李頌華， 王維東， 吳玉厚， 孫 健， 韓 濤

(1. 沈陽建筑大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 沈陽 110168) (2. 沈陽建筑大學(xué) 高檔石材數(shù)控加工裝備與技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室， 沈陽 110168)

國內(nèi)外學(xué)者針對軸承超精加工進(jìn)行了研究。DONTU等[6]對軸承套圈進(jìn)行了不同工藝參數(shù)的超精加工實(shí)驗(yàn)，并分析軸承內(nèi)圈溝道底部的周向和軸向殘余應(yīng)力，發(fā)現(xiàn)油石壓力對軸承溝道表面殘余壓應(yīng)力有很大的影響。HUANG等[7]通過分析精密軸承溝道超精加工技術(shù)的機(jī)理，探討了溝道幾何精度的形成機(jī)理及如何減少工件的表面紋理變化，提高溝道表面質(zhì)量和幾何精度。郭章計(jì)[8]通過ANSYS仿真軟件分析了靜力學(xué)下油石工作面與套圈表面接觸的應(yīng)力情況，探討了溝道幾何誤差的形成機(jī)理。LIU等[9]實(shí)驗(yàn)研究了減小球軸承振動(dòng)的方法，通過超精加工過程減少內(nèi)圈和外圈的波紋度，獲得其激勵(lì)頻率，計(jì)算分布在不同頻率區(qū)域的振動(dòng)大小，發(fā)現(xiàn)超精加工可以明顯降低軸承運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)。鄭紅威等[10]以圓柱滾子為超精加工對象，從切削角、油石的振蕩頻率、振幅、壓力及工件的轉(zhuǎn)速等方面進(jìn)行分析比較，確定了超精加工的工藝參數(shù)。KUMAR等[11]用Taguchi方法優(yōu)化超精加工工藝參數(shù)，以提高圓柱形零件的表面粗糙度。

工程陶瓷具有難加工的特點(diǎn)，其加工機(jī)理較為復(fù)雜，目前尚未有學(xué)者對工程陶瓷軸承溝道超精加工進(jìn)行詳細(xì)研究。筆者以氧化鋯軸承套圈外圈為研究對象，通過ABAQUS軟件建立金剛石油石超精加工氧化鋯軸承溝道模型，通過動(dòng)力學(xué)分析得到油石超精加工溝道表面的應(yīng)力分布情況，同時(shí)通過觀察超精加工后溝道表面形貌，來研究超精加工去除方式。通過改變工件切線速度，油石壓力，長、短行程擺動(dòng)速度等超精加工工藝參數(shù)，確定超精加工過程中加工參數(shù)對軸承溝道表面粗糙度的影響，并確定主次影響因素，獲得高精度氧化鋯陶瓷軸承超精加工工藝。

1 軸承溝道超精加工有限元分析與仿真

1.1 超精加工模型建立

為研究金剛石油石超精加工氧化鋯軸承外圈去除機(jī)理，用宏觀模型進(jìn)行了應(yīng)力分布仿真分析。根據(jù)原有設(shè)計(jì)圖紙的氧化鋯軸承套圈和油石尺寸，為提高計(jì)算效率，對原有實(shí)際模型進(jìn)行簡化，建立的幾何模型如圖1所示。圖1中：油石高度12 mm，寬度7 mm，厚度7.5 mm，圓弧半徑4.5 mm；氧化鋯溝道長30 mm，溝道半徑4.5 mm，溝深1.5 mm。為仿真模型研究金剛石油石在超精加工氧化鋯軸承溝道時(shí)的應(yīng)力分布情況，將金剛石油石設(shè)定為剛體。氧化鋯軸承溝道的網(wǎng)格劃分采用八結(jié)點(diǎn)線性六面體單元、減縮積分、沙漏控制(C3D8R)，網(wǎng)格尺寸為0.05 mm。金剛石油石的網(wǎng)格劃分同樣也采用C3D8R，網(wǎng)格大小為0.05 mm?；诠こ烫沾勺陨淼奈锢斫Y(jié)構(gòu)和力學(xué)性能，模型采用應(yīng)力應(yīng)變屈服準(zhǔn)則來仿真陶瓷材料的塑性本構(gòu)關(guān)系。超精加工時(shí)，軸承套圈溝道與油石的接觸問題是2個(gè)邊界接觸問題，為簡化模型，把油石作為剛性接觸面，將軸承套圈溝道作為柔性目標(biāo)面，即剛體-柔性體接觸。建立的模型完全根據(jù)氧化鋯陶瓷及金剛石油石的材料屬性進(jìn)行設(shè)置定義，其運(yùn)動(dòng)方式與實(shí)際加工情況一致。

