氧化鋯陶瓷球磁流變拋光工藝試驗研究*

胡 晨，路家斌,2，肖曉蘭※，閻秋生,2

（1.廣東工業大學機電工程學院，廣州 510006；2.廣東納諾格萊科技有限公司，廣東佛山 528225）

0 引言

在現代工業設備中，軸承是核心的基礎部件之一。隨著工業設備精度要求越來越高，對軸承的工作要求越來越高，以氮化硅、氧化鋯等代表的陶瓷球，由于其耐高溫、無磁性、耐腐蝕、高導熱、比強度高、耐磨性好等優良性能，是高性能軸承滾珠的首選材料[1-3]。

軸承球體拋光通常采用三點成球原理，通過V 型槽鑄鐵盤對球體的均勻包絡實現球體的成型和拋光。Rong-Tsong[4-5]推導了研磨軌跡的一般封閉形式解析解，分析了同心V 形凹槽研磨系統的運動學，提出了一種評估研磨軌跡的線性化運動方程；郭偉剛[6]研究了偏心式變曲率溝槽的高精度球體加工方法，建立了球坯在加工過程中的幾何運動模型，并通過對比實驗結果與仿真結果驗證了模型的有效性；馮凱萍[7]開展了基于雙平面方式下陶瓷球拋光均勻性的研究，驗證了陶瓷球雙面拋光的有效性，通過上、下軟質拋光盤的作用，實現陶瓷球的超光滑加工，拋光后的表面粗糙度下降到3.9 nm；呂冰海為了解決陶瓷球加工不均勻且效率低下的問題，研究了陶瓷球雙轉盤研磨方式及成球機理[8-9]。

Komanduri[10]利用磁流變液對氮化硅陶瓷球進行拋光研究，拋光能夠得到光滑無損傷的表面，其表面粗糙度能達到Ra4 nm，球形度為ΔSph0.15～0.25 μm；Umehara 等[11]采用磁流變液拋光陶瓷球裝置進行了拋光實驗，拋光后球體表面粗糙度均值達到Ra8.2 nm，圓度誤差達到ΔSph0.27 μm；肖曉蘭[12]利用集群磁流變拋光方法對碳化硅陶瓷球進行拋光，氮化硅陶瓷球的表面粗糙度Ra 由50 nm 下降到5 nm，球形誤差ΔSph≤0.08 μm。

為了提高氧化鋯陶瓷球的拋光質量以及拋光效率，本文采用自行研制的陶瓷球磁流變柔性拋光裝置進行了拋光工藝實驗，研究了上、下拋光盤轉速，上拋光盤偏心距和拋光間隙對氧化鋯陶瓷球拋光的影響規律，實現氧化鋯陶瓷球的高效高質量拋光。

1 陶瓷球磁流變拋光原理及試驗裝置

陶瓷球磁流變拋光原理如圖1（a）所示。上拋光盤背面布置有環形汝鐵硼磁鐵，下拋光盤V 型槽兩側面分別布置有分布式柱狀汝鐵硼磁鐵。當下拋光盤加入磁流變拋光液之后，在上、下拋光盤磁鐵產生的磁場作用下，磁性粒子裹挾磨粒形成鏈串，在上下盤之間形成柔性磁流變效應拋光墊。氧化鋯陶瓷球放在下拋光盤的V型槽中，以上下盤的3個接觸點為中心在陶瓷球體表面形成磁流變拋光墊的柔性全包覆。利用與上拋光盤相連的運動機構調節上下拋光盤之間的間隙來改變磁流變拋光墊對球體的拋光壓力。

拋光時，上下拋光盤分別旋轉產生相對運動，磁流變柔性拋光墊帶動球體滾動實現軌跡包絡，由球面與上下盤面形成楔形空間產生磁流變拋光動壓力，實現球體表面的材料去除，達到對球體的均勻拋光。具體的拋光裝置如圖1（b）所示。

圖1 陶瓷球磁流變拋光原理和拋光裝置

2 實驗設計

在陶瓷球磁流變拋光中，上、下拋光盤的轉速，上盤偏性距會直接影響陶瓷球的運動軌跡、密度和包絡均勻性，拋光間隙會影響陶瓷球的拋光壓力，從而影響陶瓷球的拋光質量和效率。為了探究拋光工藝參數對陶瓷球拋光效果的影響，采用單因素實驗對氧化鋯陶瓷球進行了拋光實驗，實驗參數及條件如表1 所示。拋光的陶瓷球為直徑9.525 mm 的氧化鋯陶瓷球，原始球體的表面粗糙度為Ra100～120 nm，球形誤差為Δ Sph0.3～0.4 μm。磁流變拋光液的主要成分為84%的離子水和16%的羰基鐵粉。拋光前，為保證拋光效果，將磁流變拋光液經過30 min 以上的超聲震動分散，使得磨粒與羰基鐵粉均勻穩定地分布在磁流變拋光液中，防止磨粒團聚，造成大顆粒對球坯表面劃傷和拋光缺陷。

