氮化硅陶瓷滚子磁流变、化学与超声复合抛光工艺试验

张占立，熊明照，王恒迪，王锋，邓四二

(1.河南科技大学 机电工程学院，河南 洛阳 471003；2.机械装备先进制造河南省协同创新中心，河南 洛阳 471003)

陶瓷轴承具有硬度高、密度小、耐高温、耐腐蚀、抗磁、绝缘等特点，且其运转温升低，受热膨胀小，高速运转时离心力小，具有很好的稳定性。因此，可以很好地适用于普通钢制轴承无法正常使用的工况[1-2]。然而，陶瓷轴承的加工一直制约着其发展，陶瓷滚子轴承的滚子抛光技术仍不够完善。目前利用金刚石砂轮对陶瓷滚子进行抛光是最常用的方法，但效率低，且会在滚子表面产生划痕和裂纹，对滚子的强度和表面精度产生很大影响，进而影响轴承的使用寿命[3]。磁流变、化学与超声波复合抛光技术，是将化学、声学、电磁学、流体力学等多种作用综合应用于陶瓷滚子的抛光过程中，能够在保证抛光效率的同时显著提高滚子的表面质量[4-5]。

下文通过抛光工艺试验，研究抛光过程中各工艺参数的变化对陶瓷滚子表面粗糙度Ra和材料去除率的影响，优化得到了符合氮化硅陶瓷滚子要求的最佳工艺参数。

1 材料去除机理

磁流变、化学与超声波复合抛光陶瓷滚子加工过程复杂，是物理、化学、流体力学等多种材料去除方式共同作用的结果。目前为止，主要存在有3种理论，分别是机械作用理论、化学作用理论和流变理论[6-7]。从材料去除的方式来看，主要分为磁流变抛光作用的剪切去除、超声波抛光作用的冲击去除和抛光过程中一系列化学反应的去除。抛光过程如图1所示。

图1 抛光过程示意图

1.1 材料去除过程中的化学作用

陶瓷滚子抛光过程中，滚子表面在特定条件下会发生一系列的反应，如氮化硅的水解反应、氮化硅与抛光磨料的反应、氮化硅与磁敏微粒的反应等，这些反应会将氮化硅中高强度的化学键打破，使之重新结合成强度较弱的化学键，从而使表面材料更容易去除。与此同时，在机械去除作用条件下，抛光滚子表面不可避免会产生一些裂纹，水通过这些裂纹进入滚子内部后，破坏了内部结构，加速了水解反应。

滚子抛光加工过程中参与的化学反应主要为[8]：

氮化硅的水解反应

Si3N4+H2O→SiO2+NH3；

氮化硅与氧化铈的反应

Si3N4+CeO2→SiO2+CeO1.72+N2；

氮化硅与羰基铁粉的反应

Si3N4+Fe2O3→SiO2+Fe2N+N2。

综上所述，在复合抛光陶瓷滚子过程中，磁流变液中3种原料去除作用相互促进，相互结合，使滚子表面材料得以有效去除。

1.2 材料去除过程中的机械与流变作用

磁流变抛光的剪切去除：在磁场作用下抛光液发生流变效应，抛光液会在毫秒量级时间内由液态转化为半固态，抛光液中的抛光磨料析出，并镶嵌于抛光液缎带凸起中，形成一个柔性抛光盘，在流经滚子表面时，对其进行反复的剪切刮擦；同时，抛光主轴带动磁流变抛光液高速旋转，在抛光液中形成很大的剪切应力，在二者共同作用下去除滚子表面材料[9-11]。

超声波抛光作用的冲击去除：超声振动经变幅杆放大后，将振动传递给抛光工具头，当磁流变抛光液流经抛光工具头与陶瓷滚子之间的狭窄间隙时，抛光液中的大量抛光磨料受到抛光工具头的撞击作用，迫使抛光磨料以很大的速度和加速度冲击、抛磨滚子表面，从而达到去除材料的目的。

目前，被广泛接受的适用于描述磁流变抛光材料去除过程的数学模型为Preston方程，根据该方程可知，抛光过程的材料去除率r可表示为[12]

r=kpv，

(1)

式中：k为Preston系数；p为抛光区域内总压力；v为抛光液与滚子的相对速度。

当试验参数一定时，v是一个定值，此时有

v=k1U，

(2)

式中：U为抛光主轴线速度。

将(2)式代入(1)式可得

r=kk1pU=KpU，

(3)

