滾珠絲杠副在低溫環(huán)境下的應(yīng)用研究*

鄭 奇 田 毅 胡金鵬

(陜西漢江機床有限公司 陜西漢中723003)

滾珠絲杠副作為伺服驅(qū)動系統(tǒng)中最主要的執(zhí)行元件之一，隨著我國特殊領(lǐng)域內(nèi)的使用需求，在特殊環(huán)境下對滾珠絲杠副的性能需求提出更高要求，本文就滾珠絲杠副在特殊環(huán)境下產(chǎn)品出現(xiàn)的問題進行深入研究。

問題：滾珠絲杠副裝配至整機進行低溫試驗過程中，滾珠絲杠副出現(xiàn)轉(zhuǎn)動扭矩增大，轉(zhuǎn)動不順暢，隨著溫度的進一步降低，出現(xiàn)了轉(zhuǎn)動停止現(xiàn)象，當溫度逐步升高時滾珠絲杠副的性能逐步恢復。

該滾珠絲杠副裝配至整機進行低溫試驗過程中，在-50℃出現(xiàn)轉(zhuǎn)動扭矩增大，轉(zhuǎn)動不順暢，溫度降低至-55℃時，出現(xiàn)轉(zhuǎn)動停止現(xiàn)象，試驗停止。

總結(jié)：通過以上實際問題描述，初步可以判斷

(1)絲杠內(nèi)部結(jié)構(gòu)在常溫下性能正常。

(2)在低溫下絲杠副因溫度變化導致摩擦力矩增加，大于驅(qū)動系統(tǒng)所能提供的最大輸出扭矩，故出現(xiàn)轉(zhuǎn)動停止現(xiàn)象。

依據(jù)以上分析判斷，產(chǎn)生的主要原因是低溫下滾珠絲杠副的摩擦力矩增大，因此從摩擦變化趨勢進行以下分析。

1 理論分析

1.1 內(nèi)部壓力變化

1) 收縮量理論公式

低溫環(huán)境下材料的收縮量計算公式：

式中：?L為材料收縮量， L0為材料受熱前的尺寸值，T0為初始溫度，T為末態(tài)溫度。

表1 在不同溫度下9Cr18的收縮率和線膨脹系數(shù)

1.2 理論計算

通過以上資料可以計算產(chǎn)品在低溫試驗條件下尺寸的收縮量，計算過程如下：

條件：在室溫 20℃條件下，降至-40℃時的尺寸縮小量, 從上表中獲取

1) 徑向變化

試件1直徑方向的變化量

絲杠滾道底徑為16-3.175=12.825mm

收縮量

螺母底徑(28?16.8)÷2+16.8=22.4mm

收縮量

Φ3.175鋼球：收縮量?L=D×R=3.175×60 × 10?5=0.00195 mm=1.95 μm

分析：若將鋼球看做絲杠一部分，則絲杠＋鋼球整體收縮量為7.698+1.95×2=11.59 μm，螺母縮小量為13.44μm，則螺母收縮量＞絲杠縮小量＋鋼球縮小量。約為1.85 μm。

試件2直徑方向的變化量：

絲杠滾道底徑為16-3.5=12.5 mm

螺母底徑(28?16.8)÷2+16.8=22.4 mm

Φ3.5鋼球：收縮量?L=D×R =3.5×60×10?5=0.0021mm=2.1 μm

分析：若將鋼球看做絲杠一部分，則絲杠＋鋼球整體收縮量為7.5+2.1×2=11.7 μm，螺母縮小量為13.44 μm，則螺母收縮量＞絲杠縮小量＋鋼球縮小量，約為1.74 μm。接觸點變化趨勢如圖1所示。

圖1 接觸點變化趨勢圖

2）結(jié)論

(1)9Cr18在-40℃時，螺母收縮量＞絲杠的收縮量＋鋼球的尺寸收縮量，對于該滾珠絲杠副內(nèi)部壓力增大，從而導致摩擦力增大。

(2)通過絲杠、螺母、鋼球收縮后的尺寸，其接觸點有抬高的趨勢，致使內(nèi)部壓力增大。

1.3 內(nèi)部組織的變化

9Cr18屬高碳鉻不銹軸承鋼，鋼中的殘留奧氏體為不穩(wěn)定相，雖然對提高材料的低溫韌性有好處，但當材料受到一定應(yīng)力或溫度急劇變化的情況下，殘留奧氏體將向馬氏體轉(zhuǎn)變，由面心立方晶格轉(zhuǎn)變?yōu)轶w心正方晶格，體積呈現(xiàn)漲大，又會導致尺寸公差的改變，將破壞滾珠絲杠副的精度。

1.4 摩擦因數(shù)變化

哈爾濱工業(yè)大學在真空低溫環(huán)境下軸承鋼GCr15摩擦與潤滑性能研究時表明，由于低溫下材料剪切強度增大，粘著力升高導致摩擦因數(shù)增大，在三種環(huán)境下，GCr15-DLC 和 GCr15-GCr15 兩種摩擦配副的摩擦因數(shù)均隨著溫度的降低而增大，如圖2所示。

