CN102414479A - 形成有滚动凹槽的轴部件 - Google Patents

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Abstract

一种形成有滚动凹槽的轴部件，该轴部件的表皮具有高附着力，并且非常薄以至于即使表皮在运转过程中剥落也不会引起噪声问题，所述轴部件被设置成使得其不易弯曲，允许滚动凹槽的内表面被感应淬火以原样用作滚动表面，并且可以以高生产率进行制造，能够降低成本。一种设置有滚动凹槽的轴部件，滚动元件在所述滚动凹槽中滚动，至少滚动凹槽的内表面通过感应淬火硬化。滚动凹槽表面的表面通过感应淬火硬化并保留原样，其粗糙度Ra小于1.0，硬化层的有效硬化深度比被设定为不小于0.15但不超过0.45，而且，所述滚动凹槽的经过感应淬火硬化的表面被原样用作滚动表面。

Description

形成有滚动凹槽的轴部件
技术领域
本发明涉及一种在汽车或工业机器的动力传递装置中以及传输装置中使用的线性移动机构的形成有滚动凹槽的轴部件，例如，丝杠轴等；并且更具体地，本发明涉及一种形成有通过感应加热局部淬火的滚动凹槽的轴部件。
背景技术
滚珠丝杠是一种包括多个滚珠的机械部件，所述多个滚珠被布置在形成在丝杠轴的外周面上的滚动凹槽以及形成在从外部配合在丝杠轴上的螺母的内周面上的滚动凹槽之间，以便将丝杠轴(或螺母)的转动动力经由滚珠转换成螺母(或丝杠轴)的线性动力。丝杠轴的滚动凹槽的表面被淬火，以改进耐磨性和耐久性。存在有如下所述的多种方法来制造滚珠丝杠的丝杠轴，在这些方法中，是通过感应淬火来进行淬火的。
其中一种方法是例如以下的专利文献1中公开的用于制造滚珠丝杠的丝杠轴的方法，在该方法中，在形成由中碳钢坯料轧制而成的丝杠轴的滚动凹槽之后，滚动凹槽的表面被感应淬火为具有HRC55至62的硬度以改进耐磨性。接着，对丝杠轴进行抛光处理，以去除由感应热处理产生的氧化皮，并且最后进行矫直处理以矫正轧制工艺以及感应淬火处理期间产生的丝杠轴变形。
另一种方法是例如以下的专利文献2中公开的用于制造滚珠丝杠的螺母丝杠的方法，在这种方法中，在对螺母丝杠的滚动凹槽进行感应淬火之后，从滚动凹槽移除氧化皮，并通过对滚动凹槽进行电抛光来精加工滚动凹槽。
然而，在专利文献1和2中公开的方法中，必须在感应淬火之后去除氧化皮，这是因为滚动凹槽的表面上的氧化皮将在滚珠丝杠的运转期间产生磨损或噪声。专利文献3分开了一种用于却除氧化皮的方法，并且不限于用于制造滚珠丝杠的方法，这是通过在感应淬火期间增加冷却水的压力来实施的。
在滚珠丝杠的丝杠轴中，在热处理之后，需要尽可能地减少丝杠轴的挠曲，以防止产生振动。在现有技术中，已经提出了在油中进行感应淬火的多种方法，以减少丝杠轴在热处理之后的变形，并防止氧化皮的产生。在油中进行淬火使得能够显著减少伴随感应淬火而产生的丝杠轴挠曲，这是因为丝杠轴借助于作为冷却剂的油而被均匀地冷却。
作为在油中进行感应淬火的方法，有一种静止感应淬火，在这种淬火中，淬火是在感应淬火油和被淬火的制品之间不产生任何相对运动的情况下进行的。如在专利文献4至6中公开的，有两种静止感应淬火方法，在其中一种方法中，加热和冷却均是在液体中进行的，而在另一种方法中，在气体中进行加热，然后在冷却剂中进行冷却。
专利文献4公开了这样一种感应淬火方法，在这种方法中，首先，通过使用例如氮或氩的惰性气体使淬火油冒泡来去除淬火油中的溶解氧，然后，在淬火油中对金属部件的表面进行感应淬火。接着，立即在淬火油中冷却金属部件以进行淬火处理。因此，通过使用溶解氧已被尽可能地去除的淬火油，从冷却套喷射淬火油进行冷却，可以防止氧化皮的产生。
类似于专利文献4，在专利文献5中，金属部件的加热和冷却也是在淬火油中进行的，并且在加热之后，通过使用冷却喷嘴将淬火油倾倒到油槽中并搅拌来冷却金属部件的表面。
专利文献6公开了这样一种淬火方法，在这种方法中，在充满非氧化气体或还原气体的箱中对金属部件进行感应淬火，然后，通过将金属部件浸入到冷却剂中以快速冷却来进行淬火。
专利文献7公开了一种机械部件，例如，滚珠丝杠的具有滚动凹槽的丝杠轴，并且还公开了该机械部件的浸没式感应淬火的制造方法，这种方法不会产生黑色的氧化皮。
