摘 要：主要從剝落、異常磨損、燒傷等幾個方面介紹了精密機床主軸軸承常見的失效形式，對軸承早期失效的成因進行了分析，并針對這幾種失效方式提出了預防措施。
關鍵詞：主軸軸承；失效；剝落；異常磨損；預載荷
精密機床主軸軸承的運轉(zhuǎn)精度要求較高，因此在正常使用過程中，一般將軸承的精度
壽命作為其基本額定使用壽命，即軸承能保持其穩(wěn)定精度的工作時間。為保證機床精度，通常建議每1500h左右對精密機床主軸軸承進行維護更換，即認為軸承精度壽命應在1500h左右。對于未達此壽命的主軸軸承，均可認為其出現(xiàn)了早期失效。通過對早期失效軸承的分析，希望能夠找出引起軸承失效的不良因素，提出改進措施，從而延長軸承使用壽命。
1 主要失效形式
精密機床主軸軸承失效主要以剝落和異常磨損2種形式出現(xiàn)，此外還有燒傷、軸承破損及銹蝕等失效形式。對于各類失效形式單獨討論，有助于揭示軸承早期失效的誘因，以便提出針對性的解決方法。
1.1異常剝落
異常剝落多發(fā)生于軸承使用中期甚至是早期，與疲勞剝落形成原因相比，異常剝落多是由于安裝不當、潤滑不良、選型和預載荷不當及承受載荷過大等因素引起。分析此類剝落形成原因可獲得機床整體信息。下面介紹幾種常見的異常剝落。
（1）圖1為角接觸球軸承剝落出現(xiàn)在溝道非正常工作面。軸承正常工作時，其滾動接觸面固定，非工作面不存在接觸，因而不會發(fā)生剝落。而現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)軸承溝道非正常工作面出現(xiàn)了剝落，懷疑這是軸承在安裝時不對中，或主軸的翹曲度過大以及軸承座加工精度不良所致。
圖1 不對中造成的軸承剝落
（2）圖2為受到?jīng)_擊載荷后，軸承溝道出現(xiàn)壓痕引起剝落。圖2a中軸承套圈溝道出現(xiàn)球形壓痕，痕跡較為光亮，其分布間距與鋼球間距相同，因而可判斷此壓痕為鋼球受到外界沖擊載荷（如軸承安裝時鋼球受力過大）與溝道面接觸所致，通常稱這種壓傷為布氏壓痕。在溝道面出現(xiàn)壓痕后，軸承轉(zhuǎn)動時，鋼球每滾過一個壓痕就產(chǎn)生一次沖擊，對壓痕產(chǎn)生一次碾壓作用。外載荷越大，碾壓力就越大，在短時間內(nèi)，壓痕就會產(chǎn)生片層狀的疲勞剝落。圖2b為布氏壓痕導致的剝落。
圖2 沖擊載荷造成的軸承失效
（3）配對使用的角接觸球軸承，若在其壽命早期，溝道工作面就出現(xiàn)疲勞剝落，除懷疑軸承鋼材內(nèi)部非金屬夾雜和組織不均勻等問題外，還應對配對軸承預加載荷進行分析，過大的預加載荷同樣會造成軸承早期疲勞剝落。此外，對單套軸承出現(xiàn)早期疲勞剝落也應綜合分析，確定是否存在軸承承受載荷過大的問題。
1.2異常磨損
1.2.1潤滑不良
圖3是良好潤滑條件下的光亮軌跡，軌跡較為清晰。圖4為不良潤滑工作條件下的套圈工作軌跡，整個運行軌跡顏色昏暗，極為粗糙。放大后可以看到，整個磨損區(qū)域由密集的麻點構成，表明此時溝道上已經(jīng)出現(xiàn)了表層剝落，通常將其歸類為點蝕。因軸承工作時除了滾動外，還不可避免地出現(xiàn)相對滑動，潤滑油膜的作用就是將鋼球與溝道面隔開，降低因摩擦引起的疲勞剝落。大面積點蝕的出現(xiàn)，說明在工作中，鋼球與套圈之間油膜不足以將兩者隔離，鋼球與溝道面直接接觸，從而出現(xiàn)早期疲勞剝落。
圖3 良好脂潤滑條件下套圈的工作軌跡
圖4 不良脂潤滑條件下套圈的工作軌跡
1.2.2微動磨損
