许明奇，郑红威，曲琼

(洛阳LYC轴承有限公司 技术中心，河南 洛阳 471039)

1 问题的提出

滚子轴承因承载能力大，摩擦因数小，高速运转性能优越而广泛应用于航空发动机、车辆及机床主轴等领域。现代圆柱滚子轴承由于有限元技术的应用，对其结构设计进行了优化，再加上材料性能及制造精度的提高，使得圆柱滚子轴承的寿命得到不断提高。

滚子作为轴承的关键零件，其制造精度和质量直接影响轴承的动态性能和使用寿命。圆柱滚子根据素线形式(滚子修形曲线)的不同主要分为直素线滚子、全圆弧滚子、圆弧修缘滚子(中间直线两端圆弧修形)和对数曲线滚子4种类型。不同形式修形滚子与滚道接触时的应力分布如图1所示。

由图1可知，直素线滚子与滚道接触时，由于滚子端部突变的倒角产生边缘效应，导致应力集中[2-3]；全圆弧滚子能够起到类似调心的作用，不仅可以消除或减小边缘效应，还能有效消除或减小轴偏斜引起的端部应力集中，不足之处是滚子实际接触长度减小，造成滚子中部应力明显高于两端，对轴承的疲劳寿命产生一定的影响；圆弧修缘滚子的最大接触应力小于同载荷下的全圆弧滚子，耐疲劳性能更好，国内外航空圆柱滚子轴承多采用这种修形滚子；对数曲线滚子在同等载荷作用下，不仅可以消除边缘效应，而且可以使滚子在有效接触长度范围内应力分布均匀，其素线上各点的凸度坐标值依据轴承承受的载荷进行设计，载荷越大，凸度值越大，缺点是加工及检测成本高。

图1 不同形式的修形滚子与滚道接触时的应力分布

4种圆柱滚子中圆弧修缘滚子应用最为广泛，因此，主要针对圆弧修缘滚子轴承在试验期间出现的滚子表面剥落现象进行失效分析。轴承安装于某传动系统，随减速器完成第一、第二阶段TBO试验，轴承实际累计工作时间为367 h，低于设计寿命值。试验轴承套圈及滚子材料均为GCr15轴承钢，回火温度为250 ℃。试验后将轴承分解，并对套圈、保持架及滚子进行相关检验，结果显示套圈及保持架完好，但发现有1粒滚子表面存在小面积剥落。

2 检测与分析

2.1 宏观检查

宏观检查结果如图2所示，滚子表面工作区域均存在宽度约10 mm的磨损区域(位于滚子直线范围内)，在30粒滚子中，发现有1粒滚子(记为1#)在弧坡与直线相交处存在约2 mm×2 mm的剥落区域(图3)，其他滚子未见明显剥落痕迹。任取2粒滚子(分别记为2#和3#)与1#滚子进行对比观察分析。

图2 滚子表面磨损情况

图3 产生表面剥落的1#滚子外观形貌

2.2 微观检查

将滚子经超声波清洗、烘干后在扫描电镜下进行观察，1#滚子表面剥落坑低倍形貌如图4a所示，图中白色箭头所示方向为滚子周向，剥落坑所在区域近似菱形，并沿箭头方向长度较大。滚子剥落坑高倍形貌可见沿轴向分布的贝壳状疲劳剥落特征(图4b)；沿滚子轴向对紧邻剥落坑左右两侧的表面形貌进行观察，滚子表面剥落坑左侧(即弧坡处)形貌如图4c所示，表面较光滑，分布有沿周向的加工痕迹；滚子表面剥落坑右侧(即直线处)呈鳞片状剥落形貌(图4d)。对2#，3#滚子进行表面检查，形貌分别如图5、图6所示。在滚子直素线与弧坡过渡处，滚子弧坡处所在区域表面光滑，而直素线所在表面均存在鳞片状剥落凹坑。

