球面滾子剪切增稠拋光優(yōu)化實(shí)驗(yàn)

傅琳，邵藍(lán)櫻，楊居儒，呂冰海，鄧乾發(fā)，王旭

球面滾子剪切增稠拋光優(yōu)化實(shí)驗(yàn)

傅琳，邵藍(lán)櫻，楊居儒，呂冰海，鄧乾發(fā)，王旭

（浙江工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，杭州 310014）

研究球面滾子在剪切增稠拋光過(guò)程中，不同拋光參數(shù)對(duì)表面粗糙度的影響，獲得滾子光滑滾動(dòng)面，并優(yōu)化拋光工藝參數(shù)。基于田口實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，以表面粗糙度為評(píng)價(jià)指標(biāo)，分析磨粒種類(lèi)、磨粒濃度、拋光轉(zhuǎn)速、拋光間距等4個(gè)拋光工藝參數(shù)對(duì)球面滾子剪切增稠拋光后表面粗糙度的影響。通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析表面粗糙度的信噪比結(jié)果，得出最優(yōu)的參數(shù)組合，并通過(guò)摩擦磨損實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)拋光表面的摩擦磨損性能。得到了優(yōu)化的工藝參數(shù)，Al2O3與SiO2混合磨粒的質(zhì)量比為1∶1，磨粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%，拋光轉(zhuǎn)速為70 r/min，拋光間距為4 mm，拋光時(shí)間為30 min。在此優(yōu)化的工藝參數(shù)下，球面滾子表面粗糙度從（40±10）nm降至（8.51±2）nm。剪切增稠拋光可以有效地去除球面滾子的表面缺陷，且在拋光過(guò)程不會(huì)改變滾子的圓度，拋光后滾子表面的摩擦因數(shù)減小，表面不易發(fā)生氧化物堆積。采用剪切增稠拋光可以有效提高GCr15球面滾子的表面質(zhì)量。

球面滾子；剪切增稠拋光；表面粗糙度；摩擦因數(shù)

調(diào)心滾子軸承具有自動(dòng)調(diào)心能力，可以在高載荷工況下工作，被廣泛應(yīng)用于鐵路、航空、風(fēng)力發(fā)電等重載場(chǎng)合[1]。球面滾子是調(diào)心滾子軸承的核心元件之一，其滾動(dòng)面的表面質(zhì)量直接決定調(diào)心滾子軸承的性能。目前，超精研工藝為球面滾子的終加工主要工藝，表面粗糙度可以達(dá)到0.05 μm[2-3]，但很難進(jìn)一步降低，且易產(chǎn)生燒傷、劃痕、凹坑等損傷缺陷，嚴(yán)重影響了軸承的服役性能。如何獲得高質(zhì)量的球面滾子，成為提高球面滾子軸承服役性能的重要技術(shù)問(wèn)題。

近年來(lái)，研究人員對(duì)多種軸承滾子進(jìn)行了一些研究。姚蔚峰等[4]利用雙平面拋光機(jī)加工圓柱滾子，并提出了偏心轉(zhuǎn)擺式加工方法。使用該方法對(duì)圓柱滾子進(jìn)行加工后，滾子圓度平均達(dá)到0.36 μm，表面粗糙度達(dá)到9 nm。Umehara等[5]使用磁流體加工Si4N3圓柱滾子，滾子圓度從16.65 μm降至 4.25 μm，使用粒徑為3 μm的Cr2O3磨粒，使得工件的表面質(zhì)量最好，表面粗糙度平均達(dá)到0.029 μm；使用粒徑50 μm的B4C磨粒時(shí)，材料去除率最高，達(dá)到1.1 μm/min。江亮等[6]研究了化學(xué)機(jī)械拋光加工圓柱滾子的材料去除機(jī)理和圓度改善機(jī)理，經(jīng)過(guò)粗拋和精拋后，滾子的表面粗糙度降至16.6 nm，圓度降至0.40 μm。Zakharov等[7]分析了具有縱向進(jìn)給的無(wú)心超精加工上球面的成形情況，并通過(guò)數(shù)值計(jì)算驗(yàn)證其可行性。目前，針對(duì)球面滾子拋光的研究較少。

