30 / 2021-08-30 20:29:43

高精密机床轴承的表面损伤与提前失效

高端轴承；损伤形貌；提前失效；表面变质层；

轴承作为重要的机械零件，在旋转副中起着支撑构件和减小摩擦的作用。高端轴承作为精密设备的核心零部件之一，其滚动接触疲劳性能和相关损伤机制一直被视为研究的重点。传统的滚动接触疲劳失效模式分为表层起裂和次表层起裂。引发失效的原因包括表面粗糙度过高、夹杂物过多、碳化物不均、亚表层显微组织变异等。随着加工质量和冶金质量的不断提高，轴承表面加工质量得到良好的改善、钢中的夹杂物和碳化物颗粒也得到了精准的控制，发生传统滚动接触疲劳失效模式的频率逐渐降低。但是，对于高精密机床主轴轴承，精度失效成为其最主要的失效方式之一。在轴承的精度失效中，点蚀坑、表面微裂纹、塑性流变等表面变质层成为影响其滚动接触疲劳寿命、导致轴承提前失效的主要因素。表面变质层在轴承提前失效损伤机制中的作用非常重要，但是鲜有报道关注滚动接触疲劳中表面变质层的损伤行为。

本研究选取在实际工况下服役失效的高精密机床主轴轴承，该机床用于重切削及精加工金属零件，轴承服役时间8个月，平均每天使用18小时，常用主轴转速8000-11000 rpm。利用体式显微镜、白光干涉仪、金相显微镜、扫描电子显微镜等分析手段，表征了该轴承表面损伤形貌及亚表层微观组织特征。结果表明：(1)轴承内圈损伤程度重于外圈。由轴承加载的接触应力分布可知，在表层下同样深度位置处，内圈的应力大于外圈，这就导致内圈的损伤程度会更剧烈。(2)轴承套圈沟道表面损伤形貌分布不均匀。在同一套圈的沟道面接触带上，不同区域表面呈现压平、褶皱或短棒状表面塑性变形及坑状剥落等不同的损伤形貌。其中，接触带中心位置的损伤最为严重，这与轴承表面复杂的接触应力状态有关。(3)在轴承截面组织中，尚未观测到黑蚀区、白蚀区、白蚀带等变异组织；也尚未观测到亚表面起始裂纹。(4)在轴向和周向两个方向的轴承截面样品表层均出现5-15 μm厚度的滚动接触疲劳造成的表面流变变质层。在变质层中，还存在与轨道表面呈5-15°左右的表面裂纹。这种表面裂纹起始于表面短棒状塑性变形处，并逐渐向材料内部发展。由赫兹接触应力可知，轴承接触应力在亚表面达到最大；但由于亚表面组织三向受力，其塑性变形受到抑制；相反表面塑性变形最大，最容易萌生裂纹。根据上述轴承失效特征，该轴承属于表层损伤模式。

综上所述，在区别于传统滚动接触疲劳失效模式的“提前失效”下失效的轴承，会对高端精密机床的使用过程产生较大振动，严重影响机床的加工精度，表面变质层是对这种失效模式主要影响因素之一。但是对于滚动接触疲劳中的表面变质层的演变和损伤机制，现有的研究还远远不够。着重研究表面变质层的形态与微观组织特征对于揭示“预先失效”的机理有重要的意义，对高端轴承国产化的发展也有非常深远的意义。