基于金剛石固結(jié)磨具的圓柱滾子高效研磨工藝研究*

雷 陽, 楊曉光, 馮凱萍, 周兆忠, 袁巨龍

(1. 杭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 特種設(shè)備學(xué)院, 杭州 310018)

(2. 杭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 黨委學(xué)工部, 杭州 310018)

(3. 衢州學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院, 浙江 衢州 324002)

(4. 浙江工業(yè)大學(xué), 特種裝備制造與先進(jìn)加工技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 杭州 310014)

圓柱滾子作為軸承的關(guān)鍵零件之一，其制造加工精度和質(zhì)量直接影響軸承的動(dòng)態(tài)性能以及使用壽命[1]。傳統(tǒng)圓柱滾子滾動(dòng)面的加工方法主要包括無心磨削、無心研磨等精密加工方法[2-3]。無心磨削雖然生產(chǎn)效率高，但是批量一致性較差；無心研磨主要用于提高圓柱滾子圓柱度與直線度，雖然能取得較好的表面質(zhì)量，但設(shè)備轉(zhuǎn)速較慢，加工效率較低。超精加工為目前比較常規(guī)的圓柱滾子精加工方法[4-5]，分為粗超和精超加工，粗超加工主要用于修形和去除余量，精超加工主要用于改善工件表面粗糙度，具有較高的生產(chǎn)效率和良好的表面加工質(zhì)量；但加工中油石選擇較煩瑣，而且對(duì)前、后導(dǎo)輥有較高精度要求，同時(shí)油石的修整和加工較復(fù)雜。此外，UMEHARA等[6]提出了磁流體研磨加工方法，該方法能保證批量一致性，但無法實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)且對(duì)加工材料有一定限制。

傳統(tǒng)上，雙平面研磨設(shè)備一般主要用于研磨精度要求較高的平面零件，如硅晶片、光學(xué)玻璃和磁盤等[7-8]。馮銘等[9-10]提出了一種行星式雙平面研磨圓柱滾子的方法，能夠獲得一致性高、精度高的圓柱滾子，具有加工成本低等優(yōu)點(diǎn)；JIANG等[11]對(duì)行星式雙平面研磨圓柱滾子進(jìn)行改進(jìn)，提出了用雙平面偏心盤式化學(xué)機(jī)械拋光方法對(duì)圓柱滾子進(jìn)行精加工，利用該方法研磨60 min、粗拋10 min、精拋10 min后，其表面粗糙度從76.0 nm下降到16.6 nm，圓柱度從0.97 μm下降到0.40 μm。

上述幾種試驗(yàn)方法均使用游離磨料對(duì)圓柱滾子進(jìn)行研磨，研磨效率較低。和游離磨料研磨相比，固結(jié)磨料磨具有更高的材料去除率和去除均勻性，且能獲得更好的表面加工質(zhì)量[12-13]。因此，在雙平面偏心盤式圓柱滾子拋光方法的基礎(chǔ)上，提出基于固結(jié)金剛石磨料磨具的圓柱滾子研磨方法，在上下盤黏附金剛石丸片對(duì)圓柱滾子進(jìn)行超精密研磨試驗(yàn)，以提高GCr15軸承鋼圓柱滾子的研磨效率和精度。

1 研磨方法及丸片制備

1.1 雙平面偏心式研磨方法

雙平面偏心式研磨方法如圖1所示，主要由以下部分組成：上、下研磨盤，外齒圈，偏心輪，內(nèi)齒盤和夾具。

圖1 偏心式雙平面圓柱滾子加工機(jī)構(gòu)示意圖

從圖1可知：偏心輪的圓心和旋轉(zhuǎn)中心的偏心距離為30 mm，偏心輪、上研磨盤和下研磨盤分別獨(dú)立轉(zhuǎn)動(dòng)，夾具放在內(nèi)齒盤的12個(gè)圓孔中，圓柱滾子放在夾具的孔槽內(nèi)；夾具可在內(nèi)齒盤圓孔中旋轉(zhuǎn)，可調(diào)整圓柱滾子軸線和內(nèi)齒盤中心的偏心角。圓柱滾子在上、下研磨盤和夾具的共同作用下，不僅繞偏心輪中心公轉(zhuǎn)，而且同時(shí)自身滾動(dòng)，做復(fù)雜空間運(yùn)動(dòng)，保證其研磨軌跡的均勻性。