另一方面，已经提出了很多不涉及感应淬火而是适于即使在使用炉的热处理中也能防止待被淬火的金属部件氧化的装置。作为这种方法的一个代表性的例子，专利文献8公开了这样一种油淬火装置，这种装置能够将装配有真空泵的减压油槽中的脱氧的淬火油转移到淬火油槽中。
此外，在专利文献9中公开了这样一种连续退火装置，这种装置装配有生成处理和脱气装置，用于减少冷却罐内的气氛中的氧浓度以及冷却剂中溶解氧的浓度。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开公报No.119518/2003
专利文献2：日本特开公报No.25152/2003
专利文献3：日本特开公报No.129231/2002
专利文献4：日本特开公报No.298213/1990
专利文献5：日本特开公报No.282136/2000
专利文献6：日本特开公报No.1320/1993
专利文献7：日本特开公报No.233288/2006
专利文献8：日本特开公报No.202414/1993
专利文献9：日本特开公报No.11623/1988
发明内容
本发明所解决的技术问题
在机械部件中，例如在球形滚动元件在其中运转的滚珠丝杠中，滚动元件是以点接触的状态滚动的(接近纯接触状态)。相应地，如果在滚动凹槽的表面上存在外来物质(例如在机械部件的淬火过程中产生的氧化皮)，或者如果这些外来物质被咬合在滚动凹槽中，那么滚动元件运动的突然改变将产生噪声。因此，对于制造例如滚珠丝杠的机械部件来说，去除氧化皮是个不可缺少的步骤。
仅通过专利文献1中公开的抛光处理是不能从滚动凹槽充分去除氧化皮的。抛光处理的额外问题是，它需要长的处理时间，因此，制造成本会增加。
如在专利文献2中公开的，在感应淬火之后，可以通过对滚动凹槽进行电抛光处理来从滚动凹槽完全去除氧化皮。然而，其存在以下问题：需要长的处理时间；导致滚动凹槽的表面粗糙；以及由于化学反应热而导致滚动凹槽的表面软化。此外，还存在以下问题：需要用于处理废弃的抛光液以及建造设施的巨大成本；并且恶化工作环境。
在专利文献3中公开的方法中，通过在感应淬火期间使用高压冷却水来去除氧化皮，在这种情况下，不能实现氧化皮的均匀去除，从而会留下点状的黑皮。因此，还需要其他的去皮步骤。
当将变形的滚珠丝杠应用到传输装置中时，在滚珠丝杠的高速旋转期间，将产生跳动或振动。因此，需要使用如在专利文献4至7中所公开的在油中进行感应淬火的方法来防止在热处理之后产生氧化皮，并减少滚珠丝杠的变形。
然而，专利文献4和5中的方法由于使用借助于惰性气体去除溶解氧的淬火油，因而由于使用了昂贵的惰性气体而增加了淬火成本。
还存在的问题是，因为难以通过惰性气体控制淬火油中的含氧量，并因此难以具有无氧的淬火油，所以难以提供几乎不具有氧化皮的质量均匀的制品。相应地，需要例如喷丸等的额外处理来去除氧化皮，因此将由于喷丸而在制品上形成不规则表面。
因为在专利文献6中的方法中，箱中填充有非氧化气体或还原气体，因此需要使用昂贵的惰性气体，用于淬火的成本因此而增加了。此外，还存在的问题是，因为需要替换箱中气体，所以相应地生产率降低了。
此外，专利文献4至6中公开的发明涉及静止感应淬火，在这种感应淬火中，加热线圈和待被淬火的制品之间的相对位置是不变的。因此，所存在的问题是，必须将线圈装配到待被淬火的制品的结构上，这就增加了制造成本。
另一方面，专利文献7公开了一种在油中对滚珠丝杠进行感应淬火的方法，该专利文献7还提出了一种具有在油中进行了感应淬火并且不产生黑色氧化皮的滚动凹槽的机械部件以及一种用于制造这种机械部件的方法。
尽管在专利文献7中描述了可以由于在含有少量氧的油中进行淬火而实现无氧化状态，但如专利文献5、6和8中所提到的，很明显，油中存在的溶解氧将会产生氧化皮。专利文献7没有提到任何用于防止或去除溶解氧的方法，因此还需要改进。
专利文献8和9公开了因炉中的热而防止产生氧化皮的发明。炉的加热需要长的处理时间，因此，难以使生产线同步化。相应地，所存在的问题是，由于要将制品长时间地保持在高温下，因此，制品的变形增加了。
相应地，还可能导致的问题是，制品在感应淬火步骤中产生的大的挠曲不再能在后续的挠曲校正步骤中校正到所需的尺寸。相应地，非常重要的是，在后续感应淬火步骤中需要尽可能地减少挠曲。
