氮化硅陶瓷滾子磁流變、化學(xué)與超聲復(fù)合拋光工藝試驗(yàn)

張占立，熊明照，王恒迪，王鋒，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.機(jī)械裝備先進(jìn)制造河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 洛陽 471003)

陶瓷軸承具有硬度高、密度小、耐高溫、耐腐蝕、抗磁、絕緣等特點(diǎn)，且其運(yùn)轉(zhuǎn)溫升低，受熱膨脹小，高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)離心力小，具有很好的穩(wěn)定性。因此，可以很好地適用于普通鋼制軸承無法正常使用的工況[1-2]。然而，陶瓷軸承的加工一直制約著其發(fā)展，陶瓷滾子軸承的滾子拋光技術(shù)仍不夠完善。目前利用金剛石砂輪對(duì)陶瓷滾子進(jìn)行拋光是最常用的方法，但效率低，且會(huì)在滾子表面產(chǎn)生劃痕和裂紋，對(duì)滾子的強(qiáng)度和表面精度產(chǎn)生很大影響，進(jìn)而影響軸承的使用壽命[3]。磁流變、化學(xué)與超聲波復(fù)合拋光技術(shù)，是將化學(xué)、聲學(xué)、電磁學(xué)、流體力學(xué)等多種作用綜合應(yīng)用于陶瓷滾子的拋光過程中，能夠在保證拋光效率的同時(shí)顯著提高滾子的表面質(zhì)量[4-5]。

下文通過拋光工藝試驗(yàn)，研究拋光過程中各工藝參數(shù)的變化對(duì)陶瓷滾子表面粗糙度Ra和材料去除率的影響，優(yōu)化得到了符合氮化硅陶瓷滾子要求的最佳工藝參數(shù)。

1 材料去除機(jī)理

磁流變、化學(xué)與超聲波復(fù)合拋光陶瓷滾子加工過程復(fù)雜，是物理、化學(xué)、流體力學(xué)等多種材料去除方式共同作用的結(jié)果。目前為止，主要存在有3種理論，分別是機(jī)械作用理論、化學(xué)作用理論和流變理論[6-7]。從材料去除的方式來看，主要分為磁流變拋光作用的剪切去除、超聲波拋光作用的沖擊去除和拋光過程中一系列化學(xué)反應(yīng)的去除。拋光過程如圖1所示。

圖1 拋光過程示意圖

1.1 材料去除過程中的化學(xué)作用

陶瓷滾子拋光過程中，滾子表面在特定條件下會(huì)發(fā)生一系列的反應(yīng)，如氮化硅的水解反應(yīng)、氮化硅與拋光磨料的反應(yīng)、氮化硅與磁敏微粒的反應(yīng)等，這些反應(yīng)會(huì)將氮化硅中高強(qiáng)度的化學(xué)鍵打破，使之重新結(jié)合成強(qiáng)度較弱的化學(xué)鍵，從而使表面材料更容易去除。與此同時(shí)，在機(jī)械去除作用條件下，拋光滾子表面不可避免會(huì)產(chǎn)生一些裂紋，水通過這些裂紋進(jìn)入滾子內(nèi)部后，破壞了內(nèi)部結(jié)構(gòu)，加速了水解反應(yīng)。

滾子拋光加工過程中參與的化學(xué)反應(yīng)主要為[8]：

氮化硅的水解反應(yīng)

Si3N4+H2O→SiO2+NH3；

氮化硅與氧化鈰的反應(yīng)

Si3N4+CeO2→SiO2+CeO1.72+N2；

氮化硅與羰基鐵粉的反應(yīng)

Si3N4+Fe2O3→SiO2+Fe2N+N2。

綜上所述，在復(fù)合拋光陶瓷滾子過程中，磁流變液中3種原料去除作用相互促進(jìn)，相互結(jié)合，使?jié)L子表面材料得以有效去除。

1.2 材料去除過程中的機(jī)械與流變作用

磁流變拋光的剪切去除：在磁場(chǎng)作用下拋光液發(fā)生流變效應(yīng)，拋光液會(huì)在毫秒量級(jí)時(shí)間內(nèi)由液態(tài)轉(zhuǎn)化為半固態(tài)，拋光液中的拋光磨料析出，并鑲嵌于拋光液緞帶凸起中，形成一個(gè)柔性拋光盤，在流經(jīng)滾子表面時(shí)，對(duì)其進(jìn)行反復(fù)的剪切刮擦；同時(shí)，拋光主軸帶動(dòng)磁流變拋光液高速旋轉(zhuǎn)，在拋光液中形成很大的剪切應(yīng)力，在二者共同作用下去除滾子表面材料[9-11]。

