CN115683627A - 模拟角接触陶瓷球轴承的疲劳性能测试装置及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及材料使役行为评价领域，特别涉及高端轴承中陶瓷球的使役行为评价，具体地说是一种模拟角接触陶瓷球轴承结构及润滑的陶瓷球滚动接触疲劳性能测试装置及测试方法。该装置包括固定板、立柱、限位板、上推力轴承、下推力轴承、上锥环底座、下锥环底座、上锥环、下锥环、保持架、轴承钢棒、陶瓷球，根据待测试陶瓷球的直径尺寸，设计计算球棒接触的几何关系，确定转速及接触应力；根据所选接触应力和摸索试验的疲劳周次，确定定数截尾试验的截尾值；对待测试陶瓷球开展滚动接触疲劳试验，对陶瓷球的接触疲劳性能进行评价。本发明可以评价不同直径尺寸的陶瓷球，无需特殊制备样品，从而可以直接采用实际轴承中的陶瓷球进行测试。

Description

模拟角接触陶瓷球轴承的疲劳性能测试装置及测试方法

技术领域

本发明涉及材料使役行为评价领域，特别涉及高端轴承中陶瓷球的使役行为评价，具体地说是一种模拟角接触陶瓷球轴承结构及润滑的陶瓷球滚动接触疲劳性能测试装置及测试方法。

背景技术

陶瓷材料是一类无机非金属材料，相比传统的轴承材料，其具有密度小、硬度高、耐磨性好、弹性模量高、绝缘、耐高温等优点。以上优点，使其成为高速轴承的理想材料，目前高速机床中使用最广泛的就是滚动体为陶瓷材料的角接触陶瓷球轴承。有研究表明，与轴承钢轴承相比，使用氮化硅作为滚动体材料的陶瓷球轴承极限转速可提高约25％～35％，疲劳寿命可提高约3倍。

作为角接触陶瓷球轴承中的关键核心部件，陶瓷球的滚动接触疲劳性能是决定轴承服役性能和寿命的重要因素。以往人们比较关注陶瓷球滚动接触疲劳性能中的接触疲劳循环周次寿命。随着高端机床的发展，角接触陶瓷球轴承的精度寿命变得更为关键。精度寿命指的是：轴承在运行过程中的振动、摩擦力矩、外圈温升等指标超过规定数值就认为轴承失效了，轴承就达到了实际使用寿命，该实际使用寿命就是轴承精度寿命。可见，精度寿命与陶瓷球滚动接触疲劳性能中的表面形貌变化密切相关，例如：表面微凹坑的大小、多少、深浅和形状等。

然而，目前有关角接触陶瓷球轴承中陶瓷球滚动接触疲劳性能的评价，还没有成熟可靠的方法。目前最为常用的方法是直接开展轴承台架试验，由于影响因素众多，台架试验只能勉强考核轴承部件的服役性能，无法获得其中陶瓷球滚动体的滚动接触疲劳性能信息。此外，也有一些专门针对陶瓷球的滚动接触疲劳性能测试试验机及方法，但是存在只能考核单一陶瓷球尺寸、测试工况中的润滑条件、对摩副及保持架材料等无法根据角接触陶瓷球轴承实际情况而改变等缺点，因此无法给出可靠的陶瓷球滚动接触疲劳性能评价。最后，已有的评价方法均没有综合考虑接触疲劳循环周次寿命和陶瓷球在滚动接触疲劳过程中形貌变化对精度寿命的影响，对于陶瓷球的评价已经不适用于现在高端装备的发展。

因此，亟需发展一种可在模拟角接触陶瓷球轴承的典型结构和关键工况条件下评价所用陶瓷球的滚动接触疲劳性能的方法。该方法将为用于轴承的陶瓷球的开发及优化设计提供可靠的试验手段，推动我国高端装备制造业的发展。

发明内容

本发明的目的是提供一种模拟角接触陶瓷球轴承结构及润滑的陶瓷球滚动接触疲劳性能测试装置及测试方法，可在模拟角接触陶瓷球轴承的典型结构和关键工况条件下评价所用陶瓷球的滚动接触疲劳性能，以解决现有方法多采用台架试验考核，导致费用高、影响因素众多和无法准确获取滚动接触疲劳性能等问题，同时解决现有针对陶瓷球的评价方法存在陶瓷球尺寸单一、与角接触球轴承结构差别较大、润滑条件无法模拟工况、对摩副及保持架材料影响无法去除等问题。

