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上銀導軌壽命影響因素研究
華中理工大學　　　　　　　李傳印　　
天津隆創日盛科技 　孫健利　
摘要　通過對影響上銀導軌疲勞壽命諸多因素的分析,建議在以后的計算中可采用修正后的壽命計算公式。并針對各因素,提出了延長壽命的措施。
關鍵詞　上銀導軌　東莞上銀導軌 疲勞壽命　影響因素　表面殘余應力

1　前言
滾動直線導軌的壽命計算一般借助于Lundberg-Palmgren提出的動態切應力理論。該理論認為疲勞裂紋始發于接觸表面下某一含有雜質的材料弱點處,動態切應力決定接觸表面的疲勞剝落。導軌的使用概率S與動態切應力τ0的幅值大小和位置、循環次數M以及作用體積V有關,即ln∝(τc0MeV/Zw0)式中Z0———動態切應力τ0的深度,mm,c,e,w———指數系數
由此推出壽命計算公式為
N0= (C/P)ε
(2)式中N0———額定壽命,×50km
C———額定動負荷,N
P———當量動負荷(計算時可取一個運動周期的平均值),N
ε———指數,一般滾動體為滾珠時,取ε=3,滾動體為其它滾子時,取ε=10/3
生產實踐證明,Lundberg-Palmgren提出的壽命理論是正確的,但隨著冶煉技術的提高、加工工藝的改進,導軌副的失效機理已經發生了明顯的變化。從近期發表的實驗結果[1]可以看出,與表面接觸狀態相關的諸多因素在導軌的疲勞過程中起著越來越重要的作用。這些因素主要包括接觸表面的預損傷、表面粗糙度的大小及形式、表面殘余應力、外來硬顆粒雜質、潤滑油膜的狀態等,這就對壽命理論的進一步發展提出了要求。

2　影響上銀導軌疲勞壽命的因素

2•1固體雜質
固體雜質摻入滾珠與滾道的接觸表面是上銀導軌磨損的一個主要原因。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,破壞了滾珠與導軌表面的正常接觸。在運行過程中,由于外加載荷的作用,硬顆粒壓入滾道表面,使接觸表面強烈變形,形成壓痕。而塑性變形材料運動到壓痕邊緣,則形成壁凸狀塑性變形。這種塑性變形嚴重削弱了壓痕區域的疲勞強度,所以,顆粒壓入不久,便會產生麻點,并擴展形成疲勞剝落。麻點的產生位置和擴展方向取決于壓痕周圍材料強度的差異,以及滑塊正反行程中載荷的變化。其次,導軌副的運動可以看作是滾動與滑動的復合運動。磨粒的摻入會在滑動量大的區域產生磨損,從而改變了接觸表面的幾何形狀,使滾道的個別區域承受不同的負荷。負荷的差值隨時間而逐漸增大。這種載荷的不均勻必然會造成局部的高負荷,縮短導軌副的壽命。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對疲勞壽命產生不良影響。

2•2殘余應力
一般認為,接觸表面保持一定的殘余壓應力,可以增加表面的抗疲勞磨損的能力,從而延長接觸零件的疲勞壽命,反之,若表面殘存拉應力,則會降低疲勞壽命。當殘余壓應力剛好疊加在彈性應力上時,可得到較高的疲勞壽命,此時的應力狀態即為殘余應力狀態。可見,殘余應力分布對接觸表面的幾何形狀和負荷強度有很大的依賴性。根據H-M-H屈服準則,在不考慮表面殘余應力時接觸表面的等效應力為
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三垂直方面的正應力,MPa
τXY、τYZ、τXZ———平面XY、YZ、XZ內的切應力,MPa
ξ———系數
考慮到殘余應力分布時等效應力可表示為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———殘余應力引起的切向應力,MPa
σXR———殘余應力引起的軸向應力,MPa
對于負荷區域內的某點,取
σXR=σZ-σX
σYR=σZ-σY
此時,等效應力值最小,為
σER(ξ) = [3ξ2(τ2XY+τ2YZ)+3τ2XZ]1/2

我們稱σXR=σZ-σX,σYR=σZ-σY為殘余應力分布。一般在壽命計算中用殘余應力系數表示殘余應力的影響。

2•3表面微觀幾何形狀
接觸表面的微觀幾何形狀對于導軌副的摩擦、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力集中,致使材料的疲勞強度降低。而表面粗糙度值Ra小時,上銀導軌表面大實際接觸面積增大,減少了局部應力集中的可能性,表面磨損率降低。
2•4　潤滑狀態
潤滑狀態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,并同時減緩局部接觸壓力的增加。一般用膜厚比λ表示潤滑狀態的好壞。
λ= h/ R2a1+ R2a2
Ra1、Ra2———兩接觸表面的粗糙度,μm
h———最小油膜厚度,mm
對于滾動直線導軌,可取[3]
h =3.42μ0.49ν0.17(1- e-0.68ρ)
μ———粘性系數
ν———彈性系數
ρ———接觸橢圓率
為使接觸表面為彈性動力潤滑狀態取λ>3。
2•5　運動速度及沖擊載荷
循環接觸的滾動表面,磨損率與工作速度間的關系隨粗糙度而變化。粗糙度值較大時,磨損率受工作速度的影響較顯著(圖2);若表面質量較好,則工作速度對磨損率的影響就不明顯。導軌副屬于精密運動部件,表面質量較好,在正常情況下速度變化對壽命的影響不明顯。一般與外來沖擊、振動等動態特性一起考慮,在壽命計算中引入載荷系數表示其影響。

3 各參數對導軌副壽命的影響
3•1潤滑狀態
潤滑狀態用膜厚比λ表示。潤滑油膜的狀態對上銀導軌的壽命是至關重要的。因此,在很多情況下上銀導軌采用脂潤滑。
3•2表面粗糙度
粗糙度對壽命的影響可通過粗糙度應力系數ua及粗糙度傾斜角θ反映出來。在此認為θ為常量,來討論壽命隨粗糙度應力系數變化的規律,經過計算,整理得表3。由此可知,隨ua增大上銀導軌的壽命逐漸縮短,這與上面的討論是一致的。
3•3表面殘余應力
由于表面殘余應力受接觸表面幾何形狀及外加載荷影響比較大,它對壽命的影響應通過大量的實驗來確定,對滾動軸承的殘余應力系數及外界載荷的關系進行了研究,鑒于二者失效機理的相似性,可進行借鑒。表面殘余應力受外界載荷的影響是很大的,隨著載荷的不斷增加,殘余應力的積極作用也在不斷加強。

4　生產中應采取的措施
由以上分析可知,表面的環境對于疲勞壽命的影響是很明顯的,在實際生產過程中應給予足夠重視。
(1)跑合是出廠前所必需的,經過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
滑油,以預防跑合過程產生的金屬顆粒產生負面影響。
(2)使用過程中,注意保持上銀導軌周圍的環境清潔,預防硬顆粒進入接觸面。
(3)生產流程中,嚴格把關密封裝置制造與安裝。
(4)適時更換潤滑油,并控制其粘度,使接觸面處于彈性動力潤滑狀態。
(5)用適當方式觸發表面殘余壓應力,使之趨于殘余應力分布狀態。
(6)在生產中,注意控制加工精度,并進行嚴格的測量,禁止預缺陷的出現

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