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滚动轴承的尺寸稳定性(一)

滚动轴承的尺寸稳定性(一)

滚动轴承的尺寸稳定性(一)

2021-04-28 14:10

摘要 讨论了影响滚动轴承尺寸稳定性的因素,以及国内外评价滚动轴承尺寸稳定性的方法和标准。

关键词 轴承;回火;尺寸稳定性;评价方法

滚动轴承是一种精密的机械基础件,广泛应用于旋转设备中。随着工业技术的进步,机械设备对轴承的尺寸精度、旋转精度、可靠性及稳定性提出了更高的要求,尤其是精密机床主轴、高速电机等转速高、旋转精度高的应用场合。在长期高速旋转中,保持尺寸稳定是保证轴承精度的关键。本文就影响尺寸稳定性的因素及其评价方法进行了讨论。

影响滚动轴承尺寸稳定性的因素

1.1 轴承制造工艺的影响

滚动轴承主要由内圈、外圈、钢球和保持架组成,典型的生产流程如下:

(套圈和滚动体)钢棒→锻造→球化退火→车加工→淬回火(冷处理)→磨加工→组装

                                                                   

保持架

目前研究热处理(淬回火及冷处理)和磨加工对轴承钢套圈的尺寸稳定性影响较多,其主要研究方向集中在通过降低残余奥氏体含量及磨削应力,以保证钢材在服役过程中的稳定。

1.1.1 套圈及钢球中的残余奥氏体

常规的轴承钢在正常淬回火条件下,微观组织主要由回火马氏体、碳化物和残余奥氏体组成。残余奥氏体是亚稳定相,随着反复的应力、温度变化和时间作用,残余奥氏体将发生相变,重新分解成马氏体和碳化物,这种相变导致体积膨胀,轴承套圈及钢球的宏观尺寸精度丧失。因此,降低轴承钢中的残余奥氏体含量,能够有效减少轴承服役过程中的尺寸变化量。

经过多年的研究和实践,淬火后进行冷处理能够有效降低残余奥氏体含量,这种方法已广泛应用于精密轴承的生产制造。然而,单纯的增加冷处理工序,并不能将残余奥氏体含量控制在非常低的水平。工程上,一些经验丰富的工艺人员,通过增加冷处理工序并适当提高回火温度,实现了这一目的。图1所示为随回火温度、淬火温度升高,残余奥氏体含量的变化(奥氏体化实验所用材料为Fe-1.01C-1.45Cr-0.29Mn wt%,奥氏体化时间为20分钟,160

回火90分钟;回火实验材料为Fe-1C-1.51Cr-0.4Mn wt%,回火时间为90分钟,奥氏体化温度为860℃)

1 残余奥氏体含量与淬、回火温度的关系

国内一些轴承制造商错误的认为高硬度使得轴承的疲劳寿命更长,然而轴承的疲劳寿命影响因素较多,不应仅考虑硬度对材料耐磨性的影响。例如,为保证高硬度而使用较低的回火温度,势必会导致马氏体和残奥分解不充分,轴承在服役过程中,马氏体继续分解析出ε-碳化物造成体积收缩,同时残余奥氏体继续转变成马氏体造成体积膨胀,从而使轴承丧失尺寸精度。因此,对于尺寸稳定性要求较高的轴承,应适当提高回火温度。此外,提高回火温度并不一定导致硬度明显下降,国外某公司生产SUJ2钢套圈时采用230℃的回火工艺,仍可保证硬度在60HRC。实际上,采用232℃的回火温度,可以有效的将残余奥氏体转变为回火马氏体。一定程度上,套圈滚道与钢球的硬度差可能更应该值得国内的制造商重视,图2所示为△H对轴承寿命的影响(深沟球轴承,52100钢,滚道硬度63HRCH为滚道与钢球的硬度差,径向载荷5871N,矿物油润滑)。

2 △H对轴承寿命的影响

笔者在轴承的金相检验过程中,发现国产轴承套圈的材料偏析现象较为严重。材料的偏析势必会导致碳含量及合金元素的分布不均匀,微区内的Ms点和Mf点亦存在差异,这对控制残余奥氏体、控制尺寸稳定性带来不利影响。因此,轴承钢的冶炼及轴承套圈的锻造工艺也应该得到轴承制造商的重视。表1所示为国内外部分钢厂的轴承钢生产工艺,可以看出各钢厂的炼钢及铸造方式存在较大差异,其材料均匀性势必存在差异,本文不再展开讨论。

企业

工艺

瑞典SKF

100tEAF-OBT—SKFMRIC/CC

日本山阳

90tUHP/EAF-EBT—LFRHCC

日本川崎

TBM—BOFLFRHCC

日本爱知

80tEAF—VSCLFRHCC

意大利ABS

80tEAF—LFVDCC

美国Timken

120tEAF—LFCC

德国克虏伯

UHP EAF—LFRHCC

韩国浦项

BOF—LFRHCC

南京钢铁

BOF/UHP(EBT)—LFVDCC

兴澄特钢

100tEAF—LFVDCC

邢台钢铁

80tBOF—LFRHCC

西宁特钢

EAF—LF/VDCC

EAF—LFVDCCESR

1 国内外轴承钢生产工艺

 

