金属切削机床常见研伤的原因与排除

优胜编程龚老师

金属切削机床常见研伤的原因与排除：



机床一些做相对滑动的零、部件，如滑板与导轨、轴与滑动轴承、蜗杆与蜗轮等在运转一段时间后，其表面上常常会出现划痕或沟槽，我们称这种现象为研伤。研伤破坏了机床的精度，影响了机床的使用寿命，若修理不及时，研伤产生的颗粒，还会加剧研伤，而研伤产生沟槽容易藏污纳垢，也会加剧研伤，严重时能使相互的滑动件中止滑动，产生咬死现象。研伤实质上就是非正常情况下的磨损，机床上常见的研伤，按产生的原因主要可分为两种类型：一种是粘着磨损型研伤，另一种是磨粒磨损型研伤。现就这两种类型研伤产生的原因、预防措施及修复方法，做些简单介绍。
　　
　　一、粘着磨损型研伤
　　
　　这种研伤是指磨擦副在相对运动时，由于互相磨擦，接触表面的材料从一个表面转移到另一个表面，致使磨擦表面产生了划痕与沟槽。
　　
　　1.粘着磨损型研伤的产生机理
　　
　　研究表明：固体表面状况，从微观的角度看是存在着凸凹不平的缺陷的，即使是经过抛光加工也不能完全消除凸峰和凹谷。当两个磨擦表面接触时，实际上是两个磨擦表面的凸峰相互接触。由于接触应力很大，以致产生弹、塑性变形，使接触面积增大，直到能够承受全部载荷时为止。在这种情况下，金属接触表面上将出现牢固的粘着点，这种现象就是通常讲的冷焊粘着。这些粘着点是在没有表面膜的情况下产生的，当磨擦副表面上有表面膜时，只受法向力作用，其冷焊粘着也是不会产生的。若同时有切向力的作用，且法向力和切向力都很大，并在做相对滑动时，磨擦表面的温度就会升高，在高温高压下，致使油膜破坏，接触的金属表面就会软化或熔化，接触点就产生粘着—撕脱—粘着—撕脱的循环过程，使接触表面的材料从一个表面转移到另一表面上，从而使其中一个表面（或两个表面）上形成划痕和沟槽，也就是形成粘着磨损型的研伤。
　　
　　2.粘着磨损型的研伤的分类
　　
　　根据磨擦副表面研伤的破坏程度，我们可将机床上常见的粘着磨损型研伤划分为四类：
　　
　　（1）涂抹研伤仅发生在软金属浅层表面，被研伤的软金属薄层以涂抹的方式，转移到硬金属表面上，例如：蜗杆副运行一段时间后，蜗杆表面上的铜涂抹在蜗杆表面上。
　　
　　（2）擦伤研伤发生在软金属表面表层以下较浅的部分，破坏方式是沿运动方向产生细小划痕，有时硬金属表面上也有可能划伤。最常见的是在机床运行初期、轴和滑动轴承处于摩合期的磨损。
　　
　　（3）胶合（或称撕脱）研伤发生在相互磨擦的两个零件的一方或两方的基体较深处，由于表面局部温度高，压力大，使粘着结合强度任一基体金属剪切强度，当磨擦副做相对滑动时其表面做一日和尚撞一天钟产生撕脱性破坏，出现胶合性研伤。如凸轮副、蜗杆副、齿轮副，较为常见；机床的滑板与导轨在缺乏润滑油而导致干磨擦时，也常会产生此类研伤。
　　
　　（4）咬死当磨擦副表面瞬时闪发的温度相当高、粘着区较大、粘着点的强度也相当高，粘结不能从基体上剪切掉，以致造成相对运动中止的现象。咬死是研伤中最严重的一种。例如轴与滑动轴承当润滑不良而出现的“抱轴”，大都会产生这种研伤；大型机床的导轨缺油引起的大面积研伤也会产生咬死。
　　
　　3.粘着磨损型的研伤的影响因素及预防措施
　　
　　影响此类研伤的因素很多，我们可以针对这些因素采取相应措施，来预防其产生和发展。
　　
　　（1）润滑油脂的因素润滑状态对粘着磨损型研伤影响极大，只要磨擦表面始终保持足够强度润滑膜，避免磨擦表面之间金属的直接接触表面而形成干磨擦或半干摩擦，就可以有效防止和控制粘着磨损型研伤的产生和发展。在影响此类研伤的各种因素中，确保摩擦表面的良好润滑是最重要的因素。润滑油中加入油性或粘度添加剂，能提高润滑油膜吸附能力及油膜强度，可成倍提高抗研伤的能力。