圖1 油石超精加工氧化鋯陶瓷軸承溝道模型

1.2 超精加工軸承溝道表面應(yīng)力分布

建立金剛石油石超精加工氧化鋯軸承溝道表面模型，來觀察超精加工過程中油石對溝道表面的應(yīng)力分布情況；根據(jù)應(yīng)力分布情況探究工件切線速度、油石壓力、油石長短行程擺動(dòng)速度對溝道表面質(zhì)量的影響。圖2為金剛石油石超精加工氧化鋯軸承溝道表面仿真過程。

圖2 金剛石油石超精加工氧化鋯軸承溝道過程仿真圖

圖3為不同工件切線速度下軸承溝道表面接觸應(yīng)力情況。從圖3可看出：隨著工件切線速度的提高，溝道表面接觸應(yīng)力逐漸減小，當(dāng)工件切線速度達(dá)到450 m/min時(shí)，接觸應(yīng)力為121 MPa。通過分析，接觸應(yīng)力減小會導(dǎo)致油石對溝道表面的切削作用降低；材料去除率降低。但隨著工件切線速度增大，軸承溝道表面被加工次數(shù)增多，表面質(zhì)量隨之改善。

(a) vs=150 m/min；P=0.5 MPa；f=1000 U/min

(b) vs=250 m/min；P=0.5 MPa；f=1000 U/min

(c) vs=350 m/min；P=0.5 MPa；f=1000 U/min

(d) vs=450 m/min；P=0.5 MPa；f=1000 U/min

圖4為工件切線速度為300 m/mim、油石擺動(dòng)速度為1000 U/min時(shí)，油石壓力由0.2 MPa提高到0.8 MPa時(shí)氧化鋯軸承溝道表面的接觸應(yīng)力情況。從圖4看出：在油石壓力為0.2 MPa時(shí)，軸承溝道表面接觸應(yīng)力較小，隨著油石壓力的逐漸增大，軸承溝道底部接觸應(yīng)力逐漸增大，可達(dá)到230 MPa。分析可知，在單位位移下，油石對軸承溝道表面的接觸應(yīng)力主要集中在溝道底部，隨著超精加工時(shí)間的延長，油石會對軸承的整個(gè)溝道表面進(jìn)行磨削作用。隨著油石壓力增大，溝道表面接觸應(yīng)力逐漸增大，油石對溝道表面的微切削作用增強(qiáng)，材料去除率升高。較大的壓力可以去除軸承溝道表面在精磨加工中留下的由磨削熱等因素產(chǎn)生的表面缺陷，從而改善軸承溝道表面質(zhì)量。