剪切增稠拋光（Shear thickening polishing）是一種基于非牛頓流體剪切增稠效應(yīng)的新型拋光方法，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜曲面的高效、高質(zhì)量拋光[8-10]。Lyu等[11]對(duì)硬質(zhì)合金刀片復(fù)雜切削刃進(jìn)行了剪切增稠拋光加工，在拋光15 min后，切削刃的表面粗糙度由121.8 nm 降至7.1 nm。Zhu等[12]使用非牛頓流體進(jìn)行了非接觸式拋光，并通過(guò)建模和分析，揭示了流體流變學(xué)對(duì)材料去除機(jī)理的影響，使用該方法對(duì)鎳表面進(jìn)行加工，得到高斯曲面形的材料去除，表面粗糙度達(dá)到3.9 nm。Nguyen等[13]采用非牛頓流體拋光合金鋼SCM435齒輪，經(jīng)拋光25 min后，齒輪根部的表面粗糙度達(dá)到12 nm。Ming等[14]基于弱磁流變強(qiáng)化增稠效應(yīng)提出了一種氧化鋯陶瓷非牛頓流體拋光方法，并建立了材料去除率的預(yù)測(cè)模型。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，模型與實(shí)際加工的平均相對(duì)誤差為4.45%。該方法加工氧化鋯陶瓷1 h后，其表面粗糙度達(dá)到了13.2 nm，表面精度PV達(dá)到了0.104 μm，材料去除率為5.96 μm/h。

文中探索了球面滾子剪切增稠拋光的可行性，旨在提高球面滾子滾動(dòng)面的質(zhì)量，并應(yīng)用田口法分析4個(gè)主要拋光工藝參數(shù)（磨粒種類(lèi)、磨粒濃度、拋光轉(zhuǎn)速和拋光間距）對(duì)滾子表面粗糙度的影響，確定優(yōu)化工藝，并比較拋光前后滾子圓度的變化、表面摩擦因數(shù)的變化，以評(píng)價(jià)拋光過(guò)程對(duì)滾子滾動(dòng)性能的影響。

1 球面滾子剪切增稠拋光原理

球面滾子剪切增稠拋光的基本原理如圖1所示。在拋光過(guò)程中，拋光液隨著拋光槽的轉(zhuǎn)動(dòng)，與安裝在夾具上自轉(zhuǎn)的球面滾子產(chǎn)生了相對(duì)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)拋光液所受剪切速率超過(guò)臨界值時(shí)，其黏度急劇增大。拋光液中的固相粒子在強(qiáng)剪切力的作用下，聚合成大量的“粒子簇”，粒子簇包裹著磨粒，增強(qiáng)了對(duì)磨粒的把持力，形成了緊貼滾子表面的“柔性固著磨具”，并通過(guò)磨粒對(duì)滾子基體材料進(jìn)行微切削作用，實(shí)現(xiàn)了滾動(dòng)面的拋光。由于拋光液的流動(dòng)性，形成的“柔性固著磨具”與不同曲率的球面滾子表面都具有良好的吻合度，因此可以實(shí)現(xiàn)球面滾子表面的高質(zhì)量拋光。

圖1 球面滾子剪切增稠拋光示意圖

2 球面滾子剪切增稠拋光實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)過(guò)程和條件

剪切增稠拋光設(shè)備如圖2所示，拋光液隨著拋光槽轉(zhuǎn)動(dòng)，拋光槽的直徑為400 mm。為了均勻地拋光球面滾子的滾動(dòng)面，將工件豎直裝夾于工件軸上，并以15 r/min的轉(zhuǎn)速在拋光液中自轉(zhuǎn)。當(dāng)工件與拋光槽之間的拋光液所受剪切速率超過(guò)臨界值時(shí)，就會(huì)表現(xiàn)出剪切增稠特性。拋光液與工件接觸位置形成的“柔性固著磨具”對(duì)工件表面進(jìn)行拋光。除了工件與拋光液的相對(duì)速度，工件與拋光槽壁面之間的間距（定義為拋光間距）也直接影響拋光液所受到的剪切速率，因此通過(guò)調(diào)整拋光間隙也將影響拋光效率。

拋光液的流變行為嚴(yán)重影響著剪切增稠拋光的效果[15]。在制備拋光液時(shí)，先將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為35%～40%的去離子水加入容器中，并先后添加pH調(diào)節(jié)劑、質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%～15%的磨粒（6000#α-Al2O3、80 nm SiO2）和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為45%～60%的多羥基聚合物（平均粒徑為11 μm），攪拌均勻，得到酸性的拋光液。拋光基液的黏度隨剪切速率的變化曲線如圖3所示，在剪切速率達(dá)到70 s?1時(shí)，拋光液的黏度急劇上升，呈現(xiàn)出剪切增稠效應(yīng)。通過(guò)前期的研究發(fā)現(xiàn)，單純依靠磨粒的機(jī)械去除作用，其加工效率會(huì)受到一定的限制[16-17]，因此采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為11%的檸檬酸溶液作為pH調(diào)節(jié)劑，使拋光液的pH值為5。在拋光液中引入H+，與工件表面的Fe元素發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而提高拋光效率。