因此，本发明的目的是提供这样一种形成有滚动凹槽的轴部件，在这种轴部件中，可以减少挠曲的产生，经过感应淬火的滚动凹槽的表面可以原样使用，并且可以提高生产率，改善制造成本，而不需要完全防止在感应淬火之后产生氧化皮，并且可以保持留有极薄的氧化皮，以使得其具有高的附着力，因此即使氧化皮在轴部件运转期间剥离滚动凹槽的表面，也不会产生噪声。
解决技术问题的手段
为了实现本发明的目的，根据本发明，提供了一种形成有滚动凹槽的轴部件，滚动元件在所述滚动凹槽上滚动，至少所述滚动凹槽是经过感应淬火的，并且不会在所述感应淬火之后产生黑色的氧化皮，而且经过感应淬火的所述滚动凹槽的表面被原样用作滚动表面，其特征在于：所述滚动凹槽的经过感应淬火并保留原样的表面的表面粗糙度Ra小于1.0，并且硬化层的有效硬化深度比为0.15以上0.45以下。
当表面粗糙度Ra(算术平均粗糙度)超过1.0时，即使通过在感应淬火之后使氧化皮变薄到使得氧化皮现在不为黑色的程度而抑制了表面粗糙度的恶化，也仍将产生噪声。由于Ra 1.0以下的氧化皮对于基金属具有强的附着力，并且当它从基金属剥离时，它也非常薄，所以推测防止了异常噪声的产生。
通常，在感应淬火时，加热是在大气中进行的，然后冷却。加热温度高，例如，900至1150℃，因此，将由于制品的金属与大气中的氧或与冷却水中的溶解氧反应而产生厚而易碎的氧化皮。相应地，当将感应淬火应用于滚动凹槽时，将在例如丝杠轴的轴部件的滚动凹槽上形成厚的氧化皮。根据本发明人所做的试验，已发现，厚的氧化皮具有小的附着力，并且是产生异常噪声的一个原因。然而，如果尝试具有完全无氧化状态，那么就需要使用专利文献4至6中所描述的大型设备，并且丝杠轴的生产率也将下降。本发明人研究了感应淬火之后表面粗糙度与异常噪声之间的关系，发现可以通过适当地将表面粗糙度控制在上述范围内来防止异常噪声的产生。结果，可以不需要使用大型设备而以高的生产率以及低的制造成本来制造形成有滚动凹槽的轴部件。
此外，表面粗糙度与感应淬火的温度之间有密切关系。当有效硬化深度比(即，有效硬化层的深度/轴的半径)小于0.15时，可以将制品的感应淬火表面的加热温度保持为低的。相应地，尽管这对于具有薄的氧化皮以及抑制表面粗糙度的恶化是有利的，但滚动寿命将被极大地降低。在滚珠与滚动凹槽的表面之间的接触部，通过滚珠将高的表面压力施加到滚动凹槽，并且在丝杠轴之内的部位而不是滚动凹槽的表面处产生最大应力。相应地，通常将有效硬化深度的下限设定在比最大应力产生部位深的部位处。将有效硬化深度比的上限设定为0.45，这是因为感应淬火温度升高，表面粗糙度会由于多孔氧化皮的产生而恶化，并且由于冷却程度增加，丝杠轴的挠曲也将增加。有效硬化深度比的范围优选为02至0.38。
考虑到有效硬化深度比以及生产率，表面粗糙度的范围优选为Ra 0.1至0.6。
本发明人研究了表面粗糙度与异常噪声之间的关系，以及与氧化皮厚度之间的关系，发现可以通过适当地将表面粗糙度控制在上述范围内来防止异常噪声的产生。结果，可以不需要使用大型设备而以高的生产率以及低的制造成本来制造形成有滚动凹槽的轴部件。
所述滚动凹槽具有圆弧形截面，并且所述滚动元件可以是滚珠。滚珠可以实现光滑的运动。
所述轴部件可以是滚珠丝杠的丝杠轴。在这种情况下，可以防止在滚珠丝杠运转期间产生异常噪声。
所述丝杠轴可以是具有通过轧制工艺形成的滚动凹槽的丝杠轴。轧制工艺对于表面粗糙度是有利的，这是因为在滚动凹槽的表面上不会形成例如车削痕迹之类的加工痕迹。轧制工艺可省去在感应淬火之后去皮的步骤，通过轧制工艺可以以高生产率和低成本来制造丝杠轴。
刚好在轧制的预加工之前进行软化热处理，以便减少轧制工艺时的变形阻力。这是因为热处理之后的变形可以通过刚好在轧制工艺之前进行软化热处理而增大。尽管控制了处理气氛中的碳浓度以防止制品的脱碳，但处理气氛中的碳浓度仍会变化，因而制品的表面层的碳浓度会变得不均匀，所以推测感应淬火之后的尺寸变化将增加。尽管存在有多种软化热处理，例如，完全退火、球化退火，但本发明中的软化热处理并不限于特定的类型。优选地，在气氛受控制的炉内进行热处理，以抑制制品的脱碳、碳化和氮化。
