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）

　　摘　要：針對(duì)采用圓弧修緣素線圓柱滾子軸承試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)的滾子表面剝落問(wèn)題，采用宏觀檢查、微觀分析、金相和硬度檢驗(yàn)以及尺寸測(cè)量等方法對(duì)失效圓柱滾子進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，修緣滾子直線部分與圓弧處不圓滑過(guò)渡是導(dǎo)致其剝落的主要原因。經(jīng)工藝改進(jìn)后軸承工作正常，性能良好。

　　關(guān)鍵詞：圓柱滾子軸承；圓弧修緣滾子；剝落；失效分析

　　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Z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。

　　4種圓柱滾子中圓弧修緣滾子應(yīng)用Z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、第二階段TBO試驗(yàn)，軸承實(shí)際累計(jì)工作時(shí)間為367h，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10mm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2mm×2mm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。

　　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。

　　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。ZJBJ11038-1993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/T1172-1999對(duì)硬度值進(jìn)行換算，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表1，符合ZJBJ11038-1993標(biāo)準(zhǔn)要求。

　　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2mm處，其左側(cè)半徑變化量?jī)H為右側(cè)變化量的二分之一。

　　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2mm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。

　　（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3.273，3.313，4.828，5.242mm。發(fā)生剝落的位置位于沿滾子軸向距端面3.2mm處，剝落區(qū)域長(zhǎng)度約為2.0mm。由表2可知1^#滾子弧坡與直線的過(guò)渡處距端面約3.5mm，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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　參考文獻(xiàn)：

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來(lái)源：《軸承》2014年8期