圖2 剪切增稠拋光設(shè)備

圖3 拋光基液流變曲線

工件為GCr15球面滾子，其尺寸及實(shí)驗(yàn)條件如表1所示。球面滾子典型表面缺陷如圖4所示，如劃痕、麻點(diǎn)和凹坑等。這些缺陷在滾子服役過(guò)程中會(huì)導(dǎo)致軸承發(fā)生異常振動(dòng)，降低其服役壽命。實(shí)驗(yàn)在分析不同拋光轉(zhuǎn)速、磨粒濃度和拋光間距對(duì)滾子表面粗糙度影響的同時(shí)，還考查了Al2O3、SiO2及（Al2O3+SiO2）混合等3種磨粒類(lèi)型對(duì)滾子表面粗糙度的影響，其中混合磨粒中Al2O3與SiO2的質(zhì)量比為1∶1。

表1 實(shí)驗(yàn)條件

在拋光過(guò)程中，每隔10 min通過(guò)白光干涉儀（Super View W1）觀測(cè)工件表面三維輪廓，并測(cè)量其表面粗糙度，取4個(gè)測(cè)量點(diǎn)，測(cè)量位置如圖5所示。通過(guò)掃描電子顯微鏡（SU8010，HITACHI）和超景深顯微鏡（VHX–7000）觀測(cè)拋光前后工件表面的微觀形貌。使用圓度儀（RA–1500）測(cè)量拋光前后滾子頂部、中間、底部等3個(gè)截面的圓度。使用UMT–3摩擦試驗(yàn)機(jī)，在法向載荷為1、5、10 N的條件下，使用10 mm軸承鋼球作為摩擦副，往復(fù)滑動(dòng)30 min，測(cè)量其摩擦因數(shù)，并觀測(cè)摩擦表面。

圖4 球面滾子表面典型缺陷SEM圖片

圖5 工件表面觀測(cè)點(diǎn)示意圖

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

利用田口實(shí)驗(yàn)方法，分析不同工藝參數(shù)對(duì)球面滾子滾動(dòng)面粗糙度的影響，并優(yōu)化拋光工藝[18-19]。實(shí)驗(yàn)研究了磨粒種類(lèi)、磨粒濃度、拋光轉(zhuǎn)速，以及工件與拋光槽壁面的間距對(duì)滾子表面粗糙度（）的影響。采用L16（34）正交陣列，如表2所示。采用田口實(shí)驗(yàn)方法，將每組實(shí)驗(yàn)結(jié)果轉(zhuǎn)化為信噪比（），以此

評(píng)估各參數(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響[20-22]。將信噪比作為穩(wěn)健性的度量，在分析信噪比時(shí)，表面粗糙度為望小特性，計(jì)算方法如式（1）所示。

式中：為實(shí)驗(yàn)序號(hào)；為該次實(shí)驗(yàn)結(jié)果測(cè)量點(diǎn)的序號(hào)；為該組實(shí)驗(yàn)結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)偏差平方；為數(shù)據(jù)測(cè)量點(diǎn)的數(shù)量，每次實(shí)驗(yàn)取4。

