沖壓外圈圓柱滾子軸承失效分析

沖壓外圈圓柱滾子軸承(Drawn Cup Roller Bearing)，是一種新型徑向軸承。與傳統(tǒng)圓柱滾子軸承CRB(Cylinder Roller Bearing)相比，沖壓外圈圓柱滾子軸承省去了內(nèi)圈結(jié)構(gòu)，通常需要配合支撐軸，用經(jīng)過磨削處理的軸頸部位取代傳統(tǒng)內(nèi)圈。軸承結(jié)構(gòu)如圖1-1所示，傳統(tǒng)圓柱軸承中的外圈是通過管件或者鍛造件機加工而成，再經(jīng)過一系列車削、磨削工藝制造而成。沖壓外圈圓柱滾子軸承的外圈是由優(yōu)質(zhì)鋼板精密沖壓成型。在同等承載能力下，外圈更薄

，且無內(nèi)圈設(shè)計，質(zhì)量更輕，占據(jù)變速箱空間更小，能更好地實現(xiàn)變速箱整體輕量化和小型化的設(shè)計目標(biāo)。本文以某小扭矩6速DCT變速箱開發(fā)項目為依托，本文所討論的沖壓外圈圓柱滾子軸承位于輸出軸前端?？偣?5臺變速箱進(jìn)行了耐久測試，僅有37%的軸承達(dá)到計算壽命，其余均出現(xiàn)早期失效。本文通過失效分析，找出軸承失效根本原因，并對整改對策進(jìn)行研究。

1 沖壓外圈圓柱滾子軸承介紹

傳統(tǒng)圓柱滾子軸承生產(chǎn)過程為：

從根本上來說，現(xiàn)如今的老年人拒絕再做子女的“免費保姆”，開始提出“有償帶孫”的要求，實際上反映出的是社會經(jīng)濟關(guān)系、養(yǎng)老機制改變對家庭倫理關(guān)系的沖擊。因為以前是父母幫子女帶孩子，父母老了以后子女再承擔(dān)贍養(yǎng)父母的責(zé)任，這其中多少有一種“等價互換”的成分在里面。而現(xiàn)在很多老人老有所依之后不再依賴傳統(tǒng)的“養(yǎng)兒防老”，這也是社會發(fā)展、時代進(jìn)步的體現(xiàn)。那么作為子女，只要條件允許，給父母一些“親情補貼”，讓父母能夠體會到自己勞動的價值所在，順便也讓父母手頭寬裕一些，心里的安全感多一些，又有什么不好呢？

在我國，官民往往屬于一種上下級的關(guān)系?！肮賳T一向高高在上，對于普通民眾來說，具有某種神秘色彩。官員與民眾的這種關(guān)系形成了與之相適應(yīng)的官民對話體系?！盵4]微博的出現(xiàn)在很大程度上消解了這種不平等，使得話語權(quán)得到重新分配。但許多官員很難適應(yīng)這種改變，在微博上發(fā)布信息時依然表現(xiàn)出日常工作中形成的官方姿態(tài)。

內(nèi)圈：鍛造→車加工→熱處理→內(nèi)圓磨→端面磨削→擋邊磨削→滾道磨削→擋邊超精→滾道超精。

外圈：鍛造→車加工→熱處理→外圓磨→端面磨→擋邊磨削→滾道磨削→擋邊超精→滾道超精。

對失效軸承的數(shù)量和失效形式進(jìn)行統(tǒng)計，如表2-1所示。從軸承應(yīng)用位置分布來看，G位置失效軸承17件，D位置失效軸承8件，說明G位置軸承發(fā)生失效的概率大于D位置。從材料剝落的位置來看，80%的材料剝落發(fā)生在外圈滾道面，52%發(fā)生在軸頸面，32%的材料剝落同時出現(xiàn)內(nèi)外圈滾道面。但從這組失效數(shù)據(jù)，無法分析出真正的剝落起源。另發(fā)現(xiàn)2例滾子表面材料剝落的情況，通常，滾子剝落案例較少，原因是滾動體本身硬度高于外圈和內(nèi)圈

