机械压力机球头螺杆金属烧伤研究范文
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《锻压装备与制造技术杂志》2016年第4期
摘要：
曲柄滑块机构是机械压力机的重要部分，而滑块上的球头螺杆的螺纹及球头在工作时因反复受到挤压力、摩擦力以及频繁承受较大的冲击力，容易产生烧伤现象。本文通过摩擦学原理相关知识判断故障产生原因，通过分析故障原因提出相关解决方案。
关键词：
我公司生产的机械压力机，其主要运动方式为曲柄滑块往复运动。由于用户的模具尺寸各不相同，在连杆、滑块部件增加了模高调整装置，如图1所示。其调节方式为盘式电机带动蜗杆、蜗轮转动，蜗轮通过销带动球头螺杆在连杆内转动，球头螺杆与连杆组成螺纹副。由于球头螺杆螺距的存在，因此可以调整球头螺杆在连杆中伸长和缩短的数值，从而带动滑块上下运动实现装模高度调整的要求。当压力机工作时，球头在滑块中的球碗中连续摆动，球头与球碗接触的位置为压力机加载时的最大受力点，所以下球碗和球头下端在这个接触位置经常出现烧伤情况。同时，球头螺杆的螺纹副连接在压力机加载时也承载了该公称压力，由于螺纹有升角，每次加载时会产生微动，该位置也会产生烧伤，但产生频率没有球头烧伤出现的频繁。当曲柄旋转滑块上提时，球头和上球碗也存在相对摆动，因需要有润滑油流入，上球碗不像下球碗一样是全封闭的，而且接触面积也没有下球碗大，所以在上球碗与球头上端也会产生烧伤现象。上述几种烧伤情况如图2所示。本文利用摩擦学原理列举不同种类烧伤产生的原因，通过分析上述烧伤情况与摩擦学原理相结合进行判断，并提出相关解决方案。
1球头螺杆烧伤原因分析
受到外物机械作用，零件表面材料被转移而造成损伤称为磨损。零件磨损严重和丧失功能即为磨损失效。除严重擦伤导致突然咬死的情况外，机械零件磨损损伤和功能退化通常是一种渐进的过程，选择更换磨损零件的时刻，常要兼顾各种价格因素。磨损一般分为粘着磨损、磨料磨损、微动磨损。
1.1粘着磨损
粘着磨损是由于粘附作用使两摩擦表面的材料迁移而引起的机械磨损。经济合作和发展组织（OECD）定义为在相对运动时由于固态焊合而使金属从一个表面转移到另一个表面上的磨损称为粘附磨损。零件表面不会完全光滑，总存在各种形状的宏观和微观的凹凸不平。当两零件相接触和承受法向载荷时，表面上的鼓凸点首先接触和产生弹性和塑性变形，直到实际接触面积能够承受所加载荷为止。因此，两表面间会局部发生粘附结合。这种结合强度可能高于两种零件材料中较弱者的强度。当两零件表面相对运动时，该较弱材料被剪断，材料被转移到另一接触表面上。在随后的多次相互作用中，这些被转移的材料有可能再转移到原来的零件表面上，但却是枯附在不同的部位；另一种可能是转移材料被彻底分离，成为不规则形状的磨损碎屑颗粒。最严重的情况是咬死，摩擦表面严重粘着而使相对运动停止，常导致事故。从图2球头底部烧伤图和球头上端烧伤图可看出金属材料为从本体上撕裂下来，此种磨损为粘着磨损。
1.2磨料磨损
磨料磨损是由硬颗粒或硬突起引起零件表面破坏，分离出磨屑或形成划伤的磨损。磨料磨损的原因是硬颗粒或硬突起沿零件表面滑动，包括：①松散的硬颗粒陷在两个相对运动的零件表面之间；②硬颗粒被固定（嵌入或枯附）在一个表面上，对另一个零件表面造成磨料磨损；③一个表面上有硬突起，磨损另一表面。前两种的硬颗粒可能是外来物，也可能是由粘着磨损和磨料磨损形成的碎屑。后两种属于二体磨料磨损，第一种属于三体磨料磨损。三体磨料磨损时，磨粒多数时间处于滚动状态，磨损速率较低；二体磨料磨损的磨损速率则较高。