盧志偉，屠喜，周珂儀，劉波，張君安

(西安工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，西安 710032)

采用止推氣浮軸承的精密導(dǎo)軌工作臺不僅可以獲得非常小且一致性較好的動靜摩擦因數(shù)和較高的靈敏度，而且由于止推氣浮軸承工作氣膜具有均化誤差的作用，可以使工作臺的工作特性得以改善[1-2]。

在超精密機(jī)床及設(shè)備中，止推氣浮軸承的表面質(zhì)量直接影響機(jī)床設(shè)備的精度，有時甚至要求軸承的工作表面達(dá)到鏡面效果(表面粗糙度Ra在0.02 μm以內(nèi))[3-4]。因此，止推氣浮軸承在加工和應(yīng)用中必須消除其表面存在的缺陷，并解決軸承精密加工的難題，以使止推氣浮軸承獲得較高的表面質(zhì)量，實現(xiàn)其優(yōu)越性[5-6]。下文對設(shè)計的新型止推氣浮軸承的精密研磨拋光(簡稱研拋)工藝進(jìn)行相關(guān)試驗研究。

1 止推氣浮軸承的結(jié)構(gòu)及工作原理

設(shè)計的止推氣浮軸承為一種具有可變均壓槽的結(jié)構(gòu)，如圖1所示。止推氣浮軸承采用彈性薄板結(jié)構(gòu)，通過氣膜壓力使彈性薄板產(chǎn)生彈性變形引起均壓槽深度的變化，從而提高自身剛度。

圖1 止推氣浮軸承結(jié)構(gòu)示意圖

止推氣浮軸承的工作原理為：外部高壓氣體由進(jìn)氣孔進(jìn)入軸承本體中，通過環(huán)形槽氣腔，最后由節(jié)流孔輸出到導(dǎo)軌面，形成壓力氣膜從而與導(dǎo)軌形成氣浮支承。當(dāng)外力增大或減小時，彈性薄板沿環(huán)形槽氣腔方向產(chǎn)生內(nèi)凹或者外凸，改變節(jié)流孔的環(huán)面節(jié)流面積，并形成可變深度的均壓槽，提高了軸承的剛度。為實現(xiàn)這種可變深度均壓槽，實際加工時需向軸承環(huán)形槽氣腔提供大于工作壓力的氣體以使彈性薄板外凸，從而進(jìn)行彈性薄板表面的加工；加工完成后環(huán)形槽氣腔不供氣狀態(tài)下(正常大氣壓)，軸承的彈性薄板自然內(nèi)凹形成初始均壓槽。該止推氣浮軸承的特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計需滿足一定的剛度要求，為此彈性薄板與軸承本體采用高強(qiáng)度黏合劑粘接在一起進(jìn)行后續(xù)加工。彈性薄板采用0.5 mm厚的不銹鋼材料，軸承本體采用硬鋁材料。

目前，止推氣浮軸承的表面采用手工加工，易產(chǎn)生劃痕、表面不平整等缺陷，嚴(yán)重影響軸承性能的發(fā)揮；同時由于軸承的特殊結(jié)構(gòu)，通氣情況下加工時存在纏繞問題，加工效率低且質(zhì)量不穩(wěn)定。因此，應(yīng)對止推氣浮軸承研拋工藝進(jìn)行研究，以解決纏繞問題，消除軸承表面存在的劃痕、凹坑等缺陷，從而獲得較高的表面質(zhì)量和良好的使用性能。

2 研拋工藝設(shè)計

2.1 工藝流程

精密研拋止推氣浮軸承表面(圖1中彈性薄板的下表面)的工藝流程如圖2所示。根據(jù)止推氣浮軸承精密研拋的工藝要求，需要將止推氣浮軸承與陶瓷板固定在一起進(jìn)行加工，首先用調(diào)節(jié)溫控爐將陶瓷板加熱至160 ℃左右，然后在陶瓷板上均勻涂抹粘接石蠟，將軸承本體的上表面牢固地粘接在陶瓷板上；接著將陶瓷板和軸承一起放到壓力機(jī)上進(jìn)行加壓和冷卻，保證整個軸承粘接牢固；最后分別在φ460 mm的鑄鐵、合成銅、純錫盤上進(jìn)行粗研、精研、拋光，消除軸承表面的劃痕，保證達(dá)到鏡面的精度要求。

圖2 止推氣浮軸承精密研拋工藝流程

2.2 研拋機(jī)加載機(jī)構(gòu)改進(jìn)

