蘇 佳， 袁巨龍， 張 森， 曹霖霖， 呂冰海， 姚蔚峰

(1. 浙江工業(yè)大學 超精密加工研究中心， 杭州 310014)(2. 紹興文理學院, 浙江 紹興 312000)

目前，圓柱滾子的加工方法主要采用無心磨削方式[7-10]，國際先進的無心加工技術(shù)可批量加工圓柱滾子外圓，其圓度誤差可達0.1～0.3 μm[11]。雖然無心磨削加工方法生產(chǎn)效率高，容易實現(xiàn)自動化和批量化生產(chǎn)，但是其加工精度嚴重依賴于機床的機械結(jié)構(gòu)和精度。存在工件中心位置變化、工件中心直線運動與砂輪軸線誤差、工件與運動速度誤差、托板工作面接觸不穩(wěn)定性，以及砂輪和導輪等部件本身的磨損等問題，嚴重影響滾子的加工精度[12]。

雙平面方式研磨拋光方法已在硅片、藍寶石片、石英晶片、玻璃顯示面板、密封環(huán)、光學水晶等平面元件的超精密加工領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。為了平衡低成本、高效率、高精度、高一致性等加工需求，近年來，浙江工業(yè)大學的袁巨龍教授團隊提出了一種基于雙平面方式的加工方法，來加工圓柱滾子圓柱面。

為此，利用圓柱外圓輪廓圓度修正及圓柱滾子外圓尺寸一致化原理[13]，采用雙平面的偏心式圓柱滾子，并進行正交實驗，分析工件偏角、工件位置、轉(zhuǎn)速組合對圓柱滾子的材料去除率、表面粗糙度及圓度的影響，來確定圓柱滾子雙平面研磨的最佳工藝參數(shù)。

1 加工機構(gòu)及原理

圓柱滾子研磨的目的主要是修整圓柱滾子的幾何精度和尺寸精度，采用雙平面方式研磨圓柱滾子，圖1給出了基于雙平面的偏心式圓柱滾子加工機構(gòu)示意圖。機構(gòu)主要包括如下構(gòu)件: 上研磨盤、下研磨盤、偏心輪、保持架、齒圈。其中：上研磨盤和下研磨盤同軸放置，偏心輪幾何中心與主軸中心存在偏心距；保持架中心與偏心輪幾何中心同軸，保持架外圓有齒，與外齒圈嚙合；上、下研磨盤、偏心輪、齒圈，分別由不同電機獨立驅(qū)動。加工前，圓柱滾子放置于保持架上均勻分布的八角形槽孔里，加載壓力由加載裝置通過上研磨盤施加。加工時，保持架自轉(zhuǎn)同時繞研磨盤中心公轉(zhuǎn)，圓柱滾子在上、下研磨盤和保持架作用下既繞夾具中心公轉(zhuǎn)又同時自身滾動，作復雜空間運動。研磨液通過上研磨盤上的孔流到圓柱滾子與上、下研磨盤接觸區(qū)域，通過游離磨料中的硬質(zhì)磨粒對工件表面進行材料去除，其加工基本原理如圖2所示。

圖1 偏心式圓柱滾子加工機構(gòu)示意圖

圖2 雙平面方式圓柱加工方法的基本原理

2 實驗方案

2.1 實驗條件

實驗所用加工裝置是自主研制的雙平面研磨拋光機，如圖3所示。實驗所用工件為φ20 mm×30 mm的GCr15圓柱滾子，實驗每組每次加工10個工件；加工時間15 min；加工載荷為10 N/滾子；研磨液磨料采用α相Al2O3，磨料平均顆粒尺寸2.7 μm；根據(jù)研磨液配制實驗，研磨液質(zhì)量濃度為20%時，研磨液的分散性好，懸浮性佳，較長時間不沉積。圖4為某組工件的初始表面粗糙度、初始圓度測量結(jié)果。從圖4中可以看出：工件初始表面粗糙度為(0. 075±0.011) μm，初始圓度為(0.64±0.1) μm。其他組工件的初始數(shù)據(jù)基本相同。以材料去除率、表面粗糙度、圓度為評價指標，綜合選取最優(yōu)工藝參數(shù)。其中：材料去除率由精密天平(精度為0.000 1 g)稱量實驗前后滾子的質(zhì)量變化進行計算獲得；表面粗糙度用日本 Mitutoyo SJ-410型粗糙度儀(精度為 0.1 nm，取樣長度為4 mm)測量；圓度用德國MMQ400型圓度儀測量。

