軸承圓柱滾子外圓精密拋光工藝研究*

蘇 佳，張 森，袁巨龍，呂冰海

(浙江工業(yè)大學(xué) 超精密加工研究中心，浙江 杭州 310014)

0 引 言

軸承是裝備制造業(yè)中重要的零部件[1-2]。軸承中的滾動(dòng)體承受著軸承絕大部分載荷，約60%～70%的軸承失效是由于滾動(dòng)體的損壞所致[3-5]。

圓柱滾子作為軸承的一種滾動(dòng)體，其精度及批一致性對(duì)軸承的性能和壽命起到至關(guān)重要的作用。圓柱滾子軸承中滾動(dòng)體與滾道為線接觸，主要承受徑向負(fù)荷，負(fù)荷能力大，滾動(dòng)體與套圈擋邊摩擦小，適用于高速旋轉(zhuǎn)的工況[6-7]。因此，廣泛用于起重機(jī)、機(jī)車車輛、航空航天、醫(yī)療器械、高速機(jī)床主軸等領(lǐng)域。

圓柱滾子外圓常用的加工方法有無(wú)心外圓磨削和超精研、定心往復(fù)超精研、電化學(xué)機(jī)械復(fù)合光整、磁流體研磨等。目前，國(guó)際先進(jìn)無(wú)心加工技術(shù)可批量加工圓柱滾子外圓，其圓度達(dá)到0.1 μm～0.3 μm[8]。KIM等學(xué)者[9]采用3 μm粒徑的Al2O3磨料對(duì)鈦合金圓柱進(jìn)行了定心往復(fù)超精研加工，工件表面粗糙度Ra達(dá)到0.019 μm；大連理工大學(xué)的徐文冀教授、魏澤飛博士等[10]利用電化學(xué)機(jī)械復(fù)合光整技術(shù)加工圓柱滾子，表面粗糙度Ra從初始的0.087 μm降至0.023 μm，圓度從初始的0.93 μm降至0.39 μm；UMEHARA和KATO[11]利用的磁流體加工裝置超精研陶瓷滾子外圓，圓度從16.65 μm降至4.25 μm，采用3 μm的Cr2O3磨料獲得了最好的表面質(zhì)量，表面粗糙度Ra平均達(dá)到0.029 μm，最大達(dá)到0.091 μm，最小達(dá)到5 nm。

拋光作為工件加工的終極手段，常用于圓柱滾子研磨后的一道工序，以消除研磨加工后留下的表面劃痕，從而獲得高質(zhì)量的鏡面表面。傳統(tǒng)雙平面拋光廣泛應(yīng)用在石英玻璃、硅片、玻璃顯示面板、藍(lán)寶石片、光學(xué)水晶等平面元件的精密加工領(lǐng)域[12-14]?；趥鹘y(tǒng)雙平面加工，浙江工業(yè)大學(xué)的袁巨龍教授團(tuán)隊(duì)[15]提出了一種基于雙平面方式加工圓柱滾子圓柱面的加工方法。

為了進(jìn)一步改善圓柱滾子的外圓表面質(zhì)量，基于雙平面偏心轉(zhuǎn)擺式拋光圓柱滾子的加工方法，本文將進(jìn)行拋光實(shí)驗(yàn)研究。

1 加工原理

圓柱滾子研磨的目的主要是修整圓柱滾子的幾何精度和尺寸精度，拋光的目的是進(jìn)一步改善圓柱滾子工件的表面質(zhì)量。

基于雙平面偏心轉(zhuǎn)擺式拋光圓柱滾子的加工機(jī)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 偏心式圓柱滾子加工機(jī)構(gòu)示意圖

加工機(jī)構(gòu)主要包括:上研磨盤、下研磨盤、偏心輪、保持架、齒圈。上研磨盤和下研磨盤同軸放置；偏心輪幾何中心與主軸中心存在偏心距；保持架中心與偏心輪幾何中心同軸；保持架外圓有齒，與外齒圈嚙合。上、下研磨盤、偏心輪、齒圈，分別由不同電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)。

為實(shí)現(xiàn)化學(xué)機(jī)械拋光中“軟磨硬”原理，拋光前，雙平面研磨機(jī)的上研磨盤和下研磨盤必須貼上聚氨酯拋光墊。圓柱滾子放置于保持架上均勻分布的八角形槽孔里，加工載荷通過(guò)上研磨盤施加。拋光過(guò)程中，圓柱滾子在保持架、上研磨盤和下研磨盤的協(xié)同作用下做持續(xù)的做自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)圓柱滾子在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中與上研磨盤、下研磨盤發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，作復(fù)雜空間運(yùn)動(dòng)。

