高精度氮化硅陶瓷球批量加工研磨工艺研究

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以氮化硅为代表的先进陶瓷具有低密度、高硬度、高刚度、抗磨损、低热膨胀系数、化学稳定性和热稳定性好等极为优良的综合性能，被认为是目前制造高速、高精度轴承滚动体的最佳材料n 。国内目前还没有较为成熟稳定的工艺对高精度氮化硅陶瓷球进行批量加工。目前对于高精度氮化硅陶瓷球来说，G3级是陶瓷球精度最高的等级，其技术指标为表面粗糙度 Ra≤0.01 m；球度 ASph<-0.08 m。传统工艺加工的氮化硅精密陶瓷球存在表面损伤等缺点，加之市场需求量的剧增，也亟需在短时间内探究出适合批量生产高精度氮化硅陶瓷球的稳定工艺。

- 直以来，国内外诸多学者都对陶瓷球研磨加工进行了很多试验研究，提出了各自的研磨方式、加工工艺，但在批量生产方面都存在-定的问题。本研究收稿日期：2012-09-06基金项目：江苏势技支撑计划资助项目(BE2011063)；常州市科技局资助项目(CJ20115005)作者简介：林明/(1985-)，男，四川绵阳人，主要从事特种装备制造与先进加工技术方面的研究.E-mai1：490741395###qq.com通信联系人：袁巨龙，男，博士，教授，博士生导师.E-mail：jlyuan###zjut.edu.ca机 电 工 程 第30卷是在传统氮化硅陶瓷球研磨加工的基础上进行高精度氮化硅陶瓷球批量研磨加工实验，通过调节各工序主要因素，结合显微镜照片分析各个工序所选磨料对陶瓷球表面质量及去除率的影响，对成品陶瓷球进行球度、表面粗糙度、振动值等指标检测，最终实现稳定批量生产GS级氮化硅陶瓷球的目的。

1 陶瓷球研磨方式的研究陶瓷球的研磨方式对陶瓷球表面研磨均匀性起着重要的作用，进而影响陶瓷球的精密程度。日本金泽大学的黑部利次等人口 提出了-种自转角主动控制研磨方式，该研磨方式有利于球坯表面获得均匀、高效的研磨，但其装置机构复杂，目前仅限于理论研究。为了实现陶瓷球的高速研磨，Tani和KawataH 提出了磁流体研磨方式(MFP，Magnetic Fluid Polishing)，采用该方法对陶瓷球进行加工，其材料去除率可达到12 tLm/min，球度可达O.14 m，平均表面粗糙度0.01 ftm，但是由于磁流体成本昂贵且损耗快，不利于批量生产。沈阳建筑工程学院的吴玉厚教授等人 对氮化硅陶瓷球的研磨工艺做了大量的研究，探明了研磨工艺的影响因素对加工效率及表面粗糙度的作用。为提高精密球的球度和加工-致性，浙江工业大学超精密研究中心提出了-种新型的精密球研磨方式-双自转研磨方式 。。，但该研磨方式目前还处于完善阶段。

虽然以上几种研磨加工方式的工艺均能生产出表面质量好的高精度陶瓷球，但存在成本高、结果复杂等缺点，目前国内还没有将该工艺用于高精度氮化硅陶瓷球的批量生产。

目前 ，国内批量生产陶瓷球主要采用V型槽的研磨方式，使用游离磨料研磨或抛光的方法进行加工。

研究者将陶瓷球坯放置在 V形槽中，球坯与上、下研磨盘呈三点接触状态。研究者通过上研磨盘在球坯上施加压力，研磨过程中，随着研磨盘的转动，球坯在绕着V形槽公转的同时进行自转，通过球坯、研磨盘以及磨料之间的相互作用实现陶瓷球余量去除，从而达到减小球径、提高圆度和降低表面粗糙度的目的。

通过对加工过程中压力载荷、研磨盘转速、研磨液配方浓度的控制，可使研磨轨迹均布球坯表面，达到研磨成球的几何条件。

研磨过程中，研磨迹线能否均匀地分布于球体表面是获得高精度球的关键。此外，还需满足研磨成球的物理条件：①切削等概率性：每颗被加工球表面上每个质点都有相同的切削加工概率；②磨削尺寸选择性：在加工过程中，磨大球，不磨或少磨小球；③磨长轴方向，不磨或少磨短轴方向 。]，通过定时改变陶瓷球在上、下研磨盘之间沟道的运动达到随机概率成球的效果。

