滚珠丝杠表面感应淬火工艺及摩擦磨损机理研究

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滚珠丝杠实际运行时会承受着冲击、弯曲、扭转、疲劳以及接触区域承受着滚动与滑动的摩擦同时作用。通过对丝杠表面感应淬火可使芯部保持足够的强韧性,且表面拥有一定的硬度和耐磨性。滚珠丝杠的磨损失效机理受外部载荷、速度,材料微观组织等因素的影响。本文主要研究了滚珠丝杠感应淬火后的微观组织、物相、显微硬度和摩擦磨损行为,并探讨了滚珠丝杠副实际运行中的磨损失效机制。以期为滚珠丝杠在实际工况条件下的耐磨性,精度保持性提供理论和技术支持。  本文通过使用双匝感应线圈并选择50KW和56KW的电流功率对GCr15表面感应淬火,分别选用单、双匝线圈对S55C表面感应淬火。表层组织马氏体粗细、碳化物分布和残余奥氏体含量都受到电流功率和线圈匝数的影响。对硬度分布和残余奥氏体测试发现当升高淬火功率和选用双匝感应线圈时都可以使表层硬化深度、残余奥氏体含量增加。研究发现GCr15淬火硬化区表层冲击断口形貌呈现解理断裂和韧性断裂的混合特征形貌。  分别选择20N、50N、80N载荷对GCr15淬火表层进行低速(10mm/s)往复式(ball-on-flat)和高速(200rpm/min)销盘旋转(pin-on-disc)干摩擦测试,研究了摩擦系数随时间变化、磨损表面形貌和磨屑形貌。发现摩擦系数随着载荷的增加而降低,低载荷下主要发生轻微磨粒磨损,中载荷下主要发生磨粒磨损和轻微剥层磨损,高载荷下发生严重磨粒磨损和剥层磨损,高速高载下还发生严重的犁沟塑性变形和疲劳断裂。同时对S55C淬火表层进行低速往复式和高速销盘旋转干摩擦测试,发现低速时表层发生严重的磨粒磨损和出现疲劳剥落坑,高速磨损时随着载荷的增加由磨粒磨损转化为剥层磨损和粘着磨损,在高速高载时表面发生大面积的塑性变形和形成许多明显疲劳裂纹。  对失效的滚珠丝杠副进行组织、硬度和磨损机理的分析,发现滚珠丝杠副在实际运行过程中,丝杠表面多发生磨粒磨损、塑性变形和疲劳点蚀。疲劳点蚀是由于外界应力和电化学反应共同作用的结果。而螺母表面的磨损机理主要为鱼鳞状剥层和大的层片状剥层磨损,疲劳裂纹可以从表面向芯部扩展,也会从浅层一定深度形核、扩展、连通最终造成层片状剥落。
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