采用立式研拋機(jī)YM-18LX進(jìn)行止推氣浮軸承精密研拋工藝時，為提高研拋加工的自動化程度，將原有的手工砝碼加載方式改為氣缸加載，通過調(diào)節(jié)氣缸壓力即可實現(xiàn)連續(xù)加載。改進(jìn)后的研拋機(jī)氣缸加載結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1—研磨盤；2—氣浮墊；3—工件盤；4—加載壓盤；5—轉(zhuǎn)向滾動球；6—加載軸桿；7—氣壓缸；8—氣缸保持架；9—千分表；10—出料口；11—皮帶輪；12—主軸電動機(jī)

3 研拋工藝試驗分析

3.1 試驗方案設(shè)計

為研究各工藝參數(shù)對止推氣浮軸承加工表面質(zhì)量的影響，將工藝試驗分為2部分：一是研磨試驗，二是拋光試驗。

選定研拋轉(zhuǎn)速、研拋壓力、磨料種類和磨料粒度4個主要工藝參數(shù)進(jìn)行相關(guān)試驗，并將表面粗糙度Ra和面輪廓度Pt作為工件表面質(zhì)量評價值。研磨和拋光試驗均使用單因素法，每次試驗只改變1個工藝參數(shù)得出試驗數(shù)據(jù)并進(jìn)行篩選，最后得出較優(yōu)的組合參數(shù)再進(jìn)行單因素的組合試驗分析。

3.2 研磨工藝試驗分析

止推氣浮軸承研磨工藝試驗的研磨盤均采用合成銅盤(無說明時磨料為氧化鋁)，磨料粒度為W7.0。研磨工藝參數(shù)對止推氣浮軸承表面質(zhì)量的影響如圖4所示。

圖4 研拋工藝參數(shù)對軸承表面粗糙度的影響

止推氣浮軸承在研磨壓力為0.8 MPa，研磨時間為25 min下，研磨轉(zhuǎn)速對表面粗糙度Ra的影響如圖4a所示。隨著轉(zhuǎn)速的增大，軸承表面粗糙度值有一個先減小后增大的變化過程，在轉(zhuǎn)速為60 r/min時表面粗糙度值最小。分析認(rèn)為：在轉(zhuǎn)速較小時，磨料沒有均勻分布于研磨盤上，導(dǎo)致表面粗糙度值較大；隨著轉(zhuǎn)速的提高，參與磨削的磨粒增多，提高了磨料的分布均勻性，使表面粗糙度值降低；但轉(zhuǎn)速繼續(xù)增大時研磨液被甩出，又造成參與磨削的磨粒數(shù)減少，從而影響加工表面粗糙度。因此，研磨盤轉(zhuǎn)速應(yīng)設(shè)置在合理的范圍內(nèi)，以保證研磨效率和質(zhì)量。

在研磨轉(zhuǎn)速為60 r/min，研磨時間為25 min下，研磨壓力對表面粗糙度Ra的影響如圖4b所示。表面粗糙度值隨加載壓力有一個先增大后減小，又逐漸增大的趨勢；加載壓力為0.6 MPa時，表面粗糙度值最小。分析認(rèn)為：加載壓力較小時，主要是大顆粒磨料參與磨削，導(dǎo)致表面出現(xiàn)劃痕，軸承表面粗糙度值較大；當(dāng)加載壓力繼續(xù)增大，磨料被壓入，有更多的較小磨料參與研磨，使工件表面粗糙度值下降；但加載壓力超過0.6 MPa后，試件與研磨盤表面之間的間隙逐漸減小，造成有效磨料進(jìn)入困難，導(dǎo)致表面粗糙度值逐漸增大。

在研磨轉(zhuǎn)速為60 r/min，研磨壓力為0.8 MPa，研磨時間為25 min下，磨料種類對表面粗糙度Ra的影響如圖4c所示。隨著磨料硬度的增大,軸承表面劃痕愈明顯，其中金剛石磨料最硬，雖對加工表面研磨比較快，但易造成加工面的機(jī)械損傷，導(dǎo)致表面粗糙度值較大。本試驗?zāi)チ线x用氧化鋁，既可以保證表面質(zhì)量，又能滿足研磨效率的要求。

在研磨轉(zhuǎn)速為60 r/min，研磨壓力為0.8 MPa，研磨時間為25 min條件下，氧化鋁磨料的粒度對表面粗糙度Ra的影響如圖4d所示。結(jié)果表明：隨著磨料粒度的增大，表面粗糙度值增大較快。在其他影響因素相同的條件下，較小的磨粒能夠使加工表面得到充分均勻的研磨，表面粗糙度值較?。划?dāng)磨料粒度增大時，在分散的大直徑磨粒磨削作用下，加工表面的劃痕相對較深，表面粗糙度值較大。

