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械設(shè)備中支撐做轉(zhuǎn)動運動的零部件而被大量使用在高速主軸、高端機床、高速列車、發(fā)電機組等裝備中。
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動精度和運行的平穩(wěn)度以及軸承的使用壽命。根據(jù)中國國家標準（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)量和精度指標如下表所示。
軸承球精度等級標準
然而，由于陶瓷材料固有的高硬度、高脆性的特點，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際意義和應(yīng)用價值。
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對單顆球體進行研磨拋光加工，通過四軸轉(zhuǎn)動方向的不同組合使自轉(zhuǎn)角發(fā)生變化，從而實現(xiàn)瞬時軸不斷變化。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行加工，加工效率低。
四軸自動球面研磨機
研磨盤機械研磨拋光工藝
采用有導(dǎo)向槽的上下研磨盤對球坯進行研磨拋光加工，球坯沿研磨盤上的導(dǎo)向槽運動，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，球坯表面形成的軌跡線是3個研磨切削點在球面上形成的3個同軸環(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，因為球坯的公轉(zhuǎn)軸與自轉(zhuǎn)軸的夾角變化很小，3個同軸環(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)進出研磨盤溝槽和球坯打滑、攪動等現(xiàn)象，隨機改變各球的自轉(zhuǎn)角θ，以致球面上各點的切削概率不相等，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，拋光時間長，一批陶瓷球的加工周期需要12~15個星期。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，會進一步擴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，使整個機構(gòu)由3塊可獨立轉(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，但由于其機構(gòu)復(fù)雜，且不易實現(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構(gòu)原理圖
化學(xué)機械拋光工藝
化學(xué)機械拋光(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，懸浮于液態(tài)介質(zhì)中的納米級軟質(zhì)磨粒，在與工件的接觸點上因摩擦而產(chǎn)生高溫高壓，并在極短的時間內(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)，可以實現(xiàn)消除缺陷和劃痕從而達到預(yù)期的加工效果。
化學(xué)機械拋光示意圖
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進行拋光研磨，是一種超聲震動與機械加工相復(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，磁性粒子向強磁場方向運動，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，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，其材料去除率可達到12 μm/min，是傳統(tǒng)V型槽研磨加工去除率的40余倍。實驗表明，經(jīng)過3 h的加工，其球度可達0.14 μm，表面粗糙度達到0.01 μm。
磁流體研磨拋光球體的機構(gòu)原理圖
參考來源：
[1]胡晨.氧化鋯陶瓷球磁流變拋光實驗研究
[2]肖曉蘭等.氮化硅陶瓷球研磨拋光技術(shù)研究進展
[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.超聲波精細霧化施液拋光氮化硅陶瓷的實驗
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/山川）
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