基于脂润滑的混合陶瓷球高速主轴轴承早期失效试验

李松生，黄晓，李东烥，周鹏，陈斌

(1．上海大学 机电工程与自动化学院，上海 200072；2．大连大友高技术陶瓷有限公司,辽宁 大连 116600)

随着先进制造技术的不断发展和机床对提高效率、速度的日益追求，各种机床主轴的转速越来越高[1]。由于轴承设计分析技术与制造技术的发展，脂润滑的混合陶瓷球高速主轴轴承所能达到的极限转速和速度参数Dmn值不断提高[2]，迎合了机床等在高速方面的需要，与油雾或油气润滑的全钢轴承相比，不仅使用方便，而且污染小并能节约能源，目前在高速精密数控机床中得到了广泛应用[3]，大有替代油雾或油气润滑全钢轴承的趋势。但是由于在实际使用过程中，数控机床中主轴需要频繁和快速启停，以期减少辅助时间、达到提高效率之目的，主轴轴承常常出现早期失效现象。因此，研究脂润滑的混合陶瓷球高速主轴轴承出现早期失效的原因和寻求相应的解决对策，就显得十分迫切和重要。

针对高速主轴轴承的早期失效现象，不少学者进行了多方面的探索和研究。文献[4-5]认为高速工况下轴承内的热量不能有效地散发会导致轴承因温升过高而发生早期失效；文献[6]认为高速球轴承早期失效的主要原因是擦伤、磨损以及接触轨迹不稳定；文献[7]认为高速轴承早期失效的主要原因是保持架运动不稳和发生破坏；文献[8]认为高速轴承早期失效是由保持架引导面严重磨损所致，而非球在套圈沟道上的接触疲劳所致；文献[9]认为轴承过热时滚动体与保持架的间隙变小而产生的应力集中所导致的保持架断裂，会引起轴承的早期失效；文献[10]认为轴承在非稳定状态下高速运转时，滚动体和保持架的碰撞和冲击加剧，导致轴承更容易失效；文献[11]通过现场使用寿命试验证实，高速磨头轴承早期失效的主要原因是保持架的磨损；文献[12]认为高速主轴轴承失效的主要形式是保持架的损坏，而损坏的原因主要是保持架的磨损及滚动体对保持架的冲击等等。

下文针对脂润滑的混合陶瓷球高速主轴轴承的工作特点，进行了早期失效试验研究，以分析探讨其具体原因，并寻求相应的预防措施和解决对策。

1 试验方法

采用如图1所示的120GS51高速电主轴作为试验装置，电主轴最高工作转速为51 000 r/min,输出功率为4.5 kW，其前、后支承轴承的型号为B7005C，并通过轴向圆柱螺旋弹簧对轴承施加轴向预载荷；电主轴的外壳中有冷却水通道，通过循环水对内装电动机的定子进行冷却；电主轴的运转通过变频器驱动，改变变频器的输出频率即可实现电主轴的调速。为了在试验时对被试轴承的温升进行监测，在靠近各轴承外圈的轴承座上开有轴向小孔，以便放置测温元件。

1—前支承轴承；2—电动机转子；3—电动机定子；4—弹簧；5—后轴承座；6，8，13，15—测温孔；7—后盖；9—后支承轴承；10—冷却水腔；11—外壳3；12—前轴承座；14—转轴

为了达到试验目的，试验时电主轴前、后轴承均采用2套轴承平行配置(即DTA)的方式，并且采用脂润滑，润滑脂为NDU15高速高性能润滑脂；试验轴承为国内某品牌的B7005C/P4精密混合陶瓷球高速主轴轴承。

试验系统原理如图2所示，电主轴由DELTA变频器直接驱动；在电主轴前、后各套轴承外圈附近的测温孔内放置热电偶元件，以便随时监测被试轴承外圈部位的温升；在电主轴外壳表面靠近前、后轴承的部位各放置一个加速度传感器，将采集到的振动信号传送至B&K声学/振动分析系统，监测运行过程中电主轴的振动信号；另外，通过变频器本身面板电流显示功能，监测运行过程中电主轴内装电动机的输入电流，并将其作为判断被试轴承运行状态的依据之一。

图2 试验系统原理图

试验时电主轴转速从6 000到48 000 r/min逐步升高，电主轴在每一种转速下均累计运行一定时间，并且进行一定次数的快速启停试验，以模拟实际工况条件和考察被试轴承发生早期失效的状况。为了获得可靠和充分的试验数据，在同样的安装状态和同样的运行工况等条件下，对同样型号的被试轴承进行了多组试验，并且每天的开、关机时间均固定不变，直至该组轴承发生咬死，振动突然变大，或温升超过80 ℃，即认为被试轴承失效。

