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试论抗疲劳制造技术在轴承行业的应用
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2016-11-22 11:32:51
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 试论抗疲劳制造技术在轴承行业的应用

一、抗疲劳制造技术的提出
多年前,师昌绪、赵振业等12位工程院院士向中央领导呈报了
《发展抗疲劳制造,提升我国机械制造核心竞争力》项目的建议。抗
疲劳制造技术已引起国家领导人和有关政府部门的关注。在《2016上
海国际轴承峰会》上,赵振业院士应邀作了题为《抗疲劳制造成就高
端轴承制造》的演讲,在与会人员中引起了强烈的反响。
赵振业院士在演讲中阐述了抗疲劳制造是新一代先进技术,阐述了抗疲劳制造的概念,理论和关键技术体系。
赵振业院士演讲的内容要点如下——
抗疲劳制造是新一代先进技术。
制造技术三代发展:一代,“成形”制造(淘汰技术,中国使用)→
二代,表面完整性制造(西方发达国家使用)→三代,抗疲劳制造
(中国发展)。
一代
“成形”制造
以成本、时间、空间为技术判据,满足形位、表面粗糙度等设计图纸规定要求的制造技术
二代
表面完整性制造
控制表面完整性,以疲劳性能为主要判据和提高疲劳强度的制造技术
三代
抗疲劳制造
控制表面完整性和表面变质层,以疲劳性能为主要判据和极限疲劳强度的制造技术
 
三代制造技术不断继承,不断创新,追求极限。
抗疲劳制造的要义:
1、概念
抗疲劳制造是控制表面完整性和表面变质层,以疲劳性能为主要判据和极限疲劳强度的制造技术。
表面完整性——控制加工工艺形成的无损伤或强化的表面状态
表面变质层—— 控制加工工艺形成的无损伤或强化的表层状态
2、理论
“无应力集中”抗疲劳概念——带有应力集中的构件具有无应力集
中时的疲劳强度。从应力集中视觉认识疲劳问题,从应力集中入手解
决寿命问题。
3、关键技术体系
(1)材料技术体系——
极限性能
高纯净度
(2)抗疲劳制造体系——
表面硬化
抗疲劳机械加工
高性能表层改性
无应力集中装配
整体制坯
精密热处理
长效腐蚀防护
疲劳寿命评测与试验
检测
(3)抗疲劳细节设计技术体系——
极限性能结构
二、疲劳是滚动轴承典型的失效形式
滚动轴承在载荷下旋转,其滚动体与内外套圈的滚道接触产生交变应力。经过一定时期的交变应力的反复作用,接触表面产生疲劳破坏。疲劳破坏是滚动轴承典型的失效形式。滚动轴承的疲劳失效形式包括次表面起源型疲劳和表面起源型疲劳,此外还有疲劳断裂。次表面起源型疲劳--在轴承滚动接触最大应力处表面以下一定深度,在交变应力的反复作用下形成的疲劳源(微裂纹)逐步向表面扩张而形成的片状剥落。表面起源型疲劳--滚动接触表面处的损伤(制造过程中形成的划伤、碰痕或润滑剂中的硬颗粒造成的微小擦伤)在交变应力作用下产生显微裂纹,逐步扩张,形成浅层片状剥落。疲劳断裂--装配应力、交变应力和强度极限间失去平衡而产生的轴向贯穿状裂缝。
三、滚动轴承抗疲劳对策
针对上述轴承产生疲劳失效的原因,按照赵振业院士在峰会演讲中提出的抗疲劳制造技术的要点,结合轴承行业的实际情况,运用成形技术、热处理技术、机械加工技术、表面改性技术、长效防护技术以及抗疲劳细节设计和制造、高纯净度高耐磨性轴承钢的研发和应用,改善应力分布,降低最大应力;延缓次表面和表面裂纹源的形成和疲劳裂纹的扩张;提高强度极限,防止疲劳断裂,等等,进行抗疲劳制造。
 
体系
工艺技术
抗疲劳制造技术措施
抗疲劳制造技术
措施的作用
抗疲劳制造技术措施的效果
抗应力集中
抗次表面起源型疲劳
抗表面起源型疲劳
抗疲劳断裂

 
抗疲劳制造技术体系
1
成形技术
(1)控温加热锻造
(2)热辗扩锻造
(3)冷辗扩
(4)锻造后快速冷却
(1)保证轴承套圈金属流线垂直于受力方向
(2)防止轴承套圈锻造加热过热过烧,保持良好的金相组织
(3)防止产生网状碳化物




2
热处理技术
(1)在可控气氛或保护气氛环境中加热
(2)优化加热温度、加热速度和加热周期
(3)选择适当的冷却介质和冷却速度
(1)获得高强度的金属基体组织
(2)改善非金属夹杂物和碳化物的形状和分布状态
(3)获得轴承内圈、外圈和滚动体硬度的最佳匹配
(4)获得稳定的残余奥氏体的最佳成分
(5)少无畸变




3
机械加工技术
(1)数控车床车加工,精确控制磨加工留量
(2)数控磨床进行精准的磨加工
(3)数控超精机进行精准的超精密光整加工
(4)修型技术的应用
(5)工作表面强化处理
(1)获得良好的尺寸精度和几何精度
(2)获得良好的表面粗糙度
(3)获得能降低应力集中的表面轮廓
(4)获得轴承内圈、外圈和滚动体表面粗糙度的最佳匹配
(5)消除工作表面变质层
(6)改善工作表面残余应力状况




