Влияние на температурата върху производителността и живота на сферичните винтове

Като основен компонент на полетата за прецизно предаване, сферичният винт влияе пряко върху точността на работа на машинни инструменти с ЦПУ, индустриални роботи и т.н. При екстремни температурни условия механичните свойства, характеристиките на термична деформация и процесът на стареене на материала на сферичните винтове ще се променят значително. Комбинирайки науката за материалите, термодинамиката и трибологията, ефектът на температурата върху работните параметри, режимите на отказ и експлоатационния живот на сферичните винтове е систематично анализиран в тази статия.
1. Пряко влияние на температурата върху механичните свойства на материалите
1.1 Влияние на температурата върху якостта и твърдостта
С повишаване на температурата модулът на еластичност на стоманата намалява нелинейно. Експерименталните данни показват, че разликата между крайните натоварвания и натоварванията на провлачване на сачмено-винтовия винт M24 е намаляла с 93%% от 30 kN 2 kN kN стайна температура, когато температурата на околната среда надхвърли 300 градуса C. Тази промяна се дължи на факта, че високата температура отслабва сцеплението между атомите, което води до намаляване на устойчивостта срещу изкривяване на решетката. За дизайна на сферични винтове с предварително натоварване, аксиалната коравина намалява с приблизително 8%-12% с всяко увеличение от 50 градуса, което пряко засяга повторяемостта на позиционирането.
1.2 Внезапна промяна в капацитета на пластична деформация
При критични температури (обикновено 400-500 градуса), пластичността на материала се увеличава необичайно. Например площта на азотираната стомана 38CrMoAlA намалява с 55% при стайна температура, увеличавайки се до 68% при 450 градуса. Това увеличаване на пластичността е придружено от ускорено пълзене, което води до необратимо удължаване на винтовете при постоянно натоварване. Казус от производствена линия за автомобили разкри, че сферичният винт се е промъкнал до 0,003 mm на ден при околни температури от 40 градуса по Целзий, което е довело до кумулативна грешка от повече от 0,2 mm за три месеца, задействайки защитните изключвания на устройството.
1.3 Инженерни последици от коефициентите на термично разширение
Разликата в коефициентите на топлинно разширение между компонентите на сферичния винт води до сложно поле на напрежение. Комбинацията от стоманен винт (= 11.5 × 10-6 градуса) и гайки от медна сплав (= 17 × 10-6 градуса) доведе до разлика в аксиалното изместване от 0,027 mm при температурен градиент от 50 градуса C. Това несъответствие води до 35%-40% намаляване на предварителното натоварване, водещо до блокиране в системата за циркулация на сачмата. Според един авиационен производител подобни повреди при термичен стрес представляват 22% от повредите на сферичните винтове.
2. Ефект на температурата върху трибологичните характеристики
2.1 Ключови промени в ефективността на смазочния материал
Конусното проникване на грес се увеличава експоненциално с температурата. За смазката на-базирана литий нейният работен вискозитет пада до една-пета от стайната температура при 80 градуса C, а дебелината на масления филм намалява от 2 μm до 0,4 μm. Промяната увеличава коефициента на контакт от 12% на 47% и коефициента на триене от 0,008 на 0,035. Тестовете, проведени от производител на полупроводниково оборудване, показаха, че повредата в смазването увеличава работния въртящ момент върху сферичния винт с 220%, задействайки защитата от претоварване на двигателя.
2.2 Температурно-преходи в режим на износване
Високите температури променят основния механизъм на износване. счупването от умора е основната причина при стайна температура, докато окислителното износване става забележимо при 150 градуса. При 300 градуса повърхността на винта на винта образува Fe3O4 оксиден слой с дебелина 0,5-1 микрона. Въпреки че този слой (HV650) е по-твърд от субстрата (HV280), неговата крехкост води до по-големи и по-големи разцепващи се частици (3-5 пъти по-големи). Тези твърди частици предизвикват абразивно износване на три тела в циркулационната система, което намалява живота на винта с 60%-70%.
2.3 Динамично затихване при предварително натоварване
Температурните колебания могат да причинят периодични промени в предварителното натоварване. За сферично-винтовата ос Z в обработващия център ежедневното затихване на предварителното натоварване достига 0,8 kN при температурни цикли от 20-60 градуса C. Това затихване се дължи на разликите в топлинната деформация между гайката и лагерните черупки. Когато температурната разлика надвишава 30 градуса, радиалната хлабина се увеличава с 0,015 mm, предизвиквайки необичайни вибрации. Когато нивото на вибрационно ускорение се увеличи от 0,5 g на 2,1 g, скоростта на разпространение на пукнатини от умора на сферичната повърхност се увеличава осем пъти.
