鄧曉帆，任成祖，陳 洋，陳 光，蔡智杰，賀英倫

（天津大學(xué)天津市裝備設(shè)計(jì)與制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300350）

滾子軸承廣泛應(yīng)用于各類旋轉(zhuǎn)機(jī)械，尤其適用于高速列車等重載機(jī)械［1］。滾子是軸承運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)承受載荷的元件，是軸承中最薄弱的元件，其制造質(zhì)量對(duì)軸承的工作性能（如旋轉(zhuǎn)精度、振動(dòng)和噪聲等）有很大的影響，是影響軸承使用壽命的主要因素［2-4］。滾子的滾動(dòng)面為工作表面，實(shí)際應(yīng)用中對(duì)其表面質(zhì)量、尺寸精度和批次一致性的要求較高。為了獲取高精度的滾子滾動(dòng)面，常采用無心貫穿式研磨方法［5-11］、雙端面研磨方法［12-15］和磁流體拋光方法［16-18］等精密加工方法。

無心貫穿式研磨方法是目前最常用的軸承滾子滾動(dòng)面加工方法［5-6］，其加工過程為：滾子由托板和導(dǎo)輪支撐，利用固結(jié)磨料研磨工具進(jìn)行加工，在導(dǎo)輪的摩擦力驅(qū)動(dòng)下滾子繞自身軸線旋轉(zhuǎn)并沿軸線方向作進(jìn)給運(yùn)動(dòng)［7］。無心貫穿式研磨方法因其獨(dú)特的工件支撐系統(tǒng)和工件旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)理而具有高加工精度和高加工效率［7］。然而，無心貫穿式研磨方法也存在一些不足，其對(duì)研磨設(shè)備的精度十分敏感：當(dāng)研磨工具未經(jīng)準(zhǔn)確調(diào)整時(shí)，可能會(huì)引發(fā)滾子圓度超差、顫振或支撐點(diǎn)變化等嚴(yán)重問題［8-11］。此外，無心貫穿式研磨方法采用串聯(lián)式加工路線［12］，即每個(gè)滾子依次被加工，產(chǎn)品批次一致性的改善依賴于研磨設(shè)備精度的耐久度，且研磨工具狀態(tài)因磨損而時(shí)刻變化，導(dǎo)致同批次產(chǎn)品尺寸一致性的改善受自身工藝特點(diǎn)的限制。

雙端面研磨方法是軸承滾子滾動(dòng)面精密加工的新方法之一。Yuan、Jiang等［12-13］利用行星式雙端面研磨機(jī)來研磨AISI 52100材質(zhì)軸承滾子的滾動(dòng)面，加工后滾子的平均圓度為0.43 μm。然而，該研磨方法的研磨軌跡復(fù)雜，雖能夠有效提高滾子的圓度、平行度和直線度等形狀精度［14-15］，但其研磨工具為封閉結(jié)構(gòu)，難以實(shí)現(xiàn)上、下料的自動(dòng)化，且加工批量較小，生產(chǎn)效率有待提高。

磁流體拋光方法也是軸承滾子滾動(dòng)面精密加工的新方法之一，其加工原理為：將磁性微粉和磨料混合形成磁流體并將滾子表面浸入其中，通過控制磁場(chǎng)的強(qiáng)度和方向來驅(qū)動(dòng)磁性磨料對(duì)滾子進(jìn)行研磨［16］。Kirtane、Umehara等［17-18］采用混合磨料磁流體對(duì)小批量的Si3N4陶瓷滾子進(jìn)行超精研加工，滾子的平均圓度從16.65 μm減小為4.25 μm，平均表面粗糙度Ra達(dá)到0.029 μm，材料去除率達(dá)到1.1 μm/min。磁流體拋光方法可以實(shí)現(xiàn)小批量滾子的高效率、高精度加工。但由于磁流體自身的流動(dòng)性，以及加工環(huán)境需要封閉安裝的技術(shù)特點(diǎn)，該方法難以完成大批量滾子的連續(xù)、高效加工。

