使用高残余奥氏体含量材料开发重载驱动用长寿命滚珠丝杠

自19世纪60年代以来，滚珠丝杠一直用作机床及半导体制作装备中高精度定位台的致动器；当今，滚珠丝杠也用于需要高推力的场合，以利用滚珠丝杠的高功率转换效率。代表性的高推力应用是电动模注机，滚珠丝杠用于驱动注射单元，以将熔化的树脂喂入模具中并驱动夹持单元夹紧模具。注射单元的滚珠丝杠受到高达100～150 t的重载。

近年来已开发出注射速度超过1 m/s的电动模注机，以便能模注薄壁精密件，如手机及小型台式机的液晶板光导片及电池壳。然而，最近改进注射速度的技术研发一直处于停滞状态，且作为一种有利于汽车电气化及减重技术的零件的树脂模注成形受到关注。在日常生活必需品(如食物容器)领域，为降低成本，也一直在追求高循环速率以改进生产率。

为了响应提高电动模注机生产率及模注零件多元化的技术趋势，改进重载驱动用滚珠丝杠的承载能力并延长其额定寿命尤为重要。为了延寿及提高承载能力，一般通过增加球径及承载球数，使沟曲率半径接近球径等措施来优化设计。然而，当滚珠丝杠在高速下工作时，因质量及速度同步提高，球的动能显著增加。因此，对球循环零件的冲击变得更严重，且噪声水平增加；另外，还会涉及由增加的滑动摩擦产生的异常发热及由接触椭圆跨越沟道肩部产生的早期失效。Inaba等优化了球循环回路的布局，以均等球载荷分布并减少任意单个球承受的最大载荷，因而延长疲劳寿命。无论如何，考虑到模注机的现代发展趋势，若通过这样的常规设计方法实现长寿命，势必使一般机器用滚珠丝杠的尺寸变得太大。

相比之下，为了延长滚动轴承的疲劳寿命，提高承载能力，成功进行了轴承材料及其热处理技术的优化并取得了进步。这些均归功于对各种工况(如外加载荷、工作速度、润滑及温度)下滚动失效的特征及形式进行的明确分析。基于寿命试验，Shimoda等对滚珠丝杠的滚动疲劳失效特征及形式进行了分类，但该试验中外加载荷、工作速度及滚珠丝杠的技术参数与当今的电动模注机不同。

因此，为了通过材料及其热处理技术的进步来开发长寿命及高承载能力的重载驱动用滚珠丝杠，在等同于实际模注机工况的条件下进行了试验。根据对寿命试验结果的分析，开发思路是在保持滚珠丝杠材料合适硬度的同时增加残余奥氏体含量γR；通过考虑球载荷分布及应力循环次数，也研究了滚珠丝杠的哪个零件应加强；最后，生产出全尺寸重载驱动用滚珠丝杠的样机并在重载条件下进行耐久性试验。

一、重载驱动用滚珠丝杠的耐久性试验

据报道，在机床滚珠丝杠中，由于严重不良的润滑条件或外来物污染导致沟道及球表面磨损，从而使定位精度下降。另一方面，在电动模注机类的重载用滚珠丝杠中，因磨损产生的失效极少发生，常因长期使用后沟道或球表面发生鳞剥或剥落而失效；即使在较短的工作期间，一旦在部分沟道表面发生鳞剥或剥落，则损伤沿沟道表面迅速扩展，最终导致滚珠丝杠失效。

本文基于滚动轴承的滚动疲劳失效分析，评估了重载驱动用滚珠丝杠的失效机理；另外，采用常规滚珠丝杠疲劳寿命试验分析了球载荷分布及应力循环次数对滚动疲劳失效的影响。

1、 滚珠丝杠的失效分析

基于滚动接触疲劳起源的滚动轴承滚动接触疲劳失效模式的概览如图1所示。众所周知，失效模式取决于润滑条件，可分为表面起源型和次表面起源型。次表面起源型常发生在充分润滑条件下，滚动接触产生的最大切应力存在于表面下某个特定深度。材料不可避免地存在缺陷，如非金属夹杂物等；处于高应力区的非金属夹杂物促进金属疲劳过程并成为疲劳源。表面起源型常发生于油膜厚度不足的不良润滑条件下或碎屑污染条件下。在这些条件下，由滚动体与滚道之间滑动引起的高切向力作用于滚道表面，因此疲劳在金属表面发展并形成裂纹。尤其是在滚道表面存在压痕的情况下，压痕边沿的应力集中会局部加速该处的金属疲劳。