1.2 研磨丸片制備

丸片各類成分及質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表1所示。表1中的 128液體環(huán)氧樹脂與2123粉狀酚醛樹脂并用作為細(xì)粒度金剛石磨具的結(jié)合劑，主要原因是：(1)環(huán)氧樹脂對(duì)酚醛樹脂溶解能力差，基本靠黏附作用使粉狀樹脂失去游離狀態(tài)，在混料過程中，不易結(jié)塊，容易過篩；(2)酚醛樹脂與環(huán)氧樹脂發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，可減少揮發(fā)物生成，降低磨具脹裂的可能性。同時(shí)，磷苯二甲酸二丁酯為增韌劑，使磨具具有較好的彈性；325目(基本顆粒尺寸為44 μm)的電解銅粉用于增加磨具氣孔率，傳導(dǎo)研磨熱能，提高磨具耐熱性；1 500目(基本顆粒尺寸為9 μm)的碳化硅微粉用于提高磨具耐磨性；氧化鈰粉(基本顆粒尺寸為0.2～0.3 μm)和325目(基本顆粒尺寸為44 μm)的銅包石墨粉提高磨具的拋光性能；325目(基本顆粒尺寸為44 μm)的冰晶石粉在研磨過程中研磨熱作用下可熔融，促使磨粒易脫落，減少磨具堵塞，同時(shí)還可起潤滑作用[14]。

表1 金剛石丸片成分

丸片制作過程:(1)將金剛石微粉磨料和液體環(huán)氧樹脂、磷苯二甲酸二丁酯在V形筒混料機(jī)中混合2 h，液體環(huán)氧樹脂為濕潤劑黏結(jié)在磨粒表面，有利于提高磨料的分散均勻性；(2)將電解銅粉、碳化硅微粉等填充劑逐步加入上面的料中混合2 h；(3)再將酚醛樹脂粉加入混合料中，充分混合20 h，混合完成后過200目篩(篩網(wǎng)網(wǎng)孔尺寸為74 μm)，制成成形料；(4)最后在180 ℃條件下，將成形料熱壓燒結(jié)5 min，制成丸片。

2 研磨試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為優(yōu)化固結(jié)磨料磨具的研磨工藝參數(shù)，開展單因素工藝試驗(yàn)，研究不同金剛石微粉粒度代號(hào)、金剛石丸片砂結(jié)比(金剛石微粉與樹脂結(jié)合劑質(zhì)量比)和研磨液黏度條件下對(duì)圓柱滾子的表面粗糙度、平均圓度誤差及材料去除率等的影響。圓柱滾子雙平面固結(jié)磨料磨具研磨工藝條件如表2所示。表2中的研磨液為聚乙二醇水溶液，其體積分?jǐn)?shù)分別為0、40%、60%、70%和80%時(shí)對(duì)應(yīng)的研磨液黏度值分別為1.005、2.960、5.380、7.530和10.050 mPa·s，即通過控制聚乙二醇體積分?jǐn)?shù)來改變研磨液黏度，進(jìn)而控制研磨過程中研磨液的潤滑性能。同時(shí)，表2中的金剛石微粉粒度代號(hào)表示的金剛石微粉基本顆粒尺寸隨代號(hào)增大而不斷增大。

表2 圓柱滾子雙平面固結(jié)磨料磨具研磨工藝條件

圓柱滾子研磨試驗(yàn)裝置如圖2所示。其中：圖 2a為試驗(yàn)用偏心式雙平面研磨機(jī)；圖2b為下鑄鐵盤粘貼好研磨丸片并放好圓柱滾子工件時(shí)的圖片，圖中夾具孔槽為八邊形，共安裝有12個(gè)GCr15軸承鋼圓柱滾子，并在基盤上緊密排列，該排列方式在保證圓柱滾子在盤面充分滾動(dòng)的前提下，又具有良好的排屑能力。研磨盤直徑為300 mm，單個(gè)盤面共粘貼直徑為φ11 mm的金剛石丸片468顆。

(a)偏心式雙平面研磨機(jī)

