高速滚珠丝杠副的磨损机理

高速滚珠丝杠副的磨损机理

滚珠丝杠副运行过程中会伴随磨损的发生，经过一段时间的使用，形成轴向间隙，致使预紧效果逐渐下降甚至消失。研究了轴向磨损量对预紧力的影响，并分析了不同滚珠丝杠转速和接触椭圆离心率情况下，轴向磨损量和预紧力的变化趋势。

高速滚珠丝杠接触磨损是复杂的微观动态过程，根据磨损机理可将磨损大致分为：

1)粘着磨损：当摩擦表面的接触峰在相互作用的各点处发生“冷焊”后，在相对滑动时，材料从一个表面迁移到另一个表面，便形成了粘着磨损。

2)磨粒磨损：相对运动的两个物体，由于外部进入摩擦面间的游离硬颗粒或硬的接触峰尖造成表面损伤的磨损。

3)疲劳磨损：由于摩擦表面材料微体积在重复变形时疲劳破坏而引起的机械磨损。

4)机械化学磨损（腐蚀磨损）：由机械作用及材料与环境的化学作用或电化学作用共同引起的磨损。

5)流体磨粒磨损和流体侵蚀磨损（冲蚀磨损）：由流动的液体或气体中所夹带的硬质物体或硬质颗粒作用引起的机械磨损。

6)微动磨损（微动损伤）：一种甚为隐蔽的、由粘着磨损、磨粒磨损、机械化学磨损和疲劳磨损共同形成的复合磨损形式。在相互接触的金属表面间由于微小的振动，接触面会产生氧化磨损微粒，难以从接触面排除，就会发生微动磨损。

滚珠丝杠副运行过程中可能伴随着多种磨损形式的作用，从而导致传动系统精度的降低。初始阶段，滚珠与滚道的接触面比较光滑，可能只存在粘着磨损，过段时间后，随着粘着磨损的进行，滚珠与滚道接触表面会有金属颗粒脱落，造成磨料磨损的发生；同时，脱落后形成新的金属表面在温度与润滑剂等作用下发生化学或电化学反应，形成腐蚀磨损，磨损量增大，系统精度损失加剧。此外，滚珠丝杠副在长期的循环接触应力的作用下，滚道面可能会有细微裂纹产生，造成接触面材料的剥落和点蚀，形成疲劳磨损。因此，滚珠丝杠副的磨损是一个复杂的过程，必须了解其磨损机理。

从微观角度分析，摩擦表面存在许多微凸体，称为粗糙峰。当滚珠与滚道相对运动时，接触面处实际接触面积比名义接触面积小很多，往往只是接触峰之间的摩擦。此时接触峰处于高压和局部高温的状态，将先后出现物理键与化学键，便会形成粘附点。在随后的滑动中，当接触面的粘着功大于滚珠或滚道的内聚功时，将会发生断裂，材料的迁移黏附点将会被破坏。因此，滚珠与滚道接触表面处于粘附、破坏、再粘附的交替过程，接触表面的材料发生迁移和剥落，从而造成滚珠丝杆副的磨损。

为了方便比较，这里引入无量纲量法向载荷法向接触面积。滚珠与滚道法向接触面积随轴向载荷变化的曲线，为了接近真实的接触情形，此处将接触椭圆的离心率设置为0.5，垫片预紧力为1470N。丝杠侧法向接触面积始终小于螺母侧法向接触面积，左侧接触面积随着轴向载荷的增大而不断减小，右侧接触面积随着轴向载荷的增大而不断变大。由于轴向载荷小于预紧力，所以左右螺母与滚珠的接触方向相反，当轴向载荷不断增大，左螺母的法向载荷不断减小，右螺母的法向载荷随载荷的增大而增大。无量纲法向载荷随轴向载荷的曲线图，其曲线变化趋势与法向接触面积大致相同，根据无量纲法向载荷的定义可知，当法向接触面积变大时，无量纲法向载荷会变小，此现象与图中曲线一致。

滚珠丝杠副的磨损行为相当复杂，影响滚珠丝杠副的磨损因素很多，而且这些因素的影响作用具有时变性和相干性的特点，然而滚珠丝杠副磨损牵涉的相关因素和理论比较多，因此还有许多问题值得进一步探讨和完善。