金剛石砂輪磨削軸承用ZrO2陶瓷表面質(zhì)量研究*

李頌華， 韓光田， 孫 健， 陳文征， 王科沖

(1. 沈陽建筑大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 沈陽 110168)

(2. 沈陽建筑大學(xué), 高檔石材數(shù)控加工裝備與技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室, 沈陽 110168)

軸承是裝備制造業(yè)中重要、關(guān)鍵的基礎(chǔ)零部件，直接決定重大裝備等產(chǎn)品的性能、質(zhì)量和可靠性[1]；而氧化鋯陶瓷具有耐高溫、耐磨損、耐腐蝕，高硬度、高強(qiáng)度，熱膨脹系數(shù)低、自潤滑性好等優(yōu)點(diǎn)[2-3]，是制造軸承的理想材料。但氧化鋯陶瓷是典型的難加工材料，相對于傳統(tǒng)金屬材料，氧化鋯陶瓷的磨削工藝研究相對落后，磨削加工技術(shù)還不成熟。

國內(nèi)外專家對工程陶瓷加工做了大量研究。ZHANG等[4]通過試驗(yàn)得出：隨著砂輪線速度增大，陶瓷材料由脆性斷裂轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄宰冃螘r(shí)其粗糙度出現(xiàn)一個(gè)峰值，這種結(jié)果對優(yōu)化磨削參數(shù)、提高磨削表面質(zhì)量具有重要意義；馬廉潔等[5-6]通過磨削加工微晶玻璃陶瓷，研究陶瓷材料的去除形式和表面粗糙度；李頌華等[7]為解決氮化硅陶瓷磨削加工難題，對磨削加工參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化；曹連靜等[8]采用金剛石線鋸對氮化硅陶瓷進(jìn)行切割試驗(yàn)，探討了線鋸及其磨損對切割表面質(zhì)量的影響；張昌娟等[9]通過對比氧化鋁陶瓷在不同振動模式下的普通研磨與超聲研磨，證明了超聲振動研磨有利于降低工件表面粗糙度；謝桂芝等[10-11]為實(shí)現(xiàn)工程陶瓷優(yōu)質(zhì)高效的磨削加工，建立了工程陶瓷高速深磨磨削力的數(shù)學(xué)模型來研究磨削工藝參數(shù)。此外，為解決工程陶瓷材料高質(zhì)量高效率低成本磨削加工問題并推動其廣泛應(yīng)用，除了要研究新的磨削方法，還需要嚴(yán)格控制各個(gè)磨削工藝參數(shù)[12-14]。

由于對工程陶瓷加工的研究還存在不足，制約了工程陶瓷在精密和超精密軸承領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。本研究利用樹脂結(jié)合劑金剛石砂輪對氧化鋯陶瓷進(jìn)行磨削加工，測量氧化鋯陶瓷磨削加工后的表面粗糙度，并觀察其表面形貌；分析磨削加工過程中各個(gè)工藝參數(shù)對其表面粗糙度的影響規(guī)律及材料去除機(jī)理，在盡可能提高加工效率的情況下，獲得氧化鋯陶瓷高質(zhì)量磨削表面的最佳工藝參數(shù)組合。

1 試驗(yàn)條件及方法

1.1 試驗(yàn)條件

(1)試件：氧化鋯材料基本性能如表1。表1中氧化鋯材料的密度、熱膨脹系數(shù)、彈性模量、泊松比和硬度接近于鋼，是一種性能較為理想的陶瓷材料[15]。試驗(yàn)采用的試件是同一批次的氧化鋯陶瓷毛坯，毛坯幾何尺寸為長20.0 mm、寬20.0 mm、高10.0 mm。

(2)試驗(yàn)設(shè)備：用 ORBIT36CNC 成型磨床進(jìn)行磨削試驗(yàn)，使用水基磨削液，磨削液流量80 L/min；用樹脂結(jié)合劑金剛石砂輪，砂輪參數(shù)：金剛石粒度170/200、金剛石濃度100%，砂輪規(guī)格：直徑300 mm、寬度20 mm。