表1 實驗參數及條件表

拋光前后氧化鋯陶瓷球的表面粗糙度以及圓度誤差的變化分別利用Contour GT-X白光干涉儀和Talyrond 585LT輪廓儀進行測量。

3 實驗結果與討論

3.1 上拋光盤轉速影響

在拋光過程中，上拋光盤轉速對球體的自轉和磨料的更新速度有較大的影響。圖2所示為上拋光盤轉速對球體表面粗糙度和球形誤差的影響。從圖中可以看出，隨著上拋光盤轉速的增加，表面粗糙度和球形誤差均是先降低后增加。當上拋光盤轉速為30 r/min 時，陶瓷球體的表面粗糙度和球度誤差都達到最低，其中表面粗糙度為Ra8.988 nm，球形誤差為 Δ Sph0.08 μm，同時陶瓷球體圓度最為一致。而在10 r/min轉速時，表面質量和形狀精度都最差。

在拋光過程中，氧化鋯陶瓷球球體不僅隨著下拋光盤轉動而繞著下拋光中心發生公轉，同時也在上拋光盤的作用下繞著球體球心自轉。上拋光盤的轉動速度直接影響了球體在拋光墊中的自轉速度大小。當上拋光盤轉速增加時，球體在拋光墊中的自轉速度也增加，磨粒在工件表面產生材料去除的線速度和軌跡密度都增加，導致更多的球面材料會被去除，因此球體拋光質量提高，表現為表面粗糙度的降低和球形誤差的減小。當上拋光盤轉速進一步提高時，由于上拋光盤轉速過快，球體的自轉速度過大，會造成磁流變拋光墊斷裂的鏈串結構無法及時恢復，同時，磨粒受到磁鏈串的約束力減小，更容易逃離拋光區，進而使得拋光質量下降[13]。

圖2 上拋光盤轉速對球體表面粗糙度和球形誤差的影響

3.2 下拋光盤轉速影響

圖3 所示為采用不同下拋光盤轉速拋光氧化鋯陶瓷球的表面粗糙度和球形誤差變化圖。從圖中可以看出，隨著下拋光盤轉速增加，表面粗糙度和球形誤差的變化趨勢基本與上拋光盤速度的影響趨勢一致，都是先逐漸降低、后再增大。在下拋光盤轉速為40 r/min時，球體的表面粗糙度和球度誤差達到最低，分別為其中表面粗糙度為Ra8.988 nm，球形誤差為ΔSph0.08 μm。

下拋光盤轉速一方面會影響陶瓷球體的公轉速度，從而影響球體表面材料去除線速度和軌跡密度，另一方面會影響磁流變拋光墊的狀態及其磨粒分布狀態。由于磁流變拋光墊形成在下拋光盤上，下拋光盤的轉速會直接影響拋光墊中各粒子（磁性顆粒和磨粒）的離心力，轉速越高，離心力越大，造成磁鏈串和磨粒的變形和逃逸，從而影響對氧化鋯陶瓷球的拋光效果。

當下拋光盤轉速較小時，拋光液中磁性顆粒和磨粒的離心力較小，磁鏈串變形較小，對磨粒的約束力較大。這時，隨著轉速的增加，球體的公轉速度增大，磨粒對球體表面的相對線速度增加，加上此時拋光墊變形較小，因此磨粒對球體表面材料去除能力較大，造成球體的表面粗糙度和圓度誤差迅速下降。當下拋光盤轉速進一步增加時，由于磁流變拋光墊中固相顆粒受到離心力增大，磁鏈串容易變形，對磨粒的約束力減小，同時磨粒的離心力也增大，造成磨粒更容易從磁鏈串中逃逸，而向拋光盤四周集聚，磁鏈串中磨粒的更新速度也下降，造成材料去除能力降低，導致球體的表面粗糙度和圓度誤差較大，拋光效果較差。

