精密機(jī)床主軸軸承早期失效分析

申陽，張曉鵬，何峰濤

(1.洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039；2.國家軸承質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，河南 洛陽 471039)

精密機(jī)床主軸軸承的運(yùn)轉(zhuǎn)精度要求較高，因此在正常使用過程中，一般將軸承的精度壽命作為其基本額定使用壽命，即軸承能保持其穩(wěn)定精度的工作時(shí)間。為保證機(jī)床精度，本公司通常建議每1 500 h左右對精密機(jī)床主軸軸承進(jìn)行維護(hù)更換，即認(rèn)為軸承精度壽命應(yīng)在1 500 h左右。對于未達(dá)此壽命的主軸軸承，均可認(rèn)為其出現(xiàn)了早期失效。通過對早期失效軸承的分析，希望能夠找出引起軸承失效的不良因素，提出改進(jìn)措施，從而延長軸承使用壽命。

1 主要失效形式

精密機(jī)床主軸軸承失效主要以剝落和異常磨損2種形式出現(xiàn)，此外還有燒傷、軸承破損及銹蝕等失效形式。對于各類失效形式單獨(dú)討論，有助于揭示軸承早期失效的誘因，以便提出針對性的解決方法。

1.1 異常剝落

異常剝落多發(fā)生于軸承使用中期甚至是早期，與疲勞剝落形成原因相比，異常剝落多是由于安裝不當(dāng)、潤滑不良、選型和預(yù)載荷不當(dāng)及承受載荷過大等因素引起。分析此類剝落形成原因可獲得機(jī)床整體信息。下面介紹幾種常見的異常剝落。

(1)圖1為角接觸球軸承剝落出現(xiàn)在溝道非正常工作面。軸承正常工作時(shí)，其滾動(dòng)接觸面固定，非工作面不存在接觸，因而不會(huì)發(fā)生剝落。而現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)軸承溝道非正常工作面出現(xiàn)了剝落，懷疑這是軸承在安裝時(shí)不對中，或主軸的翹曲度過大以及軸承座加工精度不良所致。

圖1 不對中造成的軸承剝落

(2)圖2為受到?jīng)_擊載荷后，軸承溝道出現(xiàn)壓痕引起剝落。圖2a中軸承套圈溝道出現(xiàn)球形壓痕，痕跡較為光亮，其分布間距與鋼球間距相同，因而可判斷此壓痕為鋼球受到外界沖擊載荷(如軸承安裝時(shí)鋼球受力過大)與溝道面接觸所致，通常稱這種壓傷為布氏壓痕。在溝道面出現(xiàn)壓痕后，軸承轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，鋼球每滾過一個(gè)壓痕就產(chǎn)生一次沖擊，對壓痕產(chǎn)生一次碾壓作用。外載荷越大，碾壓力就越大，在短時(shí)間內(nèi)，壓痕就會(huì)產(chǎn)生片層狀的疲勞剝落。圖2b為布氏壓痕導(dǎo)致的剝落。

圖2 沖擊載荷造成的軸承失效

(3)配對使用的角接觸球軸承，若在其壽命早期，溝道工作面就出現(xiàn)疲勞剝落，除懷疑軸承鋼材內(nèi)部非金屬夾雜和組織不均勻等問題外，還應(yīng)對配對軸承預(yù)加載荷進(jìn)行分析，過大的預(yù)加載荷同樣會(huì)造成軸承早期疲勞剝落。此外，對單套軸承出現(xiàn)早期疲勞剝落也應(yīng)綜合分析，確定是否存在軸承承受載荷過大的問題。

1.2 異常磨損

1.2.1 潤滑不良

圖3是良好潤滑條件下的光亮軌跡，軌跡較為清晰。圖4為不良潤滑工作條件下的套圈工作軌跡，整個(gè)運(yùn)行軌跡顏色昏暗，極為粗糙。放大后可以看到，整個(gè)磨損區(qū)域由密集的麻點(diǎn)構(gòu)成，表明此時(shí)溝道上已經(jīng)出現(xiàn)了表層剝落，通常將其歸類為點(diǎn)蝕。因軸承工作時(shí)除了滾動(dòng)外，還不可避免地出現(xiàn)相對滑動(dòng)，潤滑油膜的作用就是將鋼球與溝道面隔開，降低因摩擦引起的疲勞剝落。大面積點(diǎn)蝕的出現(xiàn)，說明在工作中，鋼球與套圈之間油膜不足以將兩者隔離，鋼球與溝道面直接接觸，從而出現(xiàn)早期疲勞剝落。

