全陶瓷球轴承套圈沟道精密磨削用砂轮修整试验

李颂华，韩光田，吴玉厚，孙健，高龙飞

(沈阳建筑大学 a.机械工程学院；b.高档石材数控加工装备与技术国家地方联合工程实验室，沈阳 110168)

先进陶瓷材料具有高硬度、高强度、耐高温、耐严寒、耐腐蚀、耐磨损等优点，是理想的轴承材料，通常采用磨削加工。超硬磨料砂轮在磨削过程中砂轮磨损慢，稳定性强，材料去除率高，砂轮使用寿命长，符合环保、节能、高效的制造业发展趋势。因此，超硬磨料砂轮广泛应用于难加工材料精密成形的磨削加工[1-2]。

全陶瓷球轴承套圈沟道是轴承承受载荷的重要工作面，较差的沟形误差和表面质量会影响沟道与陶瓷球的装配密合性，从而造成全陶瓷球轴承旋转精度低，服役时产生较大的振动和噪声。全陶瓷球轴承套圈沟道一般采用切入法磨削，在磨削过程中金刚石圆弧砂轮外缘轮廓精度会逐渐降低，直接影响沟形误差；磨削时砂轮会出现磨损和气孔堵塞，严重降低砂轮磨削性能，使沟道表面质量受到极大的影响[3-4]。随着超硬磨料砂轮在磨削领域的应用，迫切需要解决修整技术问题[5-6]。

国内外提出许多超硬磨料砂轮修整方法，在特种修整技术方面：文献[7]采用激光-机械复合修整法修整烧结成型的青铜金刚石砂轮，对青铜结合剂的去除过程进行多脉冲有限元仿真并优化激光粗修工艺；文献[8]介绍了一种基于单层激光的精密修整方法，利用脉冲光纤激光器对青铜结合剂金刚石砂轮进行了在线仿形试验，修整后砂轮表面轮廓精度明显提高；文献[9]制备了一种用于电解修整大粒度、多层钎焊金刚石砂轮的含碳纳米管电解液，可有效对超细晶硬质合金进行高效精密磨削加工。

目前,超硬磨料砂轮主要采用机械磨削修整或以机械磨削修整为基础的修整技术，占据修整技术专利申请总量的90.33%以上[10-11]。在机械修整技术方面：文献[12]提出了基于旋转绿碳化硅磨棒的在位精密成形修整方法，并确定了圆弧插补轨迹的补偿方法，修整后圆弧形状误差提高了14倍左右；文献[13]提出了一种用逼近轮廓线替代原设计的理想轮廓线的成形误差补偿方法，结果表明成形误差补偿可直接提高表面形状精度；文献[14]针对单层钎焊金刚石砂轮磨粒过度突出问题，提出了盘形砂轮修整法，实现了单层钎焊金刚石砂轮的精密修整；文献[15]采用高压磨料水射流对不同类型的树脂结合剂金刚石砂轮进行了修整，进给速度对砂轮修整质量和效率起到重要作用；文献[16]总结出大余量去除修整金属结合剂超硬砂轮基本采用电火花放电法，小余量主要采用磨削法；文献[17]针对圆弧形超硬砂轮修整难度大和修整精度低的问题，设计制造一种垂直式超硬砂轮圆弧修整器，提高了圆弧砂轮的弧形精度。

通过上述学者的研究，积累了丰富的修整方法，也设计制造出相关修整装备。为进一步提高全陶瓷球轴承旋转精度，首先，采用金刚石碟片磨削法对树脂结合剂金刚石圆弧砂轮进行修整，提高砂轮外缘轮廓精度，进而减小全陶瓷球轴承套圈沟形误差，并提高砂轮磨削性能；然后，通过全陶瓷球轴承内圈沟道磨削试验，验证砂轮的修整效果。

1 金刚石圆弧砂轮磨削修整原理

金刚石圆弧砂轮磨削整形法示意图如图1所示，金刚石圆弧砂轮通过砂轮主轴实现高速转动，修整碟片通过修整主轴实现转动，在伺服电动机的控制下绕金刚石圆弧砂轮摆动，同时通过基座导轨实现径向修整进给。

