力流變工藝對軸承滾道表面質量與精度的影響

摘要：為獲得高質量的套圈滾動面形貌，改善形狀精度，提高軸承服役性能，采用力流變拋光技術設計了正交試驗方案，確認了試驗參數范圍，研究了力流變加工過程中拋光速度、磨粒粒徑和磨粒濃度對材料去除率（MRR）和表面粗糙度Ra的影響規律。對數據進行信噪比分析，采用方差分析方法得到工藝參數對加工結果的影響權重和最優工藝參數。對比了最優參數加工前后套圈的形狀精度，建立了力流變加工模型來分析精度改善機理。結果表明，拋光速度對材料去除率和表面粗糙度的影響都最為顯著，磨粒粒徑和濃度的影響相對較低。在最優工藝參數（拋光盤轉速90 r/min，磨粒粒徑2.5 μm，質量分數6%）下拋光90 min，Ra從初始的322 nm下降到12.982 nm，且方差不超過2.158 nm2，平均圓度從拋光前的約3.05 μm下降到約1.67 μm。仿真模型揭示了形狀精度改善的原因是凸出部位易形成更高的材料去除率。研究結果表明，采用優化的力流變拋光工藝可有效提高軸承套圈滾道的表面質量和形狀精度。在提高軸承服役性能的高質量加工方面，力流變拋光技術提供了一種可行方案。

關鍵詞：力流變拋光；軸承；套圈；超精密加工；剪切增稠

中圖分類號：TG739

Effects of Force Rheological Polishing Processes on Surface Quality and Accuracy of Bearing Raceways

GUO Luguang^1，2 DAI Zhuohao1 WANG Dongfeng^1，3 WANG Xu1 LYU Binghai1 YUAN Julong^1*

1.College of Mechanical Engineering，Zhejiang University of Technology，Hangzhou，310014

2.College of Mechanical Engineering，Quzhou University，Quzhou，Zhejiang，324000

3.Luoyang Bearing Science and Technology Co.，Ltd.，Luoyang，Henan，471003

Abstract： To obtain high-quality ring rolling surface morphology， improve shape accuracy and improve bearing service performance. GCr15 ring raceway was polished by force rheological polishing technology. The orthogonal experimental scheme was designed and the range of experimental parameters was confirmed. The effects of polishing speed， abrasive particle size and abrasive concentration on material removal rate（MRR） and surface roughness Ra were studied. The signal-to-noise ratio of the datum was analyzed， and the variance analysis method was used to obtain the influence weight of the processing parameters on the processing results， and the optimal processing parameters were obtained. The shape accuracy of the rings before and after the optimal parameter processing was compared， and the force rheological processing model was established to analyze the improvement mechanism. The polishing speed has the most significant effects on the MRR and surface roughness， and the abrasive particle size and concentration have relatively low effects. Under the optimal processing parameters（polishing disc speed 90 r/min， abrasive particle size 2.5 μm， concentration 6%） polishing 90 min， the value of surface roughness Ra decreases from the initial 322 nm to 12.982 nm， and the variance do not exceed 2.158 nm2. The roundness decreases from about 3.05 μm before polishing to about 1.67 μm. The simulation model reveales that the reason for the improvement of shape accuracy is that the protruding part is easy to form a higher MRR. Polishing the bearing ring raceway with the optimized force rheological polishing processes may improve the surface quality and shape accuracy of the bearing ring raceway effectively， and provide a feasible solution for high-quality processing to improve the service performance of the bearings.

Key words： force rheological polishing; bearing; ring; ultra-precision machining; shear thickening

0 引言

影響軸承發生疲勞磨損的因素非常多，表面質量是引發軸承疲勞磨損失效的主要原因^［1］。初始表面質量缺陷導致潤滑狀態變差，服役狀態異常^［2-3］。大量研究證明，在一定的接觸應力下，良好的表面粗糙度和精度能改善潤滑狀態，初始裂紋不易發展，從而提高軸承鋼的抗疲勞磨損能力^［4-7］。因此，尋找適合軸承滾道、滾動體的超精密加工工藝，從而抑制軸承鋼表面的初始缺陷是必要的。當前，軸承滾子采用無心磨削作為最后一道精密加工工序；套圈滾道常采用磨削后的油石超精作為最后一道精密加工工序。由于都采用磨粒強制性切入的加工方式，磨削熱和力不可避免，易造成表面變質層。

