大尺寸圆柱滚子力流变抛光试验

为提升大尺寸圆柱滚子抛光加工的表面质量,对其表面进行力流变抛光试验,利用力流变抛光液在高剪切速率下的剪切增稠特性形成贴合滚子表面的“柔性固着磨具”,对滚子表面进行柔性抛光,通过分析抛光槽转速、磨粒浓度和磨粒平均粒径对工件表面粗糙度的影响优选试验参数。结果表明:磨粒Al2O3平均粒径为4.5μm,磨粒质量分数为15%,抛光槽转速为65r/min,工件倾斜角度为10°,力流变抛光90min的条件下,圆柱滚子滚动面的平均表面粗糙度值由初始的(128.7±2.5)nm降低至(9.8±1.1)nm,端面的平均表面粗糙度值由初始的(134.5±2.7)nm降低至(9.4±1.3)nm,验证了力流变抛光可以有效提高大尺寸圆柱滚子的表面质量。关键词：滚动轴承;圆柱滚子轴承;抛光;剪切增稠;表面粗糙度大型圆柱滚子轴承常用于风力发电机、轧钢机、燃气涡轮机和起重运输机械等大型设备。随着大型、特大型轴承对旋转精度和转速等要求的日益提高,对大尺寸圆柱滚子(公称直径40～75mm)的表面精度要求也越来越高,如高速轧机轴承转速达到每分钟数万转,滚子精度等级要求达到Ⅰ～Ⅱ级水平。精密圆柱滚子作为精密轴承的关键零件,其精度和表面质量对轴承的工作性能和使用寿命有重大影响[2-3]。目前,圆柱滚子一般采用超精加工作为最后一道工序,表面粗糙度值可降至0.05μm,但往往无法保证油石与工件的加工表面形状吻合,即油石与工件之间并非面接触[4]。为了获得更高的表面精度和表面质量,国内外学者研究了多种圆柱滚子抛光方法:文献[5]利用电化学机械复合光整技术加工圆柱滚子,表面粗糙度值从初始的0.087μm降至0.023μm;文献[6]利用磁流体加工装置超精研陶瓷滚子外圆,采用平均粒径3μm的Cr2O3磨料获得了较好的表面质量,平均表面粗糙度值达到0.029μm;文献[7]采用平均粒径3μm的Al2O3磨料对钛合金圆柱进行了定心往复超精研加工,工件表面粗糙度值达到0.019μm;但由于大尺寸圆柱滚子体积较大,上述方法的应用受到一定限制,其高表面质量的加工方法仍有待探索。力流变抛光(ShearRheologicalPolishing,SRP)技术是一种利用非牛顿流体在剪切应力作用下的流变特性实现表面抛光的超精密加工方法,目前已实现了对包括晶体、金属、陶瓷在内的平面、球面、圆柱面及复杂曲面的超精密抛光[8-9]。文献[10]采用力流变抛光方法加工高温镍基合金涡轮叶片凹面,在抛光9min后,叶片凹面的粗糙度值从72.3nm降至4.2nm;文献[11]采用力流变抛光方法加工316L不锈钢圆柱滚子,抛光30min后,圆柱曲面表面粗糙度值由121.4nm降至2.6nm。本文采用力流变抛光方法对大尺寸圆柱滚子(直径50mm)进行抛光试验,探究加工工艺参数对滚子表面粗糙度的影响;基于力流变抛光非接触式的特点,实现对工件材料的柔性去除,提高圆柱滚子的表面质量。1大型圆柱滚子力流变抛光试验1.1力流变抛光原理力流变抛光大尺寸圆柱滚子的基本原理如图1所示。在抛光过程中,由于圆柱滚子与抛光液之间产生相对运动,抛光液与工件接触部分受到剪切作用发生剪切增稠现象(接触区域抛光液的黏度增大),抛光液中的固体分散相粒子聚合成大量粒子簇,并将磨粒包裹在其中,增强了对磨粒的把持力,在加工位置形成“柔性固着磨具”,从而通过磨粒的微切削作用实现工件材料的去除[12]。图1力流变抛光原理Fig.1Principleofshearrheologicalpolishing1.2试验设备及试验条件力流变抛光设备的示意图和实物图如图2所示。为了同时抛光圆柱滚子的端面和滚动面,将工件以10°的倾斜角θ(工件中心轴与z轴的夹角)用石蜡固定在夹具上,浸于抛光液中并以一定速度旋转,同时抛光槽也绕自身轴线旋转。由于滚子体积较大,在一端抛光完成后需将工件取下,调转方向继续抛光。当抛光液与工件之间的相对运动速度超过某一临界值,就会出现剪切增稠效应,工件材料会在磨粒的切削作用下被去除。