氧化鋯陶瓷溝道磨削表面質(zhì)量研究

李頌華，韓光田，孫 健

(沈陽(yáng)建筑大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110168)

0 引 言

軸承是制造業(yè)中無(wú)法替代的基礎(chǔ)零部件，直接決定重大裝備等產(chǎn)品的性能和質(zhì)量，是重大裝備及精密機(jī)床升級(jí)換代的突破口之一，而工程陶瓷具有高硬度、高強(qiáng)度、耐磨損、耐高溫、耐腐蝕、熱膨脹系數(shù)低、自潤(rùn)滑性好等特點(diǎn)，是作為軸承材料的理想選擇，但工程陶瓷是業(yè)內(nèi)公認(rèn)的難加工無(wú)機(jī)非金屬材料，相對(duì)于傳統(tǒng)金屬材料，工程陶瓷的磨削工藝研究相對(duì)落后[1-4]。特別是陶瓷軸承套圈溝道既是滾動(dòng)體的軌道，也是軸承承受載荷的重要工作面，其溝道表面質(zhì)量直接影響軸承的振動(dòng)噪聲和疲勞壽命[5-7]。

針對(duì)溝道表面質(zhì)量，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了很多研究。Zhang等[8]通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出隨著線速度增加，陶瓷材料由脆性去除向塑性去除時(shí)其粗糙度出現(xiàn)一個(gè)峰點(diǎn)，這種結(jié)果對(duì)優(yōu)化磨削參數(shù)、提高磨削表面質(zhì)量具有重要意義；張宇鑫等[9]建立了表面粗糙度ELID下的預(yù)測(cè)模型，將磨削參數(shù)和電解參數(shù)結(jié)合起來(lái)，探究它們對(duì)表面粗糙度的影響規(guī)律；張繼鵬等[10]利用曲線磨床對(duì)陶瓷主軸溝道進(jìn)行磨削，研究了砂輪粒度、磨削時(shí)間、主軸轉(zhuǎn)速對(duì)溝道表面粗糙度的影響規(guī)律；常舟等[11]為了提高軸承溝道磨削精度，通過(guò)優(yōu)化的磨削參數(shù)，提出考慮軸承溝道表面完整性約束的多目標(biāo)優(yōu)化方法；李獻(xiàn)會(huì)等[12]選取不同內(nèi)溝加工方法，分別考察了溝道磨削原理和加工方法的特點(diǎn)，以提高套圈溝道加工精度。以上研究對(duì)陶瓷溝道磨削有著重要意義，因此在此基礎(chǔ)上，為提高溝道表面質(zhì)量，并提高磨削效率、降低成本，研究工藝參數(shù)對(duì)氧化鋯陶瓷溝道磨削表面質(zhì)量的影響并優(yōu)化工藝參數(shù)，建立圓弧砂輪磨削工件模型，通過(guò)理論計(jì)算砂輪外緣圓弧輪廓面與工件眾多接觸點(diǎn)的線速度。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 試件及儀器

采用氧化鋯陶瓷毛坯為試件，試件基本機(jī)械性能如表1所示，毛坯幾何尺寸為長(zhǎng)20.0 mm，寬20.0 mm，高10.0 mm。

表1 氧化鋯陶瓷的基本性能Table 1 Basic properties of zirconia ceramics

采用ORBIT36CNC成型磨床進(jìn)行切入式磨削氧化鋯陶瓷溝道實(shí)驗(yàn)，機(jī)床使用水基磨削液(流量為80 L/min)；用樹(shù)脂結(jié)合劑金剛石圓弧砂輪，砂輪參數(shù)：金剛石粒度230#/270#、金剛石濃度100%，砂輪規(guī)格：直徑300.0 mm、寬度20.0 mm。采用泰勒接觸式Surtronic25型粗糙度儀測(cè)量氧化鋯陶瓷磨削后溝道表面粗糙度和溝形誤差，采用日立S-4800冷場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡，觀察磨削后溝道表面形貌。

圖1 切入式磨削氧化鋯陶瓷溝道Fig.1 Plunge grinding groove of zirconia ceramics

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

影響氧化鋯陶瓷溝道表面磨削質(zhì)量的工藝參數(shù)主要有磨削深度、砂輪線速度和工件進(jìn)給速度，采用單因素實(shí)驗(yàn)研究工藝參數(shù)對(duì)氧化鋯陶瓷溝道表面質(zhì)量的影響規(guī)律及材料去除機(jī)理，工藝參數(shù)見(jiàn)表2，然后進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。表面質(zhì)量是評(píng)價(jià)溝道磨削的主要技術(shù)指標(biāo)，先測(cè)量溝道表面粗糙度表征參數(shù)：輪廓平均算術(shù)偏差值Ra、輪廓最大高度R3y、微觀不平度十點(diǎn)高度Rz，再通過(guò)掃描電鏡觀測(cè)溝道表面形貌。采用切入式磨削方法，利用樹(shù)脂結(jié)合劑金剛石圓弧砂輪磨削氧化鋯陶瓷溝道，如圖1所示。

