止推氣浮軸承工作表面的研磨拋光工藝

盧志偉，屠喜，周珂儀，劉波，張君安

(西安工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，西安 710032)

采用止推氣浮軸承的精密導(dǎo)軌工作臺(tái)不僅可以獲得非常小且一致性較好的動(dòng)靜摩擦因數(shù)和較高的靈敏度，而且由于止推氣浮軸承工作氣膜具有均化誤差的作用，可以使工作臺(tái)的工作特性得以改善[1-2]。

在超精密機(jī)床及設(shè)備中，止推氣浮軸承的表面質(zhì)量直接影響機(jī)床設(shè)備的精度，有時(shí)甚至要求軸承的工作表面達(dá)到鏡面效果(表面粗糙度Ra在0.02 μm以內(nèi))[3-4]。因此，止推氣浮軸承在加工和應(yīng)用中必須消除其表面存在的缺陷，并解決軸承精密加工的難題，以使止推氣浮軸承獲得較高的表面質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)其優(yōu)越性[5-6]。下文對(duì)設(shè)計(jì)的新型止推氣浮軸承的精密研磨拋光(簡(jiǎn)稱研拋)工藝進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)研究。

1 止推氣浮軸承的結(jié)構(gòu)及工作原理

設(shè)計(jì)的止推氣浮軸承為一種具有可變均壓槽的結(jié)構(gòu)，如圖1所示。止推氣浮軸承采用彈性薄板結(jié)構(gòu)，通過(guò)氣膜壓力使彈性薄板產(chǎn)生彈性變形引起均壓槽深度的變化，從而提高自身剛度。

圖1 止推氣浮軸承結(jié)構(gòu)示意圖

止推氣浮軸承的工作原理為：外部高壓氣體由進(jìn)氣孔進(jìn)入軸承本體中，通過(guò)環(huán)形槽氣腔，最后由節(jié)流孔輸出到導(dǎo)軌面，形成壓力氣膜從而與導(dǎo)軌形成氣浮支承。當(dāng)外力增大或減小時(shí)，彈性薄板沿環(huán)形槽氣腔方向產(chǎn)生內(nèi)凹或者外凸，改變節(jié)流孔的環(huán)面節(jié)流面積，并形成可變深度的均壓槽，提高了軸承的剛度。為實(shí)現(xiàn)這種可變深度均壓槽，實(shí)際加工時(shí)需向軸承環(huán)形槽氣腔提供大于工作壓力的氣體以使彈性薄板外凸，從而進(jìn)行彈性薄板表面的加工；加工完成后環(huán)形槽氣腔不供氣狀態(tài)下(正常大氣壓)，軸承的彈性薄板自然內(nèi)凹形成初始均壓槽。該止推氣浮軸承的特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需滿足一定的剛度要求，為此彈性薄板與軸承本體采用高強(qiáng)度黏合劑粘接在一起進(jìn)行后續(xù)加工。彈性薄板采用0.5 mm厚的不銹鋼材料，軸承本體采用硬鋁材料。

目前，止推氣浮軸承的表面采用手工加工，易產(chǎn)生劃痕、表面不平整等缺陷，嚴(yán)重影響軸承性能的發(fā)揮；同時(shí)由于軸承的特殊結(jié)構(gòu)，通氣情況下加工時(shí)存在纏繞問(wèn)題，加工效率低且質(zhì)量不穩(wěn)定。因此，應(yīng)對(duì)止推氣浮軸承研拋工藝進(jìn)行研究，以解決纏繞問(wèn)題，消除軸承表面存在的劃痕、凹坑等缺陷，從而獲得較高的表面質(zhì)量和良好的使用性能。

2 研拋工藝設(shè)計(jì)

2.1 工藝流程

精密研拋止推氣浮軸承表面(圖1中彈性薄板的下表面)的工藝流程如圖2所示。根據(jù)止推氣浮軸承精密研拋的工藝要求，需要將止推氣浮軸承與陶瓷板固定在一起進(jìn)行加工，首先用調(diào)節(jié)溫控爐將陶瓷板加熱至160 ℃左右，然后在陶瓷板上均勻涂抹粘接石蠟，將軸承本體的上表面牢固地粘接在陶瓷板上；接著將陶瓷板和軸承一起放到壓力機(jī)上進(jìn)行加壓和冷卻，保證整個(gè)軸承粘接牢固；最后分別在φ460 mm的鑄鐵、合成銅、純錫盤上進(jìn)行粗研、精研、拋光，消除軸承表面的劃痕，保證達(dá)到鏡面的精度要求。

圖2 止推氣浮軸承精密研拋工藝流程

2.2 研拋機(jī)加載機(jī)構(gòu)改進(jìn)