先進的超精密加工技術是提高工業基礎件表面質量的有效方法^［8-11］。在磨削領域，電化學磨削技術（electro-chemical grinding，ECG）是一種結合了傳統電解加工（electro-chemical machining，ECM）和機械磨削的復合加工方法^［12］。王旭等^［13］將ECG方法應用于軸承滾道的光整加工，滾道表面粗糙度Ra降至27 nm，獲得了理想的表面形貌。NOVAK等^［14］提出了砂輪在線電解修整（electrolytic in-process dressing，ELID）磨削方法，其原理是通過電解砂輪結合劑（主要是金屬結合劑）使磨粒不斷露出。RAFFLES等^［15］研究了不同粒徑的磨粒磨削質量的影響規律，并使用12000號超硬磨料磨削軸承鋼，得到了Ra=2 nm的表面。有學者結合ELID和ECG兩種電解方法，提出了雙電解磨削技術（dual electrolytic grinding，DEG）^［16］。JIAO等^［16］采用DEG技術，順利得到了Ra=5 nm的軸承外圓。尹龍等^［17］采用超聲振動輔助磨削套圈滾道，可獲得最低表面粗糙度0.28 μm的表面。先進磨削技術具有效率高、去除穩定的優勢，但是引入了電源及振動系統，導致影響表面質量的工藝參數過多，同時設備要求高，成本高昂，不夠綠色環保。磁流變加工技術和磨粒流光整技術是典型柔性超精密加工技術，由于磨粒的非強制性切入磨削，可以得到近無殘余應力的光滑表面。LIU等^［18］采用小球端永磁拋光頭控制磁流變拋光，加工不規則表面，得到了Ra=10 nm的表面。WU等^［19］拋光套圈滾道，Ra從初始的0.4 μm下降到0.1～0.2 μm。但磁流變拋光技術設備、材料成本高昂，不符合軸承大批量的生產特點。磨粒流工藝的粗糙度加工極限較高，不符合軸承滾動面的加工要求。

1 力流變拋光原理

采用具有剪切增稠效應的拋光液^［20］沖擊工件表面去除材料，即為剪切增稠拋光（shear-thickening polishing），有學者將這種利用拋光液受剪切力產生流變進行柔性加工的技術歸納為力流變拋光（force rheological polishing，FRP）^［21］。相比于磁流變等拋光技術，FRP具有高效高質、綠色環保的優點^［22］。根據經典Bingham模型，剪切增稠拋光液的本構方程為

τ=τs+μ0（uy）n（1）

其中，τs為拋光液所具有的初始的屈服剪應力，在某一具體環境中為常數。壁面所受拋光液的切應力τ與來流速度u、間隙y以及拋光液本身流變特性相關。如圖1所示，當沒有工件時，勢流速度梯度為0，磨粒、增稠相在拋光液里均勻分布。當拋光液的勢流流動受到工件的阻礙時，工件表面會形成剪切流動。由于ngt;1，故當增稠相受剪切作用時，拋光液表觀黏度和作用在工件表面的剪切力急劇增大，磨粒被增稠的拋光液牢固把持，在勢流的推動作用下，增稠的拋光液對工件表面材料進行微切削，從而達到超精密加工的目的。

在此前的研究中，學者們專注于將FRP方法應用到不同材料、結構的零件的超精密加工。如WANG等^［23］提出了化學增強輔助FRP拋光方法，通過氧化作用拋光Ti-6Al-4V鈦合金，在15 min加工時間內將表面粗糙度從124 nm降到8.6 nm。針對內表面流體拋光難的問題，GUO等^［24］研究了沖擊角度與內表面加工一致性的關系，并對套圈內表面進行試加工，得到了Ra=11.16 nm、方差0.58 nm²的均勻表面。SHAO等^［25］結合力流變拋光中化學增強作用和拋光角度的影響，拋光高溫鎳基合金材料的渦輪葉片，在9 min內將表面粗糙度從72.3 nm降到4.2 nm。也有學者對拋光液本身作了相關研究。HUANG等^［26］用無水基的剪切增稠拋光液來拋光水溶性KDP晶體，得到了Ra=2.23 nm的無損表面。ZHANG等^［27］研究了不同石英粉形狀對拋光液流變性能的影響規律，并認為其影響流變性能的本質是顆粒間相互作用。

為了提高GCr15套圈滾道的服役性能，本文以表面粗糙度和去除率為目標，通過正交試驗得到了FRP最佳工藝條件，對比了拋光前后套圈滾道的形狀精度，建立了仿真模型來分析其精度改善原因，以驗證FRP在提高軸承服役性能方面的可行性。

2 力流變拋光試驗設置

剪切增稠液由去離子水（DI Water）和高羥基聚合物按一定比例調配而成，混合氧化鋁磨粒作為拋光液。本研究采用自制的六軸力流變拋光機（圖2a）作為試驗平臺，拋光加工示意圖見圖2b。試驗以7009C內套圈外滾道作為研究對象，套圈使用專用夾具夾持，工件繞其圓心通過電機帶動自轉，電機主軸與水平面垂直。拋光盤以角速度ω1轉動，帶動拋光液旋轉，沖擊工件表面。套圈以角速度ω2與拋光盤相向轉動，其外圓及端面通過夾具和聚氨酯膠帶保護，防止被拋光。當拋光液流經工件附近區域時，套圈和拋光盤壁面之間形成剪切梯度，引發剪切增稠效應，如圖3所示。其余加工工藝參數見表1。