本发明的技术方案是：

一种模拟角接触陶瓷球轴承的疲劳性能测试装置，该装置包括固定板、立柱、限位板、上推力轴承、下推力轴承、上锥环底座、下锥环底座、上锥环、下锥环、保持架、轴承钢棒、陶瓷球，具体结构如下：

水平的固定板上垂直设置两个相对平行的立柱，轴承钢棒沿竖向设置于两个立柱之间，上推力轴承、上锥环底座、上锥环、下锥环、下锥环底座、下推力轴承自上至下依次套装于轴承钢棒，轴承钢棒分别与上推力轴承和下推力轴承的内圈连接，上锥环、下锥环的内表面为环形锥面且上下相对应，上锥环嵌设于上锥环底座的中心孔内，下锥环嵌设于下锥环底座的中心孔内，在上锥环、下锥环之间设置保持架和陶瓷球，三个陶瓷球均匀安装于保持架上，通过上锥环的上表面向下加载，由上锥环的内表面对陶瓷球施加压力，通过下锥环的下表面向上加载，由下锥环的内表面对陶瓷球施加压力；水平的限位板上开设三个孔，位于两侧的孔与立柱相对应并匹配，位于中间的孔与轴承钢棒相对应并匹配；装配后，限位板套设于两个立柱和轴承钢棒，并与立柱和轴承钢棒呈滑动配合。

所述的模拟角接触陶瓷球轴承的疲劳性能测试装置，轴承钢棒模拟角接触陶瓷球轴承内圈，上锥环、下锥环模拟角接触陶瓷球轴承外圈，保持架通过其上的润滑脂或者润滑油模拟实际轴承的润滑，润滑条件与实际轴承保持一致。

所述的模拟角接触陶瓷球轴承的疲劳性能测试装置，与实际角接触陶瓷球轴承类似，测试时陶瓷球同时与中心轴承钢棒、上下锥环和保持架在润滑脂或者润滑油润滑下发生滚动接触。

一种模拟角接触陶瓷球轴承的疲劳性能测试方法，包括下列步骤：

a)根据待测试陶瓷球的直径尺寸，设计计算球棒接触的几何关系，根据以上几何关系，选择相应型号的圆锥滚子轴承外套圈及轴承钢棒料直径组合；以上参数确定后，设计保持架外形尺寸；

b)确定转速及接触应力，两个参数主要参考轴承的服役工况确定，固定并选择不同水平的转速及接触应力；

c)根据所选接触应力和摸索试验的疲劳周次，确定定数截尾试验的截尾值；

d)对待测试陶瓷球开展滚动接触疲劳试验，所用润滑油脂及用量根据实际轴承润滑条件确定；

e)对陶瓷球的接触疲劳性能进行评价：综合滚动接触疲劳试验的周次数据和试验后陶瓷球表面的显微形貌观察结果，将周次作为疲劳寿命的表征，将表面的微凹坑做为精度寿命的度量，综合评判陶瓷球的滚动接触疲劳性能。

所述的模拟角接触陶瓷球轴承的疲劳性能测试方法，在模拟实际角接触陶瓷球轴承中陶瓷球与内外套圈间接触形式、润滑条件、套圈及保持架材料的工况下，开展陶瓷球的滚动接触疲劳试验。

所述的模拟角接触陶瓷球轴承的疲劳性能测试方法，测试陶瓷球外径尺寸可变，根据陶瓷球的外径尺寸进行相应的锥环选型加工和对摩轴承钢棒及保持架外形尺寸设计，根据陶瓷球的外径尺寸进行相应的锥环选型加工和对摩轴承钢棒及保持架外形尺寸设计；对摩的轴承钢棒模拟角接触陶瓷球轴承的内圈，其材料及加工工艺与实际轴承内圈材料及加工工艺保持一致。

