圓柱滾子失效原因分析

許明奇，鄭紅威，曲瓊

(洛陽(yáng)LYC軸承有限公司 技術(shù)中心，河南 洛陽(yáng) 471039)

1 問(wèn)題的提出

滾子軸承因承載能力大，摩擦因數(shù)小，高速運(yùn)轉(zhuǎn)性能優(yōu)越而廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)、車(chē)輛及機(jī)床主軸等領(lǐng)域。現(xiàn)代圓柱滾子軸承由于有限元技術(shù)的應(yīng)用，對(duì)其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化，再加上材料性能及制造精度的提高，使得圓柱滾子軸承的壽命得到不斷提高。

滾子作為軸承的關(guān)鍵零件，其制造精度和質(zhì)量直接影響軸承的動(dòng)態(tài)性能和使用壽命。圓柱滾子根據(jù)素線形式(滾子修形曲線)的不同主要分為直素線滾子、全圓弧滾子、圓弧修緣滾子(中間直線兩端圓弧修形)和對(duì)數(shù)曲線滾子4種類(lèi)型。不同形式修形滾子與滾道接觸時(shí)的應(yīng)力分布如圖1所示。

由圖1可知，直素線滾子與滾道接觸時(shí)，由于滾子端部突變的倒角產(chǎn)生邊緣效應(yīng)，導(dǎo)致應(yīng)力集中[2-3]；全圓弧滾子能夠起到類(lèi)似調(diào)心的作用，不僅可以消除或減小邊緣效應(yīng)，還能有效消除或減小軸偏斜引起的端部應(yīng)力集中，不足之處是滾子實(shí)際接觸長(zhǎng)度減小，造成滾子中部應(yīng)力明顯高于兩端，對(duì)軸承的疲勞壽命產(chǎn)生一定的影響；圓弧修緣滾子的最大接觸應(yīng)力小于同載荷下的全圓弧滾子，耐疲勞性能更好，國(guó)內(nèi)外航空?qǐng)A柱滾子軸承多采用這種修形滾子；對(duì)數(shù)曲線滾子在同等載荷作用下，不僅可以消除邊緣效應(yīng)，而且可以使?jié)L子在有效接觸長(zhǎng)度范圍內(nèi)應(yīng)力分布均勻，其素線上各點(diǎn)的凸度坐標(biāo)值依據(jù)軸承承受的載荷進(jìn)行設(shè)計(jì)，載荷越大，凸度值越大，缺點(diǎn)是加工及檢測(cè)成本高。

圖1 不同形式的修形滾子與滾道接觸時(shí)的應(yīng)力分布

4種圓柱滾子中圓弧修緣滾子應(yīng)用最為廣泛，因此，主要針對(duì)圓弧修緣滾子軸承在試驗(yàn)期間出現(xiàn)的滾子表面剝落現(xiàn)象進(jìn)行失效分析。軸承安裝于某傳動(dòng)系統(tǒng)，隨減速器完成第一、第二階段TBO試驗(yàn)，軸承實(shí)際累計(jì)工作時(shí)間為367 h，低于設(shè)計(jì)壽命值。試驗(yàn)軸承套圈及滾子材料均為GCr15軸承鋼，回火溫度為250 ℃。試驗(yàn)后將軸承分解，并對(duì)套圈、保持架及滾子進(jìn)行相關(guān)檢驗(yàn)，結(jié)果顯示套圈及保持架完好，但發(fā)現(xiàn)有1粒滾子表面存在小面積剝落。

2 檢測(cè)與分析

2.1 宏觀檢查

宏觀檢查結(jié)果如圖2所示，滾子表面工作區(qū)域均存在寬度約10 mm的磨損區(qū)域(位于滾子直線范圍內(nèi))，在30粒滾子中，發(fā)現(xiàn)有1粒滾子(記為1#)在弧坡與直線相交處存在約2 mm×2 mm的剝落區(qū)域(圖3)，其他滾子未見(jiàn)明顯剝落痕跡。任取2粒滾子(分別記為2#和3#)與1#滾子進(jìn)行對(duì)比觀察分析。

圖2 滾子表面磨損情況

圖3 產(chǎn)生表面剝落的1#滾子外觀形貌

2.2 微觀檢查

將滾子經(jīng)超聲波清洗、烘干后在掃描電鏡下進(jìn)行觀察，1#滾子表面剝落坑低倍形貌如圖4a所示，圖中白色箭頭所示方向?yàn)闈L子周向，剝落坑所在區(qū)域近似菱形，并沿箭頭方向長(zhǎng)度較大。滾子剝落坑高倍形貌可見(jiàn)沿軸向分布的貝殼狀疲勞剝落特征(圖4b)；沿滾子軸向?qū)o鄰剝落坑左右兩側(cè)的表面形貌進(jìn)行觀察，滾子表面剝落坑左側(cè)(即弧坡處)形貌如圖4c所示，表面較光滑，分布有沿周向的加工痕跡；滾子表面剝落坑右側(cè)(即直線處)呈鱗片狀剝落形貌(圖4d)。對(duì)2#，3#滾子進(jìn)行表面檢查，形貌分別如圖5、圖6所示。在滾子直素線與弧坡過(guò)渡處，滾子弧坡處所在區(qū)域表面光滑，而直素線所在表面均存在鱗片狀剝落凹坑。

