氮化硅陶瓷球雙平面拋光技術

馮凱萍，呂冰海，鄧乾發，袁巨龍

(浙江工業大學 特種裝備制造與先進加工技術教育部重點實驗室，杭州 310014)

氮化硅陶瓷球具有強度高、彈性模量大、耐高溫、耐化學腐蝕等特點，在高性能軸承上得到廣泛應用[1-2]。球體表面凹凸及裂紋等表面缺陷對軸承的運動精度和壽命有很大的影響[3]。因此，要達到高的表面質量要求，在最后拋光階段，能否消除表面損傷是關鍵[4]。目前，一般在傳統V形槽研磨設備中加入金剛石微粉配制而成的拋光介質對氮化硅陶瓷球球體進行拋光，由于鑄鐵盤面硬度高，金剛石微粉硬度大，加工過程中容易在球體表面產生微裂紋、劃痕和殘余應力等表面缺陷。文獻[5-6]提出了磁懸浮拋光方法對氮化硅陶瓷球進行拋光，采用該“柔性”加工技術可以實現陶瓷材料的微細切削，使余量以塑性斷裂的形式去除，可獲得非常光滑的表面(Ra=4 nm)，但該方法所使用的磁流體成本昂貴，基本沒有工業應用。

為了實現氮化硅陶瓷球超光滑表面的拋光加工，下文提出了一種球體雙平面拋光方法。并采用陶瓷球雙平面拋光試驗裝置，探討了在該方式下拋光速度、拋光壓力和水基CeO2拋光液濃度對氮化硅陶瓷球表面粗糙度Ra和球形誤差ΔRSW的影響規律。通過優選工藝參數，在保證球形誤差不惡化的前提下，獲得較高的加工表面質量，有效控制了加工表面缺陷。

1 雙平面拋光法基本原理

傳統陶瓷球加工方法如圖1所示，主要采用硬質V形槽鑄鐵盤和金剛石磨料進行拋光(圖2a)，加工過程中陶瓷球材料以脆性斷裂的形式去除，容易使表面產生機械損傷。而采用軟質拋光墊和軟質磨料對陶瓷球進行拋光(圖2b)，可以使陶瓷球材料以微小塑性切削的形式去除，大大降低拋光過程中陶瓷球面的機械損傷。

圖1 傳統V形槽拋光法示意圖

圖2 不同拋光方式下的材料去除模型

為克服傳統拋光方法無法使用軟質拋光墊對球體進行拋光的不足，文中提出了球體雙平面拋光法，其原理如圖3所示。拋光裝置主要包括上盤、下盤、保持架、內齒圈和外齒圈等幾個部分。上、下盤分別繞回轉軸相反方向旋轉，上盤面轉速為ω1，下盤面轉速為ω2；內齒圈和外齒圈帶動行星輪(即保持架)繞拋光盤回轉軸中心公轉和繞保持架中心自轉，保持架自轉速度為ω3，公轉速度為ωH。球坯放在保持架球體夾持孔中，在保持架和上、下盤摩擦力矩的帶動下，不斷在上下盤之間滾動和自旋運動，使表面每部分與拋光盤均勻接觸，從而實現表面材料的均勻去除。

1—外齒圈；2—保持架；3—內齒圈； 4—球體；5—上盤；6—拋光墊；7—下盤

與傳統V形槽球體拋光法相比，球體雙平面拋光法有以下特點：

(1)由于上、下盤均為平面，可以使用拋光墊對球體進行拋光，大大降低了接觸點的壓力，防止磨粒過多壓入而對加工表面造成損傷。

(2)通過保持架將球體分隔，消除了球體之間的碰撞，避免了不必要的表面損傷，這對于精密陶瓷球的加工尤為重要。

(3)加工軌跡覆蓋盤面，盤面磨損較為均勻，故盤面磨損對球體質量影響較小。

(4)修整方便，可實現拋光墊的在線修整，去除拋光墊表面的秞化層，恢復拋光墊表面微孔形貌，容納足夠的拋光液，以保證拋光效率。

2 試驗

試驗采用雙平面拋光設備，其結構如圖4所示。上盤采用浮動連接，并通過氣缸施加拋光壓力，保證加載的連續性和均勻性。內、外齒圈和上、下盤面均由一臺電動機通過齒輪組驅動，調節電動機的轉速可以改變上、下盤和保持架的轉速。這里以拋光裝置電動機控制速度作為拋光速度。拋光速度與上、下盤和保持架轉速的比例關系見表1。

1—皮帶輪；2—電動機；3—下盤；4—內齒圈；5—中心輪；6—上盤；7—連接桿；8—活塞桿；9—氣缸；10—橫梁；11—立柱；12—保持架；13—球；14—外齒圈；15—齒輪組；16—床身；17—減速機；18—鏈輪

上、下盤面黏附軟質絨布拋光墊，保持架上開球體夾持孔，根據球徑大小確定球體夾持孔中心到保持架中心的孔心距，孔中放入環氧樹脂耐磨環，防止保持架球體夾持孔過度磨損。選用Φ7.938 mm氮化硅陶瓷球坯，采用CeO2水基拋光液，研究表明[7]CeO2對氮化硅陶瓷球的化學機械拋光效果最好。采用單因素試驗方法，拋光速度30～70 r/min，拋光壓力(每個球)0.5～2.5 N，拋光液濃度(質量分數)5%～15%，球體雙平面拋光工藝試驗條件見表2。不同拋光速度下，上、下盤和保持架的實際轉速見表3。