拋光液通過(guò)上盤的空隙輸送到圓柱滾子工件與上、下研磨盤接觸區(qū)域，拋光液中雙氧水和氨基乙酸與工件柱面表面的金屬材料會(huì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成強(qiáng)度較基體材料小的反應(yīng)層。與此同時(shí)，拋光液中的納米磨粒通過(guò)機(jī)械切削作用直接去除上述反應(yīng)層。在化學(xué)反應(yīng)和相對(duì)運(yùn)動(dòng)下產(chǎn)生機(jī)械力的交替作用下，工件柱面質(zhì)量逐漸得到改善。

2 實(shí)驗(yàn)方案

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

本實(shí)驗(yàn)所用拋光加工裝置是自主研制的雙平面研磨拋光機(jī)，如圖2所示。

圖2 雙平面研磨拋光機(jī)

實(shí)驗(yàn)所用上、下研磨盤的基盤材料采用不銹鋼304；拋光墊為美國(guó)陶氏化學(xué)IC1010/Suba-IV，且拋光墊上帶有K型溝槽。

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本文拋光實(shí)驗(yàn)分為粗拋和精拋兩步驟，實(shí)驗(yàn)所用工件為Ф20×30的GCr15圓柱滾子，工件初始表面粗糙度為0.067±0.007 μm，初始圓度為0.48±0.28 μm。實(shí)驗(yàn)每組每次加工10個(gè)工件，粗、精拋加工時(shí)間各為10 min，依據(jù)參考文獻(xiàn)[13]選取一組轉(zhuǎn)速組合，即上研磨盤轉(zhuǎn)速為-76 r/min，下研磨盤轉(zhuǎn)速為84 r/min，偏心輪轉(zhuǎn)速為80 r/min，外齒圈轉(zhuǎn)速48 r/min。

拋光實(shí)驗(yàn)加工參數(shù)如表1所示。

表1 拋光實(shí)驗(yàn)加工參數(shù)

以表面粗糙度、圓度為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。表面粗糙度測(cè)量采用日本Mitutoyo的SJ-410型粗糙度儀(精度為0.1 nm，取樣長(zhǎng)度為4 mm)，圓度采用德國(guó)MMQ400型圓度儀測(cè)量，采用金相顯微鏡觀測(cè)拋光前后工件表面形貌，用洛氏硬度計(jì)測(cè)量加工后圓柱滾子的表面硬度。

本研究中化學(xué)機(jī)械拋光液中粗拋和精拋配制方法不同，粗拋中硅溶膠的配比濃度相對(duì)較高，雙氧水的配比相對(duì)較低；精拋階段加強(qiáng)了化學(xué)保護(hù)作用，添加緩蝕劑苯并三氮唑保護(hù)工件表面不被化學(xué)試劑腐蝕溶解，雙氧水配比適當(dāng)提高保證化學(xué)反應(yīng)的順利進(jìn)行[16-17]。

對(duì)應(yīng)的拋光液成分如表2所示。

表2 軸承鋼化學(xué)機(jī)械拋光液組分配比表

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析和討論

3.1 表面粗糙度

不同加工階段的表面粗糙度如圖3所示。

圖3 不同加工階段的表面粗糙度

在經(jīng)過(guò)粗拋階段，圓柱滾子批平均表面粗糙度下降速度較快，工件初始批平均表面粗糙度由0.067 μm降低為0.032 μm，偏差由0.014 μm降為0.012 μm，改變較小。通過(guò)精拋加工，批平均表面粗糙度進(jìn)一步降低，達(dá)到0.011 μm，偏差為0.008 μm。單個(gè)圓柱滾子拋光后表面粗糙度最小可達(dá)到7 nm。

圓柱滾子拋光前后表面質(zhì)量對(duì)比如圖4所示。

圖4 拋光后滾子宏觀形貌

相比于初始時(shí)工件，拋光過(guò)后的圓柱滾子外圓表面無(wú)明顯劃痕和缺陷，達(dá)到了鏡面效果，能清晰看到“浙江工業(yè)大學(xué)”字樣的倒影。

