周兆忠，李興林，居冰峰，馮凱萍，袁巨龍

(1.杭州軸承試驗研究中心有限公司 博士后科研工作站，杭州 310022；2．浙江大學(xué) 機械工程學(xué)院，杭州 310027；3.衢州學(xué)院 機械工程學(xué)院，浙江 衢州 324000；4.浙江工業(yè)大學(xué) 省部共建機械制造及自動化教育部重點實驗室，杭州 310014)

圓柱滾子軸承的滾子與滾道為線接觸，徑向承載能力大，適于高速、重載工況條件。隨著機械設(shè)備復(fù)雜程度的不斷提高，對圓柱滾子軸承的安全服役、動態(tài)性能、承載能力等方面提出了更高的要求[1-2]。陶瓷圓柱滾子具有自重輕、電絕緣、耐高溫、耐腐蝕、耐磨損等優(yōu)良特點，在特殊領(lǐng)域已得到應(yīng)用。大量試驗表明，約60%～70%的高速軸承失效都是由于滾動體產(chǎn)生不同程度的疲勞破壞所致[3]，陶瓷圓柱滾子作為精密陶瓷軸承的重要零件，其表面質(zhì)量直接影響著軸承的旋轉(zhuǎn)精度及壽命，尤其是表面凹凸及裂紋等缺陷會降低軸承的高精度運轉(zhuǎn)。目前，陶瓷圓柱滾子加工采用與鋼制圓柱滾子類似的無心超精研加工方法[4]，油石往復(fù)振蕩作用于滾子，提高表面質(zhì)量。由于陶瓷具有硬、脆特性，其加工過程易在滾子表面產(chǎn)生微裂紋、劃痕和殘余應(yīng)力等缺陷，限制了陶瓷圓柱滾子軸承的應(yīng)用。

多晶金剛石由多個鑲嵌結(jié)構(gòu)的亞晶組成，具有不規(guī)則形狀和粗糙凹面，晶體均勻，脆性好，磨削過程中，顆粒沿亞晶間的界面破裂，被磨損的亞晶從晶體顆粒脫落后顯現(xiàn)出新的微觀切削刃口，其自銳性保證了加工的高精度、高效率，不會產(chǎn)生劃痕和燒傷，零件表面質(zhì)量更好。傳統(tǒng)樹脂結(jié)合劑磨具采用模壓成形法，而納米級金剛石的分散性差，在與微米級結(jié)合劑粉體的混合過程中，由于顆粒尺寸差異過大，很難在結(jié)合劑中分布均勻，特別是熱壓過程中納米金剛石表面積大，活性高，抗氧化溫度低，對添加劑敏感度高，制約了納米多晶金剛石磨具的應(yīng)用[5]。而磨料在液體中可以分散均勻，因此，國內(nèi)外對凝膠法磨具制作進行了相關(guān)研究，文獻[6]在藻酸鈉鹽溶液與 Ca2+反應(yīng)形成的凝膠體中加入磨粒制作研拋工具；文獻[7]采用高分子網(wǎng)絡(luò)凝膠(P-G)法制備了納米金剛石-陶瓷結(jié)合劑的復(fù)合粉體燒結(jié)磨具。

下文采用新型凝膠法制作多晶金剛石磨具，對陶瓷圓柱滾子進行精研加工，并試驗分析不同磨具砂結(jié)比、研磨速度、研磨壓力工藝條件下，圓柱滾子表面粗糙度Ra和材料去除率的變化。

1 多晶金剛石磨具制作及性能

1.1 聚丙烯腈凝膠法

聚丙烯腈(Polyacrylonitrile，PAN)屬于高分子聚合物, 白色粉末狀，其密度為1.14 ～ 1.15 g/cm3，加熱至220～230 ℃時軟化，同時發(fā)生分解，由丙烯腈單體(Acrylonitrile，AN)通過若干層次的排列、堆砌、聚集而構(gòu)成，主要應(yīng)用于凝膠紡絲。文獻[8]采用超高分子量PAN聚合體的半稀溶液進行凝膠紡絲；文獻[9]對制備PAN基碳纖維原絲中PAN/DMSO溶液凝膠化行為進行了研究。但還鮮有將PAN應(yīng)用于磨具制作的相關(guān)報道，選用PAN作為納米多晶金剛石磨具結(jié)合劑主要考慮：