(a) vs=300 m/min；P=0.2 MPa；f=1000 U/min

(b) vs=300 m/min；P=0.4 MPa；f=1000 U/min

(c) vs=300 m/min；P=0.6 MPa；f=1000 U/min

(d) vs=300 m/min；P=0.8 MPa；f=1000 U/min

仿真中，通過對油石實(shí)際運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析，將油石長行程擺蕩速度和油石短行程振蕩速度進(jìn)行合成[12]，在模型設(shè)定的運(yùn)行時(shí)間之內(nèi)，長行程擺蕩速度與短行程振蕩速度的合成速度與實(shí)際超精加工時(shí)油石的擺動(dòng)速度相同。圖5為工件切線速度為300 m/mim、油石壓力為0.5 MPa時(shí)，油石擺動(dòng)速度由900 U/min提高到1350 U/min時(shí)，氧化鋯軸承溝道表面的接觸應(yīng)力情況。根據(jù)圖5仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)：隨著油石擺蕩速度的提高，軸承溝道側(cè)面所受到的接觸應(yīng)力明顯增加；當(dāng)油石擺動(dòng)速度達(dá)到1350 U/min時(shí)，表面接觸應(yīng)力最大值可達(dá)208 MPa。此時(shí)油石對溝道的切削能力較強(qiáng)，但過高的油石擺動(dòng)速度會破壞軸承溝道的溝形精度。

(a) vs=300 m/min；P=0.5 MPa；f=900 U/min

(b) vs=300 m/min；P=0.5 MPa；f=1050 U/min

(c) vs=300 m/min；P=0.5 MPa；f=1200 U/min

(d) vs=300 m/min；P=0.5 MPa；f=1350 U/min

2 超精加工實(shí)驗(yàn)研究

2.1 實(shí)驗(yàn)試件與刀具

實(shí)驗(yàn)所使用的試件為氧化鋯陶瓷軸承外圈，其外圓、內(nèi)圓、端面都已經(jīng)過一系列加工，軸承溝道經(jīng)過精磨加工，精磨后的溝道表面粗糙度值在0.3 μm左右。實(shí)驗(yàn)使用的刀具為樹脂結(jié)合劑金剛石油石，磨料平均粒度尺寸為5～7 μm。金剛石油石的幾何尺寸為：厚度7 mm，寬度7.5 mm，端面圓半徑5.5 mm，油石總長40 mm，如圖6所示。

正式拍攝時(shí)要確保鏡頭穩(wěn)定，每個(gè)鏡頭都要多等待幾秒鐘再開始拍攝，拍完之后再過幾秒鐘才能結(jié)束拍攝。需要從操作者后方拍攝的畫面，最好是使用手機(jī)、采用能夠360旋轉(zhuǎn)的自拍桿固定拍攝。拍攝操作細(xì)節(jié)時(shí)最好盯著相機(jī)屏幕操作，保證畫面內(nèi)景物大小和細(xì)節(jié)符合要求。

圖6 DBN系列金剛石油石

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)使用BearingStar 111k型單工位軸承內(nèi)外圈溝道超精機(jī)，其工件主軸轉(zhuǎn)速可達(dá)9000 U/min，油石壓力可達(dá)110 MPa，油石長行程擺蕩頻率可達(dá)1200 U/min，油石短行程振蕩頻率可達(dá)2500 U/min。該設(shè)備通過偏心定位及軸承滾輪壓緊支撐，加工位置定位更加精確，同時(shí)不易劃傷工件。

2.3 檢測設(shè)備

超精加工后，用Surtronic25型粗糙度儀測量氧化鋯陶瓷軸承外圈溝道表面的粗糙度，同時(shí)對溝道的溝形進(jìn)行分析。

用超景深三維顯微儀對超精加工后的氧化鋯軸承套圈溝道表面進(jìn)行觀察，對特定區(qū)域采用掃描電子顯微鏡(SEM)進(jìn)行觀測。

2.4 實(shí)驗(yàn)方案

軸承外圈溝道超精加工中，軸承套圈做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，油石以溝位中心為軸線進(jìn)行往復(fù)擺蕩運(yùn)動(dòng)[13-14]，其擺蕩過程中會伴隨小幅振蕩，同時(shí)油石以一定的壓力壓靠在溝道表面，超精加工中工件與油石的位置及運(yùn)動(dòng)方式如圖7所示。

