陶瓷軸承外圈內(nèi)圓磨削力與表面質(zhì)量研究

郝慧靈

(包頭鋼鐵職業(yè)技術(shù)學(xué)院數(shù)控工程系，包頭 014010)

0 引 言

軸承作為關(guān)鍵基礎(chǔ)部件被廣泛應(yīng)用于航空航天、精密機(jī)床以及高速發(fā)動機(jī)等尖端裝備領(lǐng)域[1-2]，并且軸承的服役性能直接影響高端裝備的工作性能，以傳統(tǒng)金屬材料為代表的鋼軸承已逐漸無法滿足如今某些工況需求，而工程陶瓷材料與金屬材料相比因?yàn)槠渚哂懈哂捕?、高?qiáng)度、高彈性模量、低熱膨脹系數(shù)以及絕緣等優(yōu)良特性被廣泛應(yīng)用于精密機(jī)械、航空航天、軍事設(shè)備以及特殊工況等領(lǐng)域[3-5]。陶瓷材料的低密度可改善軸承的動態(tài)特性，低熱膨脹系數(shù)可提高軸承的回轉(zhuǎn)精度，高硬度可提升軸承的耐磨性，高抗彎強(qiáng)度可提高軸承的動態(tài)剛度且高自潤滑性可減少軸承的磨損，因此將陶瓷材料應(yīng)用于軸承中可極大提升軸承的應(yīng)用范圍和服役性能。

工程陶瓷為典型的硬脆材料，因?yàn)槠渥陨淼挠泊嘈?，磨削成為其主要的加工方式。不同于其他加工方式，磨削過程中磨削力大，一方面會對工件表面/亞表面造成損傷，另一方面會對陶瓷軸承加工中應(yīng)力變形和構(gòu)型精度造成影響。此外對主軸系統(tǒng)的耦合特性、金剛石砂輪的磨損以及工藝系統(tǒng)的穩(wěn)定性也存在影響[6]。因此研究陶瓷軸承套圈磨削力對陶瓷套圈加工具有重要意義。

近些年國內(nèi)外學(xué)者對陶瓷軸承套圈磨削及其磨削力進(jìn)行了部分研究。吳玉厚等[7]通過對砂輪表面磨粒濃度的觀測建立了多顆磨粒隨機(jī)分布的虛擬砂輪模型，將其導(dǎo)入ABAQUS有限仿真軟件后對工程陶瓷套圈磨削時的磨削力進(jìn)行預(yù)測，通過與套圈磨削實(shí)驗(yàn)對比表明該模型可有效預(yù)測陶瓷套圈磨削時的磨削力。龐靜珠[8]對碳化硅陶瓷高速外圓磨削時的磨削熱進(jìn)行了觀測與研究，其中對磨削力與材料應(yīng)變率的關(guān)系進(jìn)行了系統(tǒng)的闡述與研究，研究表明砂輪速度提升，材料應(yīng)變率上升，磨削力下降。趙明利等[9]對氧化鋯增韌氧化鋁(ZTA)陶瓷超聲內(nèi)圓(內(nèi)圈外圓)磨削邊界損傷預(yù)測系統(tǒng)進(jìn)行了研究，建立了混合函數(shù)的AHPSO-SVM預(yù)測模型，通過實(shí)驗(yàn)表明該模型具有良好的穩(wěn)定性與泛化性能。倪嘉銘[10]對SiC陶瓷等難加工材料的高速外圓磨削熱力耦合機(jī)制進(jìn)行了研究，通過仿真與實(shí)驗(yàn)揭示了脆性材料高速磨削熱力耦合共同作用下的磨削表面增韌機(jī)制。吳玉厚等[11]對氧化鋯陶瓷軸承套圈的磨削力進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，獲得了不同磨削參數(shù)對磨削力的影響規(guī)律，后建立了外圓磨削的磨削力模型，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該模型的誤差在10%之內(nèi)，可較為精準(zhǔn)地預(yù)測實(shí)際加工情況。閆海鵬等[12]通過正交實(shí)驗(yàn)對陶瓷內(nèi)圓磨削表面粗糙度進(jìn)行了研究，分析了不同磨削參數(shù)與表面粗糙度的關(guān)系，并在此基礎(chǔ)上建立了氮化硅陶瓷內(nèi)圓磨削的粗糙度預(yù)測模型。孫長青等[13]研究了砂輪粒度和磨削參數(shù)對陶瓷軸承外圈內(nèi)表面粗糙度的影響規(guī)律，通過正交實(shí)驗(yàn)得出了一個最優(yōu)工藝參數(shù)組合。吳玉厚等[14]對高速電主軸用陶瓷軸承套圈內(nèi)表面進(jìn)行了磨削試驗(yàn)研究，得出了磨削參數(shù)對表面粗糙度的影響規(guī)律和比磨削能與去除方式的關(guān)系，指出在脆性去除時所消耗的能量比塑性去除少。