1)PAN可以凝膠固化，作為磨具的結(jié)合劑，其較高的軟化溫度可以保證凝膠磨具不會在研磨過程中整體變形軟化；

2)磨具長時間磨損出現(xiàn)不平整時，局部凸起區(qū)域受壓載荷大，摩擦力大，溫升效應(yīng)高，220 ℃左右的軟化溫度可以使局部凸起區(qū)域軟化磨平，達到磨盤自修整的效果。

1.2 磨具制作過程

試驗所用納米多晶金剛石為利用定向爆破法制得，其粒度范圍為0.02 ～ 0.2 μm；PAN的平均相對分子質(zhì)量為75 000；二甲基亞砜(DMSO)，化學(xué)純性。

基于凝膠反應(yīng)制備納米多晶金剛石磨具的基本工藝由混合制膠和凝膠固化兩部分組成，制備過程為：

1)將去離子水和DMSO以一定比例混合，再將一定量的PAN共聚物均勻地分散在盛有DMSO/H2O混合液中，在震蕩器上震蕩30 min，置于50 ℃鼓風干燥烘箱溶脹2 h后，轉(zhuǎn)移至90 ℃鼓風干燥箱高溫溶解，然后用攪拌機在70 ℃下攪拌溶解6 h，直至完全轉(zhuǎn)變?yōu)橥该鳠o雜質(zhì)的溶液。

2)在溶液中加入納米金剛石磨料，同時加入質(zhì)量分數(shù)為0.1%的硅烷偶聯(lián)劑KH570，使用均質(zhì)攪拌機或超聲波振動儀充分分散均勻，將溶液在70 ℃的真空烘箱中脫泡，倒入模具中，室溫下冷卻凝膠，最后在加熱爐中160 ℃燒結(jié)成形。

1.3 磨具性能

凝膠法制備納米多晶金剛石磨具的性能與砂結(jié)比(納米金剛石與PAN的比例)以及水和溶劑MDSO的比例有關(guān)。去離子水對磨具強度的影響不明顯，其主要作用是在制備溶膠過程中，與溶劑DMSO通過氫鍵產(chǎn)生相互作用，減弱PAN與DMSO之間的相互作用，降低DMSO對PAN的溶解能力，使PAN分子鏈容易發(fā)生凝膠化轉(zhuǎn)變[9]。試驗中將水與DMSO的比例確定為1∶39。

當砂結(jié)比為12.5時，制備的凝膠磨具中多晶納米金剛石磨料與聚丙烯腈凝膠結(jié)合劑界面SEM照片如圖1所示，磨粒與凝膠結(jié)合劑結(jié)合緊密，納米金剛石均勻分散在結(jié)合劑基體中，沒有出現(xiàn)明顯的團聚現(xiàn)象；氣孔大小和分布都比較均勻，較高的氣孔率在超精磨具研磨時可以起到冷卻和容屑作用。經(jīng)萬能力學(xué)試驗機和電子天秤測量，制備磨具的抗折強度、密度、氣孔率分別為56.68 MPa,2.15 g/cm3,10.75%。

圖1 凝膠磨具表面SEM圖

2 研磨對比試驗

2.1 試驗方法

為優(yōu)化新型磨具研磨陶瓷圓柱滾子的工藝參數(shù)，在不同磨具砂結(jié)比、研磨壓力、研磨速度條件下對陶瓷圓柱滾子進行研磨試驗，測量滾子的表面粗糙度Ra和材料去除率。采用單因素試驗方法，具體工藝試驗條件見表1。試驗滾子為氧化鋯(ZrO2)圓柱滾子毛坯，尺寸為φ16 mm×24 mm，表面粗糙度Ra為(0.32 ± 0.03)μm。

表1 陶瓷圓柱滾子研磨工藝參數(shù)

為進一步分析凝膠法制備磨具的磨粒分散性，將使用凝膠磨具與傳統(tǒng)熱壓成形樹脂磨具進行圓柱滾子研磨對比試驗。熱壓磨具采用酚醛樹脂粉末作為結(jié)合劑，磨粒為納米多晶金剛石磨料。

