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試論抗疲勞制造技術在軸承行業的應用
【字體:
2016-11-22 11:32:51
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 試論抗疲勞制造技術在軸承行業的應用

一、抗疲勞制造技術的提出
多年前,師昌緒、趙振業等12位工程院院士向中央領導呈報了
《發展抗疲勞制造,提升我國機械制造核心競爭力》項目的建議。抗
疲勞制造技術已引起國家領導人和有關政府部門的關注。在《2016上
海國際軸承峰會》上,趙振業院士應邀作了題為《抗疲勞制造成就高
端軸承制造》的演講,在與會人員中引起了強烈的反響。
趙振業院士在演講中闡述了抗疲勞制造是新一代先進技術,闡述了抗疲勞制造的概念,理論和關鍵技術體系。
趙振業院士演講的內容要點如下——
抗疲勞制造是新一代先進技術。
制造技術三代發展:一代,“成形”制造(淘汰技術,中國使用)→
二代,表面完整性制造(西方發達國家使用)→三代,抗疲勞制造
(中國發展)。
一代
“成形”制造
以成本、時間、空間為技術判據,滿足形位、表面粗糙度等設計圖紙規定要求的制造技術
二代
表面完整性制造
控制表面完整性,以疲勞性能為主要判據和提高疲勞強度的制造技術
三代
抗疲勞制造
控制表面完整性和表面變質層,以疲勞性能為主要判據和極限疲勞強度的制造技術
 
三代制造技術不斷繼承,不斷創新,追求極限。
抗疲勞制造的要義:
1、概念
抗疲勞制造是控制表面完整性和表面變質層,以疲勞性能為主要判據和極限疲勞強度的制造技術。
表面完整性——控制加工工藝形成的無損傷或強化的表面狀態
表面變質層—— 控制加工工藝形成的無損傷或強化的表層狀態
2、理論
“無應力集中”抗疲勞概念——帶有應力集中的構件具有無應力集
中時的疲勞強度。從應力集中視覺認識疲勞問題,從應力集中入手解
決壽命問題。
3、關鍵技術體系
(1)材料技術體系——
極限性能
高純凈度
(2)抗疲勞制造體系——
表面硬化
抗疲勞機械加工
高性能表層改性
無應力集中裝配
整體制坯
精密熱處理
長效腐蝕防護
疲勞壽命評測與試驗
檢測
(3)抗疲勞細節設計技術體系——
極限性能結構
二、疲勞是滾動軸承典型的失效形式
滾動軸承在載荷下旋轉,其滾動體與內外套圈的滾道接觸產生交變應力。經過一定時期的交變應力的反復作用,接觸表面產生疲勞破壞。疲勞破壞是滾動軸承典型的失效形式。滾動軸承的疲勞失效形式包括次表面起源型疲勞和表面起源型疲勞,此外還有疲勞斷裂。次表面起源型疲勞--在軸承滾動接觸最大應力處表面以下一定深度,在交變應力的反復作用下形成的疲勞源(微裂紋)逐步向表面擴張而形成的片狀剝落。表面起源型疲勞--滾動接觸表面處的損傷(制造過程中形成的劃傷、碰痕或潤滑劑中的硬顆粒造成的微小擦傷)在交變應力作用下產生顯微裂紋,逐步擴張,形成淺層片狀剝落。疲勞斷裂--裝配應力、交變應力和強度極限間失去平衡而產生的軸向貫穿狀裂縫。
三、滾動軸承抗疲勞對策
針對上述軸承產生疲勞失效的原因,按照趙振業院士在峰會演講中提出的抗疲勞制造技術的要點,結合軸承行業的實際情況,運用成形技術、熱處理技術、機械加工技術、表面改性技術、長效防護技術以及抗疲勞細節設計和制造、高純凈度高耐磨性軸承鋼的研發和應用,改善應力分布,降低最大應力;延緩次表面和表面裂紋源的形成和疲勞裂紋的擴張;提高強度極限,防止疲勞斷裂,等等,進行抗疲勞制造。
 