綜上，無心貫穿式研磨方法具有生產(chǎn)效率高和易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的優(yōu)點(diǎn)，但工藝復(fù)雜，研磨工具維修和更換繁瑣，且研磨工具的磨損限制了產(chǎn)品批次一致性的改善。雙端面研磨方法和磁流體拋光方法可以實(shí)現(xiàn)較高的加工精度，能夠改善小批量滾子的尺寸一致性，但無法實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)，難以滿足工業(yè)化批量生產(chǎn)的要求。

為了彌補(bǔ)現(xiàn)有方法的不足，天津大學(xué)的任成祖等提出了雙盤直槽（double-disc and linear-groove，DDLG）研磨方法，即以1個(gè)平端面研磨盤和1個(gè)具有多條直溝槽的研磨盤為對(duì)磨研具，對(duì)圓柱滾子的滾動(dòng)面進(jìn)行批量精密加工［19-20］。如圖1所示，上研磨盤的工作面為平端面，下研磨盤的工作面上有若干條同截面形狀、等深度的徑向直溝槽。直溝槽的截面形狀為與圓柱滾子滾動(dòng)面相切的V形，其槽底有容屑槽。圓柱滾子沿軸向排列在直溝槽中，并與上研磨盤的平端面、下研磨盤直溝槽的兩側(cè)面接觸。

在研磨加工過程中，上研磨盤旋轉(zhuǎn)以驅(qū)動(dòng)圓柱滾子連續(xù)自轉(zhuǎn)；同時(shí)，圓柱滾子由下研磨盤外側(cè)面連續(xù)送進(jìn)，并沿直溝槽方向進(jìn)給；磨料為游離磨料，材料去除行為發(fā)生在圓柱滾子滾動(dòng)面與兩研磨盤工作面的接觸區(qū)域內(nèi)。在多條直溝槽中，大量圓柱滾子并行進(jìn)給、同步參與加工，圓柱滾子滾動(dòng)面上的高點(diǎn)材料多去除，低點(diǎn)材料少去除。完成加工的圓柱滾子離開加工區(qū)域后經(jīng)清洗烘干，再次進(jìn)入加工區(qū)域。研磨盤內(nèi)參與加工的圓柱滾子隨機(jī)組合，經(jīng)多次循環(huán)加工后圓柱滾子的加工質(zhì)量和批次一致性逐漸提高。并行比較式的材料去除方式以及圓柱滾子在研磨盤內(nèi)、外的循環(huán)加工能夠?qū)崿F(xiàn)高精度圓柱滾子的大批量生產(chǎn)。相較于現(xiàn)有方法，雙盤直槽研磨方法具有明顯優(yōu)勢(shì)。

圖1 雙盤直槽研磨方法的原理Fig.1 Principle of double-disc and linear-groove lapping method

基于此，筆者擬根據(jù)雙盤直槽研磨方法的特點(diǎn)，展開以下工作。首先，通過對(duì)研磨加工過程中圓柱滾子受力情況的理論分析，確定滿足圓柱滾子自轉(zhuǎn)條件的研磨盤材料摩擦特性的選取依據(jù)。然后，利用銷-盤摩擦磨損實(shí)驗(yàn)來測(cè)試鑄鐵、45鋼、黃銅、聚四氟乙烯（polytetrafluoroethylene，PTFE）、有機(jī)玻璃（polymethyl methacrylate，PMMA）、125%鑄鐵基固結(jié)磨料和125%樹脂基固結(jié)磨料等常見的研磨盤材料在研磨條件下的摩擦磨損性能。最后，在不同的摩擦副配對(duì)方式和不同的載荷下，對(duì)上述材料的摩擦磨損性能進(jìn)行評(píng)價(jià)，綜合摩擦系數(shù)、耐磨性和排屑性能來確定最優(yōu)的研磨盤材料組合，并通過搭建雙盤直槽研磨試驗(yàn)臺(tái)來測(cè)試所選的研具材料是否能驅(qū)動(dòng)圓柱滾子連續(xù)自轉(zhuǎn)，以驗(yàn)證所提出的研具選材方法的合理性。

