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精密机床主轴轴承早期失效原因分析,怎样延长轴承使用寿命

发布日期:2021-04-19 10:44:55浏览次数:82

精密机床主轴轴承的运转精度要求较高,因此在正常使用过程中,一般将轴承的精度寿命作为其基本额定使用寿命,即轴承能保持其稳定精度的工作时间。为保证机床精度,本公司通常建议每1500h左右对精密机床主轴轴承进行维护更换,即认为轴承精度寿命应在1500h左右。

对于未达此寿命的主轴轴承,均可认为其出现了早期失效。通过对早期失效轴承的分析,希望能够找出引起轴承失效的不良因素,提出改进措施,从而延长轴承使用寿命。

1 主要失效形式

  精密机床主轴轴承失效主要以剥落和异常磨损2种形式出现,此外还有烧伤、轴承破损及锈蚀等失效形式。对于各类失效形式单独讨论,有助于揭示轴承早期失效的诱因,以便提出针对性的解决方法。

  1.1异常剥落

  异常剥落多发生于轴承使用中期甚至是早期,与疲劳剥落形成原因相比,异常剥落多是由于安装不当、润滑不良、选型和预载荷不当及承受载荷过大等因素引起。分析此类剥落形成原因可获得机床整体信息。下面介绍几种常见的异常剥落。

  (1)图1为角接触球轴承剥落出现在沟道非正常工作面。轴承正常工作时,其滚动接触面固定,非工作面不存在接触,因而不会发生剥落。而现场发现轴承沟道非正常工作面出现了剥落,怀疑这是轴承在安装时不对中,或主轴的翘曲度过大以及轴承座加工精度不良所致。


图1 不对中造成的轴承剥落

  (2)图2为受到冲击载荷后,轴承沟道出现压痕引起剥落。图2a中轴承套圈沟道出现球形压痕,痕迹较为光亮,其分布间距与钢球间距相同,因而可判断此压痕为钢球受到外界冲击载荷(如轴承安装时钢球受力过大)与沟道面接触所致,通常称这种压伤为布氏压痕。在沟道面出现压痕后,轴承转动时,钢球每滚过一个压痕就产生一次冲击,对压痕产生一次碾压作用。外载荷越大,碾压力就越大,在短时间内,压痕就会产生片层状的疲劳剥落。图2b为布氏压痕导致的剥落。


图2 冲击载荷造成的轴承失效

  (3)配对使用的角接触球轴承,若在其寿命早期,沟道工作面就出现疲劳剥落,除怀疑轴承钢材内部非金属夹杂和组织不均匀等问题外,还应对配对轴承预加载荷进行分析,过大的预加载荷同样会造成轴承早期疲劳剥落。此外,对单套轴承出现早期疲劳剥落也应综合分析,确定是否存在轴承承受载荷过大的问题。

  1.2异常磨损

  1.2.1润滑不良

  图3是良好润滑条件下的光亮轨迹,轨迹较为清晰。图4为不良润滑工作条件下的套圈工作轨迹,整个运行轨迹颜色昏暗,极为粗糙。放大后可以看到,整个磨损区域由密集的麻点构成,表明此时沟道上已经出现了表层剥落,通常将其归类为点蚀。因轴承工作时除了滚动外,还不可避免地出现相对滑动,润滑油膜的作用就是将钢球与沟道面隔开,降低因摩擦引起的疲劳剥落。大面积点蚀的出现,说明在工作中,钢球与套圈之间油膜不足以将两者隔离,钢球与沟道面直接接触,从而出现早期疲劳剥落。


图3 良好脂润滑条件下套圈的工作轨迹

图4 不良脂润滑条件下套圈的工作轨迹

  1.2.2微动磨损

  图5中轴承套圈内径面上出现红褐色磨损痕迹,且存在红褐色粉末。因轴承内径与轴之间为过盈配合,工作时轴承内圈与轴同步旋转,正常情况下两者之间相对运动量极小,可认为基本处于相对静止状态。但是当过盈量不足时,轴承内圈与轴之间会出现相对反复的微小滑动,通常称这种因微小滑动引起的磨损为微动磨损。微动磨损中出现红褐色金属屑,说明原本因法向压力而处于粘着状态的两接触面,因为微小滑动使粘着区被破坏,有金属颗粒从零件表面被拉拽下来或表面被擦伤,引发粘着磨损。粘着磨损中出现的磨粒又引发磨粒磨损,造成套圈内径沿滑动方向出现划痕。因而微动磨损可认为是由粘着磨损和磨粒磨损共同作用形成。


图5 轴承内径微动磨损

  1.2.3蠕动

  图6为内圈端面发生蠕动的结果。蠕动多为轴承配合面上出现间隙,导致两配合面圆周方向发生相对滑动,使配合面上产生磨损。发生蠕动的配合面上呈现镜面状的光亮色或暗淡色,蠕动部位与零件原表面有明显区别。


图6 内圈端面蠕动

  1.2.4伪布氏压痕

  分析轴承早期失效时会在沟道面上发现图7中所示的压痕,其外观与布氏压痕类似,但是仔细观察会发现压痕附近有轴向划痕,且压痕特别粗糙,通常将这种压痕称为伪布氏压痕。此类压痕造成的轴承失效多为机床调试完毕,运达用户处发现或机床停机后再启动时发现,故根据其产生的时间段分析,可以排除因轴承安装时外力敲击所致。此类压痕应是在机床静止时产生,即当机床静止时,若受到振动,将导致机床部件在滚动接触区的微小运动,使机床部件进入微动磨损的状态,随着振动持续,微动磨损进一步发展,最终会形成伪布氏压痕。


图7 伪布氏压痕

  13烧伤

  烧伤是主轴轴承最容易判断的一种失效形式,一旦出现套圈、钢球变色,均可认为轴承发生烧伤,处于报废状态。图8为一组轴承烧伤照片,其中保持架(材料为酚醛层压布管)已经断裂,沟道面及钢球均已严重变色。轴承运转过程中,温度依次为钢球最高,内圈次之,外圈最低,故钢球变色最为严重,因高温而碳化损伤。造成烧伤的主要因素为轴承预加载荷过大,润滑冷却不良以及安装不当等。


图8 轴承烧伤

  1.4其他失效形式

  精密机床主轴轴承早期失效形式还有破损、裂纹及锈蚀等。

  破损主要是由于安装不当,过大的冲击载荷导致轴承零件损伤。

  裂纹主要是由过大的冲击载荷、过大的过盈量以及内部裂纹和剥落的扩展所致。而剥落的扩展可能导致轴承断裂。

  锈蚀主要由潮湿环境及防锈不当引起,微动磨损也能造成轴承锈蚀。

  2 解决措施

  对于轴承的早期失效,可以从以下几个方面入手:

  (1)正确选型,合理设计。避免因过载等原因造成轴承失效。

  (2)正确地安装,避免在安装时滚动体受力过大。

  (3)良好的润滑,选择黏度适合的润滑脂,并严格控制填脂量。一般推荐注脂量占轴承自由空间的15%~25%。

  (4)检查轴承安装相关部件,保证轴承工作时处于均匀受力状态。

  (5)对配对使用的轴承,应选择合适的预紧力。

  (6)定期维护,及时更换达到使用寿命的轴承。

  3 结论

  通过上述几种常见的机床主轴轴承早期失效形式,可以看出造成轴承失效的原因是多方面的。只有对失效进行认真分析,才能准确地找出原因,并提出相应的改进措施,最终达到延长轴承使用寿命的目的。

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