滾珠絲杠副磨損失效機理研究進展
滾珠絲杠副磨損失效機理研究進展
高速化、精密化是目前數控技術發展的重點，作為數控機床關鍵功能部件的滾動部件在高速條件下的精度保持性和功能可靠性是亟待解決的問題。改善提高國產滾珠絲杠副性能，要掌握滾珠絲杠副的失效機理，從滾珠絲杠副的設計、加工方面做出改進，從而達到提高滾珠絲杠副的可靠性；目前滾珠絲杠副的設計、制造都是基于滾子軸承設計理論，滾珠絲杠副存在螺旋升角、具有特定循環返向結構，其磨損形式與滾子軸承的磨損存在較大的不同。滾珠絲杠副內摩擦特點和磨損失效的主要模式及引起滾珠絲杠副磨損失效的各種可能因素，綜述了滾珠絲杠副磨損失效的研究現狀，指出了滾珠絲杠副失效研究所面臨的亟需解決的問題，為推動我國滾珠絲杠副磨損失效研究提供理論依據。
隨著滾珠絲杠副的高速化、重載化，滾珠絲杠副內的滾動部件、及滾珠與滾道之間的相對滑動比重有增大的趨勢。滾珠絲杠副內部各處的摩擦，滾珠絲杠副內各部件之間的摩擦主要是滾珠之間運動摩擦、滾珠與滾道之間的摩擦和滾珠與反向裝置之間的摩擦。滾珠絲杠運行過程中，由于滾珠滾動方向相同而且滾珠之間接觸點的相對位置恰恰相反，從而使得滾珠之間必然產生滑動。
滾珠與滾道之間運動形式較為復雜，首先從運動學的角度來看，無論對于單圓弧、雙圓弧的滾珠絲杠副來說，滾珠與螺母接觸點軌跡、滾珠與絲杠接觸點軌跡分別是具有不同節圓直徑的螺旋線，因此滾珠在其承載滾道中的相對滑動是不可避免的；從動力學的角度滾珠在螺旋滾道中的運動存在楔緊效應和陀螺效應，因此會產生滑動摩擦和擠壓摩擦。回珠系統內的滑動摩擦，由于滾珠絲杠副的返向裝置內滾珠不承受軸向載荷，滾珠的循環過程要不斷加載和卸載，其運動狀態不再是滾滑而是既有擠壓摩擦又有滑動摩擦。滾珠絲杠與滾動軸承不同，滾珠絲杠副自身特有的循環結構使得滾珠循環反向過程中不形成彈流潤滑條件，而且滾珠在循環返向過程中的承載、卸載時間較短，因此高速重載化滾珠絲杠副的摩擦形式表現出較強的隨機性。大多數滾珠絲杠副內不存在軸承所具有的滾珠隔離器，因此滾珠之間的運動相互影響；滾珠循環系統中的滑動摩擦、擠壓摩擦和磨損往往會影響滾珠與承載滾道內滾珠的滾動摩擦。摩擦形式的復雜性也就意味著磨損形式復雜性。目前考慮螺旋升角、滾珠與返向器的隨機性碰撞等因素的滾珠絲杠副的動力學和運動學模型還較少。
雖然滾珠絲杠與滾動軸承有相似之處，但是滾珠絲杠副由于存在返向滾道，當滾珠進入返向滾道中時，所承受的載荷完全為零，滾珠的循環運動完全靠后續滾珠的推動，這一點使得滾珠的運動方式、承載方式和潤滑方式與軸承存在較大不同，從而使滾珠絲杠副的磨損方式也與球軸承的磨損模式大有不同，各個部件之間的磨損相互耦合。王影曾根據實際生產中滾珠絲杠副失效的現象，總結了滾珠絲杠副的幾種常見失效形式。而事實上，滾珠絲杠副的各種磨損失效形式往往綜合在一起，相互干涉、相互影響。
滾珠絲杠副的磨損失效形式的研究主要集中在疲勞磨損和粘著磨損。關于滾珠絲杠副的疲勞磨損，許多研究機構從承載滾道、返向器內非承載滾道兩部分進行了大量研究，并設計了大量實驗裝置。目前普遍認為滾珠絲杠副的粘著磨損主要與滾珠絲杠副的精度損失相關。最常用的接觸副的粘著磨損模型，近些年來考慮隨機因素的磨損模型也逐漸應用到滾珠絲杠副的磨損失效，
滾珠絲杠副的診斷和預測的技術特點是不需要停機或者拆卸零部件，直接對運行中的滾珠絲杠副的工作情況實施技術監測，以便發現問題并及時處理。目前國內沒有關于滾珠絲杠副失效的檢測標準，實際的滾珠絲杠副失效判斷還停留在宏觀觀察和檢查上，即對滾珠絲杠副的潤滑油中的鐵屑形貌變化、滾珠絲杠副的運轉噪聲、溫升和振動，這些檢測方法都或多或少地存在一些問題。綜合性能比較法，脈沖測振方法、聲發射檢測技術、溫度報警裝置、智能測試方法的應用、楔緊效應的測量方法、滾珠絲杠副預緊力的測量方法。
不論采用那種方法、原理或儀器設備，最重要的在于盡早發現極限狀態和估計剩余壽命。診斷和預測都是方法和手段，預防滾珠絲杠副的早期失效所造成的損失才是最終目的。滾珠絲杠副磨損影響因素不僅包含結構設計、而且包括材料熱處理工藝和裝配工藝，因此相應的預防滾珠絲杠副失效的措施，也必須從各個方面著手以減小磨損、提高滾珠絲杠副的使用壽命。
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