楊居儒,呂冰海,傅琳,周雨,袁巨龍

(浙江工業(yè)大學 超精密加工研究中心,杭州 310023)

大型圓柱滾子軸承常用于風力發(fā)電機、軋鋼機、燃氣渦輪機和起重運輸機械等大型設備。隨著大型、 特大型軸承對旋轉精度和轉速等要求的日益提高,對大尺寸圓柱滾子(公稱直徑40～75 mm)的表面精度要求也越來越高,如高速軋機軸承轉速達到每分鐘數(shù)萬轉,滾子精度等級要求達到Ⅰ～Ⅱ級水平[1]。精密圓柱滾子作為精密軸承的關鍵零件,其精度和表面質量對軸承的工作性能和使用壽命有重大影響[2-3]。目前,圓柱滾子一般采用超精加工作為最后一道工序,表面粗糙度值可降至0.05 μm,但往往無法保證油石與工件的加工表面形狀吻合,即油石與工件之間并非面接觸[4]。

為了獲得更高的表面精度和表面質量,國內外學者研究了多種圓柱滾子拋光方法:文獻[5]利用電化學機械復合光整技術加工圓柱滾子,表面粗糙度值從初始的0.087 μm降至0.023 μm;文獻[6]利用磁流體加工裝置超精研陶瓷滾子外圓,采用平均粒徑3 μm的Cr2O3磨料獲得了較好的表面質量,平均表面粗糙度值達到0.029 μm;文獻[7]采用平均粒徑3 μm的Al2O3磨料對鈦合金圓柱進行了定心往復超精研加工,工件表面粗糙度值達到0.019 μm;但由于大尺寸圓柱滾子體積較大,上述方法的應用受到一定限制,其高表面質量的加工方法仍有待探索。

力流變拋光(Shear Rheological Polishing,SRP)技術是一種利用非牛頓流體在剪切應力作用下的流變特性實現(xiàn)表面拋光的超精密加工方法,目前已實現(xiàn)了對包括晶體、金屬、陶瓷在內的平面、球面、圓柱面及復雜曲面的超精密拋光[8-9]。文獻[10]采用力流變拋光方法加工高溫鎳基合金渦輪葉片凹面,在拋光9 min后,葉片凹面的粗糙度值從72.3 nm降至4.2 nm;文獻[11]采用力流變拋光方法加工316 L不銹鋼圓柱滾子,拋光30 min后,圓柱曲面表面粗糙度值由121.4 nm降至2.6 nm。

本文采用力流變拋光方法對大尺寸圓柱滾子(直徑50 mm)進行拋光試驗,探究加工工藝參數(shù)對滾子表面粗糙度的影響;基于力流變拋光非接觸式的特點,實現(xiàn)對工件材料的柔性去除,提高圓柱滾子的表面質量。

1 大型圓柱滾子力流變拋光試驗

1.1 力流變拋光原理

力流變拋光大尺寸圓柱滾子的基本原理如圖1所示。在拋光過程中,由于圓柱滾子與拋光液之間產生相對運動,拋光液與工件接觸部分受到剪切作用發(fā)生剪切增稠現(xiàn)象(接觸區(qū)域拋光液的黏度增大),拋光液中的固體分散相粒子聚合成大量粒子簇,并將磨粒包裹在其中,增強了對磨粒的把持力,在加工位置形成“柔性固著磨具”,從而通過磨粒的微切削作用實現(xiàn)工件材料的去除[12]。

圖1 力流變拋光原理

1.2 試驗設備及試驗條件

力流變拋光設備的示意圖和實物圖如圖2所示。為了同時拋光圓柱滾子的端面和滾動面,將工件以10°的傾斜角θ(工件中心軸與z軸的夾角)用石蠟固定在夾具上,浸于拋光液中并以一定速度旋轉,同時拋光槽也繞自身軸線旋轉。由于滾子體積較大,在一端拋光完成后需將工件取下,調轉方向繼續(xù)拋光。當拋光液與工件之間的相對運動速度超過某一臨界值,就會出現(xiàn)剪切增稠效應,工件材料會在磨粒的切削作用下被去除。

(a) 力流變拋光設備示意圖

力流變拋光液以微米級多羥基聚合物顆粒PHHP(平均粒徑約11 μm)作為固體分散相與去離子水、磨粒混合形成懸浮液體,該拋光液可在較低的相對運動速度下產生增稠效應,且原材料易獲取,無污染。采用AR-G2型流變儀檢測力流變拋光液的流變曲線,剪切速率為0.1～1 000 s-1,溫度為(25±1)℃,磨粒為Al2O3,平均粒徑為4.5 μm,質量分數(shù)為15%時,力流變黏度與剪切速率之間的關系如圖3所示:當剪切速率達到2 s-1后,拋光液會呈現(xiàn)剪切增稠特性,其黏度迅速上升;而當剪切速率進一步增大到100 s-1時,拋光液又出現(xiàn)剪切稀化的現(xiàn)象。