圖7 軸承外圈溝道超精加工示意圖

實(shí)驗(yàn)中存在4個(gè)因素，分別為工件切線速度、油石壓力、長行程擺蕩速度、短行程振蕩速度，設(shè)計(jì)采用4因素4水平L16(44)正交實(shí)驗(yàn)[15]，如表1所示。為確保超精加工時(shí)間相同，將超精時(shí)間設(shè)定為5 s。

表1 超精加工正交設(shè)計(jì)的因素和水平

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 各超精加工參數(shù)對溝道表面粗糙度的影響

根據(jù)正交實(shí)驗(yàn)得出超精加工后的氧化鋯軸承套圈溝道表面粗糙度值，同時(shí)實(shí)驗(yàn)得出各個(gè)超精參數(shù)對軸承溝道表面粗糙度的影響程度，所以依據(jù)正交實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)處理方式[16]，求出各超精參數(shù)的回應(yīng)值，建立軸承溝道表面粗糙度回應(yīng)表，如表2所示。其中回應(yīng)表中數(shù)值分別對應(yīng)各個(gè)工藝參數(shù)對溝道表面粗糙度的影響趨勢，如圖8所示。

表2 超精加工溝道表面粗糙度回應(yīng)表

極差的大小可以反應(yīng)各參數(shù)對軸承溝道表面粗糙度的影響程度，極差值越大說明該參數(shù)對溝道表面粗糙度的影響程度越明顯。從表2中可以發(fā)現(xiàn)，對軸承溝道表面粗糙度的影響程度從大到小依次為：油石壓力、工件切線速度、短行程振蕩速度、長行程擺蕩速度。

通過圖8可知：隨著工件切線速度的提高，溝道表面粗糙度值先減小再增大，過高的工件切線速度會導(dǎo)致超精加工磨屑堵塞金剛石油石，使切削能力降低(圖8a)；溝道表面粗糙度值隨著油石壓力的增大而減小(圖8b)；隨著長行程擺蕩速度的提高，溝道表面粗糙度值先增大再減小(圖8c)；溝道表面粗糙度值隨著短行程振蕩速度的提高而增大(圖8d)。因此得到最佳超精加工工藝參數(shù)為：工件切線速度350 m/min、油石壓力0.8 MPa、長行程擺蕩速度800 U/min、短行程振蕩速度1600 U/min。

(a) 工件切線速度對溝道表面粗糙度的影響

(b) 油石壓力對溝道表面粗糙度的影響

(c) 長行程擺蕩速度對溝道表面粗糙度的影響

(d) 短行程振蕩速度對溝道表面粗糙度的影響

3.2 超精加工對表面形貌的影響

圖9為超景深顯微鏡下超精加工前、后的陶瓷軸承溝道表面形貌。從圖9a中發(fā)現(xiàn)：陶瓷軸承溝道經(jīng)過精磨后，溝道表面參差不齊。這是由于工程陶瓷材料在較大去除量時(shí)，去除方式是脆性去除并伴隨少量塑性去除所引起的；同時(shí)，由于精磨時(shí)磨削溫度過高，在陶瓷軸承溝道表面會產(chǎn)生表面變質(zhì)層，使精磨后的溝道表面存在一定的缺陷[17]。圖9b顯示：經(jīng)過超精加工后，溝道表面較為平整，但也存在微小的凹痕。這些凹痕是磨削加工所遺留的，不能通過超精加工去除，因此在加工高精度陶瓷軸承溝道時(shí)，精磨后的溝道表面質(zhì)量決定陶瓷軸承套圈的質(zhì)量。

