雷 陽, 楊曉光, 馮凱萍, 周兆忠, 袁巨龍

(1. 杭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 特種設(shè)備學(xué)院, 杭州 310018)

(2. 杭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 黨委學(xué)工部, 杭州 310018)

(3. 衢州學(xué)院 機械工程學(xué)院, 浙江 衢州 324002)

(4. 浙江工業(yè)大學(xué), 特種裝備制造與先進加工技術(shù)教育部重點實驗室, 杭州 310014)

圓柱滾子作為軸承的關(guān)鍵零件之一，其制造加工精度和質(zhì)量直接影響軸承的動態(tài)性能以及使用壽命[1]。傳統(tǒng)圓柱滾子滾動面的加工方法主要包括無心磨削、無心研磨等精密加工方法[2-3]。無心磨削雖然生產(chǎn)效率高，但是批量一致性較差；無心研磨主要用于提高圓柱滾子圓柱度與直線度，雖然能取得較好的表面質(zhì)量，但設(shè)備轉(zhuǎn)速較慢，加工效率較低。超精加工為目前比較常規(guī)的圓柱滾子精加工方法[4-5]，分為粗超和精超加工，粗超加工主要用于修形和去除余量，精超加工主要用于改善工件表面粗糙度，具有較高的生產(chǎn)效率和良好的表面加工質(zhì)量；但加工中油石選擇較煩瑣，而且對前、后導(dǎo)輥有較高精度要求，同時油石的修整和加工較復(fù)雜。此外，UMEHARA等[6]提出了磁流體研磨加工方法，該方法能保證批量一致性，但無法實現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)且對加工材料有一定限制。

傳統(tǒng)上，雙平面研磨設(shè)備一般主要用于研磨精度要求較高的平面零件，如硅晶片、光學(xué)玻璃和磁盤等[7-8]。馮銘等[9-10]提出了一種行星式雙平面研磨圓柱滾子的方法，能夠獲得一致性高、精度高的圓柱滾子，具有加工成本低等優(yōu)點；JIANG等[11]對行星式雙平面研磨圓柱滾子進行改進，提出了用雙平面偏心盤式化學(xué)機械拋光方法對圓柱滾子進行精加工，利用該方法研磨60 min、粗拋10 min、精拋10 min后，其表面粗糙度從76.0 nm下降到16.6 nm，圓柱度從0.97 μm下降到0.40 μm。

上述幾種試驗方法均使用游離磨料對圓柱滾子進行研磨，研磨效率較低。和游離磨料研磨相比，固結(jié)磨料磨具有更高的材料去除率和去除均勻性，且能獲得更好的表面加工質(zhì)量[12-13]。因此，在雙平面偏心盤式圓柱滾子拋光方法的基礎(chǔ)上，提出基于固結(jié)金剛石磨料磨具的圓柱滾子研磨方法，在上下盤黏附金剛石丸片對圓柱滾子進行超精密研磨試驗，以提高GCr15軸承鋼圓柱滾子的研磨效率和精度。

1 研磨方法及丸片制備

1.1 雙平面偏心式研磨方法

雙平面偏心式研磨方法如圖1所示，主要由以下部分組成：上、下研磨盤，外齒圈，偏心輪，內(nèi)齒盤和夾具。

圖1 偏心式雙平面圓柱滾子加工機構(gòu)示意圖

從圖1可知：偏心輪的圓心和旋轉(zhuǎn)中心的偏心距離為30 mm，偏心輪、上研磨盤和下研磨盤分別獨立轉(zhuǎn)動，夾具放在內(nèi)齒盤的12個圓孔中，圓柱滾子放在夾具的孔槽內(nèi)；夾具可在內(nèi)齒盤圓孔中旋轉(zhuǎn)，可調(diào)整圓柱滾子軸線和內(nèi)齒盤中心的偏心角。圓柱滾子在上、下研磨盤和夾具的共同作用下，不僅繞偏心輪中心公轉(zhuǎn)，而且同時自身滾動，做復(fù)雜空間運動，保證其研磨軌跡的均勻性。