表2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

3 結(jié)果與分析

3.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

不同實(shí)驗(yàn)條件下的剪切速率、粗糙度、/值如表3所示。表面粗糙度（）信噪比平均響應(yīng)曲線如圖6所示。

表3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖6 影響表面粗糙度（Sa）參數(shù)的信噪比

3.2 討論

3.2.1 磨粒種類(lèi)的影響

3種磨粒的信噪比為?31.36、?27.92、?28.98，采用混合磨粒拋光后滾子的表面質(zhì)量最好。工件的初始表面如圖7a所示。當(dāng)拋光液中只含Al2O3磨粒時(shí)，在拋光30 min后滾子表面如圖7b所示。因GCr15材料的硬度較高、耐磨性較好，采用單純Al2O3磨粒時(shí)機(jī)械作用不夠強(qiáng)，上道工序形成的劃痕等表面缺陷未被完全去除。同時(shí)，Al2O3磨粒易在加工過(guò)程中沉降，使實(shí)際參與拋光作用的磨粒數(shù)量減少，這也導(dǎo)致拋光效率較低。當(dāng)拋光液中只有SiO2磨粒時(shí)，拋光表面如圖7c所示，可見(jiàn)在工件表面出現(xiàn)了氧化物殘留。這是由于納米級(jí)的SiO2膠體增強(qiáng)了工件表面的化學(xué)反應(yīng)[23]，但SiO2磨粒的粒徑較小，硬度較低，無(wú)法及時(shí)去除氧化層。滾子在不同拋光液內(nèi)反應(yīng)前后表面元素的含量如圖8所示，可見(jiàn)反應(yīng)后表面的氧元素含量顯著增加。滾子在不同拋光液內(nèi)反應(yīng)前后的微觀表面如圖9所示，在3種拋光液中均會(huì)發(fā)生反應(yīng)，在SiO2磨粒拋光液中工件表面存在未反應(yīng)的Cr。使用混合磨粒拋光時(shí)，一方面納米SiO2增強(qiáng)了工件表面材料在酸性?huà)伖庖褐械难趸俣龋档土斯ぜ韺硬牧系膹?qiáng)度；另一方面，Al2O3磨粒協(xié)同SiO2磨粒，進(jìn)一步提高了磨粒的機(jī)械去除作用，在機(jī)械去除速率與化學(xué)腐蝕速率相配的條件下獲得了高質(zhì)量的拋光表面（如圖7d所示），表面缺陷基本消除。

圖7 不同磨粒拋光后滾子表面微觀形貌

圖8 滾子在氧化硅拋光液內(nèi)反應(yīng)前后表面Fe、O元素的含量

Fig.8Fe and O element content of roller surface before and after reaction in SiO2slurry

3.2.2 磨粒濃度的影響

磨粒濃度3個(gè)水平的信噪比為?31.36、?27.92、?28.98，滾子的表面粗糙度隨著磨粒濃度的增大呈現(xiàn)先減小、后變大的趨勢(shì)。隨著磨粒濃度的提高，單位面積內(nèi)有更多的顆粒參與工件表面材料的去除，因此拋光效率得到提高。由拋光液的流變曲線（圖10）可見(jiàn)，隨著磨粒濃度的上升，拋光液的剪切增稠強(qiáng)度有所下降，這會(huì)降低拋光液對(duì)磨粒的作用力，導(dǎo)致拋光

效率略有下降，從而使最終得到的表面粗糙度上升。

3.2.3 拋光轉(zhuǎn)速的影響

實(shí)驗(yàn)中3個(gè)轉(zhuǎn)速水平的信噪比為?30.29、?28.43、?29.54。采用拋光轉(zhuǎn)速為60、70、80 r/min，經(jīng)過(guò)30 min拋光后，工件的表面粗糙度的平均值分別為46.06、20.37、33.98 nm。這是因?yàn)閽伖庖核芗羟兴俾逝c拋光轉(zhuǎn)速呈正相關(guān)。在一定剪切速率范圍內(nèi)，拋光液的黏度隨著剪切速率的增加而增加，拋光液對(duì)磨粒的把持力也隨之增加，從而提高了拋光效率，降低了表面粗糙度。剪切速率的計(jì)算見(jiàn)式（2）。

(2)

式中：為剪切速率；為運(yùn)動(dòng)層的速度；為運(yùn)動(dòng)層的層間距。

圖9 滾子在不同拋光液內(nèi)反應(yīng)后表面SEM圖片

圖10 混合磨粒拋光液流變曲線

拋光液所受剪切速率呈簡(jiǎn)單的線性變化，根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件，可估算得到剪切速率的最大值在209.3～ 837.2 s?1間變化，但實(shí)際拋光液所受剪切速率為非線性變化，工件附近的剪切速率遠(yuǎn)小于估算值。當(dāng)在適合的剪切速率（200 s?1左右）下時(shí)，拋光液可以達(dá)到增稠效果。當(dāng)所受剪切速率超過(guò)200 s?1時(shí)，拋光液變稀。由于工件的阻礙作用和流場(chǎng)的變化，拋光液所受剪切速率減小，拋光液繼續(xù)出現(xiàn)增稠現(xiàn)象，并進(jìn)一步擴(kuò)散，使得加工區(qū)域拋光液具有較好的增稠效果。過(guò)大的拋光速度會(huì)導(dǎo)致拋光液中磨粒所受的離心力變大，使磨粒更易甩離拋光區(qū)域，從而附于拋光槽壁面[24]，導(dǎo)致參與加工的磨粒數(shù)量減少，拋光效率下降，表面粗糙度上升。

