圓柱滾子失效原因分析

許明奇，鄭紅威，曲瓊

(洛陽LYC軸承有限公司 技術中心，河南 洛陽 471039)

1 問題的提出

滾子軸承因承載能力大，摩擦因數小，高速運轉性能優越而廣泛應用于航空發動機、車輛及機床主軸等領域。現代圓柱滾子軸承由于有限元技術的應用，對其結構設計進行了優化，再加上材料性能及制造精度的提高，使得圓柱滾子軸承的壽命得到不斷提高。

滾子作為軸承的關鍵零件，其制造精度和質量直接影響軸承的動態性能和使用壽命。圓柱滾子根據素線形式(滾子修形曲線)的不同主要分為直素線滾子、全圓弧滾子、圓弧修緣滾子(中間直線兩端圓弧修形)和對數曲線滾子4種類型。不同形式修形滾子與滾道接觸時的應力分布如圖1所示。

由圖1可知，直素線滾子與滾道接觸時，由于滾子端部突變的倒角產生邊緣效應，導致應力集中[2-3]；全圓弧滾子能夠起到類似調心的作用，不僅可以消除或減小邊緣效應，還能有效消除或減小軸偏斜引起的端部應力集中，不足之處是滾子實際接觸長度減小，造成滾子中部應力明顯高于兩端，對軸承的疲勞壽命產生一定的影響；圓弧修緣滾子的最大接觸應力小于同載荷下的全圓弧滾子，耐疲勞性能更好，國內外航空圓柱滾子軸承多采用這種修形滾子；對數曲線滾子在同等載荷作用下，不僅可以消除邊緣效應，而且可以使滾子在有效接觸長度范圍內應力分布均勻，其素線上各點的凸度坐標值依據軸承承受的載荷進行設計，載荷越大，凸度值越大，缺點是加工及檢測成本高。

圖1 不同形式的修形滾子與滾道接觸時的應力分布

4種圓柱滾子中圓弧修緣滾子應用最為廣泛，因此，主要針對圓弧修緣滾子軸承在試驗期間出現的滾子表面剝落現象進行失效分析。軸承安裝于某傳動系統，隨減速器完成第一、第二階段TBO試驗，軸承實際累計工作時間為367 h，低于設計壽命值。試驗軸承套圈及滾子材料均為GCr15軸承鋼，回火溫度為250 ℃。試驗后將軸承分解，并對套圈、保持架及滾子進行相關檢驗，結果顯示套圈及保持架完好，但發現有1粒滾子表面存在小面積剝落。

2 檢測與分析

2.1 宏觀檢查

宏觀檢查結果如圖2所示，滾子表面工作區域均存在寬度約10 mm的磨損區域(位于滾子直線范圍內)，在30粒滾子中，發現有1粒滾子(記為1#)在弧坡與直線相交處存在約2 mm×2 mm的剝落區域(圖3)，其他滾子未見明顯剝落痕跡。任取2粒滾子(分別記為2#和3#)與1#滾子進行對比觀察分析。

圖2 滾子表面磨損情況

圖3 產生表面剝落的1#滾子外觀形貌

2.2 微觀檢查

將滾子經超聲波清洗、烘干后在掃描電鏡下進行觀察，1#滾子表面剝落坑低倍形貌如圖4a所示，圖中白色箭頭所示方向為滾子周向，剝落坑所在區域近似菱形，并沿箭頭方向長度較大。滾子剝落坑高倍形貌可見沿軸向分布的貝殼狀疲勞剝落特征(圖4b)；沿滾子軸向對緊鄰剝落坑左右兩側的表面形貌進行觀察，滾子表面剝落坑左側(即弧坡處)形貌如圖4c所示，表面較光滑，分布有沿周向的加工痕跡；滾子表面剝落坑右側(即直線處)呈鱗片狀剝落形貌(圖4d)。對2#，3#滾子進行表面檢查，形貌分別如圖5、圖6所示。在滾子直素線與弧坡過渡處，滾子弧坡處所在區域表面光滑，而直素線所在表面均存在鱗片狀剝落凹坑。