1.2 研磨丸片制備

丸片各類成分及質(zhì)量分數(shù)如表1所示。表1中的 128液體環(huán)氧樹脂與2123粉狀酚醛樹脂并用作為細粒度金剛石磨具的結(jié)合劑，主要原因是：(1)環(huán)氧樹脂對酚醛樹脂溶解能力差，基本靠黏附作用使粉狀樹脂失去游離狀態(tài)，在混料過程中，不易結(jié)塊，容易過篩；(2)酚醛樹脂與環(huán)氧樹脂發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)，可減少揮發(fā)物生成，降低磨具脹裂的可能性。同時，磷苯二甲酸二丁酯為增韌劑，使磨具具有較好的彈性；325目(基本顆粒尺寸為44 μm)的電解銅粉用于增加磨具氣孔率，傳導(dǎo)研磨熱能，提高磨具耐熱性；1 500目(基本顆粒尺寸為9 μm)的碳化硅微粉用于提高磨具耐磨性；氧化鈰粉(基本顆粒尺寸為0.2～0.3 μm)和325目(基本顆粒尺寸為44 μm)的銅包石墨粉提高磨具的拋光性能；325目(基本顆粒尺寸為44 μm)的冰晶石粉在研磨過程中研磨熱作用下可熔融，促使磨粒易脫落，減少磨具堵塞，同時還可起潤滑作用[14]。

表1 金剛石丸片成分

丸片制作過程:(1)將金剛石微粉磨料和液體環(huán)氧樹脂、磷苯二甲酸二丁酯在V形筒混料機中混合2 h，液體環(huán)氧樹脂為濕潤劑黏結(jié)在磨粒表面，有利于提高磨料的分散均勻性；(2)將電解銅粉、碳化硅微粉等填充劑逐步加入上面的料中混合2 h；(3)再將酚醛樹脂粉加入混合料中，充分混合20 h，混合完成后過200目篩(篩網(wǎng)網(wǎng)孔尺寸為74 μm)，制成成形料；(4)最后在180 ℃條件下，將成形料熱壓燒結(jié)5 min，制成丸片。

2 研磨試驗設(shè)計

為優(yōu)化固結(jié)磨料磨具的研磨工藝參數(shù)，開展單因素工藝試驗，研究不同金剛石微粉粒度代號、金剛石丸片砂結(jié)比(金剛石微粉與樹脂結(jié)合劑質(zhì)量比)和研磨液黏度條件下對圓柱滾子的表面粗糙度、平均圓度誤差及材料去除率等的影響。圓柱滾子雙平面固結(jié)磨料磨具研磨工藝條件如表2所示。表2中的研磨液為聚乙二醇水溶液，其體積分數(shù)分別為0、40%、60%、70%和80%時對應(yīng)的研磨液黏度值分別為1.005、2.960、5.380、7.530和10.050 mPa·s，即通過控制聚乙二醇體積分數(shù)來改變研磨液黏度，進而控制研磨過程中研磨液的潤滑性能。同時，表2中的金剛石微粉粒度代號表示的金剛石微粉基本顆粒尺寸隨代號增大而不斷增大。

表2 圓柱滾子雙平面固結(jié)磨料磨具研磨工藝條件

圓柱滾子研磨試驗裝置如圖2所示。其中：圖 2a為試驗用偏心式雙平面研磨機；圖2b為下鑄鐵盤粘貼好研磨丸片并放好圓柱滾子工件時的圖片，圖中夾具孔槽為八邊形，共安裝有12個GCr15軸承鋼圓柱滾子，并在基盤上緊密排列，該排列方式在保證圓柱滾子在盤面充分滾動的前提下，又具有良好的排屑能力。研磨盤直徑為300 mm，單個盤面共粘貼直徑為φ11 mm的金剛石丸片468顆。