3. Ускоряващият ефект на температурата върху стареенето на материала
3.1 Термично разлагане на азотирани слоеве
След 520 градуса на газообразна нитрификация стоманата 38CrMoAlA произвежда 0,6 mm дебел ε-фазов слой (Fe2-3N) с дебелина 0,6 mm. Когато работната температура надвиши 480 градуса, този азотиран слой започва да се разпада и твърдостта пада от HV1000 до HV600 в рамките на 200 часа. Проучването на случая с машината за леене под налягане показа, че повредата на азотирания слой увеличава скоростта на износване на винта от 0,002 mm/месец на 0,025 mm/месец и намалява цикъла на подмяна от 5 години на 8 месеца.
3.2 Термична повреда на материалите за покритие
Степента на загрубяване на зърната на твърдите хромирани покрития е над 200 градуса, а порьозността се увеличава от 3% на 12%. Експериментите върху системата за наклон на вятърна турбина показаха, че скоростта на корозия на винтовия субстрат се увеличава 15 пъти, след като покритието се повреди. Затъмнение (дълбочина по-голяма от 0,1 mm) се случи в рамките на 6 месеца при крайбрежна висока влажност (RH90%). Катализата на корозионните продукти (FeCl2 4H2O) допълнително ускорява износването и формира синергичен ефект на корозионно износване.
3.3 Термична деформация на полимерни клетки
Коефициентът на линейно разширение на клетките от найлон 66 при 80 градуса е 80 × 10 −6 / градус, седем пъти по-голям от този на стоманените елементи. Тази разлика може да доведе до деформиране на топката с до 0,05 mm, което води до запушване на топката. Анализът на неизправностите на машина с ЦПУ показа, че топлинната деформация на клетката на клетката повишава работния шум от 65 dB на 82 dB и причинява необичайно повишаване на температурата на винта (ΔT > 15 градуса), образувайки порочен кръг.
4. Технически мерки за контрол на температурата
4.1 Оптимизиране на избора на материал
For high temperature applications (>150 градуса), трябва да се изберат сплави на основата на кобалт (напр. волфрам хром кобалт 6B) или материали за керамично покритие. Казус от нефтохимическа компания показа, че покритията Stellite 6B удължават живота на винтовете от 3 месеца на 3 години, намалявайки разходите за поддръжка с 82%. За ниски температури (-40 градуса и по-ниски) трябва да се използват аустенитни неръждаеми стомани (напр. . 316 литра), за да се предотврати крехко счупване.
4.2 Иновации в управлението на топлината
Системата за принудително охлаждане може да поддържа работната температура на винта в разумен диапазон. Казус от линия за заваряване на автомобили показа, че маслено{1}}охлажданите винтове намаляват температурата от 65 градуса на 28 градуса и подобряват точността на позициониране с 0,005 mm. В приложенията за прецизно измерване термоелектрическите охладители постигат контрол на температурата от + -0.1 градуса, ограничавайки грешките на топлинния дрейф на винта до по-малко от 0,2 μm/m.
4.3 Проектиране на структурна компенсация
Еластичността на структурите с предварително натоварване с двойни -гайки поема над 80% от термичните деформации. Казус от производител на аерокосмическа техника показа, че устройството за компенсиране на дисковата пружина намалява разликите в аксиалното изместване от 0,12 mm до 0,015 mm при температури, вариращи от -30 градуса до 60 градуса C. За изключително дълги винтове (L > 4m), дизайнът на междинна опора с термична компенсация намалява деформацията на огъване с 65%.
V. Изводи и перспективи
Температурата фундаментално влияе върху запазването на точността и експлоатационния живот на сферичните винтове чрез промяна на свойствата на материала, състоянията на триене и процеса на стареене. Бъдещите изследвания ще се съсредоточат върху три аспекта: 1) разработване на интелигентни материали с отрицателни коефициенти на топлинно разширение, 2) установяване на свързани модели за прогнозиране на връзката топлина-натоварване-живот и 3) насърчаване на цифрова двойна технология при компенсиране на термична деформация. С нарастващите изисквания за надеждност на оборудването в Индустрия 4.0, управлението на температурата на системата ще бъде ключът към технологичния напредък на сачмено-винтовата технология.