圖2 不同氣壓下GCr15-DLC摩擦副在各溫度下的摩擦因數(shù)曲線

該研究表明，常壓中添加了真空潤滑脂的GCr15-DLC鍍膜摩擦副在 20℃環(huán)境下摩擦因數(shù)最低，約為0.79，在 0℃下測量時摩擦因數(shù)增大，由開始的1.0緩慢降低到0.85，當溫度繼續(xù)降至-20℃和-40℃時摩擦因數(shù)繼續(xù)增大至1.0并保持基本不變，溫度降至-80℃時摩擦副的摩擦因數(shù)急劇增大到1.78，5分鐘后摩擦因數(shù)緩慢回落但仍高于1.3。

該分析發(fā)現(xiàn)摩擦副的摩擦因數(shù)在-40℃溫度處是一個臨界點。當溫度高于-40℃時摩擦因數(shù)維持在一個較低的數(shù)值，約為0.7～0.8.當環(huán)境溫度低于-40℃時摩擦因數(shù)增大至 1.0～1.1。綜合考慮之前GCr15-DLC 鍍膜摩擦副摩擦因數(shù)在各個溫度下顯現(xiàn)出的現(xiàn)象，認為這種摩擦因數(shù)的大小以-40℃為拐點的現(xiàn)象是由于真空潤滑脂在低于-40℃的溫度下失去其潤滑性能引起的。所謂潤滑脂就是在基礎(chǔ)油中加入稠化劑，制成固態(tài)或半固態(tài)的潤滑劑。稠化潤滑脂的目的，是為了使?jié)櫥谝苿颖砻姹３纸佑|，并不因重力或離心力的作用而流失，或在壓力作用下而被擠出。當實驗臺在低溫下運轉(zhuǎn)，溫度的改變使得稠化劑相應(yīng)的也隨著改變，促使?jié)櫥冇玻灰子谠谀Σ撩嬷g流動，結(jié)構(gòu)中的潤滑成分的作用也不易發(fā)揮。當溫度低于所能承受的最低溫時，潤滑脂內(nèi)的皂纖維在工作時受剪切力，皂纖維被剪成較短的碎片，潤滑脂結(jié)構(gòu)被破壞，且停止運轉(zhuǎn)后也無法自行恢復，失去了應(yīng)有的潤滑性能，導致摩擦副的摩擦系數(shù)急劇增大。通過理論分析和實驗研究證明：潤滑脂的黏度是摩擦副摩擦力矩在低溫環(huán)境下升高的原因之一。

2 試驗驗證

測試以上兩種產(chǎn)品，在低溫下功能是否喪失及性能下降情況，通過該試驗進一步掌握該類產(chǎn)品在用戶使用中可能發(fā)生的故障節(jié)點及故障類型，該試驗利用液氮冰冷爐、紅外測溫儀等相關(guān)儀器設(shè)備進行了試驗驗證。通過分別測量-40℃、-47.5℃、-55℃溫度下的有關(guān)數(shù)據(jù)進行分析比較，樣件測試數(shù)據(jù)如表2、表3、表4所示。溫度與彈簧拉力的關(guān)系如圖3、圖4所示。

表2 樣件測試數(shù)據(jù)表

表3 樣件—冰冷數(shù)據(jù)表

表4 樣件二冰冷試驗數(shù)據(jù)表

圖3 樣件一彈簧拉力與溫度的關(guān)系

圖4 樣件二彈簧拉力與溫度的關(guān)系

3 結(jié)語

通過以上試驗數(shù)據(jù)可以得出以下結(jié)論：

（1）隨著溫度的降低，彈簧秤拉力迅速提升，通過兩個樣件號證明-40℃基本上屬于分界線，當溫度低于-40℃時內(nèi)部的摩擦力全部大于設(shè)計需求，且斜率很大。

（2）通過以上試驗數(shù)據(jù)表明：絲杠中徑尺寸變化，絲杠隨著溫度的降低，尺寸有略微的變化，約0.001 mm，形位公差幾乎不變。

（3）螺母屬于套類零件，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)表明變化較大，約0.005 mm ～0.01 mm。

通過以上試驗，試驗數(shù)據(jù)充分證實了之前理論推斷，即隨著溫度的降低，9Gr18材料的膨脹線性系數(shù)增大，螺母、絲杠、鋼球的變化量不一致，導致滾珠絲杠副內(nèi)部的壓力增大，導致摩擦力增加。另一方面，隨著溫度的降低，內(nèi)部的潤滑脂的稠化劑使得潤滑脂變硬，導致其潤滑效果降低，摩擦因數(shù)變大，從而使得摩擦力變大，導致滾珠絲杠副的摩擦力矩大于驅(qū)動系統(tǒng)所能提供的最大扭矩，出現(xiàn)轉(zhuǎn)不動的現(xiàn)象。

經(jīng)過驗證，將出廠的摩擦力矩降低至用戶需求范圍的下線，并縮小零件摩擦力矩范圍，提升零件接觸面的表面粗糙度（＜Ra0.3）從而消除故障最終達到用戶需求。