摘 要:某數控車床主軸軸承發生損傷,采用宏觀觀察、化學成分分析、掃描電鏡和能譜分析、金 相檢驗、硬度測試等方法分析了軸承的損傷原因。結果表明:兩個主軸軸承均發生早期接觸疲勞, 但損傷程度輕微;其中一個軸承滾道表面存在磨粒磨損形成的損傷凹坑和犁溝,磨粒為車床加工產 生的硬鋁碎屑,碎屑進入該軸承內,在接觸表面形成擠壓凹坑,并隨滾動體運動,在滾道表面形成犁 溝,從而使接觸區的粗糙度增大,最終導致軸承轉動不良并出現異響。
關鍵詞:數控車床;軸承;接觸疲勞;磨粒磨損;轉動不良
中圖分類號:TB31;TH133.33;TG659 文獻標志碼:B 文章編號:1001-4012(2023)04-0049-05
數控車床主軸組件的回轉精度是影響機床加工 精度的主要因素之一,而主軸軸承的穩定性對回轉 精度起到關鍵作用[1-3]。軸承的服役工況復雜,機床 主軸軸承的早期失效形式主要有:接觸疲勞失效、斷 裂失效、腐蝕失效等[4-5]。由于轉動中的軸承受到循 環載荷作用,因此各類機械軸承經常發生滾動接觸 疲勞失效[6]。軸承的滾動接觸疲勞損傷主要發生在 軸承套圈的滾道表面或近表面[7-8]。一般認為,軸承 的滾動接觸疲勞壽命與材料的自身性能和外部條件 有關,自身性能主要包括材料的硬度、組織均勻性和 夾雜物分布等,外部條件則主要指接觸表面的粗糙 度、清潔度以及軸承系統的潤滑情況等。車床主軸 軸承在實際應用中發生的早期失效常由軸承的自身 性能和外部條件共同作用引起。
某公司的一臺數控車床主軸在轉速為500~ 1000r/min時存在異響,判斷主軸軸承發生早期失 效。該數控車床用于加工硬鋁零件,常用的工作轉 速為6000~8000r/min,車床主軸軸承型號為 7014AC,屬于 角 接 觸 球 軸 承。軸 承 套 圈 材 料 為 GCr15鋼,滾珠材料為SiC。筆者采用宏觀觀察、化 學成分分析、掃描電鏡(SEM)和能譜分析、金相檢 驗、硬度測試等方法分析了軸承的損傷原因,以防止該類問題再次發生。
1 理化檢驗
1.1 宏觀觀察
車床主軸軸承的宏觀形貌如圖1所示,兩個 軸承 分 別 標 記 為 B-1 和 B-2,軸 承 外 觀 無 明 顯 損傷。
在體視顯微鏡下觀察B-1、B-2軸承的外圈和內 圈滾道表面,結果如圖2所示。由圖2可知:失效軸 承的外圈滾道表面損傷程度輕微,內圈滾道表面則 可見明顯的剝落坑。對軸承內圈滾道表面的典型損 傷區域進行放大觀察,可見B-1軸承內圈滾道表面 的損傷面積較大,而B-2軸承內圈滾道表面的損傷 面積相對較小。
1.2 化學成分分析
截取B-1軸承和B-2軸承試樣,對其進行化學 成分分析,結果如表1所示,由 GB/T18254—2016 《高碳鉻軸承鋼》可知,軸承材料的化學成分均符合 標準要求。
1.3 掃描電鏡和能譜分析
用掃描電鏡對B-1軸承內圈滾道表面試樣進行觀 察,結果如圖3所示。由圖3可知:內圈滾道表面的損 傷面積較大,但深度很淺,為滾道表層的輕微損傷;滾 道表面局部存在若干聚集分布的小剝落坑,剝落坑形 狀近似圓形,大剝落坑周圍分布有若干小點蝕坑。
用掃描電鏡對B-2軸承內圈滾道表面試樣進行 觀察,結果如圖4所示。由圖4可知:B-2軸承內圈 滾道表面損傷處呈不規則形狀,損傷較深,邊緣處為 尖角;局部存在若干沿直線排列的不規則損傷凹坑, 凹坑邊緣存在塑性變形痕跡,且凹坑之間有兩條較 深的犁溝。
選取B-1軸承表面剝落坑處和B-2軸承表面損 傷處進行能譜分析,結果如圖5所示。由圖5可知: B-1軸承表面剝落坑內 O 元素含量較高,但B-2軸 承表面損傷處的 O 元素含量明顯高于 B-1軸承表 面,且凹坑內含有較多的 Al元素和少量 Ti元素, Al元素和Ti元素為外來元素。
1.4 金相檢驗
在B-1、B-2軸承內圈切取金相試樣,將截面拋 光后,按照GB/T10561—2005《鋼中非金屬夾雜物 含量的測定 標準評級圖顯微檢驗法》進行夾雜物評 級,結果如表2所示,結果顯示B-1、B-2軸承的夾雜 物含量較低。