超聲波拋光作用的沖擊去除：超聲振動(dòng)經(jīng)變幅桿放大后，將振動(dòng)傳遞給拋光工具頭，當(dāng)磁流變拋光液流經(jīng)拋光工具頭與陶瓷滾子之間的狹窄間隙時(shí)，拋光液中的大量拋光磨料受到拋光工具頭的撞擊作用，迫使拋光磨料以很大的速度和加速度沖擊、拋磨滾子表面，從而達(dá)到去除材料的目的。

目前，被廣泛接受的適用于描述磁流變拋光材料去除過程的數(shù)學(xué)模型為Preston方程，根據(jù)該方程可知，拋光過程的材料去除率r可表示為[12]

r=kpv，

(1)

式中：k為Preston系數(shù)；p為拋光區(qū)域內(nèi)總壓力；v為拋光液與滾子的相對(duì)速度。

當(dāng)試驗(yàn)參數(shù)一定時(shí)，v是一個(gè)定值，此時(shí)有

v=k1U，

(2)

式中：U為拋光主軸線速度。

將(2)式代入(1)式可得

r=kk1pU=KpU，

(3)

式中：K為準(zhǔn)Preston系數(shù)。

由(3)式可知，拋光過程的材料去除率與滾子在拋光區(qū)域內(nèi)所受總壓力p和拋光主軸轉(zhuǎn)速v成正比。

壓力p是由多種壓力綜合作用的結(jié)果，主要包括：流體動(dòng)壓力pd、磁場(chǎng)壓力pm和重力壓強(qiáng)pg。其中，磁場(chǎng)壓力pm又包括磁場(chǎng)力和磁致伸縮壓力，對(duì)于磁流變拋光液來說，由于其壓縮性很小，拋光液的磁致伸縮壓力在分析拋光過程的去除機(jī)理時(shí)可以忽略不計(jì)。因此得出磁流變拋光過程中拋光區(qū)域內(nèi)總壓力值為

p=pd+pm+pg。

(4)

加入超聲波后的磁流變復(fù)合拋光還必須要考慮到拋光區(qū)域內(nèi)超聲振動(dòng)對(duì)滾子表面所產(chǎn)生的最大接觸力p0，因此，進(jìn)一步得出復(fù)合拋光過程拋光區(qū)域內(nèi)的總壓力為

p=pd+pm+pg+p0。

(5)

(5)式中重力壓強(qiáng)pg相對(duì)于其他3項(xiàng)來說非常小，為簡(jiǎn)化計(jì)算可將其忽略不計(jì)。最終得到

p=pd+pm+p0。

(6)

2 試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)設(shè)備

拋光試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2所示。試驗(yàn)機(jī)主軸部分加入了超聲振動(dòng)裝置，超聲波工具頭由刀具頭改造得到；在工作臺(tái)上設(shè)置拋光槽，用于盛放磁流變拋光液，拋光槽內(nèi)置用于放置陶瓷滾子的導(dǎo)輥，拋光工具頭用永磁鐵制作而成。陶瓷滾子拋光試驗(yàn)機(jī)通過人機(jī)界面進(jìn)行控制，在拋光過程中控制系統(tǒng)會(huì)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和記錄。

1—底座；2—工作臺(tái)；3—拋光槽；4—導(dǎo)輥；5—超聲工具頭；6—超聲變幅桿；7—超聲換能器；8—立柱；9—主軸箱；10—伺服電動(dòng)機(jī)；11—縱向進(jìn)給結(jié)構(gòu)

2.2 磁流變液配制

由于油基磁流變拋光液會(huì)在滾子表面形成一層油膜，阻礙磨料與滾子表面的化學(xué)反應(yīng)[13]，因此試驗(yàn)采用水基磁流變液。

水基磁流變拋光液具體制備方法：首先將適量的羧甲基纖維素鈉加入蒸餾水中，攪拌1 h左右，得到黏稠狀均勻分散的懸浮液；然后加入添加劑并攪拌均勻，得到水基復(fù)配載液；接著將適量的羰基鐵粉和拋光磨料與水基復(fù)配載液混合，加入球磨罐中，按1∶10質(zhì)量比加入鋼球，以300 r/min的速度球磨3 h，分離出鋼球，得到磁流變拋光液，裝入干燥的塑料瓶密封保存[14]。

2.3 試樣

試樣為φ10 mm×10 mm的Si3N4陶瓷滾子，坯料由熱等靜壓成形法制得。陶瓷滾子通過無心磨床首先進(jìn)行粗加工然后進(jìn)行半精加工，滾子表面粗糙度Ra約為0.3 μm。