优选地，轴中心处的挠曲的比挠曲量(挠曲量/总长)在感应淬火之后是1.05×10-3(TIR/mm)以下，并且在矫直之后是0.6×10-3(TIR/mm)以下。如果比挠曲量在矫直之后超过0.6×10-3(TIR/mm)，则在丝杠轴的运转期间，振动将会增加，并且将会导致过早的断裂和异常噪声。此外，如果比挠曲量在感应淬火之后矫直之前超过1.05×10-3(TIR/mm)，则不可能矫直到预定量之内。
此外，优选地，滚动凹槽部的外径形成所述轴部件的最大直径，并且所述轴部件的所述最大径在φ10至φ28的范围之内。通过将所述滚动凹槽部构造成使得其形成所述轴部件的最大直径，可以实现感应淬火期间在加热部分处的有效加热，并且还可以实现生产率的提高。如果所述轴部件的最大直径小于φ10，则所述轴部件的刚度将降低，因此，机加工和轧制期间的变形将增加。这使得难以制造所述轴部件。另一方面，如果所述轴部件的最大径超过φ28，则油中的加热效率将降低。相应地，加热温度会是高的，产生厚的氧化皮，并且还极大地增加了所述轴部件的挠曲。如果期望形成较薄的氧化皮，则需要降低加热温度，因此可能不能获得必要硬化深度。
优选地，所述轴部件的坯料是碳含量为0.47至0.6质量％的碳钢，并且在感应淬火之后，所述滚动凹槽的表面硬度是HRC 46至64。如果碳含量小于0.47质量％，则需要将加热温度增大到高的温度以便获得必要硬化深度和硬度，因此可能不能保持必要表面粗糙度。另一方面，如果碳含量大于0.6质量％，那么机加工性能将大大降低，因此将极大地增加淬火裂缝的敏感性。优选的碳含量在0.49至0.56质量％的范围内。
关于坯料，优选地，其硅含量为0.02至0.1质量％，铬含量为0.02至0.05质量％，硼含量为0.0003至0.006质量％，并且其余成分为铁以及不可避免的杂质。
硅和铬是易于形成氧化物的合金元素，是通过优化硅和铬的含量以抑制在感应淬火之后产生氧化皮来改进表面粗糙度。作为脱氧剂加入硅，并且如果硅含量小于0.02质量％，则不能获得足够的脱氧效果。另一方面，如果硅含量超过0.1质量％，则皮膜将变厚，相应地，表面粗糙度将增大，并且轧制加工性能将降低。铬含量优选尽可能少。然而，因为在炼钢的过程中会不可避免地混入铬，所以将其上限设定为小于0.05质量％。类似于硅，铬的降低提高了机加工性能。元素硅和铬提高了感应淬火性能。0.0003至0.006质量％的硼的加入可以补偿硅和铬的减少。如果硼的加入量少于0.0003质量％，则在对淬火的改进方面仅有很少的效果。另一方面，如果硼的加入量多于0.006质量％，则将产生晶粒的粗化，因此将促进淬火裂缝的敏感性。硼的加入量优选为0.0004至0.005质量％。
优选地，在感应淬火之后，所述滚动凹槽的表面的旧奥氏体晶粒尺寸为#8至11。如果在感应淬火之后，滚动凹槽的表面的旧奥氏体晶粒尺寸小于#8，则氧化皮将极大地增多，表面粗糙度将极度恶化，因此轴的挠曲也将增加。另一方面，如果在感应淬火之后，滚动凹槽的表面的旧奥氏体晶粒尺寸大于#11，则有效硬化深度将减少。
所述轴部件的两端部可以结合有滚珠轴承。这使得可以具有低摩擦的机械装置。
所述轴部件的两端部还可以结合有滚针轴承。这使得因为极大地增加了负载能力而可以具有尺寸紧凑的机械装置。
优选地，至少所述滚动凹槽的所述表面在油中进行移动感应淬火。这使得可以防止表面粗糙度的恶化。
发明效果
根据本发明的具有滚动凹槽的轴部件，所述轴部件形成有滚动凹槽，滚动元件在所述滚动凹槽上滚动，至少所述滚动凹槽是经过感应淬火的，并且在所述感应淬火之后不会产生黑色的氧化皮，而且经过感应淬火的所述滚动凹槽的表面被原样用作滚动表面，其特征在于：所述滚动凹槽的经过感应淬火并保留原样的表面的表面粗糙度Ra小于1.0，并且硬化层的有效硬化深度比为0.15以上0.45以下。相应地，可以提供一种形成有滚动凹槽的轴部件，这种轴部件可以防止异常噪声的产生，并且可以不需要大型设备而以高生产率以及低成本来制造。
附图说明
图1是结合有本发明的一个优选实施方式的丝杠轴的滚珠丝杠的纵向剖视图；
图2是图1的丝杠轴的立体图；
图3是示出了图1的丝杠轴的制造步骤的流程图；
图4是示出了图1的丝杠轴的感应淬火范围的示意图；
图5是示出了图1的丝杠轴在油中进行感应淬火的状态的剖视图；
图6是示出了图1的丝杠轴在感应淬火之后的有效硬化深度比的示意图；以及
