上银导轨寿命影响因素研究
华中理工大学　　　　　　　李传印　　
天津隆创日盛科技        　孙健利　
摘要　通过对影响上银导轨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　上银导轨　东莞上银导轨  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/Zw0)式中Z0———最大动态切应力τ0的深度,mm,c,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,×50km
       C———额定动负荷,N
       P———当量动负荷(计算时可取一个运动周期的平均值),N
      ε———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　影响上银导轨疲劳寿命的因素

2•1固体杂质
  固体杂质掺入滚珠与滚道的接触表面是上银导轨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。

2•2残余应力
一般认为,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,MPa
      τXY、τYZ、τXZ———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)+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———残余应力引起的切向应力,MPa
σXR———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
σYR=σZ-σY
此时,等效应力值最小,为
σER(ξ) = [3ξ2(τ2XY+τ2YZ)+3τ2XZ]1/2

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,上银导轨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。
2•4　润滑状态
润滑状态直接影响接触表面的接触表面的接触状况,从而影响接触疲劳寿命。良好的润滑能在两接触
面间形成一层油膜,防止两接触面的直接接触,降低峰值压力和切向力,并同时减缓局部接触压力的增加。一般用膜厚比λ表示润滑状态的好坏。
λ= h/  R2a1+ R2a2
Ra1、Ra2———两接触表面的粗糙度,μm
h———最小油膜厚度,mm
对于滚动直线导轨,可取[3]
h =3.42μ0.49ν0.17(1- e-0.68ρ)
μ———粘性系数
ν———弹性系数
ρ———接触椭圆率
为使接触表面为弹性动力润滑状态取λ>3。
2•5　运动速度及冲击载荷
循环接触的滚动表面,磨损率与工作速度间的关系随粗糙度而变化。粗糙度值较大时,磨损率受工作速度的影响较显著(图2);若表面质量较好,则工作速度对磨损率的影响就不明显。导轨副属于精密运动部件,表面质量较好,在正常情况下速度变化对寿命的影响不明显。一般与外来冲击、振动等动态特性一起考虑,在寿命计算中引入载荷系数表示其影响。

3  各参数对导轨副寿命的影响
3•1润滑状态
    润滑状态用膜厚比λ表示。润滑油膜的状态对上银导轨的寿命是至关重要的。因此,在很多情况下上银导轨采用脂润滑。
3•2表面粗糙度
   粗糙度对寿命的影响可通过粗糙度应力系数ua及粗糙度倾斜角θ反映出来。在此认为θ为常量,来讨论寿命随粗糙度应力系数变化的规律,经过计算,整理得表3。由此可知,随ua增大上银导轨的寿命逐渐缩短,这与上面的讨论是一致的。
3•3表面残余应力
   由于表面残余应力受接触表面几何形状及外加载荷影响比较大,它对寿命的影响应通过大量的实验来确定,对滚动轴承的残余应力系数及外界载荷的关系进行了研究,鉴于二者失效机理的相似性,可进行借鉴。表面残余应力受外界载荷的影响是很大的,随着载荷的不断增加,残余应力的积极作用也在不断加强。

4　生产中应采取的措施
　　由以上分析可知,表面的环境对于疲劳寿命的影响是很明显的,在实际生产过程中应给予足够重视。
    (1)跑合是出厂前所必需的,经过跑合可使表面的微观几何形状得到改善。但跑合完后,一定要更换润
滑油,以预防跑合过程产生的金属颗粒产生负面影响。
    (2)使用过程中,注意保持上银导轨周围的环境清洁,预防硬颗粒进入接触面。
    (3)生产流程中,严格把关密封装置制造与安装。
    (4)适时更换润滑油,并控制其粘度,使接触面处于弹性动力润滑状态。
    (5)用适当方式触发表面残余压应力,使之趋于最佳残余应力分布状态。
    (6)在生产中,注意控制加工精度,并进行严格的测量,禁止预缺陷的出现