1.2 磨削应力的影响

磨削力造成工件表面的弹塑性变形、磨削热产生的热应力及组织转变产生的组织应力是产生磨削应力的主要原因。轴承套圈在淬回火工序产生的应力,经磨加工后已重新分布,而磨加工是轴承制造过程中最后一道加工工序。因此,控制磨削应力对控制轴承套圈的尺寸稳定性至关重要。

有研究表明,磨料磨具、砂轮修整次数、磨削进给量等均对ZGGCr15钢制主轴轴承的套圈尺寸变化产生影响,且磨削应力沿层深的分布可达30μm以上。磨削力造成工件表面的弹塑性变形和磨削热产生的热应力,这两类磨削应力在轴承服役过程中逐渐释放,必然导致轴承套圈的变形,从而使轴承失去尺寸精度。通过附加回火可有效释放因磨削力及磨削热产生的残余应力。

组织转变产生的磨削应力,不仅影响轴承的尺寸稳定性,还严重影响轴承的疲劳寿命。因严重的磨削热导致工件表面发生组织转变(即淬火烧伤、回火烧伤),这类缺陷即使通过附加回火也无法得到改善,在轴承服役过程中,裂纹优先在此类缺陷处形成。因此,对精密轴承而言,更应该严格控制磨削工艺。

1.2.1 保持架的尺寸稳定性

大部分轴承制造商都不具备生产保持架的能力,多为采购后直接与套圈、钢球组装成成品,少部分制造商对保持架的结构设计、受力情况及其对润滑的影响进行了研究,很少关注保持架的尺寸稳定性。

以尼龙保持架为例,尼龙保持架相对普通钢保持架具有质量轻、振动小、噪音低、耐磨损、发热量低等优异性能,在轴承行业应用较为广泛,尼龙保持架常用的材料有PA66-GF25PA46-GF30。尼龙因含有亲水性的酰胺基团,具有很强的吸水性,吸水后,保持架的尺寸会有所变化。周雷在对PA6材料进行研究时发现:①吸湿膨胀和内应力释放收缩共同影响PA6材料的尺寸变化,吸湿膨胀是主导因素,环境湿度越大、时间越长,PA6材料的尺寸变化率越大;②随着成核剂用量的增加,PA6材料的尺寸变化率降低;③热处理使PA6材料的内应力释放收缩尺寸变小

1.3 轴承设计及应用工况对尺寸稳定性的影响

从轴承材料和轴承应用角度,不难看出温度是轴承服役过程中的重要参数。笔者认为轴承服役的环境温度与轴承自身产生的温升,均会影响轴承的尺寸稳定性。

若轴承回火不充分或选材不当,则轴承在环境温度高的工况中运行期间等同于人工时效,其机理如本文上一章节所述。

此外,一直以来,如何降低轴承的运行温度是轴承设计和应用中不断探索的方向。轴承运行过程中的热量来源主要有以下几点:①滚动摩擦;②滑动摩擦;③润滑剂的摩擦;④密封件的摩擦。以上四种摩擦产生的热量导致套圈表面和钢球表面温度远高于监测设备监测到的温度,这种高温严重破坏材料表面的组织结构。因此,应从设计角度和应用上优化轴承内部结构,使用合适的滚动体材料和润滑剂,选择合理的配合公差,亦或是创造良好的散热条件等。轴承安装不当导致的弹塑性变形也应该考虑在内。

尺寸稳定性的评价方法

近年来,国内轴承行业竞争加剧,低端产品的利润下滑,越来越多的企业尝试开发精密轴承。经过一段时间探索,行业内对“国产轴承的尺寸稳定性差”这一说法似乎已达成共识。然而,对于“国产轴承的尺寸稳定性究竟差了多少”这一问题鲜有报道,也很难查到相关检测数据。笔者认为,造成这一现象的原因可能是因为相关标准文件缺失,很多国内的轴承制造商并未掌握“评价/检测轴承尺寸稳定性”的方法,下面将列举几种国内外已公开的评价方法。

2.1 美国军标

美国军用标准中规定,在300℉(149℃)保温2500小时后,套圈的尺寸变化应不超过0.010%,钢球的尺寸变化应不超过0.020%。

另外有的美国军标中规定,套圈和钢球应能承受低温--62℃,高温150℃环境的温度变化,其套圈尺寸变化应不超过0.0001mm/mm,钢球尺寸变化应不超过0.0001mm/mm

2.2 SAE标准

SAE标准规定轴承套圈和滚动体应能承受低温-62℃、高温196℃环境的温度变化。

2.3 国内标准

GB/T36222《航空电机用深沟球轴承通用规范》与美国标准相近,规定:套圈和滚动体应在-62℃中放置25小时,随后立即将轴承放入196℃环境中,放置100小时。在轴承恢复到20℃后测量直径并与温度循环前的测量值相比较,其直径变化量应不超过直径的0.01%。

JB/T7048《滚动轴承 工程塑料保持架技术条件》中规定,注塑成型后的成品保持架应进行调湿处理,成品保持架有特殊要求时,也可采用其他稳定处理方法。该标准中未明确限制保持架的尺寸变化率。

 

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