圖3 良好脂潤滑條件下套圈的工作軌跡

圖4 不良脂潤滑條件下套圈的工作軌跡

1.2.2 微動(dòng)磨損

圖5中軸承套圈內(nèi)徑面上出現(xiàn)紅褐色磨損痕跡，且存在紅褐色粉末。因軸承內(nèi)徑與軸之間為過盈配合，工作時(shí)軸承內(nèi)圈與軸同步旋轉(zhuǎn)，正常情況下兩者之間相對運(yùn)動(dòng)量極小，可認(rèn)為基本處于相對靜止?fàn)顟B(tài)。但是當(dāng)過盈量不足時(shí)，軸承內(nèi)圈與軸之間會(huì)出現(xiàn)相對反復(fù)的微小滑動(dòng)，通常稱這種因微小滑動(dòng)引起的磨損為微動(dòng)磨損。微動(dòng)磨損中出現(xiàn)紅褐色金屬屑，說明原本因法向壓力而處于粘著狀態(tài)的兩接觸面，因?yàn)槲⑿』瑒?dòng)使粘著區(qū)被破壞，有金屬顆粒從零件表面被拉拽下來或表面被擦傷，引發(fā)粘著磨損。粘著磨損中出現(xiàn)的磨粒又引發(fā)磨粒磨損，造成套圈內(nèi)徑沿滑動(dòng)方向出現(xiàn)劃痕。因而微動(dòng)磨損可認(rèn)為是由粘著磨損和磨粒磨損共同作用形成。

圖5 軸承內(nèi)徑微動(dòng)磨損

1.2.3 蠕動(dòng)

圖6為內(nèi)圈端面發(fā)生蠕動(dòng)的結(jié)果。蠕動(dòng)多為軸承配合面上出現(xiàn)間隙，導(dǎo)致兩配合面圓周方向發(fā)生相對滑動(dòng) ，使配合面上產(chǎn)生磨損。發(fā)生蠕動(dòng)的配合面上呈現(xiàn)鏡面狀的光亮色或暗淡色，蠕動(dòng)部位與零件原表面有明顯區(qū)別。

圖6 內(nèi)圈端面蠕動(dòng)

1.2.4 偽布氏壓痕

分析軸承早期失效時(shí)會(huì)在溝道面上發(fā)現(xiàn)圖7中所示的壓痕，其外觀與布氏壓痕類似，但是仔細(xì)觀察會(huì)發(fā)現(xiàn)壓痕附近有軸向劃痕，且壓痕特別粗糙，通常將這種壓痕稱為偽布氏壓痕。此類壓痕造成的軸承失效多為機(jī)床調(diào)試完畢，運(yùn)達(dá)用戶處發(fā)現(xiàn)或機(jī)床停機(jī)后再啟動(dòng)時(shí)發(fā)現(xiàn)，故根據(jù)其產(chǎn)生的時(shí)間段分析，可以排除因軸承安裝時(shí)外力敲擊所致。此類壓痕應(yīng)是在機(jī)床靜止時(shí)產(chǎn)生，即當(dāng)機(jī)床靜止時(shí)，若受到振動(dòng)，將導(dǎo)致機(jī)床部件在滾動(dòng)接觸區(qū)的微小運(yùn)動(dòng)，使機(jī)床部件進(jìn)入微動(dòng)磨損的狀態(tài)，隨著振動(dòng)持續(xù)，微動(dòng)磨損進(jìn)一步發(fā)展，最終會(huì)形成偽布氏壓痕。

圖7 偽布氏壓痕

1.3 燒傷

燒傷是主軸軸承最容易判斷的一種失效形式，一旦出現(xiàn)套圈、鋼球變色，均可認(rèn)為軸承發(fā)生燒傷，處于報(bào)廢狀態(tài)。圖8為一組軸承燒傷照片，其中保持架(材料為酚醛層壓布管)已經(jīng)斷裂，溝道面及鋼球均已嚴(yán)重變色。軸承運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，溫度依次為鋼球最高，內(nèi)圈次之，外圈最低，故鋼球變色最為嚴(yán)重，因高溫而碳化損傷。造成燒傷的主要因素為軸承預(yù)加載荷過大，潤滑冷卻不良以及安裝不當(dāng)?shù)取?/p>

圖8 軸承燒傷

1.4 其他失效形式

精密機(jī)床主軸軸承早期失效形式還有破損、裂紋及銹蝕等。

破損主要是由于安裝不當(dāng)，過大的沖擊載荷導(dǎo)致軸承零件損傷。

裂紋主要是由過大的沖擊載荷、過大的過盈量以及內(nèi)部裂紋和剝落的擴(kuò)展所致。而剝落的擴(kuò)展可能導(dǎo)致軸承斷裂。

銹蝕主要由潮濕環(huán)境及防銹不當(dāng)引起，微動(dòng)磨損也能造成軸承銹蝕。

2 解決措施

對于軸承的早期失效，可以從以下幾個(gè)方面入手：

(1) 正確選型，合理設(shè)計(jì)。避免因過載等原因造成軸承失效。

(2) 正確地安裝，避免在安裝時(shí)滾動(dòng)體受力過大。

(3) 良好的潤滑，選擇黏度適合的潤滑脂，并嚴(yán)格控制填脂量。一般推薦注脂量占軸承自由空間的15%～25%。

(4) 檢查軸承安裝相關(guān)部件，保證軸承工作時(shí)處于均勻受力狀態(tài)。

(5) 對配對使用的軸承，應(yīng)選擇合適的預(yù)緊力。

(6) 定期維護(hù)，及時(shí)更換達(dá)到使用壽命的軸承。

3 結(jié)束語

通過上述幾種常見的機(jī)床主軸軸承早期失效形式，可以看出造成軸承失效的原因是多方面的。只有對失效進(jìn)行認(rèn)真分析，才能準(zhǔn)確地找出原因，并提出相應(yīng)的改進(jìn)措施，最終達(dá)到延長軸承使用壽命的目的。