鋼球壓碎載荷測試裝置設(shè)計與試驗分析探討*

王建修 張 旭

(陜西漢江機(jī)床有限公司 陜西漢中723003)

滾動功能部件具有傳動效率高、性能穩(wěn)定、精度保持性好、承載力大等優(yōu)點，隨著機(jī)械制造行業(yè)的發(fā)展，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，而鋼球作為滾動功能部件的重要組成部分，其性能直接影響到產(chǎn)品的承載力和耐磨性。滾動功能部件在承受工作載荷后，會產(chǎn)生一定的彈性變形，隨著載荷的逐漸增大，鋼球會產(chǎn)生永久變形甚至破碎，導(dǎo)致滾動功能部件失效。精度、硬度、組織及壓碎載荷值是衡量鋼球性能的重要指標(biāo)，壓碎載荷值的大小決定著滾動功能部件的承載能力，壓碎載荷值的大小是選用鋼球的重要依據(jù)之一。本文根據(jù)鋼球壓碎載荷值測試原理和規(guī)范，結(jié)合現(xiàn)有的實施裝置和手段，設(shè)計專用的工裝，完成對鋼球壓碎載荷值的測試與驗證。

1 測試原理

根據(jù)使用工況，鋼球在滾動功能部件使用過程中，在承受外部載荷的同時進(jìn)行滾動和滑動，與滾道部分通常為點接觸，為模擬實際工況，鋼球在壓碎載荷測試過程中，選取3顆同規(guī)格鋼球為一組，垂直放入設(shè)計好的工裝夾具中，保證三顆鋼球的中心在施加的外部載荷軸線上，上下兩顆鋼球與底座和壓頭上的錐形面環(huán)形成線接觸，中間鋼球為點接觸，通過拉壓實驗機(jī)按加載要求對鋼球進(jìn)行垂直加載，直至鋼球被壓碎或達(dá)到預(yù)期載荷值。試驗臺的加載根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)按980 N/s的加載速度進(jìn)行，實驗中鋼球壓碎載荷測試基于拉壓力試驗機(jī)作為加載裝置，不允許突然改變加載速度和中途卸載。并以規(guī)定加載速度加載，達(dá)到預(yù)設(shè)最大載荷值，實時采集應(yīng)力-應(yīng)變的關(guān)系，記錄鋼球破碎瞬間的載荷情況，如圖1所示。

圖1 拉壓力試驗機(jī)

2 專用工裝設(shè)計

根據(jù)鋼球壓碎載荷測試原理，為保證鋼球在測試過程中位置不發(fā)生變化，除了必須的鋼球、壓頭和底座外，必須設(shè)計鋼球夾具來保證鋼球能夠垂直擺放且同軸，如圖2所示。鋼球硬度在HRC62以上，為保證壓頭和底座的強(qiáng)度和硬度，產(chǎn)生的彈性變形必須小于鋼球的彈性變形量，因此，壓頭和底座選用高碳鋼材料加工，淬火后硬度必須達(dá)到HRC62以上。

壓頭與底座設(shè)計：壓頭通過螺紋連接到拉壓實驗機(jī)的重力傳感器上，加載工作面為平面，相比于錐面，平面加載不會給最上側(cè)鋼球增加水平方向的約束，避開了錐形工作面需要壓頭與底座錐孔同軸的問題；同時鋼球與錐孔接觸時，鋼球沉入錐形工作面會使壓頭可移動距離縮短，可能導(dǎo)致有效加載力達(dá)不到鋼球壓碎載荷值的情況出現(xiàn)。底座設(shè)計90°錐孔用于固定鋼球，深度為鋼球直徑尺寸的 1/3～1/2比較合適，可滿足多個規(guī)格鋼球的測試需求。

圖2 測試裝置簡圖

鋼球保持架設(shè)計：保持架主要由V型塊和壓板，V型塊可以很好的保證鋼球的同軸，壓板用來將鋼球固定在V型槽中，方便垂直放置。V型塊和壓板的水平高度要高過最上側(cè)鋼球的1/2處，要低于最上側(cè)鋼球的2/3處，這樣既能保證對鋼球添加有效約束，又能留出允許鋼球、壓頭和底座產(chǎn)生變形的足夠允許變形量。