圖4 1#滾子剝落坑形貌圖

圖5 2#滾子形貌圖

圖6 3#滾子形貌圖

2.3 淬、回火組織檢查

分別沿滾子縱、橫截面制取金相試樣，經(jīng)4%硝酸酒精溶液腐蝕后在顯微鏡下進(jìn)行觀察，滾子顯微組織由淬、回火馬氏體+細(xì)小殘留碳化物+少量殘余奧氏體組成。ZJB J11038—1993標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定淬、回火馬氏體為1～3級(jí)，網(wǎng)狀碳化物≤2.5級(jí)，檢查1#滾子的淬、回火馬氏體為3級(jí)，網(wǎng)狀碳化物為1級(jí)，合格。

2.4 硬度檢測(cè)

采用顯微硬度計(jì)對(duì)1#，2#和3#滾子基體材料進(jìn)行硬度檢測(cè)，并根據(jù)GB/T 1172—1999對(duì)硬度值進(jìn)行換算，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表1，符合ZJB J11038—1993標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 滾子硬度測(cè)試結(jié)果

2.5 滾子外形尺寸及剝落位置測(cè)量

(1)用多功能坐標(biāo)測(cè)量?jī)x對(duì)1#～3#滾子的弧坡處至直線段的外形尺寸進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果見(jiàn)表2。由表中結(jié)果可知，2#，3#滾子弧坡距離左右端面等距離位置的半徑變化量相近，而1#滾子弧坡距離左、右端面均為2 mm處，其左側(cè)半徑變化量?jī)H為右側(cè)變化量的二分之一。

表2 滾子外形尺寸測(cè)量結(jié)果

將所得數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和統(tǒng)計(jì)，處理后結(jié)果如圖7所示，圖中曲線為對(duì)應(yīng)弧坡處的近似形狀。由圖可知，在距離端面2 mm處，2#，3#滾子形狀及變化趨勢(shì)基本一致，而1#滾子右側(cè)弧坡處呈下凹形。

圖7 滾子沿半徑方向變化量對(duì)比圖

(2)中間各點(diǎn)半徑方向變化量均小于1 μm。

(2)用多功能坐標(biāo)測(cè)量?jī)x對(duì)1#滾子表面產(chǎn)生剝落的位置進(jìn)行測(cè)量，設(shè)靠近滾子表面剝落處的端面為坐標(biāo)原點(diǎn)，沿滾子軸向在剝落處標(biāo)記4個(gè)位置如圖8所示，x1～x4分別距端面距離為3.273,3.313,4.828,5.242 mm。發(fā)生剝落的位置位于沿滾子軸向距端面3.2 mm處，剝落區(qū)域長(zhǎng)度約為2.0 mm。由表2可知1#滾子弧坡與直線的過(guò)渡處距端面約3.5 mm，所以1#滾子剝落坑恰好處于弧坡與直線的過(guò)渡區(qū)，且主要分布在直線上。

除對(duì)產(chǎn)生剝落位置進(jìn)行測(cè)量外，對(duì)滾子表面形貌也進(jìn)行了整體觀察。圖8中滾子兩端黑色區(qū)域?yàn)闈L子端面倒角部分，光亮部分為弧坡部分，而中間的麻點(diǎn)狀區(qū)域在直線處，由此可見(jiàn)，剝落凹坑產(chǎn)生在弧坡與直線過(guò)渡處。

圖8 1#滾子表面剝落位置測(cè)量示意圖

3 結(jié)果分析及工藝改進(jìn)

通過(guò)對(duì)滾子宏觀和微觀形貌檢查結(jié)果可知，滾子與滾道接觸部位存在一定程度磨損和剝落，剝落區(qū)域呈貝殼狀，具有表面疲勞剝落的典型特征，由此可以確定滾子失效模式為表面起源型疲勞。

對(duì)滾子的弧坡與直線過(guò)渡處的尺寸測(cè)量結(jié)果表明，1#滾子較大剝落凹坑恰好位于弧坡與直線過(guò)渡區(qū)，與其他滾子(2#，3#滾子)以及1#滾子自身其他部位相比，1#滾子剝落坑附近的弧坡圓弧輪廓存在相對(duì)較明顯的起伏變化，并且1#滾子剝落坑處弧坡與直線交接處未形成圓滑過(guò)渡，受滾子形狀影響，運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中引起應(yīng)力集中，產(chǎn)生明顯的疲勞剝落凹坑。抽查的此批次滾子中，有個(gè)別滾子的圓弧與直線交接處不圓滑(圖9)，表明滾子加工質(zhì)量不夠穩(wěn)定，這是導(dǎo)致滾子失效的主要原因。

圖9 抽查滾子素線輪廓

重新試制滾子時(shí)采取了以下措施：對(duì)成形加工的專(zhuān)用超精輥進(jìn)行修磨，恢復(fù)精度；定人、定機(jī)加工，固化工藝；按比例抽檢滾子輪廓，保證滾子素線圓弧與直線交接處圓滑過(guò)渡。改進(jìn)后加工的滾子輪廓如圖10所示，軸承順利通過(guò)了臺(tái)架試驗(yàn)，工作正常，性能良好。

圖10 改進(jìn)后的滾子素線輪廓

4 結(jié)論

試驗(yàn)軸承滾子的失效模式為表面起源型疲勞剝落，圓弧與直線交接處不圓滑是導(dǎo)致滾子失效的主要原因，建議在加工圓弧修緣滾子時(shí)采用定制專(zhuān)用的超精輥進(jìn)行成形加工。