式中：K为准Preston系数。

由(3)式可知，抛光过程的材料去除率与滚子在抛光区域内所受总压力p和抛光主轴转速v成正比。

压力p是由多种压力综合作用的结果，主要包括：流体动压力pd、磁场压力pm和重力压强pg。其中，磁场压力pm又包括磁场力和磁致伸缩压力，对于磁流变抛光液来说，由于其压缩性很小，抛光液的磁致伸缩压力在分析抛光过程的去除机理时可以忽略不计。因此得出磁流变抛光过程中抛光区域内总压力值为

p=pd+pm+pg。

(4)

加入超声波后的磁流变复合抛光还必须要考虑到抛光区域内超声振动对滚子表面所产生的最大接触力p0，因此，进一步得出复合抛光过程抛光区域内的总压力为

p=pd+pm+pg+p0。

(5)

(5)式中重力压强pg相对于其他3项来说非常小，为简化计算可将其忽略不计。最终得到

p=pd+pm+p0。

(6)

2 试验方案

2.1 试验设备

抛光试验机结构如图2所示。试验机主轴部分加入了超声振动装置，超声波工具头由刀具头改造得到；在工作台上设置抛光槽，用于盛放磁流变抛光液，抛光槽内置用于放置陶瓷滚子的导辊，抛光工具头用永磁铁制作而成。陶瓷滚子抛光试验机通过人机界面进行控制，在抛光过程中控制系统会对试验数据进行实时监控和记录。

1—底座；2—工作台；3—抛光槽；4—导辊；5—超声工具头；6—超声变幅杆；7—超声换能器；8—立柱；9—主轴箱；10—伺服电动机；11—纵向进给结构

2.2 磁流变液配制

由于油基磁流变抛光液会在滚子表面形成一层油膜，阻碍磨料与滚子表面的化学反应[13]，因此试验采用水基磁流变液。

水基磁流变抛光液具体制备方法：首先将适量的羧甲基纤维素钠加入蒸馏水中，搅拌1 h左右，得到黏稠状均匀分散的悬浮液；然后加入添加剂并搅拌均匀，得到水基复配载液；接着将适量的羰基铁粉和抛光磨料与水基复配载液混合，加入球磨罐中，按1∶10质量比加入钢球，以300 r/min的速度球磨3 h，分离出钢球，得到磁流变抛光液，装入干燥的塑料瓶密封保存[14]。

2.3 试样

试样为φ10 mm×10 mm的Si3N4陶瓷滚子，坯料由热等静压成形法制得。陶瓷滚子通过无心磨床首先进行粗加工然后进行半精加工，滚子表面粗糙度Ra约为0.3 μm。

2.4 试验方法

试验采用单因素法，分别研究超声振幅、抛光间隙、磨料、主轴转速等试验参数对陶瓷滚子的材料去除率和表面粗糙度的影响规律。通过对比分析，获得最佳工艺参数。试验检测设备为μsurf explorer型光学轮廓仪和FA2004B型电子天平。

3 试验分析

3.1 试验参数对材料去除率和表面粗糙度的影响

3.1.1 超声振幅

在磁流变抛光液温度为室温，工作台移动速度、导辊转速均为系统设定速度，磁感应强度为0.4 T，磨料为氧化铈，主轴转速设定为200 r/min，试验时间为1 h的试验条件下(下同)，对不同超声振幅(0，5，10，15，20 μm)分别进行试验，得到超声振幅与滚子材料去除率和表面粗糙度的关系曲线如图3所示。

图3 超声振幅对滚子材料去除率和表面粗糙度的影响

由图3a可知，与超声振幅为0(即无超声作用)时的材料去除率相比，超声振动对提高材料去除率有一定作用，且材料去除率随超声振幅的增大而增加，但整体提高程度不大。这是因为超声波抛光是通过高频振动的抛光工具头不断撞击抛光液中的抛光磨粒，使磨粒以很高的速度撞击、抛磨滚子表面，从而使材料得以去除。随着超声振幅的提高，抛光工具头的振动幅度和抛光区域内的超声振动压力随之增大，撞击抛磨滚子表面的抛光磨料将具有更大的能量。但超声振动压力的提高对抛光过程总抛光压力的增大并不明显，对材料去除率的影响较小。

由图3b可知，随着超声振幅逐渐增大，滚子表面粗糙度Ra值呈现轻微的上下浮动状态。这是由于随超声振幅的增大，抛光工具头的振动幅度和抛光区域内的超声振动压力随之增大，抛光磨粒的运动轨迹变得更加复杂，对滚子表面粗糙度的影响并不确定，可以认为超声振幅的变化对滚子表面粗糙度Ra值影响不显著。