(a)超精加工前軸承溝道表面形貌

(b)超精加工后軸承溝道表面形貌

圖10為超景深顯微鏡下不同超精加工參數(shù)陶瓷軸承溝道的表面形貌。在不同參數(shù)下對氧化鋯軸承溝道表面進(jìn)行超精加工，發(fā)現(xiàn)軸承溝道表面形貌存在較大差異。當(dāng)工件切線速度較高，油石擺動(dòng)速度較低時(shí)，觀察軸承溝道表面(如圖10a)，軸承溝道表面紋理近似于直線。軸承運(yùn)行時(shí)噪聲較低、震動(dòng)較小，但直紋軸承潤滑效果不佳，導(dǎo)致其壽命相對較短。當(dāng)工件速度較低，油石擺動(dòng)速度較高時(shí)，觀察軸承溝道表面(如圖10b)，軸承溝道表面紋理趨近于弧線。此時(shí)軸承運(yùn)行時(shí)噪聲較大，但潤滑性能較好，使用壽命相對較高[18]。

圖11為掃描電子顯微鏡(SEM)下超精加工前后陶瓷軸承溝道表面形貌。圖11a中，氧化鋯軸承溝道表面凹坑凸起較多，表面質(zhì)量較差。這是因?yàn)樵谀ハ鲿r(shí)，氧化鋯陶瓷的去除方式是以脆性去除為主并存在一定的塑性去除，導(dǎo)致磨削加工后軸承溝道表面質(zhì)量較低。超精加工后，氧化鋯軸承溝道表面質(zhì)量有明顯改善(如圖11b)。這是因?yàn)樵诔庸r(shí)，油石以適當(dāng)?shù)膲毫νㄟ^金剛石微粉磨粒對溝道表面進(jìn)行輕微劃擦，此時(shí)氧化鋯陶瓷的去除方式不再是脆性去除。通過觀察超精加工后軸承溝道表面發(fā)現(xiàn)，磨粒劃擦后的材料斷層光滑連續(xù)與塑性去除后陶瓷表面形貌相符，分析超精加工的去除方式為塑性去除。

(a) 切線速度為450 m/min；油石擺動(dòng)速度為800 U/min

(b) 切線速度為150 m/min；油石擺動(dòng)速度為1100 U/min

(a) 超精加工前陶瓷軸承溝道表面形貌

(b) 超精加工后陶瓷軸承溝道表面形貌

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果分析

通過金剛石油石超精加工氧化鋯軸承溝道仿真模型，分析各超精加工參數(shù)對陶瓷軸承溝道表面質(zhì)量的影響情況，并通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果十分接近。因此，該仿真模型可以用來分析氧化鋯陶瓷軸承溝道超精加工中溝道表面應(yīng)力情況。但在超精加工時(shí)，有超精油對軸承溝道表面進(jìn)行沖洗、冷卻[19-20]，會產(chǎn)生超精油膜；同時(shí)，油石對陶瓷軸承溝道表面的去除量較小，在超精加工中超精油石、超精油、工件表面之間是否會產(chǎn)生化學(xué)變化生成新物質(zhì)，這些問題還有待進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

(1)基于ABAQUS的金剛石油石超精加工氧化鋯陶瓷軸承溝道仿真模型，可以得出超精參數(shù)對陶瓷軸承溝道表面接觸應(yīng)力的影響。金剛石油石與軸承溝道表面接觸應(yīng)力隨工件切線速度的提高而減小，隨油石壓力的增大而增大，隨油石擺動(dòng)速度的提高而增大。仿真模型得出的結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果較吻合。

(2)根據(jù)仿真與實(shí)驗(yàn)研究，在超精加工階段，適當(dāng)提高工件切線速度、油石壓力，降低長行程擺蕩速度、短行程振蕩速度有助于改善加工質(zhì)量。超精加工階段的最佳工藝參數(shù)為：工件切線速度350 m/min、油石壓力0.8 MPa、長行程擺蕩速度800 U/min、短行程振蕩速度1600 U/min。

(3)通過對超精加工前后氧化鋯陶瓷軸承溝道表面形貌的分析，發(fā)現(xiàn)超精加工時(shí)油石對溝道存在劃擦切削作用，超精加工的去除方式以塑性去除為主。