圖4 1#滾子剝落坑形貌圖

圖5 2#滾子形貌圖

圖6 3#滾子形貌圖

2.3 淬、回火組織檢查

分別沿滾子縱、橫截面制取金相試樣，經4%硝酸酒精溶液腐蝕后在顯微鏡下進行觀察，滾子顯微組織由淬、回火馬氏體+細小殘留碳化物+少量殘余奧氏體組成。ZJB J11038—1993標準規定淬、回火馬氏體為1～3級，網狀碳化物≤2.5級，檢查1#滾子的淬、回火馬氏體為3級，網狀碳化物為1級，合格。

2.4 硬度檢測

采用顯微硬度計對1#，2#和3#滾子基體材料進行硬度檢測，并根據GB/T 1172—1999對硬度值進行換算，測量結果見表1，符合ZJB J11038—1993標準要求。

表1 滾子硬度測試結果

2.5 滾子外形尺寸及剝落位置測量

(1)用多功能坐標測量儀對1#～3#滾子的弧坡處至直線段的外形尺寸進行測量，結果見表2。由表中結果可知，2#，3#滾子弧坡距離左右端面等距離位置的半徑變化量相近，而1#滾子弧坡距離左、右端面均為2 mm處，其左側半徑變化量僅為右側變化量的二分之一。

表2 滾子外形尺寸測量結果

將所得數據進行整理和統計，處理后結果如圖7所示，圖中曲線為對應弧坡處的近似形狀。由圖可知，在距離端面2 mm處，2#，3#滾子形狀及變化趨勢基本一致，而1#滾子右側弧坡處呈下凹形。

圖7 滾子沿半徑方向變化量對比圖

(2)中間各點半徑方向變化量均小于1 μm。

(2)用多功能坐標測量儀對1#滾子表面產生剝落的位置進行測量，設靠近滾子表面剝落處的端面為坐標原點，沿滾子軸向在剝落處標記4個位置如圖8所示，x1～x4分別距端面距離為3.273,3.313,4.828,5.242 mm。發生剝落的位置位于沿滾子軸向距端面3.2 mm處，剝落區域長度約為2.0 mm。由表2可知1#滾子弧坡與直線的過渡處距端面約3.5 mm，所以1#滾子剝落坑恰好處于弧坡與直線的過渡區，且主要分布在直線上。

除對產生剝落位置進行測量外，對滾子表面形貌也進行了整體觀察。圖8中滾子兩端黑色區域為滾子端面倒角部分，光亮部分為弧坡部分，而中間的麻點狀區域在直線處，由此可見，剝落凹坑產生在弧坡與直線過渡處。

圖8 1#滾子表面剝落位置測量示意圖

3 結果分析及工藝改進

通過對滾子宏觀和微觀形貌檢查結果可知，滾子與滾道接觸部位存在一定程度磨損和剝落，剝落區域呈貝殼狀，具有表面疲勞剝落的典型特征，由此可以確定滾子失效模式為表面起源型疲勞。

對滾子的弧坡與直線過渡處的尺寸測量結果表明，1#滾子較大剝落凹坑恰好位于弧坡與直線過渡區，與其他滾子(2#，3#滾子)以及1#滾子自身其他部位相比，1#滾子剝落坑附近的弧坡圓弧輪廓存在相對較明顯的起伏變化，并且1#滾子剝落坑處弧坡與直線交接處未形成圓滑過渡，受滾子形狀影響，運轉過程中引起應力集中，產生明顯的疲勞剝落凹坑。抽查的此批次滾子中，有個別滾子的圓弧與直線交接處不圓滑(圖9)，表明滾子加工質量不夠穩定，這是導致滾子失效的主要原因。

圖9 抽查滾子素線輪廓

重新試制滾子時采取了以下措施：對成形加工的專用超精輥進行修磨，恢復精度；定人、定機加工，固化工藝；按比例抽檢滾子輪廓，保證滾子素線圓弧與直線交接處圓滑過渡。改進后加工的滾子輪廓如圖10所示，軸承順利通過了臺架試驗，工作正常，性能良好。

圖10 改進后的滾子素線輪廓

4 結論

試驗軸承滾子的失效模式為表面起源型疲勞剝落，圓弧與直線交接處不圓滑是導致滾子失效的主要原因，建議在加工圓弧修緣滾子時采用定制專用的超精輥進行成形加工。