（机械电子工程专业论文）大型轴承滚道复合加工关键技术问题研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 大型轴承作为重型装备中的基础部件，直接影响主机的工作性能。随着现代工业的 飞速发展，对大型轴承的寿命、精度、承载能力提出了更高的要求。 大型轴承的质量受到材料、加工设备和加工方法等多方面的影响。其中，滚道的表 面质量是影响大型轴承质量的重要因素，直接关系到轴承的使用性能，因此滚道的终加 工至关重要。传统的终加工方法主要采用精磨或磨后抛光，但是这种方法存在着很多不 足之处，如表面质量差、表面质量不稳定、加工时间长等问题，很难满足大型轴承滚道 加工的要求。 本文提出利用电化学砂带复合加工( e c a b m ) 方法，通过电化学的阳极溶解以及 砂带的“冷态、柔性”机械作用的相互配合，对大型轴承滚道表面进行光整加工。针对 电化学砂带复合加工在加工大型轴承滚道中的关键技术问题，从理论与实验两方面做了 较为充分的研究。 首先，研究了电化学砂带复合加工的基本原理，分析了其微观整平机理，得到了影 响最终表面质量的工艺参数。 其次，针对大型轴承滚道电化学砂带复合加工的特点，设计了加工装置，主要包括： 总体结构、电解液循环系统、砂带去膜装置、工具阴极，并利用f l u e n t 流体力学软 件对加工流场做了数值模拟。 最后，在模拟大型轴承加工工况的前提下，以小尺寸金属套圈为试件，建立了电化 学砂带复合加工实验装置。通过电解液实验选取了加工效率高且加工质量好的电解液成 分；利用正交试验以及单因素实验，对加工过程中各参数之间的匹配关系做了较为充分 研究。实验研究结果表明：在优选的工艺参数条件下，金属套圈表面粗糙度值可以从 r a 0 6 9 m 降低到r a 0 0 3 9 m 以下。用小尺寸金属套圈寻找的工艺参数规律可为大型轴承 滚道加工参数的选择提供依据，避免了直接以大型轴承为工件寻找工艺参数规律的昂贵 性、不便性和盲目性。 将电化学砂带复合加工引入大型轴承滚道精加工，可以替代传统的大型轴承滚道细 磨削和超精加工，获得良好表面质量的滚道。有利于克服当前大型轴承滚道终加工的不 足，改善大型轴承的工作性能和使用寿命。 关键词：大型轴承；电化学砂带加工；滚道；表面质量；模拟 大型轴承滚道复合加工关键技术问题研究 s t u d y o n k e yt e c h n i c a l p r o b l e m sa b o u tc o m b i n e dm a c h i n i n go fl a r g e b e a r i n gr a c e w a y a b s t r a c t l a r g eb e a r i n g ，a st h eb a s i cp a r ti nh e a v ye q u i p m e n t s ，a f f e c t sw o r k i n gp e r f o r m a n c eo f m a i ne q u i p m e n t sd i r e c t l y w i t l lt h er a p i dd e v e l o p i n go fm o d e m i n d u s t r y ，t h el a r g eb e a r i n g s h a v eb e e ne x p e c t e dt oh a v el o n gl i f e ，h i g hp r e c i s i o n ，h i g hl o a dc a p a c i t y t h e q u a l i t yo fl a r g eb e a r i n gi sa f f e c t e db ym a n ya s p e c t ss u c ha sm a t e r i a l ，p r o c e s s i n g e q u i p m e n t ，p r o c e s s i n gm e t h o d ，e c t t h es u r f a c eq u a l i t yo fr a c e w a y i st h em o s ti m p o r t a n to f t h e mw h i c hi sd i r e c t l yr e l a t e dt ot h ew o r k i n gp e r f o r m a n c eo ft h el a r g eb e a r i n g ，s ot h ef i n a l p r o c e s s i n gi sv e r yi m p o r t a n t t r a d i t i o n a l l y ，t h ef i n a lp r o c e s s i n go ft h el a r g eb e a t i n g i sf i n e g r i n d i n go rp o l i s h i n ga f t e rg r i n d i n g ，b u ti th a ss o m ed e f i c i e n c i e ss u c ha sb a ds u r f a c eq u a l i t y ， u n s t a b l es u r f a c eq u a l i t y ，l o n gp r o c e s s i n gt i m e ，e c t s oi ti sv e r yh a r dt om e e tt h er e q u i r e m e n t o ft h el a r g eb e a r i n gr a c e w a ym a c h i n i n g t h i st h e s i ss u g g e s t se l e c t r o c h e m i c a la b r a s i v eb e l tm a c h i n i n g ( e c a b m ) ，w h i c hm a