1 雙盤直槽研磨方法的實(shí)施條件分析

根據(jù)雙盤直槽研磨方法的實(shí)施原理可知，圓柱滾子沿直溝槽連續(xù)螺旋進(jìn)給是獲得高精度滾動(dòng)面的關(guān)鍵。因此，在研磨加工時(shí)，上研磨盤對(duì)圓柱滾子的滑動(dòng)摩擦驅(qū)動(dòng)力矩必須能克服下研磨盤直溝槽對(duì)圓柱滾子的摩擦阻力矩，從而驅(qū)動(dòng)圓柱滾子沿著直溝槽連續(xù)螺旋進(jìn)給。上、下研磨盤材料的摩擦特性直接影響研磨盤對(duì)圓柱滾子的摩擦力矩的大小。因此，需通過分析圓柱滾子的受力情況來確定對(duì)上、下研磨盤材料摩擦特性的具體要求。

為簡(jiǎn)化分析，假設(shè)圓柱滾子與研磨盤均為剛體，圓柱滾子與上、下研磨盤保持線接觸。如圖2所示，在研磨加工過程中，圓柱滾子沿直溝槽連續(xù)螺旋進(jìn)給，上研磨盤作用于圓柱滾子滾動(dòng)面的摩擦力F1f可分解為垂直于直溝槽方向的分力F1a和沿圓柱滾子軸線的分力F1b。2個(gè)分力分別驅(qū)動(dòng)圓柱滾子作繞自身軸線的自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和沿直溝槽的直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。圖中：R為圓柱滾子中部軸截面圓心O2到下研磨盤回轉(zhuǎn)中心O1的距離；R1為下研磨盤的外圓周半徑；R2為下研磨盤的中心孔半徑；e為下研磨盤直溝槽相對(duì)于下研磨盤回轉(zhuǎn)中心O1的偏心距；ω1為圓柱滾子的自轉(zhuǎn)角速度。

圖2 研磨加工過程中圓柱滾子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)示意圖Fig.2 Schematic diagram of movement state of cylinder roller during lapping process

取圓柱滾子中部軸截面為研究對(duì)象，忽略圓柱滾子自身重力（滾子自身重力遠(yuǎn)小于外加載荷），將圓柱滾子所受的力等效集中到單一截面進(jìn)行分析，如圖3所示。圖中：A點(diǎn)為上研磨盤工作面與圓柱滾子滾動(dòng)面的接觸點(diǎn)；B、C點(diǎn)為下研磨盤直溝槽兩側(cè)面與圓柱滾子滾動(dòng)面的接觸點(diǎn)；r為圓柱滾子中部軸截面的半徑；F1為上研磨盤作用于圓柱滾子滾動(dòng)面的正壓力的等效力；F2、F3分別為下研磨盤直溝槽作用于圓柱滾子滾動(dòng)面的正壓力的等效力；2α為下研磨盤直溝槽兩側(cè)面與圓柱滾子滾動(dòng)面的接觸點(diǎn)B、C與圓柱滾子中部軸截面圓心O2連線的夾角（支撐角），其與直溝槽兩側(cè)面的夾角互補(bǔ)；F2f、F3f分別為下研磨盤直溝槽作用于圓柱滾子滾動(dòng)面的摩擦力的等效力；ω0為上研磨盤的旋轉(zhuǎn)角速度；G為圓柱滾子自身的重力。

圖3 圓柱滾子的受力分析示意圖Fig.3 Schematic diagram of force analysis of cylinder roller

根據(jù)圖2所示的幾何關(guān)系可得：

在圓柱滾子中部軸截面圓心到下研磨盤回轉(zhuǎn)中心的距離R的取值范圍（R2≤R≤R1）內(nèi)，直溝槽的偏心距較小，即R?e，因此可將F1a近似等效為F1f。在下文中，直接用F1f代替F1a進(jìn)行分析。

根據(jù)圖3可得，上研磨盤作用于圓柱滾子滾動(dòng)面的摩擦力F1f為：

式中：f1為由上研磨盤工作面與圓柱滾子組成的摩擦副在研磨條件下的摩擦系數(shù)。

下研磨盤直溝槽作用于圓柱滾子滾動(dòng)面的摩擦力 F2f、F3f分別為：

式中：f2、f3分別為由下研磨盤直溝槽兩側(cè)面與圓柱滾子組成的摩擦副在研磨條件下的摩擦系數(shù)。

為實(shí)現(xiàn)圓柱滾子的連續(xù)自轉(zhuǎn)，在研磨加工時(shí)需滿足：上研磨盤對(duì)圓柱滾子的摩擦驅(qū)動(dòng)力矩M1f須大于下研磨盤直溝槽對(duì)圓柱滾子的摩擦阻力矩M2f與M3f之和，即：