圖3 雙平面研磨拋光機

圖4 某組工件的初始表面質(zhì)量測量結(jié)果

2.2 實驗設(shè)計

姚蔚峰[13]對圓柱滾子圓柱面的加工軌跡進行了仿真，并對其均勻性進行了定量分析，認為其加工軌跡及均勻性與圓柱滾子的加工效率和精度有直接關(guān)系。在圓柱滾子研磨加工過程中，影響圓柱滾子外圓加工效率和精度的因素有很多，主要有工件材料、加工系統(tǒng)的穩(wěn)定性、轉(zhuǎn)速組合、工件偏角、工件位置、磨料濃度、加載壓力、磨料尺寸等。在工件材料、磨料濃度、磨料粒徑、加工壓力給定的條件下，實驗主要考慮工件偏角(A)、工件位置(B)、轉(zhuǎn)速組合(C) 3個關(guān)鍵的工藝參數(shù)在研磨過程中對圓柱滾子的材料去除率(MRR)、表面粗糙度(Ra)、圓度(ΔR)的影響，每個工藝參數(shù)有3個水平因子，加工參數(shù)及其水平如表1所示。由田口法可知[14]：需選L9(34)正交表來設(shè)計實驗，如表2所示，D列為空白列。其中工件偏角α的定義如圖5所示,圖5中O為下盤中心,Oc為夾具中心,Or為圓柱滾子中心。為了描述圓柱滾子、夾具和研磨盤三者之間的相對位置，工件位置KL可定義為[13]：

KL=Lrc/(Lco+Lrc)

(1)

式中:Lrc為圓柱滾子中心與夾具中心的距離;Lco為夾具中心與研磨盤中心的距離；且Lrc與Lco之和為一個定值。

表1 加工參數(shù)及其水平設(shè)計表

表2 正交實驗設(shè)計表L9(34)

圖5 工件位置示意圖及夾具實物圖

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 S/N平均響應(yīng)分析

田口法的參數(shù)設(shè)計通過多重性能特性分析、優(yōu)化，強調(diào)利用信噪比來衡量產(chǎn)品質(zhì)量特性指標的波動，即用S/N響應(yīng)分析找出最優(yōu)的研磨工藝參數(shù)[15-16]。實驗中，材料去除率越大越好，評價標準是望大信噪比特性(S/N值越大越好)，用(2)式計算；表面粗糙度、圓度越小越好，評價標準是望小信噪比特性(S/N值越小越好)，用(3)式計算。

(2)

(3)

式中：n是每組實驗的測量次數(shù)；yi表示第i組實驗中材料去除率、表面粗糙度、圓度。

(1)S/N平均響應(yīng)對材料去除率影響分析

工藝參數(shù)對材料去除率MRR的S/N值的影響如圖6所示。由圖6可知：材料去除率隨著工作偏角、工件位置的增大而提高。這是由于單位時間內(nèi)，隨著工件偏角的增大，滾子圓柱面加工軌跡越來越密集，從而單位時間內(nèi)，圓柱滾子的切削路程就越長，故材料去除率也隨之增大；工件位置的增加導致加工過程中圓柱滾子的滾動角速度增大，使得單位時間內(nèi)，圓柱滾子與磨料切削次數(shù)增多，故而提高了材料去除率。同樣當轉(zhuǎn)速組合為水平2時，圓柱面上的加工軌跡最為密集，此組合下，圓柱滾子的切削速度最大，單位時間內(nèi)，軌跡越密集，參與切削的次數(shù)越多，故此時材料去除率最大。最優(yōu)的工藝參數(shù)組合是A3B3C2。

圖6 工藝參數(shù)對材料去除率MRR的S/N值的影響Fig.6InfluenceofparametersonS/NofMRR

(2)S/N平均響應(yīng)對表面粗糙度影響分析

工藝參數(shù)對表面粗糙度Ra的S/N值的影響如圖7所示。由圖7可知：表面粗糙度隨著工作偏角的增大，先增大后減小；隨著工件位置的增大，先減小后增大；選用轉(zhuǎn)速組合水平2可以得到更好的表面質(zhì)量。結(jié)合參考文獻[13]中的仿真結(jié)果分析，認為是由于隨著工件偏角的增加，滾子圓柱面加工軌跡均勻性先變差，然后逐漸變好，因而表面加工質(zhì)量提高。工件位置變大，導致加工過程中磨料與圓柱滾子母線方向切削變得均勻，故表面粗糙度會減??；當超過某一臨界值時，母線方向上的切削均勻性逐漸變差，故表面粗糙度增大。在轉(zhuǎn)速組合2下，圓柱滾子加工軌跡最為均勻，圓柱滾子母線方向上的切削最為均勻，從而得到好的表面粗糙度。最優(yōu)的工藝參數(shù)組合是A1B2C2。

圖7 工藝參數(shù)對表面粗糙度Ra的S/N值的影響Fig.7InfluenceofparametersonS/NofRa

(3)S/N平均響應(yīng)對圓度影響分析

工藝參數(shù)對圓度ΔR的S/N值的影響如圖8所示。由圖8可知：隨著工件偏角的增加，滾子的圓度逐漸增大；隨著工件位置的增大，滾子的圓度逐漸減??；轉(zhuǎn)速組合2相對于組合1、3，圓度最小。結(jié)合參考文獻[13]中的仿真結(jié)果分析，這是由于工件偏角的增大，圓柱滾子截面去除均勻性越差，從而截面成型質(zhì)量越差，導致圓度逐漸變大，滾子形狀精度越差；隨著工件位置的增大，滾子的截面去除均勻性越好，從而截面成型質(zhì)量越好，進而圓度逐漸減??；同樣當轉(zhuǎn)速組合2時，相比其他轉(zhuǎn)速組合，滾子的截面去除均勻性最好，從而截面成型質(zhì)量最好，即此時圓度最小。最優(yōu)的工藝參數(shù)組合是A1B3C2。