以上研究表明研究陶瓷外圓磨削力對完善陶瓷加工理論有重要意義，但以往的研究多數(shù)針對磨削參數(shù)與磨削力的關(guān)系、磨削參數(shù)與粗糙度的關(guān)系以及粗糙度和磨削力的預(yù)測模型等，沒有將上述的過程參量有效地進(jìn)行聯(lián)系，沒有探討磨削力變化對表面質(zhì)量的影響情況，因此本文以氮化硅陶瓷套圈為研究對象，研究其外圓磨削力對表面質(zhì)量的影響規(guī)律。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 設(shè)備與方案

本次實(shí)驗(yàn)在精密數(shù)控內(nèi)外圓復(fù)合磨床上進(jìn)行，砂輪采用粒度為230/250#的人造金剛石砂輪(RVD)。軸承套圈采用粗磨后的7008C氮化硅陶瓷套圈，磨削力由Kistler9123C三向旋轉(zhuǎn)測力儀進(jìn)行檢測，可對法向與切向磨削力同時檢測，如圖1所示。磨削后的表面質(zhì)量采用粗糙度檢測儀和掃描電鏡進(jìn)行測量與觀測，表面粗糙度檢測采用Taylor Hobson公司的Surtron-ic25型粗糙度儀，該儀器穩(wěn)定性好，精度高，測量精度可以達(dá)到0.001 μm，掃描電鏡為日立S-4800冷場發(fā)射電子掃描顯微鏡，放大倍數(shù)在20～800 000倍之間，同時配有X-射線能譜儀和內(nèi)測標(biāo)尺功能。實(shí)驗(yàn)采用單因素實(shí)驗(yàn)法，通過調(diào)整不同磨削參數(shù)(砂輪轉(zhuǎn)速vs、工件轉(zhuǎn)速vw、進(jìn)給量vf)以獲得不同磨削力，在濕磨下進(jìn)行，采用砂輪旋轉(zhuǎn)方向與工件旋轉(zhuǎn)方向相反的方式進(jìn)行磨削加工，為了使測量的磨削力更接近于實(shí)際加工情況，先對空載并噴冷卻液時的磨削力進(jìn)行測量，而后得出的實(shí)驗(yàn)?zāi)ハ髁χ禐閷?shí)際磨削力值與空載噴冷卻液時的磨削力值的差值。

圖1 外圓磨削加工及測量Fig.1 Cylindrical grinding processing and measurement

1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示，由表1可知在不同磨削參數(shù)下獲得的法向磨削力(Fn)最大值為261 N、最小值為92 N，切向磨削力(Ft)最大值為92 N、最小值為33 N，法向磨削力是切向磨削力的3倍左右；表面粗糙度值在0.298～0.511 μm之間；隨著砂輪轉(zhuǎn)速減小，進(jìn)給量和工件轉(zhuǎn)速增加，外圓磨削法向與切向力均增大，表面粗糙度值增大。

表1 不同參數(shù)下的磨削力與粗糙度Table 1 Grinding force and surface roughness under different parameters

2 結(jié)果與討論

2.1 磨削參數(shù)與磨削力關(guān)系

將表1中不同磨削參數(shù)下磨削力的變化呈現(xiàn)于圖2中，由圖2(a)可知，當(dāng)進(jìn)給量和工件轉(zhuǎn)速不變時，隨著砂輪速度由8 000 r/min增加到16 000 r/min，法向磨削力由235 N減小到98 N，切向磨削力由82 N減小到33 N。出現(xiàn)此現(xiàn)象的原因?yàn)樯拜喫俣仍黾?，砂輪上磨粒的?shí)際切削厚度減小，降低了每個磨粒的實(shí)際切削力，因此整體磨削力降低。此外，由于砂輪速度增大，在一定程度上會在磨削區(qū)周圍形成空氣氣障，阻礙磨削液的進(jìn)入，導(dǎo)致磨削區(qū)溫度升高，適當(dāng)磨削高溫提高了氮化硅材料的斷裂韌性[15-17]，增加了材料塑性去除的比例，因此磨削力降低。

圖2 磨削參數(shù)與磨削力關(guān)系Fig.2 Relationship between grinding parameters and grinding force

由圖2(b)可知，當(dāng)砂輪速度與工件轉(zhuǎn)速不變，進(jìn)給量從0.005 mm/min增加到0.025 mm/min時，法向磨削力從92 N增加到261 N，切向磨削力從35 N增加到92 N。出現(xiàn)此現(xiàn)象的原因是當(dāng)進(jìn)給量較小時，最大未變形切屑厚度小于陶瓷材料發(fā)生延脆性去除轉(zhuǎn)變的臨界切深，陶瓷套圈實(shí)現(xiàn)以塑性變形為主的磨削過程，法向磨削力與切向磨削力均很小，當(dāng)進(jìn)給量較大時，磨削過程中參與磨削的有效磨粒數(shù)增多，同時接觸弧長增大，因此法向與切向磨削力增大。

