軸承圓柱滾子外圓精密拋光工藝研究*

蘇 佳，張 森，袁巨龍，呂冰海

(浙江工業大學 超精密加工研究中心，浙江 杭州 310014)

0 引 言

軸承是裝備制造業中重要的零部件[1-2]。軸承中的滾動體承受著軸承絕大部分載荷，約60%～70%的軸承失效是由于滾動體的損壞所致[3-5]。

圓柱滾子作為軸承的一種滾動體，其精度及批一致性對軸承的性能和壽命起到至關重要的作用。圓柱滾子軸承中滾動體與滾道為線接觸，主要承受徑向負荷，負荷能力大，滾動體與套圈擋邊摩擦小，適用于高速旋轉的工況[6-7]。因此，廣泛用于起重機、機車車輛、航空航天、醫療器械、高速機床主軸等領域。

圓柱滾子外圓常用的加工方法有無心外圓磨削和超精研、定心往復超精研、電化學機械復合光整、磁流體研磨等。目前，國際先進無心加工技術可批量加工圓柱滾子外圓，其圓度達到0.1 μm～0.3 μm[8]。KIM等學者[9]采用3 μm粒徑的Al2O3磨料對鈦合金圓柱進行了定心往復超精研加工，工件表面粗糙度Ra達到0.019 μm；大連理工大學的徐文冀教授、魏澤飛博士等[10]利用電化學機械復合光整技術加工圓柱滾子，表面粗糙度Ra從初始的0.087 μm降至0.023 μm，圓度從初始的0.93 μm降至0.39 μm；UMEHARA和KATO[11]利用的磁流體加工裝置超精研陶瓷滾子外圓，圓度從16.65 μm降至4.25 μm，采用3 μm的Cr2O3磨料獲得了最好的表面質量，表面粗糙度Ra平均達到0.029 μm，最大達到0.091 μm，最小達到5 nm。

拋光作為工件加工的終極手段，常用于圓柱滾子研磨后的一道工序，以消除研磨加工后留下的表面劃痕，從而獲得高質量的鏡面表面。傳統雙平面拋光廣泛應用在石英玻璃、硅片、玻璃顯示面板、藍寶石片、光學水晶等平面元件的精密加工領域[12-14]。基于傳統雙平面加工，浙江工業大學的袁巨龍教授團隊[15]提出了一種基于雙平面方式加工圓柱滾子圓柱面的加工方法。

為了進一步改善圓柱滾子的外圓表面質量，基于雙平面偏心轉擺式拋光圓柱滾子的加工方法，本文將進行拋光實驗研究。

1 加工原理

圓柱滾子研磨的目的主要是修整圓柱滾子的幾何精度和尺寸精度，拋光的目的是進一步改善圓柱滾子工件的表面質量。

基于雙平面偏心轉擺式拋光圓柱滾子的加工機構示意圖如圖1所示。

圖1 偏心式圓柱滾子加工機構示意圖

加工機構主要包括:上研磨盤、下研磨盤、偏心輪、保持架、齒圈。上研磨盤和下研磨盤同軸放置；偏心輪幾何中心與主軸中心存在偏心距；保持架中心與偏心輪幾何中心同軸；保持架外圓有齒，與外齒圈嚙合。上、下研磨盤、偏心輪、齒圈，分別由不同電機獨立驅動。

為實現化學機械拋光中“軟磨硬”原理，拋光前，雙平面研磨機的上研磨盤和下研磨盤必須貼上聚氨酯拋光墊。圓柱滾子放置于保持架上均勻分布的八角形槽孔里，加工載荷通過上研磨盤施加。拋光過程中，圓柱滾子在保持架、上研磨盤和下研磨盤的協同作用下做持續的做自轉和公轉運動，同時圓柱滾子在運動過程中與上研磨盤、下研磨盤發生相對運動，作復雜空間運動。

拋光液通過上盤的空隙輸送到圓柱滾子工件與上、下研磨盤接觸區域，拋光液中雙氧水和氨基乙酸與工件柱面表面的金屬材料會發生化學反應，生成強度較基體材料小的反應層。與此同時，拋光液中的納米磨粒通過機械切削作用直接去除上述反應層。在化學反應和相對運動下產生機械力的交替作用下，工件柱面質量逐漸得到改善。

2 實驗方案

2.1 實驗裝置

本實驗所用拋光加工裝置是自主研制的雙平面研磨拋光機，如圖2所示。

圖2 雙平面研磨拋光機

實驗所用上、下研磨盤的基盤材料采用不銹鋼304；拋光墊為美國陶氏化學IC1010/Suba-IV，且拋光墊上帶有K型溝槽。

2.2 實驗設計

本文拋光實驗分為粗拋和精拋兩步驟，實驗所用工件為Ф20×30的GCr15圓柱滾子，工件初始表面粗糙度為0.067±0.007 μm，初始圓度為0.48±0.28 μm。實驗每組每次加工10個工件，粗、精拋加工時間各為10 min，依據參考文獻[13]選取一組轉速組合，即上研磨盤轉速為-76 r/min，下研磨盤轉速為84 r/min，偏心輪轉速為80 r/min，外齒圈轉速48 r/min。