表2 單因素實(shí)驗(yàn)工藝參數(shù)Table 2 Single factor experimental parameters

1.3 磨削過(guò)程分析

磨削分為滑擦、梨耕和切削形成三個(gè)階段。在滑擦階段，金剛石砂輪磨粒與工件表面開(kāi)始接觸，隨著磨粒切削刃滑過(guò)工件表面，工件和砂輪由于擠壓發(fā)生變形，磨削力增大；隨著擠壓的進(jìn)行，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能，在磨削區(qū)產(chǎn)生大量的熱，當(dāng)不斷增加的法向應(yīng)力大于工件表面材料的屈服應(yīng)力時(shí)，磨粒被壓入工件基體中，并且磨粒與工件存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，發(fā)生梨耕現(xiàn)象；工件表面材料在磨削力和溫度升高的作用下，被磨粒推向其側(cè)方及前方，或直接剝落下來(lái)產(chǎn)生切屑。所以，磨削力和磨削溫度是研究金剛石砂輪磨削陶瓷溝道的重要參數(shù)。

迄今為止，還沒(méi)有可適用于不同磨削條件下的磨削力理論公式，在實(shí)際工程計(jì)算中，目前仍以經(jīng)驗(yàn)公式為主，以磨削條件的冪指數(shù)函數(shù)形式表示磨削力Ft[13]。

(1)

式中，F(xiàn)p表示單位磨削力，b為磨削加工寬度(mm)，α、β、γ、δ為指數(shù)，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者做了大量實(shí)驗(yàn)，發(fā)表了大量的數(shù)據(jù)，由于實(shí)驗(yàn)者所使用的實(shí)驗(yàn)材料、加工設(shè)備、檢測(cè)儀器以及加工條件等不同，所得公式中指數(shù)也不統(tǒng)一。為了得到確切的磨削力數(shù)據(jù)，目前仍然通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試設(shè)備及模擬仿真軟件。

2 工藝參數(shù)對(duì)溝道表面質(zhì)量的影響

影響氧化鋯陶瓷溝道磨削的工藝參數(shù)有很多，如機(jī)床、砂輪(磨料、粒度、濃度、結(jié)合劑)、磨削液(種類、流量)、砂輪線速度、磨削深度、工件進(jìn)給速度等，其中磨削深度、砂輪線速度、工件進(jìn)給速度是影響氧化鋯陶瓷溝道磨削表面質(zhì)量的重要因素。

2.1 磨削深度對(duì)溝道表面質(zhì)量的影響

圖2 磨削深度對(duì)溝道表面粗糙度的影響Fig.2 Influence of grinding depth on groove surface roughness

從圖2中可以看出，提高磨削深度，氧化鋯陶瓷溝道表面粗糙度值Ra、R3y、Rz呈下降趨勢(shì)。原因是磨削深度增大，磨削接觸弧長(zhǎng)變大，砂輪與工件接觸面積增大，參與磨削的磨粒越多，磨削力增大，溫度升高[14-16]；另一方面，砂輪與工件接觸面積增大，磨削液很難進(jìn)入溝道磨削表面，冷卻效果不佳，磨削瞬時(shí)溫度顯著上升，氧化鋯陶瓷導(dǎo)熱性較差，磨削過(guò)程中產(chǎn)生的熱量在溝道表面積累，材料塑性去除比例較大[17]，有利于去除，提高材料去除率，使磨削后溝道表面粗糙度減小。

采用切入式方法磨削溝道，隨著材料的去除，圓弧砂輪與溝道接觸面積越來(lái)越大，如果在磨削過(guò)程中冷卻不充分，從而導(dǎo)致溝道表面燒傷，工件溝道表面顯微圖，如圖3所示，磨削深度為40 μm的磨削表面局部存在燒傷，而磨削深度為20 μm的試件磨削表面無(wú)明顯燒傷跡象。因此，為提高磨削效率，可以適當(dāng)增大磨削深度，必須改善磨削冷卻條件，避免磨削熱量大量積累。

圖3 不同磨削深度下溝道表面顯微圖Fig.3 Micro-graphs of grooves surface at different grinding depths

2.2 砂輪線速度對(duì)溝道表面質(zhì)量的影響

圖4 砂輪線速度對(duì)溝道表面粗糙度的影響Fig.4 Influence of wheel linear speed on groove surface roughness

