機械壓力機球頭螺桿燒傷的問題分析及解決方案

榮 璐，田理中，孟 雷，李廣娟

（江蘇省徐州鍛壓機床廠集團有限公司，江蘇 徐州 221116）

機械壓力機球頭螺桿燒傷的問題分析及解決方案

榮 璐，田理中，孟 雷，李廣娟

（江蘇省徐州鍛壓機床廠集團有限公司，江蘇 徐州 221116）

曲柄滑塊機構是機械壓力機的重要部分，而滑塊上的球頭螺桿的螺紋及球頭在工作時因反復受到擠壓力、摩擦力以及頻繁承受較大的沖擊力，容易產(chǎn)生燒傷現(xiàn)象。本文通過摩擦學原理相關知識判斷故障產(chǎn)生原因，通過分析故障原因提出相關解決方案。

機械壓力機；球頭螺桿；金屬燒傷；摩擦原理

我公司生產(chǎn)的機械壓力機，其主要運動方式為曲柄滑塊往復運動。由于用戶的模具尺寸各不相同，在連桿、滑塊部件增加了模高調(diào)整裝置，如圖1所示。其調(diào)節(jié)方式為盤式電機帶動蝸桿、蝸輪轉動，蝸輪通過銷帶動球頭螺桿在連桿內(nèi)轉動，球頭螺桿與連桿組成螺紋副。由于球頭螺桿螺距的存在，因此可以調(diào)整球頭螺桿在連桿中伸長和縮短的數(shù)值，從而帶動滑塊上下運動實現(xiàn)裝模高度調(diào)整的要求。

圖1 模高調(diào)整裝置

當壓力機工作時，球頭在滑塊中的球碗中連續(xù)擺動，球頭與球碗接觸的位置為壓力機加載時的最大受力點，所以下球碗和球頭下端在這個接觸位置經(jīng)常出現(xiàn)燒傷情況。同時，球頭螺桿的螺紋副連接在壓力機加載時也承載了該公稱壓力，由于螺紋有升角，每次加載時會產(chǎn)生微動，該位置也會產(chǎn)生燒傷，但產(chǎn)生頻率沒有球頭燒傷出現(xiàn)的頻繁。當曲柄旋轉滑塊上提時，球頭和上球碗也存在相對擺動，因需要有潤滑油流入，上球碗不像下球碗一樣是全封閉的，而且接觸面積也沒有下球碗大，所以在上球碗與球頭上端也會產(chǎn)生燒傷現(xiàn)象。上述幾種燒傷情況如圖2所示。

圖2 球頭燒傷示意圖

本文利用摩擦學原理列舉不同種類燒傷產(chǎn)生的原因，通過分析上述燒傷情況與摩擦學原理相結合進行判斷，并提出相關解決方案。

1 球頭螺桿燒傷原因分析

受到外物機械作用，零件表面材料被轉移而造成損傷稱為磨損。零件磨損嚴重和喪失功能即為磨損失效。除嚴重擦傷導致突然咬死的情況外，機械零件磨損損傷和功能退化通常是一種漸進的過程，選擇更換磨損零件的時刻，常要兼顧各種價格因素。磨損一般分為粘著磨損、磨料磨損、微動磨損。

1.1 粘著磨損

粘著磨損是由于粘附作用使兩摩擦表面的材料遷移而引起的機械磨損。經(jīng)濟合作和發(fā)展組織（OECD）定義為在相對運動時由于固態(tài)焊合而使金屬從一個表面轉移到另一個表面上的磨損稱為粘附磨損。零件表面不會完全光滑，總存在各種形狀的宏觀和微觀的凹凸不平。當兩零件相接觸和承受法向載荷時，表面上的鼓凸點首先接觸和產(chǎn)生彈性和塑性變形，直到實際接觸面積能夠承受所加載荷為止。因此，兩表面間會局部發(fā)生粘附結合。這種結合強度可能高于兩種零件材料中較弱者的強度。當兩零件表面相對運動時，該較弱材料被剪斷，材料被轉移到另一接觸表面上。在隨后的多次相互作用中，這些被轉移的材料有可能再轉移到原來的零件表面上，但卻是枯附在不同的部位；另一種可能是轉移材料被徹底分離，成為不規(guī)則形狀的磨損碎屑顆粒。最嚴重的情況是咬死，摩擦表面嚴重粘著而使相對運動停止，常導致事故。

從圖2球頭底部燒傷圖和球頭上端燒傷圖可看出金屬材料為從本體上撕裂下來，此種磨損為粘著磨損。

1.2 磨料磨損

磨料磨損是由硬顆粒或硬突起引起零件表面破壞，分離出磨屑或形成劃傷的磨損。磨料磨損的原因是硬顆粒或硬突起沿零件表面滑動，包括：①松散的硬顆粒陷在兩個相對運動的零件表面之間；②硬顆粒被固定（嵌入或枯附）在一個表面上，對另一個零件表面造成磨料磨損；③一個表面上有硬突起，磨損另一表面。前兩種的硬顆粒可能是外來物，也可能是由粘著磨損和磨料磨損形成的碎屑。后兩種屬于二體磨料磨損，第一種屬于三體磨料磨損。三體磨料磨損時，磨粒多數(shù)時間處于滾動狀態(tài)，磨損速率較低；二體磨料磨損的磨損速率則較高。

