轴承制造的抗疲劳技术，你了解多少？

一、我国轴承与国外先进水平的差距主要表现在两个方面：

1、企业发展的差距，诸如产业集中度、企业管理水平、经营战略与国际竞争力等；

2、产品质量差距。

有资料对滚动轴承的质量差距有如下表述：

1、产品的一致性差异。同一批轴承的各种质量参数离散性较大，如公差分布的正态曲线呈丘峰状，而不显尖峰，疲劳试验中最高寿命与最低寿命之比有时相差100倍以上，此外，热处理质量的一致性也存在明显差距。

2、动态性能差距。反映轴承使用状态的动态性能（振动、噪声、摩擦等），尤其是滚子轴承、中大型球轴承差距较大，常规检测数据表明相同规格振动（加速度）相差５~10dB，按相同标准检测，国产轴承合格率低于国外先进水平约20%以上。

3、 寿命可靠性低。疲劳寿命试验数据表明，国外先进水平寿命指数（试验寿命与计算寿命之比值）k≥８，而国内球轴承目前水平约k≥６，滚子轴承k≥４。 产品质量的上述三个差距还普遍存在不稳定的问题，而且各个企业之间水平也不平衡。

二、轴承的寿命与主要失效形式

鉴于轴承寿命的离散性特征，提高轴承寿命的主要目标应致力于减少轴承使用中的早期疲劳；轴承寿命与主机寿命、主机的大修周期相适应，不追求过度的寿命。由于轴承的使用领域不同，主机对轴承性能的要求千差万别，因而轴承寿命也就有了不同类型、如疲劳寿命、精度寿命、高可靠度寿命等。对于最广泛应用领域的主机，则多以疲劳寿命为轴承寿命的基本要求。

三、大量的应用实践和寿命实验都表明，滚动轴承失效多为接触表面疲劳

由于轴承在载荷下旋转，在滚动体分别与内圈滚（沟）道和外圈滚（沟）道的滚动接触处，产生的接触应力为重复交变应力，对滚子轴承，沿接触线的应力分布不均匀，旋转时，两端还会产生明显的应力集中。交变应力的循环作用，使接触表面的基体组织产生组织变化，经过一定时期后，便有片状颗粒自表面剥落，形成麻坑或麻点。ISO25243-2004将疲劳列在轴承六种常见失效模式之首，被列在第六位的断裂在形成过程中也因有疲劳的原因，被称为疲劳断裂。典型的疲劳失效分为次表面起源型和表面起源型。

1、次表面起源型疲劳

滚动接触最大接触应力发生在表面下一定深度的某处，在交变应力的反复作用下，在该处形成疲劳源（微裂纹）．裂纹源在循环应力下逐步向表面扩展，形成开放式的片状裂缝，进而被撕裂为片状颗粒从表面剥落，产生麻点、凹坑。如该处轴承钢存在某种薄弱点、或缺陷（常见的如非金属夹杂物、气隙、粗大碳化物的晶界面），将加速疲劳源的形成和疲劳裂纹的扩展，大大降低疲劳寿命。

2、表面起源型疲劳

接触表面处有损伤，这些损伤可能是原始的，即制造过程中形成的划伤、碰痕，也可能是使用中产生的，如润滑剂中的硬颗粒，轴承零件相对运动产生的微小擦伤；损伤处可能存在润滑不良，如润滑剂贫乏，润滑剂失效；不良的润滑状态加剧滚动体与滚道之间的相对滑动，导致表面损伤处的微凸体根部产生显微裂纹；裂纹扩展导致微凸体脱落，或形成片状剥落区。这种剥落深度较浅，有时易与暗灰色蚀斑相混淆；

3、疲劳断裂

疲劳断裂的起源是过度紧配合产生的装配应力与循环交变应力形成的疲劳屈服，装配应力、交变应力与屈服极限之间的平衡一旦失去，便会沿套圈轴线方向产生断裂，形成贯穿状的裂缝。

实践中正常使用失效的轴承，其损坏大多如上所述，即接触表面疲劳，而三种疲劳失效类型又以次表面起源型疲劳最为常见，ASO281和ISO281/amd.2推荐的轴承寿命计算方法就是以次表面起源型疲劳为基础得出的。