體系
工藝技術
抗疲勞制造技術措施
抗疲勞制造技術
措施的作用
抗疲勞制造技術措施的效果
抗應力集中
抗次表面起源型疲勞
抗表面起源型疲勞
抗疲勞斷裂

 
抗疲勞制造技術體系
1
成形技術
(1)控溫加熱鍛造
(2)熱輾擴鍛造
(3)冷輾擴
(4)鍛造后快速冷卻
(1)保證軸承套圈金屬流線垂直于受力方向
(2)防止軸承套圈鍛造加熱過熱過燒,保持良好的金相組織
(3)防止產生網狀碳化物




2
熱處理技術
(1)在可控氣氛或保護氣氛環境中加熱
(2)優化加熱溫度、加熱速度和加熱周期
(3)選擇適當的冷卻介質和冷卻速度
(1)獲得高強度的金屬基體組織
(2)改善非金屬夾雜物和碳化物的形狀和分布狀態
(3)獲得軸承內圈、外圈和滾動體硬度的最佳匹配
(4)獲得穩定的殘余奧氏體的最佳成分
(5)少無畸變




3
機械加工技術
(1)數控車床車加工,精確控制磨加工留量
(2)數控磨床進行精準的磨加工
(3)數控超精機進行精準的超精密光整加工
(4)修型技術的應用
(5)工作表面強化處理
(1)獲得良好的尺寸精度和幾何精度
(2)獲得良好的表面粗糙度
(3)獲得能降低應力集中的表面輪廓
(4)獲得軸承內圈、外圈和滾動體表面粗糙度的最佳匹配
(5)消除工作表面變質層
(6)改善工作表面殘余應力狀況




4
表面改性技術
(1)優化潤滑功能
(2)離子注入
(3)表面涂覆
(4)表面滲碳或碳氮共滲
(1)降低摩擦,尤其是滑動摩擦
(2)提高耐磨性




5
長效防護技術
(1)軸承外表面熱噴涂耐腐蝕金屬
(2)進行磷化處理
(3)采用密封結構
(1)防止銹蝕
(2)防止軸承內部滑潤脂漏出,防止外部雜質進入軸承內部





 
抗疲勞制造相關體系
抗疲勞細節設計和制造
滾子和套圈工作表面對數曲線凸度修型
降低應力集中




圓錐滾子軸承滾子球基面和內圈擋邊接觸位置和形狀的優化
滾子球基面與內圈擋邊的滑動面形成潤滑油膜,減輕滑動摩擦




高純凈度軸承鋼的研發和應用
采取真空脫氣、電渣重熔、雙真空(真空感應爐+真空自耗爐)等方法冶煉高純凈度軸承鋼
提高金屬基體強度、降低鋼中氧含量、非金屬夾雜物含量,改善非金屬夾雜物和碳化物的大小、形狀和分布