3.2.4 拋光間距的影響

在拋光間距為2、4、6 mm時(shí)，因素的信噪比分別為?29.76、?28.74、?29.76，拋光間距在4 mm時(shí)滾子的表面質(zhì)量最好。在無(wú)壁面約束時(shí)，拋光液流經(jīng)工件表面的流場(chǎng)如圖11所示。根據(jù)普雷斯頓方程可知，材料去除率與滾子表面所受正壓力及工件表面拋光液的相對(duì)速度呈正相關(guān)。研究表明，工件表面的材料去除率在α（工件表面所受壓力方向與水平方向的夾角）為±60°附近最高[25]。根據(jù)剪切速率的定義可知，

在相對(duì)速度不變的情況下，運(yùn)動(dòng)表面間距越小，剪切速率越大。當(dāng)拋光間距較?。? mm）時(shí)，工件與拋光槽壁面間的拋光液在強(qiáng)剪切作用下成類(lèi)固體狀，無(wú)法連續(xù)通過(guò)加工間隙，并在剪切作用下進(jìn)一步擴(kuò)散，使拋光液在工件與拋光槽之間完全堵塞（圖12a所示），從而使工件在α為60°位置附近基本失去拋光作用，從而導(dǎo)致拋光效率的下降。在拋光間距增至4 mm時(shí)，拋光液會(huì)在工件與拋光槽之間形成一條較為穩(wěn)定的增稠帶（如圖12b所示），拋光槽壁面與工件之間的剪切速率大幅提高，工件在α為60°位置的拋光效率得到提升，從而達(dá)到了較好的表面質(zhì)量。當(dāng)拋光間距（6 mm）繼續(xù)增大時(shí)，拋光槽壁面對(duì)拋光液剪切速率的提升效果消失（圖12c所示），這減弱了工件表面拋光液的剪切增稠效果，導(dǎo)致拋光效率再次下降。

圖11 工件與拋光液相對(duì)運(yùn)動(dòng)示意圖（俯視）

3.3 優(yōu)化參數(shù)下的實(shí)驗(yàn)分析

根據(jù)/分析結(jié)果，相應(yīng)參數(shù)水平的/最大時(shí)為優(yōu)選值，從而得到最佳的工藝參數(shù)組合：拋光轉(zhuǎn)速為70 r/min，拋光間距為4 mm，磨粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%，混合磨粒中Al2O3與SiO2的質(zhì)量比為1∶1。在該條件下進(jìn)行拋光實(shí)驗(yàn)，拋光30 min后工件表面如圖13所示。工件表面粗糙度從（40±10）nm降至（8.51±2）nm（4個(gè)測(cè)量點(diǎn)的平均值）。其中1個(gè)測(cè)量點(diǎn)得到的白光干涉儀測(cè)量結(jié)果和SEM觀測(cè)結(jié)果如圖14所示，其表面缺陷基本被消除，獲得了非常光滑的表面。在拋光前后，滾子頂部、中間、底部等3個(gè)截面的圓度（共測(cè)量了3個(gè)工件，取其平均值）測(cè)量結(jié)果如圖15所示，可見(jiàn)拋光前后滾子的圓度基本保持不變，表明拋光過(guò)程未改變球面滾子的形狀精度。

圖12 不同間距拋光過(guò)程示意圖（俯視）

圖13 拋光前后滾子宏觀表面

圖14 拋光前后工件微觀形貌

圖15 拋光前后滾子的圓度

拋光前后滾子表面與軸承鋼球的摩擦因數(shù)變化情況如圖16所示，相對(duì)于拋光前，拋光后滾子表面的摩擦因數(shù)降低。摩擦磨損實(shí)驗(yàn)后的工件如圖17所示，拋光前工件表面因存在較多缺陷，隨著載荷的增加，摩擦?xí)r更易產(chǎn)生磨屑，在反復(fù)的摩擦過(guò)程中使得磨屑氧化后生成的氧化物堆積黏附于工件表面，氧化物顆粒在摩擦過(guò)程中易發(fā)生脫落滑移，造成更加嚴(yán)重的磨損，這也導(dǎo)致摩擦過(guò)程中的振動(dòng)更為劇烈。由此可見(jiàn)，拋光后獲得的光滑表面可以有效減少滾子的磨損和振動(dòng)，從而提升軸承的服役性能。