不同加工階段圓柱滾子表面微觀形貌如圖5所示。

圖5 不同加工階段圓柱滾子表面微觀形貌(×200)

由圖5可以看出：

在拋光之前，圓柱滾子表面布滿劃痕，且有小坑等缺陷；

經(jīng)過(guò)拋光之后，工件表面形貌改善顯著，粗拋階段，圓柱滾子表面的深、長(zhǎng)的劃痕逐漸被去除掉，拋光后的劃痕呈現(xiàn)單向性，表面粗糙度改善最大。

精拋之后，工件表面更加光整，該階段，表面粗糙度雖改變較小，但可以獲得更光滑、缺陷更少、表面質(zhì)量更好的效果。

結(jié)合參考文獻(xiàn)[15]中仿真結(jié)果分析，在相同條件下，偏心式相對(duì)于行星式，滾子圓柱面加工軌跡均勻性比較好，能獲得更好的表面質(zhì)量。

不同加工階段圓柱滾子表面硬度如圖6所示。

圖6 不同加工階段的表面硬度

粗拋加工后，圓柱滾子表面硬度由初始的HRC63±2變?yōu)镠RC58±3。經(jīng)過(guò)精拋后，圓柱滾子表面硬度變?yōu)镠RC61±1。在PH為4的環(huán)境下，粗拋階段加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.015%H2O2拋光液能夠使新的軸承鋼表面氧化，在圓柱滾子表面迅速形成有氣孔的氧化鐵層，微弱強(qiáng)度吸附在基體上，表面硬度降低，這時(shí)工件的氧化層只能承受相對(duì)較低的機(jī)械力。氨基乙酸能夠通過(guò)螯合鐵離子強(qiáng)化化學(xué)溶解，從而弱化氧化層機(jī)械力。氧化層在IC1010/Suba IV拋光墊上被硅溶膠磨料磨損去除，并隨廢棄拋光液排出。底層表面會(huì)露出，并且將發(fā)生上述化學(xué)反應(yīng)和機(jī)械磨損。在精拋階段，拋光液中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.0 wt% H2O2能夠加速氧化。工件表面逐漸形成緊湊的氧化層，此時(shí)氧化層有高的機(jī)械強(qiáng)度。

另外，拋光液中氨基乙酸不能及時(shí)溶解氧化鐵，與此同時(shí)，BTA能夠與鐵離子反應(yīng)生成Fe-BTA鈍化膜以防止過(guò)度的機(jī)械磨損，使得圓柱滾子表面質(zhì)量進(jìn)一步改善，表面硬度提升。

3.2 圓度

不同加工階段的圓度如圖7所示。

圖7 不同加工階段的圓度

由圖7可知：

工件初始批圓度平均水平為0.48 μm，偏差在0.28 μm。經(jīng)過(guò)10 min粗拋加工后，批圓度平均水平降至0.34μm，偏差降至0.17 μm。通過(guò)10 min精拋加工，批圓度平均水平略有下降，降至0.31 um，偏差降為0.15 μm，偏差變化不大。說(shuō)明圓柱滾子拋光階段對(duì)于圓柱滾子圓度改善不大，但有一定改善效果。

結(jié)合參考文獻(xiàn)[15]中仿真結(jié)果分析可知：在相同條件下，偏心式相對(duì)于行星式，圓截面的加工軌跡均勻性比較好，但差距不大；經(jīng)過(guò)上述步驟加工，單個(gè)工件圓度最小可達(dá)0.284 μm。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于雙平面偏心轉(zhuǎn)擺式的加工方式，本文對(duì)圓柱滾子進(jìn)行了化學(xué)機(jī)械拋光實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明：

(1)經(jīng)過(guò)粗、精拋后，圓柱滾子的表面形貌改善顯著，表面加工質(zhì)量可以達(dá)到鏡面級(jí)別，圓柱滾子初始表面粗糙度由0.067 μm±0.007 μm降低為0.011±0.004 μm，單個(gè)圓柱滾子拋光后表面粗糙度最小可達(dá)到7 nm，圓柱滾子的表面粗糙度降低極大，圓柱滾子的表面質(zhì)量得到了很大提高；

(2)圓柱滾子圓度由初始0.48±0.14 μm降至0.31±0.075 um，單個(gè)工件圓度最小可達(dá)0.284 μm，在拋光過(guò)程中，圓柱滾子圓度平均水平有0.17 μm，偏差有0.13 μm的改善，工件形狀精度得到提高。