磨料磨损是磨粒（或突起物）对零件表面起切削作用。磨粒硬度高于被磨表面，两者在载荷下相对滑动时，磨粒移动或切除表面上的材料，在表面上留下犁沟、划痕和擦痕等形貌。硬颗粒划过较软表面，形成典型的犁沟，沟内材料未被切除，而是塑性流动（变形）而移向沟边沿。另一种情况是形成犁沟的同时，切除沟内材料，在移动硬颗粒的前方形成切削屑片，也可能移向沟边沿的材料随即或经磨粒多次作用后裂成碎屑。在球头底部烧伤图上可看到，在球头哈夫面附近有环状沟槽，这类磨损和上述情形非常相似。
1.3微动磨损
微动磨损是两接触表面在一定法向力下低幅振荡而产生磨损，起始于自然粘着，振动和低幅振荡是基本诱因。由于常伴随有化学腐蚀（氧化），所以微动磨损也称被为微动磨蚀。微动磨损不同于其他的磨损形式，它所产生的大部分磨屑保留在微动磨损部位。微动磨损常发生在机械的各种连接固定部位。由于振动的原因，原本相互固定的紧密接触表面间产生微小的相对运动，导致微动磨损。但是也有例外，如轴承的滚珠与滚道间接触，摆动轴承匹配表面间接触。微动磨损可能形成疲劳裂纹，承受高应力的机械零件常由此导致疲劳断裂。微动磨损过程分为三个阶段：初始粘着；振荡和伴随形成氧化物碎屑；在接触区中疲劳和磨损。微动磨损的特有现象是有些疲劳裂纹可能不扩展，因为接触应力的作用范围仅限于微动磨损表面下很浅的区域。对于承受应力的轴类零件和连接部位，由微动磨损形成裂纹和最终疲劳断裂是常见的失效类型，对这类零件施加某种表面处理（喷丸和表面滚压等），造成有利的表层残余压应力，阻止或停止裂纹扩展，是极重要的预防措施：消除或减小零件的振动。有效的润滑，或在两表面间设置隔离层（例如钛合金零件表面镀层）也是预防微动磨损的重要措施。由照片分析可知，螺纹的烧伤是由于周期振动的交变应力引起的浅层裂纹延伸至表面，由于润滑油在压力作用下使表层金属剥落，在压力作用下形成烧伤。
2球头螺杆烧伤的解决方案
（1）对于球头的粘着磨损，应在设计中调整零件材质，改变材料屈服强度；调整材料的热处理工艺，改变材料硬度；加大润滑油量，改变润滑油型号；球头和球碗加工完成后用红丹粉检验接触情况，接触不好的位置对球碗进行刮研保证球面接触面积；加入研磨膏进行研磨，磨掉球头上的高点尖角，加速使摩擦面的一部分进入边界润滑状态。
（2）对于球头的磨料磨损，通过上述研磨磨平硬凸起；使用干净的润滑油，减少润滑油中的油污和硬颗粒；对已经加工好的零件进行清理防护，对安装好的机床检查密封情况，防止零件残留的铁屑杂质进入球碗中。
（3）对于螺纹的微动磨损，加工时使用精度好的刀具，保证工件的表面粗糙度；采用螺纹通规止规检验螺纹精度，保证螺距螺纹公差等精度要求；用红丹粉检验旋合接触情况，防止产生单点接触单边接触；尽可能在设计时使用大规格螺纹，增大接触面积。
3结束语
曲柄滑块机构的压力机在工作时，摩擦是必然存在的。只要有摩擦，必定会带来球头螺杆的磨损烧伤。球头螺杆烧伤是由多种磨损方式共同作用产生的，是一个复杂的综合的磨损过程。分析球头螺杆的各个部位的烧伤情况，判断磨损的类型，指引我们解决问题的方向。根据现场不同的情况作出整改方案，如改变润滑条件、更换球头螺杆材质，增大球头螺杆接触面积等可有效防止球头螺杆的烧伤。利用摩擦学原理分析常见的球头螺杆的烧伤问题并加以改善，可有效杜绝因球头螺杆烧伤卡死而造成的停工、停产，对日常生产活动有积极的现实意义。
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作者:荣璐 田理中 孟雷 李广娟 单位:江苏省徐州锻压机床厂集团有限公司
