碳化硼材料動(dòng)壓氣浮軸承零件精密加工

邵荔寧，劉 彪，孫保和，翁長(zhǎng)志，周景春，何亞飛

（中國(guó)航天科技集團(tuán)第十六研究所，西安710100）

0 引言

碳化硼（B4C）是僅次于金剛石和立方氮化硼的超硬材料，尤其是近于恒定的高溫硬度（＞30GPa）是其他材料無(wú)可比擬的。由于碳化硼具有超高硬度、高耐磨性、高熔點(diǎn)、高模量、低膨脹系數(shù)、自潤(rùn)性好、耐腐蝕性強(qiáng)、質(zhì)量小等特點(diǎn)，采用碳化硼材料的軸承零件不需要再涂覆其他硬質(zhì)涂層，這使得碳化硼成為動(dòng)壓氣浮軸承零件的理想材料。

動(dòng)壓氣浮軸承陀螺電機(jī)是二浮陀螺和三浮陀螺的核心元件，而動(dòng)壓氣浮軸承又是動(dòng)壓電機(jī)的關(guān)鍵部件，動(dòng)壓氣浮軸承具有長(zhǎng)壽命、高精度、高穩(wěn)定性的優(yōu)點(diǎn)。動(dòng)壓陀螺電機(jī)工作轉(zhuǎn)速為30000r／min，動(dòng)壓氣浮軸承氣膜間隙僅0.002mm左右，在如此微小的間隙下要實(shí)現(xiàn)軸承非接觸、高速、長(zhǎng)時(shí)間可靠運(yùn)轉(zhuǎn)，需要保證動(dòng)壓氣浮軸承達(dá)到要求的軸向、徑向氣膜剛度，軸承零件就必須控制在亞微米級(jí)的尺寸和形位精度（同軸度、平面度、圓柱度、垂直度等）以及Ra0.012μm的表面粗糙度。

某H型氣浮軸承陀螺電機(jī)結(jié)構(gòu)如圖1所示，其軸承零件的轉(zhuǎn)子體、軸套采用碳化硼材料，如圖2、圖3所示。由于這兩個(gè)軸承零件的尺寸和形位精度在亞微米級(jí)，且碳化硼材料具有超高硬度和斷裂韌性值低的特點(diǎn)，無(wú)法采用車削、銑削等切削加工方法進(jìn)行加工。故采用磨削方法進(jìn)行粗加工和半精加工，采用研磨方法進(jìn)行精密超精密加工，以達(dá)到最終的尺寸精度、形位精度及表面粗糙度要求。由于材料制備工藝特點(diǎn)使得碳化硼軸承零件毛坯的加工余量在3mm左右，為避免加工產(chǎn)生裂紋崩渣，磨削加工必須控制切削用量，故造成加工效率低，也未能充分發(fā)揮磨削作為陶瓷材料精密加工的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。而且，由于零件磨削加工的精度不高，也使得最終精密研磨的加工余量過(guò)大，造成軸承零件研磨加工效率和合格率低，制約了碳化硼動(dòng)壓氣浮軸承零件的研制與批生產(chǎn)加工。

圖1 某動(dòng)壓氣浮軸承陀螺電機(jī)示意圖Fig.1 Schematic diagram of a gyroscope motor with a dynamic pneumatic floating bearing

圖2 動(dòng)壓氣浮軸承零件轉(zhuǎn)子體Fig.2 Rotor body of dynamic pneumatic floating bearing parts

圖3 動(dòng)壓氣浮軸承零件軸套Fig.3 Bearing sleeve for dynamic pneumatic floating bearing parts

因此，在粗加工和半精加工中通過(guò)采用電火花加工或超聲加工，以求高效率去除碳化硼軸承零件80%以上的加工余量。通過(guò)對(duì)精密磨削加工和研磨加工的工藝研究與技術(shù)改進(jìn)，提高軸承零件的最終加工精度、表面質(zhì)量、加工合格率和加工效率，滿足動(dòng)壓電機(jī)研制的工程化需求。

1 精密磨削加工

碳化硼軸承零件毛坯首先采用電火花加工，已經(jīng)去除了零件80%左右的加工余量，故碳化硼材料軸承零件的磨削加工是以精密磨削為主，主要通過(guò)對(duì)磨削定位方法、磨削夾具、磨削參數(shù)、金剛石砂輪種類和金剛石砂輪在位修整方法的研究和加工試驗(yàn)，提高零件磨削加工的尺寸精度、形位精度、表面粗糙度及加工效率，使碳化硼軸承零件精密磨削加工形位精度（圓柱度、垂直度）由0.005mm減小至0.001mm，表面粗糙度由 Ra0.4μm減小至Ra0.1μm，為零件超精密研磨奠定良好基礎(chǔ)。

