大尺寸圆柱滚子力流变抛光试验.docx

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.1Principleofshearrheologicalpolishing

1.2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4.5