(a)力流变抛光设备示意图(b)力流变抛光设备实物图图2力流变抛光试验设备示意图及实物图Fig.2Schematicdiagramandphysicaldiagramofshearrheologicalexperimentaldevice力流变抛光液以微米级多羟基聚合物颗粒PHHP(平均粒径约11μm)作为固体分散相与去离子水、磨粒混合形成悬浮液体,该抛光液可在较低的相对运动速度下产生增稠效应,且原材料易获取,无污染。采用AR-G2型流变仪检测力流变抛光液的流变曲线,剪切速率为0.1～1000s-1,温度为(25±1)℃,磨粒为Al2O3,平均粒径为4.5μm,质量分数为15%时,力流变黏度与剪切速率之间的关系如图3所示:当剪切速率达到2s-1后,抛光液会呈现剪切增稠特性,其黏度迅速上升;而当剪切速率进一步增大到100s-1时,抛光液又出现剪切稀化的现象。图3抛光液流变曲线Fig.3Rheologicalcurveofpolishingfluid力流变抛光试验条件见表1,抛光液磨粒质量分数参考以往的研究范围进行设置[9,13-15],本试验主要考察抛光槽转速、磨粒浓度(质量分数,下同)和磨粒平均粒径对工件表面粗糙度Ra的影响。表1试验条件Tab.1Experimentalconditions使用FormTalysurfi-Series轮廓仪检测圆柱滚子抛光前后表面粗糙度值和素线轮廓,超景深显微镜观测圆柱滚子表面微观图像,SuperViewW1型光学三维表面轮廓仪观测抛光前后表面的形貌变化,MahrMMQ400圆度检测仪测量滚动面圆度。为便于观察试验结果,在圆柱滚子的端面和滚动面上各选取4个点进行表面粗糙度值的测量,测量结果取平均值,研究不同加工参数对表面粗糙度的影响规律。表面粗糙度测量位置如图4所示:图4圆柱滚子表面粗糙度测量位置Fig.4MeasuringpositionofsurfaceroughnessofcylindricalrollerD1,D2,D3,D4为端面上选取的4个测量点,其表面粗糙度平均值记为G1,G2,G3,G4为滚动面同一圈上的4个测量点,其表面粗糙度平均值记为2试验结果与讨论2.1抛光槽转速对表面粗糙度的影响由于抛光槽转速直接决定了抛光液的剪切速率,也决定了力流变效应以及施加在磨粒上的作用力,因此参数选取范围不易过大。磨粒浓度为10%,磨粒平均粒径为4.5μm,抛光90min后,表面粗糙度随抛光槽转速的变化如图5所示:当抛光槽转速较小时,力流变效应产生的剪切速率达不到所需要求,抛光液液面达不到理想高度,无法完整对工件表面进行抛光;抛光槽转速为65r/min时,和分别降至(10.1±1.4)nm和(9.5±1.6)nm,这是因为较高的抛光槽转速导致剪切增稠效果增强,提高了材料去除率;端面的表面质量略优于滚动面,这是由于靠近抛光槽底部的位置间隙较小,剪切流变效果较强,提高了磨粒的去除效率。在抛光过程中发现,由于工件尺寸较大,抛光槽转速过高时,抛光液会在离心力作用下溅出,无法继续增大抛光槽转速。图5工件表面粗糙度随抛光槽转速的变化Fig.5Variationofworkpiecesurfaceroughnesswithpolishingtankrotationalspeed2.2磨粒浓度对表面粗糙度的影响控制抛光槽转速为65r/min,磨粒平均粒径为4.5μm,抛光90min后,表面粗糙度随磨粒浓度的变化如图6所示:磨粒浓度为15%时,抛光后的表面质量最好,和分别降至(9.9±2.2)nm和(9.8±2.9)nm。磨粒浓度越高意味着加工区域内的Al2O3磨粒越多,参与切削的有效磨粒越多,工件表面的粗糙峰去除效率越高,表面粗糙度值下降越快;但当磨粒浓度进一步增大时,抛光液黏度过大,流动性差,表面粗糙峰去除效率下降,且易造成工件表面划伤,从而影响抛光质量。