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        沖壓外圈圓柱滾子軸承失效分析

        2022-06-05 10:44:06盧群瑤
        內(nèi)燃機與配件 2022年10期

        沖壓外圈圓柱滾子軸承(Drawn Cup Roller Bearing),是一種新型徑向軸承。與傳統(tǒng)圓柱滾子軸承CRB(Cylinder Roller Bearing)相比,沖壓外圈圓柱滾子軸承省去了內(nèi)圈結(jié)構(gòu),通常需要配合支撐軸,用經(jīng)過磨削處理的軸頸部位取代傳統(tǒng)內(nèi)圈。軸承結(jié)構(gòu)如圖1-1所示,傳統(tǒng)圓柱軸承中的外圈是通過管件或者鍛造件機加工而成,再經(jīng)過一系列車削、磨削工藝制造而成。沖壓外圈圓柱滾子軸承的外圈是由優(yōu)質(zhì)鋼板精密沖壓成型。在同等承載能力下,外圈更薄

        ,且無內(nèi)圈設計,質(zhì)量更輕,占據(jù)變速箱空間更小,能更好地實現(xiàn)變速箱整體輕量化和小型化的設計目標。本文以某小扭矩6速DCT變速箱開發(fā)項目為依托,本文所討論的沖壓外圈圓柱滾子軸承位于輸出軸前端??偣?5臺變速箱進行了耐久測試,僅有37%的軸承達到計算壽命,其余均出現(xiàn)早期失效。本文通過失效分析,找出軸承失效根本原因,并對整改對策進行研究。

        1 沖壓外圈圓柱滾子軸承介紹

        傳統(tǒng)圓柱滾子軸承生產(chǎn)過程為:

        從根本上來說,現(xiàn)如今的老年人拒絕再做子女的“免費保姆”,開始提出“有償帶孫”的要求,實際上反映出的是社會經(jīng)濟關系、養(yǎng)老機制改變對家庭倫理關系的沖擊。因為以前是父母幫子女帶孩子,父母老了以后子女再承擔贍養(yǎng)父母的責任,這其中多少有一種“等價互換”的成分在里面。而現(xiàn)在很多老人老有所依之后不再依賴傳統(tǒng)的“養(yǎng)兒防老”,這也是社會發(fā)展、時代進步的體現(xiàn)。那么作為子女,只要條件允許,給父母一些“親情補貼”,讓父母能夠體會到自己勞動的價值所在,順便也讓父母手頭寬裕一些,心里的安全感多一些,又有什么不好呢?

        在我國,官民往往屬于一種上下級的關系?!肮賳T一向高高在上,對于普通民眾來說,具有某種神秘色彩。官員與民眾的這種關系形成了與之相適應的官民對話體系?!盵4]微博的出現(xiàn)在很大程度上消解了這種不平等,使得話語權(quán)得到重新分配。但許多官員很難適應這種改變,在微博上發(fā)布信息時依然表現(xiàn)出日常工作中形成的官方姿態(tài)。

        內(nèi)圈:鍛造→車加工→熱處理→內(nèi)圓磨→端面磨削→擋邊磨削→滾道磨削→擋邊超精→滾道超精。

        外圈:鍛造→車加工→熱處理→外圓磨→端面磨→擋邊磨削→滾道磨削→擋邊超精→滾道超精。

        對失效軸承的數(shù)量和失效形式進行統(tǒng)計,如表2-1所示。從軸承應用位置分布來看,G位置失效軸承17件,D位置失效軸承8件,說明G位置軸承發(fā)生失效的概率大于D位置。從材料剝落的位置來看,80%的材料剝落發(fā)生在外圈滾道面,52%發(fā)生在軸頸面,32%的材料剝落同時出現(xiàn)內(nèi)外圈滾道面。但從這組失效數(shù)據(jù),無法分析出真正的剝落起源。另發(fā)現(xiàn)2例滾子表面材料剝落的情況,通常,滾子剝落案例較少,原因是滾動體本身硬度高于外圈和內(nèi)圈

        根據(jù)以上測量方法,從軸承不同生產(chǎn)批次中隨機抽取1件樣品進行檢測。其中批次2的樣本量較大,所以將其分為4組,從每組取樣1件檢測。測量結(jié)果如表2-2所示,各批次樣品表面硬度及滲碳層深度均在設計要求范圍內(nèi)。

        外圈:沖壓(鋼帶)→熱處理→局部退火→內(nèi)壁拋光

        裝配:保持架裝配→滾子裝配→卷邊→檢測→清洗防銹→包裝

        首先加載特定的轉(zhuǎn)速,再施加設定好的徑向載荷,在保證潤滑條件良好的情況下,監(jiān)測測試軸承溫度和噪音的變化。測試條件參數(shù)設置如表3-1所示。

        質(zhì)量控制方面,冷沖壓工藝通過沖壓機和模具的配合,實現(xiàn)金屬材料塑性變形或者分離,沖壓模具保證了產(chǎn)品的尺寸一致性和互換性。此外,金屬材料在沖壓時發(fā)生冷作硬化效應,使軸承外圈表面硬度增加,使產(chǎn)品具有較好的機械性能。傳統(tǒng)圓柱滾子軸承使用機加工工藝雖然耗時較長,但能達到較好精度;而沖壓工藝容易帶來壁厚不均勻,圓度不一致等問題,依賴于沖壓設備和模具精度

