氮化硅陶瓷滾子磁流變、化學與超聲復合拋光工藝試驗

張占立，熊明照，王恒迪，王鋒，鄧四二

(1.河南科技大學 機電工程學院，河南 洛陽 471003；2.機械裝備先進制造河南省協同創新中心，河南 洛陽 471003)

陶瓷軸承具有硬度高、密度小、耐高溫、耐腐蝕、抗磁、絕緣等特點，且其運轉溫升低，受熱膨脹小，高速運轉時離心力小，具有很好的穩定性。因此，可以很好地適用于普通鋼制軸承無法正常使用的工況[1-2]。然而，陶瓷軸承的加工一直制約著其發展，陶瓷滾子軸承的滾子拋光技術仍不夠完善。目前利用金剛石砂輪對陶瓷滾子進行拋光是最常用的方法，但效率低，且會在滾子表面產生劃痕和裂紋，對滾子的強度和表面精度產生很大影響，進而影響軸承的使用壽命[3]。磁流變、化學與超聲波復合拋光技術，是將化學、聲學、電磁學、流體力學等多種作用綜合應用于陶瓷滾子的拋光過程中，能夠在保證拋光效率的同時顯著提高滾子的表面質量[4-5]。

下文通過拋光工藝試驗，研究拋光過程中各工藝參數的變化對陶瓷滾子表面粗糙度Ra和材料去除率的影響，優化得到了符合氮化硅陶瓷滾子要求的最佳工藝參數。

1 材料去除機理

磁流變、化學與超聲波復合拋光陶瓷滾子加工過程復雜，是物理、化學、流體力學等多種材料去除方式共同作用的結果。目前為止，主要存在有3種理論，分別是機械作用理論、化學作用理論和流變理論[6-7]。從材料去除的方式來看，主要分為磁流變拋光作用的剪切去除、超聲波拋光作用的沖擊去除和拋光過程中一系列化學反應的去除。拋光過程如圖1所示。

圖1 拋光過程示意圖

1.1 材料去除過程中的化學作用

陶瓷滾子拋光過程中，滾子表面在特定條件下會發生一系列的反應，如氮化硅的水解反應、氮化硅與拋光磨料的反應、氮化硅與磁敏微粒的反應等，這些反應會將氮化硅中高強度的化學鍵打破，使之重新結合成強度較弱的化學鍵，從而使表面材料更容易去除。與此同時，在機械去除作用條件下，拋光滾子表面不可避免會產生一些裂紋，水通過這些裂紋進入滾子內部后，破壞了內部結構，加速了水解反應。

滾子拋光加工過程中參與的化學反應主要為[8]：

氮化硅的水解反應

Si3N4+H2O→SiO2+NH3；

氮化硅與氧化鈰的反應

Si3N4+CeO2→SiO2+CeO1.72+N2；

氮化硅與羰基鐵粉的反應

Si3N4+Fe2O3→SiO2+Fe2N+N2。

綜上所述，在復合拋光陶瓷滾子過程中，磁流變液中3種原料去除作用相互促進，相互結合，使滾子表面材料得以有效去除。

1.2 材料去除過程中的機械與流變作用

磁流變拋光的剪切去除：在磁場作用下拋光液發生流變效應，拋光液會在毫秒量級時間內由液態轉化為半固態，拋光液中的拋光磨料析出，并鑲嵌于拋光液緞帶凸起中，形成一個柔性拋光盤，在流經滾子表面時，對其進行反復的剪切刮擦；同時，拋光主軸帶動磁流變拋光液高速旋轉，在拋光液中形成很大的剪切應力，在二者共同作用下去除滾子表面材料[9-11]。

超聲波拋光作用的沖擊去除：超聲振動經變幅桿放大后，將振動傳遞給拋光工具頭，當磁流變拋光液流經拋光工具頭與陶瓷滾子之間的狹窄間隙時，拋光液中的大量拋光磨料受到拋光工具頭的撞擊作用，迫使拋光磨料以很大的速度和加速度沖擊、拋磨滾子表面，從而達到去除材料的目的。

目前，被廣泛接受的適用于描述磁流變拋光材料去除過程的數學模型為Preston方程，根據該方程可知，拋光過程的材料去除率r可表示為[12]

r=kpv，

(1)

式中：k為Preston系數；p為拋光區域內總壓力；v為拋光液與滾子的相對速度。

當試驗參數一定時，v是一個定值，此時有

v=k1U，

(2)

式中：U為拋光主軸線速度。

將(2)式代入(1)式可得

r=kk1pU=KpU，

(3)

