丝杠热处理工艺及热处理设备选择

丝杠是各类机床上的关键传动件, 是将旋转运动转变为直线运动或将直线运动转变为旋转运动的传动、定位功能部件。机床丝杠主要有梯形丝杠和滚珠丝杠2 大类。其中滚珠丝杠传动效率高, 动作灵敏,进给均匀平稳, 低速无爬行, 定位精度与重复精度高,使用寿命长, 广泛应用于数控机床与加工中心。

1 服役条件和性能要求

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。

2 选材

根据前面所述工件的服役条件和性能要求, 我们可以选择表面硬化钢( 如20CrMo、20CrMnTi 等)进行表面渗碳淬火; 也可以选用轴承钢( GCr15、GCr15SiMn) 或合金工具钢9Mn2V 采用球化退火或调质处理作为预先热处理, 然后在工作部位进行表面淬火, 这样既可满足整体性能要求, 又能保证工作部位高硬度、高强度和足够的耐磨性要求。

采用前1 种方案, 虽然工作部位硬度、强度和耐磨性能够满足产品要求, 但工件整体强度不如后1种, 特别是针对承载较大的大直径丝杠, 采用后1种方案可提高丝杠疲劳强度。但由于合金工具钢9Mn2V 过热敏感性大, 工艺性能不如轴承钢, 因此,最好采用GCr15 材料。

3 合理安排冷、热工序, 编制加工工艺路线由于采用GCr15 钢表面淬火作为最终热处理

工序, 必须在淬火前作好原始组织准备。根据GB/T18254 ∀ 2002 高碳铬轴承钢、JB/ T 1225 ∀ 2001高碳铬轴承钢滚动轴承零件热处理技术条件规定, 确定球退或调质作为材料预先热处理。从加工过程冷热工序的配合及尺寸、精度控制方面考虑, 必须在相应阶段进行去应力处理。因此,我们可将滚珠丝杠加工工艺路线进行如下安排:

备料#球化退火#机加工( 粗车) # 调质处理#去应力退火( 高回) # 工作面表面淬、回火# 机加工( 粗磨) # 时效去应力处理#机加工( 精磨) 。

4 热处理工艺分析及质量检测

4. 1 球化退火

可采用井式电阻炉进行球化退火, 为尽量减少变形, 在常温下批量集中吊挂装炉, 每炉约400~ 600 kg 左右; 退火温度为( 800±10) % , 保温4~ 6 h; 保温结束, 以〈30 % / h 速度

缓慢降温至( 720 ±10) % , 保温6~ 8 h; 保温结束,随炉冷却至500 % 以下, 将工件出炉空冷。退火后应进行质量检验, 用布氏硬度计检验硬度,要求在179~ 207 HBS; 还应用大型工具显微镜, 切片检查, 要求球状珠光体应为2~ 4 级; 最后用滚轮托架、百分表检查变形量, 要求全长变形量〈 1-5 mm。

4. 2 调质处理( 选择进行)

使用和球退相同的加热设备和装炉方法, 在( 850±10) % , 保温2 h, 油冷; 然后在( 680±10)%回火, 保温3~ 4 h, 空冷。调质后要用布氏硬度计测定硬度, 要求为235- 265 HBS; 还要用滚轮托架、百分表检验变形量，要求不大于1-5 mm/ 全长。

4. 3 去应力退火

仍然用以上井式电阻炉,( 560±20) % , 保温2~ 3 h, 保温结束, 随炉冷却至500 % 以下, 将工件出炉空冷。此时就应进行变形量检测, 要求不大于0. 5 mm/全长。

4. 4 工作面表面( 滚道) 和加工面(中心孔) 淬、回火

1) 工艺

首先对丝杠滚道进行淬火, 应制作与导轨外形尺寸相匹配的淬火感应器, 使用频率为2��� 5 kHz 感应淬火机床, 其工艺参数为输出功率( 75±5) kW，连续淬火的移动速度为6~ 7 mm/ s。

其次对丝杠中心孔进行淬火, 用氧气���乙炔火枪,在目测800~ 850 % 加热水冷淬火。然后用氧气- 乙炔火枪仍用目测在300~ 400 % 加热15 s 先回1 次火。

最后将丝杠在300 % 低温烘箱中, 进行( 160 ±20 ) % 回火, 保温8 h, 出炉空冷。

丝杠淬、回火过程控制要求: 设备、感应器调整完毕后, 装夹工件, 按工艺参数范围选择一定参数进行试件淬火, 检查试件的质量( 淬硬层深度、金相组织、表面硬度) 是否符合检测要求规定; 试件淬火质量符合检测要求后, 按试件淬火实际工艺参数对批量工件进行淬火; 对淬火后工件检查变形量, 校直后进行回火; 对回火后工件检查表面硬度、变形量, 变形量不合格件进行校直后再次回火处理, 直至变形量合格。

2) 质量检测要求

滚道表面硬度: 用洛氏硬度计检查, 硬度为58~ 63 HRC;

中心孔表面硬度: 用60 HRC 锉刀检查, 锉检硬度应为40~ 50 HRC。

滚道淬硬层深度: 滚道顶〉4 mm, 滚道底〉mm, 通常各部位加工余量为1 mm。成品最终淬硬层深度要求滚道底〉1 mm。

滚道淬硬层组织: 马氏体( 1~ 5 级) + 残余奥氏体+ 碳化物。

工件变形量: 〈 0. 4 mm/ 全长。

4. 5 时效去应力处理

1) 工艺: 使用300 % 低温烘箱, 在140~ 160% , 保温8~ 20 h, 出炉空冷。

2) 质量检测要求: 变形量& 0. 1 mm/ 全长; 检测工具: 检测平台、塞尺。

5 结语

目前, 国内各生产厂家广泛采用上述方法进行选材与产品热处理。这样通过合理的热处理设备和热处理工艺, 滚珠丝杠的整体刚性、表面强度与耐磨性等使用性能要求可以有效保障。良好的内在性能配合高精度的磨削加工可保障滚珠丝杠尺寸精度和定位精度, 对应用该产品的机床精度提高提供有效保证。