試驗采用自制的陶瓷圓柱滾子研磨加工試驗平臺，如圖2所示。2個相互微傾斜驅(qū)動輥帶動圓柱滾子前進，上壓盤粘附有磨具丸片，氣缸加壓。

1—氣缸；2—磨具；3—圓柱滾子；4—驅(qū)動輥

2.2 檢測方法

使用Taylor Hobson表面粗糙度測試儀在氧化鋯陶瓷圓柱滾子表面不同點測量3次，求平均值作為此研磨條件下的表面粗糙度Ra值；超景深顯微鏡對研磨前、后工件表面形貌進行觀測；精密電子天秤測量圓柱滾子的質(zhì)量，并取3次的測量平均值，然后換算成圓柱滾子的材料去除率，即

(1)

式中：MRR為材料去除率，μm/min；V為圓柱滾子體積，mm3；Δm為圓柱滾子研磨前、后質(zhì)量變化量，g；S為圓柱滾子圓柱面面積，mm2；m0為初始質(zhì)量，g；t為研磨時間，min。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 磨具砂結(jié)比的影響

選擇驅(qū)動輥轉(zhuǎn)速為300 r/min，研磨壓力為0.5 MPa，不同砂結(jié)比6.25，7.14，8.33，10，12.5時，陶瓷圓柱滾子研磨檢測結(jié)果如圖3所示。由圖可知，當砂結(jié)比小于10時，隨砂結(jié)比增大，材料去除率提高，表面粗糙度Ra值下降速度快；當砂結(jié)比超過10繼續(xù)增大時，材料去除率略有下降，表面粗糙度Ra值反而有所增大。

圖3 不同砂結(jié)比對材料去除率和表面粗糙度的影響

這是因為，在砂結(jié)比較小時，研磨過程中有效作用磨粒密度低，無法對表面粗糙峰進行有效去除，且單顆磨粒在接觸點上所受到的壓強大，加劇了磨粒切削刃的磨損，而結(jié)合劑含量相對較高，導(dǎo)致磨粒被結(jié)合劑牢牢黏住，無法脫落；隨著砂結(jié)比的增大，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；而當砂結(jié)比超過10繼續(xù)增大時，磨具中單位表面上磨料過多，結(jié)合劑對金剛石磨料的把持力減弱，研磨過程中，磨粒過早脫落，材料去除率下降，且工件表面發(fā)現(xiàn)細微劃痕，同時，增加了磨具的磨損，縮短了磨具的使用壽命,減小了盤面形狀精度。

3.2 研磨壓力的影響

選擇驅(qū)動輥轉(zhuǎn)速為300 r/min，砂結(jié)比為10，不同研磨壓力0.1，0.3，0.5，0.7，0.9 MPa下，陶瓷圓柱滾子研磨檢測結(jié)果如圖4所示。由圖可知，當壓力較小時，工件和磨具間液流層較厚，接觸點的摩擦力相對較小，材料去除率低，工件表面質(zhì)量較好；隨著壓力的增大，摩擦力增大，液流層變薄，磨粒切削刃露出液流層并對工件表面進行微切削，材料去除率提高，同時合適的液流層厚度起到了有效的潤滑作用，能夠獲得較好的研磨質(zhì)量；當壓力過大時，圓柱滾子和磨具為固-固接觸，兩者之間幾乎沒有研磨液，摩擦力很大，磨粒壓入工件的深度增加，單顆磨粒的切削量增加，材料去除率高，同時磨粒對滾子表面劃痕較深，容易造成表面劃傷。

圖4 不同研磨壓力對材料去除率和表面粗糙度的影響

3.3 研磨速度的影響

當砂結(jié)比為10，研磨壓力為0.5 MPa，不同驅(qū)動輥轉(zhuǎn)速100，200，300，400，500 r/min下，陶瓷圓柱滾子的研磨檢測結(jié)果如圖5所示。由圖可知，陶瓷圓柱滾子的材料去除率基本符合Preston方程[10]，材料去除率隨驅(qū)動輥轉(zhuǎn)速的增加而增大。主要原因為：1)驅(qū)動輥轉(zhuǎn)速提高，研磨區(qū)域受到的液體動壓力迫使研磨液經(jīng)過滾子接觸點的速度增大，液流層變薄，切削刃露出，有利于去除陶瓷滾子表面材料；2)驅(qū)動輥轉(zhuǎn)速提高，滾子相對于磨具的速度增大，滾子表面受到的研磨次數(shù)增加，材料去除率增大。