四、抗疲劳制造技术的现实意义

把机械构件的疲劳失效在生产过程中加以预防具有重要的现实意义，出发点如下：

（１）、高可靠度要求的机械产品寿命常受到疲劳失效的制约，引发重大安全事故，如航空机械、桥梁、风电设备等应用中的结构件。

（２）、疲劳是某些机械基础件的主要失效形式，如齿轮、轴承、铁路轮轨等，而这些基础件不仅使用广泛，而且对整个机械系统（传动与支承）有不可忽视的作用与影响。

（３）、从经济规模看，我国经济规模占世界比重大，但制造业的国际竞争力却不强。大而不强的因素很多，就机械制造业与国外先进水平的差距分析，寿命低是重要因素之一。

（4）、研究和发展基础构件的抗疲劳制造技术将有效地促进“由大变强”的过程，是提升质量、节约资源的重大技术措施。

1、什么是抗疲劳制造技术

单从制造加工过程来讲，抗疲劳制造技术是指在不改变零件的材料和截面尺寸的前提下，通过制造工艺过程，去改变材料的组织性能，改变应力分布状态来达到提高零件疲劳寿命的目的。

但从零件形成的全过程来思考，材料本身的耐疲劳性能，设计过程中参数优化及应力、应变分析，零件的正确、科学使用，对耐疲劳性能都有重要的作用和影响。因此，抗疲劳制造技术的完整概念应该包括材料工程、设计工程、工艺制造和现场应用的全过程。

2、抗疲劳制造技术常用的工艺方法

（1）、热处理技术

热处理是常用的改善材料力学性能的工艺方法，为了适应不同材料零件的不同使用要求，需要选择不同的热处理工艺，预先热处理组织、淬火加热温度、加热速度、冷却方式（介质与速度）、回火温度与时间等都对机械性能有明显影响，要对诸多热处理参数进行优化、组合，以求得适应使用条件的最佳性能，从而延长零件的耐疲劳寿命。构建热处理虚拟生产平台，推动热处理技术向高新技术知识密集型转变。热处理工艺参数的优化及发展数字化热处理技术是实现抗疲劳制造的重要前提。

（2）、 表面化学热处理

表面化学热处理的改性作用主要在表面，可根据不同的使用要求，选择渗入的化学元素，如渗碳后淬回火以提高表面硬度，但工件畸变不易控制：渗氮后形成金属氮化物可获得更高的表面硬度及耐磨性、耐蚀性和抗疲劳性能，且工件畸变小，但效率不高；共渗工艺使硬度、耐磨、耐蚀、抗疲劳性能更优，且淬火畸变少，但硬化层薄，不宜于重载工件。表面化学热处理的发展方向是扩大低温化学处理的应用，提高渗层质量，加速处理过程，发展环保型工艺、复合渗工艺及模拟数字化处理技术。

（3）、 表面强化技术的应用

传统的表面强化技术源于冷作硬化原理，如抛丸、喷砂、喷丸等，新的表面强化技术如激光表面硬化、激光喷丸表面硬化、超声滚光硬化、化学方法表面硬化，复合各种工艺的表面硬化新技术已在许多领域中被成功应用，如激光一喷丸工艺（激光冲击处理），使用高能脉冲激光在零件表面形成冲击波，使表面材料产生压缩和塑性变形，形成表面残余压应力，从而增强了抗疲劳能力（如抗应力裂纹、耐腐蚀疲劳等）。

（4）、表面改性技术

常用的表面改性技术主要有离子注入和表面涂覆。

离子注入是非高温过程，没有冶金学和平衡相图的限制，可根据不同需要选择不同注入元素与剂量以获得预期的表面性能。如：注入铬离子以增强基体材料的抗腐蚀和耐疲劳能力；注入硼离子以增强基体的抗磨损能力。

表面涂覆技术包括物理气相沉积（PVD），化学气相沉积（CVD）射频溅射（RF）离子喷镀（PSC），化学镀等。

此外，离子渗工艺在一定真空度下利用高压直流电使被渗元素处于离子状态，使产生的离子流轰击工件表面，在表面形成化合物达到降低摩擦、提高耐磨性的目的。

（5）、 微细加工与光整技术

作为一种先进的制造技术，高精度的微细加工与调配、光整技术，也为提高基础零件的抗疲劳能力发挥出重要作用。超精密的研磨加工、涡流光整加工，以降低工件表面粗糙度为目的，加工后的表面理化特性、力学特性、接触处的轮廓形状都发生有益的改变，可修正接触应力分布，利于动力润滑油膜的形成，提高疲劳寿命。

（6）、不同零件的硬度匹配关系

也能协调滚动接触处的应力与应变传递状态，对延长零件的疲劳寿命产生明显效果。

3、滚动轴承的抗疲劳制造

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。

（1）、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。

（2）、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。

（3）、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。

（4）、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。

五、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。