精密机床主轴轴承早期失效分析

申阳，张晓鹏，何峰涛

(1.洛阳轴研科技股份有限公司，河南 洛阳 471039；2.国家轴承质量监督检验中心，河南 洛阳 471039)

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1 500 h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1 500 h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

1.3 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 结束语

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。