氧化鋯陶瓷溝道磨削表面質量研究

李頌華，韓光田，孫 健

(沈陽建筑大學機械工程學院，沈陽 110168)

0 引 言

軸承是制造業中無法替代的基礎零部件，直接決定重大裝備等產品的性能和質量，是重大裝備及精密機床升級換代的突破口之一，而工程陶瓷具有高硬度、高強度、耐磨損、耐高溫、耐腐蝕、熱膨脹系數低、自潤滑性好等特點，是作為軸承材料的理想選擇，但工程陶瓷是業內公認的難加工無機非金屬材料，相對于傳統金屬材料，工程陶瓷的磨削工藝研究相對落后[1-4]。特別是陶瓷軸承套圈溝道既是滾動體的軌道，也是軸承承受載荷的重要工作面，其溝道表面質量直接影響軸承的振動噪聲和疲勞壽命[5-7]。

針對溝道表面質量，國內外學者進行了很多研究。Zhang等[8]通過實驗得出隨著線速度增加，陶瓷材料由脆性去除向塑性去除時其粗糙度出現一個峰點，這種結果對優化磨削參數、提高磨削表面質量具有重要意義；張宇鑫等[9]建立了表面粗糙度ELID下的預測模型，將磨削參數和電解參數結合起來，探究它們對表面粗糙度的影響規律；張繼鵬等[10]利用曲線磨床對陶瓷主軸溝道進行磨削，研究了砂輪粒度、磨削時間、主軸轉速對溝道表面粗糙度的影響規律；常舟等[11]為了提高軸承溝道磨削精度，通過優化的磨削參數，提出考慮軸承溝道表面完整性約束的多目標優化方法；李獻會等[12]選取不同內溝加工方法，分別考察了溝道磨削原理和加工方法的特點，以提高套圈溝道加工精度。以上研究對陶瓷溝道磨削有著重要意義，因此在此基礎上，為提高溝道表面質量，并提高磨削效率、降低成本，研究工藝參數對氧化鋯陶瓷溝道磨削表面質量的影響并優化工藝參數，建立圓弧砂輪磨削工件模型，通過理論計算砂輪外緣圓弧輪廓面與工件眾多接觸點的線速度。

1 實 驗

1.1 試件及儀器

采用氧化鋯陶瓷毛坯為試件，試件基本機械性能如表1所示，毛坯幾何尺寸為長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成型磨床進行切入式磨削氧化鋯陶瓷溝道實驗，機床使用水基磨削液(流量為80 L/min)；用樹脂結合劑金剛石圓弧砂輪，砂輪參數：金剛石粒度230#/270#、金剛石濃度100%，砂輪規格：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冷場發射掃描電子顯微鏡，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 實驗方案

影響氧化鋯陶瓷溝道表面磨削質量的工藝參數主要有磨削深度、砂輪線速度和工件進給速度，采用單因素實驗研究工藝參數對氧化鋯陶瓷溝道表面質量的影響規律及材料去除機理，工藝參數見表2，然后進行正交實驗對工藝參數進行優化。表面質量是評價溝道磨削的主要技術指標，先測量溝道表面粗糙度表征參數：輪廓平均算術偏差值Ra、輪廓最大高度R3y、微觀不平度十點高度Rz，再通過掃描電鏡觀測溝道表面形貌。采用切入式磨削方法，利用樹脂結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 單因素實驗工藝參數Table 2 Single factor experimental parameters

1.3 磨削過程分析

磨削分為滑擦、梨耕和切削形成三個階段。在滑擦階段，金剛石砂輪磨粒與工件表面開始接觸，隨著磨粒切削刃滑過工件表面，工件和砂輪由于擠壓發生變形，磨削力增大；隨著擠壓的進行，機械能轉化為熱能，在磨削區產生大量的熱，當不斷增加的法向應力大于工件表面材料的屈服應力時，磨粒被壓入工件基體中，并且磨粒與工件存在相對運動，發生梨耕現象；工件表面材料在磨削力和溫度升高的作用下，被磨粒推向其側方及前方，或直接剝落下來產生切屑。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。

迄今為止，還沒有可適用于不同磨削條件下的磨削力理論公式，在實際工程計算中，目前仍以經驗公式為主，以磨削條件的冪指數函數形式表示磨削力Ft[13]。

(1)

式中，Fp表示單位磨削力，b為磨削加工寬度(mm)，α、β、γ、δ為指數，國內外許多學者做了大量實驗，發表了大量的數據，由于實驗者所使用的實驗材料、加工設備、檢測儀器以及加工條件等不同，所得公式中指數也不統一。為了得到確切的磨削力數據，目前仍然通過實驗測試設備及模擬仿真軟件。

2 工藝參數對溝道表面質量的影響

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

2.1 磨削深度對溝道表面質量的影響

圖2 磨削深度對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。原因是磨削深度增大，磨削接觸弧長變大，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，磨削液很難進入溝道磨削表面，冷卻效果不佳，磨削瞬時溫度顯著上升，氧化鋯陶瓷導熱性較差，磨削過程中產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越大，如果在磨削過程中冷卻不充分，從而導致溝道表面燒傷，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的試件磨削表面無明顯燒傷跡象。因此，為提高磨削效率，可以適當增大磨削深度，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 砂輪線速度對溝道表面質量的影響

