中國粉體網(wǎng)訊 作為重要的基礎(chǔ)件，滾動軸承由于能夠在機(jī)械設(shè)備中支撐做轉(zhuǎn)動運(yùn)動的零部件而被大量使用在高速主軸、高端機(jī)床、高速列車、發(fā)電機(jī)組等裝備中。
陶瓷球的表面質(zhì)量必須過硬
相比于軸承鋼材料性能，陶瓷材料由于其具有密度小、耐高溫、硬度高、耐腐蝕、絕緣、熱膨脹系數(shù)小、化學(xué)穩(wěn)定性好、彈性模量大、抗壓強(qiáng)度高而且不會被磁化等一系列的優(yōu)良性能，使其在軸承中具有極高的應(yīng)用價(jià)值。目前，陶瓷球軸承正在逐步取代鋼制軸承而被應(yīng)用在眾多的場合，尤其是在航空航天、石油、化工以及高速精密機(jī)械等對軸承的性能有著極高要求的領(lǐng)域。
圖片來源：中材高新
目前，陶瓷球軸承可以分為全陶瓷球軸承以及半陶瓷球軸承，形式如下圖所示。全陶瓷球軸承的內(nèi)圈、外圈以及滾動體都是陶瓷材料；半陶瓷球軸承僅滾動體是陶瓷材料。無論是全陶瓷球軸承還是半陶瓷球軸承，其滾動體都是陶瓷材料。
全陶瓷軸承與半陶瓷球軸承
陶瓷球作為精密陶瓷球軸承的主要組成部件之一，陶瓷球的加工質(zhì)量直接影響著軸承的運(yùn)動精度和運(yùn)行的平穩(wěn)度以及軸承的使用壽命。根據(jù)中國國家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 308-2002 ），規(guī)定軸承球最高精度等級為G3級，其次是G5級，等級越高，對于陶瓷球的加工要求也越高，其質(zhì)量和精度指標(biāo)如下表所示。
軸承球精度等級標(biāo)準(zhǔn)
然而，由于陶瓷材料固有的高硬度、高脆性的特點(diǎn)，加上球體形狀的限制，使得陶瓷球在拋光過程中一直都存在效率低下、加工成本高以及球體表面容易損傷的情況。陶瓷球在拋光加工過程中，球體受到的拋光外力來自兩部分：其一是研磨盤施加給球體壓力，該方式可視為壓痕斷裂力學(xué)中的鈍壓頭；其二是磨粒切入球體表面，該方式可視為壓痕斷裂力學(xué)中的銳壓頭。由于在拋光過程中這兩種作用都存在，導(dǎo)致陶瓷球在拋光過程中容易造成凹坑、裂紋、雪花、擦傷、劃傷等一系列的加工缺陷，如下圖所示。
陶瓷球損傷表面
這些缺陷的存在，造成陶瓷球軸承在工作過程中產(chǎn)生應(yīng)力集中，最終導(dǎo)致陶瓷球軸承過早疲勞失效。因此，探索一種能夠降低陶瓷球表面缺陷的加工方法具有重要的實(shí)際意義和應(yīng)用價(jià)值。
陶瓷球研磨拋光的主要工藝
四軸球體研磨工藝
使用四軸球體研磨機(jī)對單顆球體進(jìn)行研磨拋光加工，通過四軸轉(zhuǎn)動方向的不同組合使自轉(zhuǎn)角發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)瞬時(shí)軸不斷變化。這種研磨方式能獲得較高加工精度，但一次只能對一顆球進(jìn)行加工，加工效率低。
四軸自動球面研磨機(jī)
研磨盤機(jī)械研磨拋光工藝
采用有導(dǎo)向槽的上下研磨盤對球坯進(jìn)行研磨拋光加工，球坯沿研磨盤上的導(dǎo)向槽運(yùn)動，一邊自轉(zhuǎn)一邊公轉(zhuǎn)，通過自轉(zhuǎn)角的不斷變化，使研磨軌跡均布于球面。普遍應(yīng)用的研磨方式主要有Ｖ形槽研磨方式、錐形盤研磨方式以及自旋回轉(zhuǎn)控制研磨方式等。
傳統(tǒng)V形槽研磨拋光的原理如下圖(a)所示，加工時(shí)，球坯表面形成的軌跡線是3個(gè)研磨切削點(diǎn)在球面上形成的3個(gè)同軸環(huán)帶，如下圖(b)所示。 加工過程中，球坯的自轉(zhuǎn)角θ幾乎是恒定值，因?yàn)榍蚺鞯墓D(zhuǎn)軸與自轉(zhuǎn)軸的夾角變化很小，3個(gè)同軸環(huán)帶以非常緩慢的速度展開，不利于球體均勻快速地研磨加工。通過讓球體循環(huán)進(jìn)出研磨盤溝槽和球坯打滑、攪動等現(xiàn)象，隨機(jī)改變各球的自轉(zhuǎn)角θ，以致球面上各點(diǎn)的切削概率不相等，難以獲得球體精度的高一致性，批合格率通常只有30%左右，限制了加工精度和加工效率。
傳統(tǒng)V形槽研磨拋光方式機(jī)構(gòu)原理圖
