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

(西安工業大學 機電工程學院，西安 710032)

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

在超精密機床及設備中，止推氣浮軸承的表面質量直接影響機床設備的精度，有時甚至要求軸承的工作表面達到鏡面效果(表面粗糙度Ra在0.02 μm以內)[3-4]。因此，止推氣浮軸承在加工和應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量，實現其優越性[5-6]。下文對設計的新型止推氣浮軸承的精密研磨拋光(簡稱研拋)工藝進行相關試驗研究。

1 止推氣浮軸承的結構及工作原理

設計的止推氣浮軸承為一種具有可變均壓槽的結構，如圖1所示。止推氣浮軸承采用彈性薄板結構，通過氣膜壓力使彈性薄板產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 止推氣浮軸承結構示意圖

止推氣浮軸承的工作原理為：外部高壓氣體由進氣孔進入軸承本體中，通過環形槽氣腔，最后由節流孔輸出到導軌面，形成壓力氣膜從而與導軌形成氣浮支承。當外力增大或減小時，彈性薄板沿環形槽氣腔方向產生內凹或者外凸，改變節流孔的環面節流面積，并形成可變深度的均壓槽，提高了軸承的剛度。為實現這種可變深度均壓槽，實際加工時需向軸承環形槽氣腔提供大于工作壓力的氣體以使彈性薄板外凸，從而進行彈性薄板表面的加工；加工完成后環形槽氣腔不供氣狀態下(正常大氣壓)，軸承的彈性薄板自然內凹形成初始均壓槽。該止推氣浮軸承的特殊結構設計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度黏合劑粘接在一起進行后續加工。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，易產生劃痕、表面不平整等缺陷，嚴重影響軸承性能的發揮；同時由于軸承的特殊結構，通氣情況下加工時存在纏繞問題，加工效率低且質量不穩定。因此，應對止推氣浮軸承研拋工藝進行研究，以解決纏繞問題，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量和良好的使用性能。

2 研拋工藝設計

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行加工，首先用調節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上進行加壓和冷卻，保證整個軸承粘接牢固；最后分別在φ460 mm的鑄鐵、合成銅、純錫盤上進行粗研、精研、拋光，消除軸承表面的劃痕，保證達到鏡面的精度要求。

圖2 止推氣浮軸承精密研拋工藝流程

2.2 研拋機加載機構改進

采用立式研拋機YM-18LX進行止推氣浮軸承精密研拋工藝時，為提高研拋加工的自動化程度，將原有的手工砝碼加載方式改為氣缸加載，通過調節氣缸壓力即可實現連續加載。改進后的研拋機氣缸加載結構如圖3所示。

1—研磨盤；2—氣浮墊；3—工件盤；4—加載壓盤；5—轉向滾動球；6—加載軸桿；7—氣壓缸；8—氣缸保持架；9—千分表；10—出料口；11—皮帶輪；12—主軸電動機

3 研拋工藝試驗分析

3.1 試驗方案設計

為研究各工藝參數對止推氣浮軸承加工表面質量的影響，將工藝試驗分為2部分：一是研磨試驗，二是拋光試驗。

選定研拋轉速、研拋壓力、磨料種類和磨料粒度4個主要工藝參數進行相關試驗，并將表面粗糙度Ra和面輪廓度Pt作為工件表面質量評價值。研磨和拋光試驗均使用單因素法，每次試驗只改變1個工藝參數得出試驗數據并進行篩選，最后得出較優的組合參數再進行單因素的組合試驗分析。

3.2 研磨工藝試驗分析

止推氣浮軸承研磨工藝試驗的研磨盤均采用合成銅盤(無說明時磨料為氧化鋁)，磨料粒度為W7.0。研磨工藝參數對止推氣浮軸承表面質量的影響如圖4所示。

圖4 研拋工藝參數對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，研磨時間為25 min下，研磨轉速對表面粗糙度Ra的影響如圖4a所示。隨著轉速的增大，軸承表面粗糙度值有一個先減小后增大的變化過程，在轉速為60 r/min時表面粗糙度值最小。分析認為：在轉速較小時，磨料沒有均勻分布于研磨盤上，導致表面粗糙度值較大；隨著轉速的提高，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；但轉速繼續增大時研磨液被甩出，又造成參與磨削的磨粒數減少，從而影響加工表面粗糙度。因此，研磨盤轉速應設置在合理的范圍內，以保證研磨效率和質量。

在研磨轉速為60 r/min，研磨時間為25 min下，研磨壓力對表面粗糙度Ra的影響如圖4b所示。表面粗糙度值隨加載壓力有一個先增大后減小，又逐漸增大的趨勢；加載壓力為0.6 MPa時，表面粗糙度值最小。分析認為：加載壓力較小時，主要是大顆粒磨料參與磨削，導致表面出現劃痕，軸承表面粗糙度值較大；當加載壓力繼續增大，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，造成有效磨料進入困難，導致表面粗糙度值逐漸增大。

在研磨轉速為60 r/min，研磨壓力為0.8 MPa，研磨時間為25 min下，磨料種類對表面粗糙度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，雖對加工表面研磨比較快，但易造成加工面的機械損傷，導致表面粗糙度值較大。本試驗磨料選用氧化鋁，既可以保證表面質量，又能滿足研磨效率的要求。

在研磨轉速為60 r/min，研磨壓力為0.8 MPa，研磨時間為25 min條件下，氧化鋁磨料的粒度對表面粗糙度Ra的影響如圖4d所示。結果表明：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，表面粗糙度值較小；當磨料粒度增大時，在分散的大直徑磨粒磨削作用下，加工表面的劃痕相對較深，表面粗糙度值較大。

根據研磨試驗各單因素參數分析，得到止推氣浮軸承研磨試驗的較優參數組合為：研磨盤采用合成銅盤，磨料選用氧化鋁，磨料粒度為W7.0，研磨轉速取60 r/min,研磨壓力取0.8 MPa，研磨時間為25 min。在優化后的參數條件下進行研磨試驗，加工后的軸承表面仍有劃痕存在但不嚴重，對工件研磨表面進行5次測量求平均值，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，與預期的技術指標仍有差距，需要對軸承表面進行拋光加工。

3.3 拋光工藝試驗分析

拋光工藝試驗對象是較優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。為便于對比，將拋光的各項工藝參數對軸承表面質量的影響示于圖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，拋光時間為15 min下，拋光轉速對表面粗糙度Ra的影響如圖4a所示。由試驗曲線可知：當轉速為40 r/min時，軸承表面有細微的劃痕；提高到60 r/min時，軸承表面有不明顯的劃痕但仍然有坑點的存在；當轉速提高到80 r/min時，加工表面質量較好,劃痕消除，表面粗糙度值最低;若持續提高轉速則可能造成拋光液被甩出。

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

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

在拋光轉速為60 r/min，拋光壓力為0.6 MPa，磨料為人造金剛石，拋光時間為15 min下，磨料粒度對表面粗糙度Ra的影響如圖4d所示。磨料粒度對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。

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

4 結束語

在研拋工藝理論的基礎上對止推氣浮軸承工作表面的研拋工藝進行了設計和分析，通過對研磨和拋光工藝的單因素試驗，得到了較優研拋試驗組合參數，并將其應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劃痕，達到了鏡面效果，滿足了實際應用中的表面技術要求。該研拋工藝可以為類似止推氣浮軸承產品的超精密加工提供參考和借鑒。