。

根據(jù)以上測量方法，從軸承不同生產(chǎn)批次中隨機抽取1件樣品進(jìn)行檢測。其中批次2的樣本量較大，所以將其分為4組，從每組取樣1件檢測。測量結(jié)果如表2-2所示，各批次樣品表面硬度及滲碳層深度均在設(shè)計要求范圍內(nèi)。

外圈：沖壓(鋼帶)→熱處理→局部退火→內(nèi)壁拋光

裝配：保持架裝配→滾子裝配→卷邊→檢測→清洗防銹→包裝

首先加載特定的轉(zhuǎn)速，再施加設(shè)定好的徑向載荷，在保證潤滑條件良好的情況下，監(jiān)測測試軸承溫度和噪音的變化。測試條件參數(shù)設(shè)置如表3-1所示。

質(zhì)量控制方面，冷沖壓工藝通過沖壓機和模具的配合，實現(xiàn)金屬材料塑性變形或者分離，沖壓模具保證了產(chǎn)品的尺寸一致性和互換性。此外，金屬材料在沖壓時發(fā)生冷作硬化效應(yīng)，使軸承外圈表面硬度增加，使產(chǎn)品具有較好的機械性能。傳統(tǒng)圓柱滾子軸承使用機加工工藝雖然耗時較長，但能達(dá)到較好精度；而沖壓工藝容易帶來壁厚不均勻，圓度不一致等問題，依賴于沖壓設(shè)備和模具精度

。

原材料使用方面，冷沖壓要求鋼材具有良好塑性和韌性，而傳統(tǒng)圓柱滾子軸承制造的機加工工藝對材料的適用性更廣

。

軸承應(yīng)用方面，沖壓工藝對軸承尺寸有一定要求。寬度越寬，壁厚越厚的軸承，越容易出現(xiàn)外圈擠壓破裂等現(xiàn)象。另外沖壓外圈圓柱滾子軸承沒有內(nèi)圈，使得殼體與軸承的安裝操作更簡單

，減少操作時間。

然而，在當(dāng)前的數(shù)學(xué)教學(xué)過程中，很多教師因為數(shù)形結(jié)合的教學(xué)意識不強、疏于對數(shù)形結(jié)合教學(xué)技能的練習(xí)，無法在教學(xué)過程中準(zhǔn)確、規(guī)范、清晰、高效的繪制出便于學(xué)生理解與記憶的圖形。很多教師仍然沿用過去死記硬背、題海戰(zhàn)術(shù)的教學(xué)方法，學(xué)生的積極性在復(fù)雜繁重又提高不明顯的數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)過程中時常受到打擊，教育教學(xué)的水平成績始終得不到長足發(fā)展和進(jìn)步。

2 軸承失效分析

2.1 失效狀態(tài)及數(shù)據(jù)

本文所描述的軸承失效表現(xiàn)如下：

(1)外圈滾道面出現(xiàn)嚴(yán)重材料剝落，如圖2-1(a)所示；

(2)與軸承配合的軸頸出現(xiàn)嚴(yán)重材料剝落，如圖2-1(b)所示；

(3)少數(shù)滾子表面出現(xiàn)材料剝落的痕跡，如圖2-1(c)所示；

(4)滾動體表面存在磕碰傷：在部分失效軸承中，發(fā)現(xiàn)滾動體表面出現(xiàn)一定深度和長度的磕碰傷，如圖2-1(d)所示；

例4 (2017年重慶中考A卷第18題)如圖6，正方形ABCD中，AD=4，點E是對角線AC上一點，連接DE，過點E作EF⊥ED，交AB于點F，連接DF，交AC于點G，將△EFG沿EF翻折，得到△EFM，連接DM，交EF于點N，若點F是AB的中點，則△EMN的周長是________．

裝配：內(nèi)/外圈與保持架和滾子的裝配→檢測→清洗防銹→包裝。

外圈滾道輪廓的檢測方法是，在沒有滾子和保持架的情況下，將熱處理后的外圈進(jìn)行卷邊。并壓入對應(yīng)變速箱殼體內(nèi)徑的定制環(huán)規(guī)檢具中，如圖2-2所示。使用精密測量儀分別對壓入后的外圈內(nèi)壁輪廓進(jìn)行描繪。