(a)偏心式雙平面研磨機

前期的研磨軌跡仿真模擬和研磨試驗過程中發(fā)現(xiàn)[7-8]：當(dāng)上下盤等取表2中的研磨參數(shù)時，設(shè)備運行平穩(wěn)，圓柱滾子表面的研磨軌跡較均勻；若轉(zhuǎn)速再提高，上盤抖動，滾子發(fā)生打滑現(xiàn)象；且壓力和材料去除率基本呈線性關(guān)系，壓力越大，材料去除率越高，合適的壓力范圍為5～20 N/每滾子，不會對圓柱滾子表面造成二次損傷。因此，為提高加工效率，選擇20 N/每滾子的壓力。由于研磨機可裝12個滾子，故總研磨壓力為20×12=240 N。

滾子研磨后的質(zhì)量指標(biāo)檢測方法如下：(1)使用Taylor Hobson表面粗糙度測試儀在12個圓柱滾子中取有代表性的滾子表面的不同點測量3次表面粗糙度值，求其平均值為最終結(jié)果；(2)用基恩士超景深顯微鏡對研磨前、后有代表性的圓柱滾子的表面形貌進行觀測；(3)用馬爾圓度儀對每個圓柱滾子總長3等分的3個位置處的研磨后圓度誤差進行檢測；(4)用精密電子天平稱量圓柱滾子質(zhì)量，用下式計算圓柱滾子的材料去除率，并取3次測量結(jié)果的平均值：

(1)

式中：RMRR為材料去除率，μm/min；V為圓柱滾子體積，mm3；δ為圓柱滾子研磨前后質(zhì)量差，g；S為圓柱滾子圓柱面面積，mm2；M0為圓柱滾子初始質(zhì)量，g；t為研磨時間，min。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 金剛石微粉粒度尺寸的影響

在表2中選擇金剛石丸片砂結(jié)比為1.6,研磨液黏度為5.380 mPa·s,其他條件不變，用表2中5個粒度代號的金剛石丸片對圓柱滾子進行研磨。圖3為粒度代號M1/2、M2/4、M4/8的金剛石丸片研磨后的圓柱滾子表面形貌。如圖2所示：M1/2的金剛石磨粒研磨后的工件表面最平坦，但有細長劃痕出現(xiàn)，且少量上道工序殘留的磨削劃痕并未完全去除；M4/8磨粒研磨后的工件表面劃痕較大且深；M2/4磨粒研磨后的工件表面由小而淺的劃痕組成，表面劃痕均勻而密集，表面形貌明顯優(yōu)于M4/8磨粒研磨后工件表面的。

表2中5種不同粒度代號金剛石丸片研磨圓柱滾子的材料去除率和表面粗糙度變化規(guī)律如圖4所示。從圖4可知：由于表2中的金剛石粒度代號從M1/2變化到M8/16時，其金剛石粒度基本顆粒尺寸是逐漸增加的，圓柱滾子的研磨效果強烈依賴于金剛石粒度，隨粒度代號從M8/16變化到M2/4，材料去除率從4.15 μm/min下降到1.80 μm/min，表面粗糙度Ra從0.062 μm下降到0.025 μm。

圖4 不同粒度代號金剛石丸片研磨圓柱滾子的材料去除率和表面粗糙度

從圖4和圖3可發(fā)現(xiàn)：M1/2和M2/4磨粒研磨都能較好去除工件初始表面損傷，獲得的表面粗糙度大小相當(dāng)，其Ra值分別為0.033 μm和0.025 μm，明顯小于M4/8金剛石磨粒研磨后的表面粗糙度值0.045 μm，因而表面質(zhì)量顯著提高；相比M4/8磨粒研磨造成的大劃痕(圖3c)，M2/4磨粒研磨后的表面劃痕小而淺，且表面劃痕均勻而密集(圖3b)；M1/2磨粒的材料去除率較低，大幅跌至0.50 μm/min，造成工件表面的殘留劃痕未能完全去除，主要原因是金剛石粒度細，去除能力不足造成(圖3a)。因此，選擇M2/4粒度代號的金剛石丸片研磨圓柱滾子，不僅可以有效避免研磨過程中大磨粒造成的工件表面劃傷，同時還可獲得表面質(zhì)量好，且可保證高研磨材料去除率的研磨效果。