圖16 各載荷下摩擦因數(shù)變化及均值

圖17 拋光前后不同載荷下工件摩擦表面

4 結(jié)論

采用剪切增稠拋光方法加工GCr15球面滾子，基于田口實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，分析了磨粒種類(lèi)、磨粒濃度、拋光轉(zhuǎn)速、拋光間距等對(duì)球面滾子滾動(dòng)面表面粗糙度的影響，并通過(guò)粗糙度信噪比分析得到了最佳工藝參數(shù)組合，結(jié)論如下。

1）隨著拋光轉(zhuǎn)速的增加，表面缺陷去除效率增加，表面粗糙度降低得更快。繼續(xù)增加拋光轉(zhuǎn)速會(huì)導(dǎo)致磨粒被甩離加工區(qū)域，從而導(dǎo)致拋光效率下降。在5%～10%范圍內(nèi)，隨著磨粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，拋光效率也隨之提高，繼續(xù)增加磨粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)會(huì)降低拋光液的流變性能，導(dǎo)致拋光效率降低。在拋光液中只含單一SiO2或Al2O3磨粒時(shí)，滾子的表面粗糙度較大，而采用Al2O3與SiO2的質(zhì)量比為1∶1的混合磨?？梢杂行Ы档凸ぜ谋砻娲植诙?，消除工件的表面缺陷。在拋光間距為2 mm時(shí)，拋光液易在工件與拋光槽之間堵塞。在拋光間距為6 mm時(shí)，拋光液的增稠效果減弱，這會(huì)降低拋光效率。在拋光間距為4 mm時(shí)，滾子的表面粗糙度最小。

2）在最優(yōu)的工藝參數(shù)組合條件下（拋光轉(zhuǎn)速70 r/min，拋光間距4 mm，磨粒的質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%， Al2O3與SiO2的質(zhì)量比為1∶1的混合磨粒），拋光30 min后滾子的表面粗糙度從（40±10）nm降至（8.51±2）nm，獲得了光滑、無(wú)缺陷表面且在拋光過(guò)程中未影響滾子的圓度，拋光后滾子的表面摩擦因數(shù)降低，表面不易發(fā)生氧化物堆積黏附現(xiàn)象，這有利于提高球面滾子軸承的服役性能。

[1] 卓福海. 工業(yè)齒輪箱中調(diào)心滾子軸承應(yīng)用特點(diǎn)分析[J]. 機(jī)械傳動(dòng), 2016, 40(10): 162-165.

ZHUO Fu-hai. Application Characteristic Analysis of Spherical Roller Bearing in Industrial Gearbox[J]. Journal of Mechanical Transmission, 2016, 40(10): 162-165.

[2] 王世鋒. 球面滾子超精研工藝及裝備的研究[D]. 合肥: 合肥工業(yè)大學(xué), 2004: 42-43.

WANG Shi-feng. Study on Technology and Equipment for Superfinishing of Spherical Rollers[D]. Hefei: Hefei University of Technology, 2004: 42-43.

[3] 周俊榮, 劉明, 賀宇, 等. 球面滾子外徑超精機(jī)[J]. 軸承, 2014(8): 23-24.

ZHOU Jun-rong, LIU Ming, HE Yu, et al. Superfinishing Machine for Outer Diameter Surface of Spherical Rollers[J]. Bearing, 2014(8): 23-24.

[4] 姚蔚峰, 袁巨龍, 江亮, 等. 偏心運(yùn)動(dòng)雙平面超精研拋圓柱面研究[J]. 中國(guó)機(jī)械工程, 2018, 29(19): 2327-2334.

YAO Wei-feng, YUAN Ju-long, JIANG Liang, et al. Study on Both-side Cylindrical Ultra-Precision Lapping and Polishing Processes in Eccentric Rotation[J]. China Mechanical Engineering, 2018, 29(19): 2327-2334.

[5] UMEHARA N, KOMANDURI R. Magnetic Fluid Grin-ding of HIP-Si3N4Rollers[J]. Wear, 1996, 192(1-2): 85-93.

[6] JIANG Liang, HE Yong-yong, LUO Jian-bin. Chemical Mechanical Polishing of Steel Substrate Using Colloidal Silica-Based Slurries[J]. Applied Surface Science, 2015, 330: 487-495.

[7] ZAKHAROV O V, BALAEV A F, BOCHKAREV A P. Shaping of Spherical Surfaces on Centerless Superfini-shing Machines with Longitudinal Supply[J]. Russian Engineering Research, 2015, 35(4): 264-266.