圖4 砂輪線速度對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。原因是砂輪線速度增大，在相同條件下，單位時間內增加磨粒磨削次數，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時的溝道表面質量優于砂輪線速度為25 m/s時的溝道表面。

為深入研究砂輪線速度對磨削工件溝道表面質量的影響，建立圓弧砂輪磨削工件模型，通過理論計算砂輪外緣圓弧輪廓面與工件眾多接觸點的線速度。在磨削過程中，砂輪外緣輪廓面與工件溝道眾多接觸點由于位置不同，各接觸點線速度不同。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量等存在密切關系，因此，各接觸點的線速度是研究圓弧曲線上各接觸點參與磨削的重要參數。建立圓弧砂輪磨削工件簡化模型，并建立平面坐標系如圖6所示，其中，任取一接觸點P(x,y)，同時做以下假設：

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)假設在磨削過程中系統磨削振動不使砂輪與工件分開；

(2)假設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)假設金剛石砂輪外緣圓弧為半圓。

根據磨削簡化模型，結合圓弧砂輪與工件幾何關系，接觸點P線速度v：

(2)

式中，n為砂輪轉速，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，當選定砂輪后，砂輪轉速一定，靠近最外緣接觸點線速度最大；另外，通過圓弧砂輪磨削套圈外圈內溝道時，由于工況條件限制，金剛石砂輪半徑R較小，遠離外緣接觸點線速度較小，不利于磨削工件材料去除，因此，磨削套圈內圈溝道時，盡量選用半徑較大的金剛石砂輪。

2.3 工件進給速度及表面粗糙度對溝道表面質量的影響

從圖7中可以看出，隨著工件進給速度的增大，氧化鋯陶瓷溝道表面粗糙度值Ra、R3y、Rz呈下降趨勢。原因是提高工件進給速度，磨削力增大，磨削溫度升高，溝道表面粗糙度減小；當工件進給速度較大時，金剛石砂輪與工件接觸時間很短，大部分熱量被磨削液帶走，不利于磨削產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出現波動。

圖7 工件進給速度對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量的重要指標。從圖2、圖4和圖7中可以看出，輪廓平均算術偏差值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，壓強越大，溝道磨損越快，導致工件配合穩定性較差，全陶瓷軸承游隙變大，由于陶瓷材料熱膨脹系數低，軸承在運行中所產生的熱量對變大的軸承游隙影響小，較大的游隙使滾動體碰撞內、外圈次數增加，將產生較大的振動噪聲；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，在變應力的作用下，裂紋將沿波谷不斷擴展直至失效，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和微觀不平度十點高度Rz，大大減小峰谷高度差；反之，存在適當大小的峰谷高度差，波谷可以起到儲油作用，有助于軸承潤滑，減少軸承磨損。

3 優化工藝參數

通過單因素實驗，獲得各工藝參數對磨削氧化鋯陶瓷溝道表面質量的影響規律及材料去除機理，為提高溝道表面質量和磨削效率，進行磨削工藝參數優化。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，適當提高砂輪線速度和工件進給速度，正交實驗的因素和水平，見表3。

表3 正交實驗的因素和水平Table 3 Factors and levels of orthogonal experiments

根據正交表對稱性原理，建立溝道表面粗糙度Ra回應表(表4)，得到工藝參數對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回應表Table 4 Groove surface roughness Ra response table

回應表極差反映各因素對溝道表面粗糙度Ra的影響程度。通過比較，各因素影響順序由大到小依次為：磨削深度、砂輪線速度、工件進給速度；優化組合參數為磨削深度20 μm、砂輪線速度40 m/s、工件進給速度7 000 mm/min，即A4B3C4組合。在實際生產中，適當提高磨削深度和工件進給速度是提高加工效率的重要方式，同時降低成本，通過單因素實驗發現，磨削深度較大時，由于產生大量的磨削熱，工件表面會出現燒傷，嚴重影響工件服役情況和壽命；從另一個角度來看，在加工設備允許的情況下，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的影響，提高溝道表面質量。

4 結 論

(1)通過單因素實驗，獲得磨削深度、砂輪線速度和工件進給速度對氧化鋯陶瓷溝道表面粗糙度的影響規律：溝道表面粗糙度值Ra、R3y、Rz隨磨削深度、砂輪線速度、工件進給速度增大而減小。為提高磨削效率、降低成本，可以適當提高磨削深度，適當的增加磨削熱量有利于降低溝道表面粗糙度。

(2)通過正交實驗，各因素對溝道表面粗糙度Ra的影響程度由大到小依次為：磨削深度、砂輪線速度、工件進給速度；優化組合參數為磨削深度20 μm、砂輪線速度40 m/s、工件進給速度7 000 mm/min，即A4B3C4組合。

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