氮化硅陶瓷滾子磁流變與超聲波復(fù)合拋光技術(shù)

張占立，張運(yùn)瑞，葉秀玲，王恒迪，鄧四二

（1.河南科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河南 洛陽 471003；2.浙江天馬軸承股份有限公司，浙江 杭州 310015；3.洛陽北方企業(yè)集團(tuán)有限公司，河南 洛陽 471000）

氮化硅陶瓷滾子磁流變與超聲波復(fù)合拋光技術(shù)

張占立1，2，張運(yùn)瑞1，葉秀玲3，王恒迪1，鄧四二1

（1.河南科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河南 洛陽 471003；2.浙江天馬軸承股份有限公司，浙江 杭州 310015；3.洛陽北方企業(yè)集團(tuán)有限公司，河南 洛陽 471000）

根據(jù)氮化硅陶瓷材料的特點(diǎn)，研究了磁流變與超聲振動對陶瓷滾子的拋光工藝。研制了適用于該工藝的磁流變液；在不同的試驗(yàn)參數(shù)下進(jìn)行了工藝試驗(yàn)；分析了材料的去除機(jī)理。試驗(yàn)結(jié)果表明：金剛石微粉的拋光效果最好；金剛石微粉磁流變超聲復(fù)合拋光陶瓷滾子1 h的表面粗糙度Ra約為0.025 μm；超聲振動對陶瓷滾子拋光的材料去除率和表面質(zhì)量有提高作用；材料去除過程主要是機(jī)械剪切力作用。

氮化硅陶瓷；磁流變；超聲；拋光

0 引言

航空軸承是航空飛行器的關(guān)鍵件之一。隨著航空發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的提高，軸承的工作環(huán)境更加苛刻，要求其能滿足高可靠性甚至在供油不足或斷油狀態(tài)下仍能工作一段時間。陶瓷軸承具有質(zhì)量輕、熱脹系數(shù)小、抗磁、電絕緣、耐高溫、耐酸堿、自潤滑、摩擦因數(shù)小等特點(diǎn)，在高速、高壓、高溫、酸堿腐蝕、干摩擦等特殊環(huán)境下，運(yùn)轉(zhuǎn)性能良好。陶瓷球軸承在航空航天、精密高速機(jī)床、石油化工等領(lǐng)域已大量應(yīng)用。

Si3N4是一種加工特別困難的硬脆材料，工藝性差，采用傳統(tǒng)的拋光技術(shù)不僅效率低，而且在工件表面殘留變質(zhì)層。文獻(xiàn)［1］在自制的專用試驗(yàn)裝置上，基于尺寸范圍30～50 μm的B4C、SiC、Cr2O3磨料和尺寸分別為3 μm、6 μm、30 μm的Cr2O3磨料，研究了磁性流體研磨法對熱等靜壓成形Si3N4滾子拋光效率和質(zhì)量的影響。研究結(jié)果表明：Cr2O3拋光的表面粗糙度數(shù)值最小，Ra為5 nm。

磁流變拋光技術(shù)是一種先進(jìn)的拋光加工技術(shù)，它把流體動力學(xué)與電、磁學(xué)融合于陶瓷拋光中［2－3］。磁流變液在高強(qiáng)度的梯度磁場下產(chǎn)生黏塑性，成為Bingham介質(zhì)，此介質(zhì)通過狹小間隙（由工件與運(yùn)動磁極形成）時，在梯度磁場的作用下發(fā)生流變，形成具有一定硬度的緞帶凸起，對工件產(chǎn)生很大的剪切力，從而使工件表面材料被去除，如圖1所示［4－6］。

超聲加工是利用超聲振動，在摻有磨料的液體介質(zhì)中，產(chǎn)生沖擊、拋磨或氣蝕作用來去除材料，適合加工各種硬脆材料，尤其是玻璃、陶瓷、寶石、石英、鍺、硅等不導(dǎo)電的非金屬材料，但加工效率較低。