從圖4中可以看出，提高砂輪線速度，氧化鋯陶瓷溝道表面粗糙度值Ra、R3y、Rz呈下降趨勢(shì)。原因是砂輪線速度增大，在相同條件下，單位時(shí)間內(nèi)增加磨粒磨削次數(shù)，磨粒切入厚度減小，減小表面梨耕溝嶺高度差；另一方面，砂輪磨削次數(shù)增加，有利于磨削熱量在溝道表面積累，溫度上升，提高溝道表面材料塑性去除比例，溝道表面粗糙度減小。不同砂輪線速度下溝道表面顯微圖，如圖5所示，砂輪線速度為45 m/s時(shí)的溝道表面質(zhì)量?jī)?yōu)于砂輪線速度為25 m/s時(shí)的溝道表面。

為深入研究砂輪線速度對(duì)磨削工件溝道表面質(zhì)量的影響，建立圓弧砂輪磨削工件模型，通過(guò)理論計(jì)算砂輪外緣圓弧輪廓面與工件眾多接觸點(diǎn)的線速度。在磨削過(guò)程中，砂輪外緣輪廓面與工件溝道眾多接觸點(diǎn)由于位置不同，各接觸點(diǎn)線速度不同。圓弧形輪廓面與磨削力、磨削溫度、砂輪磨損、金剛石砂輪和工件擠壓彈性變形及磨削后溝道表面質(zhì)量等存在密切關(guān)系，因此，各接觸點(diǎn)的線速度是研究圓弧曲線上各接觸點(diǎn)參與磨削的重要參數(shù)。建立圓弧砂輪磨削工件簡(jiǎn)化模型，并建立平面坐標(biāo)系如圖6所示，其中，任取一接觸點(diǎn)P(x,y)，同時(shí)做以下假設(shè)：

圖5 不同砂輪線速度下溝道表面顯微圖Fig.5 Micro-graphs of grooves surface at different wheel linear speed

圖6 圓弧砂輪磨削工件模型Fig.6 Model of grinding workpiece with arc wheel

(1)假設(shè)在磨削過(guò)程中系統(tǒng)磨削振動(dòng)不使砂輪與工件分開(kāi)；

(2)假設(shè)金剛石砂輪外緣圓弧表面磨粒高度一致，或高度差與圓弧半徑相比極小；

(3)假設(shè)金剛石砂輪外緣圓弧為半圓。

根據(jù)磨削簡(jiǎn)化模型，結(jié)合圓弧砂輪與工件幾何關(guān)系，接觸點(diǎn)P線速度v：

(2)

式中，n為砂輪轉(zhuǎn)速，r為金剛石砂輪外緣圓弧半徑，R金剛石砂輪半徑。從式(2)中可以看出，當(dāng)選定砂輪后，砂輪轉(zhuǎn)速一定，靠近最外緣接觸點(diǎn)線速度最大；另外，通過(guò)圓弧砂輪磨削套圈外圈內(nèi)溝道時(shí)，由于工況條件限制，金剛石砂輪半徑R較小，遠(yuǎn)離外緣接觸點(diǎn)線速度較小，不利于磨削工件材料去除，因此，磨削套圈內(nèi)圈溝道時(shí)，盡量選用半徑較大的金剛石砂輪。

2.3 工件進(jìn)給速度及表面粗糙度對(duì)溝道表面質(zhì)量的影響

從圖7中可以看出，隨著工件進(jìn)給速度的增大，氧化鋯陶瓷溝道表面粗糙度值Ra、R3y、Rz呈下降趨勢(shì)。原因是提高工件進(jìn)給速度，磨削力增大，磨削溫度升高，溝道表面粗糙度減?。划?dāng)工件進(jìn)給速度較大時(shí)，金剛石砂輪與工件接觸時(shí)間很短，大部分熱量被磨削液帶走，不利于磨削產(chǎn)生的熱量在工件溝道表面積累，因此溝道表面粗糙度值R3y、Rz出現(xiàn)波動(dòng)。

圖7 工件進(jìn)給速度對(duì)溝道表面粗糙度的影響Fig.7 Influence of workpiece feed rate on groove surface roughness

圖8 泰勒粗糙度儀下的波峰和波谷Fig.8 Wave peak and valley under Taylor roughness meter

溝道表面粗糙度是衡量溝道表面質(zhì)量的重要指標(biāo)。從圖2、圖4和圖7中可以看出，輪廓平均算術(shù)偏差值Ra較小，表明工件表面峰谷平均高度較小，表面粗糙度總體較小；輪廓最大高度R3y和微觀不平度十點(diǎn)高度Rz均較大，表明工件表面波峰和波谷高度差較大，泰勒粗糙度儀下的波峰和波谷，如圖8所示。

