CN113427389B - 一种圆柱滚子力流变抛光方法 - Google Patents

Abstract

一种圆柱滚子力流变抛光方法，使用非牛顿流体作为基底制成抛光液，利用非牛顿流体力流变增加抛光液与圆柱滚子之间的去除率，达到高效的抛光；在抛光过程中，圆柱滚子工件与抛光液二者之间存在相对运动，抛光液与工件接触部分受剪切作用会发生剪切增稠现象，会产生一系列“粒子簇”，这会使接触区域抛光液的黏度增大，并形成剪切增稠弹性，增强了固态粒子对磨粒的把持作用，从而使得圆柱滚子与抛光液接触部位形成一个类似“柔性固着磨具”，从而抛光液中的磨粒会对圆柱滚子表面产生微切削作用，从而实现抛光效果。本发明提供一种低成本、较高去除率、高一致性的圆柱滚子力流变抛光方法。

Description

一种圆柱滚子力流变抛光方法

技术领域

本发明涉及高精度圆柱滚子加工设备，尤其是一种圆柱滚子力流变抛光方法。

背景技术

圆柱滚子作为一种滚动体,其精度和一致性对轴承性能和寿命有至关重要的影响,约60％～70％的轴承失效形式是由于滚动体受到了不同程度的疲劳破坏所致。因此,提高圆柱滚子的形状精度和表面质量有助于提升轴承性能和延长寿命。

对于圆柱滚子的研磨加工，国内外已有一些相应的加工方法，传统方法如无心磨削、无心超精研，非传统研磨方法如定心往复超精研、电化学机械光整(ECMF)、磁流体研磨(MFL)、双平面方式超精研抛。

无心磨削不同于车削等传统的定心加工方法,它以工件自身外圆被加工表面作为定位基准。无心超精研加工方法是无心磨削方法的改进,它继承了无心磨削加工方法高生产效率的优点,主要用来大幅提高工件外圆表面的表面质量和形状精度,亦可实现微量凸度成形。虽然无心磨削加工方法生产效率高,容易实现自动化和批量生产,但是其加工精度严重依赖机床的机械结构和精度，严重影响滚子的加工精度。

定心往复超精研方法是在传统车床的基础上，将切削刀具换为油石并添加超声振动辅助装置和精密加载控制装置，其中，加工时的工件转速、油石的往复运动速度以及超声振动频率之间的相对关系是改善圆柱外圆表面微观形貌、表面质量和形状精度的关键。此外，工件的装夹精度和效率也是需要考虑的重要因素，但在实验中这些很难控制，且非常依赖机构的结构与精度。

电化学机械光整(ECMF)方法是在传统磨削装置上添加了直流电解系统。电化学反应使工件表面材料被腐蚀，从而对工件表面产生材料去除作用，同时生成超薄氧化膜阻碍电化学反应进一步发生，后通过机械磨削去除氧化膜，则电化学反应又重新发生,如此往复交替。磁流体研磨(MFL)，特点为磁流体的流动性可使磨粒与工件表面充分接触；磁流体单颗磨粒在工件表面的接触应力很小，磨粒的去除深度较浅，且可通过磁场精确控制；磁流体的流动性还可使游离磨粒不断更新，使工件表面磨粒的刃角保持锋利，也不存在固着磨具的堵塞现象，从而实现了高去除率和高加工精度的有效结合。但电解与磁流体研磨装置结构较为复杂，不易操作，且成本较高。

为了平衡低成本、高效率、高一致性等加工需求从而提出了双平面方式超精研抛方法。机构主要包括如下构件：上研磨盘、下研磨盘、偏心轮、保持架、齿圈。其中，上研磨盘和下研磨盘同轴放置，偏心轮几何中心与主轴中心存在偏心距，保持架中心与偏心轮几何中心同轴,保持架外圆有齿，与外齿圈啮合。加工前，圆柱滚子放置于保持架上均匀分布的槽孔里,加载压力由加载装置通过上研磨盘施加。加工时,保持架自转同时绕研磨盘中心公转，圆柱滚子在上、下研磨盘和保持架作用下既绕夹具中心公转又同时自身滚动，作复杂空间运动。

