某型絲杠軸承的失效分析

王坤

(舍弗勒大中華區 舍弗勒貿易(上海)有限公司，上海 201804)

隨著數控機床工作精度和速度等要求日益提高，高精度絲杠軸承在機床行業得到廣泛應用。軸承精度、安裝配合和溫升決定了機床驅動單元的精度，從而影響著機床的加工精度。軸承失效后簡單更換并不能排除再次失效的風險，需要分析失效原因并加以改進，旨在主動改善軸承生命周期，防止由相同原因導致的再失效。

1 絲杠軸承安裝工況

圖1為某機床廠家的絲杠軸承布置圖，具體參數為：絲杠φ40 mm×10 mm;長度800 mm;立式安裝;承載3 000 N。圖中①、③處軸承均為FAG ZKLF3080;②處軸承為FAG ZKLF2575。軸系溫升未知，預拉伸量未知。

圖1 典型絲杠軸承布置圖

2 失效情況

據用戶反映，機床在運行一段時間后軸承出現失效，導致機床不能正常運行。經拆解發現，ZKLF2575軸承外圈內側滾道及內圈外側滾道均產生剝落，且內圈出現滑動痕跡[1]，詳細情況如圖2所示。

圖2 失效軸承照片

3 失效原因分析

根據失效絲杠參數，假設溫升為5 ℃，則因溫升產生的絲杠預拉伸力F為

F=ΔlAE/l，

Δl=ΔKαl，

(1)

式中:Δl為絲杠預拉伸量；A為絲杠軸的截面積；E為彈性模量，210 GPa；ΔΚ為溫度變化量；α為熱膨脹系數，11.7 μm/(m-1·℃-1)。將已知數據代入(1)式，經計算得溫升為5 ℃時產生的力F=15 438 N。

根據FAG軸承樣本中的軸承承載能力圖[2-3]，絲杠軸承ZKLF2575的極限承載力約為5 500 N，而軸系溫升產生的力達到15 438 N，遠大于軸承的極限承載能力，從而導致軸承早期失效。通過分析和計算，失效原因為絲杠在運轉過程中溫升過大，絲杠伸長，增加了軸承的載荷，導致軸承發生失效。

4 Bearinx軟件分析

Bearinx軟件為舍弗勒集團公司開發的高效軸承計算與分析軟件，該軟件能詳細分析滾動軸承的支承結構、軸系、直線導軌系統中的單個軸承直至整個齒輪變速系統。所有計算均采用一致的計算模型，即使對于復雜的齒輪系統，每個滾動體的接觸應力都可以計算。

用Bearinx軟件建立的絲杠模型如圖3所示，計算結果見表1。表中Lh10(kf)為基本額定壽命，系數kf為當量載荷與額定載荷的比值；S0min為最小靜態安全系數。計算過程中設定載荷為3 000 N；轉速為500 r/min。

圖3 Bearinx軟件建立的絲杠模型

表1 軸承壽命

通過Bearinx軟件計算得到絲杠運轉過程中失效軸承在表1的3種工況下的最大Hertz應力曲線如圖4～圖6所示。圖中縱坐標為最大Hertz接觸應力，由圖可知，溫升會加大軸承的接觸應力，同時大大降低軸承的壽命，故必須控制絲杠運轉過程中的溫升或增加絲杠的預拉伸量，以補償絲杠溫升帶來的影響，綜合考慮接觸應力值和壽命要求，建議增加0.02～0.03 mm的預拉伸量。

圖4 無溫升時最大Hertz應力曲線

圖5 5 ℃溫升時最大Hertz應力曲線

圖6 5 ℃溫升+3 ℃拉伸時最大Hertz應力曲線

絲杠軸承出現預載過大的情況，除了可以通過上述方法補償，還可以通過優化結構、增加碟形彈簧(類似于彈性預緊)來改善溫升對軸承的影響，其結構如圖7所示，目前該結構在很多日系機床上已成功應用。

圖7 改進前后的絲杠結構示意圖

5 結論

(1)運轉過程中溫升過高是導致絲杠軸承失效的原因。

(2)為了補償絲杠溫升帶來的影響，綜合考慮接觸應力值和壽命要求，給出典型絲杠預拉伸量的建議值為0.02～0.03 mm。此外還可以通過優化結構、增加碟形彈簧(類似于彈性預緊)來改善絲杠軸承溫升的影響。