图1 滚动轴承疲劳失效类型

大量的滚珠丝杠寿命试验分析表明：常规滚珠丝杠的重载寿命试验常导致图2所示的表面起源型剥落，滚珠丝杠的试验条件也如图2所示。在图2a中观测到沟道表面有许多小的剥落损伤结构，类似于图1中的鳞剥，靠近小剥落损伤部位的磨痕因磨损而消失。寿命试验证实，在破坏的滚珠丝杠中，球之间未镶嵌树脂隔离片；这些结果暗示由于球相对低的表面粗糙度及相邻球的滑动摩擦，导致大的切向力作用于沟道表面，促进了沟道表面疲劳。滚珠丝杠沟道表面粗糙度一般差于常见轴承的表面粗糙度，因此可认为这种现象易于发生在滚珠丝杠中。

图2 重载驱动用滚珠丝杠中的滚动疲劳失效

在图2b的情况下，典型的剥落发生在压痕近邻，与球轴承的剥落十分相似，压痕也影响应力集中的位置，促进压痕边沿的疲劳。与球轴承相比，由于螺母滑动而使滚珠丝杠的润滑剂易于被碎屑污染。另外，丝杠及螺母的螺旋形沟道强制球垂直于磨痕的方向运动。据了解，一般经受表面起源型剥落的滚珠丝杠寿命短于经受次表面起源型剥落的滚珠丝杠寿命。相应地，由于滚珠丝杠的特征，损伤一般呈现为沟道的表面起源型剥落。

2、滚珠丝杠中的失效部位

前节研究了重载驱动用滚珠丝杠的失效模式，发现主导失效模式是起源于表面的鳞剥，估计这种现象是由于滚珠丝杠结构特征所带来的滑动及磨粒污染。因而，本节解析了重载驱动用滚珠丝杠载荷应力及应力循环次数对沟道表面滚动接触疲劳失效的影响。

在一般的滚珠丝杠中，因为存在球循环回路，有效螺纹头数比常为ζ=2.5或3.5。因此，当作为球循环回路的同相侧螺纹头数ζ1与反相侧螺纹头数ζ2相比时，差值ζ2-ζ1=1.0转。当具有图3所示的上下相之间螺纹头数差时，在ζ=2.5的情况下，球载荷分布在x=±l/2=±5 mm的位置处于最大值，偏离载荷区中心半个导程。当在图3所示的载荷条件下进行寿命试验时，在螺母沟道上先发生滚动疲劳失效的试样数N=12。这些螺母沟道表面的研究结果如图4所示，剥落失效位置偏向包括x=±5 mm位置的区域，该处的载荷分布最大，因此发现滚珠丝杠的滚动疲劳失效与载荷应力大小有关。

图3 球载荷分布

图4 螺母失效数与球位置的关系

应力循环次数与丝杠及螺母沟道表面的关系和滚珠丝杠单向行程中承受应力沟道的长度如图5所示。滚珠丝杠中，螺母沟道上的应力循环次数uN与行程St成正比增加，且承受应力沟道的长度l0N恒定。另一方面，丝杠承受应力沟道的长度l0S与St成正比增加，但当St大于有效螺母长度ζξl时最大应力循环次数uSmax保持恒定。在寿命试验中用fs=St/ζξl=2.4分别得到uS=25.2及uN=45.7，因此螺母沟道承受约为丝杠2倍的应力。

图5 应力循环次数与承受应力沟道的长度的关系

寿命试验数据中，丝杠沟道失效的试样数量N=6，螺母沟道失效的试样数量N=12，因而可发现失效位置与应力循环次数有关，尽管不能排除质量波动的影响。

注意uSmax和uN分别表示为

图片6 (1)

图片7 (2)

得到

图片8 (3)

式中：Z为承载球数；γm为球中心导角；dS及dN分别为通过球与丝杆及球与螺母接触点的螺旋线直径；γRS及γRN分别为接触点导角；γΣS为球公转方向与滚珠丝杠沟道方向间的夹角。

二、 滚珠丝杠材料耐久性的改进

为了改进材料表面耐久性，有效方法是增加材料表面的残余奥氏体含量γR。Murakami等开发了通过增加材料表面的γR来大幅提高污染条件下滚动轴承疲劳寿命的技术，这是因为高的γR能改进金属组织的塑性变形能力，降低压痕边沿的应力集中而延迟表面疲劳的局部扩展。此外，高γR材料中，在表面及次表面疲劳过程中会发生显微组织相变，可延迟疲劳的进展。

1、 通过增加γR延长滚动疲劳寿命 增加材料γR可有效延迟由整个表面上切向力引起的滚动疲劳及由压痕边沿应力集中引起的滚动疲劳，2种疲劳机制的影响因素可归之于作用在材料表面的应力。无论如何，当材料的γR过度增加时，表面硬度会下降，耐久性反而变差。因此，为了通过平衡高γR与合适硬度来提高材料表面耐久性，试验了具有不同γR的试样的滚动疲劳寿命及表面硬度。