图7是示出了用于测量图1的丝杠轴的挠曲的方法的示意图。
具体实施方式
实施本发明的优选模式
用于实施本发明的一个优选模式是一种形成有滚动凹槽的轴部件，滚动元件在所述滚动凹槽上滚动，至少所述滚动凹槽经过感应淬火，并且在所述感应淬火之后不会产生黑色的氧化皮，而且经过感应淬火的所述滚动凹槽的表面被原样用作滚动表面，其特征在于：所述滚动凹槽的经过感应淬火并保留原样的表面的表面粗糙度Ra小于1.0，并且硬化层的有效硬化深度比是0.15以上0.45以下。
优选实施方式
下文将参照附图来详细描述本发明的一个优选实施方式。
将关于应用于滚珠丝杠的丝杠轴的实施例来描述本发明的形成有滚动凹槽的轴部件。图1是结合有本发明的一个优选实施方式的丝杠轴的滚珠丝杠的纵向剖视图；图2是图1的丝杠轴的立体图；图3是示出了图1的丝杠轴的制造步骤的流程图；图4是示出了图1的丝杠轴的感应淬火(淬火)范围的说明性示意图；并且图5是示出了图1的丝杠轴在油中进行感应淬火的状态的说明性垂直剖视图。
如图1的纵向剖视图所示，滚珠丝杠1包括丝杠轴2、螺母3以及形成滚动元件的多个滚珠4。如图2所示，形成具有滚动凹槽的轴部件的丝杠轴2是形成有具有圆弧形截面的螺旋状滚动凹槽5的轴，滚珠4在所述螺旋状滚动凹槽上滚动。本文所使用的术语“圆弧形截面”包括哥特式拱形结构，该哥特式拱形结构是由两段具有不同圆弧中心的圆弧组合而成的。
螺母3适于松配合到丝杠轴2上，并且在内周面上形成有具有圆弧形截面的螺旋状滚动凹槽6，滚珠4在所述螺旋状滚动凹槽上滚动。滚珠4被布置在丝杠轴2以及螺母3的相对的滚动凹槽5和6之间。滚珠3安装有循环部件(未示出)，例如，桥形部件或回管，用于在相对的滚动凹槽5和6之间形成环道，并使滚珠4不停地循环。
在本发明中，至少滚动凹槽5是被感应淬火的，在感应淬火之后，不会形成黑色氧化皮，从而经感应淬火的滚动凹槽5的表面原样用作滚动表面。滚动凹槽5的经感应淬火并保留原样的表面的表面粗糙度Ra小于1.0，优选为0.1至0.6，并且硬化层的有效硬化深度比是0.15以上0.45以下，优选为02至0.38。
丝杠轴2是根据图3中示意性地示出的步骤来制造的。
也就是说，将卷材部件或圆杆部件用作坯料。然后，将坯料车削成具有预定的结构，无心磨削成具有期望的外径，并且去除表面瑕疵以对外周面进行精加工。然后，对精加工的圆杆部件进行轧制工艺以形成滚动凹槽5，这是通过冷轧制来实现的。
轧制是通过迫使滚动辊子(未示出)接触圆杆部件的外周面来实现的。
刚好在轧制的预加工之前适当地进行软化热处理，以减少轧制工艺期间的变形阻力。尽管存在有多种软化热处理，例如，完全退火、球化退化，但本发明中的软化热处理并不限于特定的类型。优选地，在气氛受控制的炉内进行热处理，以抑制制品的脱碳、碳化和氮化。
在油中进行移动感应淬火，进行矫直，并对外周面进行磨削，以实施精整加工。在一些例子中，可以省略矫直处理和最后的磨削处理。
如图4所示，形成滚动凹槽5的滚动凹槽部2a的外径对应于轴部件的最外径，并且感应淬火的范围仅在滚动凹槽部2a中。轴部件的直径较小的两端部2b和2c结合有滚珠轴承13和/或滚针轴承14。通过将滚动凹槽部2a的外周面设定为最大径，可以实现滚动凹槽部2a的有效加热，并且可以提高移动感应淬火期间的生产率。
图5示意性地示出了在油中进行的移动感应淬火。
可以使用频率为100kHz并且功率为100kW的感应加热装置来实施淬火。在油中进行移动感应淬火的方法中，淬火是通过以下步骤来实现的：在包含在油槽11中的淬火油10中通过感应加热线圈7来局部加热丝杠轴2；以及通过淬火油10的喷射或对流(在图5中由箭头示出)来冷却丝杠轴2的经加热的部分。流经感应加热线圈7的电流在丝杠轴2的表面上产生感应电流，因此，丝杠轴2的表面可被迅速加热。
由感应加热产生的热量导致丝杠轴2周围的淬火油热分解，因此，由淬火油10产生热分解气体9(在图5中示意性地示出)。相应地，热分解气体9的蒸汽压力与淬火油10的油压力得到平衡，气体以膜状状态积聚在丝杠轴2的外周面上。因此，丝杠轴2的整个经加热的部分完全被热分解气体9覆盖并且可以相应地防止丝杠轴2与淬火油10接触。