根據(jù)陶瓷材料的特點(diǎn)及拋光技術(shù)的特點(diǎn)，本文采用磁流變超聲振動復(fù)合拋光技術(shù)對Si3N4陶瓷滾子進(jìn)行拋光加工，研究結(jié)果對提高Si3N4陶瓷滾子的拋光加工質(zhì)量提供一定依據(jù)。

圖1 磁流變拋光工藝原理圖

1 樣品與制備

1.1 磁流變液的研制

磁流變液的參數(shù)（如磁導(dǎo)率、微粒材質(zhì)、微粒直徑等）對拋光效率和表面質(zhì)量有重要影響，而現(xiàn)有的磁流變液多用于光學(xué)零件拋光，并不完全適合陶瓷零件的加工。磁流變液由基液、磁敏微粒、表面活性劑、抗氧化劑和拋光微粉構(gòu)成，磁流變液應(yīng)滿足流變特性、剪切應(yīng)力、穩(wěn)定性和環(huán)保要求。由于水基磁流變液易生銹、易沉淀，本文采用油基磁流變液［7－8］。

油基磁流變液的制備方法：首先將適量的表面活性劑油酸、硬脂酸和吐溫加入到的硅油中，在室溫中混合攪拌3 h得到懸浮液；再加入添加劑，混合攪拌2 h，接著將適量羰基鐵粉添加到硅油混合基液中，并均勻攪拌；將硅油混合基液倒入到行星球磨罐QM-BP中，然后按一定質(zhì)量比將鋼球放入，在300 r／min的速度下球磨3～5 h，取出鋼球得到配制好的磁流變液，裝入容器密封保存。

1.2 試驗(yàn)裝置

陶瓷滾子拋光機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。陶瓷滾子拋光機(jī)由鉆銑床改裝而成，在主軸單元中安裝了超聲振動裝置，并設(shè)計(jì)安裝了磁流變液箱、攪拌電機(jī)和電控控制裝置。電控控制部分是拋光機(jī)改造的主要部分，由單片機(jī)控制（包括輸入、輸出、顯示和電機(jī)控制）。

1.3 試驗(yàn)樣品

試驗(yàn)采用φ8 mm×10 mm的Si3N4陶瓷滾子，坯料成型采用熱等靜壓方法。在無心磨床等設(shè)備上對其進(jìn)行粗加工和半精加工，其表面粗糙度Ra平均值約為0.3 μm，質(zhì)量約為2.5 g。

1.4 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)前用電子天平稱量陶瓷滾子的質(zhì)量，用TR粗糙度儀測量滾子的表面粗糙度。利用自制的磁流變液進(jìn)行拋光試驗(yàn)，針對不同的試驗(yàn)參數(shù)，研究其對拋光效率和表面質(zhì)量的影響，從而獲取最優(yōu)工藝參數(shù)。試驗(yàn)參數(shù)包括磁場強(qiáng)度、拋光時間、主軸轉(zhuǎn)速、工件移動速度、超聲振動頻率等。試驗(yàn)后用清洗劑清洗工件，稱量滾子的質(zhì)量，已知氮化硅陶瓷密度，即可計(jì)算得到滾子去除量，并再次測量加工表面粗糙度。

圖2 陶瓷滾子拋光機(jī)的結(jié)構(gòu)

2 試驗(yàn)與討論

2.1 不同拋光微粉對材料去除的影響

在磁感應(yīng)強(qiáng)度0.4 T，主軸轉(zhuǎn)速730 r／min，工作臺電機(jī)轉(zhuǎn)速500 r／min，導(dǎo)輥電機(jī)轉(zhuǎn)速200 r／min，主軸與工件之間的間隙0.2 mm，超聲頻率21 MHz，超聲振幅50 μm的條件下，氧化鈰、氧化鋁、金剛石3種拋光微粉對氮化硅陶瓷滾子材料去除的影響曲線見圖3。由圖3可以看出：3種微粉均可實(shí)現(xiàn)材料去除，由于金剛石微粉的硬度要高于氧化鈰和氧化鋁的硬度，所以金剛石微粉的材料去除率最高。