由圖2(c)可知，當(dāng)砂輪速度與進(jìn)給量不變，工件轉(zhuǎn)速由50 r/min增加到150 r/min時，法向磨削力由101 N增加到226 N，切向磨削力由36 N增加到86 N。主要原因是當(dāng)工件轉(zhuǎn)速較小時，磨削主要以塑性去除方式為主，隨著工件轉(zhuǎn)速的繼續(xù)增加，磨粒的實(shí)際磨削深度增加，套圈磨削轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈匀コ?，因此法向與切向磨削力增大。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)三個磨削參數(shù)中，進(jìn)給量對磨削力影響最大，砂輪速度次之，工件轉(zhuǎn)速最小。

2.2 磨削力與表面質(zhì)量關(guān)系

表面粗糙度值是評價加工后表面質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，圖3為不同磨削參數(shù)下外圓磨削力與表面粗糙度的關(guān)系曲線，由于法向磨削力是切向磨削力的3倍左右，表明陶瓷外圓磨削主要是靠法向磨削力起作用，并且磨削時磨削力比也在3左右變化，圖3中縱坐標(biāo)從左至右依次為外圓磨削的法向磨削力、切向磨削力和表面粗糙度。由圖3(a)可知，在其他兩個變量不變，砂輪速度增大時，隨著法向與切向磨削力的減小，外圓磨削表面粗糙度值由0.485 μm減小到0.305 μm，對其加工后的表面形貌進(jìn)行觀測后發(fā)現(xiàn)，表面由脆性剝落和脆性斷裂逐漸向塑性變形轉(zhuǎn)變，出現(xiàn)較多的塑性劃痕，因此表面去除方式由脆性去除向塑性去除轉(zhuǎn)變，如圖4所示。

圖3 不同磨削參數(shù)下磨削力與粗糙度關(guān)系Fig.3 Relationship between grinding force and roughness under different grinding parameters

圖4 不同砂輪速度下表面形貌Fig.4 Surface morphology at different grinding wheel speeds

由圖3(b)和圖3(c)可知，在進(jìn)給量和工件轉(zhuǎn)速增大時，隨著法向和切向磨削力的增大，外圓磨削表面粗糙度值分別由0.298 μm和0.315 μm增大到0.511 μm和0.472 μm，對其加工后表微觀形貌進(jìn)行觀測后發(fā)現(xiàn)，表面的去除方式均由塑性去除向脆性去除轉(zhuǎn)變，如圖5和圖6所示。根據(jù)壓痕斷裂力學(xué)可知[18]，磨粒對材料的作用力增加會使材料出現(xiàn)縱向裂紋和橫向裂紋，法向磨削力主要影響縱向裂紋，法向磨削力增加，縱向裂紋擴(kuò)展深度就增加，會引起材料出現(xiàn)脆性剝落和斷裂以及亞表面損傷，切向磨削力主要影響橫向裂紋，切向磨削力的增加會導(dǎo)致橫向裂紋的擴(kuò)展增加，當(dāng)橫向裂紋擴(kuò)展交匯時將引起材料表面的去除，因此會出現(xiàn)磨削力增加、表面脆性斷裂增多的現(xiàn)象。綜合磨削力和表面粗糙度與表面去除方式可發(fā)現(xiàn)，隨著磨削力的增大，表面由塑性去除向脆性去除轉(zhuǎn)變，表面粗糙度值增大，表面質(zhì)量變差；反之，表面由脆性去除向塑性去除轉(zhuǎn)變，表面粗糙度值減小，表面質(zhì)量變好，因此在日常磨削加工中應(yīng)選用較高的砂輪速度和較小的進(jìn)給量以保證加工質(zhì)量。同時，磨削力和表面去除方式的關(guān)系也驗(yàn)證了上文中不同磨削參數(shù)與磨削力關(guān)系分析的可靠性。

圖5 不同進(jìn)給量下表面形貌Fig.5 Surface morphology at different feed rates

圖6 不同工件轉(zhuǎn)速下表面形貌Fig.6 Surface morphology at different workpiece speeds

3 結(jié) 論

(1)隨著砂輪速度減小，進(jìn)給量和工件轉(zhuǎn)速增加，陶瓷外圓磨削法向與切向磨削力均增加；且法向磨削力是切向磨削力的3倍左右。

(2)當(dāng)磨削力增大，磨削表面由塑性去除向脆性去除轉(zhuǎn)變，表面粗糙度值增大，表面質(zhì)量變差；反之，表面由脆性去除向塑性去除轉(zhuǎn)變，表面粗糙度值減小，表面質(zhì)量變好。

(3)在陶瓷軸承外圓磨削時可適當(dāng)選用較高的砂輪速度、較小的進(jìn)給量和工件轉(zhuǎn)速以保證表面加工質(zhì)量和加工效率。