前期的研磨軌跡仿真模擬和研磨試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)[7-8]：當(dāng)上下盤等取表2中的研磨參數(shù)時(shí)，設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)，圓柱滾子表面的研磨軌跡較均勻；若轉(zhuǎn)速再提高，上盤抖動(dòng)，滾子發(fā)生打滑現(xiàn)象；且壓力和材料去除率基本呈線性關(guān)系，壓力越大，材料去除率越高，合適的壓力范圍為5～20 N/每滾子，不會(huì)對(duì)圓柱滾子表面造成二次損傷。因此，為提高加工效率，選擇20 N/每滾子的壓力。由于研磨機(jī)可裝12個(gè)滾子，故總研磨壓力為20×12=240 N。

滾子研磨后的質(zhì)量指標(biāo)檢測方法如下：(1)使用Taylor Hobson表面粗糙度測試儀在12個(gè)圓柱滾子中取有代表性的滾子表面的不同點(diǎn)測量3次表面粗糙度值，求其平均值為最終結(jié)果；(2)用基恩士超景深顯微鏡對(duì)研磨前、后有代表性的圓柱滾子的表面形貌進(jìn)行觀測；(3)用馬爾圓度儀對(duì)每個(gè)圓柱滾子總長3等分的3個(gè)位置處的研磨后圓度誤差進(jìn)行檢測；(4)用精密電子天平稱量圓柱滾子質(zhì)量，用下式計(jì)算圓柱滾子的材料去除率，并取3次測量結(jié)果的平均值：

(1)

式中：RMRR為材料去除率，μm/min；V為圓柱滾子體積，mm3；δ為圓柱滾子研磨前后質(zhì)量差，g；S為圓柱滾子圓柱面面積，mm2；M0為圓柱滾子初始質(zhì)量，g；t為研磨時(shí)間，min。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 金剛石微粉粒度尺寸的影響

在表2中選擇金剛石丸片砂結(jié)比為1.6,研磨液黏度為5.380 mPa·s,其他條件不變，用表2中5個(gè)粒度代號(hào)的金剛石丸片對(duì)圓柱滾子進(jìn)行研磨。圖3為粒度代號(hào)M1/2、M2/4、M4/8的金剛石丸片研磨后的圓柱滾子表面形貌。如圖2所示：M1/2的金剛石磨粒研磨后的工件表面最平坦，但有細(xì)長劃痕出現(xiàn)，且少量上道工序殘留的磨削劃痕并未完全去除；M4/8磨粒研磨后的工件表面劃痕較大且深；M2/4磨粒研磨后的工件表面由小而淺的劃痕組成，表面劃痕均勻而密集，表面形貌明顯優(yōu)于M4/8磨粒研磨后工件表面的。

表2中5種不同粒度代號(hào)金剛石丸片研磨圓柱滾子的材料去除率和表面粗糙度變化規(guī)律如圖4所示。從圖4可知：由于表2中的金剛石粒度代號(hào)從M1/2變化到M8/16時(shí)，其金剛石粒度基本顆粒尺寸是逐漸增加的，圓柱滾子的研磨效果強(qiáng)烈依賴于金剛石粒度，隨粒度代號(hào)從M8/16變化到M2/4，材料去除率從4.15 μm/min下降到1.80 μm/min，表面粗糙度Ra從0.062 μm下降到0.025 μm。

圖4 不同粒度代號(hào)金剛石丸片研磨圓柱滾子的材料去除率和表面粗糙度

從圖4和圖3可發(fā)現(xiàn)：M1/2和M2/4磨粒研磨都能較好去除工件初始表面損傷，獲得的表面粗糙度大小相當(dāng)，其Ra值分別為0.033 μm和0.025 μm，明顯小于M4/8金剛石磨粒研磨后的表面粗糙度值0.045 μm，因而表面質(zhì)量顯著提高；相比M4/8磨粒研磨造成的大劃痕(圖3c)，M2/4磨粒研磨后的表面劃痕小而淺，且表面劃痕均勻而密集(圖3b)；M1/2磨粒的材料去除率較低，大幅跌至0.50 μm/min，造成工件表面的殘留劃痕未能完全去除，主要原因是金剛石粒度細(xì)，去除能力不足造成(圖3a)。因此，選擇M2/4粒度代號(hào)的金剛石丸片研磨圓柱滾子，不僅可以有效避免研磨過程中大磨粒造成的工件表面劃傷，同時(shí)還可獲得表面質(zhì)量好，且可保證高研磨材料去除率的研磨效果。

