英特尔|航空发动机高速轴承外圈开裂分析半导体|芯片

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航空发动机高速轴承外圈开裂分析摘要：针对航空发动机高速轴承出现贯穿外圈壁厚的裂纹，通过断口分析、振动应力测试、应力仿真计算和振动疲劳试验分析轴承外圈开裂的原因。开裂位置附近存在明显线切割加工熔融痕迹，裂纹起始于外圈外圆面与蝴蝶结转接处表面，裂纹起始处最大振动应力为238.8 MPa ，最大稳态应力为19 MPa ，为疲劳裂纹；线切割产生的熔融层使轴承外圈疲劳强度大幅降低并叠加较大的振动应力，是导致外圈开裂的主要原因。关键词：滚动轴承；航空发动机；熔融；疲劳裂纹；疲劳强度；电火花线切割滚动轴承是航空发动机的重要部件，也是易损坏件，据统计30%航空发动机故障由轴承故障引起[1
，常见轴承失效形式有疲劳、磨损、腐蚀、断裂等[2
。在某些情况下，航空发动机轴承失效会导致严重的后果，因此对轴承失效进行相关研究非常必要；然而航空发动机轴承工作转速高，工况恶劣，失效的影响因素复杂，失效形式和形貌不同，给轴承失效分析带来困难。针对上述问题，相关学者从轴承的失效形貌和机理方面进行研究：文献[3
从材料、加工、热处理、磨削和装配等方面归纳了轴承套圈常见的缺陷，并提出预防措施；文献[4-7
对轴承内圈开裂故障进行了分析，通过断口观察和金相分析认为故障主要由材料缺陷或加工缺陷引起；文献[8-11
对轴承保持架疲劳断裂进行了分析，认为系统异常振动、保持架设计不合理和轴承异常运转会造成保持架疲劳断裂；文献[12-13
对轴承外圈断裂进行了分析，认为加工缺陷是引起轴承外圈断裂的主要原因；文献[14-16
利用有限元法计算了轴承零件的应力分布，根据应力分布对轴承零件优化改进。上述文献大多针对轴承疲劳断裂失效的形式和形貌进行研究，少有结合应力分析和试验对轴承疲劳断裂原因进行分析。鉴于此，本文首先进行轴承外圈疲劳开裂处的断口分析，然后通过振动应力测试、应力仿真计算和振动疲劳试验分析轴承外圈疲劳开裂的原因并提出改进措施。
1 断口分析轴承外圈材料为Cr4Mo4V ，轴承外圈开裂外观如图1所示：裂纹位于图中左侧蝴蝶结与外圈外圆面转接处(图中R处) ，沿轴向分布并贯穿整个外圈壁厚。裂纹位置附近可见线切割加工熔融痕迹(图2) 。

图1 轴承外圈裂纹外观
Fig.1 Appearance of crack in outer ring of bearing

图2 断口附近表面线切割熔融痕迹
Fig.2 Wire cut melting trace on surface near fracture
外圈裂纹断口宏观形貌如图3所示：断面呈浅灰色，可见明显的疲劳弧线；从疲劳弧线收敛方向来看，裂纹起始于外圈外圆面与蝴蝶结转接处表面，表现为线源，疲劳源区可见明显疲劳台阶，沿外圈径向及轴向扩展；疲劳扩展区存在明显的放射棱线，疲劳扩展区约占整个断面的1/2 。