數(shù)控車床主軸組件的回轉(zhuǎn)精度是影響機床加工精度的主要因素之一，而主軸軸承的穩(wěn)定性對回轉(zhuǎn)精度起到關(guān)鍵作用。軸承的服役工況復雜，機床主軸軸承的早期失效形式主要有：接觸疲勞失效、斷裂失效、腐蝕失效等。由于轉(zhuǎn)動中的軸承受到循環(huán)載荷作用，因此各類機械軸承經(jīng)常發(fā)生滾動接觸疲勞失效。軸承的滾動接觸疲勞損傷主要發(fā)生在軸承套圈的滾道表面或近表面。一般認為，軸承的滾動接觸疲勞壽命與材料的自身性能和外部條件有關(guān)，自身性能主要包括材料的硬度、組織均勻性和夾雜物分布等，外部條件則主要指接觸表面的粗糙度、清潔度以及軸承系統(tǒng)的潤滑情況等。車床主軸軸承在實際應用中發(fā)生的早期失效常由軸承的自身性能和外部條件共同作用引起。
某公司的一臺數(shù)控車床主軸在轉(zhuǎn)速為500~1000r/min時存在異響，判斷主軸軸承發(fā)生早期失效。該數(shù)控車床用于加工硬鋁零件，常用的工作轉(zhuǎn)速為6000~8000r/min，車床主軸軸承型號為7014AC，屬于角接觸球軸承。軸承套圈材料為GCr15鋼，滾珠材料為SiC。李天夫、鐘云飛等研究人員采用宏觀觀察、化學成分分析、掃描電鏡(SEM)和能譜分析、金相檢驗、硬度測試等方法分析了軸承的損傷原因，以防止該類問題再次發(fā)生。
1、理化檢驗
1.1 宏觀觀察
車床主軸軸承的宏觀形貌如圖1所示，兩個軸承分別標記為B-1 和B-2，軸承外觀無明顯損傷。
在體視顯微鏡下觀察B-1、B-2軸承的外圈和內(nèi)圈滾道表面，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知：失效軸承的外圈滾道表面損傷程度輕微，內(nèi)圈滾道表面則可見明顯的剝落坑。對軸承內(nèi)圈滾道表面的典型損傷區(qū)域進行放大觀察，可見B-1軸承內(nèi)圈滾道表面的損傷面積較大，而B-2軸承內(nèi)圈滾道表面的損傷面積相對較小。
1.2 化學成分分析
截取B-1軸承和B-2軸承試樣，對其進行化學成分分析，由 GB/T 18254—2016《高碳鉻軸承鋼》可知，軸承材料的化學成分均符合標準要求。
1.3 掃描電鏡和能譜分析
用掃描電鏡對B-1軸承內(nèi)圈滾道表面試樣進行觀察，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知：內(nèi)圈滾道表面的損傷面積較大，但深度很淺，為滾道表層的輕微損傷；滾道表面局部存在若干聚集分布的小剝落坑，剝落坑形狀近似圓形，大剝落坑周圍分布有若干小點蝕坑。
用掃描電鏡對B-2軸承內(nèi)圈滾道表面試樣進行觀察，結(jié)果如圖4所示。由圖4可知：B-2軸承內(nèi)圈滾道表面損傷處呈不規(guī)則形狀，損傷較深，邊緣處為尖角局部存在若干沿直線排列的不規(guī)則損傷凹坑，凹坑邊緣存在塑性變形痕跡，且凹坑之間有兩條較深的犁溝。
選取B-1軸承表面剝落坑處和B-2軸承表面損傷處進行能譜分析,結(jié)果如圖5所示。由圖5可知：B-1軸承表面剝落坑內(nèi)O元素含量較高，但B-2軸承表面損傷處的O元素含量明顯高于B-1軸承表面，且凹坑內(nèi)含有較多的Al元素和少量 Ti元素，Al元素和Ti元素為外來元素。
1.4 金相檢驗
在B-1、B-2軸承內(nèi)圈切取金相試樣，將截面拋光后，按照 GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定 標準評級圖顯微檢驗法》進行夾雜物評級，結(jié)果如表1所示，結(jié)果顯示B-1、B-2軸承的夾雜物含量較低。
表1 軸承的夾雜物評級結(jié)果
使用4%(體積分數(shù))的硝酸乙醇溶液將金相試樣腐蝕，然后利用光學顯微鏡觀察截面局部的微觀形貌。兩個試樣的滾道截面微觀形貌如圖6所示，由圖6可知：B-1軸承表面均勻分布著一層極薄白亮組織，判定應為滾道表面摩擦熱作用下產(chǎn)生的二次淬火組織，白亮層下方為深色的高溫回火組織，滾道表面局部可見輕微剝落損傷，如圖6a)中黑色虛線區(qū)域；B-2軸承滾道表面局部存在較深的半月形白亮二次淬火層，如圖6b)中黑色虛線區(qū)域。B-1軸承的二次淬火層極薄且分布均勻，但B-2軸承的二次淬火層很厚且分布不均勻，說明B-1軸承表面發(fā)生的是正常滾動磨損，而B-2軸承的表面磨損程度不均勻，滾動體局部發(fā)生劇烈磨損。B-1軸承的表面剝落坑較淺且大小不一，呈連續(xù)分布，隨著剝落坑面積逐漸變大，相鄰的剝落坑之間互相連通，形成大面積表面剝落損傷；B-2軸承滾道表面剝落面積較小，可見與表面呈45°的接觸疲勞短裂紋[圖6d)中白色虛線區(qū)域]，在二次淬火層表面存在較大面積的內(nèi)部剝落[圖6d)中黑色虛線區(qū)域]。兩個試樣中均含有細小的回火馬氏體、殘余奧氏體及顆粒狀碳化物。
