某圆柱滚子轴承内圈断裂故障原因分析及工艺优化

张文涛，刘凯歌，郭培锐，王梦茵，李江斌

(1.洛阳轴承研究所有限公司，河南 洛阳 471039；2.河南省高性能轴承技术重点实验室，河南 洛阳 471039)

轴承对航空发动机可靠性的影响很大，一旦失效，会严重影响发动机的使用和安全[1-2]。某型发动机用异型圆柱滚子轴承外形尺寸为φ51.322 mm×φ74.693 mm×15.35 mm，内外圈和滚子材料均为电渣重熔冶炼的Cr4Mo4V钢，轴承工作温度要求150 ℃，径向载荷2 kN，使用寿命大于1 000 h。该轴承在模拟主机工况的台架寿命试验中出现了内圈断裂，现对断裂原因进行分析，并进行工艺改进。

1 失效轴承概况

在进行台架寿命试验时，试验工况为：转速45 000 r/min，径向载荷由1.5 kN增加到3 kN，工作温度150 ℃，试验的6套圆柱滚子轴承中有2套出现了内圈断裂故障，1#，2#轴承分别试验至52.3,8.5 h时出现振动值骤增而停机。分解检查发现1#轴承内圈滚道靠近拉拔槽的油槽与油孔处断裂，2#轴承内圈半盲孔与油槽交汇处断裂：断裂部位不同，形式相似，如图1、图2所示。

图1 圆柱滚子轴承内圈断裂故障件Fig.1 Fracture fault parts of cylindrical roller bearing inner rings

图2 轴承内圈油槽及油孔结构示意图Fig.2 Structure diagram of oil groove and oil hole in inner ring

2 检查结果分析

2.1 断裂失效原因分析

对1#和2#失效轴承进行了宏观和微观观察、硬度检测、金相分析，结果为：

1)套圈和滚子的硬度、均匀性以及断裂内圈的材料、淬回火组织均符合JB/T 2850—2007《滚动轴承 Cr4Mo4V高温轴承钢零件 热处理技术条件》的要求。

2)经金相检验，主裂纹源区油槽与油孔表面存在严重的二次淬火烧伤层，与过大的磨削热或线切割热使零件表层达到高温而发生相转变产生的变质层有关[3]。磨削烧伤和线切割烧伤外观差异明显：套圈磨削过程中会进行100%酸洗检查，超精滚道前会进行100%裂纹检查，抽检磨削烧伤；线切割及电火花加工后,根据中国航发标准Q/2B957A—2018《电火花、激光加工技术规范》对重熔层深度进行破坏性抽检。

综上所述，内圈断裂失效的主裂纹源区在内圈内径面油槽与油孔的交汇处，裂纹沿油孔及油槽纵向贯穿内圈(图2)，油槽采用线切割加工，油孔采用电火花穿孔加工，电火花加工产生的烧伤破坏了工件表面的连续性并改变了应力状态，应力集中[4]是导致轴承裂纹产生的主要原因。

2.2 内圈强度仿真分析

该圆柱滚子轴承内圈有挡边，为实现环下供油，设置了轴向油槽和径向油孔，油槽和油孔参数见表1。

表1 轴向油槽和径向油孔参数Tab.1 Parameters of axial oil groove and radial oil hole

通过ABAQUS仿真计算轴承内圈的应力，计算条件：转速45 000 r/min，径向载荷1.5，2.0,3.0 kN，工作温度150 ℃，油槽与油孔交汇处有无圆角(R0.25 mm)情况下，滚子通过内圈内径油槽位置时，内圈油槽与油孔交汇处最大应力计算结果见表2。

表2 不同状态内圈油槽与油孔交汇处最大应力计算结果Tab.2 Calculation results of maximum stress at intersection of oil groove and oil hole in inner ring under different states

转速为45 000 r/min时，径向载荷为1.5和2.0 kN的典型应力分布如图3所示，内圈油槽与油孔交汇处会产生较大的应力集中[4]。由表2可以看出，增加半径为0.25 mm的倒圆角，可明显降低应力。

图3 不同径向载荷时轴承内圈应力计算云图Fig.3 Stress calculation nephogram of bearing inner ring under different radial loads

当径向载荷为2.0 kN时，内圈油槽与油孔交汇处的应力值已超过材料的极限拉伸强度(2 500 MPa)，必须采取有效措施去除应力集中。

2.3 加工工艺复查

目前内圈加工工艺流程为：锻造→退火→车内径端面倒角→车内外径端面倒角→软磨两端面→软磨外径面→精车内径倒角→车倒角→车滚道砂轮越程槽和拉拔槽→热处理→粗磨端面→粗磨内外径面→粗磨内径面→粗磨挡边→粗磨内滚道→100%探伤→100%酸洗→稳定处理→加工倒角和小外径面→终研端面→终磨内外径面→终磨内径面→终磨挡边→终磨内滚道→100%探伤→酸洗抽检→超精内滚道→线切割油槽→电火花加工油孔。

若油槽和油孔加工安排在热处理前进行，因油槽、油孔与内径面、退刀槽交汇处均为尖角，淬火时会产生应力集中，甚至出现裂纹，且油孔位置不易保证。若安排在粗磨之后终磨之前进行，φ1 mm油孔将严重影响研内外径面工序的精度，轴向油槽也将严重影响终磨内径面工序的精度，内径面不仅易出现振纹，而且尺寸和滚道壁厚差无法准确测量，因此将这两者安排在完全磨削加工后。此外，油槽与油孔相互关联，为便于定位，先加工油槽，后加工油孔。