　　
　　（2）压力因素粘着磨损型研伤，一般是随着压力的增大而增加。当压力负荷超过摩擦副材料硬度的一定值时，摩擦副表面氧化膜被压溃，两表面之间新生面的凸出点互相嵌入，相对移动时，会使此类研伤急剧增加，严重时会导致摩擦副表面胶合，甚至咬死。所以使用机床时，工作台、滑动导轨要避免超负荷运行，如龙门刨床、铣床、镗床等在工作台上装夹工件，既要分布合理，又不要超重。机床在大修理时，其导轨进行淬火处理，对预防此类研伤也有很大效果。
　　
　　（3）温度的因素温度对产生粘着磨损型研伤影响也很大。在摩擦过程中所产生的热量，使摩擦表面的温度升高到一定程度后，轻者，破坏润滑膜，使金属表面直接接触而形成干摩擦或半干摩擦；重者，能使材料处于回火状态而降低材料硬度；更重者，局部区域能使摩擦表面的材料处于熔化状态。这些都将促使此类研伤的产生。选用热稳定性高的材料或加强冷却等措施，是防止因温度而导致粘着磨损型研伤的有效方法。
　　
　　（4）滑动速度的因素在压力一定的情况下，滑动速度小，形成润滑油膜的作用就减小，油膜厚度较小，油膜常因承受不了运动件的压力而部分破坏，造成两金属直接接触，容易导致研伤。但滑动速度大到一定程度时，使摩擦副的温度升高，易破坏润滑油膜，也容易导致研伤，所以选择合适的滑动速度可以降低产生粘着磨损型研伤的倾向。
　　
　　（5）表面粗糙度的因素一般说来，摩擦副表面粗糙度越小，抗粘着磨损型研伤的能力就越大，适当降低表面粗糙度可防止此类研伤，对于新机床，常常采用逐渐加载跑合运行，目的就是降低表面粗糙度，以减少早期产生粘着磨损型研伤。但摩擦副表面粗糙度降得过低，润滑剂不能储存于摩擦面之间，又易导致研伤，所以当机床导轨上的花纹被磨损后，在保养机床时，常常重新在上刮上花纹，目的是便于储油，预防研伤。
　　
　　（6）材料的因素脆性材料比塑性材料的抗粘着磨损能力强；互溶性大的材料所组成的摩擦副比互溶性小的材料所组成的摩擦副，更容易产生磨损型研伤；金属与非金属组成的摩擦副比两种金属所组成的摩擦副产生此类研伤的倾向小。检修机床时，可采用非金属涂层修复滑板导轨、轴和套采用不同材料，或对轴进行表面处理工艺等，减小产生粘着磨损型研伤。
　　
　　二、磨粒磨损型研伤
　　
　　这种研伤是指污染进入两摩擦表面间的硬颗粒，在表面运动时所起的显着切削作用，致使磨擦表面产生划痕和沟槽。
　　
　　1.磨粒磨损型研伤的产生机理
　　
　　硬颗粒进入两摩擦表面之间后受到两个力的作用，垂直于表面与平行与表面的力。硬颗粒在前者作用下刺入表面，而在后者作用下产生切向运动，这就导致表面被犁皱或切削，留下划痕和沟槽，即研伤。
　　
　　2.磨粒磨损型研伤的分类
　　
　　（1）磕碰引起的比如机床的导轨，受到工件或工具等物品高应力的磕碰后，导轨的表面将出现凹坑，而凹坑的周围同时会出现凸起或毛刺。如不及时修理，当滑板在导轨上滑动是时，导轨上的凸起或毛刺，势必将滑板研伤。
　　
　　（2）硬颗粒两摩擦面之间引起的比如切屑或型砂进入机床的导轨与滑板之间，将形成典型的磨粒磨损型研伤：切屑或型砂在垂直的压力下，压溃导轨或滑板表面，移动时便将导轨或滑板研伤。
　　
　　（3）污物进入摩擦面之间引起的比如污垢通过润滑油进入摩擦面之间，虽然不会压摩擦表面，但能改变摩擦表面的接触状况，由于污垢的支承，与污垢接触位置承受的压应力增大，长时间运行后，势必使摩擦表面产生擦伤或微小的划痕。
　　
　　3.磨粒磨损型研伤的预防
