第三節 斷裂失效

數控機床滾珠絲杠的使用壽命規定在1~1.5萬h,按每天工作8h,每年251個工作日計算，大約可運行5~7.5年。但是許多數控車床選用的滾珠絲杠達不到這個運行時間就發生了斷裂。有些經濟型數控車床橫向滾珠絲杠的壽命還不到一年。從滾珠絲杠斷口的宏觀形貌分析，早期斷裂滾珠絲杠都屬于低應力脆斷，不難斷定是因為制造過程中形成的微觀裂紋或材料內部缺陷造成的。對于那些運行3~4年以后才斷裂的滾珠絲杠，則不容易區分是低應力脆斷還是疲勞斷裂。按滾珠絲杠12r/min計算，其循環次數應在7.2×106~1.08×107之間，屬于高周期疲勞設計范圍。也就是說，如果滾珠絲杠尺寸規格、材料、制造工藝、安裝精度和使用方法都沒有問題的話，它在使用壽命之內不應該斷裂。
斷裂失效指零件斷裂而導致整個機械設備無法工作的現象。分為疲勞斷裂和受到超過材料強度極限的外加負載或沖擊載荷造成的過載斷裂。滾珠絲杠副的斷裂具體表現為絲杠、螺母明顯的部分脫落或整體裂痕；滾珠碎裂；反向器損壞等。
產生因素有：載荷過大；安裝不好，絲杠傾斜，撓度過大；使用不當，受到沖擊振動，瞬間載荷過大；轉速過高，急劇地加減速；異物污染造成滾珠運動阻塞；材料缺陷，制造不良等。措施：選擇合適的產品；采用正確安裝方法；查驗應用條件，如載荷、運轉及溫度等；避免沖擊、振動；選擇合適的密封產品；選擇適當的潤滑劑與潤滑量等。
一、絲杠中頻溶火后磨削產生裂紋
國內各制造企業普遍選用GCr15鋼材，在經過球化退火處理或調質處理等預先熱處理后，進行表面感應溶火熱處理，以滿足滾珠絲杠內在的性能要求。大型滾珠絲杠一般采中頻感應率火。在生產中，經常會發現經過中頻溶火（回火）的絲杠經磨削螺紋后，經磁力探傷檢查，常在螺紋滾道的圓弧上出現軸向的或網狀的裂紋，甚至在磨削螺紋過程中僅憑肉眼就可發現，從而造成絲杠的報廢。這不僅給企業造成直接經濟損失，而且由于造成該問題的因素是多方面的，給企業生產一線操作者帶來較大的壓力。
(一）原材料不良
滾珠絲杠主要表現為GCr15材料的網狀碳化物級別超差或球化退火組織不合格(有片狀珠光體）。通過對裂紋絲杠碳化物的不均勻性分析、顯微組織分析，出現網狀碳化物級別超差或球化退火組織不合格絲杠約占總數的40%。碳化物不均勻性造成絲杠表面感應溶火后存在表面硬度和內應力分布不均，碳化物較集中的部位其內應力也較集中。在絲杠磨削時，由于該部位內應力超過材料的屈服強度，就會產生磨削裂紋。片狀珠光體存在，則造成絲杠表面感應溶火后晶粒粗大，降低鋼材的屈服強度，絲杠磨削時在內應力超過材料的屈服強度部位產生磨削裂紋。
(二）滾珠絲杠絲杠中頻粹火熱處理不良
主要表現為溶火溫度偏高或回火不足。通過分析、統計，由此造成絲杠磨削裂紋的絲杠約占總數的20%~30%。大型滾珠絲杠中頻溶火時，中頻輸出功率偏高，沖火速度過慢，都可能使絲杠粹火時的溫度偏高，絲杠粹火后的馬氏體組織級別偏上限（馬氏體5級）,甚至可能超標（馬氏體≥5級）。粗大的馬氏體組織會降低鋼材斷裂韌性40%。絲杠磨削時的工藝參數不規范，磨削時產生的磨削熱量在絲杠表面造成“二次回火”。更有甚者，磨削熱量甚至使絲杠表面的溫度升高達到絲杠材料的“溶火溫度”，在磨削液的冷卻作用下，絲杠表面形成“二次沖火”，造成表面晶粒粗大，降低鋼材的屈服強度，引起絲杠表面出現裂紋。大型滾珠絲杠粹火后，溶硬層較深，內應力（包括熱應力和組織轉變應力）較大，回火不足（回火溫度低或回火時間短）,絲杠溶火時形成的內應力消除不完全。絲杠率火、回火后，內部的殘余內應力與磨削時產生的磨削應力相疊加，當疊加后的應力超過鋼材的屈服強度時，就會在絲杠表面形成裂紋。
(三）絲杠磨削時的工藝參數不規范
該原因造成磨削裂紋的絲杠約占總數的30%~40%。絲杠磨削時的工藝參數不規范，磨削時產生的磨削熱量在絲杠表面造成“二次回火”。更有甚者，磨削熱量甚至使絲杠表面的溫度升高達到絲杠材料的“粹火溫度”，在磨削液的冷卻作用下，絲杠表面形成“二次溶火”，造成表面晶粒粗大，降低鋼材的屈服強度，引起絲杠表面出現裂紋。采用“減小每次進刀磨削量，多次進刀”及“磨削——穩定絲杠表面溫度——磨削”的方法，有效地降低了絲杠表面的磨削熱量和磨削應力，杜絕滾珠絲杠磨削時產生的“二次粹火”或“二次回火”現象，從而避免“磨削裂紋”的產生。
二、鋼珠破裂
鋼珠最常用的材質是銘鑰鋼，若要使一顆直徑3.175mm(1/8in)的鋼珠破裂，約須14~16kN力。滾珠螺桿有、無潤滑對于溫升的差異明顯，此溫升可能造成鋼珠破裂或損壞，因此造成螺母或珠槽的損壞。因此設計過程中須考慮潤滑油的補充，如無法使用自動潤滑系統，必須將潤滑油的補充計算列入保養手冊。
三、反向器凹陷或斷裂
螺母過行程或反向器受到的撞擊會造成反向器的凹陷或斷裂，因此阻礙鋼珠的循環路徑，使得鋼珠變成滑動而非正常滾動，最后造成反向器斷裂。
四、滾珠絲杠肩部斷裂
(1)絲杠肩部應避免銳角設計，以減少局部應力集中。
(2)絲杠軸頸彎曲。軸承承靠面與鎖緊螺母軸心的垂直度超差，或鎖緊螺母面平行度超差，皆會導致絲杠肩部的彎曲或斷裂，因此在鎖緊螺母鎖緊后，絲杠肩部偏擺量不得超過0.01mm。
(3)徑向力或反復應力。安裝絲杠時造成的偏心而產生異常的交變切應力會使滾珠絲杠過早損壞。