氮化硅滾子化學(xué)機(jī)械復(fù)合拋光工藝參數(shù)與表面粗糙度的關(guān)系

譚曉媛

(贛南師范大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，江西 贛州 341000)

0 引 言

氮化硅陶瓷滾子具有熔點(diǎn)高、硬度大、耐磨損和自潤(rùn)滑性等優(yōu)點(diǎn)[1,2]，廣泛應(yīng)用于航空航天及軍工等[3,4]領(lǐng)域。但現(xiàn)有氮化硅陶瓷滾子存在表面粗糙度過大[5]、機(jī)械加工困難等[6]缺陷，一定程度上抑制了氮化硅陶瓷滾子的進(jìn)一步發(fā)展。氮化硅陶瓷滾子制備工藝中各工藝參數(shù)不佳是導(dǎo)致表面粗糙度過大的主要因素[7]。可通過優(yōu)化干壓成型工藝參數(shù)，降低氮化硅陶瓷滾子表面粗糙度，從而增強(qiáng)氮化硅陶瓷滾子的性能。

采用化學(xué)—機(jī)械復(fù)合拋光技術(shù)對(duì)氮化硅陶瓷滾子進(jìn)行拋光處理，其工藝參數(shù)對(duì)滾子性能有較大影響。王慧軍等[8,9]利用超聲波磁流變復(fù)合拋光技術(shù)，通過改變磁場(chǎng)強(qiáng)度及超聲振幅，研究其對(duì)材料去除率的影響，并獲得了工藝參數(shù)與材料去除率的關(guān)系曲線。方慧等[10]研究了液體噴射拋光技術(shù)中液體噴射角、工作壓力、工作距離等因素對(duì)工件去除量的影響，獲得了個(gè)因素與去除量之間的關(guān)系曲線，得出材料去除規(guī)律，確定了液體噴射拋光的最佳參數(shù)組合。龔金成等[11]研究了氣囊拋光技術(shù)中氣囊內(nèi)部壓力、氣囊轉(zhuǎn)速等參數(shù)對(duì)拋光區(qū)的影響，總結(jié)了各工藝參數(shù)對(duì)拋光區(qū)的影響規(guī)律，給出各參數(shù)的合理取值范圍。由上可知，拋光工藝中，拋光技術(shù)的工藝參數(shù)對(duì)工件的性能有較大的影響，合理的工藝參數(shù)，有利于提高工件的性能。

基于以上對(duì)拋光技術(shù)工藝參數(shù)對(duì)材料性能影響的研究基礎(chǔ)，通過化學(xué)—機(jī)械復(fù)合拋光技術(shù)對(duì)氮化硅陶瓷滾子進(jìn)行拋光處理，改變拋光試驗(yàn)機(jī)主軸轉(zhuǎn)速，制備不同溫度的磁流變拋光液，探究主軸轉(zhuǎn)速和磁流變拋光液的溫度對(duì)氮化硅陶瓷滾子表面粗糙度的影響，確定各參數(shù)對(duì)氮化硅陶瓷滾子表面粗糙度。

1 實(shí)驗(yàn)裝置與原料

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

針對(duì)氮化硅陶瓷滾子性能，采用化學(xué)—機(jī)械復(fù)合拋光實(shí)驗(yàn)機(jī)對(duì)氮化硅陶瓷滾子進(jìn)行拋光處理。該復(fù)合拋光制粒機(jī)主要由超聲振動(dòng)系統(tǒng)、升降系統(tǒng)、磁流變拋光液存放系統(tǒng)及輔助拋光系統(tǒng)組成，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1 所示。

(1) 超聲振動(dòng)系統(tǒng)：由超聲換能器、超聲工具頭組成，用于發(fā)射超聲波對(duì)氮化硅陶瓷滾子進(jìn)行作用。

(2) 升降系統(tǒng)：由升降箱及高度調(diào)節(jié)器構(gòu)成，通過調(diào)節(jié)高度調(diào)節(jié)器，調(diào)整超聲工具頭的高度，調(diào)整不同的工作狀態(tài)。

(3) 磁流變拋光液存放系統(tǒng)主要由拋光槽構(gòu)成，拋光槽用于存放磁流變拋光液。

(4) 輔助拋光系統(tǒng)由機(jī)架、工作臺(tái)、導(dǎo)輥等組成，配合各系統(tǒng)間的作用，對(duì)氮化硅陶瓷滾子實(shí)現(xiàn)拋光處理。在立柱上設(shè)有超聲振動(dòng)裝置，發(fā)射超聲波拋光氮化硅陶瓷滾子；工作臺(tái)上設(shè)有拋光槽用于儲(chǔ)放磁流變拋光液，且內(nèi)有用于放置氮化硅陶瓷滾子的導(dǎo)輥，拋光工具頭用永磁鐵制成。在磁場(chǎng)作用下，實(shí)現(xiàn)磁流變拋光。