工件表面波峰和波谷高度差越大，配合表面間有效接觸面積越小，同等壓力下，壓強(qiáng)越大，溝道磨損越快，導(dǎo)致工件配合穩(wěn)定性較差，全陶瓷軸承游隙變大，由于陶瓷材料熱膨脹系數(shù)低，軸承在運(yùn)行中所產(chǎn)生的熱量對(duì)變大的軸承游隙影響小，較大的游隙使?jié)L動(dòng)體碰撞內(nèi)、外圈次數(shù)增加，將產(chǎn)生較大的振動(dòng)噪聲；另外，工件表面波峰和波谷高度差較大，全陶瓷軸承在服役中，在變應(yīng)力的作用下，裂紋將沿波谷不斷擴(kuò)展直至失效，降低全陶瓷軸承使用壽命。

總之，粗磨后的溝道表面粗糙度Ra在一定條件下，增加超精磨削工序，削除原始波峰，降低輪廓最大高度R3y和微觀不平度十點(diǎn)高度Rz，大大減小峰谷高度差；反之，存在適當(dāng)大小的峰谷高度差，波谷可以起到儲(chǔ)油作用，有助于軸承潤(rùn)滑，減少軸承磨損。

3 優(yōu)化工藝參數(shù)

通過(guò)單因素實(shí)驗(yàn)，獲得各工藝參數(shù)對(duì)磨削氧化鋯陶瓷溝道表面質(zhì)量的影響規(guī)律及材料去除機(jī)理，為提高溝道表面質(zhì)量和磨削效率，進(jìn)行磨削工藝參數(shù)優(yōu)化。為避免工件溝道表面燒傷，選擇較小的磨削深度，為提高磨削效率、降低成本，適當(dāng)提高砂輪線速度和工件進(jìn)給速度，正交實(shí)驗(yàn)的因素和水平，見(jiàn)表3。

表3 正交實(shí)驗(yàn)的因素和水平Table 3 Factors and levels of orthogonal experiments

根據(jù)正交表對(duì)稱性原理，建立溝道表面粗糙度Ra回應(yīng)表(表4)，得到工藝參數(shù)對(duì)氧化鋯陶瓷溝道表面粗糙度Ra的影響情況。

表4 溝道表面粗糙度Ra回應(yīng)表Table 4 Groove surface roughness Ra response table

回應(yīng)表極差反映各因素對(duì)溝道表面粗糙度Ra的影響程度。通過(guò)比較，各因素影響順序由大到小依次為：磨削深度、砂輪線速度、工件進(jìn)給速度；優(yōu)化組合參數(shù)為磨削深度20 μm、砂輪線速度40 m/s、工件進(jìn)給速度7 000 mm/min，即A4B3C4組合。在實(shí)際生產(chǎn)中，適當(dāng)提高磨削深度和工件進(jìn)給速度是提高加工效率的重要方式，同時(shí)降低成本，通過(guò)單因素實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，磨削深度較大時(shí)，由于產(chǎn)生大量的磨削熱，工件表面會(huì)出現(xiàn)燒傷，嚴(yán)重影響工件服役情況和壽命；從另一個(gè)角度來(lái)看，在加工設(shè)備允許的情況下，提高砂輪線速度，減小磨粒切入工件的厚度，可以降低磨削深度的提高所帶來(lái)的影響，提高溝道表面質(zhì)量。

4 結(jié) 論

(1)通過(guò)單因素實(shí)驗(yàn)，獲得磨削深度、砂輪線速度和工件進(jìn)給速度對(duì)氧化鋯陶瓷溝道表面粗糙度的影響規(guī)律：溝道表面粗糙度值Ra、R3y、Rz隨磨削深度、砂輪線速度、工件進(jìn)給速度增大而減小。為提高磨削效率、降低成本，可以適當(dāng)提高磨削深度，適當(dāng)?shù)脑黾幽ハ鳠崃坑欣诮档蜏系辣砻娲植诙取?/p>

(2)通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)，各因素對(duì)溝道表面粗糙度Ra的影響程度由大到小依次為：磨削深度、砂輪線速度、工件進(jìn)給速度；優(yōu)化組合參數(shù)為磨削深度20 μm、砂輪線速度40 m/s、工件進(jìn)給速度7 000 mm/min，即A4B3C4組合。

(3)采用切入式方法磨削溝道，與套圈外圈內(nèi)溝道不同，磨削套圈內(nèi)圈溝道時(shí)，盡量選用半徑較大的金剛石砂輪；存在適當(dāng)大小的峰谷高度差，波谷可以起到儲(chǔ)油作用，有助于軸承潤(rùn)滑，減少軸承磨損。