氮化硅陶瓷球双平面抛光技术

本资料包含pdf文件1个，下载需要1积分

Dual--Plane Polishing Technology for Silicon Nitride Ceramic BallsFeng Kai-ping，Lfi Bing-hai，Deng Qian-fa，Yuan Ju-long(Key Laboratory of Special Purpose Equipment and Advanced Processing Precision Technology of Ministry of Education，Zhejiang University of Technology，Hangzhou 310014，China)Abstract：In order to obtain super smooth surface of Si3 N4 ceramics bals，a new type of dual-plane polishing methodis proposed for polishing balls.The material is removed evenly by making the balls spinning and rolling constantly be-tween the soft plates，SO the surface mechanical damage can be reduced compared to conventional cast iron plate polis-hing method.The influence of polishing speed，polishing pressure and CeO2 polishing slurry concentration on the sur-face roughness Ra and spherical error ARsw of Si3 N4 ceramics balls is studied，and the optimized polishing process pa-rameters are given。

Key words：roling bearing；silicon nitride ceramics ball；polishing；dual-plane type氮化硅陶瓷球具有强度高、弹性模量大、耐高温、耐化学腐蚀等特点，在高性能轴承上得到广泛应用 J。球体表面凹凸及裂纹等表面缺陷对轴承的运动精度和寿命有很大的影响 。因此，要达到高的表面质量要求，在最后抛光阶段，能否消除表面损伤是关键 J。目前，-般在传统 V形槽研磨设备中加入金刚石微粉配制而成的抛光介质对氮化硅陶瓷球球体进行抛光，由于铸铁盘面硬度高，金刚石微粉硬度大，加工过程中容易在球体表面产生微裂纹、划痕和残余应力等表面缺陷。

收稿日期：2012-08-16；修回日期：2012-09-28基金项目：江苏势技支撑计划(BE2011063)；常州市科技局项 目(CJ20115005)作者简介：冯凯萍(1987-)，男，硕士研究生，主要研究方向为超精密加工技术与装备。

文献[5-6]提出了磁悬浮抛光方法对氮化硅陶瓷球进行抛光，采用该柔性”加工技术可以实现陶瓷材料的微细切削，使余量以塑性断裂的形式去除，可获得非常光滑的表面(Ra4 nm)，但该方法所使用的磁流体成本昂贵，基本没有工业应用。

为了实现氮化硅陶瓷球超光滑表面的抛光加工，下文提出了-种球体双平面抛光方法。并采用陶瓷球双平面抛光试验装置，探讨了在该方式下抛光速度、抛光压力和水基 CeO 抛光液浓度对氮化硅陶瓷球表面粗糙度 Ra和球形误差 △ w的影响规律。通过优选工艺参数，在保证球形误差不恶化的前提下，获得较高的加工表面质量，有效控制了加工表面缺陷。

1 双平面抛光法基本原理传统陶瓷球加工方法如图 1所示 ，主要采用硬质V形槽铸铁盘和金刚石磨料进行抛光(图《轴承)2013.No.32a)，加工过程中陶瓷球材料以脆性断裂的形式去除，容易使表面产生机械损伤。而采用软质抛光垫和软质磨料对陶瓷球进行抛光(图2b)，可以使陶瓷球材料以微小塑性切削的形式去除，大大降低抛光过程中陶瓷球面的机械损伤。

图1 传统V形槽抛光法示意图.//////，-.盘(a硬质抛光盘抛光 (b)软质抛光垫抛光图2 不同抛光方式下的材料去除模型为克服传统抛光方法无法使用软质抛光垫对球体进行抛光的不足，文中提出了球体双平面抛光法，其原理如图 3所示。抛光装置主要包括上盘、下盘、保持架、内齿圈和外齿圈等几个部分。

上、下盘分别绕回转轴相反方向旋转，上盘面转速为∞ ，下盘面转速为 ∞ ；内齿圈和外齿圈带动行星轮(即保持架)绕抛光盘回转轴中心公转和绕保持架中心自转，保持架自转速度为 ，，公转速度为c， 。球坯放在保持架球体夹持孔中，在保持架和(a)俯视图主视图1-外齿圈；2-保持架；3-内齿圈；4-球体5-上盘；6-抛光垫；7-下盘 ·图3 球体双平面抛光法原理示意图上、下盘摩擦力矩的带动下，不断在上下盘之间滚动和自旋运动，使表面每部分与抛光盘均匀接触，从而实现表面材料的均匀去除。

与传统 V形槽球体抛光法相比，球体双平面抛光法有以下特点：(1)由于上、下盘均为平面，可以使用抛光垫对球体进行抛光，大大降低了接触点的压力，防止磨粒过多压人而对加工表面造成损伤。

(2)通过保持架将球体分隔，消除了球体之间的碰撞，避免了不必要的表面损伤，这对于精密陶瓷球的加工尤为重要。

(3)加工轨迹覆盖盘面，盘面磨损较为均匀，故盘面磨损对球体质量影响较校(4)修整方便，可实现抛光垫的在线修整，去除抛光垫表面的釉化层，恢复抛光垫表面微孔形貌，容纳足够的抛光液，以保证抛光效率。

2 试验试验采用双平面抛光设备，其结构如图 4所示。上盘采用浮动连接，并通过气缸施加抛光压力，保证加载的连续性和均匀性。内、外齿圈和上、下盘面均由-台电动机通过齿轮组驱动，调节电动机的转速可以改变上、下盘和保持架的转速。

