某圓柱滾子軸承內圈斷裂故障原因分析及工藝優化

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重點實驗室，河南 洛陽 471039)

軸承對航空發動機可靠性的影響很大，一旦失效，會嚴重影響發動機的使用和安全[1-2]。某型發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了內圈斷裂，現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套出現了內圈斷裂故障，1#，2#軸承分別試驗至52.3,8.5 h時出現振動值驟增而停機。分解檢查發現1#軸承內圈滾道靠近拉拔槽的油槽與油孔處斷裂，2#軸承內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 圓柱滾子軸承內圈斷裂故障件Fig.1 Fracture fault parts of cylindrical roller bearing inner rings

圖2 軸承內圈油槽及油孔結構示意圖Fig.2 Structure diagram of oil groove and oil hole in inner ring

2 檢查結果分析

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，結果為：

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

2)經金相檢驗，主裂紋源區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生相轉變產生的變質層有關[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,根據中國航發標準Q/2B957A—2018《電火花、激光加工技術規范》對重熔層深度進行破壞性抽檢。

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

2.2 內圈強度仿真分析

該圓柱滾子軸承內圈有擋邊，為實現環下供油，設置了軸向油槽和徑向油孔，油槽和油孔參數見表1。

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

通過ABAQUS仿真計算軸承內圈的應力，計算條件：轉速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，滾子通過內圈內徑油槽位置時，內圈油槽與油孔交匯處最大應力計算結果見表2。

表2 不同狀態內圈油槽與油孔交匯處最大應力計算結果Tab.2 Calculation results of maximum stress at intersection of oil groove and oil hole in inner ring under different states

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

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

當徑向載荷為2.0 kN時，內圈油槽與油孔交匯處的應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力集中。

2.3 加工工藝復查

目前內圈加工工藝流程為：鍛造→退火→車內徑端面倒角→車內外徑端面倒角→軟磨兩端面→軟磨外徑面→精車內徑倒角→車倒角→車滾道砂輪越程槽和拉拔槽→熱處理→粗磨端面→粗磨內外徑面→粗磨內徑面→粗磨擋邊→粗磨內滾道→100%探傷→100%酸洗→穩定處理→加工倒角和小外徑面→終研端面→終磨內外徑面→終磨內徑面→終磨擋邊→終磨內滾道→100%探傷→酸洗抽檢→超精內滾道→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、油孔與內徑面、退刀槽交匯處均為尖角，淬火時會產生應力集中，甚至出現裂紋，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外徑面工序的精度，軸向油槽也將嚴重影響終磨內徑面工序的精度，內徑面不僅易出現振紋，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，油槽與油孔相互關聯，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，因此油孔只能選用電火花由內徑面向外徑面進行穿孔。

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

3 工藝優化

為保證加工效率和產品質量，線切割油槽方式不變。根據內圈結構特點，內外徑的4個φ1 mm油孔采用鉆頭加工以避免出現燒傷和裂紋， 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的應力集中現象[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生的燒傷層，但不能消除電火花加工油孔產生的燒傷層和裂紋。

為驗證高溫回火對套圈的表面質量、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圈進行高溫回火，檢測回火前后內圈的硬度(端面上同一點)、內徑尺寸(定點、定高)和滾道圓度，目測表面外觀的變化，結果見表4，高溫回火對內圈的硬度、尺寸和精度均無明顯影響，且外觀質量未發生改變，所以高溫回火可以在成品狀態進行。

表4 高溫回火前后內圈的硬度、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]對電火花加工參數和加工方式的研究結果表明，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，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定為0.1 mm。按此方案加工10件新產品，對φ1.2 mm油孔的截面進行金相檢測，結果表明完全去除了燒傷層和裂紋。

3.3 優化后工藝

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，檢測數據無異常。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，檢測數據無異常，表明國產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 結束語

通過對異型軸承內圈故障進行檢查與分析發現，內圈的早期失效是電加工燒傷層在使用中萌發裂紋進而擴展造成內圈斷裂。通過將電火花加工通油孔改為車加工時進行軟鉆，調整電火花加工半盲孔的工藝參數，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。