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1、滚动直线导轨寿命影响因素研究华中理工大学 李传印 新会凯特精密机械有限公司 孙健利 摘要 通过对影响疲劳寿命诸多因素的分析,建议在以后的计算中可采用修正后的寿命计算公式。并针对各因素,提出了延长寿命的措施。关键词 滚动直线导轨 疲劳寿命 影响因素 表面残余应力1 前言 滚动直线导轨的寿命计算一般借助于Lundberg-Palmgren提出的最大动态切应力理论。该理论认为疲劳裂纹始发于接触表面下某一含有杂质的材料弱点处,最大动态切应力决定接触表面的疲劳剥落。导轨的使用概率S与最大动态切应力τ0的幅值大小和位置、循环次数M以及作用体积V有关,即ln∝(τc0MeV/
2、Zw0)(1)式中 Z0———最大动态切应力τ0的深度,mmc,e,w———指数系数由此推出寿命计算公式为N0=(C/P)ε(2)式中 N0———额定寿命,×50kmC———额定动负荷,NP———当量动负荷(计算时可取一个运动周期的平均值),Nε———指数,一般滚动体为滚珠时,取ε=3,滚动体为其它滚子时,取ε=10/3生产实践证明,Lundberg-Palmgren提出的寿命理论是正确的,但随着冶炼技术的提高、加工工艺的改进,导轨副的失效机理已经发生了明显的变化。从近期发表的实验结果[1]可以看出,与表面接触状态相关的诸多因素在导轨的疲劳过程中起着越来越重要的作用。这些因素主要
3、包括接触表面的预损伤、表面粗糙度的大小及形式、表面残余应力、外来硬颗粒杂质、润滑油膜的状态等,这就对寿命理论的进一步发展提出了要求。2 影响疲劳寿命的因素2·1 固体杂质固体杂质掺入滚珠与滚道的接触表面是导轨副磨损的一个主要原因。这可从两方面理解。首先,固体颗粒特别是一些特定大小的硬颗粒的掺入,破坏了滚珠与导轨表面的正常接触。在运行过程中,由于外加载荷的作用,硬颗粒压入滚道表面,使接触表面强烈变形,形成压痕。而塑性变形材料运动到压痕边缘,则形成壁凸状塑性变形。这种塑性变形严重削弱了压痕区域的疲劳强度,所以,颗粒压入不久,便会产生麻点,并扩展形成疲劳剥落。麻点的产生位置和扩展方向取
4、决于压痕周围材料强度的差异,以及滑块正反行程中载荷的变化。其次,导轨副的运动可以看作是滚动与滑动的复合运动。磨粒的掺入会在滑动量大的区域产生磨损,从而改变了接触表面的几何形状,使滚道的个别区域承受不同的负荷。负荷的差值随时间而逐渐增大。这种载荷的不均匀必然会造成局部的高负荷,缩短导轨副的寿命。需要指出的是,并非所有颗粒的掺入都是有害的,只有那些特定大小并具有较大硬度的颗粒才会对疲劳寿命产生不良影响。滚动轴承在不同颗粒下的疲劳寿命实验结果如图1所示[2]。2·2 残余应力图1 杂质对疲劳寿命的影响1·无杂质 2·锉屑 3·磨屑 4·型砂 5·金钢砂图2 粗糙度对磨损率的影响一般认为
5、,接触表面保持一定的残余压应力,可以增加表面的抗疲劳磨损的能力,从而延长接触零件的疲劳寿命,反之,若表面残存拉应力,则会降低疲劳寿命。当残余压应力刚好叠加在弹性应力上时,可得到较高的疲劳寿命,此时的应力状态即为最佳残余应力状态。可见,最佳残余应力分布对接触表面的几何形状和负荷强度有很大的依赖性。根据H-M-H屈服准则,在不考虑表面残余应力时接触表面的等效应力为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三垂直方面的正应力,MPaτXY、τYZ、τXZ——
6、—平面XY、YZ、XZ内的切应力,MPa ξ———系数考虑到残余应力分布时等效应力可表示为A1+A2+A3+6ξ2(τ2XY+τ2YZ)+6τ2XZσER(ξ)=1/21/2A1+A2+A3+6ξ2(τ2XY+τ2YZ)+6τ2XZ(4)式中 A1={(σX+σXR)-(σY+σYR)}2A2={σZ-(σY+σXR)}2A3={σZ-(σX+σXR)}2式中 σYR———残余应力引起的切向应力,MPaσXR———残余应力引起的轴向应力,MPa对于负荷区域内的某点,取σXR=σZ-σX(5)σYR=σZ-σY(6)此时,等效应力值最小,为σER(ξ)=[3ξ2(τ2XY+τ2
7、YZ)+3τ2XZ]1/2(7)我们称σXR=σZ-σX,σYR=σZ-σY为最佳残余应力分布。一般在寿命计算中用残余应力系数表示残余应力的影响。2·3 表面微观几何形状接触表面的微观几何形状对于导轨副的摩擦、磨损有直接的影响。表面越粗糙,表面上的刀痕、裂纹愈明显,其轮廓谷低处愈容易引起应力集中,致使材料的疲劳强度降低。而表面粗糙度值Ra小时,导轨副表面大实际接触面积增大,减少了局部应力集中的可能性,表面磨损率降低,如图2所示。2·4 润滑状态润滑状态直接影响接触表面的接触表面的