采用立式研拋機(jī)YM-18LX進(jìn)行止推氣浮軸承精密研拋工藝時(shí)，為提高研拋加工的自動(dòng)化程度，將原有的手工砝碼加載方式改為氣缸加載，通過(guò)調(diào)節(jié)氣缸壓力即可實(shí)現(xiàn)連續(xù)加載。改進(jìn)后的研拋機(jī)氣缸加載結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1—研磨盤；2—?dú)飧|；3—工件盤；4—加載壓盤；5—轉(zhuǎn)向滾動(dòng)球；6—加載軸桿；7—?dú)鈮焊祝?—?dú)飧妆３旨埽?—千分表；10—出料口；11—皮帶輪；12—主軸電動(dòng)機(jī)

3 研拋工藝試驗(yàn)分析

3.1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

為研究各工藝參數(shù)對(duì)止推氣浮軸承加工表面質(zhì)量的影響，將工藝試驗(yàn)分為2部分：一是研磨試驗(yàn)，二是拋光試驗(yàn)。

選定研拋轉(zhuǎn)速、研拋壓力、磨料種類和磨料粒度4個(gè)主要工藝參數(shù)進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)，并將表面粗糙度Ra和面輪廓度Pt作為工件表面質(zhì)量評(píng)價(jià)值。研磨和拋光試驗(yàn)均使用單因素法，每次試驗(yàn)只改變1個(gè)工藝參數(shù)得出試驗(yàn)數(shù)據(jù)并進(jìn)行篩選，最后得出較優(yōu)的組合參數(shù)再進(jìn)行單因素的組合試驗(yàn)分析。

3.2 研磨工藝試驗(yàn)分析

止推氣浮軸承研磨工藝試驗(yàn)的研磨盤均采用合成銅盤(無(wú)說(shuō)明時(shí)磨料為氧化鋁)，磨料粒度為W7.0。研磨工藝參數(shù)對(duì)止推氣浮軸承表面質(zhì)量的影響如圖4所示。

圖4 研拋工藝參數(shù)對(duì)軸承表面粗糙度的影響

止推氣浮軸承在研磨壓力為0.8 MPa，研磨時(shí)間為25 min下，研磨轉(zhuǎn)速對(duì)表面粗糙度Ra的影響如圖4a所示。隨著轉(zhuǎn)速的增大，軸承表面粗糙度值有一個(gè)先減小后增大的變化過(guò)程，在轉(zhuǎn)速為60 r/min時(shí)表面粗糙度值最小。分析認(rèn)為：在轉(zhuǎn)速較小時(shí)，磨料沒(méi)有均勻分布于研磨盤上，導(dǎo)致表面粗糙度值較大；隨著轉(zhuǎn)速的提高，參與磨削的磨粒增多，提高了磨料的分布均勻性，使表面粗糙度值降低；但轉(zhuǎn)速繼續(xù)增大時(shí)研磨液被甩出，又造成參與磨削的磨粒數(shù)減少，從而影響加工表面粗糙度。因此，研磨盤轉(zhuǎn)速應(yīng)設(shè)置在合理的范圍內(nèi)，以保證研磨效率和質(zhì)量。

在研磨轉(zhuǎn)速為60 r/min，研磨時(shí)間為25 min下，研磨壓力對(duì)表面粗糙度Ra的影響如圖4b所示。表面粗糙度值隨加載壓力有一個(gè)先增大后減小，又逐漸增大的趨勢(shì)；加載壓力為0.6 MPa時(shí)，表面粗糙度值最小。分析認(rèn)為：加載壓力較小時(shí)，主要是大顆粒磨料參與磨削，導(dǎo)致表面出現(xiàn)劃痕，軸承表面粗糙度值較大；當(dāng)加載壓力繼續(xù)增大，磨料被壓入，有更多的較小磨料參與研磨，使工件表面粗糙度值下降；但加載壓力超過(guò)0.6 MPa后，試件與研磨盤表面之間的間隙逐漸減小，造成有效磨料進(jìn)入困難，導(dǎo)致表面粗糙度值逐漸增大。

在研磨轉(zhuǎn)速為60 r/min，研磨壓力為0.8 MPa，研磨時(shí)間為25 min下，磨料種類對(duì)表面粗糙度Ra的影響如圖4c所示。隨著磨料硬度的增大,軸承表面劃痕愈明顯，其中金剛石磨料最硬，雖對(duì)加工表面研磨比較快，但易造成加工面的機(jī)械損傷，導(dǎo)致表面粗糙度值較大。本試驗(yàn)?zāi)チ线x用氧化鋁，既可以保證表面質(zhì)量，又能滿足研磨效率的要求。

在研磨轉(zhuǎn)速為60 r/min，研磨壓力為0.8 MPa，研磨時(shí)間為25 min條件下，氧化鋁磨料的粒度對(duì)表面粗糙度Ra的影響如圖4d所示。結(jié)果表明：隨著磨料粒度的增大，表面粗糙度值增大較快。在其他影響因素相同的條件下，較小的磨粒能夠使加工表面得到充分均勻的研磨，表面粗糙度值較??；當(dāng)磨料粒度增大時(shí)，在分散的大直徑磨粒磨削作用下，加工表面的劃痕相對(duì)較深，表面粗糙度值較大。

