基于脂潤滑的混合陶瓷球高速主軸軸承早期失效試驗

李松生，黃曉，李東烥，周鵬，陳斌

(1．上海大學(xué) 機電工程與自動化學(xué)院，上海 200072；2．大連大友高技術(shù)陶瓷有限公司,遼寧 大連 116600)

隨著先進(jìn)制造技術(shù)的不斷發(fā)展和機床對提高效率、速度的日益追求，各種機床主軸的轉(zhuǎn)速越來越高[1]。由于軸承設(shè)計分析技術(shù)與制造技術(shù)的發(fā)展，脂潤滑的混合陶瓷球高速主軸軸承所能達(dá)到的極限轉(zhuǎn)速和速度參數(shù)Dmn值不斷提高[2]，迎合了機床等在高速方面的需要，與油霧或油氣潤滑的全鋼軸承相比，不僅使用方便，而且污染小并能節(jié)約能源，目前在高速精密數(shù)控機床中得到了廣泛應(yīng)用[3]，大有替代油霧或油氣潤滑全鋼軸承的趨勢。但是由于在實際使用過程中，數(shù)控機床中主軸需要頻繁和快速啟停，以期減少輔助時間、達(dá)到提高效率之目的，主軸軸承常常出現(xiàn)早期失效現(xiàn)象。因此，研究脂潤滑的混合陶瓷球高速主軸軸承出現(xiàn)早期失效的原因和尋求相應(yīng)的解決對策，就顯得十分迫切和重要。

針對高速主軸軸承的早期失效現(xiàn)象，不少學(xué)者進(jìn)行了多方面的探索和研究。文獻(xiàn)[4-5]認(rèn)為高速工況下軸承內(nèi)的熱量不能有效地散發(fā)會導(dǎo)致軸承因溫升過高而發(fā)生早期失效；文獻(xiàn)[6]認(rèn)為高速球軸承早期失效的主要原因是擦傷、磨損以及接觸軌跡不穩(wěn)定；文獻(xiàn)[7]認(rèn)為高速軸承早期失效的主要原因是保持架運動不穩(wěn)和發(fā)生破壞；文獻(xiàn)[8]認(rèn)為高速軸承早期失效是由保持架引導(dǎo)面嚴(yán)重磨損所致，而非球在套圈溝道上的接觸疲勞所致；文獻(xiàn)[9]認(rèn)為軸承過熱時滾動體與保持架的間隙變小而產(chǎn)生的應(yīng)力集中所導(dǎo)致的保持架斷裂，會引起軸承的早期失效；文獻(xiàn)[10]認(rèn)為軸承在非穩(wěn)定狀態(tài)下高速運轉(zhuǎn)時，滾動體和保持架的碰撞和沖擊加劇，導(dǎo)致軸承更容易失效；文獻(xiàn)[11]通過現(xiàn)場使用壽命試驗證實，高速磨頭軸承早期失效的主要原因是保持架的磨損；文獻(xiàn)[12]認(rèn)為高速主軸軸承失效的主要形式是保持架的損壞，而損壞的原因主要是保持架的磨損及滾動體對保持架的沖擊等等。

下文針對脂潤滑的混合陶瓷球高速主軸軸承的工作特點，進(jìn)行了早期失效試驗研究，以分析探討其具體原因，并尋求相應(yīng)的預(yù)防措施和解決對策。

1 試驗方法

采用如圖1所示的120GS51高速電主軸作為試驗裝置，電主軸最高工作轉(zhuǎn)速為51 000 r/min,輸出功率為4.5 kW，其前、后支承軸承的型號為B7005C，并通過軸向圓柱螺旋彈簧對軸承施加軸向預(yù)載荷；電主軸的外殼中有冷卻水通道，通過循環(huán)水對內(nèi)裝電動機的定子進(jìn)行冷卻；電主軸的運轉(zhuǎn)通過變頻器驅(qū)動，改變變頻器的輸出頻率即可實現(xiàn)電主軸的調(diào)速。為了在試驗時對被試軸承的溫升進(jìn)行監(jiān)測，在靠近各軸承外圈的軸承座上開有軸向小孔，以便放置測溫元件。