各摩擦力矩與摩擦力的關(guān)系為：

將式（6）代入式（5），可得：

將式（2）至式（4）代入式（7），可得：

由圖3所示的力學(xué)關(guān)系可知，下研磨盤直溝槽作用于圓柱滾子滾動(dòng)面的正壓力F2、F3與上研磨盤作用于圓柱滾子滾動(dòng)面的正壓力F1之間滿足以下關(guān)系：

實(shí)驗(yàn)中采用的圓柱滾子的質(zhì)量約為2 g，遠(yuǎn)小于圓柱滾子所受的載荷（F1大于1 N），則忽略重力G。當(dāng)下研磨盤直溝槽兩側(cè)面采用同一材料時(shí)，f2=f3。將式（2）至式（4）代入式（9），化簡(jiǎn)可得：

求解式（10），可得：

將（11）代入式（8），可得：

式（12）即為實(shí)現(xiàn)圓柱滾子連續(xù)自轉(zhuǎn)需滿足的條件。在研磨加工過程中，圓柱滾子沿著直溝槽進(jìn)入研磨加工區(qū)域，此時(shí)圓柱滾子的自轉(zhuǎn)角速度ω1=0 rad/s。為保證圓柱滾子穩(wěn)定自轉(zhuǎn)，需使圓柱滾子滾動(dòng)面與上研磨盤工作面的摩擦為滑動(dòng)摩擦，圓柱滾子滾動(dòng)面與下研磨盤直溝槽兩側(cè)面的摩擦為靜摩擦或滑動(dòng)摩擦，故摩擦系數(shù)f1取上研磨盤材料的滑動(dòng)摩擦系數(shù)，f2、f3取直溝槽材料的滑動(dòng)摩擦系數(shù)和靜摩擦系數(shù)中的較大者。

由式（12）可知，雙盤直槽研磨方法的實(shí)施條件只與上、下研磨盤材料和圓柱滾子材料的摩擦特性以及下研磨盤直溝槽對(duì)圓柱滾子的支撐角有關(guān)，因此可將其作為篩選研磨盤材料的依據(jù)。

2 銷-盤摩擦磨損實(shí)驗(yàn)

根據(jù)雙盤直槽研磨方法的實(shí)施條件可知，研磨盤材料的摩擦特性是影響圓柱滾子滾動(dòng)面加工效率和尺寸一致性改善的關(guān)鍵因素。為保證研磨加工的順利實(shí)施，上、下研磨盤材料的摩擦特性必須滿足式（12）。同時(shí)，研磨盤材料的耐磨性對(duì)研具截面形狀的保持性有重要影響［21-22］。選擇高耐磨性的材料有助于減少研磨盤在連續(xù)研磨加工過程中的形狀變化，可提高圓柱滾子的尺寸一致性。此外，為了提高加工質(zhì)量，還需保證研磨盤材料具有良好的排屑性能［23-24］。若研磨盤容易被磨屑堵塞，則研磨盤的磨削效率會(huì)隨著研磨過程的深入而下降，從而影響加工質(zhì)量。

綜上，雙盤直槽研磨方法研具選型的主要依據(jù)為：研磨盤材料的摩擦系數(shù)、耐磨性和排屑性能。因此，通過銷-盤摩擦磨損實(shí)驗(yàn)來測(cè)試不同研磨盤材料與某圓柱滾子材料配對(duì)時(shí)的滑動(dòng)摩擦系數(shù)（在類似于實(shí)際研磨條件的摩擦磨損環(huán)境下），測(cè)量研磨盤材料在研磨過程中的磨損量與圓柱滾子材料的去除量，以及觀察研磨盤在研磨后是否存在磨屑堵塞情況，并以此作為篩選依據(jù)，選出合適的上、下研磨盤材料組合，用于圓柱滾子滾動(dòng)面的精密加工。