3.2 丸片砂結(jié)比的影響

在表2其他條件不變情況下，選擇研磨液黏度為5.380 mPa·s，金剛石微粉粒度代號(hào)為M2/4，丸片砂結(jié)比為1.0～1.8時(shí)的參數(shù)對(duì)圓柱滾子進(jìn)行研磨。不同砂結(jié)比丸片研磨圓柱滾子的材料去除率和表面粗糙度變化規(guī)律如圖5所示。由圖5可知：當(dāng)丸片砂結(jié)比小于1.6時(shí)，隨著砂結(jié)比增大，材料去除率升高，表面粗糙度下降速度增快；但當(dāng)砂結(jié)比超過1.6仍繼續(xù)增大時(shí)，材料去除率略有下降，表面粗糙度反而有所上升。因此，丸片砂結(jié)比選擇1.6時(shí)最合適。

圖5 不同砂結(jié)比丸片研磨圓柱滾子的材料去除率和表面粗糙度

在丸片砂結(jié)比較小時(shí)，研磨過程中有效作用的磨粒密度低，無法對(duì)工件粗糙表面進(jìn)行有效的去除，故材料去除率較低，其單顆磨粒在接觸點(diǎn)上承受的壓強(qiáng)較大，加劇了磨粒切削刃的磨損；而結(jié)合劑含量相對(duì)較高時(shí)，結(jié)合劑對(duì)磨粒的把持力強(qiáng)，磨鈍了的磨粒不能及時(shí)脫落被新磨粒替代，丸片表面鈍化現(xiàn)象明顯，研磨一段時(shí)間后，工件表面粗糙度值下降緩慢。隨著砂結(jié)比增大，磨具中磨料相對(duì)濃度提高，磨料與工件表面的接觸機(jī)會(huì)增大，材料去除率提高，表面質(zhì)量改善；而當(dāng)砂結(jié)比超過1.6繼續(xù)增大時(shí)，丸片中單位表面上磨料過多、結(jié)合劑含量不足，結(jié)合劑與金剛石磨料之間以及結(jié)合劑自身之間結(jié)合不牢固，結(jié)合劑之間的孔隙較大，使得結(jié)合劑對(duì)磨料的把持力不夠而過早脫落，耕犁作用減弱，材料去除效率下降，且伴隨著大顆粒磨粒的過早脫落，容易在工件表面滾壓產(chǎn)生細(xì)微劃痕；同時(shí)，磨具磨損較大，降低了磨具的使用壽命和盤面的形狀精度。

3.3 研磨液黏度的影響

在表2條件下，選擇金剛石微粉粒度代號(hào)為M2/4，砂結(jié)比為1.6，其他條件不變，用不同黏度的研磨液對(duì)圓柱滾子進(jìn)行研磨。圖6為不同黏度研磨液研磨后的表面形貌。

從圖6和圖3b中可以看出：當(dāng)研磨液黏度為1.005 mPa·s時(shí)(圖6a)，由于研磨液潤滑性能較差，磨粒容易在工件表面團(tuán)聚而產(chǎn)生明顯劃痕，影響工件表面加工質(zhì)量；當(dāng)研磨液黏度為5.380 mPa·s時(shí)(圖3b)，工件表面沒有明顯的深劃痕，加工質(zhì)量較好；當(dāng)研磨液黏度為10.050 mPa·s時(shí)(圖6b)，工件表面也沒有明顯的深劃痕，但毛坯研磨后的劃痕依然明顯，其表面質(zhì)量差于圖3b的表面質(zhì)量。