[8] LI Min, LYU Bing-hai, YUAN Jv-long, et al. Shear- Thickening Polishing Method[J]. International Journal of Machine Tools and Manufacture, 2015, 94: 88-99.

[9] LYU Bing-hai, DONG Chen-chen, YUAN Ju-long, et al. Experimental Study on Shear Thickening Polishing Me-thod for Curved Surface[J]. International Journal of Nano-manufacturing, 2017, 13(1): 81.

[10] LI Min, HUANG Zhen-rong, DONG Ting, et al. Surface Quality of Zirconia (ZrO2) Parts in Shear-Thickening High- Efficiency Polishing[J]. Procedia CIRP, 2018, 77: 143-146.

[11] LYU Bing-hai, HE Qian-kun, CHEN Shi-hao, et al. Experimental Study on Shear Thickening Polishing of Cemented Carbide Insert with Complex Shape[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Techno-logy, 2019, 103(1): 585-595.

[12] ZHU Wu-le, BEAUCAMP A. Non-Newtonian Fluid Based Contactless Sub-Aperture Polishing[J]. CIRP Annals, 2020, 69(1): 293-296.

[13] NGUYEN D, DAO T, PRAKASHD C, et al. Machining Parameter Optimization in Shear Thickening Polishing of Gear Surfaces[J]. Journal of Materials Research and Technology, 2020, 9(3): 5112-5126.

[14] MING Y, HUANG X, ZHOU D, et al. A Novel Non- Newtonian Fluid Polishing Technique for Zirconia Cera-mics Based on the Weak Magnetorheological Strengthe-ning Thickening Effect[J]. Ceramics International, 2022, 48(5): 7192-7203.

[15] GALINDO-ROSALES F J, RUBIO-HERNANSEZ F J, SEVILLA A, et al. Cross may Have Tackled the Deve-lopment of “an Apparent Viscosity Function for Shear Thickening Fluids”[J]. Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics, 2011, 166(23/24): 1421-1424.

[16] SHAO Qi, LYU Binghai, YUAN Ju-long, et al. Shear Thickening Polishing of the Concave Surface of High-Temperature Nickel-Based Alloy Turbine Blade[J]. Journal of Materials Research and Technology, 2021, 11: 72-84.

[17] WANG Jia-huan, LYU Binghai, JIANG Liang, et al. Chemistry Enhanced Shear Thickening Polishing of Ti-6Al-4V[J]. Precision Engineering, 2021, 72: 59-68.

[18] NALBANT M, GOKKAYA H, SUR G. Application of Taguchi Method in the Optimization of Cutting Parame-ters for Surface Roughness in Turning[J]. Materials & Design, 2007, 28(4): 1379-1385.

[19] DHAVLIKAR M N, KULKARNI M S, MARIAPPAN V. Combined Taguchi and Dual Response Method for Optimization of a Centerless Grinding Operation[J]. Jour-nal of Materials Processing Technology, 2003, 132(1/2/3): 90-94.

[20] HANG Wei, ZHOU Li-bo, ZHANG Ke-hua, et al. Study on Grinding of LiTaO3Wafer Using Effective Cooling and Electrolyte Solution[J]. Precision Engineering, 2016, 44: 62-69.

[21] GHANI J A, CHOUDHURY I A, HASSAN H H. Appli-cation of Taguchi Method in the Optimization of End Milling Parameters[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2004, 145(1): 84-92.

[22] JIANG Ming, Komanduri R. Application of Taguchi Method for Optimization of Finishing Conditions in Magnetic Float Polishing (MFP)[J]. Wear, 1997, 213(1/2): 59-71.

[23] 陳連喜, 田華, 葉春生, 等. 硅溶膠制備與應(yīng)用研究進(jìn)展[J]. 山西化工, 2007, 27(4): 9-12.

CHEN Lian-xi, TIAN Hua, YE Chun-sheng, et al. Rese-arch Progress of Preparation and Application of Silica Sol[J]. Shanxi Chemical Industry, 2007, 27(4): 9-12.

[24] LYU Binhai, SHAO Qi, HANG Wwei, et al. Shear Thickening Polishing of Black Lithium Tantalite Sub-strate[J]. International Journal of Precision Engineering and Manufacturing, 2020, 21(9): 1663-1675.

[25] 陳士豪, 呂冰海, 賀乾坤, 等. 圓柱曲面剪切增稠拋光材料去除函數(shù)仿真與實(shí)驗(yàn)研究[J]. 表面技術(shù), 2019, 48(10): 355-362.

