絲杠熱處理工藝及熱處理設備選擇

絲杠是各類機床上的關鍵傳動件, 是將旋轉運動轉變為直線運動或將直線運動轉變為旋轉運動的傳動、定位功能部件。機床絲杠主要有梯形絲杠和滾珠絲杠2 大類。其中滾珠絲杠傳動效率高, 動作靈敏,進給均勻平穩, 低速無爬行, 定位精度與重復精度高,使用壽命長, 廣泛應用于數控機床與加工中心。

1 服役條件和性能要求

滾珠絲杠工作時常承受彎曲、扭轉、疲勞、沖擊,同時在滑動與轉動部位承受摩擦作用。絲杠的損壞形式主要是磨損和疲勞, 因此其性能要求整體必須具有較好的綜合力學性能( 即一定的強度與韌性配合) 和高的尺寸穩定性, 相關工作部位( 滾道、軸徑)要求具備高硬度、高強度和足夠的耐磨性。

2 選材

根據前面所述工件的服役條件和性能要求, 我們可以選擇表面硬化鋼( 如20CrMo、20CrMnTi 等)進行表面滲碳淬火; 也可以選用軸承鋼( GCr15、GCr15SiMn) 或合金工具鋼9Mn2V 采用球化退火或調質處理作為預先熱處理, 然后在工作部位進行表面淬火, 這樣既可滿足整體性能要求, 又能保證工作部位高硬度、高強度和足夠的耐磨性要求。

采用前1 種方案, 雖然工作部位硬度、強度和耐磨性能夠滿足產品要求, 但工件整體強度不如后1種, 特別是針對承載較大的大直徑絲杠, 采用后1種方案可提高絲杠疲勞強度。但由于合金工具鋼9Mn2V 過熱敏感性大, 工藝性能不如軸承鋼, 因此,最好采用GCr15 材料。

3 合理安排冷、熱工序, 編制加工工藝路線由于采用GCr15 鋼表面淬火作為最終熱處理

工序, 必須在淬火前作好原始組織準備。根據GB/T18254 ∀ 2002 高碳鉻軸承鋼、JB/ T 1225 ∀ 2001高碳鉻軸承鋼滾動軸承零件熱處理技術條件規定, 確定球退或調質作為材料預先熱處理。從加工過程冷熱工序的配合及尺寸、精度控制方面考慮, 必須在相應階段進行去應力處理。因此,我們可將滾珠絲杠加工工藝路線進行如下安排:

備料#球化退火#機加工( 粗車) # 調質處理#去應力退火( 高回) # 工作面表面淬、回火# 機加工( 粗磨) # 時效去應力處理#機加工( 精磨) 。

4 熱處理工藝分析及質量檢測

4. 1 球化退火

可采用井式電阻爐進行球化退火, 為盡量減少變形, 在常溫下批量集中吊掛裝爐, 每爐約400~ 600 kg 左右; 退火溫度為( 800±10) % , 保溫4~ 6 h; 保溫結束, 以〈30 % / h 速度

緩慢降溫至( 720 ±10) % , 保溫6~ 8 h; 保溫結束,隨爐冷卻至500 % 以下, 將工件出爐空冷。退火后應進行質量檢驗, 用布氏硬度計檢驗硬度,要求在179~ 207 HBS; 還應用大型工具顯微鏡, 切片檢查, 要求球狀珠光體應為2~ 4 級; 最后用滾輪托架、百分表檢查變形量, 要求全長變形量〈 1-5 mm。

4. 2 調質處理( 選擇進行)

使用和球退相同的加熱設備和裝爐方法, 在( 850±10) % , 保溫2 h, 油冷; 然后在( 680±10)%回火, 保溫3~ 4 h, 空冷。調質后要用布氏硬度計測定硬度, 要求為235- 265 HBS; 還要用滾輪托架、百分表檢驗變形量，要求不大于1-5 mm/ 全長。

4. 3 去應力退火

仍然用以上井式電阻爐,( 560±20) % , 保溫2~ 3 h, 保溫結束, 隨爐冷卻至500 % 以下, 將工件出爐空冷。此時就應進行變形量檢測, 要求不大于0. 5 mm/全長。

4. 4 工作面表面( 滾道) 和加工面(中心孔) 淬、回火

1) 工藝

首先對絲杠滾道進行淬火, 應制作與導軌外形尺寸相匹配的淬火感應器, 使用頻率為2��� 5 kHz 感應淬火機床, 其工藝參數為輸出功率( 75±5) kW，連續淬火的移動速度為6~ 7 mm/ s。

其次對絲杠中心孔進行淬火, 用氧氣���乙炔火槍,在目測800~ 850 % 加熱水冷淬火。然后用氧氣- 乙炔火槍仍用目測在300~ 400 % 加熱15 s 先回1 次火。

最后將絲杠在300 % 低溫烘箱中, 進行( 160 ±20 ) % 回火, 保溫8 h, 出爐空冷。

絲杠淬、回火過程控制要求: 設備、感應器調整完畢后, 裝夾工件, 按工藝參數范圍選擇一定參數進行試件淬火, 檢查試件的質量( 淬硬層深度、金相組織、表面硬度) 是否符合檢測要求規定; 試件淬火質量符合檢測要求后, 按試件淬火實際工藝參數對批量工件進行淬火; 對淬火后工件檢查變形量, 校直后進行回火; 對回火后工件檢查表面硬度、變形量, 變形量不合格件進行校直后再次回火處理, 直至變形量合格。

2) 質量檢測要求

滾道表面硬度: 用洛氏硬度計檢查, 硬度為58~ 63 HRC;

中心孔表面硬度: 用60 HRC 銼刀檢查, 銼檢硬度應為40~ 50 HRC。

滾道淬硬層深度: 滾道頂〉4 mm, 滾道底〉mm, 通常各部位加工余量為1 mm。成品最終淬硬層深度要求滾道底〉1 mm。

滾道淬硬層組織: 馬氏體( 1~ 5 級) + 殘余奧氏體+ 碳化物。

工件變形量: 〈 0. 4 mm/ 全長。

4. 5 時效去應力處理

1) 工藝: 使用300 % 低溫烘箱, 在140~ 160% , 保溫8~ 20 h, 出爐空冷。

2) 質量檢測要求: 變形量& 0. 1 mm/ 全長; 檢測工具: 檢測平臺、塞尺。

5 結語

目前, 國內各生產廠家廣泛采用上述方法進行選材與產品熱處理。這樣通過合理的熱處理設備和熱處理工藝, 滾珠絲杠的整體剛性、表面強度與耐磨性等使用性能要求可以有效保障。良好的內在性能配合高精度的磨削加工可保障滾珠絲杠尺寸精度和定位精度, 對應用該產品的機床精度提高提供有效保證。