氮化硅陶瓷球高效研磨加工工藝試驗(yàn)

孔永剛，于琦，萬磊

(1.洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039；2.河南省高性能軸承技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽471039；3.滾動(dòng)軸承產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟，河南 洛陽 471039)

氮化硅陶瓷球具有低密度、高硬度、高剛度、耐磨損、低熱膨脹系數(shù)等優(yōu)良的綜合性能，在高速高精度軸承中廣泛使用。氮化硅陶瓷球的加工技術(shù)是關(guān)鍵，其毛坯目前主要采用粉末冶金的方法經(jīng)燒結(jié)而成，由于存在一定的尺寸差，相應(yīng)加大了陶瓷球的加工量，為了降低陶瓷球軸承的成本，必須提高陶瓷球加工的效率和質(zhì)量。

1 陶瓷球加工原理

1.1 研磨成球的基本條件

陶瓷球研磨受工裝、研磨液、研磨料、加工工藝等因素影響，加工過程復(fù)雜、時(shí)間較長，研磨原理主要有2點(diǎn)：

1)研磨均勻性。每粒被加工球表面都有相同的研磨加工概率。

2)研磨尺寸選擇性。研磨加工過程中，磨削批次中較大尺寸的球，不磨或少磨較小尺寸的球；同一球研磨較大尺寸方向，不磨或少磨較小尺寸方向[1-2]。

1.2 研磨成球機(jī)理

球坯在溝道內(nèi)隨研磨盤滾動(dòng)，同時(shí)由于溝道內(nèi)外存在的速度差使球坯自旋，球表面與盤的接觸表面產(chǎn)生相對滑動(dòng)和滾動(dòng)。由于接觸表面各點(diǎn)的壓力及轉(zhuǎn)速不同，球坯、研磨盤和研磨液三者之間存在相互作用。通過磨料磨粒去除材料、減小尺寸；通過球的滾動(dòng)、旋轉(zhuǎn)加工球面；通過調(diào)整磨料粒度及濃度提高球的圓度、降低表面粗糙度[3]。陶瓷球加工效率及表面質(zhì)量主要受磨料粒度、磨料濃度及加工工藝的影響。

2 陶瓷球加工現(xiàn)狀

2.1 V形槽研磨方法

V形槽研磨方法是陶瓷球研磨加工中普遍采用的一種方法，研磨過程使用碳化硅、碳化硼、氧化鋁、金剛石等磨料。將陶瓷球毛坯放入鑄鐵盤溝槽內(nèi)，球坯與上、下研磨盤呈三點(diǎn)接觸，通過上研磨盤施加壓力，下研磨盤轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)球坯在溝槽內(nèi)滾動(dòng)，同時(shí)由于溝道內(nèi)外轉(zhuǎn)速差球坯還存在自旋運(yùn)動(dòng)，通過溝道內(nèi)球坯、研磨盤以及磨料之間的相互作用，減小球坯直徑、降低球形誤差、改善表面粗糙度，實(shí)現(xiàn)陶瓷球的研磨加工。該加工方法可實(shí)現(xiàn)陶瓷球的穩(wěn)定批量生產(chǎn)，能夠簡便有效地控制研磨加工質(zhì)量，但存在加工效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、易出現(xiàn)加工缺陷等缺點(diǎn)[4]。

2.2 自旋回轉(zhuǎn)角控制研磨法

自旋回轉(zhuǎn)角控制研磨法主要是改進(jìn)傳統(tǒng)V形槽磨盤的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和裝置，使V形槽2個(gè)槽面的轉(zhuǎn)速可控，通過調(diào)整2個(gè)槽面的轉(zhuǎn)速，增大陶瓷球自旋回轉(zhuǎn)角，提高陶瓷球的加工效率。該方法所用機(jī)床的設(shè)計(jì)制造較復(fù)雜，不易實(shí)現(xiàn)陶瓷球的批量加工，但能明顯提高陶瓷球的加工效率，適用于大規(guī)格小批量陶瓷球的加工[4]。

