旋轉機械(Rotating Machinery)是常見的重要機械之一，被廣泛地應用於各式各樣的工業當中，隨著科技的進步，為獲得高效率，除了運轉速度不斷提昇外，設備的振動等級要求也日益嚴苛，其中軸承扮演著極為重要的角色，又以滾動軸承最為普遍使用，而基於高速及複合負載的考量，精密級斜角滾動軸承應用最為廣泛。滾動軸承在高速應用上常見問題為潤滑失效，滾動球與滾動面(Raceway)產生接觸磨耗後，滾動軸承會開始產生異音，實際上仍可以運轉一段時間，但基於許多因素考量下，終端使用者即判定滾動軸承發生異常，進而更換。
精密級滾動軸承除了具備良好的迴轉精度及滾動面形貌外，降低次表面破壞層(Subsurface damage)更是關鍵，本文針對研磨加工技術對於滾動軸承精度與次表面破壞層之影響，滿足滾動軸承高速運轉之需求。
滾動軸承高速化提升效率
業界最常使用的加工設備莫過於工具機，相對於傳統切削，高速切削除了具有高金屬移除率、低研削力、熱應變形小、低切削進給之特性外，同時具有比較高的動態穩定之趨勢。高速切削隨著工件材料、切屑型態、加工型態(車、銑、鑽及磨)以及切削刀具的不同而各有差異，一般常見是以切削線速度(Vc)對不同材料進行區分。鋁合金等輕金屬要達到2000m/min以上，纖維強化塑膠要達到3000m/min以上定義為高速切削範疇。
在工業應用上，更快速意味以更短的時間達成目標，高速滾動軸承主要優點就是在於提升效率。然而依據國際大廠統計，高達66%軸承提早發生故障(36%潤滑不足問題、16%安裝不當問題、14%異物混入等汙染問題)，因此只有34%軸承達到有效的使用壽命。若能同時提高軸承有效使用的比例以及工作轉速，在近來倡導ESG永續發展下，是為提升環境保護的積極表現。
滾動軸承之疲勞壽命與失效
滾動軸承潤滑模式與失效
1. 彈液動壓潤滑模式
滾動軸承在彈液動壓潤滑模式(Elastrohydrodynamic lubrication, EHL)狀態下可持續穩定運轉(如圖1所示)，潤滑油膜分別將滾動球/內環與滾動球/外環隔開避免接觸導致磨耗(Wear)產生，油膜厚度介在次微米到數微米之間，依據轉速、負荷、潤滑油黏度及工作溫度等條件而變化。
2. 失效階段定義
依據過往回饋案件經驗，當滾動軸承發生潤滑失效時，滾動球與滾動面面發生接觸磨耗並伴隨異音或振動，實際使用上還能夠維持一段時間運轉，有經驗的操作人員會通知維修單位估計何時應該更換滾動軸承，然而部分滾動軸承因為價格高或是更換不易等因素，因此對於內部狀態必須清楚掌握，較嚴謹的方式為以頻譜分析判別滾動軸承是處於何種狀態下，圖2所示為從潤滑失效導致初期磨耗到發生接觸疲勞(Contact Fatigue)共歷經四個階段。當滾動軸承發生接觸疲勞(階段四)，則確定已無法使用，必須進行更換。階段一至階段三則依據情況而定，例如工具機主軸用精密角接觸軸承於階段二就會進行更換。
導致接觸疲勞之成因
前一小節提到滾動軸承失效共有四個階段，本小節說明導致滾動軸承發生接觸疲勞主要有三個原因，包括：(1)鋼材缺陷(Material imperfections)、(2)異物粒子混入潤滑油(Particles in lubricant)與(3)滾動球-滾動面凸點接觸(Asperity contact)等。
1. 鋼材缺陷
滾動軸承用軸承鋼對於清淨度要求非常高，一般常用之高清靜度軸承鋼，其非金屬介在物(Non-metallic inclusion)參雜在鋼中的比例低於10ppm以下，參雜的比例越低(即清靜度越高)則疲勞壽命越好。如圖3所示，應力集中發生在鋼材缺陷的區域，並加速裂縫(Crack)的成長，當裂縫成長到表面時形成磨耗粒子，脫離表面形成凹陷區域稱為表面破壞(Surface damage)或是剝離(圖2階段四)，當剝離形成後會導致滾動軸承處於非常不良潤滑狀態，伴隨現象為振動與異音顯著，導致功能喪失。由於裂縫成長是從鋼材內部開始，可稱為內部起點型接觸疲勞。
2. 異物粒子混入
滾動軸承運轉過程中，潤滑油之最小油膜厚度(Minimum film thickness)從次微米到數微米不等，當有異物粒子侵入軸承內部時，會依據粒子的材質、硬度與尺寸等對軸承潤滑狀態產生不同程度的影響(如圖5所示)。例如塑膠粒子相對於砂輪/砂條磨粒影響較小，因為塑膠粒子硬度明顯小於軸承(HRC58~65之間)，殘留軸承內部後被輾壓變形破裂，影響不若硬質顆粒顯著。但若是陶瓷硬質顆粒殘留在軸承滾動面上，則在後續運轉上可能導致磨粒磨耗(Abrasive wear)的發生(如圖6所示)。...更多內容，請健《機械新刊》雜誌