1—前支承軸承；2—電動機轉(zhuǎn)子；3—電動機定子；4—彈簧；5—后軸承座；6，8，13，15—測溫孔；7—后蓋；9—后支承軸承；10—冷卻水腔；11—外殼3；12—前軸承座；14—轉(zhuǎn)軸

為了達(dá)到試驗?zāi)康模囼灂r電主軸前、后軸承均采用2套軸承平行配置(即DTA)的方式，并且采用脂潤滑，潤滑脂為NDU15高速高性能潤滑脂；試驗軸承為國內(nèi)某品牌的B7005C/P4精密混合陶瓷球高速主軸軸承。

試驗系統(tǒng)原理如圖2所示，電主軸由DELTA變頻器直接驅(qū)動；在電主軸前、后各套軸承外圈附近的測溫孔內(nèi)放置熱電偶元件，以便隨時監(jiān)測被試軸承外圈部位的溫升；在電主軸外殼表面靠近前、后軸承的部位各放置一個加速度傳感器，將采集到的振動信號傳送至B&K聲學(xué)/振動分析系統(tǒng)，監(jiān)測運行過程中電主軸的振動信號；另外，通過變頻器本身面板電流顯示功能，監(jiān)測運行過程中電主軸內(nèi)裝電動機的輸入電流，并將其作為判斷被試軸承運行狀態(tài)的依據(jù)之一。

圖2 試驗系統(tǒng)原理圖

試驗時電主軸轉(zhuǎn)速從6 000到48 000 r/min逐步升高，電主軸在每一種轉(zhuǎn)速下均累計運行一定時間，并且進(jìn)行一定次數(shù)的快速啟停試驗，以模擬實際工況條件和考察被試軸承發(fā)生早期失效的狀況。為了獲得可靠和充分的試驗數(shù)據(jù)，在同樣的安裝狀態(tài)和同樣的運行工況等條件下，對同樣型號的被試軸承進(jìn)行了多組試驗，并且每天的開、關(guān)機時間均固定不變，直至該組軸承發(fā)生咬死，振動突然變大，或溫升超過80 ℃，即認(rèn)為被試軸承失效。

2 試驗結(jié)果及分析

總共試驗了4組8對軸承，圖3～圖5所示為其中同一組軸承試驗過程中的一套軸承外圈附近的溫升、電主軸的振動和電主軸內(nèi)裝電動機電流的變化情況。從圖3～圖5可以看出，在軸承運行臨近失效之前的時刻，軸承外圈的平均溫升值、電主軸振動速度值和電主軸內(nèi)裝電動機的輸入電流值均出現(xiàn)明顯上升趨勢，因此可以將此作為判定軸承是否失效的輔助依據(jù)。

圖3 試驗軸承溫升變化情況

圖4 試驗軸承振動變化情況

圖5 試驗軸承電流變化情況

試驗結(jié)果及失效軸承狀態(tài)匯總見表1，從中可以明顯看出，高速條件下脂潤滑的主軸軸承發(fā)生早期失效的現(xiàn)象多數(shù)是由保持架的損壞所致(圖6～圖9)，并且多為保持架部分兜孔之間的梁發(fā)生斷裂豁穿，甚至所有梁均發(fā)生斷裂豁穿，使保持架整體從梁處沿周向裂為兩半(圖7)。對發(fā)生失效軸承的套圈溝道和球表面進(jìn)行顯微分析，結(jié)果均未發(fā)現(xiàn)明顯的磨痕、剝落或其他損傷等破壞現(xiàn)象，進(jìn)一步證實軸承早期失效為保持架損壞所致。

