高精度氮化硅陶瓷球批量加工研磨工藝研究*

林明星，呂冰海，袁巨龍*，鄧乾發(fā)，孟玲峰

（1.浙江工業(yè)大學(xué)特種裝備制造與先進(jìn)加工技術(shù)教育部/浙江省重點實驗室，浙江杭州310014；2.江蘇智邦精工科技有限公司，江蘇常州213164）

0 引言

以氮化硅為代表的先進(jìn)陶瓷具有低密度、高硬度、高剛度、抗磨損、低熱膨脹系數(shù)、化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性好等極為優(yōu)良的綜合性能，被認(rèn)為是目前制造高速、高精度軸承滾動體的最佳材料［1-2］。國內(nèi)目前還沒有較為成熟穩(wěn)定的工藝對高精度氮化硅陶瓷球進(jìn)行批量加工。目前對于高精度氮化硅陶瓷球來說，G3級是陶瓷球精度最高的等級，其技術(shù)指標(biāo)為表面粗糙度R a≤0.01 μm；球度ΔS ph≤0.08 μm。傳統(tǒng)工藝加工的氮化硅精密陶瓷球存在表面損傷等缺點，加之市場需求量的劇增，也亟需在短時間內(nèi)探究出適合批量生產(chǎn)高精度氮化硅陶瓷球的穩(wěn)定工藝。

一直以來，國內(nèi)外諸多學(xué)者都對陶瓷球研磨加工進(jìn)行了很多試驗研究，提出了各自的研磨方式、加工工藝，但在批量生產(chǎn)方面都存在一定的問題。本研究是在傳統(tǒng)氮化硅陶瓷球研磨加工的基礎(chǔ)上進(jìn)行高精度氮化硅陶瓷球批量研磨加工實驗，通過調(diào)節(jié)各工序主要因素，結(jié)合顯微鏡照片分析各個工序所選磨料對陶瓷球表面質(zhì)量及去除率的影響，對成品陶瓷球進(jìn)行球度、表面粗糙度、振動值等指標(biāo)檢測，最終實現(xiàn)穩(wěn)定批量生產(chǎn)G3級氮化硅陶瓷球的目的。

1 陶瓷球研磨方式的研究

陶瓷球的研磨方式對陶瓷球表面研磨均勻性起著重要的作用，進(jìn)而影響陶瓷球的精密程度。日本金澤大學(xué)的黑部利次等人［3］提出了一種自轉(zhuǎn)角主動控制研磨方式，該研磨方式有利于球坯表面獲得均勻、高效的研磨，但其裝置機(jī)構(gòu)復(fù)雜，目前僅限于理論研究。為了實現(xiàn)陶瓷球的高速研磨，Tani和Kawata［4］提出了磁流體研磨方式（MFP，Magnetic Fluid Polishing），采用該方法對陶瓷球進(jìn)行加工，其材料去除率可達(dá)到12 μm/min，球度可達(dá)0.14 μm，平均表面粗糙度0.01 μm，但是由于磁流體成本昂貴且損耗快，不利于批量生產(chǎn)。沈陽建筑工程學(xué)院的吳玉厚教授等人［5］對氮化硅陶瓷球的研磨工藝做了大量的研究，探明了研磨工藝的影響因素對加工效率及表面粗糙度的作用。為提高精密球的球度和加工一致性，浙江工業(yè)大學(xué)超精密研究中心提出了一種新型的精密球研磨方式—雙自轉(zhuǎn)研磨方式［6-10］，但該研磨方式目前還處于完善階段。

雖然以上幾種研磨加工方式的工藝均能生產(chǎn)出表面質(zhì)量好的高精度陶瓷球，但存在成本高、結(jié)果復(fù)雜等缺點，目前國內(nèi)還沒有將該工藝用于高精度氮化硅陶瓷球的批量生產(chǎn)。

目前，國內(nèi)批量生產(chǎn)陶瓷球主要采用V型槽的研磨方式，使用游離磨料研磨或拋光的方法進(jìn)行加工。研究者將陶瓷球坯放置在V 形槽中，球坯與上、下研磨盤呈三點接觸狀態(tài)。研究者通過上研磨盤在球坯上施加壓力，研磨過程中，隨著研磨盤的轉(zhuǎn)動，球坯在繞著V 形槽公轉(zhuǎn)的同時進(jìn)行自轉(zhuǎn)，通過球坯、研磨盤以及磨料之間的相互作用實現(xiàn)陶瓷球余量去除，從而達(dá)到減小球徑、提高圓度和降低表面粗糙度的目的。通過對加工過程中壓力載荷、研磨盤轉(zhuǎn)速、研磨液配方濃度的控制，可使研磨軌跡均布球坯表面，達(dá)到研磨成球的幾何條件。