拋光實驗加工參數如表1所示。

表1 拋光實驗加工參數

以表面粗糙度、圓度為評價指標，對實驗結果進行分析。表面粗糙度測量采用日本Mitutoyo的SJ-410型粗糙度儀(精度為0.1 nm，取樣長度為4 mm)，圓度采用德國MMQ400型圓度儀測量，采用金相顯微鏡觀測拋光前后工件表面形貌，用洛氏硬度計測量加工后圓柱滾子的表面硬度。

本研究中化學機械拋光液中粗拋和精拋配制方法不同，粗拋中硅溶膠的配比濃度相對較高，雙氧水的配比相對較低；精拋階段加強了化學保護作用，添加緩蝕劑苯并三氮唑保護工件表面不被化學試劑腐蝕溶解，雙氧水配比適當提高保證化學反應的順利進行[16-17]。

對應的拋光液成分如表2所示。

表2 軸承鋼化學機械拋光液組分配比表

3 實驗結果分析和討論

3.1 表面粗糙度

不同加工階段的表面粗糙度如圖3所示。

圖3 不同加工階段的表面粗糙度

在經過粗拋階段，圓柱滾子批平均表面粗糙度下降速度較快，工件初始批平均表面粗糙度由0.067 μm降低為0.032 μm，偏差由0.014 μm降為0.012 μm，改變較小。通過精拋加工，批平均表面粗糙度進一步降低，達到0.011 μm，偏差為0.008 μm。單個圓柱滾子拋光后表面粗糙度最小可達到7 nm。

圓柱滾子拋光前后表面質量對比如圖4所示。

圖4 拋光后滾子宏觀形貌

相比于初始時工件，拋光過后的圓柱滾子外圓表面無明顯劃痕和缺陷，達到了鏡面效果，能清晰看到“浙江工業大學”字樣的倒影。

不同加工階段圓柱滾子表面微觀形貌如圖5所示。

圖5 不同加工階段圓柱滾子表面微觀形貌(×200)

由圖5可以看出：

在拋光之前，圓柱滾子表面布滿劃痕，且有小坑等缺陷；

經過拋光之后，工件表面形貌改善顯著，粗拋階段，圓柱滾子表面的深、長的劃痕逐漸被去除掉，拋光后的劃痕呈現單向性，表面粗糙度改善最大。

精拋之后，工件表面更加光整，該階段，表面粗糙度雖改變較小，但可以獲得更光滑、缺陷更少、表面質量更好的效果。

結合參考文獻[15]中仿真結果分析，在相同條件下，偏心式相對于行星式，滾子圓柱面加工軌跡均勻性比較好，能獲得更好的表面質量。

不同加工階段圓柱滾子表面硬度如圖6所示。

圖6 不同加工階段的表面硬度

粗拋加工后，圓柱滾子表面硬度由初始的HRC63±2變為HRC58±3。經過精拋后，圓柱滾子表面硬度變為HRC61±1。在PH為4的環境下，粗拋階段加入質量分數0.015%H2O2拋光液能夠使新的軸承鋼表面氧化，在圓柱滾子表面迅速形成有氣孔的氧化鐵層，微弱強度吸附在基體上，表面硬度降低，這時工件的氧化層只能承受相對較低的機械力。氨基乙酸能夠通過螯合鐵離子強化化學溶解，從而弱化氧化層機械力。氧化層在IC1010/Suba IV拋光墊上被硅溶膠磨料磨損去除，并隨廢棄拋光液排出。底層表面會露出，并且將發生上述化學反應和機械磨損。在精拋階段，拋光液中加入質量分數為1.0 wt% H2O2能夠加速氧化。工件表面逐漸形成緊湊的氧化層，此時氧化層有高的機械強度。

另外，拋光液中氨基乙酸不能及時溶解氧化鐵，與此同時，BTA能夠與鐵離子反應生成Fe-BTA鈍化膜以防止過度的機械磨損，使得圓柱滾子表面質量進一步改善，表面硬度提升。

3.2 圓度

不同加工階段的圓度如圖7所示。

圖7 不同加工階段的圓度

由圖7可知：

工件初始批圓度平均水平為0.48 μm，偏差在0.28 μm。經過10 min粗拋加工后，批圓度平均水平降至0.34μm，偏差降至0.17 μm。通過10 min精拋加工，批圓度平均水平略有下降，降至0.31 um，偏差降為0.15 μm，偏差變化不大。說明圓柱滾子拋光階段對于圓柱滾子圓度改善不大，但有一定改善效果。

結合參考文獻[15]中仿真結果分析可知：在相同條件下，偏心式相對于行星式，圓截面的加工軌跡均勻性比較好，但差距不大；經過上述步驟加工，單個工件圓度最小可達0.284 μm。

4 結束語

基于雙平面偏心轉擺式的加工方式，本文對圓柱滾子進行了化學機械拋光實驗研究。實驗研究結果表明：

(1)經過粗、精拋后，圓柱滾子的表面形貌改善顯著，表面加工質量可以達到鏡面級別，圓柱滾子初始表面粗糙度由0.067 μm±0.007 μm降低為0.011±0.004 μm，單個圓柱滾子拋光后表面粗糙度最小可達到7 nm，圓柱滾子的表面粗糙度降低極大，圓柱滾子的表面質量得到了很大提高；

(2)圓柱滾子圓度由初始0.48±0.14 μm降至0.31±0.075 um，單個工件圓度最小可達0.284 μm，在拋光過程中，圓柱滾子圓度平均水平有0.17 μm，偏差有0.13 μm的改善，工件形狀精度得到提高。