双平面方式超精研抛加工方法对设备精度的依赖度较低,结合加工轨迹优化、研磨盘修整等技术手段,可使工件获得高形状精度、高表面质量，但它的材料去除率与其它研磨方式比要低。

发明内容

为了克服已有技术的不足，为了改善双平面方式超精研磨方式，本发明提供一种低成本、较高去除率、高一致性的圆柱滚子力流变抛光方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种圆柱滚子力流变抛光方法，使用非牛顿流体作为基体制成抛光液，利用非牛顿流体力流变增加抛光液与圆柱滚子之间的去除率，达到高效的抛光；在抛光过程中，圆柱滚子工件与抛光液二者之间存在相对运动，抛光液与工件接触部分受剪切作用会发生剪切增稠现象，会产生一系列“粒子簇”，这会使接触区域抛光液的黏度增大，并形成剪切增稠弹性，增强了固态粒子对磨粒的把持作用，从而使得圆柱滚子与抛光液接触部位形成一个类似“柔性固着磨具”，从而抛光液中的磨粒会对圆柱滚子表面产生微切削作用，从而实现抛光效果。

进一步，将配置好的抛光液放置在抛光槽中，待加工的圆柱滚子放入下盘的直槽中，启动装置后，载物盘带动圆柱滚子转动，从而抛光液与工件圆柱面存在相对运动，工件的圆柱面受到一定剪切作用，实现对圆柱滚子抛光。

再进一步，所述的抛光液包括去离子水、固相粒子、磨粒、防腐剂、氧化剂和活性剂，所述固相粒子选用多羟基聚合物，比例为35～55wt％；所述磨粒粒度为50nm-10μm，防腐剂选择对羟基苯甲酸酯类、苯甲酸及其盐类。氧化剂为酸类物质，活性剂为磺酸钠，最后将多羟基聚合物超声分散后于磨粒等匀速混合，搅拌均匀。

再进一步，所述抛光液中的磨粒为3-10μm的氧化铝，1-5μm的碳化硅或50-100nm硅溶胶；所述的防腐剂为苯甲酸钠或对羟基苯甲酸甲酯或乙酯，比例为0.2～0.5wt％.活性剂为十二烷基磺酸钠，氧化剂为双氧水。

实现该抛光方法的装置包括上研磨盘、载物盘、压力传感器、弹簧压力装置和抛光槽，所述上研磨盘为偏心转动，所述上研磨盘上连接压力传感器、弹簧压力装置；所述上研磨盘位于载物盘上方，所述载物盘的直槽为放置待抛光圆柱滚子的工位，所述载物盘固定在转动轴上，所述上研磨盘和载物盘位于所述抛光槽内，力流变抛光液放置在所述抛光槽内。

进一步，所述载物盘的转动轴通过销与载物盘连接，当调整好上研磨盘的位置后，转动弹簧压力装置，压力示数通过压力传感器显示，圆柱滚子在上、载物盘和直槽作用下既中心公转又同时自身滚动，又可以在槽中前后移动，最终作复杂空间运动。

所述抛光方法包括如下步骤：

1)在具有力流变效应的非牛顿流体中添加磨粒制备出力流变抛光液，添加到抛光槽中；

2)将工件放置在载物盘的直槽中；

3)调节上研磨盘的位置，旋转弹簧压力装置给定压力，使上下研磨磨盘与圆柱滚子完成配合，工件没入合适深度。

4)开启电机，上研磨盘、载物盘公转，达到力流变抛光液与圆柱滚子产生相对运动的目的，实现工件表面的高效抛光。

本发明的有益效果主要表现在：1.装置结构简单，且非牛顿流体等材料易于获取，降低抛光成本；2.非牛顿流体具有流动性，从而实现对圆柱滚子的全面、高效抛光；3.圆柱滚子与抛光液接触部位形成一个类似“柔性固着磨具”，不会造成诸如凹坑、划痕和微裂纹等表面损伤。