采用光學3D表面輪廓儀（中途SuperView W1）和超景深顯微鏡（VHX-S650E）觀測滾道微觀表面形貌。采用馬爾圓度圓柱度儀（Mahr）測量滾道形狀精度。

2.1 正交試驗參數選擇

為了確定不同因素對拋光質量的影響規律，并簡化試驗過程，本文采用正交試驗設計。田口法（Taguchi method）是基于正交試驗結果，采用信噪比作為作為優化質量的指標，得到最佳工藝水平組合的優化方法。應盡可能選擇較大的因素水平范圍，確保包含每一個工藝參數的最佳工藝水平。磨粒尺寸和拋光液中的濃度是影響拋光質量的關鍵因素。由FRP的原理可知，剪切速率是影響增稠的重要參數，故選取拋光盤轉速、磨粒濃度和磨粒尺寸作為工藝參數。

理論上，只要處于拋光液的增稠區間內，相對速度越高，則黏度越高，材料的去除效果越好。但在實際加工中發現，高黏度引起的溫升是不能避免的。如圖4所示，在100 r/min下，拋光液的溫度在60 min內上升了12 ℃，其溫升接近于線性，斜率達0.224。在110 r/min下，其溫升情況可分為兩個區域。區域1中，10 min內溫升曲線斜率達0.58，但在區域2區域降至0.061。這是因為，高溫高速下水分快速流失，拋光液固化，與工件的相互作用區域減少。由此可見，高速會導致拋光液性能、壽命下降。為了保持拋光液的長時間使用性能，設計正交試驗最高轉速為90 r/min。

本次試驗選取L9（34）正交表，見表2。A、B、C分別代表拋光盤轉速、磨粒濃度和磨粒尺寸。拋光盤轉速水平選擇50，70，90 r/min， 磨粒質量分數選擇3%、6%、9 %， 磨粒尺寸（微粉名義直徑）選擇1.5，2.5，5 μm。

2.2 正交試驗設計

試驗結果以表面粗糙度Ra和材料去除效率（material removal rate， MRR）RMR為評價指標。材料表面的平均表面粗糙度x-、標準差Dst分別為

x-=1n∑ni=1xi（2）

Dst=1n∑ni=1xi（3）

信噪比（S/N，單位dB）是田口法中對試驗結果分析的評估特征，能夠反映試驗過程中拋光質量（Ra）的偏差。由于表面粗糙度指標具有望小特性，故采用下式計算其信噪比值：

S/NRa=－10lg（1m∑mi=1y2i）（4）

而去除率具有望大特性，故采用下式計算其信噪比值：

S/NRMR=－10lg（1m∑mj=1y2i）（5）

3 結果與分析

正交試驗得到的表面粗糙度及其S/N響應值見表3。各因素水平對試驗結果的平均響應變化曲線如圖5所示。方差分析（analysis of variance， ANOVA）通過評估工藝參數水平對試驗結果的影響程度，并能以此確定各參數的貢獻度，如圖6所示。通過對圖5、圖6的分析，可以得出以下結論：

1）隨著拋光盤速度的升高，粗糙度降低而材料去除速率增大。原因一是轉速越高，導致增稠效應越明顯，增稠相對磨粒的把持更加穩定；原因二是根據Preston去除方程，更高的速度具有更高的去除率，在相同試驗的加工時間內更接近FRP的加工極限。

2）隨著磨粒濃度的增大，加工區域內參與加工的磨粒增加，相同加工時間內粗糙度下降更多，工件表面粗糙度呈現逐漸減小的趨勢。

3）隨著磨粒粒度的增大，相同加工時間內粗糙度下降率減小。這是因為柔性拋光對粒度不敏感，而高濃度下參與加工的小粒徑磨粒更多，所以加工效率也更高。

4）相較于拋光盤轉速，磨粒濃度和粒度對粗糙度和去除率的影響都相對較小。如圖6所示，拋光盤轉速對Ra和MRR值的影響程度分別達86.24%和61.00%。這證明在拋光中，拋光盤的速度是最重要的因素。

4 表面質量與精度演變情況

由正交試驗結果的方差分析可以看出，對拋光表面質量影響最大的是拋光液對工件的沖擊速度，這是因為高轉速下，拋光液形成了更高的速度梯度，從而黏度更高，去除效果更好。相比之下，磨粒粒徑和濃度對拋光效果的影響較小。故優化試驗采用A3B2C2的組合。