2.3 錐形研磨方法[4]

錐形研磨法基本原理與自旋回轉(zhuǎn)角控制研磨法相似。陶瓷球在研磨過程中具有較大的自旋角(達(dá)到47°)，陶瓷球充分自旋，增大了陶瓷球的回轉(zhuǎn)滑動(dòng)，從而使陶瓷球的加工效率大幅提高。

該方法能夠大幅提高陶瓷球加工效率縮短加工時(shí)間，使用加工機(jī)床結(jié)構(gòu)簡單、易于制造，但僅適合小批量加工，在大規(guī)格小批量陶瓷球加工中有優(yōu)勢[4]。

3 高效粗磨加工試驗(yàn)

陶瓷球加工包括粗磨、精磨、初研、精研等工序，其中粗磨加工去除陶瓷球留量的95%，要求具有較高的加工效率，因此，對陶瓷球粗磨加工進(jìn)行工藝試驗(yàn)。

3.1 試驗(yàn)條件

試驗(yàn)采用直徑800 mm、120#金剛石砂輪作為下研磨盤(砂輪為平面)；上研磨盤采用鑄鐵材料，為防止毛坯球跑出加工區(qū)域，根據(jù)進(jìn)球口寬度加工凹槽，槽深根據(jù)待加工毛坯球尺寸確定，采用冷卻水泵自動(dòng)添加磨液。以φ4.762 5 mm氣壓燒結(jié)氮化硅陶瓷球?yàn)槔髑虺叽鐬?.3～5.5 mm，硬度不小于1 580 HV10，壓碎載荷比不小于35%，試驗(yàn)球數(shù)為20 000粒。

3.2 試驗(yàn)過程

加工前先對金剛石砂輪進(jìn)行調(diào)整，保證砂輪軸向、徑向跳動(dòng)小于0.1 mm，在砂輪上平鋪少量毛坯球，將上研磨盤壓到毛坯球上，剩余毛坯球倒入進(jìn)球口，調(diào)整研磨壓力至合適狀態(tài)，開啟冷卻泵，逐步調(diào)整轉(zhuǎn)速至50～100 r/min。試驗(yàn)加工過程中每2 h對陶瓷球尺寸、直徑變動(dòng)量、批直徑變動(dòng)量及外觀進(jìn)行檢查并記錄結(jié)果。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果及對比分析

經(jīng)過約30 h，粗磨加工完成，隨機(jī)抽取100粒球進(jìn)行檢查。采用金剛石砂輪與傳統(tǒng)V形槽研磨加工陶瓷球的數(shù)據(jù)對比見表1。

表1 金剛石砂輪盤與V形槽砂輪盤研磨陶瓷球的數(shù)據(jù)對比

由表可知，采用金剛石砂輪進(jìn)行粗磨加工后，對試驗(yàn)球分選未發(fā)現(xiàn)頂窩、環(huán)帶、碎球等缺陷，加工尺寸均勻，較V形槽砂輪可提高加工效率約4倍，加工過程中不需要添加磨料磨液，不需更換研磨盤，人工勞動(dòng)強(qiáng)度降低。但各項(xiàng)精度指標(biāo)較V

形槽研磨法要差，這是因?yàn)榻饎偸拜喖庸閮牲c(diǎn)接觸，而V形槽研磨法加工過程為三點(diǎn)接觸，陶瓷球自旋性能更好，尺寸精度也更好。

4 結(jié)束語

使用金剛石砂輪進(jìn)行陶瓷球粗磨加工的工藝試驗(yàn)表明，該加工方法相比傳統(tǒng)的V形槽研磨法能夠大幅縮短該工序加工時(shí)間，提高加工效率，降低人工勞動(dòng)強(qiáng)度；消除了傳統(tǒng)方法中容易存在的頂窩、環(huán)帶、碎球等缺陷；但由于粗磨后陶瓷球直徑變動(dòng)量、批直徑變動(dòng)量及球形誤差較大，為保證產(chǎn)品后續(xù)加工，應(yīng)適當(dāng)加大工序留量。