圆柱滚子的超精密抛光方法与流程

本发明涉及超精密加工技术领域，具体涉及一种圆柱滚子的超精密抛光方法。

背景技术：

轴承是装备制造业中重要的、关键的基础零部件，直接决定着重大装备和主机产品的性能、质量和可靠性，被誉为装备制造的“心脏”部件。精密圆柱滚子作为轴承的关键零件，其表面质量(精度、一致性等)对轴承的工作性能和使用寿命起到至关重要的作用。

目前，磨粒抛光和无心抛光是对圆柱滚子进行超精密抛光的主要手段。而磨粒抛光又可大致分为游离磨粒抛光和固着磨粒抛光两类。固着磨粒抛光具有较高的材料去除效率，随着技术的发展，其抛光精度也日益逼近游离磨粒抛光。但固着磨粒抛光要求使用价格高昂的高精度、高刚性设备，且由于强制进给引起的加工变质层较深，严重影响了产品的使用性能和寿命。游离磨粒抛光对设备精度要求不高，抛光精度高、加工变质层浅甚至没有。但游离磨粒的材料去除速率低，且抛光质量和一致性与加工环境的洁净度紧密相关。一旦硬质大颗粒侵入加工区域，即在圆柱滚子的表面产生深划痕，致使返工率和废品率增加，从而限制了抛光效率的提高。

双平面抛光设备最早用于加工平面，因其可以同时加工上下两个平面，具有加工效率高和加工后平行度高的特点，在平面加工中广泛使用。后来，双平面抛光设备也被用于抛光加工圆柱面，如：浙江工业大学袁巨龙教授所带领的研究团队就将其用于抛光加工圆柱滚子的圆柱面。但是，目前使用双平面抛光设备抛光加工圆柱面仍局限于使用游离磨料加工的形式，通常需要经过研磨、粗抛光和精抛光三个过程，加工效率有待提高。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种圆柱滚子的超精密抛光方法，该方法抛光精度高，加工效率高，加工后圆柱滚子表面光洁度高，且加工后工件批一致性好。

本发明的技术方案：圆柱滚子超精密抛光方法，包括：采用双平面研抛设备对圆柱滚子的圆柱面进行粗抛光的步骤；以及，采用双平面研抛设备对经过粗抛光后的圆柱滚子的圆柱面进行精抛光的步骤；其中，所述双平面研抛设备包括上抛光盘、下抛光盘、外齿圈、内齿圈和行星轮保持架；所述上抛光盘、下抛光盘、内齿圈和外齿圈的转轴均同心设置，并各自独立驱动；所述行星轮保持架内外圈分别与内齿圈、外齿圈啮合，所述上抛光盘上设有用于输送抛光液的流道；所述行星轮保持架上设有用于放置圆柱滚子的孔位，抛光时，圆柱滚子置于所述孔位内；抛光加工过程中，安装于双平面研抛设备上的上抛光盘和下抛光盘均是半固着磨粒抛光盘；所述半固着磨粒抛光盘由基盘和粘附于基盘表面的半固着磨粒抛光层构成；所述半固着磨粒抛光层中，包含：31～36wt％的α-氧化铝颗粒，22～25wt％的氧化铈颗粒，23～27wt％的胶体二氧化硅，余量为结合剂；所述α-氧化铝颗粒的粒径为0.02～15微米；所述氧化铈颗粒的粒径为0.01～5微米；所述结合剂由胶粘剂和添加剂组成，其中胶粘剂占40～60wt％；所述半固着磨粒抛光盘按照以下步骤制得：1.将磨粒、胶粘剂和添加剂混合，搅拌均匀，制得混合物料；2.将基盘置于模具中，然后再将制得的混合物料倒入模具中，冷压成型；3.冷压成型后加热固化，冷却后制得半固着磨粒抛光盘；粗抛光时使用的抛光液组分配方为：1～1.5wt％的柠檬酸、0.02～0.05wt％的过氧化氢和余量的水；精抛光时使用的抛光液组分配方为：0.5～0.8wt％的柠檬酸、1.2～1.5wt％的过氧化氢、0.01～0.02wt％的阴离子表面活性剂和余量的水。