3.2 丸片砂結(jié)比的影響

在表2其他條件不變情況下，選擇研磨液黏度為5.380 mPa·s，金剛石微粉粒度代號為M2/4，丸片砂結(jié)比為1.0～1.8時的參數(shù)對圓柱滾子進行研磨。不同砂結(jié)比丸片研磨圓柱滾子的材料去除率和表面粗糙度變化規(guī)律如圖5所示。由圖5可知：當(dāng)丸片砂結(jié)比小于1.6時，隨著砂結(jié)比增大，材料去除率升高，表面粗糙度下降速度增快；但當(dāng)砂結(jié)比超過1.6仍繼續(xù)增大時，材料去除率略有下降，表面粗糙度反而有所上升。因此，丸片砂結(jié)比選擇1.6時最合適。

圖5 不同砂結(jié)比丸片研磨圓柱滾子的材料去除率和表面粗糙度

在丸片砂結(jié)比較小時，研磨過程中有效作用的磨粒密度低，無法對工件粗糙表面進行有效的去除，故材料去除率較低，其單顆磨粒在接觸點上承受的壓強較大，加劇了磨粒切削刃的磨損；而結(jié)合劑含量相對較高時，結(jié)合劑對磨粒的把持力強，磨鈍了的磨粒不能及時脫落被新磨粒替代，丸片表面鈍化現(xiàn)象明顯，研磨一段時間后，工件表面粗糙度值下降緩慢。隨著砂結(jié)比增大，磨具中磨料相對濃度提高，磨料與工件表面的接觸機會增大，材料去除率提高，表面質(zhì)量改善；而當(dāng)砂結(jié)比超過1.6繼續(xù)增大時，丸片中單位表面上磨料過多、結(jié)合劑含量不足，結(jié)合劑與金剛石磨料之間以及結(jié)合劑自身之間結(jié)合不牢固，結(jié)合劑之間的孔隙較大，使得結(jié)合劑對磨料的把持力不夠而過早脫落，耕犁作用減弱，材料去除效率下降，且伴隨著大顆粒磨粒的過早脫落，容易在工件表面滾壓產(chǎn)生細微劃痕；同時，磨具磨損較大，降低了磨具的使用壽命和盤面的形狀精度。

3.3 研磨液黏度的影響

在表2條件下，選擇金剛石微粉粒度代號為M2/4，砂結(jié)比為1.6，其他條件不變，用不同黏度的研磨液對圓柱滾子進行研磨。圖6為不同黏度研磨液研磨后的表面形貌。

從圖6和圖3b中可以看出：當(dāng)研磨液黏度為1.005 mPa·s時(圖6a)，由于研磨液潤滑性能較差，磨粒容易在工件表面團聚而產(chǎn)生明顯劃痕，影響工件表面加工質(zhì)量；當(dāng)研磨液黏度為5.380 mPa·s時(圖3b)，工件表面沒有明顯的深劃痕，加工質(zhì)量較好；當(dāng)研磨液黏度為10.050 mPa·s時(圖6b)，工件表面也沒有明顯的深劃痕，但毛坯研磨后的劃痕依然明顯，其表面質(zhì)量差于圖3b的表面質(zhì)量。