2.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

2.1.1 實(shí)驗(yàn)介紹

本文利用銷-盤摩擦磨損試驗(yàn)來測(cè)試多種常用的研磨盤材料與某圓柱滾子材料配對(duì)時(shí)的滑動(dòng)摩擦系數(shù)（在類似實(shí)際研磨條件下），以及測(cè)試備選的研磨盤材料的耐磨性、磨削效率和排屑性能。其中，研磨盤材料的耐磨性是通過測(cè)量實(shí)驗(yàn)前后研磨盤試樣的質(zhì)量變化來評(píng)價(jià)；磨削效率是通過比較實(shí)驗(yàn)前后圓柱銷試樣與研磨盤試樣的質(zhì)量變化的比值來判斷；排屑性能是通過測(cè)量實(shí)驗(yàn)前后研磨盤試樣的質(zhì)量變化以及摩擦系數(shù)的變化來判斷。在不同材料的摩擦磨損實(shí)驗(yàn)中，磨粒參數(shù)和工作參數(shù)均取相同。

2.1.2 銷-盤材料選型

參考文獻(xiàn)［25-27］，選取了7種常見的研磨盤材料，包括鑄鐵、45鋼、黃銅、聚四氟乙烯、有機(jī)玻璃、125%鑄鐵基固結(jié)磨料和125%樹脂基固結(jié)磨料，用其與圓柱銷試樣進(jìn)行對(duì)磨。其中，125%鑄鐵基固結(jié)磨料的基體材料為鑄鐵，鑲嵌磨料為W40微粉金剛石（平均粒度為40 μm），磨料濃度為125%；125%樹脂基固結(jié)磨料的基體材料為酚醛樹脂，鑲嵌磨料為W40微粉金剛石，磨料濃度為125%。選用AISI 52100軸承鋼作為圓柱滾子的材料。

在實(shí)驗(yàn)中，用7種備選材料制作圓盤形研磨盤試樣，其直徑為32 mm，厚度為10 mm；用AISI 52100軸承鋼制作圓柱銷試樣，其直徑為6 mm，長(zhǎng)度為12 mm。

2.1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與試樣

銷-盤摩擦磨損實(shí)驗(yàn)在銷盤式萬能磨損試驗(yàn)機(jī)上完成，其結(jié)構(gòu)和原理如圖4所示。該銷盤式萬能磨損試驗(yàn)機(jī)可用于測(cè)量銷-盤摩擦磨損實(shí)驗(yàn)過程中的扭矩并將其換算成對(duì)應(yīng)的摩擦系數(shù)。

圖4 銷盤式萬能磨損試驗(yàn)機(jī)的結(jié)構(gòu)和原理Fig.4 Structure and principle of pin-disc universal wear testing machine

2.2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

在實(shí)驗(yàn)開始前，利用平均粒度為40 μm的氧化鋁磨料對(duì)研磨盤試樣和圓柱銷試樣的對(duì)磨端面進(jìn)行拋光。在實(shí)驗(yàn)開始后，將由研磨盤試樣和圓柱銷試樣組成的摩擦副浸沒在研磨液中，研磨液的成分（用質(zhì)量分?jǐn)?shù)表示）為10%的白剛玉磨粒、20%的丙三和醇和70%的純水。其中：白剛玉磨粒的平均粒度為40 μm；實(shí)驗(yàn)載荷為10～50 N；圓柱銷試樣的轉(zhuǎn)速為50 r/min，回轉(zhuǎn)半徑為12 mm；研磨盤試樣靜止；環(huán)境溫度為23℃。

研磨盤試樣的磨損量和圓柱銷試樣的材料去除量是通過測(cè)量實(shí)驗(yàn)前后研磨盤試樣和圓柱銷試樣的質(zhì)量變化量得到的。采用的測(cè)量?jī)x器為萬分天平（分辨率為0.1 mg），最終數(shù)據(jù)取3次測(cè)量的平均值。在測(cè)量試樣的質(zhì)量之前，利用振動(dòng)清洗機(jī)經(jīng)乙醇隔水清洗試樣表面并常溫烘干。