 
四、軸承抗疲勞制造技術應用案例
案例一、細節設計技術的應用
采取外滾道與滾子的高吻合率(0.96)和內滾道與滾子的低吻合率(0.94)的組合,既提高軸承的疲勞壽命,又控制軸承的功率損耗。
為了降低摩擦力矩,提高疲勞壽命,使軸承在正常工作時產生合理的正歪斜,粗糙度作如下匹配--滾子粗糙度優于內圈,內圈粗糙度優于外圈。
為了提高軸承的疲勞壽命,選取滾子硬度的下限高于套圈滾道硬度的上限。
案例二、提高軸承在污染潤滑工況下的使用壽命
日本NSK公司采用自行開發的STF(Super-TF)鋼和HTF(Hi-TF)鋼制造風機增速器軸承。增速器在工作過程中,齒輪磨損產生的微小金屬顆粒,在軸承工作表面形成壓痕,壓痕邊緣形成高的應力集中,成為疲勞源,導致剝落,縮短軸承使用壽命。NSK公司開發的用中碳合金鋼碳氮共滲的STF和HTF鋼,通過嚴格控制碳氮共滲工藝,使零件表面得到較多的穩定的殘余奧氏體(約30~35%)和大量細小的碳化物、碳氮化物。后者可保證表面的硬度和耐磨性,使壓痕不易形成;前者可以降低壓痕的邊緣效應,阻止疲勞源的形成和擴展,從而大大提高軸承在如汽車變速箱這樣的在污染潤滑工況下的使用壽命。這方面,洛陽軸承研究所已進行了研發工作,并取得初步成果。
案例三、表面改性處理
表面改性是為了降低摩擦,提高耐磨性,減輕打滑造成的軸承工作表面的損傷,以致形成表面起源型疲勞。采取表面改性技術是國際軸承業界通行的做法。
風力發電機增速機軸承在一些工況下存在打滑現象,對軸承工作表面造成損傷。
在高載荷工況下能正常工作的軸承在低載荷工況下容易打滑。風力發電機低風速時,也就是低載荷時,增速器中承載能力較大的軸承就容易打滑。
典型的容易產生打滑的工作狀況是高速且載荷為零或低載荷的時候。中間軸和高速軸通常情況下具有較高的轉速。在低載荷情況下,高轉速時由于滾動體的慣性作用,比低轉速時會產生更多的打滑。
另外一種引起打滑的工況是剎車工況尤其是緊急剎車工況。在風力發電機的整個壽命中,會有大量的停機操作,它們引起的增速器軸承打滑也是非常嚴重的。
風電增速器一般包括一級行星輪傳動和兩級平行軸傳動。在這種設計中,行星架軸承經常采用具有很好剛性的滿滾子軸承。另外,小的風電增速器的行星輪軸承也經常使用滿滾子軸承,以提高承載能力。滿滾子軸承的滾動體相互接觸并且接觸點具有相反的運動方向,滾子之間的打滑是不可避免的。
為預防打滑對軸承造成的損傷。國內制造風電軸承的優勢企業已對風電增速器軸承進行低溫滲硫(離子滲硫、液體滲硫等)進行表面改性處理。
德國舍弗勒公司從2008年起供應的風電增速器圓柱滾子軸承均采用復合氧化發黑處理的軸承(氧化發黑處理是指在鋼或鑄鋼表面產生一層黑色的Fe2O3和FeO氧化物的混合物。氧化層的厚度介于0.5~2.0μm之間,它對安裝時配合的影響可以忽略不計),有效地防止了打滑對軸承造成的損傷。
案例四、長效防護
因風電偏航變槳軸承部分裸露在外,其外徑需熱噴涂純鋁或純鋅進行防護。為防止軸承內部潤滑脂泄漏,外界雜質、水分侵入,采用丁腈橡膠制造的壓板組合接觸式密封圈對軸承進行密封。
案例五、精準表面熱處理
為確保風電偏航變槳軸承套圈滾道和齒輪齒面、齒根的表面淬火硬度、有效硬化層深度達到標準要求,控制軟帶寬度,防止變形和裂紋,必須對加熱感應器的形狀、與被加熱面的距離、相對運動的速度、冷卻液的成分、冷卻液流量等工藝參數經過反復試驗進行優化。通過熱處理,要達到低溫沖擊功-20℃ AKV不小于27J。
案例六、預防電蝕
鐵路牽引電機軸承、風力發電機組發電機軸承會因電蝕損傷而失效,有的企業將這種軸承的滾動體用高絕緣性的陶瓷材料制造。也有的企業在軸承外表面上涂覆絕緣材料,來解決電蝕的問題。
案例七、表面強化
   使用加壓機,使鋼球跌落、撞擊,對鋼球進行加壓處理;使用光蝕機,對軸承滾子進行光蝕處理,從而使軸承鋼球、滾子表層一定深度由拉應力轉變為壓應力,可以抵消或部分抵消使用時產生的拉應力,延長工件的疲勞壽命。

 

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