2.2 相同拋光微粉的不同尺寸對滾子拋光去除率的影響

與上述試驗(yàn)條件相同，分別采用不同微粒尺寸的金剛石微粉w0.2、w2.5和w3.5，對滾子去除率影響見圖4。由圖4可看出：w3.5尺寸的微粉的去除率最高，w2.5居中，w0.2的去除率最低。由此可知：拋光磨料尺寸越大，去除率就越高。分析原因主要是磨料微粒尺寸越大，擊碎去除材料越明顯，拋光去除率也越高。

圖3 不同微粉對材料去除的影響關(guān)系曲線

圖4 拋光磨料不同的微粒尺寸對滾子去除率的影響

2.3 相同拋光微粉的不同尺寸對滾子表面粗糙度的影響

圖5為不同尺寸的磨粒對表面粗糙度的影響，由圖5可看出：w3.5尺寸的金剛石微粉拋光的陶瓷滾子表面最粗糙，w2.5居中，w0.2拋光后表面最光潔。由此可知：微粒尺寸越大，拋光的滾子粗糙度越大。原因是微粒尺寸越大，滾子表面破壞越嚴(yán)重，所以表面越粗糙。

2.4 超聲振動對材料去除和表面粗糙度的影響

在上述試驗(yàn)條件下，金剛石微粉磁流變液的超聲振動對材料去除和表面粗糙度的影響關(guān)系分別見圖6和圖7。從圖6可以看出：有超聲振動時的材料去除率高于無超聲振動時的材料去除率，并且在拋光過程的前30 min內(nèi)，材料去除的效率較高，之后效率有所下降。在圖7中，有超聲振動時的表面粗糙度數(shù)值小于無超聲振動時的表面粗糙度數(shù)值，有超聲振動時拋光1 h后的表面Ra值從0.260 μm降為0.025 μm。

圖5 不同尺寸的磨粒對表面粗糙度的影響

圖6 材料去除量與拋光時間的關(guān)系

圖7 表面粗糙度與拋光時間的關(guān)系

2.5 磁流變拋光滾子的三維形貌分析

圖8a和圖8b是由滾子表面拉伸而成的輪廓平面圖，其中，拋光前的圖（見圖8a）可以明顯看到成列的溝壑狀粗糙表面，其溝壑波峰最大尺寸為9.74 μm；拋光后的圖（見圖8b）則是相對光滑平整表面，溝壑波峰最大尺寸為3.55 μm。拋光前后波峰尺寸減小一倍以上，表面粗糙度有明顯改善。

由此可看出，磁流變拋光這種新型的加工方法能顯著提高陶瓷滾子的表面光潔度。

3 材料去除的機(jī)理

磁流變超聲復(fù)合拋光氮化硅陶瓷滾子的材料去除過程主要是機(jī)械微切削作用［9］，有兩種模型：基于印壓破裂理論的材料去除模型和基于剪切理論的材料去除模型。印壓破裂模型的機(jī)理是：拋光磨粒受到正壓力，零件表面持續(xù)受力，繼而產(chǎn)生破碎，達(dá)到材料去除的目的。剪切理論的機(jī)理是：零件粗糙表面是因?yàn)橐恍┘{米級的裂紋引起的，拋光磨粒通過剪切和垂直載荷接觸粗糙面，剪切力促使裂紋擴(kuò)大，而垂直力卻彌合裂紋，從而產(chǎn)生材料剪切破裂去除。

圖9為磁流變液在磁場中產(chǎn)生的磁流變作用，在拋光區(qū)內(nèi)，磁場作用磁流變液，形成了微小的鏈狀結(jié)構(gòu)［10］。根據(jù)鐵磁流體力學(xué)，由磁場作用磁流變液，使得其中的拋光磨料產(chǎn)生磁性浮力Ff：

