某圓柱滾子軸承內(nèi)圈斷裂故障原因分析及工藝優(yōu)化

張文濤，劉凱歌，郭培銳，王夢茵，李江斌

(1.洛陽軸承研究所有限公司，河南 洛陽 471039；2.河南省高性能軸承技術(shù)重點實驗室，河南 洛陽 471039)

軸承對航空發(fā)動機可靠性的影響很大，一旦失效，會嚴重影響發(fā)動機的使用和安全[1-2]。某型發(fā)動機用異型圓柱滾子軸承外形尺寸為φ51.322 mm×φ74.693 mm×15.35 mm，內(nèi)外圈和滾子材料均為電渣重熔冶煉的Cr4Mo4V鋼，軸承工作溫度要求150 ℃，徑向載荷2 kN，使用壽命大于1 000 h。該軸承在模擬主機工況的臺架壽命試驗中出現(xiàn)了內(nèi)圈斷裂，現(xiàn)對斷裂原因進行分析，并進行工藝改進。

1 失效軸承概況

在進行臺架壽命試驗時，試驗工況為：轉(zhuǎn)速45 000 r/min，徑向載荷由1.5 kN增加到3 kN，工作溫度150 ℃，試驗的6套圓柱滾子軸承中有2套出現(xiàn)了內(nèi)圈斷裂故障，1#，2#軸承分別試驗至52.3,8.5 h時出現(xiàn)振動值驟增而停機。分解檢查發(fā)現(xiàn)1#軸承內(nèi)圈滾道靠近拉拔槽的油槽與油孔處斷裂，2#軸承內(nèi)圈半盲孔與油槽交匯處斷裂：斷裂部位不同，形式相似，如圖1、圖2所示。

圖1 圓柱滾子軸承內(nèi)圈斷裂故障件Fig.1 Fracture fault parts of cylindrical roller bearing inner rings

圖2 軸承內(nèi)圈油槽及油孔結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure diagram of oil groove and oil hole in inner ring

2 檢查結(jié)果分析

2.1 斷裂失效原因分析

對1#和2#失效軸承進行了宏觀和微觀觀察、硬度檢測、金相分析，結(jié)果為：

1)套圈和滾子的硬度、均勻性以及斷裂內(nèi)圈的材料、淬回火組織均符合JB/T 2850—2007《滾動軸承 Cr4Mo4V高溫軸承鋼零件 熱處理技術(shù)條件》的要求。

2)經(jīng)金相檢驗，主裂紋源區(qū)油槽與油孔表面存在嚴重的二次淬火燒傷層，與過大的磨削熱或線切割熱使零件表層達到高溫而發(fā)生相轉(zhuǎn)變產(chǎn)生的變質(zhì)層有關(guān)[3]。磨削燒傷和線切割燒傷外觀差異明顯：套圈磨削過程中會進行100%酸洗檢查，超精滾道前會進行100%裂紋檢查，抽檢磨削燒傷；線切割及電火花加工后,根據(jù)中國航發(fā)標準Q/2B957A—2018《電火花、激光加工技術(shù)規(guī)范》對重熔層深度進行破壞性抽檢。

綜上所述，內(nèi)圈斷裂失效的主裂紋源區(qū)在內(nèi)圈內(nèi)徑面油槽與油孔的交匯處，裂紋沿油孔及油槽縱向貫穿內(nèi)圈(圖2)，油槽采用線切割加工，油孔采用電火花穿孔加工，電火花加工產(chǎn)生的燒傷破壞了工件表面的連續(xù)性并改變了應(yīng)力狀態(tài)，應(yīng)力集中[4]是導致軸承裂紋產(chǎn)生的主要原因。

2.2 內(nèi)圈強度仿真分析

該圓柱滾子軸承內(nèi)圈有擋邊，為實現(xiàn)環(huán)下供油，設(shè)置了軸向油槽和徑向油孔，油槽和油孔參數(shù)見表1。

表1 軸向油槽和徑向油孔參數(shù)Tab.1 Parameters of axial oil groove and radial oil hole

通過ABAQUS仿真計算軸承內(nèi)圈的應(yīng)力，計算條件：轉(zhuǎn)速45 000 r/min，徑向載荷1.5，2.0,3.0 kN，工作溫度150 ℃，油槽與油孔交匯處有無圓角(R0.25 mm)情況下，滾子通過內(nèi)圈內(nèi)徑油槽位置時，內(nèi)圈油槽與油孔交匯處最大應(yīng)力計算結(jié)果見表2。