2.3 實(shí)驗(yàn)過程

1）對(duì)研磨盤試樣和圓柱銷試樣進(jìn)行拋光、清洗和常溫烘干后，分別測(cè)量研磨盤試樣和圓柱銷試樣的質(zhì)量并記錄。

2）設(shè)置圓柱銷試樣的轉(zhuǎn)速為50 r/min，回轉(zhuǎn)半徑為12 mm，實(shí)驗(yàn)環(huán)境的溫度為23℃，在載荷為10，20，30，40，50 N的條件下依次進(jìn)行銷-盤摩擦磨損實(shí)驗(yàn)。每次摩擦磨損實(shí)驗(yàn)在研磨液潤(rùn)滑條件下持續(xù)10 min，以模擬從低載荷到高載荷的連續(xù)研磨加工過程。

3）記錄實(shí)驗(yàn)過程中摩擦副的滑動(dòng)摩擦系數(shù)—時(shí)間曲線。在每次實(shí)驗(yàn)完成后，取下研磨盤試樣和圓柱銷試樣進(jìn)行清洗并常溫烘干，再次測(cè)量試樣質(zhì)量并記錄。

3 銷-盤摩擦磨損實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 摩擦系數(shù)

基于銷-盤摩擦磨損實(shí)驗(yàn)測(cè)得相同研磨條件下不同研磨盤材料與AISI 52100圓柱銷試樣對(duì)磨時(shí)的滑動(dòng)摩擦系數(shù)，如圖5所示。

圖5 不同研磨盤材料的滑動(dòng)摩擦系數(shù)Fig.5 Sliding friction coefficient of different lapping disc materials

由圖5可知，各種研磨盤材料的滑動(dòng)摩擦系數(shù)按從大到小排列依次為：鑄鐵、45鋼、125%樹脂基固結(jié)磨料、125%鑄鐵基固結(jié)磨料、有機(jī)玻璃、黃銅和聚四氟乙烯。其中：鑄鐵的滑動(dòng)摩擦系數(shù)最大，在0.22～0.26內(nèi)波動(dòng)（均值為0.24），且其滑動(dòng)摩擦系數(shù)與載荷關(guān)系不大。45鋼的滑動(dòng)摩擦系數(shù)次之，其滑動(dòng)摩擦系數(shù)在0.19～0.21內(nèi)波動(dòng)（均值為0.20），與載荷的關(guān)系也不大。緊隨其后的是125%樹脂基固結(jié)磨料和125%鑄鐵基固結(jié)磨料，但這2種材料在高載荷下均存在明顯的滑動(dòng)摩擦系數(shù)驟降現(xiàn)象，且125%樹脂基固結(jié)磨料的滑動(dòng)摩擦系數(shù)驟降現(xiàn)象較為明顯；查閱文獻(xiàn)［28-29］的結(jié)論可知，固結(jié)磨料滑動(dòng)摩擦系數(shù)的波動(dòng)主要與磨屑堵塞有關(guān)。隨著載荷的增大，固結(jié)磨料的堵塞程度不斷加重，導(dǎo)致其滑動(dòng)摩擦系數(shù)逐漸減小，因此固結(jié)磨料滑動(dòng)摩擦系數(shù)的波動(dòng)程度大于非固結(jié)磨料。有機(jī)玻璃的滑動(dòng)摩擦系數(shù)較大，其平均滑動(dòng)摩擦系數(shù)為0.14，與載荷的關(guān)系不大。黃銅和聚四氟乙烯的滑動(dòng)摩擦系數(shù)較小，其中：黃銅的平均滑動(dòng)摩擦系數(shù)約為0.08，受載荷的影響較明顯，低載荷下黃銅的平均滑動(dòng)摩擦系數(shù)稍大，約為0.11，中載荷和高載荷下黃銅的平均滑動(dòng)摩擦系數(shù)穩(wěn)定在0.07左右；聚四氟乙烯的平均滑動(dòng)摩擦系數(shù)僅為0.03，是7種材料中最小的，且受載荷的影響較小。