表1 氧化鋯材料基本性能

(3)用Surtronic25 型泰勒粗糙度儀測量氧化鋯陶瓷磨削后的表面粗糙度，用基恩士 VHX-1000 超景深三維顯微鏡以及日立 S-4800 冷場發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察氧化鋯陶瓷磨削后的表面形貌，研究氧化鋯陶瓷表面的凹坑、裂紋等缺陷及材料的去除機(jī)理。

1.2 試驗(yàn)內(nèi)容

影響氧化鋯陶瓷表面磨削質(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，采用單因素試驗(yàn)法研究各工藝參數(shù)對氧化鋯陶瓷磨削加工質(zhì)量的影響；在單因素試驗(yàn)基礎(chǔ)上進(jìn)行正交試驗(yàn)，對磨削工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)選，正交試驗(yàn)的因素和水平如表2。在優(yōu)化參數(shù)組合下磨削氧化鋯陶瓷，測量其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，并觀察其表面形貌，用表面粗糙度和表面缺陷來評價(jià)其表面磨削質(zhì)量。

表2 正交試驗(yàn)的因素和水平

2 工藝參數(shù)對表面粗糙度的影響

機(jī)床性能和砂輪使用要求對機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速、主軸負(fù)載和砂輪線速度有限制。結(jié)合以往大量熱等靜壓磨削氮化硅陶瓷試驗(yàn)[7]，增大磨削深度和工件進(jìn)給速度有利于提高磨削效率、降低成本，提高砂輪線速度有利于改善工件表面質(zhì)量。因此，選用單因素試驗(yàn)工藝參數(shù)：磨削深度30 μm、砂輪線速度40 m/s、工件進(jìn)給速度3 000 mm/min。

2.1 磨削深度的影響

砂輪線速度40 m/s、工件進(jìn)給速度3000 mm/min時(shí)，磨削深度對表面粗糙度的影響規(guī)律如圖1所示。

圖1 磨削深度對表面粗糙度的影響

由圖1可知：磨削深度增大，氧化鋯陶瓷的表面粗糙度Ra、R3y、Rz值呈上升趨勢。主要原因是增大磨削深度，單顆磨粒切入工件的深度增大，磨粒間隙間未被充分去除的多余材料易產(chǎn)生如圖2所示的平行紋理，使表面粗糙度增大；增大磨削深度，磨削力增大，磨削區(qū)溫度會升高；同時(shí)，磨削深度增大導(dǎo)致磨削接觸弧長變大，接觸面積增大，磨削液很難進(jìn)入磨削表面，砂輪與工件在擠壓摩擦過程中，磨削瞬時(shí)溫度顯著上升[7,15]，由于陶瓷材料的自身屬性，熱量不能及時(shí)散出，導(dǎo)致軟化的表層材料向磨粒間隙塑性流動，在磨粒間隙中堆積，使表面粗糙度增大[16]。

圖2 加工區(qū)域表面平行紋理

張東坤等[17]指出：材料顯微硬度及斷裂韌性所確定的磨粒臨界切削厚度agc與由磨削用量確定的磨粒最大切削厚度agm的相對大小決定了磨削過程的特征類型。當(dāng)確定了材料的性能后，磨削用量將確定磨削過程的特征。增大磨削深度，材料去除方式由塑性去除向脆性去除轉(zhuǎn)變，當(dāng)agc

圖3 砂輪磨削工件簡化模型

根據(jù)磨削簡化模型，結(jié)合砂輪與工件幾何關(guān)系，理論接觸弧長L：

(1)

式中：L為砂輪磨削接觸弧長，R為砂輪半徑，h為磨削深度。

從理論接觸弧長式(1)可知，提高磨削深度，理論接觸弧長逐漸增大。理論接觸弧長與磨削深度的關(guān)系如圖4。

圖4 理論接觸弧長與磨削深度的關(guān)系

實(shí)際磨削過程中，在擠壓摩擦作用區(qū)，金剛石砂輪具有一定彈性變形，磨削熱、磨削力、砂輪精度等對砂輪與工件實(shí)際接觸弧長都有一定的影響，實(shí)際接觸弧長是理論接觸弧長的1.5～3.0倍[18]。因此，磨削深度增大，實(shí)際接觸弧長增大，磨削弧區(qū)面積增大，參與磨削的磨粒增多，磨削力增大，磨削溫度升高；另外，在磨削弧區(qū)，由于磨削液不易進(jìn)入，冷卻效果差，將產(chǎn)生大量的磨削熱量，對樹脂結(jié)合劑金剛石砂輪不利，影響工件表面磨削質(zhì)量。