热分解气体9通常是在淬火油10被加热到大约700℃以上的温度时产生的，并且，取决于淬火油的类型，热分解气体的成分通常是一氧化碳、氢、氮、甲烷、乙烷、乙烯、丙烷等。因为热分解气体9含有很少的氧，所以可以得到期望的无氧气氛。此外，因为丝杠轴2的整个经加热的部分完全被热分解气体9覆盖并且可以相应地防止丝杠轴2与淬火油10接触，所以基本上不会引起丝杠轴2的氧化反应。
可以将商业上获得的矿物热处理油(例如，冷淬火油和热淬火油)用作淬火油10。因为淬火油的主要组成是碳氢化合物，所以当淬火油分解时，将产生上述气体。
因为只要丝杠轴2被保持在高温状态下，就将不停地产生热分解气体9，所以整个经加热的部分总是被刚刚产生的分解气体9覆盖，除非丝杠轴2的一部分被暴露而冷却为止。
接着，将描述冷却步骤。通过朝着淬火油10中的丝杠轴2喷射淬火油10来冷却经加热的丝杠轴2。朝着与感应加热线圈7相反的方向喷射淬火油10。因为淬火油10没有被朝着加热侧(即，感应加热线圈7)喷射，所以可以防止在加热步骤中覆盖丝杠轴2的外周面的热分解气体9与所述外周面分离。
相应地，从加热到冷却这段时间内，在加热步骤中产生并且覆盖丝杠轴2的表面热分解气体9可以防止淬火油10与丝杠轴2的待被淬火的表面之间发生接触。尽管通过在冷却步骤中喷射淬火油10而使热分解气体9与丝杠轴2的外表面分离，但是即使丝杠轴2的表面与淬火油10中的溶解氧接触，也没有足够的时间来产生氧化反应，这是因为丝杠轴2被迅速冷却，其温度也迅速降低。因此，可以防止溶解氧与丝杠轴2之间产生氧化反应，从而也可防止在丝杠轴2的经加热的表面上产生黑色氧化皮。
优选地，经由冷却套8的喷射孔81来喷射淬火油10。还优选的是，冷却套8被布置在感应加热线圈7上方，并且丝杠轴2向上移动，以便按顺序经过感应加热线圈7和冷却套8而被加热并接着被冷却。热分解气体9由于其浮力而趋向于与丝杠轴2的表面分离。然而，这种趋势可以通过使丝杠轴2向上运动以便使丝杠轴2的运动方向与作用在热分解气体9上的浮力的方向相一致来实施淬火而得到抑制。相应地，丝杠轴2的“光亮处理”可以通过有效地利用热分解气体9而不利用任何惰性气体来实现。此处使用的术语“光亮处理”是指不在丝杠轴2的表面上产生黑色氧化皮。另一方面，将在丝杠轴2的表面上产生极薄的氧化皮，这是因为淬火油10中含有少量的氧。
这种极薄的氧化皮具有非常强的附着力，并且很难从基金属上剥落。然而，在表面粗糙度超过Ra 1.0的情况下，将产生异常的噪声。表面粗糙度小于Ra 1.0的氧化皮因为极其薄而对于基金属具有非常强的附着力，而且不会产生异常噪声。此外，表面粗糙度与感应加热温度之间具有密切的关系。当有效硬化深度比小于0.15时，可以在感应淬火时保持制品表面的加热温度为低的。相应地，有利的是，可以具有薄的氧化皮，并且可以抑制表面粗糙度的恶化；然而，这显著降低了滚动凹槽的滚动寿命。通过从滚珠作用到滚动凹槽的表面的载荷，高的挤压力被施加到接触部，因此，在接触部的截面内分布挤压应力，并且最大应力产生从该表面向内的部位。通常将有效硬化深度的下限设定在深于产生最大应力的部位。有效硬化深度比的上限被设定为0.45，这是因为当超过0.45时，感应加热中的温度要增加，会产生多孔的氧化皮，因此，表面粗糙度恶化，并且制品的挠曲随着冷却程度的增加而增加。优选地，将有效硬化深度比设定为02至0.38的范围。还优选的是，考虑到有效硬化深度比以及制品的生产率，将表面粗糙度设定在Ra 0.1至0.6的范围。
图6是在丝杠轴进行感应淬火之后的有效硬化深度比的说明图。如图6所示，有效硬化深度比定义为“有效硬化层的深度H/丝杠轴的半径d”。感应淬火范围可以是如图4中所示的整个滚动凹槽部分，或者可以限定到如图6中所示的必要部分(阴影部分)。
根据本发明，因为丝杠轴2是在淬火油10中淬火的，所以淬火油10被用作冷却液，并且整个丝杠轴2被均匀地冷却，因此，可以显著减少丝杠轴2的与感应淬火有关的挠曲。
优选地，轴挠曲的比挠曲量(挠曲量/总长)在感应淬火之后为1.05×10-3(TIR/mm)以下，并且在矫直之后为0.6×10-3(TIR/mm)以下。如果轴的比挠曲量在矫直之后超过0.6×10-3(TIR/mm)，则在丝杠轴2的运转期间，振动将会增大，这将会导致过早的断裂或异常噪声。另一方面，如果比挠曲量在感应淬火之后在矫直之前超过1.05×10-3(TIR/mm)，则不可能通过矫直处理将丝杠轴2的挠曲矫正到预定量之内。