圖3 下拋光盤轉速對陶瓷球表面粗糙度和球形誤差的影響

3.3 拋光盤偏心距影響

上下拋光盤之間的偏心距對拋光過程中磁場的分布具有較大的影響，會影響拋光盤面上磁流變拋光墊的動態微觀結構和球體的拋光軌跡均勻性。圖4 所示為不同拋光盤偏心距時拋光的氧化鋯陶瓷球的表面粗糙度和球形誤差的變化曲線。從圖中可以看出，隨著拋光盤偏心距的增大，球體的表面粗糙度和球形誤差都是先減小后增大，在偏心距為10 mm 時，表面粗糙度達到最小值Ra8.988 nm，球形誤差也最小，達到ΔSph0.08 μm。在偏心距為20 mm時，表面粗糙度和球形誤差分別達到Ra20.575 nm和ΔSph0.18 μm，比偏心距10 mm 時分別提高了2.3 倍和2.2倍，拋光質量明顯變差。

上下拋光盤之間的偏心距直接影響了陶瓷球體的相對回轉速度，也影響了球體附近的磁場分布狀態，進而影響了拋光盤面上磁流變拋光墊的動態微觀結構和球體的拋光軌跡均勻性。隨著偏心距的增大，球體的相對轉速變大，磨粒在球體表面的切削速度和軌跡密度增加，對球體的材料去除能力增加，球體的拋光質量較好。當偏心距進一步增加時，上、下拋光盤的重合面積迅速下降，對球體的拋光軌跡密度明顯降低，甚至在偏心距過大時，出現了上拋光盤形成的環形柔性拋光墊離開球體表面，造成拋光后的球體質量下降，其表面粗糙度和球形誤差迅速增加。

圖4 上盤偏心距對表面粗糙度以及圓度誤差的影響

3.4 拋光間隙影響

拋光間隙直接影響了拋光盤及磁流變拋光墊對球體的拋光壓力，從而影響了拋光效果。圖5 所示為不同拋光間隙拋光陶瓷球后的表面粗糙度和球形誤差圖。從圖中可以看出，當拋光間隙為1 mm時，表面粗糙度最低，達到Ra8.988 nm，球形誤差也最小，達到ΔSph0.08 μm。隨著拋光間隙的增加，球體的表面粗糙度和球形誤差都先減小后增大，在加工間隙1.2 mm時拋光質量最差，表面粗糙度和球形誤差均最大。

圖5 拋光間隙對表面粗糙度以及圓度誤差的影響

加工間隙直接影響了上、下拋光盤之間的磁場強度大小，影響了拋光盤及磁流變拋光墊對陶瓷球表面施加的拋光壓力。加工間隙越小，上、下拋光盤之間磁場強度越大，陶瓷球體受到的拋光壓力越大，磁性粒子對磨粒的約束力越大，磨粒對球體的材料去除越大，容易導致表面劃傷。同時，球體的拋光壓力過大時，球體轉動的摩擦力較大，球體不易轉動，造成球體旋轉速度較低，球體表面的拋光線速度降低，材料去除能力降低，造成表面粗糙度和球形誤差都較大。隨著拋光間隙的增加，上、下拋光盤之間磁場強度減弱，磁性粒子對磨粒的夾持力降低，磨粒對陶瓷球表面的去除深度降低，同時球體的旋轉速度增大，造成材料去除效率提高，球體的拋光質量提高。當拋光間隙過大時，上、下拋光盤之間的磁場進一步減弱，磁鏈串對磨粒的夾持效果也進一步下降，同時球體與拋光盤之間的摩擦力過小，導致球體旋轉速度也會受到影響，造成整體材料去除效率降低，因此拋光后的表面粗糙度和球形誤差反而增加。

4 結束語

（1）上下拋光盤的轉速直接影響了陶瓷球體的旋轉速度和軌跡密度，也會影響磁流變拋光墊的狀態及其磨粒分布狀態，進而影響球體拋光。隨著上、下拋光盤轉速的增加，氧化鋯陶瓷球的表面粗糙度和球形誤差都是先減小后增大。在上拋光盤轉速30 r/min、下拋光盤轉速40 r/min時，球體表面粗糙度和圓度誤差都最低，分別為Ra8.988 nm和ΔSph0.08 μm。

（2）上下拋光盤之間的偏心距直接影響了拋光盤面的磁場分布和拋光墊的微觀結構及球體的拋光軌跡均勻性，進而影響拋光效果。隨著偏心距的增大，球體表面粗糙度和球形誤差先減小后增大，在偏心距10 mm時達到最低。

（3）加工間隙直接影響了陶瓷球體的拋光壓力，從而影響了球體的拋光質量。在合適的拋光間隙（1 mm）時，球體的表面粗糙度和球形誤差都最小。