图1 金刚石圆弧砂轮磨削整形法示意图

砂轮与碟片间相切的几何位置关系如图2所示，B为砂轮外缘宽度，B0为碟片外缘宽度，碟片与砂轮圆弧轮廓始终相切，有

R0=r+r0,

式中：R0为碟片圆弧中心的摆动半径；r为砂轮的圆弧轮廓半径；r0为碟片的圆弧轮廓半径。通过控制R0实现调节r的大小。碟片圆弧上一点参与砂轮整形，修整作用类似于点磨削。

图2 砂轮与碟片间相切的几何位置关系

2 试验条件及方案

沟道磨削产生形状误差的主要原因是砂轮外缘轮廓精度、磨削工艺和光磨时间[18]，其中，采用切入法磨削全陶瓷球轴承套圈沟道，金刚石圆弧砂轮外缘轮廓精度将直接影响沟形误差。磨削时砂轮磨损和气孔堵塞，使沟道表面质量受到极大的影响，甚至降低砂轮使用寿命。因此，需要对金刚石圆弧砂轮进行修整，对氧化锆陶瓷球轴承内圈沟道进行磨削，检验砂轮修整效果。

2.1 金刚石圆弧砂轮修整试验

用球轴承内圈沟道数控磨床进行金刚石圆弧砂轮修整试验，如图3所示。用VHX-1000 超景深三维显微镜观察砂轮修整前后表面形貌；金刚石圆弧砂轮磨料为人造金刚石，树脂结合剂砂轮强度较高，具有一定的韧性和较好的抵抗破碎能力，可用于高速精密磨削。经过碟片整形后，为提高金刚石圆弧砂轮磨削性能，手持氧化铝油石对砂轮进行修锐，修整试验工艺条件见表1。

1—摆动臂；2—碟片；3—砂轮；4—喷嘴；5—碟片电动机； 6—摆动基座。

表1 修整试验工艺条件

2.2 全陶瓷球轴承内圈沟道磨削试验

采用球轴承内圈沟道数控磨床进行轴承内圈沟道磨削试验，如图4所示，磨削试验工艺条件见表2。全陶瓷球轴承内圈选用氧化锆材料，其基本性能见表3。用Surtronic25型泰勒粗糙度轮廓仪测量轴承内圈沟道磨削前后的形状误差。

1—压轮； 2—工件； 3—靠山； 4—砂轮； 5—压紧臂。

表2 轴承内圈沟道磨削工艺条件

表3 氧化锆材料基本性能

3 结果与分析

3.1 金刚石圆弧砂轮修整试验

3.1.1 修整前后金刚石圆弧砂轮外缘形貌

金刚石圆弧砂轮外缘修整前后表面形貌如图5所示，通过对比修整前后红色标记，砂轮表面部分结合剂和磨粒被去除。由图5a可知，修整前少数金刚石磨粒露出表面，分布均匀，在表面形成凸起，高低不平；由5b可知，修整后砂轮表面出现光泽，露出表面金刚石磨粒明显增多，砂轮表面的结合剂和磨粒被修整去除，有利于提高砂轮外缘轮廓精度,修整后砂轮表面局部仍有沟壑存在，在磨削时可以起到容纳磨屑和散逸磨削热的作用。

图5 修整前后砂轮外缘表面形貌

3.1.2 碟片修整后砂轮表面局部形貌

修整后砂轮表面局部形貌如图6所示:砂轮表面树脂结合剂被去除，磨粒周围出现光泽；金刚石磨粒边缘出现微破碎(A处)，原因是金刚石磨粒与碟片在接触面存在集中应力，当集中应力较大时，金刚石磨粒产生局部破碎；金刚石磨粒周围结合剂被去除，磨粒露出表面(B处)；金刚石磨粒脱落留下凹坑(C处)，在磨粒间形成新的容屑空间。

图6 修整后砂轮表面局部形貌

当金刚石磨粒暴露部分较小，结合剂对金刚石磨粒的把持力大于修整力时，金刚石磨粒破碎，形成新切削刃；当结合剂对露出高度较大的金刚石磨粒把持力较小时，金刚石磨粒出现脱落，形成新的容屑空间。砂轮表面被磨平，金刚石磨粒突出高度较小，容屑空间不足，易出现堵塞，磨削条件恶化，不利于改善砂轮磨削性能[19]。

