全陶瓷球軸承套圈溝道精密磨削用砂輪修整試驗

李頌華，韓光田，吳玉厚，孫健，高龍飛

(沈陽建筑大學(xué) a.機械工程學(xué)院；b.高檔石材數(shù)控加工裝備與技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實驗室，沈陽 110168)

先進陶瓷材料具有高硬度、高強度、耐高溫、耐嚴寒、耐腐蝕、耐磨損等優(yōu)點，是理想的軸承材料，通常采用磨削加工。超硬磨料砂輪在磨削過程中砂輪磨損慢，穩(wěn)定性強，材料去除率高，砂輪使用壽命長，符合環(huán)保、節(jié)能、高效的制造業(yè)發(fā)展趨勢。因此，超硬磨料砂輪廣泛應(yīng)用于難加工材料精密成形的磨削加工[1-2]。

全陶瓷球軸承套圈溝道是軸承承受載荷的重要工作面，較差的溝形誤差和表面質(zhì)量會影響溝道與陶瓷球的裝配密合性，從而造成全陶瓷球軸承旋轉(zhuǎn)精度低，服役時產(chǎn)生較大的振動和噪聲。全陶瓷球軸承套圈溝道一般采用切入法磨削，在磨削過程中金剛石圓弧砂輪外緣輪廓精度會逐漸降低，直接影響溝形誤差；磨削時砂輪會出現(xiàn)磨損和氣孔堵塞，嚴重降低砂輪磨削性能，使溝道表面質(zhì)量受到極大的影響[3-4]。隨著超硬磨料砂輪在磨削領(lǐng)域的應(yīng)用，迫切需要解決修整技術(shù)問題[5-6]。

國內(nèi)外提出許多超硬磨料砂輪修整方法，在特種修整技術(shù)方面：文獻[7]采用激光-機械復(fù)合修整法修整燒結(jié)成型的青銅金剛石砂輪，對青銅結(jié)合劑的去除過程進行多脈沖有限元仿真并優(yōu)化激光粗修工藝；文獻[8]介紹了一種基于單層激光的精密修整方法，利用脈沖光纖激光器對青銅結(jié)合劑金剛石砂輪進行了在線仿形試驗，修整后砂輪表面輪廓精度明顯提高；文獻[9]制備了一種用于電解修整大粒度、多層釬焊金剛石砂輪的含碳納米管電解液，可有效對超細晶硬質(zhì)合金進行高效精密磨削加工。

目前,超硬磨料砂輪主要采用機械磨削修整或以機械磨削修整為基礎(chǔ)的修整技術(shù)，占據(jù)修整技術(shù)專利申請總量的90.33%以上[10-11]。在機械修整技術(shù)方面：文獻[12]提出了基于旋轉(zhuǎn)綠碳化硅磨棒的在位精密成形修整方法，并確定了圓弧插補軌跡的補償方法，修整后圓弧形狀誤差提高了14倍左右；文獻[13]提出了一種用逼近輪廓線替代原設(shè)計的理想輪廓線的成形誤差補償方法，結(jié)果表明成形誤差補償可直接提高表面形狀精度；文獻[14]針對單層釬焊金剛石砂輪磨粒過度突出問題，提出了盤形砂輪修整法，實現(xiàn)了單層釬焊金剛石砂輪的精密修整；文獻[15]采用高壓磨料水射流對不同類型的樹脂結(jié)合劑金剛石砂輪進行了修整，進給速度對砂輪修整質(zhì)量和效率起到重要作用；文獻[16]總結(jié)出大余量去除修整金屬結(jié)合劑超硬砂輪基本采用電火花放電法，小余量主要采用磨削法；文獻[17]針對圓弧形超硬砂輪修整難度大和修整精度低的問題，設(shè)計制造一種垂直式超硬砂輪圓弧修整器，提高了圓弧砂輪的弧形精度。

通過上述學(xué)者的研究，積累了豐富的修整方法，也設(shè)計制造出相關(guān)修整裝備。為進一步提高全陶瓷球軸承旋轉(zhuǎn)精度，首先，采用金剛石碟片磨削法對樹脂結(jié)合劑金剛石圓弧砂輪進行修整，提高砂輪外緣輪廓精度，進而減小全陶瓷球軸承套圈溝形誤差，并提高砂輪磨削性能；然后，通過全陶瓷球軸承內(nèi)圈溝道磨削試驗，驗證砂輪的修整效果。

1 金剛石圓弧砂輪磨削修整原理

金剛石圓弧砂輪磨削整形法示意圖如圖1所示，金剛石圓弧砂輪通過砂輪主軸實現(xiàn)高速轉(zhuǎn)動，修整碟片通過修整主軸實現(xiàn)轉(zhuǎn)動，在伺服電動機的控制下繞金剛石圓弧砂輪擺動，同時通過基座導(dǎo)軌實現(xiàn)徑向修整進給。

