滚珠丝杠工作时常承受弯曲、扭转、疲劳、冲击,同时在滑动与转动部位还承受摩擦作用。丝杠的损坏形式主要是磨损和疲劳。因此,其性能要求是整体必须具有较好的综合力学性能(即一定的强度与韧性配合)和高的尺寸稳定性,相关工作部位(滚道、轴径)要求具备高硬度、高强度和足够的耐磨性。
感应加热淬火可以对滚珠丝杠的表面进行快速加热、冷却,在丝杠表面形成一定厚度的高硬度、高耐磨性的淬硬层,而在丝杠心部仍保持原有组织、性能,使其在表面具有高硬度的同时,心部仍有一定的韧性。因此,它能很好地满足丝杠的性能要求。由于表面感应加热淬火作为滚动丝杠的最终热处理工序,决定着滚珠丝杠最终的内在质量,所以必须对此进行严格的质量控制。在这方面人们花了很多精力进行研究开发,经过多年的努力,已经掌握了一套比较成熟的生产工艺。同时,根据有关国家标准和行业标准编制了滚珠丝杠表面感应加热淬火的具体技术要求,其内容如下(图2-35为其示意图):
1)制造滚珠丝杠的材料选用GCr15钢。
2)滚珠丝杠滚道表面硬度要求为58~63HRC。
3)淬硬层要求:
①深度要求:沿滚道法向表面有效硬化层深度大于或等于1.0mm。
②金相组织要求:按JB/T 1255-2001版《高碳铬轴承钢滚动轴承零件热处理技术条件》,在硬化层区域内金相组织为马氏体+残留奥氏体+碳化物,马氏体组织为1~4级。
4)径向圆跳动要求:工件长度小于或等于600mm,径向圆跳动小于或等于0.30mm;工件长度大于或等于600mm,径向圆跳动小于或等于0.40mm。
5)螺距变形要求:伸长量小于或等于0.8mm/m×工件长度;收缩量小于或等于0.5mm/m×工件长度。
滚珠丝杠的材质对丝杠的热处理及内在性能影响较大,因此,根据GB/T 18254-2002《高碳铬轴承钢》标准,对GCr15钢原材料进行检验,确保生产中采用的是优质钢材。
滚珠丝杠的传动功能是通过钢球在滚道内滚动时带动螺母运动的。由于一般企业采用的钢球硬度为60HRC,这就要求滚道表面的硬度必须为58~63HRC。硬度太低则滚道不耐磨,而如果硬度超过上限则会大大降低淬火硬化层的力学性能,会在滚道表面产生磨削裂纹,甚至造成丝杠断裂。
对于滚珠丝杠淬硬层深度要求是基于丝杠耐磨性和长期反复运动的需要。为了保证滚珠丝杠能很好地达到设计使用寿命,在对滚珠丝杠淬硬层组织的要求中特别强调马氏体组织必须控制在1~4级,即隐针状马氏体,不允许出现粗针状马氏体。根据我们多年牛产经验,类似滚珠丝杠这样精密的滚动轴承类工件,如果淬火组织过粗则极有可能会在后续的磨削加工中产生裂纹。
对于滚珠丝杠表面感应加热淬火径向圆跳动的要求是基于两个方面的原因:一是丝杠精度的要求;二是大批量生产的要求。在淬火过程中产生的径向圆跳动超过要求,会影响丝杠的加工精度。而且淬火后的丝杠硬度高、脆性大,校正工作难度较大,不利于工件的大批量生产,因此要求淬火时对丝杠径向圆跳动进行严格控制。