傳統(tǒng)的V型槽精加工方法主要采用金剛石磨料作為拋光介質(zhì)，載荷大約為10 N/球，拋光時(shí)間長，一批陶瓷球的加工周期需要12~15個(gè)星期。昂貴的金剛石磨料和漫長的加工周期使制造成本高居不下。另外，在較高載荷作用下，高硬度的金剛石磨料會在陶瓷球表面造成刮傷、凹坑和微裂紋等表面損傷，這些表面損傷經(jīng)外部載荷的作用，會進(jìn)一步擴(kuò)展形成較大的脆性裂縫，從而導(dǎo)致軸承滾珠的突然失效。
日本金澤大學(xué)黑部利次等提出了一種同軸三盤研磨方式。如下圖所示，將V形槽研磨方式中的下研磨盤從V形槽處分離開，使整個(gè)機(jī)構(gòu)由3塊可獨(dú)立轉(zhuǎn)動的研磨盤組成，通過控制3塊研磨盤的轉(zhuǎn)速變化來調(diào)整球坯的自轉(zhuǎn)角，故稱自轉(zhuǎn)角主動控制研磨方式。該方式通過調(diào)整研磨盤的轉(zhuǎn)速可以實(shí)現(xiàn)自轉(zhuǎn)角θ在[–90°，90°]范圍內(nèi)變化，研磨軌跡能夠在球面上實(shí)現(xiàn)全包絡(luò)，可以大幅提高加工精度和加工效率，但由于其機(jī)構(gòu)復(fù)雜，且不易實(shí)現(xiàn)陶瓷球的批量加工，僅用于大規(guī)格小批量陶瓷球的研磨加工。
自轉(zhuǎn)角主動控制研磨拋光球體的機(jī)構(gòu)原理圖
化學(xué)機(jī)械拋光工藝
化學(xué)機(jī)械拋光(CMP，Chemical Mechanical Polishing)目前已廣泛應(yīng)用于各種工程陶瓷、功能陶瓷和金屬材料的超精密加工。拋光時(shí)，懸浮于液態(tài)介質(zhì)中的納米級軟質(zhì)磨粒，在與工件的接觸點(diǎn)上因摩擦而產(chǎn)生高溫高壓，并在極短的時(shí)間內(nèi)，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成比工件材料軟、更容易去除的新物質(zhì)。反應(yīng)產(chǎn)物以0.1 nm的微小單位，由工件與后續(xù)磨料及拋光盤之間的機(jī)械摩擦作用去除，從而獲得超光滑表面。在CMP工藝中，通過調(diào)節(jié)拋光液和拋光參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)消除缺陷和劃痕從而達(dá)到預(yù)期的加工效果。
化學(xué)機(jī)械拋光示意圖
超聲震動輔助拋光
該工藝主要在使拋光工具產(chǎn)生超聲頻率振動的同時(shí)進(jìn)行拋光研磨，是一種超聲震動與機(jī)械加工相復(fù)合的工藝方法，加工速度可比傳統(tǒng)工藝提高２-３倍。
磁流體拋光(MFP)
磁流體通常是膠質(zhì)Fe3O4加入體積百分比為5~10%的磨料形成混合液，球坯放置于充滿磁流體與磨料混合液的圓柱形研磨盤內(nèi)(常為鋁質(zhì))，其下是一排條狀永磁極(Nd-Fe-B等)。在磁場作用下，磁性粒子向強(qiáng)磁場方向運(yùn)動，對磨料產(chǎn)生反向浮力，使磨料懸浮于磁流體中。當(dāng)驅(qū)動軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，球坯在磁流體和磨料的混合液中一邊自轉(zhuǎn)一邊繞研磨盤公轉(zhuǎn)，懸浮在磁流體中的磨料對陶瓷球進(jìn)行拋光。球坯所受壓力較小(約為1N/球)且為彈性，大大減少了機(jī)械研磨在陶瓷球表面產(chǎn)生的劃痕及微裂紋等缺陷。使用磁流體拋光加工的球體，其材料去除率可達(dá)到12 μm/min，是傳統(tǒng)V型槽研磨加工去除率的40余倍。實(shí)驗(yàn)表明，經(jīng)過3 h的加工，其球度可達(dá)0.14 μm，表面粗糙度達(dá)到0.01 μm。
磁流體研磨拋光球體的機(jī)構(gòu)原理圖
參考來源：
[1]胡晨.氧化鋯陶瓷球磁流變拋光實(shí)驗(yàn)研究
[2]肖曉蘭等.氮化硅陶瓷球研磨拋光技術(shù)研究進(jìn)展
[3]肖曉蘭.高精度陶瓷球高效低損傷全球面包絡(luò)磁流變拋光加工研究
[4]高淵魁.超聲波精細(xì)霧化施液拋光氮化硅陶瓷的實(shí)驗(yàn)
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/山川）
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