式中：K為準Preston系數。

由(3)式可知，拋光過程的材料去除率與滾子在拋光區域內所受總壓力p和拋光主軸轉速v成正比。

壓力p是由多種壓力綜合作用的結果，主要包括：流體動壓力pd、磁場壓力pm和重力壓強pg。其中，磁場壓力pm又包括磁場力和磁致伸縮壓力，對于磁流變拋光液來說，由于其壓縮性很小，拋光液的磁致伸縮壓力在分析拋光過程的去除機理時可以忽略不計。因此得出磁流變拋光過程中拋光區域內總壓力值為

p=pd+pm+pg。

(4)

加入超聲波后的磁流變復合拋光還必須要考慮到拋光區域內超聲振動對滾子表面所產生的最大接觸力p0，因此，進一步得出復合拋光過程拋光區域內的總壓力為

p=pd+pm+pg+p0。

(5)

(5)式中重力壓強pg相對于其他3項來說非常小，為簡化計算可將其忽略不計。最終得到

p=pd+pm+p0。

(6)

2 試驗方案

2.1 試驗設備

拋光試驗機結構如圖2所示。試驗機主軸部分加入了超聲振動裝置，超聲波工具頭由刀具頭改造得到；在工作臺上設置拋光槽，用于盛放磁流變拋光液，拋光槽內置用于放置陶瓷滾子的導輥，拋光工具頭用永磁鐵制作而成。陶瓷滾子拋光試驗機通過人機界面進行控制，在拋光過程中控制系統會對試驗數據進行實時監控和記錄。

1—底座；2—工作臺；3—拋光槽；4—導輥；5—超聲工具頭；6—超聲變幅桿；7—超聲換能器；8—立柱；9—主軸箱；10—伺服電動機；11—縱向進給結構

2.2 磁流變液配制

由于油基磁流變拋光液會在滾子表面形成一層油膜，阻礙磨料與滾子表面的化學反應[13]，因此試驗采用水基磁流變液。

水基磁流變拋光液具體制備方法：首先將適量的羧甲基纖維素鈉加入蒸餾水中，攪拌1 h左右，得到黏稠狀均勻分散的懸浮液；然后加入添加劑并攪拌均勻，得到水基復配載液；接著將適量的羰基鐵粉和拋光磨料與水基復配載液混合，加入球磨罐中，按1∶10質量比加入鋼球，以300 r/min的速度球磨3 h，分離出鋼球，得到磁流變拋光液，裝入干燥的塑料瓶密封保存[14]。

2.3 試樣

試樣為φ10 mm×10 mm的Si3N4陶瓷滾子，坯料由熱等靜壓成形法制得。陶瓷滾子通過無心磨床首先進行粗加工然后進行半精加工，滾子表面粗糙度Ra約為0.3 μm。

2.4 試驗方法

試驗采用單因素法，分別研究超聲振幅、拋光間隙、磨料、主軸轉速等試驗參數對陶瓷滾子的材料去除率和表面粗糙度的影響規律。通過對比分析，獲得最佳工藝參數。試驗檢測設備為μsurf explorer型光學輪廓儀和FA2004B型電子天平。

3 試驗分析

3.1 試驗參數對材料去除率和表面粗糙度的影響

3.1.1 超聲振幅

在磁流變拋光液溫度為室溫，工作臺移動速度、導輥轉速均為系統設定速度，磁感應強度為0.4 T，磨料為氧化鈰，主軸轉速設定為200 r/min，試驗時間為1 h的試驗條件下(下同)，對不同超聲振幅(0，5，10，15，20 μm)分別進行試驗，得到超聲振幅與滾子材料去除率和表面粗糙度的關系曲線如圖3所示。

圖3 超聲振幅對滾子材料去除率和表面粗糙度的影響

由圖3a可知，與超聲振幅為0(即無超聲作用)時的材料去除率相比，超聲振動對提高材料去除率有一定作用，且材料去除率隨超聲振幅的增大而增加，但整體提高程度不大。這是因為超聲波拋光是通過高頻振動的拋光工具頭不斷撞擊拋光液中的拋光磨粒，使磨粒以很高的速度撞擊、拋磨滾子表面，從而使材料得以去除。隨著超聲振幅的提高，拋光工具頭的振動幅度和拋光區域內的超聲振動壓力隨之增大，撞擊拋磨滾子表面的拋光磨料將具有更大的能量。但超聲振動壓力的提高對拋光過程總拋光壓力的增大并不明顯，對材料去除率的影響較小。

由圖3b可知，隨著超聲振幅逐漸增大，滾子表面粗糙度Ra值呈現輕微的上下浮動狀態。這是由于隨超聲振幅的增大，拋光工具頭的振動幅度和拋光區域內的超聲振動壓力隨之增大，拋光磨粒的運動軌跡變得更加復雜，對滾子表面粗糙度的影響并不確定，可以認為超聲振幅的變化對滾子表面粗糙度Ra值影響不顯著。