图7示出了轴的比挠曲量的测量方法。丝杠轴2的两端以可旋转的方式由支撑销101和101支撑。通过千分表100来测量丝杠轴2的中心处的比挠曲量，并且计算挠曲量与整个长度L之比。
优选地，轴部件的坯料是碳含量为0.47至0.6质量％的碳钢，并且在感应淬火之后，滚动凹槽5的表面硬度是HRC 46至64。如果坯料的碳含量小于0.47质量％，则需要具有高的加热温度以便获得必要淬火深度和硬度。因此，氧化皮增多了，并且不能保证必要表面粗糙度。另一方面，如果坯料的碳含量大于0.6质量％，那么机加工性能将显著降低，并且将极大地增加淬火裂缝的敏感性。
优选地，轴部件的坯料的硅含量为0.02至0.1质量％，铬含量为0.02至0.05质量％，硼含量为0.0003至0.006质量％，并且其余成分为铁以及不可避免的杂质。
通过适当地选择碳钢中易于形成氧化物的硅和铬的量，可以抑制感应淬火之后氧化皮的产生，并且可以提高表面硬度。在炼钢时加入了作为脱氧剂的元素硅，并且如果硅含量小于0.02质量％，则不能获得足够的脱氧效果。另一方面，如果硅含量超过0.1质量％，则皮膜将变厚，表面粗糙度将增大，并且轧制加工性能将降低。元素铬优选较少。然而，因为在炼钢的过程中会不可避免地混入铬，所以将0.05质量％设定为其上限。类似于硅，铬的降低提高了机加工性能。元素硅和铬改善了感应淬火性能。0.0003至0.006质量％的硼的加入可以补偿硅和铬的减少。如果加入的硼少于0.0003质量％，则不能展现改善淬火性能的效果。另一方面，如果加入的硼多于0.006质量％，则将产生晶粒的粗化，因此会促进淬火裂缝的敏感性。硼的加入量优选为0.0004至0.005质量％。
优选地，在感应淬火之后，滚动凹槽5的表面的旧奥氏体晶粒尺寸为#8至11。如果在感应淬火之后，滚动凹槽5的表面的旧奥氏体晶粒尺寸小于#8，则氧化皮将大大增多，表面粗糙度将极度恶化，并且挠曲也将增加。另一方面，如果在感应淬火之后，滚动凹槽5的表面的旧奥氏体晶粒尺寸大于#11，则有效硬化深度将减少。
在以下的表1中，示出了现有技术中的丝杠轴制造方法(A)以及本发明的丝杠轴制造方法(N)。在表2中，示出了由现有技术制造的丝杠轴与以及由本发明现有技术的实施方式1至4制造的丝杠轴之间的特性的对比。
现有技术的丝杠轴是根据现有技术的制造方法(A)通过以下步骤制造的：使用原样压延的S53C作为坯料；在矫直后通过无心磨削坯料来改进尺寸精度和表面特性；进行轧制工艺；最后在大气环境中进行感应淬火。滚动凹槽部分的外径是φ15。
本发明的实施方式1至3的丝杠轴是根据本发明的方法(N)通过以下步骤制造的：使用原样压延的S53C作为坯料，在矫直后通过无心磨削坯料来改进尺寸精度和表面特性；进行轧制工艺以形成滚动凹槽；最后在油中进行移动感应淬火。实施方式4的坯料是经过球化退火的。实施方式1至4各自的滚动凹槽部分的外径分别是φ8、φ29、φ15以及φ15。
如表2所示，现有技术的丝杠轴中的氧化皮的厚度是0.003mm。另一方面，实施方式1至4中的丝杠轴的厚度均非常小，例如，50nm、170nm、70nm以及60nm，并且呈现与基金属钢完全相同的颜色。
可以借助于Auger频谱分析仪来容易地测量氧化皮的厚度。通过Auger频谱分析来进行滚动凹槽的表面成分分析，只提取形成表面的成分中的氧和铁，根据基金属的氧浓度来研究增加的深度，以确定氧化皮的厚度。
对于实施方式1来说，因为轴径较小，例如，φ8，所以尽管氧化皮的厚度非常薄，比挠曲量仍较大。另一方面，对于实施方式2来说，因为轴径较大，例如，φ29，所以在油中的加热效率恶化，因此，氧化皮的厚度大。
此外，对于实施方式3和4来说，氧化皮的厚度薄，并且比挠曲量也小。在实施方式4中，在轧制工艺之后，进行了球化退火处理；在该实施方式中，与实施方式3相比，在油中进行感应淬火之后，挠曲减少。
如上所述，根据本发明，可以提供这样一种轴部件，这种轴部件形成有在感应淬火之后进行了光亮退火的滚动凹槽，因此，可以省去任何去皮处理，并且可以减少挠曲的产生，而且可以原样使用经感应淬火的滚动凹槽的表面，从而提高了生产率，优化了制造成本。
表1
  方法   坯料   车削   无心磨削   轧制工艺