2 试验结果及分析

总共试验了4组8对轴承，图3～图5所示为其中同一组轴承试验过程中的一套轴承外圈附近的温升、电主轴的振动和电主轴内装电动机电流的变化情况。从图3～图5可以看出，在轴承运行临近失效之前的时刻，轴承外圈的平均温升值、电主轴振动速度值和电主轴内装电动机的输入电流值均出现明显上升趋势，因此可以将此作为判定轴承是否失效的辅助依据。

图3 试验轴承温升变化情况

图4 试验轴承振动变化情况

图5 试验轴承电流变化情况

试验结果及失效轴承状态汇总见表1，从中可以明显看出，高速条件下脂润滑的主轴轴承发生早期失效的现象多数是由保持架的损坏所致(图6～图9)，并且多为保持架部分兜孔之间的梁发生断裂豁穿，甚至所有梁均发生断裂豁穿，使保持架整体从梁处沿周向裂为两半(图7)。对发生失效轴承的套圈沟道和球表面进行显微分析，结果均未发现明显的磨痕、剥落或其他损伤等破坏现象，进一步证实轴承早期失效为保持架损坏所致。

表1 各组试验轴承失效情况

图6 A组前端轴承之一

图7 B组后端轴承之一

图8 C组后端轴承之一

图9 D组后端轴承之一

对于混合陶瓷球高速主轴轴承，在结构和运行等方面有以下特点：(1)为减少高速时球的离心力等惯性效应的影响和便于达到较高的极限转速，并且获得较大的支承刚度等高速性能，多采用数量较多、直径较小的球，即“小球密珠型”结构，因此保持架不仅因径向厚度受到限制往往很薄，而且相邻两兜孔之间的梁尺寸很小，是保持架强度最弱的部位(图10)，例如上述被试的主轴轴承，球径小(5.48 mm)，球数多(15粒)，而保持架的径向厚度为2 mm，梁沿周向的最窄处仅为2.12 mm，因此，梁最小截面面积非常小；(2)在快速启停过程中，保持架的角加速度往往达到很大的值(如3 000 rad/s2)，该加速度是通过球对保持架兜孔间梁的周向侧面进行直接冲击和挤推作用而实现的，因此保持架相邻两兜孔之间梁的周向侧面会受到球频繁而剧烈的冲击、滑磨和挤压作用，而且启停时间越短，加速度越大，保持架兜孔梁的周向侧面所受到球的冲击和挤推力也越大；(3)在高速运行过程中，外部载荷的不均匀会导致轴承运行速度和保持架本身动力学状态的不断变化，使得保持架相邻两兜孔之间梁的周向侧面也会受到球与运转方向同向或反向的频繁而剧烈的碰磨和挤压作用；(4)相对油雾或油气润滑，脂润滑轴承内部不仅工作温度较高，而且由于润滑脂的黏度远高于润滑油的黏度，考虑保持架与引导套圈之间的相互作用，导致快速启停过程中保持架受到的切向阻力较大，使得保持架兜孔间梁的周向侧面所受到的冲击和挤推力较油雾或油气润滑的更大；(5)为了减轻质量，降低高速时的惯性效应，高速主轴轴承的保持架均采用酚醛压布等密度较小、强度较高的轻质非金属材料，但这些材料的耐磨性和强度与钢等金属材料相比要差。因此，保持架的损坏是脂润滑的混合陶瓷球高速主轴轴承发生早期失效的最主要原因；而保持架强度最弱、受力条件最恶劣的兜孔之间梁的断裂豁穿是最易出现的现象之一。

图10 高速主轴轴承及保持架结构示意图

3 结论

(1)脂润滑的混合陶瓷球高速主轴轴承早期失效的最主要原因之一，是保持架兜孔之间梁的断裂豁穿破坏。

(2)频繁的快速启停所引起的冲击振动、剧烈磨损和高速条件下较高的工作温度是导致轴承保持架兜孔之间梁发生断裂豁穿破坏的主要原因。

(3)由于保持架材料和几何结构等方面的原因，其兜孔之间梁是保持架受力最大、强度最薄弱、最易出现破坏的部位，因此，在对轴承和保持架进行动力学状态分析研究的基础上，除研究和采用更高强度、更小质量密度的材料外，对保持架的各部位进行强度分析，并采取相应的措施，设法改进保持架的几何结构，研究合适的球径与保持架兜孔直径匹配比，设法增加兜孔之间梁的强度，是提高保持架性能、避免轴承发生早期失效的重要途径。