1.1 金剛石砂輪選用

碳化硼的硬度很高，其與高硬度材料的硬度對(duì)比如表1所示。由表1可知，只有金剛石砂輪和立方氮化硼砂輪可以進(jìn)行碳化硼的精密磨削，砂輪的選用是影響零件加工精度和表面粗糙度的重要因素。

表1 常見(jiàn)高硬度材料維氏硬度值Table 1 Vickers hardness values of common high hardness materials

通過(guò)對(duì)軸套和碳化硼轉(zhuǎn)子體零件外圓、內(nèi)孔和端面精密磨削所適用的金剛石砂輪的結(jié)構(gòu)形式和結(jié)合劑類型、磨料種類和粒度等進(jìn)行分析與論證，設(shè)計(jì)制作了系列專用樹(shù)脂結(jié)合劑金剛石砂輪，如圖4所示。砂輪磨料粒度分別為200～230＃＆270～325＃（粗磨）、 W63＆ W50（精磨）， 磨料濃度在 50%～75%。為提高內(nèi)圓磨砂輪剛性，其內(nèi)磨砂輪桿采用硬質(zhì)合金材料，以保證其較大的剛性；外磨砂輪盤采用鋁合金材料并精密車削加工和精密平衡，以保證磨削時(shí)砂輪具有較高的回轉(zhuǎn)精度和平穩(wěn)性。

圖4 用于碳化硼軸承零件精密磨削的樹(shù)脂基超硬砂輪Fig.4 Resin base superhard grinding wheel for precision grinding of Boron carbide bearing parts

1.2 轉(zhuǎn)子體精密磨削夾具

碳化硼動(dòng)壓氣浮軸承轉(zhuǎn)子體的內(nèi)孔和兩端面是軸承的工作面，其尺寸和形位精度直接影響軸承的性能。轉(zhuǎn)子體原磨削工藝方法是用壓胎以外圓和端面定位磨削內(nèi)孔，然后采用彈性?shī)A頭裝卡轉(zhuǎn)子體外圓磨削加工兩端面。這種磨削方法定位精度差、加工效率低，由于內(nèi)孔和端面無(wú)法在一次裝夾中進(jìn)行加工，所以難以保證兩個(gè)端面對(duì)內(nèi)孔的垂直度達(dá)到較高精度。

針對(duì)原有加工方法存在的問(wèn)題，結(jié)合轉(zhuǎn)子體的結(jié)構(gòu)和加工所用瑞士STUDER S21磨床的精度、性能特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了專用高精度磨削夾具。該磨削夾具由定位座、定位環(huán)、定位銷和螺紋壓環(huán)組成，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。定位環(huán)選用耐磨性好的GCr15軸承鋼，淬火硬度為HRC60～HRC65，定位環(huán)內(nèi)孔與轉(zhuǎn)子體外圓配加工，其配合過(guò)盈量為3μm～5μm。采用熱裝法將碳化硼轉(zhuǎn)子體與定位環(huán)進(jìn)行組合（加工時(shí)）與分解（加工后），轉(zhuǎn)子體與定位環(huán)組合后，再將定位座裝夾在磨床上。采用磨削方法將定位座內(nèi)孔與定位環(huán)外圓進(jìn)行配磨，采用磨削或找正定位座內(nèi)孔的辦法保證其內(nèi)孔跳動(dòng)精度與磨床主軸精度基本一致，從而提高碳化硼轉(zhuǎn)子體的定位精度和加工精度。最后，將碳化硼轉(zhuǎn)子體組件安裝在定位座內(nèi)孔并用螺帽壓緊，即可進(jìn)行碳化硼轉(zhuǎn)子體內(nèi)孔和兩個(gè)端面的精密磨削加工，其實(shí)物磨削狀態(tài)如圖6、圖7所示，磨削加工示意圖如圖8、圖9所示。采用這種夾具和磨削方法，可保證所加工的轉(zhuǎn)子體兩端面對(duì)內(nèi)孔的垂直度達(dá)到0.001mm以內(nèi)。

圖6 轉(zhuǎn)子體內(nèi)孔精密磨削Fig.6 Precision grinding of inner holes in rotor body

圖7 轉(zhuǎn)子體端面精密磨削Fig.7 Precision grinding of rotor body end face

圖8 轉(zhuǎn)子體內(nèi)孔磨削加工方法示意圖Fig.8 Schematic diagram of grinding method for inner hole of rotor body

圖9 轉(zhuǎn)子體端面磨削加工方法示意圖Fig.9 Schematic diagram of grinding method for end face of rotor body