表2 不同狀態(tài)內(nèi)圈油槽與油孔交匯處最大應(yīng)力計算結(jié)果Tab.2 Calculation results of maximum stress at intersection of oil groove and oil hole in inner ring under different states

轉(zhuǎn)速為45 000 r/min時，徑向載荷為1.5和2.0 kN的典型應(yīng)力分布如圖3所示，內(nèi)圈油槽與油孔交匯處會產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中[4]。由表2可以看出，增加半徑為0.25 mm的倒圓角，可明顯降低應(yīng)力。

圖3 不同徑向載荷時軸承內(nèi)圈應(yīng)力計算云圖Fig.3 Stress calculation nephogram of bearing inner ring under different radial loads

當徑向載荷為2.0 kN時，內(nèi)圈油槽與油孔交匯處的應(yīng)力值已超過材料的極限拉伸強度(2 500 MPa)，必須采取有效措施去除應(yīng)力集中。

2.3 加工工藝復查

目前內(nèi)圈加工工藝流程為：鍛造→退火→車內(nèi)徑端面倒角→車內(nèi)外徑端面倒角→軟磨兩端面→軟磨外徑面→精車內(nèi)徑倒角→車倒角→車滾道砂輪越程槽和拉拔槽→熱處理→粗磨端面→粗磨內(nèi)外徑面→粗磨內(nèi)徑面→粗磨擋邊→粗磨內(nèi)滾道→100%探傷→100%酸洗→穩(wěn)定處理→加工倒角和小外徑面→終研端面→終磨內(nèi)外徑面→終磨內(nèi)徑面→終磨擋邊→終磨內(nèi)滾道→100%探傷→酸洗抽檢→超精內(nèi)滾道→線切割油槽→電火花加工油孔。

若油槽和油孔加工安排在熱處理前進行，因油槽、油孔與內(nèi)徑面、退刀槽交匯處均為尖角，淬火時會產(chǎn)生應(yīng)力集中，甚至出現(xiàn)裂紋，且油孔位置不易保證。若安排在粗磨之后終磨之前進行，φ1 mm油孔將嚴重影響研內(nèi)外徑面工序的精度，軸向油槽也將嚴重影響終磨內(nèi)徑面工序的精度，內(nèi)徑面不僅易出現(xiàn)振紋，而且尺寸和滾道壁厚差無法準確測量，因此將這兩者安排在完全磨削加工后。此外，油槽與油孔相互關(guān)聯(lián)，為便于定位，先加工油槽，后加工油孔。

套圈為淬火件，硬度達60～64 HRC，油槽無法用銑刀加工，故選用線切割。4個φ1.2 mm油孔均通入退刀槽，并被限定在槽內(nèi)，因此油孔只能選用電火花由內(nèi)徑面向外徑面進行穿孔。

綜上可知，該圓柱滾子軸承內(nèi)圈為鉆孔件，極易產(chǎn)生應(yīng)力集中，制定工藝流程時雖然盡量避免產(chǎn)生應(yīng)力集中，但未對成品零件實際應(yīng)力狀態(tài)進行檢測，效果不佳。

3 工藝優(yōu)化

為保證加工效率和產(chǎn)品質(zhì)量，線切割油槽方式不變。根據(jù)內(nèi)圈結(jié)構(gòu)特點，內(nèi)外徑的4個φ1 mm油孔采用鉆頭加工以避免出現(xiàn)燒傷和裂紋， 4個φ1.2 mm油孔采用電火花穿孔加工。

3.1 油槽缺陷去除

線切割油槽后增加砂輪棒修油槽、去除油槽與油孔交匯處銳角及高溫回火工序，砂輪棒修油槽可去除線切割燒傷層，倒銳角及高溫回火可去除切油槽后出現(xiàn)的應(yīng)力集中現(xiàn)象[6-7]。為驗證措施的有效性，進行工藝驗證試驗：將按原工藝加工的2件套圈剖分油槽和油孔，用金相顯微鏡檢測燒傷層和裂紋，然后修油槽、去除銳角并進行500 ℃×6 h高溫回火，檢測燒傷層和裂紋，檢測結(jié)果見表3。

表3 高溫回火前后的燒傷層和裂紋情況Tab.3 Burn layers and cracks before and after high temperature tempering