根據(jù)研磨試驗(yàn)各單因素參數(shù)分析，得到止推氣浮軸承研磨試驗(yàn)的較優(yōu)參數(shù)組合為：研磨盤采用合成銅盤，磨料選用氧化鋁，磨料粒度為W7.0，研磨轉(zhuǎn)速取60 r/min,研磨壓力取0.8 MPa，研磨時(shí)間為25 min。在優(yōu)化后的參數(shù)條件下進(jìn)行研磨試驗(yàn)，加工后的軸承表面仍有劃痕存在但不嚴(yán)重，對(duì)工件研磨表面進(jìn)行5次測(cè)量求平均值，得到止推氣浮軸承研磨試件的表面粗糙度Ra為0.22 μm，面輪廓度Pt為0.75 μm，與預(yù)期的技術(shù)指標(biāo)仍有差距，需要對(duì)軸承表面進(jìn)行拋光加工。

3.3 拋光工藝試驗(yàn)分析

拋光工藝試驗(yàn)對(duì)象是較優(yōu)單因素組合研磨后的一組止推氣浮軸承，拋光盤均采用純錫盤。為便于對(duì)比，將拋光的各項(xiàng)工藝參數(shù)對(duì)軸承表面質(zhì)量的影響示于圖4中。

在拋光壓力為0.6 MPa，磨料為人造金剛石，磨料粒度為W1.0，拋光時(shí)間為15 min下，拋光轉(zhuǎn)速對(duì)表面粗糙度Ra的影響如圖4a所示。由試驗(yàn)曲線可知：當(dāng)轉(zhuǎn)速為40 r/min時(shí)，軸承表面有細(xì)微的劃痕；提高到60 r/min時(shí)，軸承表面有不明顯的劃痕但仍然有坑點(diǎn)的存在；當(dāng)轉(zhuǎn)速提高到80 r/min時(shí)，加工表面質(zhì)量較好,劃痕消除，表面粗糙度值最低;若持續(xù)提高轉(zhuǎn)速則可能造成拋光液被甩出。

在拋光轉(zhuǎn)速為60 r/min，人造金剛石磨料粒度為W1.0，拋光時(shí)間為15 min下，拋光加載壓力對(duì)表面粗糙度Ra的影響如圖4b所示。由圖可知，拋光加載壓力對(duì)表面粗糙度的影響曲線與研磨壓力對(duì)表面粗糙度的影響曲線波動(dòng)形式相同，適當(dāng)增大加載壓力可以獲得較好的表面質(zhì)量，但過(guò)大的加載壓力則使加工表面產(chǎn)生壓痕。

在拋光轉(zhuǎn)速為60 r/min，拋光壓力為0.6 MPa，磨料粒度為W1.0，拋光時(shí)間為15 min下，不同磨料對(duì)表面粗糙度Ra的影響如圖4c所示。采用金剛石磨料時(shí)，試件拋光后表面粗糙度值最小。

在拋光轉(zhuǎn)速為60 r/min，拋光壓力為0.6 MPa，磨料為人造金剛石，拋光時(shí)間為15 min下，磨料粒度對(duì)表面粗糙度Ra的影響如圖4d所示。磨料粒度對(duì)去除劃痕有較明顯的效果，粒度越小，拋光試件的表面粗糙度值越小。

通過(guò)各單因素下拋光試驗(yàn)，篩選出了止推氣浮軸承拋光工藝試驗(yàn)的較優(yōu)參數(shù)組合：拋光盤為純錫盤，磨料為人造金剛石，磨料粒度為W1.0，拋光轉(zhuǎn)速為60 r/min，拋光壓力為0.6 MPa，拋光時(shí)間為15 min。采用較優(yōu)單因素組合工藝進(jìn)行的試驗(yàn)表明，拋光后止推氣浮軸承表面平整無(wú)劃痕，表面粗糙度Ra為0.014 μm，面輪廓度Pt為0.16 μm，達(dá)到了鏡面效果，比原手工研拋加工精度提高了25%，研拋效率也較高，滿足了預(yù)期的止推氣浮軸承表面技術(shù)要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

在研拋工藝?yán)碚摰幕A(chǔ)上對(duì)止推氣浮軸承工作表面的研拋工藝進(jìn)行了設(shè)計(jì)和分析，通過(guò)對(duì)研磨和拋光工藝的單因素試驗(yàn)，得到了較優(yōu)研拋試驗(yàn)組合參數(shù)，并將其應(yīng)用于止推氣浮軸承工作表面的研拋加工，最終獲得的軸承工作表面平整無(wú)劃痕，達(dá)到了鏡面效果，滿足了實(shí)際應(yīng)用中的表面技術(shù)要求。該研拋工藝可以為類似止推氣浮軸承產(chǎn)品的超精密加工提供參考和借鑒。