附图说明

图1是双盘偏心转动圆柱滚子研磨装置的二维简图。

图2是圆柱滚子剪切增稠抛光微观示意图。

图3是上研磨盘、载物盘与圆柱滚子相互配合的三维示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图3，一种圆柱滚子力流变抛光方法，用非牛顿流体作为基体制成抛光液，利用非牛顿流体力流变增加抛光液与圆柱滚子之间的去除率，达到高效的抛光；在抛光过程中，圆柱滚子工件与抛光液二者之间存在相对运动，抛光液与工件接触部分受剪切作用会发生剪切增稠现象，会产生一系列“粒子簇”，这会使接触区域抛光液的黏度增大，并形成剪切增稠弹性，增强了固态粒子对磨粒的把持作用，从而使得圆柱滚子与抛光液接触部位形成一个类似“柔性固着磨具”，从而抛光液中的磨粒会对圆柱滚子表面产生微切削作用，从而实现抛光效果

进一步，将配置好的抛光液放置在抛光槽中，待加工的圆柱滚子放入下盘的直槽中，启动装置后，载物盘带动圆柱滚子转动，从而抛光液与工件圆柱面存在相对运动，工件的圆柱面受到一定剪切作用，实现对圆柱滚子抛光。

再进一步，所述的抛光液包括去离子水、固相粒子、磨粒和防腐剂，所述固相粒子选用多羟基聚合物，比例为35～55wt％；所述磨粒粒度一般为50nm-10μm，防腐剂一般选择对羟基苯甲酸酯类、苯甲酸及其盐类。氧化剂一般为酸类物质，活性剂一般为磺酸钠，最后将多羟基聚合物超声分散后于磨粒等匀速混合，搅拌均匀。

再进一步，所述抛光液中的磨粒为3-10μm的氧化铝，1-5μm的碳化硅或50-100nm硅溶胶；所述的防腐剂为苯甲酸钠或对羟基苯甲酸甲酯或乙酯，比例为0.2～0.5wt％；活性剂为十二烷基磺酸钠，氧化剂为双氧水。

现该加工方法的设备包括上研磨盘2，载物盘3、压力传感器5、弹簧压力装置6、抛光槽9和转动轴10，上研磨盘2、载物盘3材料为铸铁，圆柱滚子1放入载物盘的直槽7，使圆柱滚子1卡在直槽7中且让它的下圆柱面浸润在力流变抛光液4中，抛光液放置在抛光槽9中，上研磨盘2偏心转动，而载物盘3的转动轴10通过销8与载物盘3连接，从而带动载物盘一起转动；上研磨盘、载物盘之间存在相对速度；当调整好上研磨盘的位置后，转动弹簧压力装置6，压力示数通过压力传感器5显示，圆柱滚子在上研磨盘、载物盘和直槽作用下既中心公转又同时绕自身转动，又因为上研磨盘为偏心运转，所以研磨时又可以前后移动，最终作复杂空间运动。

所述抛光方法包括如下步骤：

1)在具有力流变效应的非牛顿流体中添加磨粒制备出力流变抛光液4，添加到抛光槽9中；

2)将工件放置在载物盘3的直槽7中；

3)调节上研磨盘2的位置，旋转弹簧压力装置6给定压力，使上下研磨磨盘与圆柱滚子完成配合，工件没入合适深度。

4)开启电机，上研磨盘、载物盘(2、3)公转，达到力流变抛光液4与圆柱滚子1产生相对运动的目的，实现工件表面的高效抛光。

本实施例中，首先确定了高性能力流变抛光液制备的基本流程：首先，将一定粒径的多羟基聚合物颗粒添加去离子水，经超声波分散15min制成剪切增稠基液；将一定粒度的氧化铝磨料混入基液中，搅拌30min，再经超声波分散15min，制成抛光液。

所加工圆柱滚子的直径

母线长度为30mm，上研磨盘速度ω_up＝25r/min，载物盘转速ω_c＝20r/min，所述的防腐剂为苯甲酸钠，比例为0.3wt％，本次实验在如图1所示的装置上进行，具体实验参数如表1所示。