4
表面改性技术
(1)优化润滑功能
(2)离子注入
(3)表面涂覆
(4)表面渗碳或碳氮共渗
(1)降低摩擦,尤其是滑动摩擦
(2)提高耐磨性




5
长效防护技术
(1)轴承外表面热喷涂耐腐蚀金属
(2)进行磷化处理
(3)采用密封结构
(1)防止锈蚀
(2)防止轴承内部滑润脂漏出,防止外部杂质进入轴承内部





 
抗疲劳制造相关体系
抗疲劳细节设计和制造
滚子和套圈工作表面对数曲线凸度修型
降低应力集中




圆锥滚子轴承滚子球基面和内圈挡边接触位置和形状的优化
滚子球基面与内圈挡边的滑动面形成润滑油膜,减轻滑动摩擦




高纯净度轴承钢的研发和应用
采取真空脱气、电渣重熔、双真空(真空感应炉+真空自耗炉)等方法冶炼高纯净度轴承钢
提高金属基体强度、降低钢中氧含量、非金属夹杂物含量,改善非金属夹杂物和碳化物的大小、形状和分布




 
四、轴承抗疲劳制造技术应用案例
案例一、细节设计技术的应用
采取外滚道与滚子的高吻合率(0.96)和内滚道与滚子的低吻合率(0.94)的组合,既提高轴承的疲劳寿命,又控制轴承的功率损耗。
为了降低摩擦力矩,提高疲劳寿命,使轴承在正常工作时产生合理的正歪斜,粗糙度作如下匹配--滚子粗糙度优于内圈,内圈粗糙度优于外圈。
为了提高轴承的疲劳寿命,选取滚子硬度的下限高于套圈滚道硬度的上限。
案例二、提高轴承在污染润滑工况下的使用寿命
日本NSK公司采用自行开发的STF(Super-TF)钢和HTF(Hi-TF)钢制造风机增速器轴承。增速器在工作过程中,齿轮磨损产生的微小金属颗粒,在轴承工作表面形成压痕,压痕边缘形成高的应力集中,成为疲劳源,导致剥落,缩短轴承使用寿命。NSK公司开发的用中碳合金钢碳氮共渗的STF和HTF钢,通过严格控制碳氮共渗工艺,使零件表面得到较多的稳定的残余奥氏体(约30~35%)和大量细小的碳化物、碳氮化物。后者可保证表面的硬度和耐磨性,使压痕不易形成;前者可以降低压痕的边缘效应,阻止疲劳源的形成和扩展,从而大大提高轴承在如汽车变速箱这样的在污染润滑工况下的使用寿命。这方面,洛阳轴承研究所已进行了研发工作,并取得初步成果。
案例三、表面改性处理
表面改性是为了降低摩擦,提高耐磨性,减轻打滑造成的轴承工作表面的损伤,以致形成表面起源型疲劳。采取表面改性技术是国际轴承业界通行的做法。
风力发电机增速机轴承在一些工况下存在打滑现象,对轴承工作表面造成损伤。
在高载荷工况下能正常工作的轴承在低载荷工况下容易打滑。风力发电机低风速时,也就是低载荷时,增速器中承载能力较大的轴承就容易打滑。
典型的容易产生打滑的工作状况是高速且载荷为零或低载荷的时候。中间轴和高速轴通常情况下具有较高的转速。在低载荷情况下,高转速时由于滚动体的惯性作用,比低转速时会产生更多的打滑。
另外一种引起打滑的工况是刹车工况尤其是紧急刹车工况。在风力发电机的整个寿命中,会有大量的停机操作,它们引起的增速器轴承打滑也是非常严重的。
风电增速器一般包括一级行星轮传动和两级平行轴传动。在这种设计中,行星架轴承经常采用具有很好刚性的满滚子轴承。另外,小的风电增速器的行星轮轴承也经常使用满滚子轴承,以提高承载能力。满滚子轴承的滚动体相互接触并且接触点具有相反的运动方向,滚子之间的打滑是不可避免的。
为预防打滑对轴承造成的损伤。国内制造风电轴承的优势企业已对风电增速器轴承进行低温渗硫(离子渗硫、液体渗硫等)进行表面改性处理。
德国舍弗勒公司从2008年起供应的风电增速器圆柱滚子轴承均采用复合氧化发黑处理的轴承(氧化发黑处理是指在钢或铸钢表面产生一层黑色的Fe2O3和FeO氧化物的混合物。氧化层的厚度介于0.5~2.0μm之间,它对安装时配合的影响可以忽略不计),有效地防止了打滑对轴承造成的损伤。
案例四、长效防护
因风电偏航变桨轴承部分裸露在外,其外径需热喷涂纯铝或纯锌进行防护。为防止轴承内部润滑脂泄漏,外界杂质、水分侵入,采用丁腈橡胶制造的压板组合接触式密封圈对轴承进行密封。
案例五、精准表面热处理
为确保风电偏航变桨轴承套圈滚道和齿轮齿面、齿根的表面淬火硬度、有效硬化层深度达到标准要求,控制软带宽度,防止变形和裂纹,必须对加热感应器的形状、与被加热面的距离、相对运动的速度、冷却液的成分、冷却液流量等工艺参数经过反复试验进行优化。通过热处理,要达到低温冲击功-20℃ AKV不小于27J。
案例六、预防电蚀
铁路牵引电机轴承、风力发电机组发电机轴承会因电蚀损伤而失效,有的企业将这种轴承的滚动体用高绝缘性的陶瓷材料制造。也有的企业在轴承外表面上涂覆绝缘材料,来解决电蚀的问题。
案例七、表面强化
   使用加压机,使钢球跌落、撞击,对钢球进行加压处理;使用光蚀机,对轴承滚子进行光蚀处理,从而使轴承钢球、滚子表层一定深度由拉应力转变为压应力,可以抵消或部分抵消使用时产生的拉应力,延长工件的疲劳寿命。

 

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