压力 - l 、 广 7上-研磨盔I 陶瓷球JC图1 陶瓷球研磨过程2 批量生产GS级氮化硅陶瓷球实验2.1 实验条件该实验选用立式球体研磨机，选用直径为800 mm的研磨盘，选用4)7.938 mm氮化硅陶瓷球5 000柳行加工实验。各个研磨阶段的实验条件如表1所示。

表1 研磨条件性 能 参数密度(/kg·m )硬度/HV弹性模量/GPa泊松比抗压强度/MPa抗弯强度/MPa撕裂韧性/(MN·m )烧结方法2.2 实验过程在正式加工实验之前会进入压沟环节，本研究用放置的球将下磨盘的V型槽修整平滑-致，为正式研磨做好准备。实验分为以下5个工序：粗研、半精研、精研、超精研、抛光。各个工序实验条件从表l可知：在粗研、半粗研环节分别选用碳化硅(黑)#60、#240；精m ∞6 --Ⅲ嘶- 蝴机 电 工 程 第30卷；亘图6 表面粗糙度检测 - 粗研 半精研 精研 超精研 抛光图7 不同阶段的去除率由图7可知：在粗磨、半精研阶段，材料去除率较大，达到2 Ixm/h～4 txm/h，这是因为选用粒度较大的碳化硅(黑)#60、#240磨料，压力在 10 N脉 ，转速控制在50 r/min，研磨液浓度控制在 15 wt%左右的情况下，材料主要以脆性形式去除；而随着研磨进行，所选磨料粒度逐渐变小，压力、转速和浓度也相对减小，此时材料主要以塑性形式去除，因而去除率也随之减到O.2 txm/h，为粗研阶段的5%。

3.4 振动值对比分析振动值是高精度氮化硅陶瓷球表面质量、球度和材料均匀性等的-个综合性能指标，根据高精度氮化硅陶瓷球在实际加工生产中的经验，-般振动值低于28 dB的陶瓷球可视为G3级陶瓷球。笔者随机抽样成品球 50粒与同类规格的法国和国内某公司标称为G3级 的各 100粒氮化硅陶瓷球进行振动值检测对比。采用该工艺加工完毕的陶瓷球与同类规格标称为 G3级的法国和国内某公司生产的陶瓷球分别分组，标为A、B、C 3组，对其进行振动值检测。

检测平均振动值对比结果如图8所示。通过该工艺实验的A组陶瓷球振动值范围在22 dB-25 dB，平2928曩252423 A B C罔8 振动值对比均振动值达到24 dB，法国的B组陶瓷球振动值范围在25 dB～27 dB，平均振动26 dB，C组为国内某公司生产的陶瓷球振动值范围在27 dB-28 dB，平均振动值为28 dB。由此可知：采用该工艺的陶瓷球已经达到G3级陶瓷球标准，且优于同类产品。

4 结束语通过采用该工艺对氮化硅陶瓷球进行批量加工实验，各个工序加工完毕后，本研究对陶瓷球进行了球度、表面粗糙度、振动值检测，并得出了以下结论：(1)从粗研到半精研阶段，陶瓷球本身表面比较粗糙，当加载压力、磨料粒度较大时，材料去除比较多，球度变化也比较大；通过对精研到抛光阶段磨料粒度、压力、转速和研磨液浓度的控制，陶瓷球材料去除率逐渐减小，球度逐渐变好，最终球度达到0.062 ixm以下；(2)在粗研到半精研阶段，压力、转速、磨料粒度较大，陶瓷球以脆性形式去除，陶瓷球表面出现裂纹、凹坑和划痕等缺陷；精研到抛光阶段，随着压力、转速及磨料粒度等减小，材料主要以塑性形式去除，表面粗糙度逐渐降低，最终的成品球表面粗糙度Ra达到1.48 nm以下，得到超光滑表面；(3)通过与法国及国内某公司标称为G3级同规格的氮化硅陶瓷球产品进行振动值检测对比，采用该工艺的成品球平均振动值达到24 dB，且优于对比的同类产品；综上所述：采用该工艺后 ，加工完毕的氮化硅陶瓷球能够批量生产，并达到G3级标准。