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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河南 洛陽 471039)
軸承對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性的影響很大,一旦失效,會(huì)嚴(yán)重影響發(fā)動(dòng)機(jī)的使用和安全[1-2]。某型發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)工況的臺(tái)架壽命試驗(yàn)中出現(xiàn)了內(nèi)圈斷裂,現(xiàn)對(duì)斷裂原因進(jìn)行分析,并進(jìn)行工藝改進(jìn)。
在進(jìn)行臺(tái)架壽命試驗(yàn)時(shí),試驗(yàn)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(yàn)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(yàn)至52.3,8.5 h時(shí)出現(xiàn)振動(dòng)值驟增而停機(jī)。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
對(duì)1#和2#失效軸承進(jìn)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(dòng)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(yàn),主裂紋源區(qū)油槽與油孔表面存在嚴(yán)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(dá)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(huì)進(jìn)行100%酸洗檢查,超精滾道前會(huì)進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)Q/2B957A—2018《電火花、激光加工技術(shù)規(guī)范》對(duì)重熔層深度進(jìn)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(dǎo)致軸承裂紋產(chǎn)生的主要原因。
該圓柱滾子軸承內(nèi)圈有擋邊,為實(shí)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(jì)算軸承內(nèi)圈的應(yīng)力,計(jì)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(shí),內(nèi)圈油槽與油孔交匯處最大應(yīng)力計(jì)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(jì)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(shí),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(huì)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(shí)軸承內(nèi)圈應(yīng)力計(jì)算云圖Fig.3 Stress calculation nephogram of bearing inner ring under different radial loads
當(dāng)徑向載荷為2.0 kN時(shí),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(qiáng)度(2 500 MPa),必須采取有效措施去除應(yīng)力集中。
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(jìn)行,因油槽、油孔與內(nèi)徑面、退刀槽交匯處均為尖角,淬火時(shí)會(huì)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(jìn)行,φ1 mm油孔將嚴(yán)重影響研內(nèi)外徑面工序的精度,軸向油槽也將嚴(yán)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(zhǔn)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(dá)60~64 HRC,油槽無法用銑刀加工,故選用線切割。4個(gè)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(jìn)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(shí)雖然盡量避免產(chǎn)生應(yīng)力集中,但未對(duì)成品零件實(shí)際應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行檢測,效果不佳。
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(diǎn),內(nèi)外徑的4個(gè)φ1 mm油孔采用鉆頭加工以避免出現(xiàn)燒傷和裂紋, 4個(gè)φ1.2 mm油孔采用電火花穿孔加工。
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(yàn)證措施的有效性,進(jìn)行工藝驗(yàn)證試驗(yàn):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(jìn)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(jìn)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(yàn)證高溫回火對(duì)套圈的表面質(zhì)量、硬度、尺寸和精度的影響程度,進(jìn)行工藝試驗(yàn):選用10件原工藝加工的成品內(nèi)圈進(jìn)行高溫回火,檢測回火前后內(nèi)圈的硬度(端面上同一點(diǎn))、內(nèi)徑尺寸(定點(diǎn)、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(duì)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(jìn)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
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(duì)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(yàn)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(duì)4個(gè)φ1.2 mm油孔進(jìn)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(xiàn)[8-9]對(duì)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(duì)φ1.2 mm油孔的截面進(jìn)行金相檢測,結(jié)果表明完全去除了燒傷層和裂紋。
新工藝與原工藝的對(duì)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(jī)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(jìn)一步排除了裂紋隱患。
表5 新工藝與原工藝的對(duì)比Tab.5 Comparison between original process and new process
為驗(yàn)證優(yōu)化工藝的有效性,對(duì)改進(jìn)軸承進(jìn)行1 000 h臺(tái)架壽命試驗(yàn),試驗(yàn)條件見表6,試驗(yàn)后軸承完好,檢測數(shù)據(jù)無異常。并與進(jìn)口軸承進(jìn)行臺(tái)架對(duì)比試驗(yàn),試驗(yàn)徑向載荷由2 kN增加到3 kN,時(shí)間為50 h,試驗(yàn)后軸承完好,檢測數(shù)據(jù)無異常,表明國產(chǎn)改進(jìn)軸承的承載能力與進(jìn)口軸承相當(dāng)。
表6 臺(tái)架壽命試驗(yàn)條件Tab.6 Bench life test conditions
通過對(duì)異型軸承內(nèi)圈故障進(jìn)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(jìn)而擴(kuò)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(shí)進(jìn)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(jìn)后加工的軸承通過了臺(tái)架壽命試驗(yàn)和過載能力考核。