与现有技术相比，本发明的圆柱滚子柱面的超精密抛光方法，采用了具有半固着磨粒的抛光层的抛光盘对工件表面进行材料去除，磨粒通过结合剂以半固着的方式粘结在一起(结合剂需是软结合剂，不能使用诸如金属、陶瓷之类的硬结合剂，否则无法获得半固着状态)，粘结强度介于游离与固着之间，半固着磨粒抛光层中具有不同粒径和硬度的磨粒，大磨粒在抛光层中承担骨架作用，小磨粒对大磨粒之间的孔隙进行填充，从而大大增加了抛光层的结构强度，从而在加工圆柱滚子时，设备可以设定更大的下压力和更快的转速进行抛光加工，从而获得较高的抛光效率；又由于半固着磨粒抛光垫对硬质大颗粒具有“陷阱”效应——侵入加工区域的硬质大颗粒陷入磨具表层且所分担载荷与磨粒相同，可以有效地缓解硬质大颗粒对工件造成的损伤，保证了加工质量和批一致性，降低返工率及废品率；此外，半固着磨粒抛光层具有特定的组分配方，结合特定组分配方的抛光液化学机械复合抛光效率较高，也进一步提高了抛光加工效率。

作为优化，粗抛时，所述上抛光盘的转速为-120～-150rpm，所述下抛光盘的转速为150～180rpm，内齿圈的转速为-15～-20rpm，外齿圈的转速为40～45rpm；上抛光盘的下压力为25～40N/滚子。此时，可以在保证加工质量的同时，进一步提高加工效率。作为进一步的优化，粗抛光过程使用的抛光液组分可以为：1wt％的柠檬酸、0.025wt％的过氧化氢和余量的水。粗抛的抛光液中催化剂含量较少，配合粗抛时较高速运行的设备，使粗抛具有较高的材料去除率，同时抛光液提供冷却、润滑作用，防止高速粗抛的过程中，磨粒对圆柱滚子造成损伤。

作为优化，精抛时，所述上抛光盘的转速为-90～-120rpm，所述下抛光盘的转速为120～140rpm，内齿圈的转速为-10～-15rpm，外齿圈的转速为30～45rpm；上抛光盘的下压力为20～30N/滚子。此时，可以在保证具有较高加工质量的同时，进一步提高加工效率。作为进一步的优化，精抛光过程使用的抛光液组分可以为：0.5wt％的柠檬酸、1.5wt％的过氧化氢、0.01wt％的阴离子表面活性剂和余量的水。相比与粗抛的抛光液，精抛的抛光液中额外增加了阴离子表面活性剂，在抛光过程中起到清洗作用，防止磨粒对圆柱滚子造成损伤，进一步保证加工精度。

作为优化，所述胶粘剂由植物胶类胶粘剂、树脂类胶粘剂、淀粉类胶粘剂混合而成，各组分在胶粘剂中的质量占比均不低于5wt％；所述添加剂由防水剂、填充剂、消泡剂混合而成，各组分在添加剂中的质量占比均不低于15wt％。该类胶粘剂均为软结合剂，此类胶粘剂可以保证抛光层具有半固着的结构特点，同时这些胶粘剂具有较强的黏结力，保证半固着磨粒抛光层的结构强度；防水剂、填充剂、消泡剂可以大幅减少半固着磨粒抛光层内的间隙和气泡，提高结构强度，延长使用寿命。作为进一步的优化，所述添加剂中，防水剂的质量占比为25～35wt％，填充剂的质量占比为45～50wt％；所述填充剂包含木糖醇；所述填充剂中，木糖醇的质量占比为20～35wt％。该配比的防水剂可阻止、减少和延缓半固着磨粒抛光层的早期塑性开裂，极大提高韧性，延长使用寿命；填充剂中添加了木糖醇，在高速抛光中，木糖醇随着抛光盘的磨损被逐渐释放出来遇抛光液中的水后吸收大量热量，具有降温作用，防止圆柱表面因局部过热产生较深的加工变质层，从而有利于获得更高的加工质量。