厂 fJ0 I l、、 - -/二65 J /二 // / - 料。 。I l、 . . 计T- -- 叶 i r- 1 1/ r - ] 十--十- -/ /l-皮带轮；2-电动机；3-下盘；4-内齿圈；5-中心轮；6-上盘；7-连接杆；8-活塞杆；9-气缸；10-横梁；i1-立柱；12-保持架；13-球；l4-外齿圈；15-齿轮组；16-床身；17-减速机；18-链轮图4 双平面抛光设备结构示意图冯凯萍，等：氮化硅陶瓷球双平面抛光技术 ·l3·表 1 抛光速度与各机构转速线性比例关系上、下盘面黏附软质绒布抛光垫，保持架上开球体夹持孔，根据球径大小确定球体夹持孔中心到保持架中心的孔心距，孔中放人环氧树脂耐磨环，防止保持架球体夹持孔过度磨损。选用研 .938 mm氮化硅陶瓷球坯，采用 CeO：水基抛光液，研究表明 J CeO 对氮化硅陶瓷球的化学机械抛光效果最好。采用单因素试验方法，抛光速度30～70 r/min，抛光压力(每个球)0.5-2.5 N，抛光液浓度(质量分数)5% ～15%，球体双平面抛光工艺试验条件见表 2。不同抛光速度下，上、下盘和保持架的实际转速见表3。

表 2 氮化硅陶瓷球抛光工艺试验条件Si3N4， 7.938 mm坯球 表面粗糙度 Ra15～25 nm球形误差 ARsw：0.2～0.3 I.Lm抛光液抛光垫孔心距/mm抛光速度/(r·min )单球抛光压力/N抛光液浓度/%每组抛光时间/hCeO2水基抛光液绒布抛光垫3530，40，5O，60，700.5，1.0，1.5，2.0，2.55.0，7.5，10，12.5，1520表3 不同抛光速度下，上、下盘和保持架转速 r/min垫 堡星 !上盘速度 -6.6 -8.8 -11 -13.2 -15.4下盘速度 l5 20 25 3O 35保持架公转速度 4.2 5.6 7 8.4 9.8堡垫塑旦壁婆星 ：! ：! ： ：! ：检测时使用Taylor Hobson表面粗糙度测试仪在氮化硅陶瓷球表面测量 3次，求其平均值作为此抛光条件下的表面粗糙度 Ra值；采用爱国者GE-5数码显微镜对抛光前、后工件表面形貌进行观测；采用Mahr(MMQ 400)圆度仪对球体的3个圆周的圆度进行测量，以测得的最大圆度值作为球形误差 △ w。

3 试验结果与分析3.1 抛光速度对表面质量和球形误差的影响抛光速度对球体表面粗糙度 Ra和球形误差△ w的影响如图5所示，其中单球抛光压力为 1N，抛光液浓度为 10%。从图5可知，抛光速度为50 r/min时，表面粗糙度最小，球形误差则随着抛光速度的提高略微上升。这是因为在-定范围内，抛光速度越高，单位时间内球体表面任意-区域与抛光垫接触的次数增加，同时，接触面的摩擦速度加快，使得表面的磨损增加，宏观上反映为抛光量的增加。-方面，抛光装置的盘面跳动随转速的提高而加大，使加工中所要求的恒定稳压状态遭到破坏，球体之间受力不均，容易发生自旋不连续和自转轴移动变化缓慢现象，导致材料去除不均匀，影响球形误差；另-方面，转速过高会使抛光液产生较大的离心力，导致抛光液飞溅到抛光盘的外侧，球与抛光垫之间的摩擦润滑状态变差，影响表面质量。

l00 3o 40 50 6D抛光速度/(r·min- )0.3o0.250.20喜o巧攫 鋈0图5 抛光速度对表面粗糙度和球形误差的影响3.2 抛光压力对表面粗糙度和球形误差的影响抛光压力对球体表面粗糙度 Ra和球形误差△ w的影响如图6所示，其中抛光速度为50 r/min，抛光液浓度为 10%。由图6可知，当每球抛光压力为 1 N时，表面粗糙度改变明显，球形误差也能保证在较小的范围内。这是因为抛光压力影响球体与抛光垫之间小球接触面液流层分布，当压力过大时，磨料和磨液不能进入接触区域，球体和抛光垫小球接触面为固-固接触，摩擦力大，容易引起不均匀磨削和滑擦，影响表面质量和球形误差；而压力过小时为滑动接触，小球接触面液流层较厚，摩擦力较小，不能对球面进行有效切削；此外压力过小，接触面摩擦驱动力矩小，使球体不能充分自转从而影响球形误差。合适的压力下为0.5 1.0 1.5 2.O 2.5单球抛光压力/N图6 抛光压力对表面粗糙度和球形误差的影响鲁 篱；q 加 m 晒O O O 0 O 0 0 8 6 4 2 O 重 趟 爨恒冯凯萍，等：氮化硅陶瓷球双平面抛光技术 ·15·势 ，而球形误差基本随着抛光速度和抛光压力的增大而增大。

试验结果表明：采用双平面抛光设备对氮化硅陶瓷球进行抛光，在抛光速度 50 r/min，每球抛光压力为 1 N，CeO 抛光液浓度质量分数为 10%的工艺条件下抛光 20 h，球形误差 △ 哪保持在0.25 m以内，没有发生恶化，球体表面粗糙度从RaO.020左右下降到RaO.004，获得了良好的抛光效果。