不同黏度研磨液研磨圓柱滾子的材料去除率和表面粗糙度變化如圖7所示。由圖7可知：當(dāng)研磨液黏度最小為1.005 mPa·s(即聚乙二醇體積分數(shù)為0)時，材料去除率最大。隨著研磨液黏度增加，材料去除率逐漸變??；而表面粗糙度則隨著黏度的增大先減小、后增大，在黏度為5.380 mPa·s時表面粗糙度最小，此時的材料去除率達1.7 μm/min。這是因為當(dāng)研磨液黏度最低時，研磨液的潤滑性能較差，大顆粒磨粒容易在工件表面產(chǎn)生明顯劃痕，影響其加工質(zhì)量，使工件表面粗糙度增大；當(dāng)研磨液黏度增加時，改善研磨液的潤滑性能，從而有效減少大顆粒磨粒對工件表面產(chǎn)生新的損傷，其表面質(zhì)量較好；當(dāng)研磨液黏度增大到一定程度時，丸片表面大部分磨粒無法直接作用于工件表面，導(dǎo)致材料去除率急劇下降，研磨效率下降，工件表面粗糙度增大。綜合起來，其他條件不變，研磨液黏度為5.380 mPa·s時，圓柱滾子研磨效果最佳。

圖7 不同黏度研磨液研磨圓柱滾子的材料去除率和表面粗糙度

3.4 工藝參數(shù)對平均圓度誤差及批直徑變動量的影響

對雙平面偏心式圓柱滾子研磨選擇上述優(yōu)化的單因素工藝參數(shù)，即在金剛石微粉粒度代號為M2/4、丸片砂結(jié)比為1.6、研磨液黏度為5.380 mPa·s時對圓柱滾子進行研磨，研磨前后代表性工件的表面粗糙度如圖8所示。由圖8可知：滾子研磨前后的表面粗糙度Ra從0.081 μm下降到了0.025 μm。

(a)研磨前

對圓柱滾子研磨前后3個外圓面進行圓度誤差測量，結(jié)果如圖9所示。圖9中：研磨后的平均圓度誤差(小數(shù)點后只保留3位有效數(shù)字)為0.553 μm，優(yōu)于研磨前的1.085 μm。同時，在研磨過程中，每隔5 min調(diào)換圓柱滾子的兩端面位置，以及打亂圓柱滾子在夾具中的排序，以提高研磨后圓柱滾子批直徑的一致性。

(a)研磨前 Before lapping

將12個圓柱滾子圓度誤差最大上偏差減去圓度誤差最小下偏差計算得到12個圓柱滾子批直徑變動量RDWL，研磨前后12個圓柱滾子批直徑變動量RDWL如表3所示(數(shù)據(jù)只保留整數(shù))。表3中：研磨前的批直徑變動量RDWL為6 μm，研磨后的批直徑變動量RDWL為2 μm，研磨后的圓柱滾子直徑偏差明顯減少，研磨質(zhì)量明顯提高。

表3 直徑20 mm的12個圓柱滾子研磨前后平均直徑偏差

4 結(jié)論

(1)采用雙平面偏心式研磨方法，在上下盤面粘貼金剛石丸片，使用聚乙二醇水溶液研磨液，對GCr15軸承鋼圓柱滾子高效研磨加工，圓柱滾子的材料去除率隨金剛石磨粒粒度代號增大而增大，其表面粗糙度也隨之增大；金剛石丸片砂結(jié)比太大或太小都會導(dǎo)致圓柱滾子材料去除率下降，進而影響其表面粗糙度；合適的研磨液黏度，可以改善研磨時的潤滑性能，防止大顆粒磨粒劃傷工件表面。

(2)在金剛石微粉粒度代號為M2/4、丸片砂結(jié)比為1.6、研磨液黏度為5.380 mPa·s時對圓柱滾子進行研磨，其材料去除率達1.70 μm/min，圓柱滾子表面粗糙度Ra從研磨前的0.081 μm下降到研磨后的0.025 μm，研磨前后的平均圓度誤差從1.085 μm下降為0.553 μm，批直徑變動量RDWL從6 μm下降為2 μm，圓柱滾子加工質(zhì)量顯著提高。