所述的模拟角接触陶瓷球轴承的疲劳性能测试方法，将待测试陶瓷球装在球棒式滚动接触疲劳试验机上，进行滚动接触疲劳试验。

所述的模拟角接触陶瓷球轴承的疲劳性能测试方法，通过定数截尾试验，获得陶瓷球的滚动接触疲劳循环周次寿命。

所述的模拟角接触陶瓷球轴承的疲劳性能测试方法，开展不同周次的疲劳试验，对试验后陶瓷球的表面形貌进行显微三维形貌观察。

所述的模拟角接触陶瓷球轴承的疲劳性能测试方法，统计分析滚动接触疲劳试验后陶瓷球表面的微凹坑多少、大小、形状和深浅，并将其作为陶瓷球对角接触陶瓷球轴承精度寿命影响的度量。

本发明的设计思想是：

采用球棒式滚动接触疲劳试验机的结构(三个球成120°分布，与中心对摩轴承钢棒滚动接触)，根据待测试陶瓷球的直径尺寸，按照陶瓷球与中心对摩轴承钢棒及上下锥环形成三点接触的几何关系，同时上下锥环之间有一定间隙为原则，得到对摩轴承钢棒试样的外径尺寸、上下锥环(用的是圆锥滚子轴承的外套圈)的α值、E值和C值(参见GBT 297-2015)的范围。根据以上结构，选择合适的圆锥滚子轴承型号，采用其外套圈作为上下锥环，或者加工后(减小外套圈的高度，不对内表面做任何加工)作为上下锥环。

本发明首次在陶瓷球的滚动接触疲劳性能测试中考虑了保持架的影响，上下锥环和轴承钢棒尺寸设计完成后，设计保持架的外形尺寸，以保持架不与上下锥环及中心对摩轴承钢棒干涉，同时限制陶瓷球的兜孔有一定厚度为原则。

根据待测试陶瓷球实际应用的角接触陶瓷球轴承的套圈和保持架材料及加工工艺，选择同样的材料和加工工艺制备中心对摩轴承钢棒试样和保持架。所用润滑脂或者润滑油产品及用量也与实际轴承保持一致。

采用球棒式滚动接触疲劳试验机，从待测试陶瓷球中随机选择3个，用上面制备加工好的中心对摩轴承钢棒、上下锥环、保持架和润滑油脂，开展滚动接触疲劳试验。

滚动接触疲劳试验的接触应力和转速根据实际轴承的参数确定，可以开展不同接触应力水平下的试验。

通过开展定数截尾试验，测试陶瓷球滚动接触疲劳性能中的疲劳周次寿命，试验数量不少于12个，截尾值通过摸索试验确定。通过加速度传感器测试油盒的振动，当陶瓷球出现剥落时，振动值超过阈值，试验机自动停止。振动阈值通常设为平稳振动值的3～5倍。试验完成后，根据国标GB10622-89，按照两参数的威布尔分布函数，对疲劳周次数据进行处理。

通孔开展不同周次的滚动接触疲劳试验，测试陶瓷球滚动接触疲劳性能中的表面形貌变化，其与精度寿命密切相关。试验后，在不同倍率下观察陶瓷球的表面三维形貌，对不同周次下微凹坑的多少、大小、形状和深浅进行统计分析。

综合疲劳周次寿命和度量精度寿命的表面形貌变化结果，从两个不同的维度评价陶瓷球的接触疲劳性能。

本发明相对于现有技术，具有如下优点和有益效果：

1、根据待测试实际轴承中的陶瓷球尺寸，设计相应的对摩轴承钢棒尺寸、上下锥环和保持架尺寸，从而能够实现对不同直径陶瓷球的测试。

2、本发明提出了一种更为接近轴承中陶瓷球服役工况的陶瓷球滚动接触疲劳性能测试方法，可直接从实际轴承中选取陶瓷球进行测试，无需特殊制备陶瓷球样品，可以评价不同直径尺寸的陶瓷球，消除了样品制备的影响。