图6工件表面粗糙度随磨粒浓度的变化Fig.6Variationofworkpiecesurfaceroughnesswithconcentrationofabrasiveparticle2.3磨粒平均粒径对表面粗糙度的影响控制抛光槽转速为65r/min,磨粒浓度为15%,抛光90min后,表面粗糙度随磨粒平均粒径的变化如图7所示:当磨粒平均粒径为2.6μm时,和分别降至(9.2±1.8)nm和(9.4±1.6)nm。一般来说,较小的平均粒径意味着单位体积内磨粒数量更多,参与切削的磨粒数量增加,可以更好地改善表面质量,但试验结果表明磨粒平均粒径对表面粗糙度影响不大,其原因可能为剪切增稠而产生的Al2O3粒子簇受平均粒径影响相对较弱,导致表面粗糙度值变化幅度较小[16];此外,当磨粒平均粒径过小时,磨粒难以从粒子簇中露出,使得实际参与加工的磨粒数量减少,导致表面粗糙度值下降,效率降低[17]。图7工件表面粗糙度随磨粒平均粒径的变化Fig.7Variationofworkpiecesurfaceroughnesswithaverageparticlesize2.4优选参数条件下的抛光试验结果根据上述试验分析,为了获得高表面质量,最优的参数组合为:磨粒平均粒径为4.5μm,磨粒浓度为15%,抛光槽转速为65r/min。在该组合下进行3组重复性试验,抛光90min后,圆柱滚子滚动面表面粗糙度平均值由初始的(128.7±2.5)nm降至(9.8±1.1)nm,端面的表面粗糙度平均值由初始的(134.5±2.7)nm降至(9.4±1.3)nm。力流变抛光前后圆柱滚子的表面微观图像和表面三维形貌如图8和图9所示:加工前的滚子表面比较粗糙,存在大量划痕,表面凸峰高度为微米级;力流变抛光后,表面划痕数量显著减少,表面形貌得到明显改善。(a)抛光前(b)抛光后图8抛光前后圆柱滚子的表面微观图像Fig.8Microscopicimagesofcylindricalrollersurfacebeforeandafterpolishing(a)抛光前(b)抛光后图9抛光前后圆柱滚子表面三维形貌图Fig.93Dmorphpologyofcylindricalrollersurfacebeforeandafterpolishing力流变抛光后的圆柱滚子如图10所示:抛光后的圆柱滚子表面质量得到显著提升,呈现出镜面效果,无划痕、凹坑等表面缺陷。抛光前、后对圆柱滚子外圆中段圆度进行测量,结果如图11所示:抛光后滚子的圆度平均值从初始的(1.318±0.3)μm降至(0.464±0.1)μm。对圆柱滚子抛光前后的直径进行测量,测量结果取平均值,抛光前、后的滚子平均直径分别为50.454,50.451mm,抛光前后圆柱滚子直径变化为0.003mm。使用FormTalysurfi-Series轮廓仪对抛光前后的圆柱滚子素线进行检测,测量长度为50mm,得到滚子的素线轮廓如图12所示:抛光后滚子素线没有出现中部内凹现象,抛光前素线轮廓最低点与最高点的差值为103.61μm,抛光后差值为89.52μm,抛光后的素线轮廓有所改善。图10力流变抛光后的圆柱滚子Fig.10Cylindricalrolleraftershearrheologicalpolishing(a)抛光前(b)抛光后图11力流变抛光前后滚子圆度变化Fig.11Variationofrollerroundnessbeforeandaftershearrheologicalpolishing(a)抛光前(b)抛光后图12力流变抛光前后滚子素线轮廓变化Fig.12Variationofgeneratrixprofileofrollerbeforeandaftershearrheologicalpolishing3结论为提高圆柱滚子的表面质量,对直径50mm的圆柱滚子进行力流变抛光试验,并研究工艺参数对滚子表面粗糙度的影响,得到主要结论如下:1)抛光槽转速对工件表面粗糙度的影响较大,抛光槽转速越大,表面粗糙峰的去除效率越高,抛光后的表面粗糙度值越低;磨粒浓度对工件表面粗糙度有一定影响,磨粒浓度越大,参与材料去除的磨粒数量越多,材料去除率越高,但是当浓度超过某一