表1

表2显示了实施例中圆柱滚子的加工结果。结果显示，本实施例中的圆柱滚子材料去除率稳定，所得到的粗糙度、圆度较好。加工20min后，圆柱滚子的材料去除率为0.541μm/min；表面粗糙度R_a由0.098μm下降至0.012μm，圆度由0.74μm下降至0.25μm。与传统研磨过程相比(在相同的工艺条件下)该方法所得到材料去除率较高。

表2。

本说明书的实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，仅作说明用途。本发明的保护范围不应当被视为仅限于本实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域的普通技术人员根据本发明构思所能想到的等同技术手段。

Claims (3)

1.一种圆柱滚子力流变抛光方法，其特征在于，使用非牛顿流体作为基体制成抛光液，利用非牛顿流体力流变增加抛光液与圆柱滚子之间的去除率，达到高效的抛光；在抛光过程中，圆柱滚子工件与抛光液二者之间存在相对运动，抛光液与工件接触部分受剪切作用会发生剪切增稠现象，会产生一系列“粒子簇”，这会使接触区域抛光液的黏度增大，并形成剪切增稠弹性，增强了固态粒子对磨粒的把持作用，从而使得圆柱滚子与抛光液接触部位形成一个类似“柔性固着磨具”，从而抛光液中的磨粒会对圆柱滚子表面产生微切削作用，从而实现抛光效果；

实现该抛光方法的装置包括上研磨盘、载物盘、压力传感器、弹簧压力装置和抛光槽，所述上研磨盘为偏心转动，所述上研磨盘上连接压力传感器、弹簧压力装置；所述上研磨盘位于载物盘上方，所述载物盘的直槽为放置待抛光圆柱滚子的工位，所述载物盘固定在转动轴上，所述上研磨盘和载物盘位于所述抛光槽内，力流变抛光液放置在所述抛光槽内；

所述载物盘的转动轴通过销与载物盘连接，当调整好上研磨盘的位置后，转动弹簧压力装置，压力示数通过压力传感器显示，圆柱滚子在上研磨盘、载物盘和直槽作用下既中心公转又同时自身滚动，又可以在槽中前后移动，最终作复杂空间运动；

将配置好的抛光液放置在抛光槽中，待加工的圆柱滚子放入载物盘的直槽中，启动装置后，载物盘带动圆柱滚子转动，从而抛光液与工件圆柱面存在相对运动，工件的圆柱面受到一定剪切作用，实现对圆柱滚子抛光；

所述的抛光液包括去离子水、固相粒子、磨粒、防腐剂、氧化剂和活性剂，所述固相粒子选用多羟基聚合物，比例为35～55wt％；所述磨粒粒度为50nm-10μm，防腐剂选择对羟基苯甲酸酯类、苯甲酸及其盐类，氧化剂为酸类物质，活性剂为磺酸钠。

2.如权利要求1所述的一种圆柱滚子力流变抛光方法，其特征在于，所述抛光液中的磨粒为3-10μm的氧化铝，1-5μm的碳化硅或50-100nm硅溶胶，所述的防腐剂为苯甲酸钠或对羟基苯甲酸甲酯或乙酯，比例为0.2～0.5wt％，活性剂为十二烷基磺酸钠，氧化剂为双氧水。

3.如权利要求1所述的一种圆柱滚子力流变抛光方法，其特征在于，所述抛光方法包括如下步骤：

1)在具有力流变效应的非牛顿流体中添加磨粒制备出力流变抛光液，添加到抛光槽中；

2)将工件放置在载物盘的直槽中；

3)调节上研磨盘的位置，旋转弹簧压力装置给定压力，使上研磨盘、载物盘与圆柱滚子完成配合，工件没入合适深度；

4)开启电机，上研磨盘、载物盘公转，达到力流变抛光液与圆柱滚子产生相对运动的目的，实现工件表面的高效抛光。

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