表1 各組試驗軸承失效情況

圖6 A組前端軸承之一

圖7 B組后端軸承之一

圖8 C組后端軸承之一

圖9 D組后端軸承之一

對于混合陶瓷球高速主軸軸承，在結(jié)構(gòu)和運行等方面有以下特點：(1)為減少高速時球的離心力等慣性效應(yīng)的影響和便于達(dá)到較高的極限轉(zhuǎn)速，并且獲得較大的支承剛度等高速性能，多采用數(shù)量較多、直徑較小的球，即“小球密珠型”結(jié)構(gòu)，因此保持架不僅因徑向厚度受到限制往往很薄，而且相鄰兩兜孔之間的梁尺寸很小，是保持架強度最弱的部位(圖10)，例如上述被試的主軸軸承，球徑小(5.48 mm)，球數(shù)多(15粒)，而保持架的徑向厚度為2 mm，梁沿周向的最窄處僅為2.12 mm，因此，梁最小截面面積非常小；(2)在快速啟停過程中，保持架的角加速度往往達(dá)到很大的值(如3 000 rad/s2)，該加速度是通過球?qū)Ρ３旨芏悼组g梁的周向側(cè)面進(jìn)行直接沖擊和擠推作用而實現(xiàn)的，因此保持架相鄰兩兜孔之間梁的周向側(cè)面會受到球頻繁而劇烈的沖擊、滑磨和擠壓作用，而且啟停時間越短，加速度越大，保持架兜孔梁的周向側(cè)面所受到球的沖擊和擠推力也越大；(3)在高速運行過程中，外部載荷的不均勻會導(dǎo)致軸承運行速度和保持架本身動力學(xué)狀態(tài)的不斷變化，使得保持架相鄰兩兜孔之間梁的周向側(cè)面也會受到球與運轉(zhuǎn)方向同向或反向的頻繁而劇烈的碰磨和擠壓作用；(4)相對油霧或油氣潤滑，脂潤滑軸承內(nèi)部不僅工作溫度較高，而且由于潤滑脂的黏度遠(yuǎn)高于潤滑油的黏度，考慮保持架與引導(dǎo)套圈之間的相互作用，導(dǎo)致快速啟停過程中保持架受到的切向阻力較大，使得保持架兜孔間梁的周向側(cè)面所受到的沖擊和擠推力較油霧或油氣潤滑的更大；(5)為了減輕質(zhì)量，降低高速時的慣性效應(yīng)，高速主軸軸承的保持架均采用酚醛壓布等密度較小、強度較高的輕質(zhì)非金屬材料，但這些材料的耐磨性和強度與鋼等金屬材料相比要差。因此，保持架的損壞是脂潤滑的混合陶瓷球高速主軸軸承發(fā)生早期失效的最主要原因；而保持架強度最弱、受力條件最惡劣的兜孔之間梁的斷裂豁穿是最易出現(xiàn)的現(xiàn)象之一。

圖10 高速主軸軸承及保持架結(jié)構(gòu)示意圖

3 結(jié)論

(1)脂潤滑的混合陶瓷球高速主軸軸承早期失效的最主要原因之一，是保持架兜孔之間梁的斷裂豁穿破壞。

(2)頻繁的快速啟停所引起的沖擊振動、劇烈磨損和高速條件下較高的工作溫度是導(dǎo)致軸承保持架兜孔之間梁發(fā)生斷裂豁穿破壞的主要原因。

(3)由于保持架材料和幾何結(jié)構(gòu)等方面的原因，其兜孔之間梁是保持架受力最大、強度最薄弱、最易出現(xiàn)破壞的部位，因此，在對軸承和保持架進(jìn)行動力學(xué)狀態(tài)分析研究的基礎(chǔ)上，除研究和采用更高強度、更小質(zhì)量密度的材料外，對保持架的各部位進(jìn)行強度分析，并采取相應(yīng)的措施，設(shè)法改進(jìn)保持架的幾何結(jié)構(gòu)，研究合適的球徑與保持架兜孔直徑匹配比，設(shè)法增加兜孔之間梁的強度，是提高保持架性能、避免軸承發(fā)生早期失效的重要途徑。