图4 1#滚子剥落坑形貌图

图5 2#滚子形貌图

图6 3#滚子形貌图

2.3 淬、回火组织检查

分别沿滚子纵、横截面制取金相试样，经4%硝酸酒精溶液腐蚀后在显微镜下进行观察，滚子显微组织由淬、回火马氏体+细小残留碳化物+少量残余奥氏体组成。ZJB J11038—1993标准规定淬、回火马氏体为1～3级，网状碳化物≤2.5级，检查1#滚子的淬、回火马氏体为3级，网状碳化物为1级，合格。

2.4 硬度检测

采用显微硬度计对1#，2#和3#滚子基体材料进行硬度检测，并根据GB/T 1172—1999对硬度值进行换算，测量结果见表1，符合ZJB J11038—1993标准要求。

表1 滚子硬度测试结果

2.5 滚子外形尺寸及剥落位置测量

(1)用多功能坐标测量仪对1#～3#滚子的弧坡处至直线段的外形尺寸进行测量，结果见表2。由表中结果可知，2#，3#滚子弧坡距离左右端面等距离位置的半径变化量相近，而1#滚子弧坡距离左、右端面均为2 mm处，其左侧半径变化量仅为右侧变化量的二分之一。

表2 滚子外形尺寸测量结果

将所得数据进行整理和统计，处理后结果如图7所示，图中曲线为对应弧坡处的近似形状。由图可知，在距离端面2 mm处，2#，3#滚子形状及变化趋势基本一致，而1#滚子右侧弧坡处呈下凹形。

图7 滚子沿半径方向变化量对比图

(2)中间各点半径方向变化量均小于1 μm。

(2)用多功能坐标测量仪对1#滚子表面产生剥落的位置进行测量，设靠近滚子表面剥落处的端面为坐标原点，沿滚子轴向在剥落处标记4个位置如图8所示，x1～x4分别距端面距离为3.273,3.313,4.828,5.242 mm。发生剥落的位置位于沿滚子轴向距端面3.2 mm处，剥落区域长度约为2.0 mm。由表2可知1#滚子弧坡与直线的过渡处距端面约3.5 mm，所以1#滚子剥落坑恰好处于弧坡与直线的过渡区，且主要分布在直线上。

除对产生剥落位置进行测量外，对滚子表面形貌也进行了整体观察。图8中滚子两端黑色区域为滚子端面倒角部分，光亮部分为弧坡部分，而中间的麻点状区域在直线处，由此可见，剥落凹坑产生在弧坡与直线过渡处。

图8 1#滚子表面剥落位置测量示意图

3 结果分析及工艺改进

通过对滚子宏观和微观形貌检查结果可知，滚子与滚道接触部位存在一定程度磨损和剥落，剥落区域呈贝壳状，具有表面疲劳剥落的典型特征，由此可以确定滚子失效模式为表面起源型疲劳。

对滚子的弧坡与直线过渡处的尺寸测量结果表明，1#滚子较大剥落凹坑恰好位于弧坡与直线过渡区，与其他滚子(2#，3#滚子)以及1#滚子自身其他部位相比，1#滚子剥落坑附近的弧坡圆弧轮廓存在相对较明显的起伏变化，并且1#滚子剥落坑处弧坡与直线交接处未形成圆滑过渡，受滚子形状影响，运转过程中引起应力集中，产生明显的疲劳剥落凹坑。抽查的此批次滚子中，有个别滚子的圆弧与直线交接处不圆滑(图9)，表明滚子加工质量不够稳定，这是导致滚子失效的主要原因。

图9 抽查滚子素线轮廓

重新试制滚子时采取了以下措施：对成形加工的专用超精辊进行修磨，恢复精度；定人、定机加工，固化工艺；按比例抽检滚子轮廓，保证滚子素线圆弧与直线交接处圆滑过渡。改进后加工的滚子轮廓如图10所示，轴承顺利通过了台架试验，工作正常，性能良好。

图10 改进后的滚子素线轮廓

4 结论

试验轴承滚子的失效模式为表面起源型疲劳剥落，圆弧与直线交接处不圆滑是导致滚子失效的主要原因，建议在加工圆弧修缘滚子时采用定制专用的超精辊进行成形加工。