圖3 拋光液流變曲線

力流變拋光試驗條件見表1,拋光液磨粒質量分數(shù)參考以往的研究范圍進行設置[9,13-15],本試驗主要考察拋光槽轉速、磨粒濃度(質量分數(shù),下同)和磨粒平均粒徑對工件表面粗糙度Ra的影響。

表1 試驗條件

使用Form Talysurf i-Series輪廓儀檢測圓柱滾子拋光前后表面粗糙度值和素線輪廓,超景深顯微鏡觀測圓柱滾子表面微觀圖像,SuperView W1型光學三維表面輪廓儀觀測拋光前后表面的形貌變化,Mahr MMQ400圓度檢測儀測量滾動面圓度。為便于觀察試驗結果,在圓柱滾子的端面和滾動面上各選取4個點進行表面粗糙度值的測量,測量結果取平均值,研究不同加工參數(shù)對表面粗糙度的影響規(guī)律。表面粗糙度測量位置如圖4所示:

圖4 圓柱滾子表面粗糙度測量位置

2 試驗結果與討論

2.1 拋光槽轉速對表面粗糙度的影響

2.2 磨粒濃度對表面粗糙度的影響

圖6 工件表面粗糙度隨磨粒濃度的變化

2.3 磨粒平均粒徑對表面粗糙度的影響

圖7 工件表面粗糙度隨磨粒平均粒徑的變化

2.4 優(yōu)選參數(shù)條件下的拋光試驗結果

根據(jù)上述試驗分析,為了獲得高表面質量,最優(yōu)的參數(shù)組合為:磨粒平均粒徑為4.5 μm,磨粒濃度為15%,拋光槽轉速為65 r/min。在該組合下進行3組重復性試驗,拋光90 min后,圓柱滾子滾動面表面粗糙度平均值由初始的(128.7±2.5)nm降至(9.8±1.1)nm,端面的表面粗糙度平均值由初始的(134.5±2.7)nm降至(9.4±1.3)nm。力流變拋光前后圓柱滾子的表面微觀圖像和表面三維形貌如圖8和圖9所示:加工前的滾子表面比較粗糙,存在大量劃痕,表面凸峰高度為微米級;力流變拋光后,表面劃痕數(shù)量顯著減少,表面形貌得到明顯改善。

(a) 拋光前 (b) 拋光后

(a) 拋光前

力流變拋光后的圓柱滾子如圖10所示:拋光后的圓柱滾子表面質量得到顯著提升,呈現(xiàn)出鏡面效果,無劃痕、凹坑等表面缺陷。拋光前、后對圓柱滾子外圓中段圓度進行測量,結果如圖11所示:拋光后滾子的圓度平均值從初始的(1.318±0.3)μm降至(0.464±0.1)μm。對圓柱滾子拋光前后的直徑進行測量,測量結果取平均值,拋光前、后的滾子平均直徑分別為50.454,50.451 mm,拋光前后圓柱滾子直徑變化為0.003 mm。使用Form Talysurf i-Series輪廓儀對拋光前后的圓柱滾子素線進行檢測,測量長度為50 mm,得到滾子的素線輪廓如圖12所示:拋光后滾子素線沒有出現(xiàn)中部內凹現(xiàn)象,拋光前素線輪廓最低點與最高點的差值為103.61 μm,拋光后差值為89.52 μm,拋光后的素線輪廓有所改善。

圖10 力流變拋光后的圓柱滾子

(a) 拋光前

(a) 拋光前

3 結論

為提高圓柱滾子的表面質量,對直徑50 mm的圓柱滾子進行力流變拋光試驗,并研究工藝參數(shù)對滾子表面粗糙度的影響,得到主要結論如下:

1)拋光槽轉速對工件表面粗糙度的影響較大,拋光槽轉速越大,表面粗糙峰的去除效率越高,拋光后的表面粗糙度值越低;磨粒濃度對工件表面粗糙度有一定影響,磨粒濃度越大,參與材料去除的磨粒數(shù)量越多,材料去除率越高,但是當濃度超過某一臨界值時,會導致剪切增稠效果被破壞,表面粗糙度改善程度降低;磨粒平均粒徑對工件表面粗糙度的影響較小。

2)在優(yōu)選參數(shù)條件下進行拋光試驗,工件在磨粒(Al2O3)平均粒徑為4.5 μm,磨粒濃度為15%,拋光槽轉速為65 r/min,工件傾斜角度為10°條件下力流變拋光90 min后,圓柱滾子滾動面表面粗糙度平均值由初始的(128.7±2.5)nm降至(9.8±1.1)nm,端面的表面粗糙度平均值由初始的(134.5±2.7)nm降至(9.4±1.3)nm;圓柱滾子外圓中段的平均圓度從初始的(1.318±0.3)μm降至(0.464±0.1)μm。