圖5中軸承套圈內(nèi)徑面上出現(xiàn)紅褐色磨損痕跡，且存在紅褐色粉末。因軸承內(nèi)徑與軸之間為過盈配合，工作時軸承內(nèi)圈與軸同步旋轉(zhuǎn)，正常情況下兩者之間相對運動量極小，可認為基本處于相對靜止狀態(tài)。但是當過盈量不足時，軸承內(nèi)圈與軸之間會出現(xiàn)相對反復的微小滑動，通常稱這種因微小滑動引起的磨損為微動磨損。微動磨損中出現(xiàn)紅褐色金屬屑，說明原本因法向壓力而處于粘著狀態(tài)的兩接觸面，因為微小滑動使粘著區(qū)被破壞，有金屬顆粒從零件表面被拉拽下來或表面被擦傷，引發(fā)粘著磨損。粘著磨損中出現(xiàn)的磨粒又引發(fā)磨粒磨損，造成套圈內(nèi)徑沿滑動方向出現(xiàn)劃痕。因而微動磨損可認為是由粘著磨損和磨粒磨損共同作用形成。
圖5 軸承內(nèi)徑微動磨損
1.2.3蠕動
圖6為內(nèi)圈端面發(fā)生蠕動的結(jié)果。蠕動多為軸承配合面上出現(xiàn)間隙，導致兩配合面圓周方向發(fā)生相對滑動，使配合面上產(chǎn)生磨損。發(fā)生蠕動的配合面上呈現(xiàn)鏡面狀的光亮色或暗淡色，蠕動部位與零件原表面有明顯區(qū)別。
圖6 內(nèi)圈端面蠕動
1.2.4偽布氏壓痕
分析軸承早期失效時會在溝道面上發(fā)現(xiàn)圖7中所示的壓痕，其外觀與布氏壓痕類似，但是仔細觀察會發(fā)現(xiàn)壓痕附近有軸向劃痕，且壓痕特別粗糙，通常將這種壓痕稱為偽布氏壓痕。此類壓痕造成的軸承失效多為機床調(diào)試完畢，運達用戶處發(fā)現(xiàn)或機床停機后再啟動時發(fā)現(xiàn)，故根據(jù)其產(chǎn)生的時間段分析，可以排除因軸承安裝時外力敲擊所致。此類壓痕應是在機床靜止時產(chǎn)生，即當機床靜止時，若受到振動，將導致機床部件在滾動接觸區(qū)的微小運動，使機床部件進入微動磨損的狀態(tài)，隨著振動持續(xù)，微動磨損進一步發(fā)展，最終會形成偽布氏壓痕。
圖7 偽布氏壓痕
13燒傷
燒傷是主軸軸承最容易判斷的一種失效形式，一旦出現(xiàn)套圈、鋼球變色，均可認為軸承發(fā)生燒傷，處于報廢狀態(tài)。圖8為一組軸承燒傷照片，其中保持架（材料為酚醛層壓布管）已經(jīng)斷裂，溝道面及鋼球均已嚴重變色。軸承運轉(zhuǎn)過程中，溫度依次為鋼球最高，內(nèi)圈次之，外圈最低，故鋼球變色最為嚴重，因高溫而碳化損傷。造成燒傷的主要因素為軸承預加載荷過大，潤滑冷卻不良以及安裝不當?shù)取?/p>
圖8 軸承燒傷
1.4其他失效形式
精密機床主軸軸承早期失效形式還有破損、裂紋及銹蝕等。
破損主要是由于安裝不當，過大的沖擊載荷導致軸承零件損傷。
裂紋主要是由過大的沖擊載荷、過大的過盈量以及內(nèi)部裂紋和剝落的擴展所致。而剝落的擴展可能導致軸承斷裂。
銹蝕主要由潮濕環(huán)境及防銹不當引起，微動磨損也能造成軸承銹蝕。
2 解決措施
對于軸承的早期失效，可以從以下幾個方面入手：
（1）正確選型，合理設計。避免因過載等原因造成軸承失效。
（2）正確地安裝，避免在安裝時滾動體受力過大。
（3）良好的潤滑，選擇黏度適合的潤滑脂，并嚴格控制填脂量。一般推薦注脂量占軸承自由空間的15%～25%。
（4）檢查軸承安裝相關部件，保證軸承工作時處于均勻受力狀態(tài)。
（5）對配對使用的軸承，應選擇合適的預緊力。
（6）定期維護，及時更換達到使用壽命的軸承。
3 結(jié)束語
通過上述幾種常見的機床主軸軸承早期失效形式，可以看出造成軸承失效的原因是多方面的。只有對失效進行認真分析，才能準確地找出原因，并提出相應的改進措施，最終達到延長軸承使用壽命的目的。
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