套圈为淬火件，硬度达60～64 HRC，油槽无法用铣刀加工，故选用线切割。4个φ1.2 mm油孔均通入退刀槽，并被限定在槽内，因此油孔只能选用电火花由内径面向外径面进行穿孔。

综上可知，该圆柱滚子轴承内圈为钻孔件，极易产生应力集中，制定工艺流程时虽然尽量避免产生应力集中，但未对成品零件实际应力状态进行检测，效果不佳。

3 工艺优化

为保证加工效率和产品质量，线切割油槽方式不变。根据内圈结构特点，内外径的4个φ1 mm油孔采用钻头加工以避免出现烧伤和裂纹， 4个φ1.2 mm油孔采用电火花穿孔加工。

3.1 油槽缺陷去除

线切割油槽后增加砂轮棒修油槽、去除油槽与油孔交汇处锐角及高温回火工序，砂轮棒修油槽可去除线切割烧伤层，倒锐角及高温回火可去除切油槽后出现的应力集中现象[6-7]。为验证措施的有效性，进行工艺验证试验：将按原工艺加工的2件套圈剖分油槽和油孔，用金相显微镜检测烧伤层和裂纹，然后修油槽、去除锐角并进行500 ℃×6 h高温回火，检测烧伤层和裂纹，检测结果见表3。

表3 高温回火前后的烧伤层和裂纹情况Tab.3 Burn layers and cracks before and after high temperature tempering

由表3可知，修油槽、去除锐角并进行高温回火可消除线切割加工油槽产生的烧伤层，但不能消除电火花加工油孔产生的烧伤层和裂纹。

为验证高温回火对套圈的表面质量、硬度、尺寸和精度的影响程度，进行工艺试验：选用10件原工艺加工的成品内圈进行高温回火，检测回火前后内圈的硬度(端面上同一点)、内径尺寸(定点、定高)和滚道圆度，目测表面外观的变化，结果见表4，高温回火对内圈的硬度、尺寸和精度均无明显影响，且外观质量未发生改变，所以高温回火可以在成品状态进行。

表4 高温回火前后内圈的硬度、尺寸和精度检测Tab.4 Hardness,size and accuracy testing of inner rings before and after high temperature tempering

3.2 油孔缺陷去除

鉴于高温回火不能消除电火花加工油孔产生的烧伤层和裂纹，采用牙钻手工修整方式去除：先用电火花加工出小于图纸尺寸的底孔，然后修孔到图纸尺寸。该修整方法首先要确定修整余量，根据金相显微镜对原工艺加工套圈的油孔检测，可知烧伤层和裂纹深度为0.04～0.08 mm，故确定直径方向上孔的双边修整余量至少为0.16 mm。

为验证上述措施的有效性，选用10件原工艺加工的套圈按照0.16 mm的余量对4个φ1.2 mm油孔进行修整，检测结果表明修孔后完全去除了烧伤层和裂纹。

文献[8-9]对电火花加工参数和加工方式的研究结果表明，降低表面粗糙度Ra可有效降低烧伤层深度，所以通过改变电流参数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，检测表明烧伤层深度由0.04～0.08 mm降到了0.02 mm以内，因此油孔的双边修整余量降到了0.04 mm，但考虑安全裕度，最终将孔的双边修整余量设定为0.1 mm。按此方案加工10件新产品，对φ1.2 mm油孔的截面进行金相检测，结果表明完全去除了烧伤层和裂纹。

3.3 优化后工艺

新工艺与原工艺的对比见表5，由表可知：新工艺将原工艺中的电火花加工φ1 mm通油孔(工序17)改用机械钻孔(工序4)代替，有效避免了电火花加工产生的烧伤和裂纹；增加了修φ1.2 mm半盲孔及去除油槽和油孔交汇处锐角工序(工序10)，去除了半盲孔的烧伤层和裂纹，避免了尖角处的应力集中；增加了高温回火工序(工序11)，消除了油槽的烧伤层，最后的酸洗和探伤进一步排除了裂纹隐患。

表5 新工艺与原工艺的对比Tab.5 Comparison between original process and new process

4 试验验证

为验证优化工艺的有效性，对改进轴承进行1 000 h台架寿命试验，试验条件见表6，试验后轴承完好，检测数据无异常。并与进口轴承进行台架对比试验，试验径向载荷由2 kN增加到3 kN，时间为50 h，试验后轴承完好，检测数据无异常，表明国产改进轴承的承载能力与进口轴承相当。

表6 台架寿命试验条件Tab.6 Bench life test conditions

5 结束语

通过对异型轴承内圈故障进行检查与分析发现，内圈的早期失效是电加工烧伤层在使用中萌发裂纹进而扩展造成内圈断裂。通过将电火花加工通油孔改为车加工时进行软钻，调整电火花加工半盲孔的工艺参数，电火花加工后手工修边、圆角过渡，并增加500 ℃高温回火等工序，有效去除了电火花加工缺陷，避免了内圈断裂。工艺改进后加工的轴承通过了台架寿命试验和过载能力考核。