摘 要:某数控车床主轴轴承发生损伤,采用宏观观察、化学成分分析、扫描电镜和能谱分析、金 相检验、硬度测试等方法分析了轴承的损伤原因。结果表明:两个主轴轴承均发生早期接触疲劳, 但损伤程度轻微;其中一个轴承滚道表面存在磨粒磨损形成的损伤凹坑和犁沟,磨粒为车床加工产 生的硬铝碎屑,碎屑进入该轴承内,在接触表面形成挤压凹坑,并随滚动体运动,在滚道表面形成犁 沟,从而使接触区的粗糙度增大,最终导致轴承转动不良并出现异响。
关键词:数控车床;轴承;接触疲劳;磨粒磨损;转动不良
中图分类号:TB31;TH133.33;TG659 文献标志码:B 文章编号:1001-4012(2023)04-0049-05
数控车床主轴组件的回转精度是影响机床加工 精度的主要因素之一,而主轴轴承的稳定性对回转 精度起到关键作用[1-3]。轴承的服役工况复杂,机床 主轴轴承的早期失效形式主要有:接触疲劳失效、断 裂失效、腐蚀失效等[4-5]。由于转动中的轴承受到循 环载荷作用,因此各类机械轴承经常发生滚动接触 疲劳失效[6]。轴承的滚动接触疲劳损伤主要发生在 轴承套圈的滚道表面或近表面[7-8]。一般认为,轴承 的滚动接触疲劳寿命与材料的自身性能和外部条件 有关,自身性能主要包括材料的硬度、组织均匀性和 夹杂物分布等,外部条件则主要指接触表面的粗糙 度、清洁度以及轴承系统的润滑情况等。车床主轴 轴承在实际应用中发生的早期失效常由轴承的自身 性能和外部条件共同作用引起。
某公司的一台数控车床主轴在转速为500~ 1000r/min时存在异响,判断主轴轴承发生早期失 效。该数控车床用于加工硬铝零件,常用的工作转 速为6000~8000r/min,车床主轴轴承型号为 7014AC,属于 角 接 触 球 轴 承。轴 承 套 圈 材 料 为 GCr15钢,滚珠材料为SiC。笔者采用宏观观察、化 学成分分析、扫描电镜(SEM)和能谱分析、金相检 验、硬度测试等方法分析了轴承的损伤原因,以防止该类问题再次发生。
1 理化检验
1.1 宏观观察
车床主轴轴承的宏观形貌如图1所示,两个 轴承 分 别 标 记 为 B-1 和 B-2,轴 承 外 观 无 明 显 损伤。
在体视显微镜下观察B-1、B-2轴承的外圈和内 圈滚道表面,结果如图2所示。由图2可知:失效轴 承的外圈滚道表面损伤程度轻微,内圈滚道表面则 可见明显的剥落坑。对轴承内圈滚道表面的典型损 伤区域进行放大观察,可见B-1轴承内圈滚道表面 的损伤面积较大,而B-2轴承内圈滚道表面的损伤 面积相对较小。
1.2 化学成分分析
截取B-1轴承和B-2轴承试样,对其进行化学 成分分析,结果如表1所示,由 GB/T18254—2016 《高碳铬轴承钢》可知,轴承材料的化学成分均符合 标准要求。
1.3 扫描电镜和能谱分析
用扫描电镜对B-1轴承内圈滚道表面试样进行观 察,结果如图3所示。由图3可知:内圈滚道表面的损 伤面积较大,但深度很浅,为滚道表层的轻微损伤;滚 道表面局部存在若干聚集分布的小剥落坑,剥落坑形 状近似圆形,大剥落坑周围分布有若干小点蚀坑。
用扫描电镜对B-2轴承内圈滚道表面试样进行 观察,结果如图4所示。由图4可知:B-2轴承内圈 滚道表面损伤处呈不规则形状,损伤较深,边缘处为 尖角;局部存在若干沿直线排列的不规则损伤凹坑, 凹坑边缘存在塑性变形痕迹,且凹坑之间有两条较 深的犁沟。
选取B-1轴承表面剥落坑处和B-2轴承表面损 伤处进行能谱分析,结果如图5所示。由图5可知: B-1轴承表面剥落坑内 O 元素含量较高,但B-2轴 承表面损伤处的 O 元素含量明显高于 B-1轴承表 面,且凹坑内含有较多的 Al元素和少量 Ti元素, Al元素和Ti元素为外来元素。
1.4 金相检验
在B-1、B-2轴承内圈切取金相试样,将截面抛 光后,按照GB/T10561—2005《钢中非金属夹杂物 含量的测定 标准评级图显微检验法》进行夹杂物评 级,结果如表2所示,结果显示B-1、B-2轴承的夹杂 物含量较低。