  A   卷材   实施   实施   实施
  N   卷材   实施   实施   实施
续表1
  移动感应淬火   矫直   抛光   外周磨削
  在大气中   实施   实施   实施
  在油中   实施   未实施   实施
表2
 制品   所使用的钢   坯料规格   外径   方法
 现有技术   S53C   原样压延   φ15   A
 实施方式1   S53C   原样压延   φ8   N
 实施方式2   S53C   原样压延   φ29   N
 实施方式3   S53C   原样压延   φ15   N
 实施方式4   S53C   球化退火   φ15   N
续表2
Figure BDA0000100929520000141
以经参照优选实施方式描述了本发明。显然，在阅读和理解了前述详细描述之后，本领域的技术人员将容易想到多种修改和变形。本发明理应解释为包括所有这样的修改和变形，只要它们落在所附权利要求或其等同物的范围之内。
工业实用性
本发明的形成有滚动凹槽的轴部件可应用于各种形成有滚动凹槽的轴部件，例如滚珠丝杠的丝杠轴、滚珠花键的花键轴等。
附图标记说明
1......滚珠丝杠
2......丝杠轴(形成有滚动凹槽的机械部件)
2a......滚动凹槽部
2b，2c......轴端部
3......螺母
4......滚珠(滚动元件)
5......丝杠轴的滚动凹槽
6......螺母的滚动凹槽
7......感应加热线圈
8......冷却套
81......喷射孔
9......热分解气体
10......淬火油
11......油槽
12......排放管
13......滚珠轴承
14......滚针轴承

Claims (13)

1.一种形成有滚动凹槽的轴部件，滚动元件在所述滚动凹槽上滚动，至少所述滚动凹槽经过感应淬火，并且在所述感应淬火之后不会产生黑色的氧化皮，而且经过感应淬火的所述滚动凹槽的表面被原样用作滚动表面，其特征在于：
所述滚动凹槽的经过感应淬火并保留原样的表面的表面粗糙度Ra小于1.0，并且硬化层的有效硬化深度比为0.15以上并且在0.45以下。
2.如权利要求1所述的形成有滚动凹槽的轴部件，其中，所述滚动凹槽具有圆弧形截面，并且所述滚动元件是滚珠。
3.如权利要求1或2所述的形成有滚动凹槽的轴部件，其中，所述轴部件是滚珠丝杠的丝杠轴。
4.如权利要求3所述的形成有滚动凹槽的轴部件，其中，所述丝杠轴是具有通过轧制工艺形成的滚动凹槽的丝杠轴。
5.如权利要求4所述的形成有滚动凹槽的轴部件，其中，刚好在轧制的预加工之前进行软化热处理。
6.如权利要求5所述的形成有滚动凹槽的轴部件，其中，轴挠曲的比挠曲量，即挠曲量/总长，在感应淬火之后为1.05×10-3(TIR/mm)以下，并且在矫直之后为0.6×10-3(TIR/mm)以下。
7.如权利要求6所述的形成有滚动凹槽的轴部件，其中，滚动凹槽部的外径形成所述轴部件的最大直径，并且所述轴部件的所述最大直径在φ10至φ28的范围内。
8.如权利要求1至7中任一项所述的形成有滚动凹槽的轴部件，其中，所述轴部件的坯料是碳含量为0.47至0.6质量％的碳钢，并且在感应淬火之后，所述滚动凹槽的表面硬度为HRC 46至64。
9.如权利要求8所述的形成有滚动凹槽的轴部件，其中，所述轴部件的所述坯料的硅含量为0.02至0.1质量％，铬含量为0.02至0.05质量％，硼含量为0.0003至0.006质量％，并且其余成分为铁以及不可避免的杂质。
10.如权利要求9所述的形成有滚动凹槽的轴部件，其中，在感应淬火之后，所述滚动凹槽的表面的旧奥氏体晶粒尺寸为8至11号。
11.如权利要求1至10中任一项所述的形成有滚动凹槽的轴部件，其中，所述轴部件的两端部结合有滚珠轴承。
12.如权利要求1至10中任一项所述的形成有滚动凹槽的轴部件，其中，所述轴部件的两端部结合有滚针轴承。
13.如权利要求1至12中任一项所述的形成有滚动凹槽的轴部件，其中，所述轴部件具有所述滚动凹槽，滚动元件在所述滚动凹槽上滚动，并且至少所述滚动凹槽的所述表面在油中进行移动感应淬火。
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