2.4 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用單因素法，分別研究超聲振幅、拋光間隙、磨料、主軸轉(zhuǎn)速等試驗(yàn)參數(shù)對(duì)陶瓷滾子的材料去除率和表面粗糙度的影響規(guī)律。通過對(duì)比分析，獲得最佳工藝參數(shù)。試驗(yàn)檢測(cè)設(shè)備為μsurf explorer型光學(xué)輪廓儀和FA2004B型電子天平。

3 試驗(yàn)分析

3.1 試驗(yàn)參數(shù)對(duì)材料去除率和表面粗糙度的影響

3.1.1 超聲振幅

在磁流變拋光液溫度為室溫，工作臺(tái)移動(dòng)速度、導(dǎo)輥轉(zhuǎn)速均為系統(tǒng)設(shè)定速度，磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.4 T，磨料為氧化鈰，主軸轉(zhuǎn)速設(shè)定為200 r/min，試驗(yàn)時(shí)間為1 h的試驗(yàn)條件下(下同)，對(duì)不同超聲振幅(0，5，10，15，20 μm)分別進(jìn)行試驗(yàn)，得到超聲振幅與滾子材料去除率和表面粗糙度的關(guān)系曲線如圖3所示。

圖3 超聲振幅對(duì)滾子材料去除率和表面粗糙度的影響

由圖3a可知，與超聲振幅為0(即無超聲作用)時(shí)的材料去除率相比，超聲振動(dòng)對(duì)提高材料去除率有一定作用，且材料去除率隨超聲振幅的增大而增加，但整體提高程度不大。這是因?yàn)槌暡⊕伖馐峭ㄟ^高頻振動(dòng)的拋光工具頭不斷撞擊拋光液中的拋光磨粒，使磨粒以很高的速度撞擊、拋磨滾子表面，從而使材料得以去除。隨著超聲振幅的提高，拋光工具頭的振動(dòng)幅度和拋光區(qū)域內(nèi)的超聲振動(dòng)壓力隨之增大，撞擊拋磨滾子表面的拋光磨料將具有更大的能量。但超聲振動(dòng)壓力的提高對(duì)拋光過程總拋光壓力的增大并不明顯，對(duì)材料去除率的影響較小。

由圖3b可知，隨著超聲振幅逐漸增大，滾子表面粗糙度Ra值呈現(xiàn)輕微的上下浮動(dòng)狀態(tài)。這是由于隨超聲振幅的增大，拋光工具頭的振動(dòng)幅度和拋光區(qū)域內(nèi)的超聲振動(dòng)壓力隨之增大，拋光磨粒的運(yùn)動(dòng)軌跡變得更加復(fù)雜，對(duì)滾子表面粗糙度的影響并不確定，可以認(rèn)為超聲振幅的變化對(duì)滾子表面粗糙度Ra值影響不顯著。

3.1.2 滾子與拋光主軸之間間隙

相同試驗(yàn)條件下，陶瓷滾子與主軸之間不同間隙(0.1，0.2，0.3，0.4 mm)時(shí)，試驗(yàn)得到的滾子材料去除率和表面粗糙度曲線如圖4所示。

圖4 滾子與拋光主軸之間間隙對(duì)滾子材料去除率和表面粗糙度的影響

由圖4a可知，滾子與主軸之間間隙對(duì)拋光材料去除率影響十分顯著，隨著間隙的增大，材料去除率快速下降，并趨于平穩(wěn)。這是因?yàn)?，隨著滾子與主軸之間間隙增大，超聲波能量衰減，沖擊滾子表面的拋光磨料的速度和頻率減?。煌瑫r(shí)，拋光區(qū)域內(nèi)磁場(chǎng)強(qiáng)度和流體動(dòng)壓力降低，致使材料去除率下降。

由圖4b可知，滾子與主軸之間間隙對(duì)滾子表面粗糙度的影響較大。間隙較小時(shí)，拋光區(qū)域內(nèi)的磁場(chǎng)壓力和流體動(dòng)壓力較大，造成流經(jīng)拋光區(qū)域的磁流變拋光液具有很大的剪切屈服應(yīng)力，當(dāng)拋光磨粒與滾子表面接觸時(shí)，會(huì)在滾子表面留下較深的切削痕和劃痕；其次，拋光區(qū)域內(nèi)超聲壓力增大，使撞擊滾子表面的拋光磨粒具有更大的沖擊能量，對(duì)滾子表面的破碎作用增強(qiáng)，使表面質(zhì)量有所下降。隨著間隙的增大，拋光區(qū)域內(nèi)的壓力逐漸減小，拋光磨料對(duì)滾子表面的切削、刮擦、沖擊作用不斷減弱，雖然材料去除率降低，但表面質(zhì)量得到了提高。