c h i n e s b yt h ei n t e r w o r ko fe l e c t r o c h e m i c a la n o d ed i s s o l u t i o na n dt h e “c o l d ，f l e x i b l e p o l i s h i n go f a b r a s i v eb e l t ，t of i n i s ht h el a r g eb e a t i n gr a c e w a y a c c o r d i n gt ot h ek e yt e c h n i c a lp r o b l e m so f e c a b mw h e nm a c h i n i n gl a r g eb e a r i n gr a c e w a y ，t h i sp a p e rd i dc o m p a r a t i v e l ys u f f i c i e n t r e s e a r c ht h e o r e t i c a l l ya n de x o e d m e n t a l l v f i r s t 嚣d ：i 岂嚅t h eb 矗cp r i n c i p l e 。o fe c a b m ，a n a l y z e d t h em i c r 0 p l a n n i n gt h e 。巧， o b t a i n e dt h em a c h i n i n gp a r a m e t e r sw h i c ha r ei m p o r t a n tt ot h ef i n a ls u r f a c eq u a l i t y t h e n ，a c c o r d i n g t ot h ee c a b mo fl a r g eb e a t i n gr a c e w a y ，t h em a c h i n i n gd e v i c eh a d b e e nd e v i s e dw h i c hi n c l u d e sg e n e r a ls t r u c t u r e ，e l e c t r o l y t ec i r c u l a t i n gs y s t e m ，p a s s i v ef i l m r e m o v i n ga b r a s i v eb e l td e v i c e ，c a t h o d et o o l ，a n du s i n gf l u i dd y n a m i c ss o r w a r ef l u e n t t o s i m u l a t et h em a c h i n i n gf l o wf i e l dw h i c hh e l p st oi m p r o v et h ec a t h o d es t r u c t u r e a tl a s t ，b yt h ep r e m i s eo f s i m u l a t i n gl a r g eb e a r i n gm a c h i n i n gc o n d i t i o n ，t a k i n gs m a l l m e t a lr i n ga ss p e c i m e n ，e s t a b l i s h e dt h ee x p e r i m e n t a ld e v i c eo fe c a b m t h r o u g ht h e e l e c t r o l y t ee x p e r i m e n t ，t h ec o m p o s i t i o no f t h ee l e c t r o l y t eh a db e e nd e t e r m i n e dw h i c hl e a d st o h i g hm a c h i n i n gq u a l i t ya n dh i g hm a c h i n i n ge f f i c i e n c y t h r o u g ho r t h o g o n a le x p e r i m e n ta n d s i n g l ef a c t o re x p e r i m e n t ，t h em a t c h i n gr e l a t i o n s h i po f t h ep r o c e s s i n gp a r a m e t e r sh a db e e n f u l l yr e s e a r c h e d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tu s i n gt h eo p t i m u ms e e k i n gp a r a m e t e r s ， t h es u r f a c er o u g h n e s so ft h es p e c i m e nc a nb er e d u c e dt or a 0 0 3 p mf r o mr a 0 6 1 m a t h e o p t i m u ms e e k i n gp a r a m e t e r sa r ea l s os u i t a b l et ot h el a r g eb e a r i n gr a c e w a ym a c h i n i n gu s i n g i i e c a b m ，w h i c hc a na v o i dt h ee x p e n s i v e 、i n c o n v e n i e n ta n db l i n de x p e r i m e n tu s i n gl a r g e b e a r i n ga ss p e c i m e nd