使用4%(体积分数)的硝酸乙醇溶液将金相试样腐蚀,然后利用光学显微镜观察截面局部的微观 形貌。两个试样的滚道截面微观形貌如图6所示, 由图6可知:B-1轴承表面均匀分布着一层极薄白 亮组织,判定应为滚道表面摩擦热作用下产生的二 次淬火组织,白亮层下方为深色的高温回火组织,滚 道表面局部可见轻微剥落损伤,如图6a)中黑色虚 线区域;B-2轴承滚道表面局部存在较深的半月形 白亮二次淬火层,如图6b)中黑色虚线区域。B-1轴 承的二次淬火层极薄且分布均匀,但B-2轴承的二 次淬火层很厚且分布不均匀,说明B-1轴承表面发 生的是正常滚动磨损,而B-2轴承的表面磨损程度 不均匀,滚动体局部发生剧烈磨损。B-1轴承的表 面剥落坑较浅且大小不一,呈连续分布,随着剥落坑 面积逐渐变大,相邻的剥落坑之间互相连通,形成大 面积表面剥落损伤;B-2轴承滚道表面剥落面积较 小,可见与表面呈45°的接触疲劳短裂纹[图6d)中 白色虚线区域],在二次淬火层表面存在较大面积的 内部剥落[图6d)中黑色虚线区域]。两个试样中均 含有细小的回火马氏体、残余奥氏体及颗粒状碳 化物。
1.5 硬度测试
在B-1、B-2轴承套圈滚道表面随机选取3个位 置进行硬度测试,测试结果如表3所示,根据JB/T 1255—2014《滚动轴承 高碳铬轴承钢零件热处理 技术条件》,可知硬度均符合标准要求。B-1轴承套 圈的硬度略低于B-2轴承;标准要求同一轴承套圈 的硬度差应小于2HRC,其中B-1轴承的内圈硬度 差超出标准值。
使用自动显微硬度计对轴承内圈滚道下方 50~1000μm深度位置进行硬度梯度测试,每个测 试深度取3个相邻点位进行测试,并对结果取平均 值。轴承内圈滚道下方硬度测试位置如图7所示。
轴承内圈滚道下方硬度曲线如图8所示,结 果显示B-1轴承的硬度略低于B-2轴承,且其不同 点位的硬度波动较大,说明 B-1内圈硬度分布不 均匀。
2 综合分析
损伤主要集中在轴承内圈滚道表面,B-1轴承 的损伤面积较大,但大部分为浅表层损伤,局部存在 聚集型剥落,剥落坑形状规则,近似为圆形,大面积 剥落坑边缘存在较多点蚀坑,为接触疲劳早期失效 的典型损伤形貌。截面的金相检验结果表明,滚道 表面存在均匀分布的极薄二次淬火层,表明B-1轴 承表面磨损程度较轻,无明显异常损伤。滚道表面 存在若干较浅的小面积剥落坑。B-2轴承的损伤面 积相对较小,但损伤较深,损伤凹坑分布比较集中。 在凹坑边缘存在明显塑性变形,个别凹坑之间可见 较深的犁沟,能谱测试发现损伤凹坑内 O、Al元素 的含量较高,Ti元素含量较低。B-2轴承的损伤为 硬铝碎屑进入轴承导致,铝屑进入接触表面发生磨 粒磨损,在表面形成挤压凹坑,随着轴承的转动,在 滚道表面形成较深的犁沟。B-2轴承的滚道表面存 在接触疲劳短裂纹,局部表面存在较深的半月形二 次淬火层,结合能谱分析结果可知,B-2轴承滚道表 面的氧化程度明显高于B-1轴承。二次淬火组织主 要为细小的马氏体,其硬度高、脆性大,在外力作用 下极易发生开裂剥落,在B-2轴承的二次淬火层内 部也观察到较大面积的剥落损伤。在循环载荷的作 用下,表面硬度与金属表面塑性变形程度相关[9], B-1轴承的内圈滚道硬度较低,且硬度分布不均匀, 促进了其浅表层损伤。
接触疲劳表面裂纹的萌生与扩展是接触件点蚀 失效的主要原因[10]。主轴轴承的转速很快,在循环 载荷的作用下,滚道表面会萌生微小的接触疲劳裂 纹,裂纹密度逐渐增大并互相连通,形成微区剥落, 进而发展成点蚀剥落。点蚀坑处存在应力集中,在 循环载荷的作用下,点蚀坑底部萌生新的接触疲劳 裂纹,裂纹逐渐扩展,使点蚀坑不断加深,较多的点 蚀坑发生聚集后,坑底的裂纹相互连通,逐渐形成大面积的剥落坑,引起接触疲劳失效。接触疲劳引起 的表面剥落是一个循序渐进的过程。在接触疲劳作 用早期,损伤主要为浅表层剥落损伤,对轴承滚道的 表面粗糙度影响不大,通常不会使轴承运转异常,如 B-1轴承内圈表面形成的接触疲劳损伤,但磨粒磨 损引起轴承滚道表面形成较深的损伤凹坑,磨粒在 滚动体的带动下使表面形成犁沟,这些损伤凹坑和 犁沟使接触表面的粗糙度显著增大,破坏了润滑油 膜的连贯性,导致滚动体运转受到阻滞,因此轴承在 运转过程中出现异响。另外,磨损使接触区温度异 常升高,局部组织发生转变,形成较深的二次淬火 层,在循环载荷的作用下,表面更易萌生接触疲劳裂 纹,形成较深的剥落。
3 结论与建议
(1)车床异响的原因为主轴B-2轴承发生磨粒 磨损,导致滚道表面发生严重损伤,磨粒为加工零件 产生的硬铝碎屑。
(2)建议加强切削碎屑的清理,或在轴承上添 加防尘圈,避免外界异物进入引起轴承损伤。
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