细说滚动轴承的抗疲劳制造

细说滚动的抗疲劳制造。抗疲劳制造技术涉及到材料、设计、制造及应用的各个方面,下面就从这四个方面来探讨滚动轴承的抗疲劳制造技术。

A. 滚动轴承用钢的抗疲劳性能

由于轴承使用工况条件的千变万化,尤其是一些特殊使用环境,必须使用不同的材料来满足这些应用。目前的轴承材料品种还不能适应这种使用需求,发展耐疲劳的新轴承钢种,就成了滚动轴承抗疲劳制造的一个重大课题。

即使是在用的轴承钢种,其耐疲劳性能与国际先进水平比较也还有较大差距。一是钢的纯净度问题,许多应该控制的金属元素、非金属元素尚未列入标准进行控制,即使已列入控制标准也还存在一个达标率的问题;二是均匀性与稳定性问题仍然突出,夹杂物总量受控了,但分布不均匀,常因“聚集’’产生隐患还不易被剔除,而且不同钢材企业之间也不平衡,不同批次、不同炉号、不同规格的材料偏差较大,这种质量、品质的不稳定,导致轴承产品在试验和使用过程中发生早期疲劳的概率大大增加,由此影响到轴承总体寿命偏低。

尽管轴承钢材的性能可以通过热处理或其他抗疲劳制造工艺获得改善,但杂质的存在(超标或聚集)影响后处理的效果。随着主机对轴承可靠性指标的大幅提高,很多领域关乎生命财产安全,更何况轴承行业的热处理技术水平还远不能适应抗疲劳制造的要求。

我们不能满足于中低端领域的制造水平,轴承强国的一个重要标志就是要在高端应用领域占有一定市场,在发展新的轴承钢种,试验研究新的材料处理工艺,开发数字化热处理系统与装备,正在形成滚动轴承抗疲劳制造技术在材料工程领域创新发展的空间和机遇。

B. 抗疲劳设计的若干思考

目前滚动轴承的设计基本上是拟静态力学原理基础上的优化,而抗疲劳制造的设计需在拟动态力学原理基础上优化,由于轴承结构优化是一个多参数的优化问题,再考虑实际应用条件,因而使抗疲劳设计的优化过程变得更为复杂和困难。

设计方面还应关注的一个重要问题是应力集中,特别是线接触的滚子轴承,其接触应力沿接触线分布在滚子两端形成严重的边缘应力集中。目前,国内外轴承企业都采用“凸度”技术来减轻其程度,即将滚子滚动面、内、外套圈滚道面的的素线设计成”对数曲线”形状,使线接触区域的应力分布趋于均匀,从而大大减少了滚予轴承使用中在滚子两端发生的早期疲劳,延长了使用寿命。实践与使用都表明,这是一个十分有效的设计改进。但”对数曲线”的制造技术也不完善,更未达到成熟程度,尤其是大批量生产时,如何保证“对数素线"的形状、位置、凸度量、精确地符合设计要求,保证同批零件的“对数素线”的技术指标基本一致,需要有高精度的执行机械,数控系统和合理的数学模型作为前提条件,否则设计指标的实现将无从谈起。

对零件结构的润滑功能设计,是抗疲劳设计的重要环节。滚子轴承的高速性能不如球轴承,这是结构特征决定的,如何在结构上加以改进,提高滚子轴承的高速性能及高速下的疲劳寿命,一个有效的途径就是对滚动轴承内部相对运动的表面进行润滑设计,如滚动面的EHD设计、凸缘工作面的EC设计。美国TIMKEN公司开发的TSMA轴承、TSMR轴承、Spring-Rib轴承(弹簧挡边)、Hydra-Rib轴承(液力档边)等,其核心技术就是强化了圆锥滚子轴承内圈大档边与滚子大端面之间的润滑功能,这些成功案例为我们开展抗疲劳设计提供良好的示范。

C. 通过制造过程实现和提高零件的抗疲劳能力

通过制造过程实现零件抗疲劳能力,一方面是在工艺实现和过程控制中落实抗疲劳预期,另一方面是采用和发展新的抗疲劳工艺技术(如热处理表面改性处理,诸入低温单渗、共渗、离子注入、激光、超声冲击工艺等),既不影响零件精度又能提高表面性能。这是滚动轴承抗疲劳制造的关键。

耐疲劳材料给我们提供了构件抗疲劳的基础,需要制造过程的工艺加工来充分发挥材料的抗疲劳潜力:设计过程中以各种结构参数,质量指标技术要求来预期零件的抗疲劳能力,需要制造过程的工艺加工来实施保证,没有制造过程的工艺保障,材料与设计的抗疲劳预期就无法实现,甚至会落空。

工艺实现包括设备工装、各种辅助技术过程,在实现零件设计图样的规定时,工艺实现必须确保技术要求的最佳状态,比如对公差的集中度,同一批零件质量指标的一致性和稳定性。

过程控制既包括了工艺流程、工序步骤,还包括了过程质量控制,尤其要强调过程控制中要使用SPC技术,控制图技术,其中Cp、Cpk、Cmk、Ppk等统计参数是保障过程稳定的基础。

制造过程既是一个技术过程,也是一个管理过程。要对制造的全过程实施严格、科学的管理,从原材料开始,从毛坯件开始,直至零件进入装配,成品出厂到用户,随主机使用到质保期、到失效的全过程,都要按抗疲劳制造的要求提供管理服务。

D. 应用服务

滚动轴承的应用服务,主要是技术性的服务。一般说来,主机企业对轴承的技术认识不如轴承企业专业,也不会全面。我们制造了高抗疲劳能力的轴承产品,更希望用户在实际应用中能充分利用轴承的高抗疲劳能力。用户对主机轴承的选型设计,安装调试过程,对轴承的正确维护、保养,都需要轴承企业的专业指导;主机企业产品的创新与发展更需要供需双方技术人员共同探索、研讨、开发,以取得高质量的成果;同时,用户在使用轴承过程中发现的问题,包括轴承制造缺陷,或非正常意外发生的故障,也需要轴承专业技术人员的共同分析,以求得持续改进与提高。

总结

抗疲劳制造技术是机械制造业的重大技术方向,也是滚动轴承制造技术发展的重要方向。滚动轴承抗疲劳制造技术的推广、应用与发展要综合考虑材料、设计、制造、服务四个方面,把握以下重点:

1. 以纯净、匀质为目标的耐疲劳材料技术;

2. 毛坯成型工艺方法及工艺要素(温度、速度、加热、冷却、变形、时间)的优化:

3. 表面改性技术对抗疲劳有特别重要的意义。工作表面的均匀硬化、残余压应力、合理的表面理化性质将提高耐疲劳强度;

4. 制造过程要确保设计技术要求的最佳状态;

润滑功能设计、润滑剂的类型、品质,供给量及力学稳定性、温度稳定性对滚动轴承抗疲劳性能和寿命有重要影响。

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