圖1 金剛石圓弧砂輪磨削整形法示意圖

砂輪與碟片間相切的幾何位置關(guān)系如圖2所示，B為砂輪外緣寬度，B0為碟片外緣寬度，碟片與砂輪圓弧輪廓始終相切，有

R0=r+r0,

式中：R0為碟片圓弧中心的擺動半徑；r為砂輪的圓弧輪廓半徑；r0為碟片的圓弧輪廓半徑。通過控制R0實現(xiàn)調(diào)節(jié)r的大小。碟片圓弧上一點參與砂輪整形，修整作用類似于點磨削。

圖2 砂輪與碟片間相切的幾何位置關(guān)系

2 試驗條件及方案

溝道磨削產(chǎn)生形狀誤差的主要原因是砂輪外緣輪廓精度、磨削工藝和光磨時間[18]，其中，采用切入法磨削全陶瓷球軸承套圈溝道，金剛石圓弧砂輪外緣輪廓精度將直接影響溝形誤差。磨削時砂輪磨損和氣孔堵塞，使溝道表面質(zhì)量受到極大的影響，甚至降低砂輪使用壽命。因此，需要對金剛石圓弧砂輪進行修整，對氧化鋯陶瓷球軸承內(nèi)圈溝道進行磨削，檢驗砂輪修整效果。

2.1 金剛石圓弧砂輪修整試驗

用球軸承內(nèi)圈溝道數(shù)控磨床進行金剛石圓弧砂輪修整試驗，如圖3所示。用VHX-1000 超景深三維顯微鏡觀察砂輪修整前后表面形貌；金剛石圓弧砂輪磨料為人造金剛石，樹脂結(jié)合劑砂輪強度較高，具有一定的韌性和較好的抵抗破碎能力，可用于高速精密磨削。經(jīng)過碟片整形后，為提高金剛石圓弧砂輪磨削性能，手持氧化鋁油石對砂輪進行修銳，修整試驗工藝條件見表1。

1—擺動臂；2—碟片；3—砂輪；4—噴嘴；5—碟片電動機； 6—擺動基座。

表1 修整試驗工藝條件

2.2 全陶瓷球軸承內(nèi)圈溝道磨削試驗

采用球軸承內(nèi)圈溝道數(shù)控磨床進行軸承內(nèi)圈溝道磨削試驗，如圖4所示，磨削試驗工藝條件見表2。全陶瓷球軸承內(nèi)圈選用氧化鋯材料，其基本性能見表3。用Surtronic25型泰勒粗糙度輪廓儀測量軸承內(nèi)圈溝道磨削前后的形狀誤差。

1—壓輪； 2—工件； 3—靠山； 4—砂輪； 5—壓緊臂。

表2 軸承內(nèi)圈溝道磨削工藝條件

表3 氧化鋯材料基本性能

3 結(jié)果與分析

3.1 金剛石圓弧砂輪修整試驗

3.1.1 修整前后金剛石圓弧砂輪外緣形貌

金剛石圓弧砂輪外緣修整前后表面形貌如圖5所示，通過對比修整前后紅色標記，砂輪表面部分結(jié)合劑和磨粒被去除。由圖5a可知，修整前少數(shù)金剛石磨粒露出表面，分布均勻，在表面形成凸起，高低不平；由5b可知，修整后砂輪表面出現(xiàn)光澤，露出表面金剛石磨粒明顯增多，砂輪表面的結(jié)合劑和磨粒被修整去除，有利于提高砂輪外緣輪廓精度,修整后砂輪表面局部仍有溝壑存在，在磨削時可以起到容納磨屑和散逸磨削熱的作用。

圖5 修整前后砂輪外緣表面形貌

3.1.2 碟片修整后砂輪表面局部形貌

修整后砂輪表面局部形貌如圖6所示:砂輪表面樹脂結(jié)合劑被去除，磨粒周圍出現(xiàn)光澤；金剛石磨粒邊緣出現(xiàn)微破碎(A處)，原因是金剛石磨粒與碟片在接觸面存在集中應(yīng)力，當集中應(yīng)力較大時，金剛石磨粒產(chǎn)生局部破碎；金剛石磨粒周圍結(jié)合劑被去除，磨粒露出表面(B處)；金剛石磨粒脫落留下凹坑(C處)，在磨粒間形成新的容屑空間。

圖6 修整后砂輪表面局部形貌

當金剛石磨粒暴露部分較小，結(jié)合劑對金剛石磨粒的把持力大于修整力時，金剛石磨粒破碎，形成新切削刃；當結(jié)合劑對露出高度較大的金剛石磨粒把持力較小時，金剛石磨粒出現(xiàn)脫落，形成新的容屑空間。砂輪表面被磨平，金剛石磨粒突出高度較小，容屑空間不足，易出現(xiàn)堵塞，磨削條件惡化，不利于改善砂輪磨削性能[19]。