3.2 磨損量

表1所示為在載荷為30 N，研磨時(shí)間為25 min，轉(zhuǎn)速為50 r/min的條件下，基于銷-盤摩擦磨損實(shí)驗(yàn)測(cè)得的7種研磨盤試樣的磨損量。由表1可知，125%樹脂基固結(jié)磨料、鑄鐵這2種材料的磨損量最大，之后依次為黃銅、45鋼、有機(jī)玻璃和聚四氟乙烯，而125%鑄鐵基固結(jié)磨料研磨盤試樣的質(zhì)量反而增大。綜合圖5和表1可知，125%鑄鐵基固結(jié)磨料研磨盤存在嚴(yán)重的磨屑堵塞現(xiàn)象。

表1 不同材料研磨盤試樣的磨損量Table 1 Abrasion amount of lapping disc samples of different materials

表2所示為在載荷為30 N，研磨時(shí)間為25 min，轉(zhuǎn)速為50 r/min的條件下，基于銷-盤摩擦磨損實(shí)驗(yàn)測(cè)得的7種研磨盤試樣的磨削效率（圓柱銷試樣材料去除量/研磨盤試樣磨損量）。從表2可以看出，7種材料的磨削效率從大到小依次為有機(jī)玻璃、聚四氟乙烯、45鋼、鑄鐵、125%樹脂基固結(jié)磨料、黃銅、125%鑄鐵基固結(jié)磨料。其中，125%鑄鐵基固結(jié)磨料的磨削效率為負(fù)值，說明這種材料存在嚴(yán)重的磨屑堵塞現(xiàn)象。

綜合7種材料的磨損量和磨削效率來看，45鋼、鑄鐵研磨盤試樣與AISI 52100圓柱銷試樣對(duì)磨時(shí)，圓柱銷試樣的材料去除量較大，但是研磨盤試樣自身的磨損也極大；采用有機(jī)玻璃和聚四氟乙烯制作研磨盤試樣時(shí)，圓柱銷試樣的材料去除量較小，但是其磨削效率要大于由125%樹脂基固結(jié)磨料、125%鑄鐵基固結(jié)磨料和黃銅制成的研磨盤試樣。2種固結(jié)磨料和黃銅的磨削效率較小，相對(duì)而言其耐磨性較差。125%鑄鐵基固結(jié)磨料研磨盤試樣存在質(zhì)量增大的現(xiàn)象，說明其可能存在磨屑堵塞現(xiàn)象。由此可知，分析研磨盤材料的研磨性能時(shí)不能只關(guān)注磨削效率。

表2 不同材料研磨盤試樣的磨削效率Table 2 Grinding efficiency of lapping disc samples of different materials

4 基于雙盤直槽研磨方法的圓柱滾子自轉(zhuǎn)驗(yàn)證試驗(yàn)

本試驗(yàn)采用的圓柱滾子試樣的材質(zhì)為AISI 52100軸承鋼。根據(jù)上文的銷-盤摩擦磨損實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知：鑄鐵研磨盤試樣與AISI 52100圓柱銷試樣對(duì)磨時(shí)，鑄鐵的平均滑動(dòng)摩擦系數(shù)為0.24，受載荷的影響較小，且圓柱銷試樣的去除量大，適合用作上研磨盤材料；聚四氟乙烯研磨盤試樣與AISI 52100圓柱銷試樣對(duì)磨時(shí)，聚四氟乙烯的平均滑動(dòng)摩擦系數(shù)為0.03，靜摩擦系數(shù)為0.10［27］，其摩擦系數(shù)小且耐磨性好，適合用作下研磨盤直溝槽材料。當(dāng)下研磨盤直溝槽兩側(cè)面的夾角為90°時(shí)，以鑄鐵為上研磨盤材料，聚四氟乙烯為直溝槽材料，可滿足實(shí)現(xiàn)圓柱滾子連續(xù)自轉(zhuǎn)的研磨加工實(shí)施條件。基于此，搭建雙盤直槽研磨試驗(yàn)臺(tái)，如圖6（a）所示。

