钢球压碎载荷测试装置设计与试验分析探讨*

王建修 张 旭

(陕西汉江机床有限公司 陕西汉中723003)

滚动功能部件具有传动效率高、性能稳定、精度保持性好、承载力大等优点，随着机械制造行业的发展，应用范围不断扩大，而钢球作为滚动功能部件的重要组成部分，其性能直接影响到产品的承载力和耐磨性。滚动功能部件在承受工作载荷后，会产生一定的弹性变形，随着载荷的逐渐增大，钢球会产生永久变形甚至破碎，导致滚动功能部件失效。精度、硬度、组织及压碎载荷值是衡量钢球性能的重要指标，压碎载荷值的大小决定着滚动功能部件的承载能力，压碎载荷值的大小是选用钢球的重要依据之一。本文根据钢球压碎载荷值测试原理和规范，结合现有的实施装置和手段，设计专用的工装，完成对钢球压碎载荷值的测试与验证。

1 测试原理

根据使用工况，钢球在滚动功能部件使用过程中，在承受外部载荷的同时进行滚动和滑动，与滚道部分通常为点接触，为模拟实际工况，钢球在压碎载荷测试过程中，选取3颗同规格钢球为一组，垂直放入设计好的工装夹具中，保证三颗钢球的中心在施加的外部载荷轴线上，上下两颗钢球与底座和压头上的锥形面环形成线接触，中间钢球为点接触，通过拉压实验机按加载要求对钢球进行垂直加载，直至钢球被压碎或达到预期载荷值。试验台的加载根据标准按980 N/s的加载速度进行，实验中钢球压碎载荷测试基于拉压力试验机作为加载装置，不允许突然改变加载速度和中途卸载。并以规定加载速度加载，达到预设最大载荷值，实时采集应力-应变的关系，记录钢球破碎瞬间的载荷情况，如图1所示。

图1 拉压力试验机

2 专用工装设计

根据钢球压碎载荷测试原理，为保证钢球在测试过程中位置不发生变化，除了必须的钢球、压头和底座外，必须设计钢球夹具来保证钢球能够垂直摆放且同轴，如图2所示。钢球硬度在HRC62以上，为保证压头和底座的强度和硬度，产生的弹性变形必须小于钢球的弹性变形量，因此，压头和底座选用高碳钢材料加工，淬火后硬度必须达到HRC62以上。

压头与底座设计：压头通过螺纹连接到拉压实验机的重力传感器上，加载工作面为平面，相比于锥面，平面加载不会给最上侧钢球增加水平方向的约束，避开了锥形工作面需要压头与底座锥孔同轴的问题；同时钢球与锥孔接触时，钢球沉入锥形工作面会使压头可移动距离缩短，可能导致有效加载力达不到钢球压碎载荷值的情况出现。底座设计90°锥孔用于固定钢球，深度为钢球直径尺寸的 1/3～1/2比较合适，可满足多个规格钢球的测试需求。

图2 测试装置简图

钢球保持架设计：保持架主要由V型块和压板，V型块可以很好的保证钢球的同轴，压板用来将钢球固定在V型槽中，方便垂直放置。V型块和压板的水平高度要高过最上侧钢球的1/2处，要低于最上侧钢球的2/3处，这样既能保证对钢球添加有效约束，又能留出允许钢球、压头和底座产生变形的足够允许变形量。

3 测试装置验证与测试分析

为保证压碎载荷专用工装的可靠性和稳定性，基于现有的拉应力试验机，通过对不同钢球直径进行多次测试，验证测试数据的准确性和一致性。本次验证以Φ3.5钢球为例，对试验过程与结果进行分析。

3.1 试验步骤

（1）将专用工装连接到拉压力试验机上，由于钢球测试过程产生的弹性变形较小，必须保证相关部分固定牢靠，不会随着压力的大小产生位移。

（2）夹具安装在底座上，从V型槽放入钢球，保证最下侧钢球在底座的锥孔内，用压板消除钢球与V型槽的间隙，保证3颗钢球轴线与底座锥孔、压头力的中心同轴；

（3）设置加载力的速度为980 N/s，根据钢球理论压碎值设置试验最大载荷为7 kN，采集力与时间、力与变形的数据，加载到设定值后，判断钢球是否破碎，保持10s后开始卸载；

（4）试验完成后，检测钢球夹具是否变形，用光电显微镜观察钢球变形及损坏情况，判定钢球的压碎载荷指标是否合格。

3.2 实验结果与分析

通过对 Φ3.5钢球进行测试，在加载力匀速达到7 kN的过程中，钢球所承受的载荷与变形量呈线性关系，此阶段为弹性阶段，未出现明显屈服点。力与时间、应力应变的数据采集见图3、图4所示。

图3 力-时间曲线

图4 应力-应变曲线

通过对测试后的钢球在电镜下检测，测量变形的大小，检测后已发生塑性变形，如图5所示，但未发生破裂情况，经实际检测，钢球发生弹性变形后的平面直径为1023 μm。

图5 电镜下检测钢球示意图

经理论测算，则直径方向变形量：

式中：∆为直径方向变形量；b为钢球半径压缩变形后尺寸； r为变形平面半径，为0.511 mm；R为被测钢球半径，为1.75 mm。

代入数据后得，直径方向变形量∆=0.16 mm

通过对Φ3.5钢球匀速加载到7 kN过程中，钢球所受的应力与应变成正比，未出现明显屈服点，此阶段为弹性阶段,根据试验装夹条件，六个接触位置中有5个接触点，各点处应力相同，故变形量相同。通过对应力-应变数据曲线进行分析，当应力为560MPa时,应变为0.6%，中间钢球存在如下的应力-应变关系。

其中：ε 为三个钢球总应变值；σ为实际变形对应的理论应力值；ε1为中间钢球应变值；E为黑色金属弹性模量，2.1×105MPa。

可知应变ε=0.6% ，理论应力σ=504 MPa，而实际应力值560 MPa，超过了理论应力值。综上所述，此次试验的Φ3.5钢球压碎载荷值满足了标准要求，能够达到7 kN的压碎载荷，也证明了设计专用装置可以满足钢球压碎载荷的测试要求。此外，为验证该规格钢球实际压碎载荷值，当持续加载至12 kN时，钢球出现了破裂。

4 结语

本文提供了一种可行的验证钢球压碎载荷的实验方式，可快速、准确的测试钢球压碎载荷，具有较高的操作性，可满足不同钢球直径的测试，对于小钢球（直径小于2 mm）只需要控制V型块和压板的间隙，同样满足测试条件。