作为优化，所述基盘可以由氮化硅陶瓷制得；半固着磨粒抛光盘的制作过程中，冷压成型后通过微波加热固化。氮化硅陶瓷的成分为Si3N4，是一种高温强度高、高硬度、耐磨、耐腐蚀并能自润滑的高温陶瓷，且线膨胀系数极小，作为基盘可以在具有腐蚀性(抛光液具有一定的腐蚀性)的环境，长久有效地工作。采用微波加热固化，可以防止出现加热过程因受热不均出现开裂或翘曲的情形，并且具有固化速度快的优点。作为进一步的优化方案，所述半固着磨粒抛光层的厚度为10～20mm；微波加热时，控制半固着磨粒抛光层的表面温度在110±5℃。该厚度既有利用利用微波进行均匀加热固化，同时也有利于获得更高的抛光精度。

作为优化，所述α-氧化铝颗粒的粒径为3000目；所述氧化铈颗粒的粒径为5000目。α-氧化铝颗粒在抛光层中承担骨架作用，氧化铈颗粒对α-氧化铝颗粒之间的孔隙进行填充，从而大大增加了抛光层的结构强度，同时大粒径的α-氧化铝颗粒可以高效的抛光圆柱滚子表面的大凸起，而小粒径的氧化铈颗粒可以进一步提高圆柱滚子的形状精度和表面品质；且此时，化学机械抛光作用明显，可以进一步缩短加工时间。

附图说明

图1是本发明中的双平面抛光设备的结构示意图；

图2是实施本发明的圆柱滚子柱面的超精密抛光方法时，行星轮保持架的工作状态示意图；

图3是本发明中的半固着磨粒的抛光层的结构示意图。

附图中的标记为：1-上抛光盘；2-下抛光盘；3-外齿圈；4-内齿圈；5-行星轮保持架；51-孔位。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式(实施例)对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。

本发明中，转速数值的“正”“负”表示转动方向相反。“上”“下”仅表示加工过程中的位置关系。

如图1-3所示，本发明的圆柱滚子超精密抛光方法包括：采用双平面研抛设备对圆柱滚子的圆柱面进行粗抛光的步骤；以及采用双平面研抛设备对经过粗抛光后的圆柱滚子的圆柱面进行精抛光的步骤；

其中，所述双平面研抛设备包括上抛光盘1、下抛光盘2、外齿圈3、内齿圈4和行星轮保持架5；所述上抛光盘1、下抛光盘2、内齿圈4和外齿圈3的转轴均同心设置，并各自独立驱动；所述行星轮保持架5内外圈分别与内齿圈4、外齿圈3啮合，所述上抛光盘1上设有用于输送抛光液的流道；所述行星轮保持架5上设有用于放置圆柱滚子的孔位51，抛光时，圆柱滚子置于所述孔位51内；

抛光加工过程中，安装于双平面研抛设备上的上抛光盘1和下抛光盘2均是半固着磨粒抛光盘；所述半固着磨粒抛光盘由基盘和粘附于基盘表面的半固着磨粒抛光层构成；

所述半固着磨粒抛光层中，包含：31～36wt％的α-氧化铝颗粒，22～25wt％的氧化铈颗粒，23～27wt％的胶体二氧化硅，余量为结合剂；所述α-氧化铝颗粒的粒径为0.02～15微米；所述氧化铈颗粒的粒径为0.01～5微米；所述结合剂由胶粘剂和添加剂组成，其中胶粘剂占40～60wt％；所述半固着磨粒抛光盘按照以下步骤制得：1.将磨粒、胶粘剂和添加剂混合，搅拌均匀，制得混合物料；2.将基盘置于模具中，然后再将制得的混合物料倒入模具中，冷压成型；3.冷压成型后加热固化，冷却后制得半固着磨粒抛光盘；粗抛光时使用的抛光液组分配方为：1～1.5wt％的柠檬酸、0.02～0.05wt％的过氧化氢和余量的水；精抛光时使用的抛光液组分配方为：0.5～0.8wt％的柠檬酸、1.2～1.5wt％的过氧化氢、0.01～0.02wt％的阴离子表面活性剂和余量的水。