雙盤直槽研磨試驗(yàn)臺(tái)是以MB4363B型半自動(dòng)雙盤研磨機(jī)為基礎(chǔ)，根據(jù)雙盤直槽研磨方法原理進(jìn)行改造而成的。其中，下研磨盤的外徑為420 mm，內(nèi)徑為200 mm，有多條直溝槽。在研磨加工時(shí)，上研磨盤連續(xù)回轉(zhuǎn)，下研磨盤靜止不動(dòng)，圓柱滾子沿直溝槽連續(xù)螺旋進(jìn)給；研磨壓力由上研磨盤施加；研磨液（由10%的白剛玉磨粒，20%的丙三醇和70%的純水組成）循環(huán)供應(yīng)。在搭建的雙盤直槽研磨試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行圓柱滾子滾動(dòng)面研磨試驗(yàn)。如圖6（b）所示，在試驗(yàn)過程中觀察到下研磨盤直溝槽內(nèi)的圓柱滾子連續(xù)自轉(zhuǎn)，并沿著下研磨盤直溝槽螺旋進(jìn)給。試驗(yàn)結(jié)果表明，所選的鑄鐵-聚四氟乙烯研磨盤能夠?qū)崿F(xiàn)雙盤直槽研磨方法所要求的圓柱滾子連續(xù)螺旋進(jìn)給。

5 結(jié)論

研具材料的選擇是搭建雙盤直槽研磨設(shè)備的基礎(chǔ)。本文根據(jù)圓柱滾子的受力分析確定了雙盤直槽研磨方法中研具材料摩擦系數(shù)的取值范圍，利用銷-盤摩擦磨損實(shí)驗(yàn)測(cè)試了常用研磨盤材料的摩擦系數(shù)、耐磨性和排屑性能，并搭建了雙盤直槽研磨試驗(yàn)臺(tái)來驗(yàn)證所提出的選材方法的合理性，得到的結(jié)論如下。

圖6 雙盤直槽研磨試驗(yàn)臺(tái)和圓柱滾子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)Fig.6 Double-disc and linear-groove lapping test bench and movement state of cylinder roller

1）通過理論分析可知，雙盤直槽研磨方法實(shí)現(xiàn)圓柱滾子連續(xù)自轉(zhuǎn)的實(shí)施條件僅與由研磨盤材料和圓柱滾子材料的摩擦系數(shù)以及V形直溝槽對(duì)圓柱滾子的支撐角有關(guān)。

2）與AISI 52100圓柱銷試樣對(duì)磨時(shí)，鑄鐵和45鋼的平均滑動(dòng)摩擦系數(shù)較大，分別為0.24和0.20，這2種材料的滑動(dòng)摩擦系數(shù)受載荷的影響較小，圓柱銷試樣的去除率較高；有機(jī)玻璃的平均滑動(dòng)摩擦系數(shù)為0.14，受載荷的影響小，其耐磨性好，磨削效率較高。由此可知，鑄鐵、45鋼和有機(jī)玻璃均適合用作上研磨盤材料。

3）與AISI 52100圓柱銷試樣對(duì)磨時(shí)，聚四氟乙烯的平均滑動(dòng)摩擦系數(shù)和靜摩擦系數(shù)分別為0.03和0.10，其耐磨性好且磨削效率較高，適合用作下研磨盤直溝槽材料。

4）與AISI 52100圓柱銷試樣對(duì)磨時(shí)，125%鑄鐵基固結(jié)磨料和125%樹脂基固結(jié)磨料的滑動(dòng)摩擦系數(shù)較大，但其耐磨性較差，且在高載荷下會(huì)出現(xiàn)摩擦系數(shù)驟降現(xiàn)象，尤其是125%鑄鐵基固結(jié)磨料還存在嚴(yán)重的磨屑堵塞現(xiàn)象。黃銅的滑動(dòng)摩擦系數(shù)較小，但受載荷的影響較大，且其耐磨性較差。綜上可知，2種固結(jié)磨料和黃銅均不適合用作研磨盤材料。

5）采用鑄鐵、聚四氟乙烯作為上、下研磨盤的材料，并令下研磨盤直溝槽兩側(cè)面的夾角為90°，搭建雙盤直槽研磨試驗(yàn)臺(tái)，在試驗(yàn)中觀察到圓柱滾子連續(xù)自轉(zhuǎn)，驗(yàn)證了所提出的研具選材依據(jù)的合理性。

綜上，基于摩擦磨損實(shí)驗(yàn)的雙盤直槽研磨方法的研具選材依據(jù)可有效指導(dǎo)后續(xù)研磨盤選材和雙盤直槽研磨設(shè)備的搭建，具有一定的實(shí)用性。