3、本发明陶瓷球滚动接触疲劳测试的接触形式、对摩材料、润滑和保持架材料等，均可以做到与实际角接触陶瓷球轴承保持一致。

4、本发明除了可以考察陶瓷球的疲劳剥落寿命，还采用疲劳试验后陶瓷球表面形貌中微凹坑的观察分析作为陶瓷球精度寿命的度量，以满足高端装备轴承对于精度寿命的要求。

5、本发明可以实现在同一根轴承钢棒料上进行多次试验，在对比评价陶瓷球的滚动接触疲劳性能时，可以消除对摩轴承材料的影响。

附图说明

图1为球棒接触疲劳试验核心部件组装的爆炸图。

图2为球棒接触疲劳试验核心部件组装外观图。

图3为陶瓷球与轴承钢棒滚动接触受力的几何关系图。

图4为特定直径陶瓷球的滚动接触疲劳几何关系设计图。

图中，1、固定板，2、立柱，3、限位板，4、上推力轴承，5、下推力轴承，6、上锥环底座，7、下锥环底座，8、上锥环，9、下锥环，10、保持架，11、轴承钢棒，12、陶瓷球，13兜孔，14锥环上表面，15锥环内表面。

具体实施方式

下面，结合附图对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，本发明提出一种模拟角接触陶瓷球轴承结构及润滑的陶瓷球滚动接触疲劳性能测试装置，其作为球棒接触疲劳试验机核心部件由12部分组成，固定板1、立柱2、限位板3、上推力轴承4、下推力轴承5、上锥环底座6、下锥环底座7、上锥环8、下锥环9、保持架10、轴承钢棒11、陶瓷球12，具体结构如下：

水平的固定板1上垂直设置两个相对平行的立柱2，轴承钢棒11沿竖向设置于两个立柱2之间，上推力轴承4、上锥环底座6、上锥环8、下锥环9、下锥环底座7、下推力轴承5自上至下依次套装于轴承钢棒11，轴承钢棒11分别与上推力轴承4和下推力轴承5的内圈连接，上锥环8、下锥环9的内表面为环形锥面且上下相对应，上锥环8嵌设于上锥环底座6的中心孔内，下锥环9嵌设于下锥环底座7的中心孔内，在上锥环8、下锥环9之间设置保持架10和陶瓷球12，三个陶瓷球12均匀安装于保持架10上，通过上锥环8的上表面向下加载，由上锥环8的内表面对陶瓷球12施加压力，通过下锥环9的下表面向上加载，由下锥环9的内表面对陶瓷球12施加压力；与实际角接触陶瓷球轴承类似，测试时陶瓷球同时与中心轴承钢棒(模拟内圈)、上下锥环(模拟外圈)和保持架在润滑脂或者润滑油(模拟实际轴承的润滑)润滑下发生滚动接触。

水平的限位板3上开设三个孔，位于两侧的孔与立柱2相对应并匹配，位于中间的孔与轴承钢棒11相对应并匹配；装配后，限位板3套设于两个立柱2和轴承钢棒11，并与立柱2和轴承钢棒11呈滑动配合。

图1所示是装配图的爆炸视图，实际装配完成时如图2所示。如图1-图2所示，试验时，轴承钢棒11的上端通过高精度筒夹连接到旋转主轴，主轴通过电机或电主轴驱动，轴承钢棒11在主轴的驱动下产生高速旋转。轴承钢棒11的旋转带动陶瓷球12产生自转和绕轴承钢棒的公转，从而模拟实际轴承中陶瓷球的运动形式。

加载通过上锥环8、下锥环9的靠近实现，限位板3通过螺栓固定在立柱2上以后，下锥环底座7及下推力轴承5在加载主轴的推动下直线上升，加载主轴的推动可以通过砝码+杠杆实现。最终，形成如图3所示的几何及受力关系。

当待测试的陶瓷球12直径确定后，通过画图软件，对相应的轴承钢棒11、锥环(上锥环8或下锥环9)的尺寸进行画图设计，如图4所示。此处，以待测试陶瓷球12直径为

为例说明。陶瓷球12需要满足与中心轴承钢棒11及上下锥环内表面15同时相切，上下锥环的外径需要与锥环底座(上锥环底座6或下锥环底座7)的内径相匹配。根据以上要求，对直径为