优选的：粗抛时，所述上抛光盘1的转速为-120～-150rpm，所述下抛光盘2的转速为150～180rpm，内齿圈4的转速为-15～-20rpm，外齿圈3的转速为40～45rpm；上抛光盘1的下压力为25～40N/滚子。此时，可以在保证加工质量的同时，进一步提高加工效率。作为进一步的优化，粗抛光过程使用的抛光液组分可以为：1wt％的柠檬酸、0.025wt％的过氧化氢和余量的水。粗抛的抛光液中催化剂含量较少，配合粗抛时较高速运行的设备，使粗抛具有较高的材料去除率，同时抛光液提供冷却、润滑作用，防止高速粗抛的过程中，磨粒对圆柱滚子造成损伤。

优选的：精抛时，所述上抛光盘1的转速为-90～-120rpm，所述下抛光盘2的转速为120～140rpm，内齿圈4的转速为-10～-15rpm，外齿圈3的转速为30～45rpm；上抛光盘1的下压力为20～30N/滚子。此时，可以在保证具有较高加工质量的同时，进一步提高加工效率。作为进一步的优化，精抛光过程使用的抛光液组分可以为：0.5wt％的柠檬酸、1.5wt％的过氧化氢、0.01wt％的阴离子表面活性剂和余量的水。相比与粗抛的抛光液，精抛的抛光液中额外增加了阴离子表面活性剂，在抛光过程中起到清洗作用，防止磨粒对圆柱滚子造成损伤，进一步保证加工精度。

所述胶粘剂由植物胶类胶粘剂、树脂类胶粘剂、淀粉类胶粘剂混合而成，各组分在胶粘剂中的质量占比均不低于5wt％；所述添加剂由防水剂、填充剂、消泡剂混合而成，各组分在添加剂中的质量占比均不低于15wt％。该类胶粘剂均为软结合剂，此类胶粘剂可以保证抛光层具有半固着的结构特点，同时这些胶粘剂具有较强的黏结力，保证半固着磨粒抛光层的结构强度；防水剂、填充剂、消泡剂可以大幅减少半固着磨粒抛光层内的间隙和气泡，提高结构强度，延长使用寿命。优选的，所述添加剂中，防水剂的质量占比为25～35wt％，填充剂的质量占比为45～50wt％；所述填充剂包含木糖醇；所述填充剂中，木糖醇的质量占比为20～35wt％。该配比的防水剂可阻止、减少和延缓半固着磨粒抛光层的早期塑性开裂，极大提高韧性，延长使用寿命；填充剂中添加了木糖醇，在高速抛光中，木糖醇随着抛光盘的磨损被逐渐释放出来遇抛光液中的水后吸收大量热量，具有降温作用，防止圆柱表面因局部过热产生较深的加工变质层，从而有利于获得更高的加工质量。

所述基盘可以由氮化硅陶瓷制得；半固着磨粒抛光盘的制作过程中，冷压成型后通过微波加热固化。氮化硅陶瓷的成分为Si3N4，是一种高温强度高、高硬度、耐磨、耐腐蚀并能自润滑的高温陶瓷，且线膨胀系数极小，作为基盘可以在具有腐蚀性(抛光液具有一定的腐蚀性)的环境，长久有效地工作。采用微波加热固化，可以防止加热过程受热不均出现开裂或翘曲的情形，并且具有固化速度快的优点。优选的，所述半固着磨粒抛光层的厚度为10～20mm；微波加热时，控制半固着磨粒抛光层的表面温度在110±5℃。该厚度既有利用利用微波进行均匀加热固化，同时也有利于获得更高的抛光精度。微波加热固化时，可以在微波加热装置内部设置红外温度传感器检测半固着磨粒抛光层的表面温度，进而由控制器控制微波发生器的功率，将半固着磨粒抛光层的表面温度维持在110±5℃。

优选的，所述α-氧化铝颗粒的粒径为3000目；所述氧化铈颗粒的粒径为5000目。α-氧化铝颗粒在抛光层中承担骨架作用，氧化铈颗粒对α-氧化铝颗粒之间的孔隙进行填充，从而大大增加了抛光层的结构强度，同时大粒径的α-氧化铝颗粒可以高效的抛光圆柱滚子表面的大凸起，而小粒径的氧化铈颗粒可以进一步提高圆柱滚子的形状精度和表面品质；且此时，化学机械抛光作用明显，可以进一步缩短加工时间。