由表3可知，修油槽、去除銳角并進行高溫回火可消除線切割加工油槽產(chǎn)生的燒傷層，但不能消除電火花加工油孔產(chǎn)生的燒傷層和裂紋。

為驗證高溫回火對套圈的表面質(zhì)量、硬度、尺寸和精度的影響程度，進行工藝試驗：選用10件原工藝加工的成品內(nèi)圈進行高溫回火，檢測回火前后內(nèi)圈的硬度(端面上同一點)、內(nèi)徑尺寸(定點、定高)和滾道圓度，目測表面外觀的變化，結(jié)果見表4，高溫回火對內(nèi)圈的硬度、尺寸和精度均無明顯影響，且外觀質(zhì)量未發(fā)生改變，所以高溫回火可以在成品狀態(tài)進行。

表4 高溫回火前后內(nèi)圈的硬度、尺寸和精度檢測Tab.4 Hardness,size and accuracy testing of inner rings before and after high temperature tempering

3.2 油孔缺陷去除

鑒于高溫回火不能消除電火花加工油孔產(chǎn)生的燒傷層和裂紋，采用牙鉆手工修整方式去除：先用電火花加工出小于圖紙尺寸的底孔，然后修孔到圖紙尺寸。該修整方法首先要確定修整余量，根據(jù)金相顯微鏡對原工藝加工套圈的油孔檢測，可知燒傷層和裂紋深度為0.04～0.08 mm，故確定直徑方向上孔的雙邊修整余量至少為0.16 mm。

為驗證上述措施的有效性，選用10件原工藝加工的套圈按照0.16 mm的余量對4個φ1.2 mm油孔進行修整，檢測結(jié)果表明修孔后完全去除了燒傷層和裂紋。

文獻[8-9]對電火花加工參數(shù)和加工方式的研究結(jié)果表明，降低表面粗糙度Ra可有效降低燒傷層深度，所以通過改變電流參數(shù)和加工方式使油孔的表面粗糙度Ra值由3.20 μm降到1.25 μm，檢測表明燒傷層深度由0.04～0.08 mm降到了0.02 mm以內(nèi)，因此油孔的雙邊修整余量降到了0.04 mm，但考慮安全裕度，最終將孔的雙邊修整余量設(shè)定為0.1 mm。按此方案加工10件新產(chǎn)品，對φ1.2 mm油孔的截面進行金相檢測，結(jié)果表明完全去除了燒傷層和裂紋。

3.3 優(yōu)化后工藝

新工藝與原工藝的對比見表5，由表可知：新工藝將原工藝中的電火花加工φ1 mm通油孔(工序17)改用機械鉆孔(工序4)代替，有效避免了電火花加工產(chǎn)生的燒傷和裂紋；增加了修φ1.2 mm半盲孔及去除油槽和油孔交匯處銳角工序(工序10)，去除了半盲孔的燒傷層和裂紋，避免了尖角處的應(yīng)力集中；增加了高溫回火工序(工序11)，消除了油槽的燒傷層，最后的酸洗和探傷進一步排除了裂紋隱患。

表5 新工藝與原工藝的對比Tab.5 Comparison between original process and new process

4 試驗驗證

為驗證優(yōu)化工藝的有效性，對改進軸承進行1 000 h臺架壽命試驗，試驗條件見表6，試驗后軸承完好，檢測數(shù)據(jù)無異常。并與進口軸承進行臺架對比試驗，試驗徑向載荷由2 kN增加到3 kN，時間為50 h，試驗后軸承完好，檢測數(shù)據(jù)無異常，表明國產(chǎn)改進軸承的承載能力與進口軸承相當。

表6 臺架壽命試驗條件Tab.6 Bench life test conditions

5 結(jié)束語

通過對異型軸承內(nèi)圈故障進行檢查與分析發(fā)現(xiàn)，內(nèi)圈的早期失效是電加工燒傷層在使用中萌發(fā)裂紋進而擴展造成內(nèi)圈斷裂。通過將電火花加工通油孔改為車加工時進行軟鉆，調(diào)整電火花加工半盲孔的工藝參數(shù)，電火花加工后手工修邊、圓角過渡，并增加500 ℃高溫回火等工序，有效去除了電火花加工缺陷，避免了內(nèi)圈斷裂。工藝改進后加工的軸承通過了臺架壽命試驗和過載能力考核。