3.1.3 磨料

相同試驗(yàn)條件下，當(dāng)滾子與拋光主軸之間間隙為0.2 mm時(shí)，分別采用拋光磨料為氧化鋁、氧化鈰、金剛石微粉的水基磁流變液進(jìn)行試驗(yàn)，得到不同磨料對(duì)滾子材料去除率和表面粗糙度的影響如圖5所示。

圖5 不同拋光磨料對(duì)滾子材料去除率和表面粗糙度的影響

由圖可知，磨料為金剛石微粉的磁流變液拋光材料去除率最高，而滾子表面質(zhì)量最差。這是因?yàn)槟チ嫌捕仍礁邟伖獠牧先コ试礁?相應(yīng)的沖擊和拋磨滾子表面時(shí)，對(duì)滾子表面的破碎強(qiáng)度和切削深度越大，在滾子表面留下難以去除的劃痕和深坑，導(dǎo)致滾子表面質(zhì)量下降。

3.1.4 主軸轉(zhuǎn)速

其他試驗(yàn)條件不變，當(dāng)滾子與拋光主軸之間間隙為0.2 mm時(shí)，不同主軸轉(zhuǎn)速(100，200，300，400 r/min)下，主軸轉(zhuǎn)速對(duì)滾子材料去除率和表面粗糙度的影響如圖6所示。

圖6 拋光主軸轉(zhuǎn)速對(duì)滾子材料去除率和表面粗糙度的影響

由圖6a可知，主軸轉(zhuǎn)速與材料去除率近似呈正比關(guān)系。這是因?yàn)樘岣咧鬏S轉(zhuǎn)速，使拋光區(qū)域內(nèi)磁流變拋光液剪切力增強(qiáng)，對(duì)滾子表面產(chǎn)生更強(qiáng)的沖擊拋磨作用；拋光區(qū)域內(nèi)的流體動(dòng)壓力增強(qiáng)，在高壓作用下，拋光磨粒對(duì)滾子表面的沖擊拋磨作用和滾子所參與的一系列化學(xué)反應(yīng)均會(huì)加強(qiáng)；單位時(shí)間內(nèi)拋磨和沖擊滾子表面的拋光磨粒數(shù)量增加，從而使拋光材料去除率提高。

由圖6b可知，隨著拋光主軸轉(zhuǎn)速的提高，滾子表面粗糙度Ra值逐漸減小，表面質(zhì)量不斷提高。這是因?yàn)殡S著拋光主軸轉(zhuǎn)速提高，單位時(shí)間內(nèi)拋磨滾子表面的拋光磨粒數(shù)量增加，滾子表面得到更高頻、更廣泛的拋光，因此表面質(zhì)量不斷提高。

3.2 拋光后陶瓷滾子的三維形貌分析

拋光試驗(yàn)前、后采用μsurf explorer型光學(xué)輪廓儀測(cè)量的陶瓷滾子表面形貌如圖7所示。由圖可知，在最佳工藝參數(shù)，即滾子與拋光主軸之間間隙為0.3 mm，拋光磨料為氧化鈰，拋光主軸轉(zhuǎn)速為400 r/min，超聲振幅為15 μm，拋光時(shí)間為1 h的試驗(yàn)條件下，滾子表面質(zhì)量明顯改善。拋光后陶瓷滾子表面粗糙度Ra為0.03 μm，拋光材料去除率為0.04 mg/min。表明在優(yōu)化的工藝參數(shù)下，磁流變復(fù)合拋光能夠在保持滾子較高材料去除率的同時(shí)獲得較好的表面質(zhì)量。

圖7 陶瓷滾子拋光試驗(yàn)前、后表面形貌

4 結(jié)論

1)材料去除過程是磁流變拋光的剪切作用、

超聲波拋光的沖擊作用以及拋光過程中一系列化學(xué)反應(yīng)綜合作用的結(jié)果，其中磁流變拋光起主要作用，3種方法同時(shí)作用時(shí)效果增強(qiáng)。

2)試驗(yàn)得出氮化硅陶瓷滾子磁流變、化學(xué)與超聲復(fù)合拋光工藝的最佳工藝參數(shù)為：滾子與拋光主軸之間間隙為0.3 mm、拋光磨料為氧化鈰、拋光主軸轉(zhuǎn)速為400 r/min、超聲振幅為15 μm、拋光時(shí)間為1 h。在優(yōu)化工藝參數(shù)條件下，滾子表面粗糙度Ra由0.3 μm減小至0.03 μm。