3 測試裝置驗證與測試分析

為保證壓碎載荷專用工裝的可靠性和穩(wěn)定性，基于現(xiàn)有的拉應(yīng)力試驗機(jī)，通過對不同鋼球直徑進(jìn)行多次測試，驗證測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和一致性。本次驗證以Φ3.5鋼球為例，對試驗過程與結(jié)果進(jìn)行分析。

3.1 試驗步驟

（1）將專用工裝連接到拉壓力試驗機(jī)上，由于鋼球測試過程產(chǎn)生的彈性變形較小，必須保證相關(guān)部分固定牢靠，不會隨著壓力的大小產(chǎn)生位移。

（2）夾具安裝在底座上，從V型槽放入鋼球，保證最下側(cè)鋼球在底座的錐孔內(nèi)，用壓板消除鋼球與V型槽的間隙，保證3顆鋼球軸線與底座錐孔、壓頭力的中心同軸；

（3）設(shè)置加載力的速度為980 N/s，根據(jù)鋼球理論壓碎值設(shè)置試驗最大載荷為7 kN，采集力與時間、力與變形的數(shù)據(jù)，加載到設(shè)定值后，判斷鋼球是否破碎，保持10s后開始卸載；

（4）試驗完成后，檢測鋼球夾具是否變形，用光電顯微鏡觀察鋼球變形及損壞情況，判定鋼球的壓碎載荷指標(biāo)是否合格。

3.2 實驗結(jié)果與分析

通過對 Φ3.5鋼球進(jìn)行測試，在加載力勻速達(dá)到7 kN的過程中，鋼球所承受的載荷與變形量呈線性關(guān)系，此階段為彈性階段，未出現(xiàn)明顯屈服點。力與時間、應(yīng)力應(yīng)變的數(shù)據(jù)采集見圖3、圖4所示。

圖3 力-時間曲線

圖4 應(yīng)力-應(yīng)變曲線

通過對測試后的鋼球在電鏡下檢測，測量變形的大小，檢測后已發(fā)生塑性變形，如圖5所示，但未發(fā)生破裂情況，經(jīng)實際檢測，鋼球發(fā)生彈性變形后的平面直徑為1023 μm。

圖5 電鏡下檢測鋼球示意圖

經(jīng)理論測算，則直徑方向變形量：

式中：?為直徑方向變形量；b為鋼球半徑壓縮變形后尺寸； r為變形平面半徑，為0.511 mm；R為被測鋼球半徑，為1.75 mm。

代入數(shù)據(jù)后得，直徑方向變形量?=0.16 mm

通過對Φ3.5鋼球勻速加載到7 kN過程中，鋼球所受的應(yīng)力與應(yīng)變成正比，未出現(xiàn)明顯屈服點，此階段為彈性階段,根據(jù)試驗裝夾條件，六個接觸位置中有5個接觸點，各點處應(yīng)力相同，故變形量相同。通過對應(yīng)力-應(yīng)變數(shù)據(jù)曲線進(jìn)行分析，當(dāng)應(yīng)力為560MPa時,應(yīng)變?yōu)?.6%，中間鋼球存在如下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。

其中：ε 為三個鋼球總應(yīng)變值；σ為實際變形對應(yīng)的理論應(yīng)力值；ε1為中間鋼球應(yīng)變值；E為黑色金屬彈性模量，2.1×105MPa。

可知應(yīng)變ε=0.6% ，理論應(yīng)力σ=504 MPa，而實際應(yīng)力值560 MPa，超過了理論應(yīng)力值。綜上所述，此次試驗的Φ3.5鋼球壓碎載荷值滿足了標(biāo)準(zhǔn)要求，能夠達(dá)到7 kN的壓碎載荷，也證明了設(shè)計專用裝置可以滿足鋼球壓碎載荷的測試要求。此外，為驗證該規(guī)格鋼球?qū)嶋H壓碎載荷值，當(dāng)持續(xù)加載至12 kN時，鋼球出現(xiàn)了破裂。

4 結(jié)語

本文提供了一種可行的驗證鋼球壓碎載荷的實驗方式，可快速、準(zhǔn)確的測試鋼球壓碎載荷，具有較高的操作性，可滿足不同鋼球直徑的測試，對于小鋼球（直徑小于2 mm）只需要控制V型塊和壓板的間隙，同樣滿足測試條件。