表2 氮化硅陶瓷球拋光工藝試驗條件

表3 不同拋光速度下，上、下盤和保持架轉速 r/min

檢測時使用Taylor Hobson表面粗糙度測試儀在氮化硅陶瓷球表面測量3次，求其平均值作為此拋光條件下的表面粗糙度Ra值；采用愛國者GE-5數碼顯微鏡對拋光前、后工件表面形貌進行觀測；采用Mahr(MMQ 400)圓度儀對球體的3個圓周的圓度進行測量，以測得的最大圓度值作為球形誤差ΔRSW。

3 試驗結果與分析

3.1 拋光速度對表面質量和球形誤差的影響

拋光速度對球體表面粗糙度Ra和球形誤差ΔRSW的影響如圖5所示，其中單球拋光壓力為1 N，拋光液濃度為10%。從圖5可知，拋光速度為50 r/min時，表面粗糙度最小，球形誤差則隨著拋光速度的提高略微上升。這是因為在一定范圍內，拋光速度越高，單位時間內球體表面任意一區域與拋光墊接觸的次數增加，同時，接觸面的摩擦速度加快，使得表面的磨損增加，宏觀上反映為拋光量的增加。一方面，拋光裝置的盤面跳動隨轉速的提高而加大，使加工中所要求的恒定穩壓狀態遭到破壞，球體之間受力不均，容易發生自旋不連續和自轉軸移動變化緩慢現象，導致材料去除不均勻，影響球形誤差；另一方面，轉速過高會使拋光液產生較大的離心力，導致拋光液飛濺到拋光盤的外側，球與拋光墊之間的摩擦潤滑狀態變差，影響表面質量。

圖5 拋光速度對表面粗糙度和球形誤差的影響

3.2 拋光壓力對表面粗糙度和球形誤差的影響

拋光壓力對球體表面粗糙度Ra和球形誤差ΔRSW的影響如圖6所示，其中拋光速度為50 r/min，拋光液濃度為10%。由圖6可知，當每球拋光壓力為1 N時，表面粗糙度改變明顯，球形誤差也能保證在較小的范圍內。這是因為拋光壓力影響球體與拋光墊之間小球接觸面液流層分布，當壓力過大時，磨料和磨液不能進入接觸區域，球體和拋光墊小球接觸面為固-固接觸，摩擦力大，容易引起不均勻磨削和滑擦，影響表面質量和球形誤差；而壓力過小時為滑動接觸，小球接觸面液流層較厚，摩擦力較小，不能對球面進行有效切削;此外壓力過小，接觸面摩擦驅動力矩小，使球體不能充分自轉從而影響球形誤差。合適的壓力下為半接觸，拋光液在中間起到了有效的潤滑作用，既能有效地提供反應物又能將反應產物及時去除，獲得好的拋光質量。同時，適當的壓力使球坯與拋光墊小球接觸面具有足夠的摩擦力，保證球坯自轉角充分的變化，實現球面均勻拋光。

圖6 拋光壓力對表面粗糙度和球形誤差的影響

3.3 拋光液濃度對表面粗糙度和球形誤差的影響

拋光液濃度對球體表面粗糙度Ra和球形誤差ΔRSW的影響如圖7所示，其中拋光速度為50 r/min，拋光壓力每球為1 N。由圖7可知，CeO2濃度為10%時，球體表面粗糙度最小。拋光液濃度過低，拋光效率會降低；增加拋光液濃度，則有足夠的磨料參與拋光，將提高拋光效率。但繼續增加拋光液濃度，會導致切削不均勻、磨料細化作用變慢，從而影響表面粗糙度。所以當拋光液濃度達到一定值時，再提高濃度并不能增加球與拋光墊小球接觸面之間參與拋光的磨粒數量，反而會使球坯運動不暢，影響拋光質量和球形誤差。

圖7 拋光液濃度對表面粗糙度和球形誤差的影響

3.4 加工工藝優選

根據以上試驗結果，綜合考慮表面粗糙度Ra和球形誤差ΔRSW這2個因素，初步獲得球體雙平面拋光方式下拋光氮化硅陶瓷球的較優工藝參數為：拋光速度50 r/min，拋光壓力每球為1 N，拋光液濃度(質量分數)為10%。圖8a為拋光前表面形貌，工件表面有細微劃痕；圖8b為拋光后表面形貌，表面光潔，無明顯缺陷與劃痕。

(a)拋光前(500×) (b)拋光后(500×)

圖9a為拋光前球體表面粗糙度，Ra測量值為22.1 nm，球體表面粗糙度較差；圖9b為拋光后表面粗糙度，Ra=4 nm，且表面損傷大幅減少。圖10a為拋光前球形誤差ΔRSW=0.256 μm，圖10b為拋光后球形誤差ΔRSW=0.217 μm，球形誤差變化不大，略有下降。由此可見，在該試驗條件下，雙平面拋光法可以使球面得到均勻的拋光，有效保證球形誤差。

圖9 氮化硅陶瓷球表面粗糙度測量結果

圖10 球形誤差測量結果

4 結束語

氮化硅陶瓷球表面粗糙度伴隨拋光速度、拋光壓力和拋光液濃度有一個先降低然后增大的趨勢，而球形誤差基本隨著拋光速度和拋光壓力的增大而增大。

試驗結果表明：采用雙平面拋光設備對氮化硅陶瓷球進行拋光，在拋光速度50 r/min，每球拋光壓力為1 N，CeO2拋光液濃度質量分數為10%的工藝條件下拋光20 h，球形誤差ΔRSW保持在0.25 μm以內，沒有發生惡化，球體表面粗糙度從Ra0.020左右下降到Ra0.004，獲得了良好的拋光效果。