氮化硅陶瓷球高效研磨加工工艺试验

2016-07-25孔永刚于琦万磊

轴承 2016年2期

孔永刚，于琦，万磊

(1.洛阳轴研科技股份有限公司，河南洛阳 471039；2.河南省高性能轴承技术重点实验室，河南洛阳471039；3.滚动轴承产业技术创新战略联盟，河南洛阳 471039)

氮化硅陶瓷球具有低密度、高硬度、高刚度、耐磨损、低热膨胀系数等优良的综合性能，在高速高精度轴承中广泛使用。氮化硅陶瓷球的加工技术是关键，其毛坯目前主要采用粉末冶金的方法经烧结而成，由于存在一定的尺寸差，相应加大了陶瓷球的加工量，为了降低陶瓷球轴承的成本，必须提高陶瓷球加工的效率和质量。

1 陶瓷球加工原理

1.1 研磨成球的基本条件

陶瓷球研磨受工装、研磨液、研磨料、加工工艺等因素影响，加工过程复杂、时间较长，研磨原理主要有2点：

1)研磨均匀性。每粒被加工球表面都有相同的研磨加工概率。

2)研磨尺寸选择性。研磨加工过程中，磨削批次中较大尺寸的球，不磨或少磨较小尺寸的球；同一球研磨较大尺寸方向，不磨或少磨较小尺寸方向[1-2]。

1.2 研磨成球机理

球坯在沟道内随研磨盘滚动，同时由于沟道内外存在的速度差使球坯自旋，球表面与盘的接触表面产生相对滑动和滚动。由于接触表面各点的压力及转速不同，球坯、研磨盘和研磨液三者之间存在相互作用。通过磨料磨粒去除材料、减小尺寸；通过球的滚动、旋转加工球面；通过调整磨料粒度及浓度提高球的圆度、降低表面粗糙度[3]。陶瓷球加工效率及表面质量主要受磨料粒度、磨料浓度及加工工艺的影响。

2 陶瓷球加工现状

2.1 V形槽研磨方法

V形槽研磨方法是陶瓷球研磨加工中普遍采用的一种方法，研磨过程使用碳化硅、碳化硼、氧化铝、金刚石等磨料。将陶瓷球毛坯放入铸铁盘沟槽内，球坯与上、下研磨盘呈三点接触，通过上研磨盘施加压力，下研磨盘转动带动球坯在沟槽内滚动，同时由于沟道内外转速差球坯还存在自旋运动，通过沟道内球坯、研磨盘以及磨料之间的相互作用，减小球坯直径、降低球形误差、改善表面粗糙度，实现陶瓷球的研磨加工。该加工方法可实现陶瓷球的稳定批量生产，能够简便有效地控制研磨加工质量，但存在加工效率低、劳动强度大、易出现加工缺陷等缺点[4]。

2.2 自旋回转角控制研磨法

自旋回转角控制研磨法主要是改进传统V形槽磨盘的运动状态和装置，使V形槽2个槽面的转速可控，通过调整2个槽面的转速，增大陶瓷球自旋回转角，提高陶瓷球的加工效率。该方法所用机床的设计制造较复杂，不易实现陶瓷球的批量加工，但能明显提高陶瓷球的加工效率，适用于大规格小批量陶瓷球的加工[4]。

2.3 锥形研磨方法[4]

锥形研磨法基本原理与自旋回转角控制研磨法相似。陶瓷球在研磨过程中具有较大的自旋角(达到47°)，陶瓷球充分自旋，增大了陶瓷球的回转滑动，从而使陶瓷球的加工效率大幅提高。

该方法能够大幅提高陶瓷球加工效率缩短加工时间，使用加工机床结构简单、易于制造，但仅适合小批量加工，在大规格小批量陶瓷球加工中有优势[4]。

3 高效粗磨加工试验

陶瓷球加工包括粗磨、精磨、初研、精研等工序，其中粗磨加工去除陶瓷球留量的95%，要求具有较高的加工效率，因此，对陶瓷球粗磨加工进行工艺试验。

3.1 试验条件

试验采用直径800 mm、120#金刚石砂轮作为下研磨盘(砂轮为平面)；上研磨盘采用铸铁材料，为防止毛坯球跑出加工区域，根据进球口宽度加工凹槽，槽深根据待加工毛坯球尺寸确定，采用冷却水泵自动添加磨液。以φ4.762 5 mm气压烧结氮化硅陶瓷球为例，毛坯球尺寸为5.3～5.5 mm，硬度不小于1 580 HV10，压碎载荷比不小于35%，试验球数为20 000粒。

3.2 试验过程

加工前先对金刚石砂轮进行调整，保证砂轮轴向、径向跳动小于0.1 mm，在砂轮上平铺少量毛坯球，将上研磨盘压到毛坯球上，剩余毛坯球倒入进球口，调整研磨压力至合适状态，开启冷却泵，逐步调整转速至50～100 r/min。试验加工过程中每2 h对陶瓷球尺寸、直径变动量、批直径变动量及外观进行检查并记录结果。