2.2 軸承批次間質(zhì)量參數(shù)排查

2.2.1 硬度及滲碳層深度

通常使用布氏硬度或維氏硬度評價材料表面硬度。布氏硬度(HB)是用一定大小的載荷把鋼性壓頭壓入被測金屬材料表面，保持一段時間后，計算載荷與壓痕表面積的比值。維氏硬度是將規(guī)定角度的正四棱錐體金剛石壓頭在一定載荷下壓入材料表面，測量壓痕對角線長度，維氏硬度值(HV)與載荷除以壓痕表面積的商成正比。本文采用維氏硬度對材料表面硬度進(jìn)行評價。

測量滲碳層深度的方法是根據(jù)零件橫切面的硬度梯度繪制硬度分步曲線，最后選擇硬度為550HV處的深度，測量其與表面的距離。

沖壓外圈圓柱滾子軸承生產(chǎn)過程：

公路路基路面防水施工直接關(guān)系到公路工程的整體質(zhì)量，在汛期雨水量較大時，雨水滲透到公路路基極易導(dǎo)致公路路基路面發(fā)生嚴(yán)重的沉降，使路面形成裂縫，更為嚴(yán)重時還會導(dǎo)致路基整體沉陷。而公路路基路面防水施工能夠有效提升了公路路基路面的防水性能，提升了公路工程的整體質(zhì)量，對保證人們安全出行有重要意義。

2.2.2 外圈滾道輪廓

從當(dāng)前的數(shù)據(jù)來看，無法分析出失效起源。但由于G位置材料剝落概率最高，所以著重分析G位置軸承。

5)成果數(shù)據(jù)導(dǎo)出。將服務(wù)器中更新好的1∶250 000 DLG數(shù)據(jù)庫導(dǎo)出為FILE GEODATABASE格式，并按目錄組織結(jié)構(gòu)整理成果數(shù)據(jù)[1]。

如圖2-3(a)和圖2-3(b)所示，分別對檢測樣本0°和90°方向輪廓進(jìn)行描繪。對比發(fā)現(xiàn)，批次2中的軸承在外圈滾道存在明顯的材料堆積，堆積高度約為5μm。在滾道面的材料堆積很容易造成軸承應(yīng)力集中。應(yīng)力集中，是指零件在受力時，由于截面的變化，導(dǎo)致局部應(yīng)力急劇增大的現(xiàn)象。應(yīng)力集中一般產(chǎn)生在缺口、溝槽處。如圖2-3所示，卷邊凹槽附近的材料堆積如果直接與滾動體接觸，會導(dǎo)致接觸線上應(yīng)力重新分配，在材料堆積處形成應(yīng)力波峰。當(dāng)滾子反復(fù)通過承載區(qū)，局部應(yīng)力最終超過材料疲勞極限時，材料開始出現(xiàn)早期疲勞，逐步產(chǎn)生材料剝落和擴散。因此提出假設(shè)：外圈滾道輪廓異常是導(dǎo)致軸承失效的主要原因。

測試結(jié)果如表3-2所示。結(jié)果顯示NG組1和組2都沒有通過測試。其中，3個測試軸承出現(xiàn)外圈滾道剝落現(xiàn)象。NG-3在199.7小時處尚未發(fā)現(xiàn)明顯失效痕跡，但由于與NG-4處于同一測試裝置中，所以無法單獨再進(jìn)行測試。

3 實驗驗證

3.1 滾子磕碰傷測試

為了驗證滾子表面磕碰傷對軸承壽命的影響，從同一批次中，隨機抽取8件軸承樣本，分成4組，其中1組和2組為NG軸承組，3組和4組為OK軸承組。OK軸承組使用表面無明顯磕碰傷的滾子。NG軸承組使用的滾子表面有長度大于800μm的磕碰傷，如圖3-1所示。