式中，ρa(bǔ)為磁流變液密度；ρb為拋光磨料的密度；V為拋光磨料體積；▽H為磁場強(qiáng)度梯度為磁流變液磁化強(qiáng)度；g為重力加速度。

圖8 滾子拋光前后三維形貌圖

圖10為磁流變液在磁場中形成“柔性拋光膜”的圖片，當(dāng)拋光區(qū)內(nèi)有磁場作用時，磁流變液中會析出磨料微粒，漂浮于拋光液表面，即形成“柔性拋光膜”。

圖9 磁流變液在磁場中產(chǎn)生磁流變作用

圖10 磁流變液在磁場中形成“柔性拋光膜”

拋光磨料主要受到重力G、陶瓷滾子對磨料的反作用力Fn′、流體動壓力FW以及磁場對磨料產(chǎn)生的磁性浮力Ff，其中重力G可忽略不計(jì)，因此：

圖11為拋光磨料所受的液體動壓力，取樣本氧化鈰磨粒，尺寸為1 μm，磨料和陶瓷滾子接觸面直徑為0.5 μm，通過計(jì)算得到磨料對陶瓷滾子的正壓力Fn＝Fn′≈10－7N，遠(yuǎn)小于古典拋光法中磨料對滾子的正壓力，因此排除了印壓破裂機(jī)理是材料去除主要因素的說法，確認(rèn)了剪切力作用是材料去除的主要因素。

圖11 拋光磨料所受的液體動壓力

4 結(jié)論

（1）氧化鋯、氧化鋁、金剛石3種微粉中，金剛石微粉的拋光效果最好，并且金剛石微粉的微粒越大，拋光去除率越高，但表面質(zhì)量越差。

（2）超聲有助于提高滾子拋光加工的材料去除率和表面質(zhì)量，陶瓷滾子后的粗糙度Ra值從0.260 μm改善到0.025 μm。

（3）材料去除過程主要是由于剪切力作用。

參考文獻(xiàn)：

［1］ Umehara N，Komanduri R.Magnetic Fluid Grinding of HIP-Si3N4Rollers［J］.Wear，1996，192（1）：85－93.

［2］ 陳揚(yáng)，陳建清，陳志剛.超光滑表面拋光技術(shù)［J］.江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2003，24（5）：55－59.

［3］ 孟克明，閆麟角，郭志軍，等.采用磁流變減振器的鉸接式自卸車前懸架最優(yōu)控制［J］.河南科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2013，34（3）：30－34.

［4］ Golini D，DeMarco M，Kordonski W，et al.MRF Polishes Calcium Fluoride to High Quality［J］.Optoelectronics World，2001（37）：5－9.

［5］ Marc T，Paul R D，Don G，et al.Prime Silicon and Silicon-on-insulator（SOI）Wafer Polishing with Magnetorheological Finishing（MRF）［C］／／Proceedings of IMECE 2003 ASME International Mechanical Engineering Congress＆Exposition. Washington DC，2003：16－21.

［6］ Kordonski W I，Golini D，Dumas P.Magnetorheological Suspension-based Finishing Technology［J］.SPIE，1998，3326：527－535.

［7］ 汪建曉，孟光.磁流變液研究進(jìn)展［J］.航空學(xué)報(bào)，2002，23（1）：6－12.

［8］ 胡林，張?jiān)獞?yīng).表面活性劑對磁懸浮液體穩(wěn)定性的影響［J］.貴州大學(xué)學(xué)報(bào)，1999，16（4）：271－272.

［9］ 高洪剛.亞納米級超光滑表面制造的關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.北京：中國科學(xué)院，1999.

［10］ 薛玉君，李獻(xiàn)會，敖正紅，等.組合超聲場下電沉積Ni-Nd2O3納米復(fù)合鍍層的摩擦磨損性能［J］.河南科技大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2012，33（5）：23－27.

TH117.1；TH145

A

1672－6871（2014）04－0013－05

國家科技部國防科工委基金項(xiàng)目（JPT－125－171）；洛陽市科技局基金項(xiàng)目（1201014A）

張占立（1965－），男，河南孟州人，教授，博士，碩士生導(dǎo)師，主要從事摩擦學(xué)及特種加工方面的研究.

2013－11－20