CHEN Shi-hao, LYU Bing-hai, HE Qian-kun, et al. Simulation and Experimental Study on Material Removal Function of Shear Thickening Polishing Cylindrical Surface[J]. Surface Technology, 2019, 48(10): 355-362.

Optimization Experiment for Shear Thickening Polishing of Spherical Roller

,,,,,

(College of Mechanical Engineering, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, China)

The work aims to study the effects of polishing parameters on the surface roughness in the shear thickening polishing (STP) process of spherical roller to obtain smooth surface of spherical roller and optimize the polishing parameters. The effects of four process parameters on the surface roughness of spherical were analyzed, including the types of abrasive, the abrasive concentration, the polishing speed and the polishing distance. Taguchi method was used in the experiment, and the surface roughness was used as evaluating indicator to analyze the influence of the four parameters. The signal-to-noise ratio (/) of experimental results was calculated to obtain an optimized combination of process parameters. The frictional wear propertiesof thepolishedsurfaceweretestedby friction and wear experiments. With the increase of the polishing speed, the polish efficiency increased firstly and then decreased, because the high centrifugal force caused by the high polishing speed resulted in a reduction of abrasive particles in the processing area. An increase in the concentration of abrasive can increase the number of abrasive particles involved in processing, but the concentration of abrasive particles also affected the rheological properties of the polishing slurry, the thickening effect of polishing slurry decreased with the increase of abrasive particle concentration, and the polishing effect was the best when the abrasive particle concentration was 10%. Polishing slurry with mixed abrasive of 1∶1 SiO2/Al2O3can be more effective in removing workpiece surface defects compared with single Al2O3or SiO2abrasive.On the one hand, nano-SiO2enhanced the oxidation rate of the workpiece surface material in the acid polishing solution, and reduced the strength of the workpiece surface material. On the other hand, Al2O3abrasive grains and SiO2abrasive grains further improved the mechanical removal rate of abrasive grains.The polishing distance affected the shear force of the polishing slurry in the processing area. When the polishing distance was 2 mm, the polishing slurry between the workpiece and the polishing tank was solid-like under the action of strong shear force, and cannot pass through the machining gap continuously, and the polishing slurry was completely blocked between the workpiece and the polishing tank. When the polishing distance was 6 mm, the shear force of the polishing slurry was weakened, and the shear thickening effect of the polishing slurry was reduced, resulting in a decrease in the polishing effect. Compared with the polishing distance of 2 mm and 6 mm, polishing slurry had better fluidity and thickening effect when polishing distance was 4 mm. Under the optimized polishing conditions with mixed abrasive of 1∶1 SiO2/Al2O3, abrasive concentration 10%, polishing speed 70 r/min, and polishing distance 4 mm, the surface roughnessof the spherical roller decreased from (40±10) nm to (8.51±2) nm in 30 minutes' polishing. STP can effectively remove defects on the roller surface and improve the surface quality, and the polishing process does not change the roundness of the roller. The friction coefficient of the roller surface after polishing is reduced, and less oxide layer is generated and accumulated on polished surface compared to the surface before polishing. The results show that STP method can improve the surface quality of spherical roller effectively.

spherical rollers; shear thickening polishing; surface roughness; coefficient of friction

TG356.28

A

1001-3660(2023)01-0232-10

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2023.01.024

2021–12–30；

2022–05–05

2021-12-30；

2022-05-05

國(guó)家自然科學(xué)基金（52175441）

National Natural Science Foundation of China (52175441)

傅琳（1997—），男，碩士生，主要研究方向?yàn)槌苣チ＜庸ぜ夹g(shù)。

FU Lin (1997-), Male, Master, Research focus: ultra-precision processing technology.

呂冰海（1978—），男，研究員，主要研究方向?yàn)槌苣チ＜庸ぜ夹g(shù)。

LYU Bin-hai (1978-), Male, Professor, Research focus: ultra-precision processing technology.

傅琳, 邵藍(lán)櫻, 楊居儒, 等.球面滾子剪切增稠拋光優(yōu)化實(shí)驗(yàn)[J]. 表面技術(shù), 2023, 52(1): 232-241.

FU Lin, SHAO Lan-ying, YANG Ju-ru, et al. Optimization Experiment for Shear Thickening Polishing of Spherical Roller[J]. Surface Technology, 2023, 52(1): 232-241.

責(zé)任編輯：彭颋