圖1 拋光實(shí)驗(yàn)機(jī)示意圖Fig.1 Schematic diagram of polishing experiment machine

1.2 實(shí)驗(yàn)原料

為達(dá)到化學(xué)—機(jī)械復(fù)合拋光效果，需制備磁流變拋光液。磁流變拋光液是發(fā)生磁流變效應(yīng)的主體，同時(shí)含有拋光磨料。在永磁鐵工具頭產(chǎn)生的磁場(chǎng)中，利用磁流變效應(yīng)的作用下，對(duì)氮化硅陶瓷滾子表面進(jìn)行化學(xué)—機(jī)械復(fù)合拋光。同時(shí)，磁流變拋光液還是超聲波拋光中的載體，傳遞拋光磨料的作用效果，綜合達(dá)到化學(xué)—機(jī)械復(fù)合拋光效果，使氮化硅陶瓷滾子表面光整。磁流變拋光液主要由磁流變液與拋光磨料組成，在磁流變液中添加適量拋光磨料并充分混合，即得到磁流變拋光液。磁流變液主要由基載液、磁性顆粒、穩(wěn)定劑以及其他添加劑組成。

基載液是磁流變液中重要組成部分，對(duì)磁流變拋光液的均勻性、流動(dòng)性、穩(wěn)定性以及拋光效率有著一定的影響[12]?；d液必備性質(zhì)主要為凝固點(diǎn)較低、沸點(diǎn)較高、黏度適中、無毒無害。對(duì)比各基載液性能，選擇20 ℃去離子水作為基載液。

磁性顆粒是化學(xué)—機(jī)械復(fù)合拋光過程中發(fā)生流變效應(yīng)的載體，磁性顆粒的特性直接影響拋光過程，影響拋光效率。磁性微粒需要有較高的磁導(dǎo)率、磁化強(qiáng)度、低磁矯頑力及合適的粒度。在實(shí)驗(yàn)過程中，采用鐵元素及其化合物作為磁性顆粒，該粒子磁導(dǎo)率高、磁飽和強(qiáng)度大。羰基鐵粉具有高純度、外觀球形度好、電磁性能優(yōu)良等特點(diǎn)，不會(huì)受外部環(huán)境過多的影響。因此，采用羰基鐵粉作為磁性顆粒。羰基鐵粉性能參數(shù)如表1 所示。

表1 羰基鐵粉參數(shù)Tab.1 Parameters of carbonyl iron powder

為使水基磁流變拋光液更加適應(yīng)氮化硅陶瓷滾子的拋光實(shí)驗(yàn)，提高沉降穩(wěn)定性和抗氧化性，需要在磁流變拋光液中添加一定量的穩(wěn)定劑。常用的穩(wěn)定劑主要由丙三醇、碳酸鈉、亞硝酸鈉、液體石蠟等。選用的穩(wěn)定劑及其物理性質(zhì)如表2 所示。

在氮化硅陶瓷滾子的化學(xué)—機(jī)械復(fù)合物拋光過程中，為對(duì)表面有充足的拋光處理，在拋光液中需要添加適量的拋光磨料，拋光磨料直接與氮化硅陶瓷滾子表面接觸，對(duì)其表面進(jìn)行作用。在選取拋光磨料時(shí)，主要從材料的粒度與硬度出發(fā)。本課題采用氧化鋁作為拋光磨料，氧化鋁具有較高硬度，且能將各種工件的表面通過拋光過程，不斷與氮化硅陶瓷滾子表面接觸，并將其打磨光滑、精細(xì)。氧化鋁參數(shù)及性能如表3 所示。

表2 穩(wěn)定劑性質(zhì)Tab.2 Properties of stabilizer

表3 氧化鋁主要性能Tab.3 Main properties of alumina

2 實(shí)驗(yàn)過程

2.1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)采用單一控制變量法，分別改變主軸的轉(zhuǎn)速、磁流變拋光液溫度，探究其在拋光過程中對(duì)氮化硅陶瓷滾子表面粗糙度的影響。實(shí)驗(yàn)采用Keyence 公司生產(chǎn)的VK-X 表面粗糙測(cè)量?jī)x對(duì)氮化硅陶瓷滾子表面粗糙度進(jìn)行測(cè)量。