为了评估材料表面的滚动疲劳寿命，对具有不同γR的试样进行了球-棒寿命试验。试验布局及结果如图6所示。通过在棒与外圈之间嵌入未经精研的球，增加球与棒之间的切向力。通过这种试验方法可再现由材料表面滚动疲劳引发的鳞剥失效。试验材料表面耐久性和材料γR与常规滚珠丝杠材料平均残余奥氏体含量γR0之比γR/γR0成正比增加，例如当γR/γR0=2时, 额定寿命L10为常规材料的3倍或更长，如图6所示。

图6 滚珠丝杠材料残余奥氏体含量γR与额定寿命L10之间的关系

γR与表面硬度的关系如图7所示。由图可知，在1<γR/γR0<3.5的区间内可获得令人满意的表面硬度(≥700 HV)，在其他区间则硬度下降。因而，为了通过增加材料γR得到较长的滚珠丝杠寿命，有必要控制热处理质量以得到1<γR/γR0<3.5。无论如何，因为常规产品的热处理质量特征不同于试样，在γR/γR0<1的区间内，硬度合适。

图7 滚珠丝杠材料残余奥氏体含量γR与表面硬度之间的关系

另外，评估了高γR材料中压痕边沿应力集中对滚动疲劳的影响。Chiu等研究了起源于划伤、压痕等缺陷引起的表面裂纹处的疲劳机理，并揭示了由表面裂纹引发的滚动疲劳寿命取决于缺陷处的应力集中。根据该研究，沟道表面接触应力p0与最大切应力τc之间的关系为

图片9 (4)

式中：a1=0.22; a2=-0.24; C0为压痕严重度参数，使用压痕边沿半径r及压痕间距2c确定，即

图片10 (5) 式中：E′为等效弹性模量，对于钢E=20 600 MPa，ν=0.3, 则E′=35 560 MPa。 因而，高γR材料及常规材料的p0与τc之间的关系如图8所示，可证实γR/γR0=2时的τc与常规材料相比下降23%，因为当γR增加时压痕边沿变得更平滑。换句话说，通过增加材料表面γR可延长由于压痕边沿应力集中造成的滚动疲劳寿命。

图8 滚珠丝杆材料由滚动接触在压痕边沿产生的最大切应力

2、滚珠丝杆零件最佳γR的评估

上节通过增加材料γR得出如下结论：

1)因为表面及次表面疲劳过程中发生相变，延迟了疲劳进展；

2)由于改进了金属组织的塑性变形能力而使压痕边沿应力集中下降，可延迟压痕边沿处的疲劳快速进展。试图使用以上效应改进重载驱动用滚珠丝杠的耐久性。

为了在长滚珠丝杠材料中获得高γR及合适硬度，需先进的热处理控制技术。例如对滚珠丝杠进行渗碳淬火热处理时，若将丝杠及螺母同时放入渗碳炉进行处理，则生产效率更具优势。无论如何，因为丝杠与螺母在尺寸及形状上差别很大，不易控制热处理以在两者中得到增加的γR及合适硬度。因而，从生产效率考虑，更合理的是分别进行热处理，以便丝杠及螺母均具有最优质量，即增加的γR及合适硬度。试图根据1.2节的接触应力及应力循环次数的分析结果来估计丝杠及螺母的最佳γR。

根据图6所绘数据的线性回归，由于γR增加带来的表面起源型滚动疲劳寿命的变化比率K表示为

图片11 (6)

考虑到由于球载荷分布决定的螺母的失效位置，则沟道表面的滚动疲劳寿命与接触应力的9次方成正比，且丝杠及螺母中发生失效的频率与应力循环次数成正比。因此对于丝杠及螺母沟道表面，变化比KS及KN可表示为 图片12 (7)

根据以上方程，KN/KS与行程系数fs的关系如图9所示，图中数据点从电动模注机实际使用的20例滚珠丝杠获取，fs<2区间内的点代表注射单元应用，fs>2区间内的点代表模具夹紧单元应用。在注射单元应用中，螺母沟道上应力循环次数少于丝杠，因此接触应力对滚动疲劳寿命占主导地位，KN/KS变大。另一方面，在夹紧单元应用中，因螺母沟道上应力循环次数增加，KN/KS减小。再者，当fs>4.8时，KN/KS<1。

图9 KN/KS与行程系数fs的关系

根据(6)式及图9，寿命变化比(KS及KN)可通过丝杠及螺母的残余奥氏体含量(γRS和γRN)表示为

图片13 (8)