        。

        原材料使用方面,冷沖壓要求鋼材具有良好塑性和韌性,而傳統(tǒng)圓柱滾子軸承制造的機加工工藝對材料的適用性更廣

        。

        軸承應用方面,沖壓工藝對軸承尺寸有一定要求。寬度越寬,壁厚越厚的軸承,越容易出現(xiàn)外圈擠壓破裂等現(xiàn)象。另外沖壓外圈圓柱滾子軸承沒有內(nèi)圈,使得殼體與軸承的安裝操作更簡單

        ,減少操作時間。

        然而,在當前的數(shù)學教學過程中,很多教師因為數(shù)形結(jié)合的教學意識不強、疏于對數(shù)形結(jié)合教學技能的練習,無法在教學過程中準確、規(guī)范、清晰、高效的繪制出便于學生理解與記憶的圖形。很多教師仍然沿用過去死記硬背、題海戰(zhàn)術(shù)的教學方法,學生的積極性在復雜繁重又提高不明顯的數(shù)學學習過程中時常受到打擊,教育教學的水平成績始終得不到長足發(fā)展和進步。

        2 軸承失效分析

        2.1 失效狀態(tài)及數(shù)據(jù)

        本文所描述的軸承失效表現(xiàn)如下:

        (1)外圈滾道面出現(xiàn)嚴重材料剝落,如圖2-1(a)所示;

        (2)與軸承配合的軸頸出現(xiàn)嚴重材料剝落,如圖2-1(b)所示;

        (3)少數(shù)滾子表面出現(xiàn)材料剝落的痕跡,如圖2-1(c)所示;

        (4)滾動體表面存在磕碰傷:在部分失效軸承中,發(fā)現(xiàn)滾動體表面出現(xiàn)一定深度和長度的磕碰傷,如圖2-1(d)所示;

        例4 (2017年重慶中考A卷第18題)如圖6,正方形ABCD中,AD=4,點E是對角線AC上一點,連接DE,過點E作EF⊥ED,交AB于點F,連接DF,交AC于點G,將△EFG沿EF翻折,得到△EFM,連接DM,交EF于點N,若點F是AB的中點,則△EMN的周長是________.

        裝配:內(nèi)/外圈與保持架和滾子的裝配→檢測→清洗防銹→包裝。

        外圈滾道輪廓的檢測方法是,在沒有滾子和保持架的情況下,將熱處理后的外圈進行卷邊。并壓入對應變速箱殼體內(nèi)徑的定制環(huán)規(guī)檢具中,如圖2-2所示。使用精密測量儀分別對壓入后的外圈內(nèi)壁輪廓進行描繪。

        2.2 軸承批次間質(zhì)量參數(shù)排查

        2.2.1 硬度及滲碳層深度

        通常使用布氏硬度或維氏硬度評價材料表面硬度。布氏硬度(HB)是用一定大小的載荷把鋼性壓頭壓入被測金屬材料表面,保持一段時間后,計算載荷與壓痕表面積的比值。維氏硬度是將規(guī)定角度的正四棱錐體金剛石壓頭在一定載荷下壓入材料表面,測量壓痕對角線長度,維氏硬度值(HV)與載荷除以壓痕表面積的商成正比。本文采用維氏硬度對材料表面硬度進行評價。

        測量滲碳層深度的方法是根據(jù)零件橫切面的硬度梯度繪制硬度分步曲線,最后選擇硬度為550HV處的深度,測量其與表面的距離。

        沖壓外圈圓柱滾子軸承生產(chǎn)過程:

        公路路基路面防水施工直接關系到公路工程的整體質(zhì)量,在汛期雨水量較大時,雨水滲透到公路路基極易導致公路路基路面發(fā)生嚴重的沉降,使路面形成裂縫,更為嚴重時還會導致路基整體沉陷。而公路路基路面防水施工能夠有效提升了公路路基路面的防水性能,提升了公路工程的整體質(zhì)量,對保證人們安全出行有重要意義。

        2.2.2 外圈滾道輪廓

        從當前的數(shù)據(jù)來看,無法分析出失效起源。但由于G位置材料剝落概率最高,所以著重分析G位置軸承。

        5)成果數(shù)據(jù)導出。將服務器中更新好的1∶250 000 DLG數(shù)據(jù)庫導出為FILE GEODATABASE格式,并按目錄組織結(jié)構(gòu)整理成果數(shù)據(jù)[1]。

        如圖2-3(a)和圖2-3(b)所示,分別對檢測樣本0°和90°方向輪廓進行描繪。對比發(fā)現(xiàn),批次2中的軸承在外圈滾道存在明顯的材料堆積,堆積高度約為5μm。在滾道面的材料堆積很容易造成軸承應力集中。應力集中,是指零件在受力時,由于截面的變化,導致局部應力急劇增大的現(xiàn)象。應力集中一般產(chǎn)生在缺口、溝槽處。如圖2-3所示,卷邊凹槽附近的材料堆積如果直接與滾動體接觸,會導致接觸線上應力重新分配,在材料堆積處形成應力波峰。當滾子反復通過承載區(qū),局部應力最終超過材料疲勞極限時,材料開始出現(xiàn)早期疲勞,逐步產(chǎn)生材料剝落和擴散。因此提出假設:外圈滾道輪廓異常是導致軸承失效的主要原因。