1.5 硬度測試
在B-1、B-2軸承套圈滾道表面隨機選取3個位置進行硬度測試，測試結(jié)果如表2所示，根據(jù)JB/T 1255—2014《滾動軸承 高碳鉻軸承鋼零件熱處理技術(shù)條件》，可知硬度均符合標準要求。B-1軸承套圈的硬度略低于B-2軸承；標準要求同一軸承套圈的硬度差應小于2HRC，其中B-1軸承的內(nèi)圈硬度差超出標準值。
表2 軸承套圈硬度測試結(jié)果
使用自動顯微硬度計對軸承內(nèi)圈滾道下方50~1000μm深度位置進行硬度梯度測試，每個測試深度取3個相鄰點位進行測試，并對結(jié)果取平均值。軸承內(nèi)圈滾道下方硬度測試位置如圖7所示。
軸承內(nèi)圈滾道下方硬度曲線如圖8所示，結(jié)果顯示B-1軸承的硬度略低于B-2軸承，且其不同點位的硬度波動較大，說明B-1內(nèi)圈硬度分布不均勻。
2、綜合分析
損傷主要集中在軸承內(nèi)圈滾道表面，B-1軸承的損傷面積較大，但大部分為淺表層損傷，局部存在聚集型剝落，剝落坑形狀規(guī)則，近似為圓形，大面積剝落坑邊緣存在較多點蝕坑，為接觸疲勞早期失效
的典型損傷形貌。截面的金相檢驗結(jié)果表明，滾道表面存在均勻分布的極薄二次淬火層，表明B-1軸承表面磨損程度較輕，無明顯異常損傷。滾道表面存在若干較淺的小面積剝落坑。B-2軸承的損傷面積相對較小，但損傷較深，損傷凹坑分布比較集中。在凹坑邊緣存在明顯塑性變形，個別凹坑之間可見較深的犁溝，能譜測試發(fā)現(xiàn)損傷凹坑內(nèi) O、Al元素的含量較高，Ti元素含量較低。B-2軸承的損傷為硬鋁碎屑進入軸承導致，鋁屑進入接觸表面發(fā)生磨粒磨損，在表面形成擠壓凹坑，隨著軸承的轉(zhuǎn)動，在滾道表面形成較深的犁溝。B-2軸承的滾道表面存在接觸疲勞短裂紋，局部表面存在較深的半月形二次淬火層，結(jié)合能譜分析結(jié)果可知，B-2軸承滾道表面的氧化程度明顯高于B-1軸承。二次淬火組織主要為細小的馬氏體，其硬度高、脆性大，在外力作用下極易發(fā)生開裂剝落，在B-2軸承的二次淬火層內(nèi)部也觀察到較大面積的剝落損傷。在循環(huán)載荷的作用下，表面硬度與金屬表面塑性變形程度相關(guān)，B-1軸承的內(nèi)圈滾道硬度較低，且硬度分布不均勻，促進了其淺表層損傷。
接觸疲勞表面裂紋的萌生與擴展是接觸件點蝕失效的主要原因。主軸軸承的轉(zhuǎn)速很快，在循環(huán)載荷的作用下，滾道表面會萌生微小的接觸疲勞裂紋，裂紋密度逐漸增大并互相連通，形成微區(qū)剝落，進而發(fā)展成點蝕剝落。點蝕坑處存在應力集中，在循環(huán)載荷的作用下，點蝕坑底部萌生新的接觸疲勞裂紋，裂紋逐漸擴展，使點蝕坑不斷加深，較多的點蝕坑發(fā)生聚集后，坑底的裂紋相互連通，逐漸形成大面積的剝落坑,引起接觸疲勞失效。接觸疲勞引起的表面剝落是一個循序漸進的過程。在接觸疲勞作用早期,損傷主要為淺表層剝落損傷，對軸承滾道的表面粗糙度影響不大，通常不會使軸承運轉(zhuǎn)異常，如B-1軸承內(nèi)圈表面形成的接觸疲勞損傷，但磨粒磨損引起軸承滾道表面形成較深的損傷凹坑，磨粒在滾動體的帶動下使表面形成犁溝，這些損傷凹坑和犁溝使接觸表面的粗糙度顯著增大，破壞了潤滑油膜的連貫性，導致滾動體運轉(zhuǎn)受到阻滯，因此軸承在運轉(zhuǎn)過程中出現(xiàn)異響。另外，磨損使接觸區(qū)溫度異常升高，局部組織發(fā)生轉(zhuǎn)變，形成較深的二次淬火層，在循環(huán)載荷的作用下，表面更易萌生接觸疲勞裂紋，形成較深的剝落。
3、結(jié)論與建議
(1)車床異響的原因為主軸B-2軸承發(fā)生磨粒磨損，導致滾道表面發(fā)生嚴重損傷，磨粒為加工零件產(chǎn)生的硬鋁碎屑。
(2)建議加強切削碎屑的清理，或在軸承上添加防塵圈，避免外界異物進入引起軸承損傷。
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