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高速主轴轴承现场寿命试验及失效分析

作者：bearingpower        发表时间：2010-12-12

高速主轴轴承现场寿命试验及失效分析刘寿祥【ABSTRACT】“Service life test on site” is basically accurte and reliable to evalute the service life of high speed spindle bearing. It is key to distinguish “bearing”and “non bearing”factors of test bearing failure. The test shows that the failure type of the super precision high speed spindle bearing is mainly cage wear. It is service life is to be increased further, the new cage material with excellent wearability must be found out. 作者简介： 刘寿祥 64岁，高级工程师。毕业于西安动力学院，长期从事滚动轴承新产品开 发攻关和冷加工工艺及其试验研究。主持“低噪声（Z3组）轴承制造技术”项目等，获省级科技进步三等奖等五项部省级奖项和政府特殊津贴，在本刊发表论文6篇。1高速主轴轴承现场寿命试验1.1 现场使用寿命 超精密级高速主轴轴承（以下简称磨头轴承）是内表面磨床高速磨头的关键配套件。由于于磨头转速较高（30 000～60 000 r/min）,采用油雾润滑，工况条件比较恶劣，磨擦发热加剧。因此，该类寿命较低，是易损更换件。磨头轴承主要在高速轻载条件下工作，主轴对轴承的主要要求是：高速度、高精度、低温升、低振动和一定的使用寿命。由于磨头轴承具有高速特性，它与一般标准型轴承的寿命概念有所不同，其失效机理主要是磨损，而不是疲劳，提高“现场使用寿命”是开发这类轴承的关键所在。1.2 影响轴承现场使用寿命的因素 轴承现场装机试验寿命的长短，主要决定于轴承自身结构参数的设计和匹配，以及产品的的制造质量和工艺水平，但还有一些“非轴承”因素会导致轴承现场使用寿命的的降低和失效。通过失效轴承的分析，主要有以下几点： (1) 主轴维修人员对成对使用的角接触球轴承的选配、安装水平。 (2) 电主轴维修拆装次数。同一套（组）轴承多次拆装，对轴承使用寿命必然有一定影响（3）电主轴的新旧程度以及不同厂家生产的电主轴结构和制造质量的不同。（4）主轴本身的电气故障，如南方潮湿天气、电主轴壳体内受潮烧毁，转子轴矽钢片烧（5）油喷雾冷却用润滑油含有杂质。（6）机床操作工人技术素质和责任心。例如：试验中多次因操作失误，造成断油，磨头进水，使轴承烧毁。（7）对轴承的妥善保管，如轴承严重锈蚀、轴承污染等。2轴承现场装机使用寿命试验结果 磨头轴承使用寿命试验从1999年3月9日至11月15日分别在万向钱潮股份有限公司、无锡兆丰压缩机配件厂进行，共对国内外四轴承分司（厂）产的同类轴承（B7005C/P4，B7006C/P4）作了现场装机使用寿命跟踪与对比试验，共收集了失效轴承24套，并逐个拆套分析。为便于综合比较，按零件损坏程度和形式不同分为四类。试验结果分别见表1、表2、和表3，典型的失效形式见图1。3磨头轴承失效初步分析众所周知，高速磨头轴承主要由于摩擦造成零件的磨损而导致轴承的失效。从理论上说，若轴承所受的总摩擦力矩愈大，则轴承的摩擦、磨损和发热也愈大。轴承的摩擦力矩可以由多方面因素引起，诸如，弹性滞后损失、保持架与钢球之间摩擦、保持架与套圈间摩擦、差动滑动摩擦以及弹性流体动力润滑粘性损失等，而轴承内部结构设计参数的合理选择，如内、外沟曲率系数、球径、球数等主参数，对于轴承的摩擦、磨损有着很大的影响。这里特别要指出，在轴承内圈、外圈、钢球和保持架四大件中，只有“保持架与钢球”、“保持架与引导外圈”之间的接触副是由两种不同材质轴承钢与酚醛压布管组成。酚醛压布管材料属非金属材料，它与轴承钢相比，其耐磨性较差，就保持架与其相接触的零件钢球和引导套圈的磨擦分析，前者是点接触，引起的磨擦摩损较大；后者是线接触，造成的磨擦摩损较小，对轴承所形成失效威胁也较小。另一方面，从保持架零件结构分析，由于轴承设计取的球径小，球数多（如B7005C/P4 Dw×Z＝φ5.556×15）,使保持架球兜孔间过梁窄（最小处仅2～2.3mm）,强度弱，易被高速滚转的钢球磨损，甚至磨穿。因此，保持架是高速磨头轴承诸零件中最薄弱的环节。据表2统计，由于保持架首先严重损坏，乃至其过梁局部或全部被钢球磨穿，使轴承烧损、卡死而失效者，占全部分析的失效轴承（24套）的87.5%。其次，钢球也是高速磨头轴承损坏最薄弱的环节之一。这次试验中，尽管由于钢球首先失效，而导致轴承失效比例很小（仅占4.2%）。但按表2统计，24套失效轴承中由钢球烧损或表面剥落而损坏者占100%。因为钢球不仅与套圈沟道有强烈摩擦，而且与保持架兜孔的摩擦也很大。