        測試結(jié)果如表3-2所示。結(jié)果顯示NG組1和組2都沒有通過測試。其中,3個測試軸承出現(xiàn)外圈滾道剝落現(xiàn)象。NG-3在199.7小時處尚未發(fā)現(xiàn)明顯失效痕跡,但由于與NG-4處于同一測試裝置中,所以無法單獨再進行測試。

        3 實驗驗證

        3.1 滾子磕碰傷測試

        為了驗證滾子表面磕碰傷對軸承壽命的影響,從同一批次中,隨機抽取8件軸承樣本,分成4組,其中1組和2組為NG軸承組,3組和4組為OK軸承組。OK軸承組使用表面無明顯磕碰傷的滾子。NG軸承組使用的滾子表面有長度大于800μm的磕碰傷,如圖3-1所示。

        將軸承分別安裝到軸承測試臺架中,軸承頂部裝有溫度傳感器,可以監(jiān)控測試過程中的溫度變化。臺架中同時具備壓入加載裝置和加速傳感器,可以實現(xiàn)對加載壓力和轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。

        如上所述,沖壓外圈圓柱滾子軸承縮短了軸承制造加工時間,減少生產(chǎn)設備數(shù)量、生產(chǎn)人員。減少材料浪費,以及多道生產(chǎn)工藝帶來的高報廢率,生產(chǎn)質(zhì)量更穩(wěn)定,效率更高,降低了生產(chǎn)成本。

        話是這么說,結(jié)婚二十多年了,夫妻還是相親相愛的。磚子連忙從抽屜里翻出一張老人頭,匆匆趕往大閘口,買來了夫人的指令,另加了他的偏愛:花生米、熗百頁、豬耳朵。返途遇熟人,搭幾句話,到家,趙仙童的菜已做好。

        組和

        組都通過了測試,并且軸承滾道沒有發(fā)現(xiàn)材料剝落的跡象。而

        組和

        組中

        /

        的軸承出現(xiàn)剝落,如圖

        所示。根據(jù)該實驗結(jié)果可以能得出結(jié)論:軸承滾動體上的磕碰傷會導致軸承失效。

        (1)工程可行性研究報告。投資決策階段的工程可行性研究報告(項目建議書,含估算)確定了項目建設內(nèi)容和投資資金,為保證后期的建設施工的順利開展和資金的科學預留,要充分重視前期的現(xiàn)場查勘和地質(zhì)勘查。

        我國爬升模板的研發(fā)晚于國外發(fā)達國家,80年代末,爬模施工技術(shù)應用于橋梁及高層建設。至今爬模施工技術(shù)方法得到了明顯的提升。在很多橋梁高層建筑施工中應用得到廣泛推廣。但對爬模的研發(fā)及施工工藝方面與國外發(fā)達國家相比仍存在很大差距。國內(nèi)爬模設備模塊化及規(guī)范化水平不高,需向國外先進的爬模工藝技術(shù)學習。

        3.2 外圈輪廓對軸承壽命影響測試

        通過修改卷邊工藝參數(shù),獲得一批滾道輪廓為理想狀態(tài)的軸承,如圖3-3所示。將修正后的軸承安裝到4個變速箱殼體中,并對變速箱進行標記。通過變速箱耐久測試驗證軸承滾道輪廓對軸承壽命的影響。測試結(jié)果如表3-3所示,所有變速箱都通過測試。

        由此可判斷,軸承失效的主要原因是外圈滾道輪廓異常。

        4 結(jié)論

        根據(jù)上述研究可得出如下結(jié)論:

        (1)壓入力的變化都沒有改變軸承失效的狀態(tài),因此判定壓入力不是導致軸承失效的原因。

        (2)滾子表面磕碰傷尺寸在800μm以上時,在軸承壽命測試中出現(xiàn)大批量軸承失效,因此判定滾子表面磕碰傷是導致軸承失效的原因。

        圓柱殼軸壓屈曲臨界載荷試驗值與模擬值偏差30.8%,開孔圓柱殼軸壓屈曲臨界載荷試驗值與模擬值偏差33.9%,含補強件圓柱殼軸壓屈曲臨界載荷試驗值與模擬值偏差13.8%。試驗結(jié)果比模擬結(jié)果小,可能的原因有以下幾種:(1)由于圓柱殼試驗件通過焊接而成,有一條豎向焊縫的影響,采用這類工藝制作完成的圓柱殼主要存在非對稱的初始缺陷[1]以及材料本身缺陷;(2)殼體不直度造成荷載偏心。

        (3)經(jīng)過工藝改善,理想滾道輪廓的軸承全部通過變速箱臺架測試,判定滾道輪廓形態(tài)與軸承失效直接相關。

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