各种寿命变化比时丝杠及螺母沟道表面残余奥氏体含量与行程系数的关系如图10所示。丝杠所需的γRS相对于fs为常数；螺母所需的γRN随着fs的增加而增加。在fs=2时，假如γRS增加至常规丝杠γR0的约1.5倍，丝杠寿命KS=2；另一方面，即使γRN与γR0相当，螺母寿命KN=2。换句话说，假如滚珠丝杆仅用于注射单元(fs<2)，与γR0相比，仅需增加γRS即可；但假如用于模具夹紧单元(fs>2)，γRN可小于γRS，但要大于γR0。

图10 丝杠及螺母沟道表面所需残余奥氏体含量与行程系数的关系

三、高γR材料滚珠丝杠额定寿命的评估

为了评估高γR材料滚珠丝杠的额定寿命，滚珠丝杠按实际应用的型式及尺寸进行批量生产。重载耐久性试验用滚珠丝杠的技术参数如图11所示。丝杠及螺母沟道表面的残余奥氏体含量分别为γRS/γR0=2.6, γRN/γR0=2.2。根据(8)式，丝杠的寿命变化比KS为常规产品的4.4倍。另一方面，当fs=2时，螺母的寿命变化比KN为6.7倍；当fs=4.8时，KN为3.3倍。

图11 重载耐久性试验用滚珠丝杠的技术参数

试验条件见表1。考虑到为了应对模注零件的多样化，发展趋势是增加电动模注机的推力，很有可能是增加滚珠丝杠的驱动载荷。在新开发产品中使用高γR材料提高耐久性。相应地，评估滚动疲劳寿命时将轴向载荷设置为Fa=300 kN，其为所选型号滚珠丝杠的许用轴向载荷，该型号滚珠丝杠的尺寸大于高γR材料试验用滚珠丝杠。试验滚珠丝杠中球与丝杠沟道表面间的接触应力分布如图12所示，最大接触应力pSmax=2 820 MPa。用于疲劳寿命评估的重载耐久性试验机如图13所示，试验及加载的2个滚珠丝杠相互反向布置。当力矩载荷TL施加于加载滚珠丝杠的丝杠时，沿试验滚珠丝杠螺母运动方向的相反方向产生轴向载荷Fa。

图12 重载耐久性试验的球载荷分布

图13 重载耐久性试验机

表1 重载耐久性试验条件

9根滚珠丝杠疲劳寿命数据的Weibull分布如图14所示，丝杠及螺母材料具有增加的γR。图14中的水平轴单位为与额定寿命L'10的比值，L'10为由13根常规滚珠丝杠的疲劳寿命数据估计出的额定寿命。因而，可证实：与常规滚珠丝杠的额定寿命L'10相比，高γR材料滚珠丝杠的额定寿命L10提高了3.1倍，高γR材料滚珠丝杠的最短额定寿命（L10/L'10=2.9）因球表面失效引起。另一方面，在L10/L'10≤2.9的区间内，初始失效是因为常规滚珠丝杆的丝杠及螺母沟道表面滚动疲劳引起；因为沟道表面的耐久性低于球表面，初始失效部位偏向沟道表面，原因可能是球循环使部分球脱离载荷区而导致球表面的应力循环次数少于沟道表面。因而，可估计：高γR材料滚珠丝杠的使用寿命由球表面疲劳失效决定，球表面耐久性相对较低是因为通过提高γR改善了沟道表面耐久性。

图14 重载耐久性试验的Weibull分布

在高γR材料滚珠丝杠中，因丝杠滚道表面滚动疲劳失效产生的最小寿命为L10/L'10=4.9， 与将γRS量代入(8)式估计出的滚珠丝杆疲劳寿命变化比KS相比，该结果合理。另外，在高γR材料滚珠丝杠中，初始疲劳失效并未发生在螺母沟道表面。因而，尽管数据量不够大，但可表明本报告中示出的残余奥氏体含量γR及寿命变化比KS或KN合适。

四、结束语

为了响应现代电动模注机提高生产效率及模注零件多样化的发展趋势，开发了新型重载驱动用长寿命滚珠丝杠。通过分析重载寿命试验中沟道表面的滚动疲劳失效模式得出结论：增加材料表面γR可有效减轻金属疲劳，延迟表面裂纹发生。对具有不同γR的试样进行了疲劳寿命试验及硬度试验，并对球载荷分布和丝杠及螺母沟道表面的应力循环次数进行了解析研究，因此推导出评估最大化滚珠丝杠寿命以及热处理效率所需的丝杠和螺母沟道表面的最佳γR的方法。另外，根据在高于常规水平的载荷下所进行的寿命试验证实，高γR材料滚珠丝杠的额定寿命为常规产品的3倍以上。通过应用本文所述技术，NSK已将这种驱动用长寿命S-HTF系列滚珠丝杠商品化。