超差的鋼材，> 60mm 的球化退火鋼材的顯微組織也很難達(dá)到2 ～4。