的陶瓷球12，可以选择锥环型号为32203(GBT 297-2015)的圆锥滚子轴承外套圈，轴承钢棒11外径设计为

根据陶瓷球与锥环内表面15切点与陶瓷球12中心的距离1.15mm和锥环上表面14与陶瓷球12中心的距离13.29mm，锥环上表面14与锥环内表面15的夹角α为接触角，可以得到，为了保证上锥环8、下锥环9间有一定的缝隙，32203的外套圈高度需要通过平面磨床去掉1.2mm。

上锥环8、下锥环9和轴承钢棒11尺寸设计完成后，设计保持架10的外形尺寸。保持架10外形类似一截圆管，在圆周方向每隔120°打三个放置陶瓷球12的兜孔13。保持架10的尺寸设计以不与上锥环8、下锥环9及中心对摩轴承钢棒11干涉，同时有一定壁厚为原则，以起到支撑陶瓷球12旋转的目的。

根据待测试陶瓷球实际应用的角接触陶瓷球轴承的套圈和保持架材料及加工工艺，选择同样的材料和加工工艺制备中心对摩轴承钢棒试样和保持架。所用润滑油或者润滑脂产品及用量也与实际轴承保持一致。

通过开展定数截尾试验，测试陶瓷球滚动接触疲劳性能中的疲劳周次寿命。截尾值通过摸索试验确定，通过加速度传感器测试油盒(位于下锥环底座7外，与下锥环底座7之间紧配合)的振动，当陶瓷球12出现剥落时，振动值超过阈值，试验机自动停止。振动阈值通常设为平稳振动值的3～5倍。参考GB 10622-89《金属材料滚动接触疲劳试验方法》，采用威布尔分布处理疲劳周次数据，给出L10、L50寿命和b值。

注意：当陶瓷球的质量非常好时，在球棒接触疲劳试验中，通常是轴承钢棒会首先出现剥落，此时的疲劳周次寿命就无法用来评价陶瓷球的滚动接触疲劳性能。

通过在同一根轴承钢棒料上，开展不同周次的滚动接触疲劳试验，度量陶瓷球滚动接触疲劳性能中的精度寿命表征。不同周次试验后，采用基恩士形貌显微镜、白光干涉三维形貌仪等手段，在不同倍率下观察陶瓷球的表面三维形貌，对不同周次下微凹坑的多少、大小、形状和深浅进行统计分析。

综合疲劳周次寿命和精度寿命度量结果，从两个不同的维度评价陶瓷球的接触疲劳性能。

实施例1：

本实施例是采用本发明的试验方法，对不同厂商提供的Si₃N₄陶瓷球，进行滚动接触疲劳试验，评价不同厂商陶瓷球性能的优劣，结果如表1所示。注意，作为对本发明试验方法的初步验证，该实施例中对每种厂商提供的陶瓷球，只进行了一次试验。

由表可知，该发明方法能够复现陶瓷球的滚动接触疲劳剥落，且不同厂商陶瓷球的滚动接触疲劳剥落周次差别明显，循环周次数量从10的4次方到7次方，初步显示本发明方法可以有效的对轴承用陶瓷球性能进行评价。

表1采用本发明的试验方法进行的陶瓷球滚动接触疲劳试验

实施结果表明，本发明不仅采用了评价滚动接触疲劳性能常用的疲劳寿命作为评判指标，而且根据实际轴承使用情况，同时采用了试验后陶瓷球表面形貌中的微凹坑作为精度寿命的评判指标。

Claims (10)

1.一种模拟角接触陶瓷球轴承的疲劳性能测试装置，其特征在于，该装置包括固定板、立柱、限位板、上推力轴承、下推力轴承、上锥环底座、下锥环底座、上锥环、下锥环、保持架、轴承钢棒、陶瓷球，具体结构如下：