1.3 金剛石砂輪在位修整

碳化硼軸承零件的精密磨削主要采用樹(shù)脂基金剛石砂輪，金剛石砂輪修整對(duì)零件的磨削加工精度和質(zhì)量有較大影響，不僅影響到砂輪形貌及磨刃的銳利程度，而且也影響著砂輪的磨損、磨削力、磨削溫度及被磨零件的表面完整性和加工精度。通過(guò)對(duì)金剛石砂輪修銳方法如剛玉塊切入修銳法、磨削修銳法、電解修銳法、碳化硅修整輪修銳法和超聲振動(dòng)修銳法等的分析，結(jié)合零件磨削所用磨床的具體情況和可行性，決定采用碳化硅修整輪修銳法。

修整金剛石砂輪采用在定位環(huán)內(nèi)孔粘結(jié)金剛石修整砂輪的方法，組成內(nèi)圓磨金剛石修整砂輪組件，如圖10和圖11所示。然后，將金剛石修整砂輪組件安裝在定位座的內(nèi)孔即可進(jìn)行內(nèi)圓磨和端面磨金剛石砂輪的修整，如圖12所示。砂輪修整后，可以方便換上碳化硼轉(zhuǎn)子體組件進(jìn)行碳化硼轉(zhuǎn)子體內(nèi)孔和端面的磨削加工。內(nèi)圓磨金剛石砂輪和端面磨金剛石砂輪的修整加工示意如圖13、圖14所示。通過(guò)碳化硅砂輪與磨削夾具的組合，實(shí)現(xiàn)了修整砂輪組件與碳化硼軸承組件在零件磨削加工過(guò)程中的互換，解決了碳化硼軸承零件磨削時(shí)金剛石砂輪的在位修整問(wèn)題，有助于提高碳化硼軸承零件的精密磨削加工精度和效率。

圖10 轉(zhuǎn)子體定位環(huán)組件Fig.10 Assembly of rotor body locating ring

圖11 碳化硅砂輪定位環(huán)組件Fig.11 Locating ring assembly of Silicon carbide grinding wheel

圖12 更換為砂輪定位環(huán)的磨削夾具Fig.12 Grinding fixture replaced by locating ring of grinding wheel

圖13 修整金剛石內(nèi)磨砂輪外圓面示意圖Fig.13 Schematic diagram of dressing diamond inner grinding wheel outer surface

圖14 修整金剛石砂輪端面示意圖Fig.14 Schematic diagram of dressing diamond grinding wheel end face

修整金剛石砂輪采用樹(shù)脂或陶瓷結(jié)合劑碳化硅砂輪，其磨料粒度較被修整金剛石砂輪的粒度粗2級(jí)左右，修整時(shí)碳化硅砂輪轉(zhuǎn)速為50r／min～100r／min，金剛石砂輪的轉(zhuǎn)速為18m／s～25m／s。砂輪的修整用量有修整導(dǎo)程、修整深度、修整次數(shù)和光修次數(shù)，修整導(dǎo)程為10mm／min～15mm／min。修整時(shí)分為粗修與精修，精修為2～3次單行程，修整深度粗修為每單行程0.02mm～0.04mm；精修為每單行程0.0025mm～0.005mm。最后進(jìn)行光修（為無(wú)修整深度的走刀）為1次單行程，主要是為了去除砂輪表面?zhèn)€別突出的微刃，使砂輪表面更加平整，砂輪修整過(guò)程中采用冷卻液進(jìn)行充分冷卻。

通過(guò)采用這種樹(shù)脂金剛石砂輪的在位修整方法，使得碳化硼軸承零件精密磨削的內(nèi)孔圓柱度達(dá)到0.8μm，表面粗糙度達(dá)到Ra0.1μm。

2 超精密研磨加工

動(dòng)壓氣浮軸承零件即軸套和轉(zhuǎn)子體的軸承工作面要求具有亞微米級(jí)的尺寸和形位精度以及極高的表面粗糙度要求，研磨是使用研具和游離磨料對(duì)工件進(jìn)行微量加工，通過(guò)研磨實(shí)現(xiàn)和保證動(dòng)壓氣浮軸承零件達(dá)到最終的尺寸和形位精度以及表面粗糙度。

2.1 精密研磨機(jī)的研制

碳化硼軸承零件轉(zhuǎn)子體和軸套的內(nèi)孔和外圓的研磨是在儀表車床上進(jìn)行的手工研磨，工件或研具是采用一夾一頂?shù)难b夾方式，如圖15、圖16所示。由于儀表車床及其定位裝夾方式的精度不高，這對(duì)軸承零件研磨的加工精度和效率造成不利影響。

圖15 研磨軸承外圓和內(nèi)孔的車床Fig.15 Lathe for grinding bearing outer circle and inner hole