優化的拋光試驗結果如圖7所示。隨著拋光時間的增加，套圈表面粗糙度首先從322 nm快速下降到65.319 nm，隨后下降趨勢略有減緩，60 min時下降到27.491 nm，其方差為7.792 nm2，最終在90 min時達12.982 nm，方差為2.158 nm2。拋光后滾道表面達到了鏡面效果（圖8），且原有的磨削形貌已基本消除（圖9、圖10）。

在力流變拋光過程中，滾道的形狀精度隨加工時間的演變改善情況如圖11所示。在初始狀態下，滾道的平均圓度達3.05 μm，且數據離散度高。隨著力流變拋光過程的進行，圓度顯示出和粗糙度類似的演變情況。在初始的30 min加工時間內，圓度迅速下降到2.12 μm，隨后改善效率放緩，最終在經歷90 min力流變拋光后下降到平均圓度1.67 μm。

需要說明，為了保證精度改善的有效性，必須對工裝安裝精度進行精密測量，確保不引入其他不可控誤差。試驗結果證明，力流變拋光有效改善了套圈表面質量，可作為套圈滾道加工的一種高效精密加工工藝。

5 CFD仿真

5.1 CFD流程與模型

仿真流程如圖12所示。簡化的仿真模型如圖13所示，為了凸顯可視化效果，套圈滾道截面被簡化為一個橢圓，其長軸長度為80 mm，短軸長度為60 mm。模型設置一個入口和一個出口，邊界為固壁邊界。工件距離上邊界足夠遠，保證上邊界不對仿真產生干擾。下邊界模擬的是拋光盤壁面。在工件周圍對邊界層網格進行了加密。拋光液流變參數設置參見文獻［18］，拋光液速度按照A3（90 r/min）設置。動網格設置工件為剛體運動，UDF文件見附錄。

5.2 CFD結果與討論

圖14～圖16分別為拋光區域壓力、速度和去除率的分布情況，其中去除率采用p.v值代替^［28］。對比短軸靠近壁面時，當工件處于長軸在靠近壁面一側時，壓力減小但幅度有限。從圖14中云圖觀察得出，其正壓區壓力都在1230 Pa左右，短軸靠壁面情況下，正壓區范圍較大。相比之下，兩者的速度差距非常大。如圖15所示，在長軸靠壁面時，最大速度達到了4 m/s，而在短軸靠壁面時，最大速度只有約2 m/s。圖16中p.v值的分布則直觀確認了精度改善原因。無論長軸短軸，面向拋光液來流方向部位的材料去除率最高，但兩者峰值基本相等；而當長軸和短軸分別靠近壁面時，其去除率分布有了明顯變化。在一個自轉周期內，長軸端具有更高的材料去除，這是因為它同時具有更高的p.v值和更長的有效拋光駐留時間。

6 結語

本研究中，力流變拋光技術在軸承領域的應用可能性得到了證明。試驗結果證明，拋光液沖擊速度是影響加工效率的關鍵因素。在保證表面質量和拋光液可持續性的前提下，高轉速得到了最高的去除效率和最好的表面粗糙度。磨粒粒徑和濃度對去除率和粗糙度的影響不顯著。在優化的加工參數（拋光盤轉速90 r/min，磨粒粒徑2.5 μm，質量分數6%）下加工了90 min，粗糙度Ra由原始的322 nm下降到12.982 nm。對比了拋光前后的套圈滾道圓度變化，發現平均圓度精度由初始的3.05 μm提高到1.67 μm。建立了基于動網格的內套圈力流變拋光模型，分析了圓度改善機理。仿真結果揭示了高剪切速率導致的高去除率是圓度改善的原因。研究結果證明了力流變拋光技術在軸承精密加工應用領域的可行性。

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（編輯 陳 勇）

作者簡介：郭路廣，男，1990年生，講師、博士。研究方向為超精密加工技術與裝備。

袁巨龍*（通信作者），男，1962年生，教授、博士研究生導師。研究方向為超精密加工技術與裝備。E-mail：jlyuan@zjut.edu.cn。

本文引用格式：郭路廣，戴卓豪，王東峰，等.力流變工藝對軸承滾道表面質量與精度的影響［J］. 中國機械工程，2025，36（2）：271-279.

GUO Luguang， DAI Zhuohao， WANG Dongfeng， et al. Effects of Force Rheological Polishing Processes on Surface Quality and Accuracy of Bearing Raceways［J］. China Mechanical Engineering， 2025， 36（2）：271-279.

基金項目：國家重點研發計劃（2018YFB2000402）；浙江省自然科學基金（QZQN25E050002）