將軸承分別安裝到軸承測試臺架中，軸承頂部裝有溫度傳感器，可以監(jiān)控測試過程中的溫度變化。臺架中同時具備壓入加載裝置和加速傳感器，可以實現(xiàn)對加載壓力和轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。

如上所述，沖壓外圈圓柱滾子軸承縮短了軸承制造加工時間，減少生產(chǎn)設(shè)備數(shù)量、生產(chǎn)人員。減少材料浪費，以及多道生產(chǎn)工藝帶來的高報廢率，生產(chǎn)質(zhì)量更穩(wěn)定，效率更高，降低了生產(chǎn)成本。

話是這么說，結(jié)婚二十多年了，夫妻還是相親相愛的。磚子連忙從抽屜里翻出一張老人頭，匆匆趕往大閘口，買來了夫人的指令，另加了他的偏愛：花生米、熗百頁、豬耳朵。返途遇熟人，搭幾句話，到家，趙仙童的菜已做好。

組和

組都通過了測試，并且軸承滾道沒有發(fā)現(xiàn)材料剝落的跡象。而

組和

組中

/

的軸承出現(xiàn)剝落，如圖

所示。根據(jù)該實驗結(jié)果可以能得出結(jié)論：軸承滾動體上的磕碰傷會導(dǎo)致軸承失效。

（1）工程可行性研究報告。投資決策階段的工程可行性研究報告（項目建議書，含估算）確定了項目建設(shè)內(nèi)容和投資資金，為保證后期的建設(shè)施工的順利開展和資金的科學(xué)預(yù)留，要充分重視前期的現(xiàn)場查勘和地質(zhì)勘查。

我國爬升模板的研發(fā)晚于國外發(fā)達(dá)國家，80年代末，爬模施工技術(shù)應(yīng)用于橋梁及高層建設(shè)。至今爬模施工技術(shù)方法得到了明顯的提升。在很多橋梁高層建筑施工中應(yīng)用得到廣泛推廣。但對爬模的研發(fā)及施工工藝方面與國外發(fā)達(dá)國家相比仍存在很大差距。國內(nèi)爬模設(shè)備模塊化及規(guī)范化水平不高，需向國外先進(jìn)的爬模工藝技術(shù)學(xué)習(xí)。

3.2 外圈輪廓對軸承壽命影響測試

通過修改卷邊工藝參數(shù)，獲得一批滾道輪廓為理想狀態(tài)的軸承，如圖3-3所示。將修正后的軸承安裝到4個變速箱殼體中，并對變速箱進(jìn)行標(biāo)記。通過變速箱耐久測試驗證軸承滾道輪廓對軸承壽命的影響。測試結(jié)果如表3-3所示，所有變速箱都通過測試。

由此可判斷，軸承失效的主要原因是外圈滾道輪廓異常。

4 結(jié)論

根據(jù)上述研究可得出如下結(jié)論：

(1)壓入力的變化都沒有改變軸承失效的狀態(tài)，因此判定壓入力不是導(dǎo)致軸承失效的原因。

(2)滾子表面磕碰傷尺寸在800μm以上時，在軸承壽命測試中出現(xiàn)大批量軸承失效，因此判定滾子表面磕碰傷是導(dǎo)致軸承失效的原因。

圓柱殼軸壓屈曲臨界載荷試驗值與模擬值偏差30.8%，開孔圓柱殼軸壓屈曲臨界載荷試驗值與模擬值偏差33.9%，含補強件圓柱殼軸壓屈曲臨界載荷試驗值與模擬值偏差13.8%。試驗結(jié)果比模擬結(jié)果小，可能的原因有以下幾種：(1)由于圓柱殼試驗件通過焊接而成，有一條豎向焊縫的影響，采用這類工藝制作完成的圓柱殼主要存在非對稱的初始缺陷[1]以及材料本身缺陷；(2)殼體不直度造成荷載偏心。

(3)經(jīng)過工藝改善，理想滾道輪廓的軸承全部通過變速箱臺架測試，判定滾道輪廓形態(tài)與軸承失效直接相關(guān)。

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