球軸承溝道表面微小壓痕深度的測量與分析

張智艷 楊星宇 張 強 楊 援 王 青

(①南京理工大學電子工程與光電技術學院，江蘇 南京210094;②北京機床研究所北京工研精機股份有限公司，北京101312;③英國泰勒霍普森公司中國業務部，江蘇 南京210094)

軸承在機械傳動過程中起到固定和減小載荷摩擦系數的作用，在各類機械中占有重要地位［1］。軸承種類多樣，其中球軸承最為常見，它的滾動體為球形滾珠，與球形滾珠相接觸的外圈和內圈表面分別為軸承外溝道和內溝道。

當球軸承的滾珠與溝道間隙過大時，滾珠對溝道會產生沖擊，形成微小壓痕，影響軸承的精度、壽命與性能［2-4］。對該微小壓痕的測量和分析有助于提高軸承加工和裝配的精度。

1 軸承溝道表面微小壓痕的深度分布和最大深度值獲取

本文選取日本NSK軸承公司某款微型球軸承帶有壓痕的外溝道面作為實驗對象，運用減量迭代算法計算出外溝道面微小壓痕的深度分布和最大深度值。

在北京機床所和泰勒霍普森聯合實驗室的CCI白光掃描干涉儀［5］上測量帶有微小壓痕的軸承外溝道，獲取其三維表面形貌。實驗中所用CCI白光掃描干涉儀如圖1所示，其縱向掃描分辨率0.01 nm，掃描范圍2.2 mm，測量數據點1 024×1 024，測量面積3.3 mm×3.3 mm。儀器配套的分析軟件為TalyMap，該軟件可進行2-D輪廓分析和3-D形貌分析。

CCI白光掃描干涉儀對軸承外溝道面掃描采樣結束后，處理器將測量結果直接傳給TalyMap，得到帶有微小壓痕外溝道面的面形如圖2所示。

沿水平方向取一條截線，其截得的外溝道面線輪廓(帶有微小壓痕)如圖3所示。

由于壓痕量很小，實際獲得的表面線輪廓很難分辨出壓痕深度。為方便分析，采用擬合去除。圖4為示意圖，實線1為實際測量線，虛線2為理想狀態下不帶有壓痕的外溝道表面線輪廓，虛線3為擬合線。外溝道表面線輪廓微小壓痕的最大值應為圖中所示的h值。

圖5中實線為擬合去除后的輪廓(實際測量輪廓線減去擬合輪廓線)，可以看出明顯的由于壓痕而產生凹陷。圖中所標注的h＇與圖4中h相等，即為該軸承外溝道面線輪廓中微小壓痕的最大深度值。

由于CCI白光掃描干涉儀自帶的Talymap分析程序無法直接分析壓痕深度值，即圖5所示h＇，因此采用自編的減量迭代算法程序對h＇進行分析和求值。

需要注意的是，在圖5中所示的擬合去除結果中存在兩個拐點，兩個拐點之間的區域即為外溝道面線輪廓中微小壓痕所在的位置。若選擇拐點的高度值直接減去壓痕最低點的高度值，所得差值與h＇值存在明顯偏差，不能代表壓痕實際的深度值。

圖6中所示線1即為在減量迭代算法程序中所得到擬合去除后的截線輪廓。

該線輪廓中間凹陷處即對應微小壓痕擬合去除后的結果，拐點a和b為壓痕左右邊緣位置，d點為壓痕最深處所在位置。a點和b點只能確定壓痕在線輪廓中的分布區域，其與d點之間的高度差值為拐點計算出的壓痕深度，并不代表真正的壓痕深度值。

對擬合去除的截線輪廓取壓痕兩側的數據點進行擬合，即取a點左側和b點右側的數據點進行擬合，得到的擬合曲線2極值點為c點。c點與d點之間的高度差值為擬合后計算所得線輪廓微小壓痕實際的深度值，即圖5所示h'值。

對該球軸承的測量所得的整個外溝道表面輪廓進行擬合去除，在減量迭代程序中讀入其去除后的輪廓高度數據，所得圖形如圖7所示。

圖7所示的中間凹陷區域即為軸承外溝道面微小壓痕所在位置。垂直方向上取一定間隔獲取對應的輪廓線并依次進行擬合，可得到擬合后計算所得微小壓痕的深度值曲線如圖8中線1所示。

圖8中線3代表取拐點a點計算出的壓痕深度值曲線，線2代表取拐點b點計算出的壓痕深度值曲線，線1則代表壓痕實際的深度值曲線。線1中其高度最大值為5.464 3μm，即球軸承外溝道面微小壓痕的最大深度值為5.464 3μm。線3和線2中高度最大值分別為4.006 7μm和4.199 4μm，可看出由拐點計算出的壓痕深度值與實際的壓痕深度值之間存在較大偏差，不能代表真正的壓痕深度。

2 方法驗證

上述分析方法是否正確，在這里我們用一個標準臺階高度的數據進行驗證，圖9是標準臺階高度的測量結果。

該臺階高度的標示值為5.3μm，在TalyMap中得到的測量值為5.295μm。現在將該臺階面進行擬合去除，圖10為擬合去除結果。

可以發現，用拐點計算得到的結果是4.926μm，與標準值有約0.3μm的偏差，結果不準確。

將擬合去除的臺階面高度數據讀入減量迭代程序中，沿水平方向取一截線，可以得到水平方向上一組處理后的輪廓數據，如圖11中粗線所示。

對拐點a、b兩端的數據點和拐點之間的數據點分別進行擬合，得到圖11所示的ab段曲線，其對應的極值點分別為c點和d點。a、b兩點與d點之間的高度差值是由拐點計算所得的臺階高度值;c點與d點之間的高度差值為擬合后計算所得的臺階面高度值。

垂直方向上取一定間隔獲取對應的輪廓線并依次進行擬合，得到擬合后計算所得的臺階高度值曲線如圖12中線1所示。

圖12中線1的高度平均值為5.308 4μm，與臺階面標示的5.3μm基本一致，可看出擬合后計算所得的臺階高度值代表實際的臺階高度值。

圖12中線2代表取拐點a點計算出的臺階高度值曲線，線3代表取拐點b點計算出的臺階高度值曲線，其高度平均值分別為5.063 5μm和4.826 5μm，與臺階面標示的5.3μm存在較大偏差，可看出由拐點計算所得的臺階高度值不能代表實際的臺階高度值。前面在TalyMap中得到的值為某一條線的值5.295μm，與臺階面標示值有一很小的偏差。

可以看出，該分析方法是準確可靠的。

3 結語

對于實際帶有微小壓痕的球軸承溝道表面，利用CCI白光掃描干涉儀測量，對測量結果運用減量迭代算法計算出微小壓痕的深度分布和最大深度值，有助于更好地提高軸承加工和裝配的精度。通過對標準臺階面的臺階高度測量，驗證該分析方法的可行性與準確性。

［1］王倫.軸承基本知識［M］.北京:機械工業出版社，2002.

［2］王令文.滾動軸承工作表面布氏壓痕機理［J］.軸承，2002(4):43-44，46.

［3］王思明，許明恒，周海軍.滾動軸承微動磨損研究［J］.軸承，2011(4):55-58.

［4］申陽，張曉鵬，何峰濤.精密機床主軸軸承早期失效分析［J］.軸承，2012(5):38-40.

［5］李娟.白光顯微干涉表面形貌三維測量系統的研究［D］.武漢:華中科技大學，2012.