2.2 砂輪線速度的影響

磨削深度30 μm、工件進(jìn)給速度3 000 mm/min時(shí)，砂輪線速度對表面粗糙度的影響規(guī)律如圖5所示。

圖5 砂輪線速度對表面粗糙度的影響

由圖5可知：砂輪線速度增大，氧化鋯陶瓷表面粗糙度Ra、R3y、Rz值呈先下降、后上升趨勢。原因是提高砂輪線速度，相同條件下單位時(shí)間內(nèi)砂輪磨削次數(shù)增多，磨削深度減小，表面粗糙度減小；同時(shí)，減小單顆磨粒的磨削力，可以有效減少砂輪磨粒磨損從而提高砂輪使用壽命，減少砂輪修整頻次，提高磨削效率。但砂輪線速度較大時(shí)，易引起砂輪主軸細(xì)微振動，氧化鋯陶瓷表面波紋度可能變大，從而導(dǎo)致表面粗糙度增大[19]，因此，受機(jī)床性能制約，砂輪線速度不能無限提高。

當(dāng)金剛石砂輪線速度為36 m/s，其他參數(shù)不變時(shí)，氧化鋯陶瓷表面形貌如圖6所示。從圖6a可以看出，氧化鋯陶瓷表面平行紋理出現(xiàn)多處斷續(xù)；從圖6b的放大圖中可以看出，表面條紋隆起表現(xiàn)不明顯，氧化鋯陶瓷表面材料塑性去除所占比例較大。從圖5也可以看出，當(dāng)金剛石砂輪線速度為36 m/s時(shí)，表面粗糙度較小[20]。

2.3 工件進(jìn)給速度的影響

磨削深度為30 μm，砂輪線速度為40 m/s時(shí)，工件進(jìn)給速度對表面粗糙度的影響規(guī)律如圖7所示。

圖7 工件進(jìn)給速度對表面粗糙度的影響

由圖7可知：工件進(jìn)給速度增大，氧化鋯陶瓷表面粗糙度Ra、R3y、Rz值呈上升趨勢，工件進(jìn)給速度較小時(shí)表面粗糙度增大緩慢，當(dāng)工件進(jìn)給速度大于10 000 mm/min時(shí)增幅變大。原因是提高工件進(jìn)給速度，砂輪與工件接觸時(shí)間縮短，相同條件下單位時(shí)間內(nèi)金剛石砂輪光磨次數(shù)減少，表面粗糙度上升；當(dāng)工件進(jìn)給速度較大時(shí)，較大的磨削力易引起砂輪主軸振動，也會導(dǎo)致工件表面粗糙度增大。

3 氧化鋯陶瓷表面形貌

氧化鋯陶瓷毛坯通過粗磨大量去除多余部分，為進(jìn)一步精磨做準(zhǔn)備，精磨后能大大降低其表面粗糙度[2]；但粗磨后陶瓷易出現(xiàn)表面裂紋、微裂紋、凹坑、紋理等缺陷，會因?yàn)榫ビ嗔枯^小而無法去除。因此，在測量氧化鋯陶瓷磨削粗糙度基礎(chǔ)上，通過超景深三維顯微鏡以及掃描電子顯微鏡觀察磨削后試件的表面形貌。

3.1 表面紋理觀測

圖8為超景深三維顯微鏡觀測的磨削深度10 μm，砂輪線速度45 m/s，工件進(jìn)給速度1 000 mm/min時(shí)磨削后的陶瓷表面三維圖像。從圖8可以看出：所取點(diǎn)氧化鋯陶瓷表面高度差最大為42.720 μm，工件表面紋理呈平行分布，溝嶺寬度不等。這是因?yàn)樯拜喣チ４笮⌒螤畈灰唬叨炔痪灰?guī)則分布的磨粒均沿工件進(jìn)給速度方向從工件表面劃過，而產(chǎn)生平行溝嶺現(xiàn)象；另外，工件表面紋理多處間斷，說明工件材料塑性較差，流動性不佳[21]。

