济南市鸿慷机电设备有限公司位于交通便利的泉城济南，是全球生产滚动轴承和直线运动产品的领导企业---德国舍弗勒集团在山东的授权代理商。公司专营舍弗勒集团旗下两大品牌德国INA轴承和德国FAG轴承，是一家顺应经济发展需要而诞生的专业化新型高端轴承公司。多年来一直从事轴承的销售和售后技术支持，在机械行业技术方面有着非常丰富的经验，今天济南鸿慷机电进口轴承专家为大家介绍一下精密机床主轴轴承早期失效分析。
摘 要：主要从剥落、异常磨损、烧伤等几个方面介绍了精密机床主轴轴承常见的失效形式，对轴承早期失效的成因进行了分析，并针对这几种失效方式提出了预防措施。
关键词：主轴轴承；失效；剥落；异常磨损；预载荷
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，通常建议每1500h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1500h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
13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。
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