研磨過程中，研磨跡線能否均勻地分布于球體表面是獲得高精度球的關(guān)鍵。此外，還需滿足研磨成球的物理條件：①切削等概率性：每顆被加工球表面上每個質(zhì)點都有相同的切削加工概率；②磨削尺寸選擇性：在加工過程中，磨大球，不磨或少磨小球；③磨長軸方向，不磨或少磨短軸方向［11-14］，通過定時改變陶瓷球在上、下研磨盤之間溝道的運(yùn)動達(dá)到隨機(jī)概率成球的效果。

陶瓷球研磨加工原理如圖1所示。

圖1 陶瓷球研磨過程

2 批量生產(chǎn)G3 級氮化硅陶瓷球?qū)嶒?/h2>

2.1 實驗條件

該實驗選用立式球體研磨機(jī)，選用直徑為800 mm的研磨盤，選用Φ7.938 mm 氮化硅陶瓷球5 000 粒進(jìn)行加工實驗。各個研磨階段的實驗條件如表1所示。所加工的氮化硅陶瓷球的部分力學(xué)性能如表2所示。

表1 研磨條件

表2 氮化硅部分性能

2.2 實驗過程

在正式加工實驗之前會進(jìn)入壓溝環(huán)節(jié)，本研究用放置的球?qū)⑾履ケP的V型槽修整平滑一致，為正式研磨做好準(zhǔn)備。實驗分為以下5 個工序：粗研、半精研、精研、超精研、拋光。各個工序?qū)嶒灄l件從表1 可知：在粗研、半粗研環(huán)節(jié)分別選用碳化硅（黑）#60、#240；精研、超精研階段分別選用碳化硅（綠）W7和W1.5磨料，最終拋光選用W1.5金剛石研磨膏配制研磨液，整個實驗過程的研磨液濃度控制在10～15 wt%，轉(zhuǎn)速也從粗研的50 r/min逐漸減小到拋光的15 r/min，壓力從粗研的10 N/球減小到1 N/球，拋光前的所有工序選擇水為研磨基液，而拋光階段選煤油為基液，通過加入適量的機(jī)油調(diào)節(jié)研磨液的粘稠度。

加工完畢，本研究采用Mahr圓度儀對陶瓷球進(jìn)行球度檢測，采用S9502-A型球體振動測量儀對最終成品球振動值進(jìn)行檢測，采用顯微鏡對各個工序加工完畢的球進(jìn)行表面質(zhì)量拍照記錄，采用Veeco 表面粗糙度儀對加工完的成品球表面粗糙度進(jìn)行檢測。最終加工完成的氮化硅成品球如圖2所示。

圖2 加工完畢的氮化硅成品球

3 結(jié)果與討論

3.1 球度檢測及分析

圖3 各研磨階段球度變化

本研究對同一顆球3個相互垂直方位的圓度進(jìn)行檢測，取最大值作為該球的球度。各階段結(jié)束，隨機(jī)抽樣陶瓷球20粒進(jìn)行球度檢測，得出球度平均變化如圖3所示。從圖3可知：從粗研到半精研，陶瓷球的球度從10 μm降低至1 μm。這是因為這個階段，球坯本身表面較為粗糙，當(dāng)磨料粒度、壓力和轉(zhuǎn)速較大時，材料去除比較多，球度變化較大。從半精研到拋光階段，球度從1 μm逐漸降低到0.08 μm以下，這是因為通過調(diào)節(jié)磨料粒度、壓力及轉(zhuǎn)速變小，陶瓷球表面受力減小，表面逐漸變好，球度也逐漸變好。在拋光結(jié)束，最終陶瓷球球度達(dá)到0.08 μm 以下。拋光完畢，筆者隨機(jī)抽樣20 粒陶瓷球進(jìn)行球度檢測，平均值為0.065 μm，最大值為0.07 μm，得到球度很好的超光滑表面。對其中一顆成品球球度檢測的結(jié)果如圖4所示。

圖4 成品球球度檢測

3.2 陶瓷球表面質(zhì)量分析

本研究使用500倍顯微鏡對每個研磨階段陶瓷球表面質(zhì)量拍照記錄的圖片如圖5所示。由圖5 可知：在粗研結(jié)束后，陶瓷球表面存在劃痕和凹坑等缺陷，這主要是因為在粗磨階段，#60SiC（黑）磨料粒度較大，壓力控制在每球10 N，對陶瓷球去除以脆性形式為主，雖對陶瓷球表面去除余量較大，但是表面質(zhì)量較差，粗研和半精研階段出現(xiàn)了裂紋、劃痕和凹坑等比較明顯的缺陷。隨著進(jìn)一步研磨，通過調(diào)節(jié)研磨液磨料的種類、研磨壓力、研磨盤轉(zhuǎn)速，在拋光階段，壓力控制在1 N/球，轉(zhuǎn)速控制在15 r/min，選用粒度較小（W1.5）的金剛石研磨膏配制研磨液，對陶瓷球去除以塑性形式為主，劃痕、凹坑等缺陷得到改善，最終加工的陶瓷球表面質(zhì)量逐漸趨好且無劃痕、凹坑及裂紋等表面缺陷。