水平的固定板上垂直设置两个相对平行的立柱，轴承钢棒沿竖向设置于两个立柱之间，上推力轴承、上锥环底座、上锥环、下锥环、下锥环底座、下推力轴承自上至下依次套装于轴承钢棒，轴承钢棒分别与上推力轴承和下推力轴承的内圈连接，上锥环、下锥环的内表面为环形锥面且上下相对应，上锥环嵌设于上锥环底座的中心孔内，下锥环嵌设于下锥环底座的中心孔内，在上锥环、下锥环之间设置保持架和陶瓷球，三个陶瓷球均匀安装于保持架上，通过上锥环的上表面向下加载，由上锥环的内表面对陶瓷球施加压力，通过下锥环的下表面向上加载，由下锥环的内表面对陶瓷球施加压力；水平的限位板上开设三个孔，位于两侧的孔与立柱相对应并匹配，位于中间的孔与轴承钢棒相对应并匹配；装配后，限位板套设于两个立柱和轴承钢棒，并与立柱和轴承钢棒呈滑动配合。

2.按照权利要求1所述的模拟角接触陶瓷球轴承的疲劳性能测试装置，其特征在于，轴承钢棒模拟角接触陶瓷球轴承内圈，上锥环、下锥环模拟角接触陶瓷球轴承外圈，保持架通过其上的润滑脂或者润滑油模拟实际轴承的润滑，润滑条件与实际轴承保持一致。

3.按照权利要求1所述的模拟角接触陶瓷球轴承的疲劳性能测试装置，其特征在于，与实际角接触陶瓷球轴承类似，测试时陶瓷球同时与中心轴承钢棒、上下锥环和保持架在润滑脂或者润滑油润滑下发生滚动接触。

4.一种使用权利要求1至3之一所述装置的模拟角接触陶瓷球轴承的疲劳性能测试方法，其特征在于，包括下列步骤：

a)根据待测试陶瓷球的直径尺寸，设计计算球棒接触的几何关系，根据以上几何关系，选择相应型号的圆锥滚子轴承外套圈及轴承钢棒料直径组合；以上参数确定后，设计保持架外形尺寸；

b)确定转速及接触应力，两个参数主要参考轴承的服役工况确定，固定并选择不同水平的转速及接触应力；

c)根据所选接触应力和摸索试验的疲劳周次，确定定数截尾试验的截尾值；

d)对待测试陶瓷球开展滚动接触疲劳试验，所用润滑油脂及用量根据实际轴承润滑条件确定；

e)对陶瓷球的接触疲劳性能进行评价：综合滚动接触疲劳试验的周次数据和试验后陶瓷球表面的显微形貌观察结果，将周次作为疲劳寿命的表征，将表面的微凹坑做为精度寿命的度量，综合评判陶瓷球的滚动接触疲劳性能。

5.按照权利要求4所述的模拟角接触陶瓷球轴承的疲劳性能测试方法，其特征在于，在模拟实际角接触陶瓷球轴承中陶瓷球与内外套圈间接触形式、润滑条件、套圈及保持架材料的工况下，开展陶瓷球的滚动接触疲劳试验。

6.按照权利要求4所述的模拟角接触陶瓷球轴承的疲劳性能测试方法，其特征在于，测试陶瓷球外径尺寸可变，根据陶瓷球的外径尺寸进行相应的锥环选型加工和对摩轴承钢棒及保持架外形尺寸设计，根据陶瓷球的外径尺寸进行相应的锥环选型加工和对摩轴承钢棒及保持架外形尺寸设计；对摩的轴承钢棒模拟角接触陶瓷球轴承的内圈，其材料及加工工艺与实际轴承内圈材料及加工工艺保持一致。

7.按照权利要求4所述的模拟角接触陶瓷球轴承的疲劳性能测试方法，其特征在于，将待测试陶瓷球装在球棒式滚动接触疲劳试验机上，进行滚动接触疲劳试验。

8.按照权利要求4所述的模拟角接触陶瓷球轴承的疲劳性能测试方法，其特征在于，通过定数截尾试验，获得陶瓷球的滚动接触疲劳循环周次寿命。

9.按照权利要求4所述的模拟角接触陶瓷球轴承的疲劳性能测试方法，其特征在于，开展不同周次的疲劳试验，对试验后陶瓷球的表面形貌进行显微三维形貌观察。

10.按照权利要求4所述的模拟角接触陶瓷球轴承的疲劳性能测试方法，其特征在于，统计分析滚动接触疲劳试验后陶瓷球表面的微凹坑多少、大小、形状和深浅，并将其作为陶瓷球对角接触陶瓷球轴承精度寿命影响的度量。

Images