使用4%(體積分數)的硝酸乙醇溶液將金相試樣腐蝕,然后利用光學顯微鏡觀察截面局部的微觀 形貌。兩個試樣的滾道截面微觀形貌如圖6所示, 由圖6可知:B-1軸承表面均勻分布著一層極薄白 亮組織,判定應為滾道表面摩擦熱作用下產生的二 次淬火組織,白亮層下方為深色的高溫回火組織,滾 道表面局部可見輕微剝落損傷,如圖6a)中黑色虛 線區域;B-2軸承滾道表面局部存在較深的半月形 白亮二次淬火層,如圖6b)中黑色虛線區域。B-1軸 承的二次淬火層極薄且分布均勻,但B-2軸承的二 次淬火層很厚且分布不均勻,說明B-1軸承表面發 生的是正常滾動磨損,而B-2軸承的表面磨損程度 不均勻,滾動體局部發生劇烈磨損。B-1軸承的表 面剝落坑較淺且大小不一,呈連續分布,隨著剝落坑 面積逐漸變大,相鄰的剝落坑之間互相連通,形成大 面積表面剝落損傷;B-2軸承滾道表面剝落面積較 小,可見與表面呈45°的接觸疲勞短裂紋[圖6d)中 白色虛線區域],在二次淬火層表面存在較大面積的 內部剝落[圖6d)中黑色虛線區域]。兩個試樣中均 含有細小的回火馬氏體、殘余奧氏體及顆粒狀碳 化物。
1.5 硬度測試
在B-1、B-2軸承套圈滾道表面隨機選取3個位 置進行硬度測試,測試結果如表3所示,根據JB/T 1255—2014《滾動軸承 高碳鉻軸承鋼零件熱處理 技術條件》,可知硬度均符合標準要求。B-1軸承套 圈的硬度略低于B-2軸承;標準要求同一軸承套圈 的硬度差應小于2HRC,其中B-1軸承的內圈硬度 差超出標準值。
使用自動顯微硬度計對軸承內圈滾道下方 50~1000μm深度位置進行硬度梯度測試,每個測 試深度取3個相鄰點位進行測試,并對結果取平均 值。軸承內圈滾道下方硬度測試位置如圖7所示。
軸承內圈滾道下方硬度曲線如圖8所示,結 果顯示B-1軸承的硬度略低于B-2軸承,且其不同 點位的硬度波動較大,說明 B-1內圈硬度分布不 均勻。
2 綜合分析
損傷主要集中在軸承內圈滾道表面,B-1軸承 的損傷面積較大,但大部分為淺表層損傷,局部存在 聚集型剝落,剝落坑形狀規則,近似為圓形,大面積 剝落坑邊緣存在較多點蝕坑,為接觸疲勞早期失效 的典型損傷形貌。截面的金相檢驗結果表明,滾道 表面存在均勻分布的極薄二次淬火層,表明B-1軸 承表面磨損程度較輕,無明顯異常損傷。滾道表面 存在若干較淺的小面積剝落坑。B-2軸承的損傷面 積相對較小,但損傷較深,損傷凹坑分布比較集中。 在凹坑邊緣存在明顯塑性變形,個別凹坑之間可見 較深的犁溝,能譜測試發現損傷凹坑內 O、Al元素 的含量較高,Ti元素含量較低。B-2軸承的損傷為 硬鋁碎屑進入軸承導致,鋁屑進入接觸表面發生磨 粒磨損,在表面形成擠壓凹坑,隨著軸承的轉動,在 滾道表面形成較深的犁溝。B-2軸承的滾道表面存 在接觸疲勞短裂紋,局部表面存在較深的半月形二 次淬火層,結合能譜分析結果可知,B-2軸承滾道表 面的氧化程度明顯高于B-1軸承。二次淬火組織主 要為細小的馬氏體,其硬度高、脆性大,在外力作用 下極易發生開裂剝落,在B-2軸承的二次淬火層內 部也觀察到較大面積的剝落損傷。在循環載荷的作 用下,表面硬度與金屬表面塑性變形程度相關[9], B-1軸承的內圈滾道硬度較低,且硬度分布不均勻, 促進了其淺表層損傷。
接觸疲勞表面裂紋的萌生與擴展是接觸件點蝕 失效的主要原因[10]。主軸軸承的轉速很快,在循環 載荷的作用下,滾道表面會萌生微小的接觸疲勞裂 紋,裂紋密度逐漸增大并互相連通,形成微區剝落, 進而發展成點蝕剝落。點蝕坑處存在應力集中,在 循環載荷的作用下,點蝕坑底部萌生新的接觸疲勞 裂紋,裂紋逐漸擴展,使點蝕坑不斷加深,較多的點 蝕坑發生聚集后,坑底的裂紋相互連通,逐漸形成大面積的剝落坑,引起接觸疲勞失效。接觸疲勞引起 的表面剝落是一個循序漸進的過程。在接觸疲勞作 用早期,損傷主要為淺表層剝落損傷,對軸承滾道的 表面粗糙度影響不大,通常不會使軸承運轉異常,如 B-1軸承內圈表面形成的接觸疲勞損傷,但磨粒磨 損引起軸承滾道表面形成較深的損傷凹坑,磨粒在 滾動體的帶動下使表面形成犁溝,這些損傷凹坑和 犁溝使接觸表面的粗糙度顯著增大,破壞了潤滑油 膜的連貫性,導致滾動體運轉受到阻滯,因此軸承在 運轉過程中出現異響。另外,磨損使接觸區溫度異 常升高,局部組織發生轉變,形成較深的二次淬火 層,在循環載荷的作用下,表面更易萌生接觸疲勞裂 紋,形成較深的剝落。
3 結論與建議
(1)車床異響的原因為主軸B-2軸承發生磨粒 磨損,導致滾道表面發生嚴重損傷,磨粒為加工零件 產生的硬鋁碎屑。
(2)建議加強切削碎屑的清理,或在軸承上添 加防塵圈,避免外界異物進入引起軸承損傷。
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