　　
　　（1）首先要防止摩擦副表面磕伤碰伤比如不在机床导轨上堆放工具、量具、工件等杂物，其次是摩擦副表面发生磕碰伤后要及时修理，比如对产生的凸起和毛刺，要用油石或刮刀及时修平，防止研伤摩擦表面；对出现的凹坑要尽可能修补，防止凹坑内藏污纳垢，给研伤留下隐患。
　　
　　（2）设防和配置护罩，防止如切屑、型砂等硬颗粒进入摩擦表面间，一旦发现硬颗粒或杂物进入摩擦面之间，应立即排除，防止研伤产生或扩展。
　　
　　（3）按时保养机床，及时清除导轨、滑板、油孔其及死角的污物油垢，防止污物进入摩擦表面之间，形成磨粒磨损型研伤。
　　
　　三、研伤的修复
　　
　　机床的摩擦副一旦发生了研伤，就必须立即停止运行，找出原因，研伤的程度，采取不同措施。一般来说，对涂抹一类的研伤，可以不做修复，但要加强润滑，防止扩展；对擦伤（包括污物引起的擦伤），要清除污物，并用油石或刮刀将擦伤部位修平后，可继续运行：而对胶合、咬死及硬颗粒引起的研伤，则必须进行修复。现在就常见几种摩擦副的研伤修复便有些简单介绍：
　　
　　1.滑动轴承与轴的修复
　　
　　（1）滑动轴承表面被研伤后，首选的修复方案应是刮石匠方法修复。一般来说，滑动轴承都留有可供调整和修理的余量，可以满足机床的一个修理周期。如果研伤十分严重，修理余量不能满足，就需要考虑更换了。两半瓦式滑动轴承研伤后，可以减薄垫片重新组装后，刮研轴瓦内孔要求精度，修复后继续使用。
　　
　　（2）当轴颈有研伤后，可采用磨小轴颈、更换滑动轴承的方法。但轴颈修磨不宜太大，比如机床主轴，修磨量不宜超过轴颈表面淬火，或者渗碳、氮化、氰化的厚度、修磨后轴颈表面硬度不得低于原设计硬度的下限；对于传动轴来说，轴颈不应小于装配时在装配方向前端轴颈或凸台的尺寸。
　　
　　如果用焊补的方法来修复轴颈，那么要考虑焊补加热过程对轴的几何精度、机械强度及表面硬度的影响。轴颈修复后，一般都需要按轴颈重新配做滑动轴承（或称轴套）。
　　
　　2.机床导轨的修复
　　
　　对于机床导轨的轻微研伤和擦伤，只要用乔刀或油石修复，即可继续运行。而对胶合性研伤，则需要用焊补或充填粘补的方法来修复，即便是较大面积的研伤，只要保留较大部分完好的导轨面，也可以用此类方法修复。待到机床三令五申俚，再采用精刨、精磨或粘板、镶板等方法修复。
　　
　　对机床导轨研伤的焊补与粘补，相对说来工艺比较复杂一些，特别是大面积研伤的修复，施工前更应考虑细致一些；首先要考虑所采用的修复工艺对导轨的精度、机械性能有否影响，比如焊补和粘补大都需要加温，那么工艺过程中的温度是否会引起导轨变形，是否会改变导轨的机械强度和表面硬度等。第二，要考虑所采用的修复工艺对导轨材料的适应性，比如铸铁材料的导轨一般不采用铸铁堆焊，因铸件的可焊性差，易产生裂纹、气孔等缺陷，且加工也困难。工艺过程温度高（指气焊），易引起导轨变形等。第三要考虑修补层本身的机械强度与导轨实际工作环境。比如，我们同样用锡铋合金堆焊修复4m龙门刨床导轨和T68镗订导轨，由于前者导轨润滑条件好，已使用20年了，情况仍然良好；而后者由于润滑条件差、工作环境差，仅三年就脱落完了。总之要尽可能使修补层满足一定的使用周期。
　　
　　在机床大修理时，对导轨一般是采取如下两种方法修复：首先把床身导轨进行精刨、精铣或精磨，将研伤修平，根据床身导轨修去的尺寸以及滑板的磨损情况，或者更换滑板，或者在滑板导轨上粘接其他补偿材料，比如聚四氯乙烯软带，环氧类耐磨涂料、镶尼龙板或金属板等，以补偿尺寸链另一种方法就是在精加工后的床身导轨上镶上预先热处理过的钢导轨或淬硬钢带。