圖16 在車床上進(jìn)行軸套外圓的研磨Fig.16 Grinding outer circle of shaft sleeve on lathe

為此經(jīng)過(guò)研究與分析，將裝夾方式改為前后兩頂尖的定位裝夾方式，其精度主要產(chǎn)生于頂尖與研磨芯軸中心孔的精度，可以降低原來(lái)車床主軸跳動(dòng)誤差對(duì)研磨精度和效率的不利影響，能夠確保零件的研磨精度和提高研磨加工的效率。研制的精密研磨機(jī)如圖17所示，采用前后頂尖固定不動(dòng)，芯軸兩端中心孔與兩頂尖保持松緊適當(dāng)?shù)呐浜?，通過(guò)撥叉帶動(dòng)芯軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。這樣通過(guò)研磨芯軸兩端的中心孔，保證其具有很高的圓度（0.1μm）及其與頂尖的配合精度（95%接觸面），以此提高碳化硼轉(zhuǎn)子體和軸套研磨時(shí)的回轉(zhuǎn)精度。采用該研磨機(jī)可以進(jìn)行軸套外圓和轉(zhuǎn)子體內(nèi)孔的精密研磨，如圖18所示。

圖17 研制的圓柱面精密研磨機(jī)Fig.17 Precision grinding machine for cylindrical surface

2.2 研磨參數(shù)的優(yōu)化

圖18 轉(zhuǎn)子體零件內(nèi)孔精密研磨Fig.18 Precision grinding of rotor body parts inner hole

軸承零件內(nèi)外圓的研磨在圓柱面精密研磨機(jī)上進(jìn)行，其主運(yùn)動(dòng)是車床主軸提供的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，輔助運(yùn)動(dòng)是人手持零件沿軸線進(jìn)行的往復(fù)運(yùn)動(dòng)和小幅度扭擺運(yùn)動(dòng)。通過(guò)兩頂尖將研磨棒頂持，通過(guò)壓力調(diào)節(jié)裝置控制頂緊力，并通過(guò)撥套帶動(dòng)研磨棒以適當(dāng)轉(zhuǎn)速作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，手握轉(zhuǎn)子體零件在研磨棒全長(zhǎng)范圍內(nèi)作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，并通過(guò)控制研磨運(yùn)動(dòng)軌跡，實(shí)現(xiàn)被加工面的均勻研磨去量。優(yōu)化研磨加工參數(shù)，按照研磨余量0.02mm～0.03mm細(xì)化了研磨工藝流程，即劃分為粗研、精研、超精研三個(gè)工序。研磨各工序所用的金剛石磨料等相關(guān)參數(shù)如表2所示，既保證了加工精度，又提高了加工效率。

表2 軸承零件研磨工序相關(guān)參數(shù)Table 2 Parameters related to grinding process of bearing parts

2.3 取得的效果

通過(guò)采取研制精密研磨機(jī)和進(jìn)行研磨參數(shù)優(yōu)化等措施，較好地提高了動(dòng)壓氣浮軸承工作面的形位精度，轉(zhuǎn)子體內(nèi)孔的圓柱度平均值由0.29μm減小至0.22μm，軸套外圓的圓柱度由0.28μm減小至0.21μm，如圖19、圖20所示。同時(shí)，通過(guò)上道工序軸承零件磨削加工精度和減小研磨加工余量等措施，使研磨加工效率有較大地提高。

圖19 轉(zhuǎn)子體內(nèi)孔圓柱度數(shù)值統(tǒng)計(jì)圖Fig.19 Numerical statistics of inner hole cylindricity in rotor body

3 結(jié)論

通過(guò)改進(jìn)碳化硼材料動(dòng)壓氣浮軸承的加工工藝流程、研制精密磨削夾具，實(shí)現(xiàn)了在一次定位裝夾中完成轉(zhuǎn)子體內(nèi)孔與端面的精密磨削，解決了原有加工方法重復(fù)裝夾定位精度差、形位精度難以保證的問(wèn)題，提高了軸承零件磨削加工端面對(duì)內(nèi)孔的垂直度精度。通過(guò)定制適用于碳化硼陶瓷精密磨削的金剛石砂輪、優(yōu)化磨削加工參數(shù)、研制金剛石砂輪的修整裝置，解決了金剛石砂輪在線修整的技術(shù)難題，提高了碳化硼軸承磨削精度和表面粗糙度，即可以實(shí)現(xiàn)碳化硼材料軸承零件的亞微米級(jí)精度的精密磨削加工。

通過(guò)研制內(nèi)外圓精密研磨機(jī)和研磨參數(shù)優(yōu)化等措施，解決了在車床上裝夾定位對(duì)研磨精度的不利影響，提高了碳化硼軸承零件的內(nèi)外圓柱面研磨精度、加工合格率和加工效率，為碳化硼軸承零件的批生產(chǎn)加工奠定了基礎(chǔ)。