3.1.3 修銳后油石溝道表面形貌

超硬砂輪修整通常分整形和修銳，整形后需要對砂輪進行修銳，提高砂輪磨削性能。

修銳后油石溝道表面形貌如圖7所示，金剛石圓弧砂輪表面形狀復(fù)制到油石上，露出表面較高的金剛石磨粒與油石發(fā)生作用，質(zhì)地較軟的油石被去除，留下間距不等的劃痕，這說明砂輪經(jīng)過修銳，去除了工作表面磨粒周圍的結(jié)合劑，提高磨粒露出高度，從而提高砂輪磨削性能[20]。

圖7 修銳后油石溝道表面形貌(×100)

3.2 全陶瓷球軸承內(nèi)圈溝道磨削試驗

評價砂輪修整的好壞通常需要進行磨削試驗驗證，用修整前后的砂輪對氧化鋯陶瓷球軸承內(nèi)圈溝道進行切入式磨削，修整檢測原理是將金剛石圓弧砂輪外緣輪廓復(fù)映到氧化鋯陶瓷球軸承內(nèi)圈溝道上進行檢測[21]。

3.2.1 修整深度對內(nèi)圈溝形誤差的影響

修整深度對氧化鋯陶瓷球軸承內(nèi)圈溝形誤差的影響如圖8所示，隨著修整深度的增加，內(nèi)圈溝形誤差不斷減小。原因為金剛石圓弧砂輪修整深度較小時，砂輪外緣輪廓精度低，導(dǎo)致內(nèi)圈溝形誤差較大；隨著修整深度的增加，提高了砂輪外緣輪廓精度，減小了內(nèi)圈溝形誤差。實際生產(chǎn)中修整深度過大會縮短砂輪使用壽命，降低生產(chǎn)效率，所以應(yīng)根據(jù)工件精度要求和砂輪磨損程度選擇合理的修整深度。

圖8 砂輪修整深度對氧化鋯內(nèi)圈溝形誤差的影響

3.2.2 修整對內(nèi)圈溝形誤差的影響

修整深度為20 μm，用修整前后的金剛石圓弧砂輪磨削氧化鋯陶瓷球軸承內(nèi)圈，然后測試內(nèi)圈溝道形狀誤差。1～8#內(nèi)圈溝道修整前后形狀誤差變化情況如圖9所示。修整前后溝形誤差平均值分別為5.823，2.799 μm，減小了51.93%。研究結(jié)果表明：采用碟片磨削修整金剛石圓弧砂輪，去除砂輪表面多余結(jié)合劑和金剛石磨粒，提高了砂輪外緣輪廓精度，減小了軸承內(nèi)圈溝形誤差。

圖9 砂輪修整前后氧化鋯內(nèi)圈溝形誤差變化情況

砂輪修整前后3#內(nèi)圈溝形誤差對比分析，如圖10所示。由圖10a可知，內(nèi)圈溝道測試曲線局部(在測試點44.8 mm處)存在波動，進一步分析可知此處出現(xiàn)跳躍(圖10b)，反映出砂輪外緣在相應(yīng)位置存在形狀失真缺陷，整體上在-2～2 mm之間變化，測試溝形誤差為6.801 μm；由圖10c可知，修整后砂輪磨削的內(nèi)圈溝道測試曲線較為平滑，不存在較大跳躍(圖10d)，整體上在-1～1 mm之間變化，測試溝形誤差為3.408 μm，減小了49.89%。

3.2.3 砂輪修整前后溝道表面粗糙度的變化

修整深度為20 μm，用修整前后的金剛石砂輪磨削氧化鋯內(nèi)圈,溝道表面粗糙度變化如圖11所示，修整前后溝道表面粗糙度Ra平均值分別為0.316，0.239 μm，減小了24.37%，采用碟片磨削修整金剛石圓弧砂輪，改善了砂輪磨削性能，減小了軸承內(nèi)圈溝道表面粗糙度。

圖10 砂輪修整前后3#內(nèi)圈溝形誤差對比分析

圖11 砂輪修整前后氧化鋯內(nèi)圈溝道表面粗糙度變化情況

4 結(jié)論

開展了樹脂結(jié)合劑金剛石圓弧砂輪修整試驗，并采用修整后的砂輪磨削氧化鋯內(nèi)圈溝道，得到以下結(jié)論：

1) 采用金剛石碟片磨削法，修整后砂輪表面出現(xiàn)光澤，砂輪表面的結(jié)合劑和磨粒被去除，有利于提高砂輪外緣輪廓精度，露出表面金剛石磨粒明顯增多，改善了砂輪表面形貌，經(jīng)過修銳提高了磨粒露出高度。

2)用修整后砂輪磨削氧化鋯內(nèi)圈溝道，其溝形誤差減小了51.93%，溝道表面粗糙度Ra減小了24.37%。

3) 通過氧化鋯內(nèi)圈溝道磨削試驗驗證，采用金剛石碟片磨削法提高了金剛石圓弧砂輪外緣輪廓精度，改善了砂輪磨削性能，能滿足金剛石砂輪修整使用要求。