本研究使用Veeco表面粗糙度儀對加工完的成品球表面粗糙度進(jìn)行檢測的結(jié)果如圖6所示，由圖6 可知：采用該工藝實驗后的成品陶瓷球表面粗糙度達(dá)到1.48 nm，得到超光滑的表面，達(dá)到G3級標(biāo)準(zhǔn)。

3.3 不同階段去除率分析

圖5 各研磨階段陶瓷球表面質(zhì)量變化（500X）

從粗磨階段到拋光每個階段的去除率如圖7所示。由圖7可知：在粗磨、半精研階段，材料去除率較大，達(dá)到2 μm/h～4 μm/h，這是因為選用粒度較大的碳化硅（黑）#60、#240磨料，壓力在10 N/球，轉(zhuǎn)速控制在50 r/min，研磨液濃度控制在15 wt%左右的情況下，材料主要以脆性形式去除；而隨著研磨進(jìn)行，所選磨料粒度逐漸變小，壓力、轉(zhuǎn)速和濃度也相對減小，此時材料主要以塑性形式去除，因而去除率也隨之減到0.2 μm/h，為粗研階段的5%。

圖6 表面粗糙度檢測

圖7 不同階段的去除率

3.4 振動值對比分析

振動值是高精度氮化硅陶瓷球表面質(zhì)量、球度和材料均勻性等的一個綜合性能指標(biāo)，根據(jù)高精度氮化硅陶瓷球在實際加工生產(chǎn)中的經(jīng)驗，一般振動值低于28 dB 的陶瓷球可視為G3 級陶瓷球。筆者隨機(jī)抽樣成品球50 粒與同類規(guī)格的法國和國內(nèi)某公司標(biāo)稱為G3 級的各100 粒氮化硅陶瓷球進(jìn)行振動值檢測對比。采用該工藝加工完畢的陶瓷球與同類規(guī)格標(biāo)稱為G3 級的法國和國內(nèi)某公司生產(chǎn)的陶瓷球分別分組，標(biāo)為A、B、C 3組，對其進(jìn)行振動值檢測。

檢測平均振動值對比結(jié)果如圖8所示。通過該工藝實驗的A 組陶瓷球振動值范圍在22 dB～25 dB，平均振動值達(dá)到24 dB，法國的B 組陶瓷球振動值范圍在25 dB～27 dB，平均振動26 dB，C組為國內(nèi)某公司生產(chǎn)的陶瓷球振動值范圍在27 dB～28 dB，平均振動值為28 dB。由此可知：采用該工藝的陶瓷球已經(jīng)達(dá)到G3級陶瓷球標(biāo)準(zhǔn)，且優(yōu)于同類產(chǎn)品。

圖8 振動值對比

4 結(jié)束語

通過采用該工藝對氮化硅陶瓷球進(jìn)行批量加工實驗，各個工序加工完畢后，本研究對陶瓷球進(jìn)行了球度、表面粗糙度、振動值檢測，并得出了以下結(jié)論：

（1）從粗研到半精研階段，陶瓷球本身表面比較粗糙，當(dāng)加載壓力、磨料粒度較大時，材料去除比較多，球度變化也比較大；通過對精研到拋光階段磨料粒度、壓力、轉(zhuǎn)速和研磨液濃度的控制，陶瓷球材料去除率逐漸減小，球度逐漸變好，最終球度達(dá)到0.062 μm以下；

（2）在粗研到半精研階段，壓力、轉(zhuǎn)速、磨料粒度較大，陶瓷球以脆性形式去除，陶瓷球表面出現(xiàn)裂紋、凹坑和劃痕等缺陷；精研到拋光階段，隨著壓力、轉(zhuǎn)速及磨料粒度等減小，材料主要以塑性形式去除，表面粗糙度逐漸降低，最終的成品球表面粗糙度Ra 達(dá)到1.48 nm以下，得到超光滑表面；

（3）通過與法國及國內(nèi)某公司標(biāo)稱為G3 級同規(guī)格的氮化硅陶瓷球產(chǎn)品進(jìn)行振動值檢測對比，采用該工藝的成品球平均振動值達(dá)到24 dB，且優(yōu)于對比的同類產(chǎn)品；

綜上所述：采用該工藝后，加工完畢的氮化硅陶瓷球能夠批量生產(chǎn)，并達(dá)到G3級標(biāo)準(zhǔn)。

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