不同黏度研磨液研磨圓柱滾子的材料去除率和表面粗糙度變化如圖7所示。由圖7可知：當(dāng)研磨液黏度最小為1.005 mPa·s(即聚乙二醇體積分?jǐn)?shù)為0)時(shí)，材料去除率最大。隨著研磨液黏度增加，材料去除率逐漸變??；而表面粗糙度則隨著黏度的增大先減小、后增大，在黏度為5.380 mPa·s時(shí)表面粗糙度最小，此時(shí)的材料去除率達(dá)1.7 μm/min。這是因?yàn)楫?dāng)研磨液黏度最低時(shí)，研磨液的潤滑性能較差，大顆粒磨粒容易在工件表面產(chǎn)生明顯劃痕，影響其加工質(zhì)量，使工件表面粗糙度增大；當(dāng)研磨液黏度增加時(shí)，改善研磨液的潤滑性能，從而有效減少大顆粒磨粒對(duì)工件表面產(chǎn)生新的損傷，其表面質(zhì)量較好；當(dāng)研磨液黏度增大到一定程度時(shí)，丸片表面大部分磨粒無法直接作用于工件表面，導(dǎo)致材料去除率急劇下降，研磨效率下降，工件表面粗糙度增大。綜合起來，其他條件不變，研磨液黏度為5.380 mPa·s時(shí)，圓柱滾子研磨效果最佳。

圖7 不同黏度研磨液研磨圓柱滾子的材料去除率和表面粗糙度

3.4 工藝參數(shù)對(duì)平均圓度誤差及批直徑變動(dòng)量的影響

對(duì)雙平面偏心式圓柱滾子研磨選擇上述優(yōu)化的單因素工藝參數(shù)，即在金剛石微粉粒度代號(hào)為M2/4、丸片砂結(jié)比為1.6、研磨液黏度為5.380 mPa·s時(shí)對(duì)圓柱滾子進(jìn)行研磨，研磨前后代表性工件的表面粗糙度如圖8所示。由圖8可知：滾子研磨前后的表面粗糙度Ra從0.081 μm下降到了0.025 μm。

(a)研磨前

對(duì)圓柱滾子研磨前后3個(gè)外圓面進(jìn)行圓度誤差測量，結(jié)果如圖9所示。圖9中：研磨后的平均圓度誤差(小數(shù)點(diǎn)后只保留3位有效數(shù)字)為0.553 μm，優(yōu)于研磨前的1.085 μm。同時(shí)，在研磨過程中，每隔5 min調(diào)換圓柱滾子的兩端面位置，以及打亂圓柱滾子在夾具中的排序，以提高研磨后圓柱滾子批直徑的一致性。

(a)研磨前 Before lapping

將12個(gè)圓柱滾子圓度誤差最大上偏差減去圓度誤差最小下偏差計(jì)算得到12個(gè)圓柱滾子批直徑變動(dòng)量RDWL，研磨前后12個(gè)圓柱滾子批直徑變動(dòng)量RDWL如表3所示(數(shù)據(jù)只保留整數(shù))。表3中：研磨前的批直徑變動(dòng)量RDWL為6 μm，研磨后的批直徑變動(dòng)量RDWL為2 μm，研磨后的圓柱滾子直徑偏差明顯減少，研磨質(zhì)量明顯提高。

表3 直徑20 mm的12個(gè)圓柱滾子研磨前后平均直徑偏差

4 結(jié)論

(1)采用雙平面偏心式研磨方法，在上下盤面粘貼金剛石丸片，使用聚乙二醇水溶液研磨液，對(duì)GCr15軸承鋼圓柱滾子高效研磨加工，圓柱滾子的材料去除率隨金剛石磨粒粒度代號(hào)增大而增大，其表面粗糙度也隨之增大；金剛石丸片砂結(jié)比太大或太小都會(huì)導(dǎo)致圓柱滾子材料去除率下降，進(jìn)而影響其表面粗糙度；合適的研磨液黏度，可以改善研磨時(shí)的潤滑性能，防止大顆粒磨粒劃傷工件表面。

(2)在金剛石微粉粒度代號(hào)為M2/4、丸片砂結(jié)比為1.6、研磨液黏度為5.380 mPa·s時(shí)對(duì)圓柱滾子進(jìn)行研磨，其材料去除率達(dá)1.70 μm/min，圓柱滾子表面粗糙度Ra從研磨前的0.081 μm下降到研磨后的0.025 μm，研磨前后的平均圓度誤差從1.085 μm下降為0.553 μm，批直徑變動(dòng)量RDWL從6 μm下降為2 μm，圓柱滾子加工質(zhì)量顯著提高。