3.1.3 修锐后油石沟道表面形貌

超硬砂轮修整通常分整形和修锐，整形后需要对砂轮进行修锐，提高砂轮磨削性能。

修锐后油石沟道表面形貌如图7所示，金刚石圆弧砂轮表面形状复制到油石上，露出表面较高的金刚石磨粒与油石发生作用，质地较软的油石被去除，留下间距不等的划痕，这说明砂轮经过修锐，去除了工作表面磨粒周围的结合剂，提高磨粒露出高度，从而提高砂轮磨削性能[20]。

图7 修锐后油石沟道表面形貌(×100)

3.2 全陶瓷球轴承内圈沟道磨削试验

评价砂轮修整的好坏通常需要进行磨削试验验证，用修整前后的砂轮对氧化锆陶瓷球轴承内圈沟道进行切入式磨削，修整检测原理是将金刚石圆弧砂轮外缘轮廓复映到氧化锆陶瓷球轴承内圈沟道上进行检测[21]。

3.2.1 修整深度对内圈沟形误差的影响

修整深度对氧化锆陶瓷球轴承内圈沟形误差的影响如图8所示，随着修整深度的增加，内圈沟形误差不断减小。原因为金刚石圆弧砂轮修整深度较小时，砂轮外缘轮廓精度低，导致内圈沟形误差较大；随着修整深度的增加，提高了砂轮外缘轮廓精度，减小了内圈沟形误差。实际生产中修整深度过大会缩短砂轮使用寿命，降低生产效率，所以应根据工件精度要求和砂轮磨损程度选择合理的修整深度。

图8 砂轮修整深度对氧化锆内圈沟形误差的影响

3.2.2 修整对内圈沟形误差的影响

修整深度为20 μm，用修整前后的金刚石圆弧砂轮磨削氧化锆陶瓷球轴承内圈，然后测试内圈沟道形状误差。1～8#内圈沟道修整前后形状误差变化情况如图9所示。修整前后沟形误差平均值分别为5.823，2.799 μm，减小了51.93%。研究结果表明：采用碟片磨削修整金刚石圆弧砂轮，去除砂轮表面多余结合剂和金刚石磨粒，提高了砂轮外缘轮廓精度，减小了轴承内圈沟形误差。

图9 砂轮修整前后氧化锆内圈沟形误差变化情况

砂轮修整前后3#内圈沟形误差对比分析，如图10所示。由图10a可知，内圈沟道测试曲线局部(在测试点44.8 mm处)存在波动，进一步分析可知此处出现跳跃(图10b)，反映出砂轮外缘在相应位置存在形状失真缺陷，整体上在-2～2 mm之间变化，测试沟形误差为6.801 μm；由图10c可知，修整后砂轮磨削的内圈沟道测试曲线较为平滑，不存在较大跳跃(图10d)，整体上在-1～1 mm之间变化，测试沟形误差为3.408 μm，减小了49.89%。

3.2.3 砂轮修整前后沟道表面粗糙度的变化

修整深度为20 μm，用修整前后的金刚石砂轮磨削氧化锆内圈,沟道表面粗糙度变化如图11所示，修整前后沟道表面粗糙度Ra平均值分别为0.316，0.239 μm，减小了24.37%，采用碟片磨削修整金刚石圆弧砂轮，改善了砂轮磨削性能，减小了轴承内圈沟道表面粗糙度。

图10 砂轮修整前后3#内圈沟形误差对比分析

图11 砂轮修整前后氧化锆内圈沟道表面粗糙度变化情况

4 结论

开展了树脂结合剂金刚石圆弧砂轮修整试验，并采用修整后的砂轮磨削氧化锆内圈沟道，得到以下结论：

1) 采用金刚石碟片磨削法，修整后砂轮表面出现光泽，砂轮表面的结合剂和磨粒被去除，有利于提高砂轮外缘轮廓精度，露出表面金刚石磨粒明显增多，改善了砂轮表面形貌，经过修锐提高了磨粒露出高度。

2)用修整后砂轮磨削氧化锆内圈沟道，其沟形误差减小了51.93%，沟道表面粗糙度Ra减小了24.37%。

3) 通过氧化锆内圈沟道磨削试验验证，采用金刚石碟片磨削法提高了金刚石圆弧砂轮外缘轮廓精度，改善了砂轮磨削性能，能满足金刚石砂轮修整使用要求。