(1) 改變主軸轉(zhuǎn)速，探究其在拋光過程中對(duì)氮化硅陶瓷滾子表面粗糙度的影響。其他條件不變時(shí)，改變主軸轉(zhuǎn)速為50 r/min、100 r/min、150 r/min、200 r/min、250 r/min。

(2) 采用主軸轉(zhuǎn)速200 r/min，改變磁流變拋光液溫度，探究該因素對(duì)氮化硅陶瓷滾子表面粗糙度的影響。其他條件不變時(shí)，改變磁流變拋光液溫度為20 ℃、30 ℃、40 ℃、50 ℃、60 ℃。

2.2 拋光液的制備

磁流變拋光液的制備過程主要分為兩部分，水基復(fù)配載液的制備和混合球磨階段，磁流變拋光液制備流程如圖2 所示。

圖2 磁流變拋光液制備流程圖Fig.2 Flow chart of preparation of magnetorheological polishing fluid

(1) 水基復(fù)配載液的制備：將總體積50 ml 丙三醇、碳酸鈉、煙硝酸鈉、液體石蠟按照相應(yīng)的比例制成水基復(fù)配載液。各組分體積比如表4所示。

(2) 將磁性顆粒和拋光磨料混合物與水基復(fù)配載液按體積比1∶10 置于球磨機(jī)中，以400 r/min的速度研磨2 h，磁性顆粒與拋光磨料體積比為9∶1，得到磁流變拋光液。

表4 穩(wěn)定劑各組分配比Tab.4 Surfactant distribution ratio of each group

3 結(jié)果與分析

3.1 主軸轉(zhuǎn)速對(duì)表面粗糙度的影響

圖3 為其他條件不變時(shí)，主軸轉(zhuǎn)速為50 r/min、100 r/min、150 r/min、200 r/min、250 r/min 對(duì)應(yīng)的氮化硅陶瓷滾子表面粗糙度。當(dāng)轉(zhuǎn)軸速度為50 r/min時(shí)，表面粗糙度為0.058 μm；當(dāng)轉(zhuǎn)速為100 r/min時(shí)，Ra=49 μm；當(dāng)轉(zhuǎn)速為150 r/min，Ra=41 μm；轉(zhuǎn)速升到200 r/min時(shí)，Ra=36 μm；轉(zhuǎn)速為250 r/min時(shí)，Ra=32 μm。隨主軸轉(zhuǎn)速的增加，單位時(shí)間內(nèi)流過表面的拋光液及拋光磨粒數(shù)量增加，表面得到了更充分的拋光，氮化硅陶瓷滾子表面粗糙度逐漸減小，表面質(zhì)量不斷提高。

圖3 主軸轉(zhuǎn)速對(duì)表面粗糙度的影響Fig.3 Effect of spindle speed on surface roughness

3.2 磁流變拋光液溫度對(duì)表面粗糙度的影響

圖4 為磁流變拋光液溫度對(duì)氮化硅陶瓷滾子表面粗糙度的影響。隨著磁流變拋光液溫度的升高，氮化硅陶瓷滾子表面粗糙度變化不大。20 ℃時(shí)，Ra=0.036 μm；30 ℃時(shí)，粗糙度為0.035 ℃；當(dāng)溫度上升到40 ℃時(shí)，Ra=0.037 μm；磁流變拋光液溫度為50 ℃時(shí)，Ra=0.035 μm；溫度為60 ℃時(shí)，Ra=0.034 μm。隨著溫度的升高，表面粗糙度的變化并不顯著，一直保持在0.035 μm 左右。

圖4 磁流變拋光液溫度對(duì)表面粗糙的影響Fig.4 Effect of temperature of magnetorheological polishing fluid on surface roughness

4 結(jié) 論

(1) 保持其它條件不變，改變主軸的轉(zhuǎn)速，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速不斷增加時(shí)，氮化硅陶瓷滾子表面粗糙度不斷減小。當(dāng)轉(zhuǎn)速小于200 r/min 時(shí)，表面粗糙度變化率較大，隨轉(zhuǎn)速的增加變化較大；當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到200 r/min 后，變化率逐漸減小。當(dāng)其他條件不變時(shí)，磁流變拋光液溫度對(duì)氮化硅陶瓷滾子表面粗糙度的影響不大，表面粗糙度保持在0.035 μm左右。

(2) 改變化學(xué)—機(jī)械復(fù)合拋光技術(shù)工藝參數(shù)，探究氮化硅陶瓷滾子表面粗糙的變化，得出主軸轉(zhuǎn)速、磁流變拋光液溫度對(duì)氮化硅陶瓷滾子表面粗糙度的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)加工高質(zhì)量氮化硅陶瓷滾子具有一定的指導(dǎo)意義。