步骤1中，将磨粒、胶粘剂和添加剂混合后，可以通过振动搅拌机进行慢速搅拌至均匀。

实施例：

加工的圆柱滚子的材质为GCr15轴承钢，直径为20mm，长度为30mm。

半固着磨粒抛光层的厚度为15mm；半固着磨粒抛光层中，包含：3000目的32wt％的α-氧化铝颗粒，5000目的24wt％的氧化铈颗粒，25wt％的胶体二氧化硅，和余量的结合剂；结合剂由胶粘剂和添加剂组成，其中胶粘剂占60wt％，所述胶粘剂由植物胶类胶粘剂、树脂类胶粘剂、淀粉类胶粘剂按1:1:1的质量比混合而成；所述添加剂由防水剂、填充剂、消泡剂混合而成，防水剂的质量占比为35wt％，填充剂的质量占比为50wt％，消泡剂的质量占比为15wt％；所述填充剂包含木糖醇；所述填充剂中，木糖醇的质量占比为25wt％。

半固着磨粒抛光盘由基盘和粘附于基盘表面的半固着磨粒抛光层构成，基盘的材质为氮化硅陶瓷。

粗抛光过程使用的抛光液组分为：1wt％的柠檬酸、0.025wt％的过氧化氢和余量的水。

精抛光过程使用的抛光液组分为：0.5wt％的柠檬酸、1.5wt％的过氧化氢、0.01wt％的阴离子表面活性剂和余量的水。

抛光过程：

粗抛时，将圆柱滚子放置于行星轮保持架5的孔位51中，然后下压力加载到上抛光盘1上，圆柱滚子位于上抛光盘2和下抛光盘2之间，且与上抛光盘1和下抛光盘2为线接触，然后设置上抛光盘1、下抛光盘2、外齿圈3、内齿圈4的转速如下：所述上抛光盘1的转速为-150rpm，所述下抛光盘2的转速为180rpm，内齿圈4的转速为-18rpm，外齿圈3的转速为45rpm；上抛光盘1的下压力为40N/滚子，同时粗抛用抛光液以100mL/分钟的流量经过上抛光盘1的流道输送到加工区域，粗抛加工持续30min。

精抛时，先用清水清洗流道和加工区域的残留抛光液和磨屑，然后设置上抛光盘1、下抛光盘2、外齿圈3、内齿圈4的转速如下：所述上抛光盘1的转速为-100rpm，所述下抛光盘2的转速为120rpm，内齿圈4的转速为-10rpm，外齿圈3的转速为30rpm；上抛光盘1的下压力为30N/滚子，同时精抛用抛光液以100mL/分钟的流量经过上抛光盘1的流道输送到加工区域，精抛加工持续15min。

下表一为按上述实施例加工后的测试结果。由下表一可知，抛光加工前，圆柱滚子的圆柱面较为粗糙且不平整，表面粗糙度平均值为72.01nm，圆度平均值为0.96μm；经过30min的粗抛后，粗糙度平均值降为38.42nm，圆度平均值降为0.41μm，且批一致性大幅改善；经20min的精抛后，粗糙度平均值进一步降为15.54nm，圆度平均值降进一步为0.40μm，且批一致性进一步改善。可见，本发明的抛光方法加工精度较高，同时，整个抛光加工过程只耗时45min，材料去除较快，加工效率较高。

表一

对上述实施例进行试验参数调整后所形成的其它具体实施例得到的检测数据与上表一的趋势一致，能得出相同的结论，即用本发明的方法对圆柱滚子进行抛光加工，加工精度高、批一致性好，且加工效率高，故在此不一一罗列。

上述对本申请中涉及的发明的一般性描述和对其具体实施方式的描述不应理解为是对该发明技术方案构成的限制。本领域所属技术人员根据本申请的公开，可以在不违背所涉及的发明构成要素的前提下，对上述一般性描述或/和具体实施方式(包括实施例)中的公开技术特征进行增加、减少或组合，形成属于本申请保护范围之内的其它的技术方案。