圖8 工藝參數(shù)對圓度ΔR的S/N值的影響Fig.8InfluenceofparametersonS/NofΔR

3.2 ANOVA方差分析

采用ANOVA方差分析[16]評估正交實驗中每個因素對評價指標的影響程度。實驗總次數(shù)為9，自由度為9，因素個數(shù)為4，每個因素的水平個數(shù)為3，每個因素水平重復次數(shù)為3。根據(jù)實驗結(jié)果進行方差分析，得到如圖 9 所示的權(quán)重比例圖。

(a) 對材料去除率的影響權(quán)重(b) 對表面粗糙度的影響權(quán)重(c) 對圓度的影響權(quán)重圖9 權(quán)重比例圖

從圖9可以看出：(1)材料去除率的各個因素影響權(quán)重依次為A(45.01%)>C(36.00%)>B(12.10%)>其他因素 (6.89%)；(2)粗糙度的各個因素影響權(quán)重依次為C(51.60%)>A(27.79%)>B(15.77%)>其他因素(4.84%)；(3)圓度的各個因素影響權(quán)重依次為B(48.30%)>C(28.42%)>A(20.93%)>其他因素(2.35% )。

從ANOVA方差分析中，工件偏角對材料去除率影響最大，同時對表面粗糙度、圓度有較顯著影響；工件位置對圓度影響最大，對材料去除率、表面粗糙度影響次之；轉(zhuǎn)速組合對材料去除率、表面粗糙度影響顯著，對圓度有較顯著影響，不可忽視。就圓柱滾子工件而言，表面粗糙度、圓度相比于材料去除率是更為重要的加工指標，故工件偏角選取A1；由于工件位置對圓度影響最大，相比而言對表面粗糙度影響較小，故工件位置選取B3；轉(zhuǎn)速組合選取C2。因此，最優(yōu)的工藝參數(shù)組合為A1B3C2。即工件偏角為0°，工件位置為0.8，上拋光盤轉(zhuǎn)速為-76 r/min，下拋光盤轉(zhuǎn)速為84 r/min，偏心輪轉(zhuǎn)速為80 r/min，外齒圈轉(zhuǎn)速為48 r/min。

3.3 工藝參數(shù)優(yōu)化

在ANOVA 方差分析中給出的最優(yōu)工藝參數(shù)組合為A1B3C2下，再配合其他參數(shù)形成一個優(yōu)化的實驗參數(shù)組合，如表3所示。在表3的條件下進行5組重復加工實驗，實驗結(jié)果取5組實驗結(jié)果的平均值。

表3 優(yōu)化實驗工藝參數(shù)

圖10給出了優(yōu)化實驗中某一滾子加工前后的表面粗糙度、圓度測量值。5組優(yōu)化實驗結(jié)果的平均值是：加工15 min后，圓柱滾子的材料去除率為0.541 μm/min；表面粗糙度Ra由0.078 μm下降至0.045 μm ，比初始表面粗糙度降低42.3%；圓度由0.74 μm下降至0.41 μm ，比原始圓度降低44.6%。

(a)加工前(b)加工后圖10 某一滾子加工前后的表面粗糙度、圓度Fig.10Surfaceroughnessandroundnessofarollerbeforeandafterprocessing

圖11為優(yōu)化實驗中滾子加工前后的對比圖，圖12為金相顯微鏡觀測的圓柱滾子研磨前后表面微觀照片。從圖11和圖12看出：加工前圓柱滾子表面質(zhì)量差，微觀照片布滿錯亂劃痕；研磨15 min后 ，劃痕逐漸消除，表面光滑平整。

圖11 滾子加工前后對比圖

圖12 圓柱滾子加工前后表面微觀照片

4 結(jié)論

(1)正交實驗結(jié)果表明：工件偏角對材料去除率的影響最顯著，轉(zhuǎn)速組合的影響次之，工件位置的最??；轉(zhuǎn)速組合對表面粗糙度的影響最顯著，工件偏角的影響次之，工件位置的最?。还ぜ恢脤A度的影響最顯著，轉(zhuǎn)速組合的影響次之，工件偏角的最小。

(2)由S/N平均響應(yīng)分析和方差分析可知：最優(yōu)工藝參數(shù)是工件偏角為0°，工件位置為0.8，上拋光盤轉(zhuǎn)速為-76 r/min，下拋光盤轉(zhuǎn)速為84 r/min，偏心輪轉(zhuǎn)速為80 r/min，外齒圈轉(zhuǎn)速為48 r/min。在此工藝參數(shù)下進行優(yōu)化試驗，加工15 min后，圓柱滾子的去除率達到0.541 μm/min；表面粗糙度由0.078 μm下降至0.045 μm，比初始表面粗糙度降低42.3%；圓度由0.74 μm下降至0.41 μm ，比原始圓度降低44.6%。

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