根據(jù)研磨試驗各單因素參數(shù)分析，得到止推氣浮軸承研磨試驗的較優(yōu)參數(shù)組合為：研磨盤采用合成銅盤，磨料選用氧化鋁，磨料粒度為W7.0，研磨轉(zhuǎn)速取60 r/min,研磨壓力取0.8 MPa，研磨時間為25 min。在優(yōu)化后的參數(shù)條件下進(jìn)行研磨試驗，加工后的軸承表面仍有劃痕存在但不嚴(yán)重，對工件研磨表面進(jìn)行5次測量求平均值，得到止推氣浮軸承研磨試件的表面粗糙度Ra為0.22 μm，面輪廓度Pt為0.75 μm，與預(yù)期的技術(shù)指標(biāo)仍有差距，需要對軸承表面進(jìn)行拋光加工。

3.3 拋光工藝試驗分析

拋光工藝試驗對象是較優(yōu)單因素組合研磨后的一組止推氣浮軸承，拋光盤均采用純錫盤。為便于對比，將拋光的各項工藝參數(shù)對軸承表面質(zhì)量的影響示于圖4中。

在拋光壓力為0.6 MPa，磨料為人造金剛石，磨料粒度為W1.0，拋光時間為15 min下，拋光轉(zhuǎn)速對表面粗糙度Ra的影響如圖4a所示。由試驗曲線可知：當(dāng)轉(zhuǎn)速為40 r/min時，軸承表面有細(xì)微的劃痕；提高到60 r/min時，軸承表面有不明顯的劃痕但仍然有坑點的存在；當(dāng)轉(zhuǎn)速提高到80 r/min時，加工表面質(zhì)量較好,劃痕消除，表面粗糙度值最低;若持續(xù)提高轉(zhuǎn)速則可能造成拋光液被甩出。

在拋光轉(zhuǎn)速為60 r/min，人造金剛石磨料粒度為W1.0，拋光時間為15 min下，拋光加載壓力對表面粗糙度Ra的影響如圖4b所示。由圖可知，拋光加載壓力對表面粗糙度的影響曲線與研磨壓力對表面粗糙度的影響曲線波動形式相同，適當(dāng)增大加載壓力可以獲得較好的表面質(zhì)量，但過大的加載壓力則使加工表面產(chǎn)生壓痕。

在拋光轉(zhuǎn)速為60 r/min，拋光壓力為0.6 MPa，磨料粒度為W1.0，拋光時間為15 min下，不同磨料對表面粗糙度Ra的影響如圖4c所示。采用金剛石磨料時，試件拋光后表面粗糙度值最小。

在拋光轉(zhuǎn)速為60 r/min，拋光壓力為0.6 MPa，磨料為人造金剛石，拋光時間為15 min下，磨料粒度對表面粗糙度Ra的影響如圖4d所示。磨料粒度對去除劃痕有較明顯的效果，粒度越小，拋光試件的表面粗糙度值越小。

通過各單因素下拋光試驗，篩選出了止推氣浮軸承拋光工藝試驗的較優(yōu)參數(shù)組合：拋光盤為純錫盤，磨料為人造金剛石，磨料粒度為W1.0，拋光轉(zhuǎn)速為60 r/min，拋光壓力為0.6 MPa，拋光時間為15 min。采用較優(yōu)單因素組合工藝進(jìn)行的試驗表明，拋光后止推氣浮軸承表面平整無劃痕，表面粗糙度Ra為0.014 μm，面輪廓度Pt為0.16 μm，達(dá)到了鏡面效果，比原手工研拋加工精度提高了25%，研拋效率也較高，滿足了預(yù)期的止推氣浮軸承表面技術(shù)要求。

4 結(jié)束語

在研拋工藝?yán)碚摰幕A(chǔ)上對止推氣浮軸承工作表面的研拋工藝進(jìn)行了設(shè)計和分析，通過對研磨和拋光工藝的單因素試驗，得到了較優(yōu)研拋試驗組合參數(shù)，并將其應(yīng)用于止推氣浮軸承工作表面的研拋加工，最終獲得的軸承工作表面平整無劃痕，達(dá)到了鏡面效果，滿足了實際應(yīng)用中的表面技術(shù)要求。該研拋工藝可以為類似止推氣浮軸承產(chǎn)品的超精密加工提供參考和借鑒。