圖5 不同研磨速度對材料去除率和表面粗糙度的影響

驅(qū)動輥轉(zhuǎn)速小于300 r/min時，滾子表面粗糙度Ra隨驅(qū)動輥轉(zhuǎn)速的提高而改善，轉(zhuǎn)速超過300 r/min時，表面質(zhì)量會有一個變差的過程，這是因為金剛石磨具研磨陶瓷滾子時，主要是磨粒在滾子表面輾壓耕犁后導(dǎo)致材料裂變后崩落，材料去除方式為塑性去除和脆性去除，隨著轉(zhuǎn)速的增加，磨粒對滾子表面的切削次數(shù)增加，機械作用逐漸增強，脆性去除量逐漸增多，滾子表面布滿脆性去除形成的凹坑，表面粗糙度Ra值逐漸增大，對所要實現(xiàn)的陶瓷圓柱滾子的超精密加工不利。

3.4 凝膠磨具和酚醛熱壓磨具的對比試驗

在研磨壓力為0.5 MPa，驅(qū)動輥轉(zhuǎn)速為300 r/min，砂結(jié)比10的相同研磨條件下，凝膠磨具和酚醛熱壓磨具研磨陶瓷圓柱滾子的對比試驗如圖6所示。由圖可知，凝膠磨具材料去除率更高，能夠在更短的時間內(nèi)獲得更好的表面質(zhì)量，相應(yīng)的加工效率提高；同時，凝膠磨具的材料去除率隨研磨時間的增加沒有出現(xiàn)大幅下降，而熱壓磨具在研磨一段時間后，材料去除率下降較快，說明凝膠磨具的自銳性更好。

圖6 2種磨具的材料去除率對比

陶瓷圓柱滾子在無心磨床上粗加工(研磨前)和使用凝膠磨具、熱壓磨具研磨后的表面形貌如圖7所示。由圖可知，磨具研磨后滾子表面劃痕減少，使用凝膠磨具加工后滾子表面質(zhì)量比熱壓磨具加工的更優(yōu)。使用凝膠磨具研磨后，氧化鋯陶瓷圓柱滾子實物如圖8所示，滾子圓柱面光滑，沒有明顯瑕疵。

圖7 陶瓷圓柱滾子表面顯微照片

圖8 凝膠磨具研磨后氧化鋯陶瓷圓柱滾子實物圖

凝膠磨具磨損表面的SEM圖如圖9所示。由圖可見，磨具局部有釉化現(xiàn)象，這會導(dǎo)致研磨效率有一定程度的下降，但隨著加工過程的進行，磨料逐漸磨損的同時，出現(xiàn)磨料脫落，釉化現(xiàn)象將得以改善。與傳統(tǒng)磨具不同的是，脫落后的大顆粒磨粒會在后續(xù)的加工中陷入柔軟性的凝膠結(jié)合劑中，而不會對工件表面造成劃傷或者出現(xiàn)凹坑，即具有磨具“半固著”效果[11]。

圖9 凝膠磨具磨損后表面SEM圖

4 結(jié)論

1) 使用凝膠法制備的納米多晶金剛石磨具研磨氧化鋯陶瓷圓柱滾子，在砂結(jié)比為10、驅(qū)動輥轉(zhuǎn)速為300 r/min、研磨壓力為0.5 MPa時，可以獲得光滑、無損傷的滾子加工表面。

2) 凝膠法制備的納米多晶金剛石磨具要比傳統(tǒng)熱壓磨具的加工效率、加工精度更高。

3)凝膠磨具在初磨拋階段，磨粒以磨耗磨損方式為主，隨著加工過程的進行，磨料會逐漸出現(xiàn)脫落，由于PAN結(jié)合劑的柔軟性，研磨過程中脫落的大顆粒磨粒會陷入到磨具中，具有“半固著”效應(yīng)，減小了對工件表面產(chǎn)生劃傷的概率。