3.1.2 滚子与抛光主轴之间间隙

相同试验条件下，陶瓷滚子与主轴之间不同间隙(0.1，0.2，0.3，0.4 mm)时，试验得到的滚子材料去除率和表面粗糙度曲线如图4所示。

图4 滚子与抛光主轴之间间隙对滚子材料去除率和表面粗糙度的影响

由图4a可知，滚子与主轴之间间隙对抛光材料去除率影响十分显著，随着间隙的增大，材料去除率快速下降，并趋于平稳。这是因为，随着滚子与主轴之间间隙增大，超声波能量衰减，冲击滚子表面的抛光磨料的速度和频率减小；同时，抛光区域内磁场强度和流体动压力降低，致使材料去除率下降。

由图4b可知，滚子与主轴之间间隙对滚子表面粗糙度的影响较大。间隙较小时，抛光区域内的磁场压力和流体动压力较大，造成流经抛光区域的磁流变抛光液具有很大的剪切屈服应力，当抛光磨粒与滚子表面接触时，会在滚子表面留下较深的切削痕和划痕；其次，抛光区域内超声压力增大，使撞击滚子表面的抛光磨粒具有更大的冲击能量，对滚子表面的破碎作用增强，使表面质量有所下降。随着间隙的增大，抛光区域内的压力逐渐减小，抛光磨料对滚子表面的切削、刮擦、冲击作用不断减弱，虽然材料去除率降低，但表面质量得到了提高。

3.1.3 磨料

相同试验条件下，当滚子与抛光主轴之间间隙为0.2 mm时，分别采用抛光磨料为氧化铝、氧化铈、金刚石微粉的水基磁流变液进行试验，得到不同磨料对滚子材料去除率和表面粗糙度的影响如图5所示。

图5 不同抛光磨料对滚子材料去除率和表面粗糙度的影响

由图可知，磨料为金刚石微粉的磁流变液抛光材料去除率最高，而滚子表面质量最差。这是因为磨料硬度越高抛光材料去除率越高,相应的冲击和抛磨滚子表面时，对滚子表面的破碎强度和切削深度越大，在滚子表面留下难以去除的划痕和深坑，导致滚子表面质量下降。

3.1.4 主轴转速

其他试验条件不变，当滚子与抛光主轴之间间隙为0.2 mm时，不同主轴转速(100，200，300，400 r/min)下，主轴转速对滚子材料去除率和表面粗糙度的影响如图6所示。

图6 抛光主轴转速对滚子材料去除率和表面粗糙度的影响

由图6a可知，主轴转速与材料去除率近似呈正比关系。这是因为提高主轴转速，使抛光区域内磁流变抛光液剪切力增强，对滚子表面产生更强的冲击抛磨作用；抛光区域内的流体动压力增强，在高压作用下，抛光磨粒对滚子表面的冲击抛磨作用和滚子所参与的一系列化学反应均会加强；单位时间内抛磨和冲击滚子表面的抛光磨粒数量增加，从而使抛光材料去除率提高。

由图6b可知，随着抛光主轴转速的提高，滚子表面粗糙度Ra值逐渐减小，表面质量不断提高。这是因为随着抛光主轴转速提高，单位时间内抛磨滚子表面的抛光磨粒数量增加，滚子表面得到更高频、更广泛的抛光，因此表面质量不断提高。

3.2 抛光后陶瓷滚子的三维形貌分析

抛光试验前、后采用μsurf explorer型光学轮廓仪测量的陶瓷滚子表面形貌如图7所示。由图可知，在最佳工艺参数，即滚子与抛光主轴之间间隙为0.3 mm，抛光磨料为氧化铈，抛光主轴转速为400 r/min，超声振幅为15 μm，抛光时间为1 h的试验条件下，滚子表面质量明显改善。抛光后陶瓷滚子表面粗糙度Ra为0.03 μm，抛光材料去除率为0.04 mg/min。表明在优化的工艺参数下，磁流变复合抛光能够在保持滚子较高材料去除率的同时获得较好的表面质量。

图7 陶瓷滚子抛光试验前、后表面形貌

4 结论

1)材料去除过程是磁流变抛光的剪切作用、

超声波抛光的冲击作用以及抛光过程中一系列化学反应综合作用的结果，其中磁流变抛光起主要作用，3种方法同时作用时效果增强。

2)试验得出氮化硅陶瓷滚子磁流变、化学与超声复合抛光工艺的最佳工艺参数为：滚子与抛光主轴之间间隙为0.3 mm、抛光磨料为氧化铈、抛光主轴转速为400 r/min、超声振幅为15 μm、抛光时间为1 h。在优化工艺参数条件下，滚子表面粗糙度Ra由0.3 μm减小至0.03 μm。