3.1.2 滾子與拋光主軸之間間隙

相同試驗條件下，陶瓷滾子與主軸之間不同間隙(0.1，0.2，0.3，0.4 mm)時，試驗得到的滾子材料去除率和表面粗糙度曲線如圖4所示。

圖4 滾子與拋光主軸之間間隙對滾子材料去除率和表面粗糙度的影響

由圖4a可知，滾子與主軸之間間隙對拋光材料去除率影響十分顯著，隨著間隙的增大，材料去除率快速下降，并趨于平穩。這是因為，隨著滾子與主軸之間間隙增大，超聲波能量衰減，沖擊滾子表面的拋光磨料的速度和頻率減小；同時，拋光區域內磁場強度和流體動壓力降低，致使材料去除率下降。

由圖4b可知，滾子與主軸之間間隙對滾子表面粗糙度的影響較大。間隙較小時，拋光區域內的磁場壓力和流體動壓力較大，造成流經拋光區域的磁流變拋光液具有很大的剪切屈服應力，當拋光磨粒與滾子表面接觸時，會在滾子表面留下較深的切削痕和劃痕；其次，拋光區域內超聲壓力增大，使撞擊滾子表面的拋光磨粒具有更大的沖擊能量，對滾子表面的破碎作用增強，使表面質量有所下降。隨著間隙的增大，拋光區域內的壓力逐漸減小，拋光磨料對滾子表面的切削、刮擦、沖擊作用不斷減弱，雖然材料去除率降低，但表面質量得到了提高。

3.1.3 磨料

相同試驗條件下，當滾子與拋光主軸之間間隙為0.2 mm時，分別采用拋光磨料為氧化鋁、氧化鈰、金剛石微粉的水基磁流變液進行試驗，得到不同磨料對滾子材料去除率和表面粗糙度的影響如圖5所示。

圖5 不同拋光磨料對滾子材料去除率和表面粗糙度的影響

由圖可知，磨料為金剛石微粉的磁流變液拋光材料去除率最高，而滾子表面質量最差。這是因為磨料硬度越高拋光材料去除率越高,相應的沖擊和拋磨滾子表面時，對滾子表面的破碎強度和切削深度越大，在滾子表面留下難以去除的劃痕和深坑，導致滾子表面質量下降。

3.1.4 主軸轉速

其他試驗條件不變，當滾子與拋光主軸之間間隙為0.2 mm時，不同主軸轉速(100，200，300，400 r/min)下，主軸轉速對滾子材料去除率和表面粗糙度的影響如圖6所示。

圖6 拋光主軸轉速對滾子材料去除率和表面粗糙度的影響

由圖6a可知，主軸轉速與材料去除率近似呈正比關系。這是因為提高主軸轉速，使拋光區域內磁流變拋光液剪切力增強，對滾子表面產生更強的沖擊拋磨作用；拋光區域內的流體動壓力增強，在高壓作用下，拋光磨粒對滾子表面的沖擊拋磨作用和滾子所參與的一系列化學反應均會加強；單位時間內拋磨和沖擊滾子表面的拋光磨粒數量增加，從而使拋光材料去除率提高。

由圖6b可知，隨著拋光主軸轉速的提高，滾子表面粗糙度Ra值逐漸減小，表面質量不斷提高。這是因為隨著拋光主軸轉速提高，單位時間內拋磨滾子表面的拋光磨粒數量增加，滾子表面得到更高頻、更廣泛的拋光，因此表面質量不斷提高。

3.2 拋光后陶瓷滾子的三維形貌分析

拋光試驗前、后采用μsurf explorer型光學輪廓儀測量的陶瓷滾子表面形貌如圖7所示。由圖可知，在最佳工藝參數，即滾子與拋光主軸之間間隙為0.3 mm，拋光磨料為氧化鈰，拋光主軸轉速為400 r/min，超聲振幅為15 μm，拋光時間為1 h的試驗條件下，滾子表面質量明顯改善。拋光后陶瓷滾子表面粗糙度Ra為0.03 μm，拋光材料去除率為0.04 mg/min。表明在優化的工藝參數下，磁流變復合拋光能夠在保持滾子較高材料去除率的同時獲得較好的表面質量。

圖7 陶瓷滾子拋光試驗前、后表面形貌

4 結論

1)材料去除過程是磁流變拋光的剪切作用、

超聲波拋光的沖擊作用以及拋光過程中一系列化學反應綜合作用的結果，其中磁流變拋光起主要作用，3種方法同時作用時效果增強。

2)試驗得出氮化硅陶瓷滾子磁流變、化學與超聲復合拋光工藝的最佳工藝參數為：滾子與拋光主軸之間間隙為0.3 mm、拋光磨料為氧化鈰、拋光主軸轉速為400 r/min、超聲振幅為15 μm、拋光時間為1 h。在優化工藝參數條件下，滾子表面粗糙度Ra由0.3 μm減小至0.03 μm。