某型絲杠軸承的失效分析

王坤

(舍弗勒大中華區(qū) 舍弗勒貿(mào)易(上海)有限公司，上海 201804)

隨著數(shù)控機(jī)床工作精度和速度等要求日益提高，高精度絲杠軸承在機(jī)床行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。軸承精度、安裝配合和溫升決定了機(jī)床驅(qū)動(dòng)單元的精度，從而影響著機(jī)床的加工精度。軸承失效后簡(jiǎn)單更換并不能排除再次失效的風(fēng)險(xiǎn)，需要分析失效原因并加以改進(jìn)，旨在主動(dòng)改善軸承生命周期，防止由相同原因?qū)е碌脑偈А?/p>

1 絲杠軸承安裝工況

圖1為某機(jī)床廠家的絲杠軸承布置圖，具體參數(shù)為：絲杠φ40 mm×10 mm;長(zhǎng)度800 mm;立式安裝;承載3 000 N。圖中①、③處軸承均為FAG ZKLF3080;②處軸承為FAG ZKLF2575。軸系溫升未知，預(yù)拉伸量未知。

圖1 典型絲杠軸承布置圖

2 失效情況

據(jù)用戶反映，機(jī)床在運(yùn)行一段時(shí)間后軸承出現(xiàn)失效，導(dǎo)致機(jī)床不能正常運(yùn)行。經(jīng)拆解發(fā)現(xiàn)，ZKLF2575軸承外圈內(nèi)側(cè)滾道及內(nèi)圈外側(cè)滾道均產(chǎn)生剝落，且內(nèi)圈出現(xiàn)滑動(dòng)痕跡[1]，詳細(xì)情況如圖2所示。

圖2 失效軸承照片

3 失效原因分析

根據(jù)失效絲杠參數(shù)，假設(shè)溫升為5 ℃，則因溫升產(chǎn)生的絲杠預(yù)拉伸力F為

F=ΔlAE/l，

Δl=ΔKαl，

(1)

式中:Δl為絲杠預(yù)拉伸量；A為絲杠軸的截面積；E為彈性模量，210 GPa；ΔΚ為溫度變化量；α為熱膨脹系數(shù)，11.7 μm/(m-1·℃-1)。將已知數(shù)據(jù)代入(1)式，經(jīng)計(jì)算得溫升為5 ℃時(shí)產(chǎn)生的力F=15 438 N。

根據(jù)FAG軸承樣本中的軸承承載能力圖[2-3]，絲杠軸承ZKLF2575的極限承載力約為5 500 N，而軸系溫升產(chǎn)生的力達(dá)到15 438 N，遠(yuǎn)大于軸承的極限承載能力，從而導(dǎo)致軸承早期失效。通過(guò)分析和計(jì)算，失效原因?yàn)榻z杠在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中溫升過(guò)大，絲杠伸長(zhǎng)，增加了軸承的載荷，導(dǎo)致軸承發(fā)生失效。

4 Bearinx軟件分析

Bearinx軟件為舍弗勒集團(tuán)公司開(kāi)發(fā)的高效軸承計(jì)算與分析軟件，該軟件能詳細(xì)分析滾動(dòng)軸承的支承結(jié)構(gòu)、軸系、直線導(dǎo)軌系統(tǒng)中的單個(gè)軸承直至整個(gè)齒輪變速系統(tǒng)。所有計(jì)算均采用一致的計(jì)算模型，即使對(duì)于復(fù)雜的齒輪系統(tǒng)，每個(gè)滾動(dòng)體的接觸應(yīng)力都可以計(jì)算。

用Bearinx軟件建立的絲杠模型如圖3所示，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。表中Lh10(kf)為基本額定壽命，系數(shù)kf為當(dāng)量載荷與額定載荷的比值；S0min為最小靜態(tài)安全系數(shù)。計(jì)算過(guò)程中設(shè)定載荷為3 000 N；轉(zhuǎn)速為500 r/min。

圖3 Bearinx軟件建立的絲杠模型

表1 軸承壽命

通過(guò)Bearinx軟件計(jì)算得到絲杠運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中失效軸承在表1的3種工況下的最大Hertz應(yīng)力曲線如圖4～圖6所示。圖中縱坐標(biāo)為最大Hertz接觸應(yīng)力，由圖可知，溫升會(huì)加大軸承的接觸應(yīng)力，同時(shí)大大降低軸承的壽命，故必須控制絲杠運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中的溫升或增加絲杠的預(yù)拉伸量，以補(bǔ)償絲杠溫升帶來(lái)的影響，綜合考慮接觸應(yīng)力值和壽命要求，建議增加0.02～0.03 mm的預(yù)拉伸量。

圖4 無(wú)溫升時(shí)最大Hertz應(yīng)力曲線

圖5 5 ℃溫升時(shí)最大Hertz應(yīng)力曲線

圖6 5 ℃溫升+3 ℃拉伸時(shí)最大Hertz應(yīng)力曲線

絲杠軸承出現(xiàn)預(yù)載過(guò)大的情況，除了可以通過(guò)上述方法補(bǔ)償，還可以通過(guò)優(yōu)化結(jié)構(gòu)、增加碟形彈簧(類似于彈性預(yù)緊)來(lái)改善溫升對(duì)軸承的影響，其結(jié)構(gòu)如圖7所示，目前該結(jié)構(gòu)在很多日系機(jī)床上已成功應(yīng)用。

圖7 改進(jìn)前后的絲杠結(jié)構(gòu)示意圖

5 結(jié)論

(1)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中溫升過(guò)高是導(dǎo)致絲杠軸承失效的原因。

(2)為了補(bǔ)償絲杠溫升帶來(lái)的影響，綜合考慮接觸應(yīng)力值和壽命要求，給出典型絲杠預(yù)拉伸量的建議值為0.02～0.03 mm。此外還可以通過(guò)優(yōu)化結(jié)構(gòu)、增加碟形彈簧(類似于彈性預(yù)緊)來(lái)改善絲杠軸承溫升的影響。