由于磨损很快，使钢球与保持架兜孔之间的间隙迅速增大，进而导致钢球产生滑动，润滑油膜破裂，加剧了钢球的温升发热，使钢球表面烧损。此外，在一支电主轴上，通常主轴前端和后端各成对安装两套角接触球轴承，并对其选配调整游隙，当主轴卡死时，四套轴承中有一套轴承卡死失效占大部分（70%），而成对两套轴承同时失效占小部分。 （a）过梁全部磨断成两半片 （b）两个过梁磨穿，一个钢球烧成畸形 （c）内圈沟道边缘啃伤 （d）钢球表面大块剥落图1 典型失效形式表1. 高速磨头轴承失效形式分析试验号机床型号编号磨头转速/r.min-1装柝次数前轴承型号编号后轴承型号编号轴承失效寿命/h失效情况分析13MZ205A032－110032－127032－151032－10736 0005B7006C/P44A，7AB7006C/P4Y（Z厂）无号2套B7006C/P46A，8AB7006C/P44A，7A合计1284＞1488（z）厂＞2736（TZ）3696（TZ）操作失误断油，后轴承6A、8A卡死失效；换两套“Z厂”作前轴承,4A、7A移至后轴承位，继续与“Z厂”两套作同轴对比试验；最后4A失效，7A未失效23MZ205A032－12536 0001B7006C/P42A，3AB7005C/P42A，3A2320 前轴承（2A）一套卡死烧损，钢球发黑，保持架断裂33MZ205A032－087032－091032－09148 0003B7005C/P48A，10AB7005C/P411A，12A合计＞48＞9620002144磨头进水，轴承未失效；线圈冒烟，转子轴烧坏报损；前轴承8A、10A失效，10A先卡死,球发黑，保持架啃毛，8A随之失效43MZ203A032－149032－14948 0002B7005C/P47A，9AB7004C/P4Y（Z厂）无号2套 。合计496（Z厂）＞496（TZ）688（TZ）两套后轴承先卡死失效，但两套前轴承7A、9A未失效；又更换两套后轴承B7004C/P4Y继续试验，前轴承9A保持架兜孔磨大失效53MZ205A032－9348 0001B7005C/P41A，4AB7005C/P45，6合计＞182480＞1904 磨头进水，轴承未失效； 后轴承6卡死失效63MZ205A032－11436 0001B7006C/P4125，143B7006C/P4399，408＞281673MZ205A032－106032－106032－121032－11236 0004B7006C/P416，3616，3616，3616，36B7006C/P4Z厂（旧）Z厂（新）Z厂（新）107、97合计＞352480641008后轴承Z厂两套保持架断裂而失效；Z厂两套后轴承（新）卡死失效；Z厂两套后轴承（新）卡死失效；TZ两套36先卡死，16也随之失效83MZ205A032－108032－116032－112360003B7006C/P48，748，748，74B7006C/P4107，97107，97107，97合计＞64＞969281088加大轴承型号大难磨，决定更换主轴；磨头磨削时发振磨不快，决定换机；TZ前轴承8保持架一个过梁卡死，先失效，74也随之失效总计平均八支轴（分别为36000r/min和48000r/min）＞1948有两支轴（5、6）轴承尚未失效，继续在使用之中注：未注明厂名代号的样品均系浙江万向特种轴承有限公司（TZ）样品；代号（Z厂）为洛阳轴承研究所出产的样品。表2. 磨头轴承寿命试验零件损坏分类统计零件损坏类别及数量未失效零件代号a类b类C类D类ok数量/个%数量/个%数量/个%数量/个%数量/个%保持架（66）833.31145.828.300312.5钢球（04）187528.314.15312.500内圈（02）937.514.1528.328.31041.6外圈（01）416.6416.60014.151562.5表3.磨头轴承零件损坏程度分类代号含意零件部位a类b类c类d类保持架过梁全部磨穿，横向断裂成两半片过梁局部磨穿或局部断裂局部掉小块或掉粉末其它套圈沟道、钢球表面全部发黑表面发蓝、黄色或局部发黑表面剥落其它，如如严重振纹、内沟啃伤4 结束语⑴ 通过现场使用寿命可以证实，对高速磨头轴承来说，无论是国内产品还是国外名牌产品，其主要失效形式是保持架的磨损失效，疲劳失效比例较小（小于10%）。⑵ 保持架和钢球之间强烈磨擦摩损使保持架过梁局部甚至全部磨断，钢球失去了在保持架内的准确位置，使高速成轴承在短时间内温度骤升，进而导致轴承卡死和烧伤。因此，保持架是影响高速轴承寿命最薄弱的零件。要想进一步提高速磨头的轴承寿命，必须探求具有良好耐磨性的保持架新型材质。【本文刊登于《轴承》杂志2001.No.6。2007.2.27打印存盘】注：本文收登于国内外十余部学术大典中，获得较好的评价。例如：《东方骄子－－中国创新英才理论与实践》（论文篇）的评审专家认为：此文具有较高的参考和交流价值，。又如：《当代中国理论与实践》的评审认为：此文立意新颖，见解独特，具有较强的开拓性和鲜活的创新性，且颇具理研究参考价值

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