圖8 工件表面紋理

3.2 表面缺陷觀測

磨削深度50 μm，砂輪線速度40 m/s，工件進(jìn)給速度3 000 mm/min時(shí)工件表面的缺陷如圖9所示。從圖9可以看出：工件表面局部存在凹坑、裂紋，一般出現(xiàn)在隆起的嶺上。圖9a中的凹坑沿工件進(jìn)給速度方向剝落，寬度與磨粒大小相近，這是由于磨削過程中，在磨削力作用下，工件表面材料剝離脫落，造成工件表面出現(xiàn)凹坑；圖9b中的裂紋是垂直于工件進(jìn)給速度方向斷裂的，原因是在磨削中磨削熱和磨削力的作用，引起工件表面產(chǎn)生殘余應(yīng)力，當(dāng)表面殘余應(yīng)力大于材料強(qiáng)度極限，就會在工件表面產(chǎn)生裂紋，甚至表面材料沿裂紋脫落。這種凹坑和裂紋缺陷都發(fā)生在表面條紋隆起處，易導(dǎo)致工件應(yīng)力集中而發(fā)生缺陷斷裂，降低工件壽命。因此，增大磨削深度以提高磨削效率，需要結(jié)合其他工藝參數(shù)確定，且需進(jìn)一步研究磨削液、砂輪參數(shù)、加工材料的性能和成分等。一般來說當(dāng)磨削深度較小時(shí)，工件表面不會產(chǎn)生圖9所示的明顯缺陷。

4 工藝參數(shù)優(yōu)化及驗(yàn)證

4.1 工藝參數(shù)優(yōu)選

根據(jù)正交表對稱性原理，建立表2下的表面粗糙度Ra回應(yīng)表如表3，得到工藝參數(shù)對氧化鋯陶瓷表面粗糙度的影響情況。

表3 表面粗糙度Ra回應(yīng)表

回應(yīng)表極差反映各因素對表面粗糙度Ra的影響程度。通過比較，各因素影響順序由大到小依次為：工件進(jìn)給速度、砂輪線速度、磨削深度；優(yōu)化組合參數(shù)為磨削深度5μm、砂輪線速度40 m/s、工件進(jìn)給速度1 000 mm/min，即A1B3C1組合。

4.2 最優(yōu)參數(shù)磨削

為提高氧化鋯陶瓷表面磨削質(zhì)量，采用A1B3C1參數(shù)組合開展3組氧化鋯陶瓷重復(fù)磨削試驗(yàn)。在相同條件下，3組試驗(yàn)結(jié)果的平均表面粗糙度Ra分別為0.388 9 μm、0.417 0 μm、0.403 7 μm。

5 結(jié)論

(1)通過單因素試驗(yàn)，獲得磨削深度、砂輪線速度和工件進(jìn)給速度對氧化鋯陶瓷表面粗糙度的影響規(guī)律：被磨削表面的粗糙度隨磨削深度、工件進(jìn)給速度增大而增大，隨砂輪線速度增大先減小、后增大。

(2)在保證表面質(zhì)量的條件下，為提高磨削效率、降低生產(chǎn)成本，可適當(dāng)增加磨削深度，提高砂輪線速度，提高工件進(jìn)給速度。但由于影響氧化鋯陶瓷表面質(zhì)量的因素很多，且彼此影響密切，應(yīng)根據(jù)機(jī)床、砂輪、磨削液和工件選擇最佳磨削用量。

(3)優(yōu)化組合參數(shù)為磨削深度5 μm、砂輪線速度40 m/s、工件進(jìn)給速度1 000 mm/min。在此參數(shù)下磨削3組氧化鋯陶瓷，其平均表面粗糙度Ra為0.388 9、0.417 0和0.403 7 μm。