磨料磨損是磨粒（或突起物）對零件表面起切削作用。磨粒硬度高于被磨表面，兩者在載荷下相對滑動時，磨粒移動或切除表面上的材料，在表面上留下犁溝、劃痕和擦痕等形貌。硬顆粒劃過較軟表面，形成典型的犁溝，溝內(nèi)材料未被切除，而是塑性流動（變形）而移向溝邊沿。另一種情況是形成犁溝的同時，切除溝內(nèi)材料，在移動硬顆粒的前方形成切削屑片，也可能移向溝邊沿的材料隨即或經(jīng)磨粒多次作用后裂成碎屑。

在球頭底部燒傷圖上可看到，在球頭哈夫面附近有環(huán)狀溝槽，這類磨損和上述情形非常相似。

1.3 微動磨損

微動磨損是兩接觸表面在一定法向力下低幅振蕩而產(chǎn)生磨損，起始于自然粘著，振動和低幅振蕩是基本誘因。由于常伴隨有化學腐蝕（氧化），所以微動磨損也稱被為微動磨蝕。微動磨損不同于其他的磨損形式，它所產(chǎn)生的大部分磨屑保留在微動磨損部位。

微動磨損常發(fā)生在機械的各種連接固定部位。由于振動的原因，原本相互固定的緊密接觸表面間產(chǎn)生微小的相對運動，導致微動磨損。但是也有例外，如軸承的滾珠與滾道間接觸，擺動軸承匹配表面間接觸。

微動磨損可能形成疲勞裂紋，承受高應力的機械零件常由此導致疲勞斷裂。

微動磨損過程分為三個階段：初始粘著；振蕩和伴隨形成氧化物碎屑；在接觸區(qū)中疲勞和磨損。

微動磨損的特有現(xiàn)象是有些疲勞裂紋可能不擴展，因為接觸應力的作用范圍僅限于微動磨損表面下很淺的區(qū)域。對于承受應力的軸類零件和連接部位，由微動磨損形成裂紋和最終疲勞斷裂是常見的失效類型，對這類零件施加某種表面處理（噴丸和表面滾壓等），造成有利的表層殘余壓應力，阻止或停止裂紋擴展，是極重要的預防措施：消除或減小零件的振動。有效的潤滑，或在兩表面間設置隔離層（例如鈦合金零件表面鍍層）也是預防微動磨損的重要措施。

由照片分析可知，螺紋的燒傷是由于周期振動的交變應力引起的淺層裂紋延伸至表面，由于潤滑油在壓力作用下使表層金屬剝落，在壓力作用下形成燒傷。

2 球頭螺桿燒傷的解決方案

（1）對于球頭的粘著磨損，應在設計中調(diào)整零件材質(zhì)，改變材料屈服強度；調(diào)整材料的熱處理工藝，改變材料硬度；加大潤滑油量，改變潤滑油型號；球頭和球碗加工完成后用紅丹粉檢驗接觸情況，接觸不好的位置對球碗進行刮研保證球面接觸面積；加入研磨膏進行研磨，磨掉球頭上的高點尖角，加速使摩擦面的一部分進入邊界潤滑狀態(tài)。

（2）對于球頭的磨料磨損，通過上述研磨磨平硬凸起；使用干凈的潤滑油，減少潤滑油中的油污和硬顆粒；對已經(jīng)加工好的零件進行清理防護，對安裝好的機床檢查密封情況，防止零件殘留的鐵屑雜質(zhì)進入球碗中。

（3）對于螺紋的微動磨損，加工時使用精度好的刀具，保證工件的表面粗糙度；采用螺紋通規(guī)止規(guī)檢驗螺紋精度，保證螺距螺紋公差等精度要求；用紅丹粉檢驗旋合接觸情況，防止產(chǎn)生單點接觸單邊接觸；盡可能在設計時使用大規(guī)格螺紋，增大接觸面積。

3 結束語

曲柄滑塊機構的壓力機在工作時，摩擦是必然存在的。只要有摩擦，必定會帶來球頭螺桿的磨損燒傷。球頭螺桿燒傷是由多種磨損方式共同作用產(chǎn)生的，是一個復雜的綜合的磨損過程。分析球頭螺桿的各個部位的燒傷情況，判斷磨損的類型，指引我們解決問題的方向。根據(jù)現(xiàn)場不同的情況作出整改方案，如改變潤滑條件、更換球頭螺桿材質(zhì)，增大球頭螺桿接觸面積等可有效防止球頭螺桿的燒傷。

利用摩擦學原理分析常見的球頭螺桿的燒傷問題并加以改善，可有效杜絕因球頭螺桿燒傷卡死而造成的停工、停產(chǎn)，對日常生產(chǎn)活動有積極的現(xiàn)實意義。

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Problem analysis and solving method of burned ball screw for mechanical press

RONG Lu，TIAN Lizhong，MENG Lei，LI Guangjuan
（Xuzhou Metalforming Machine（Group）Co.,Ltd.，Xuzhou 221116,Jiangsu China）

The reason for failure has been judged in the text on the basis of the theory of tribological principle.The related solving project has been put forward by analysis of failure reason.

Mechanical press;Ball screw;Metal burn;Tribological principle

TG315.5

B

10.16316/j.issn.1672－0121.2016.04.008

1672－0121（2016）04－0025－03

2016－02－19；

2016－04－05

榮 璐（1986－），男，助理工程師，從事壓力機設計研發(fā)。E－mail：tel15262009258＠yeah.net