i r e c t l y i n t r o d u c i n ge c a b m t ot h el a r g eb e a r i n gr a c e w a yf i n i s h i n gw h i c hc a nr e p l a c et r a d i t i o n a l g r i n d i n ga n ds u p e r f i n i s h i n g ，c o u l do b t a i ng o o dr a c e w a ys u r f a c eq u a l i t y i ti sb e n e f i c i a lt o o v e r c o m et h ed e f i c i e n c i e so f l a r g eb e a r i n gr a c e w a yf i n a lp r o c e s s i n g ，i m p r o v et h ew o r k i n g p e r f o r m a n c ea n dl i f e t i m eo fl a r g eb e a t i n g k e yw o r d s ：l a r g eb e a r i n g ；e c a b m ；r a c e w a y ；s u r f a c eq u a l i t y ；s i m u l a t i o n i i i 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：太型塾丞速道复佥盘王差链垫盔闻塑盈究 作者签名： 如型垦 日期： 丝2 仝年生月二生日 大连理工大学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目： 作者签名： 导师签名： 一丕型丝丞= ! 堡垒坠竺三叁盟塑盘：塑垒型望 日期： 兰竺12 年j l 月兰l 日 日期：趔军年上月日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 选题背景和研究意义 课题来源：大连市科技计划项目( 2 0 0 7 a 1 0 g x l 2 0 ) 。 轴承作为一种重要的基础机械部件，在机械装备中起着重要作用。各类主机的工作 精度、性能、寿命、可靠性等指标，都与轴承性能有着密切的关系。 所谓大型轴承，是一个相对的概念，一般指外径4 4 0 m m 以上的轴承。各类大型轴 承广泛用于风电、冶金、采矿、石油、船舶、装载、起吊、电站及军工等各种重型装备 上。其产量不大，但产值较高，对国民经济有很大影响【m 】。 我国是全球第四大轴承市场，也是主要的轴承生产斟3 1 。然而，一些重大技术装备 和产品所需要的大型轴承大部分依靠进口。比如，近几年来火车几次提速，目前客车时 速1 6 0 公里以上用的大型轴承全部靠进口；风力发电机械，冶金矿山机械、工程机械， 尤其是引进国外成套设备所需的维修轴承大部分进口【4 j 。究其原因，我国的大型轴承的 承载能力、使用寿命、噪音水平等技术指标与国外产品有较大的差距【5 】。要缩小这种差 距，不仅需要在设计、材料、热处理工艺方面采取有效措施，在精加工工艺和装备上也 必须有所突破。而传统的加工工艺很难实现实质性的突破，寻找一种新型的加工工艺不 失为切实可行的方法。 轴承滚道的终加工对轴承的工作性能有很大影响。改善滚道的表面质量，能改善滚 道表面的物理力学性能，从而提高轴承的旋转精度和耐磨性、降低轴承的振动和噪音、 延长使用寿命。然而，长期以来，轴承行业对大型轴承的精加工手段较为落后，中小型 轴承广泛使用的超精加工工艺并没有得到有效的应用【6 】。在实际生产中，大型轴承的滚 道往往采用将磨削作为最终工序。若对轴承滚道光洁度要求高就需采用抛光机抛光或用 橡胶砂轮抛光的方法进行光整加工。这两种方法，前者成本低，但破坏了滚道的几何形 状；后者成本高，且尺寸难以控制。中小型轴承滚道采用机械磨削后超精研磨，表面粗 糙度r a 值能达到o 0 5i n n 7 】。而由于大型轴承加工的特殊性，滚道最终的粗糙度r a 通 常在0 1 岬以上【8 】。大型轴承是大型设备中的关键零部件，精度、寿命及可靠性要求都 非常高，因此对其滚道进行进一步的光整加工以提高表面质量是十分必要的。 电化学机械复合加工( e l e c t r o c h e m i c a lm e c h a n i c a lm a c h i n i n g ) 是上世纪七十年代末 由日本日立造船技术研究所学者木本康雄等人提出，并在加工大型圆筒类零件内表面方 面取得突破性的成果，获得了专禾l j 9 1 。后来，国内外的研究学者不断研究发展，使其成 为一种行之有效的工件光整加工方法。 大型轴承滚道复合加工关键技术问题研究 据大连理工大学的研究资料显示，通过对型号为6 3 1 0 的轴承内、外滚道的镜面加 工，表面波纹度和粗糙度大幅降低，使得该轴承的噪声水平从6 0 d b 降低到4 7 5 d b ，使 用寿命提高了8 倍以上n 0 1 。 电化学机械复合加工应用于中小型轴承已经有相关研究并取得了不错的效果，但由 于大型轴承尺寸的特殊性，将现有的加工方法直接应用到大型轴承，无论从设备上还是 工艺上都存在一些问题。本课题针对大型轴承加工的特点，将电化学机械复合加工应用 于大型轴承的光整加工，解决其关键技术问题，具有重要的研究意义与应用价值。 1 2 大型轴承滚道终加工的重要性及存在的问题 滚道的终加工一般以提高滚道表面质量为目的，因此它的好坏直接影响轴承的工作 性能。但是由于现有大型轴承终加工工艺本身的限制，想要提高滚道的表面质量存在很 大难度。 1 2 1滚道表面质量对轴承性能的影响 轴承滚道的表面质量是影响轴承性能的重要原因。表面质量主要通过粗糙度，圆度， 波纹度以及表面变质层来反映。 其中表面粗糙度最能反映滚道的表面质量。它对轴承的主要影响表现如下： 滚道表面越粗糙，摩擦系数越大，直接影响着轴承的振动和噪音。 滚道表面粗糙度的大小还反映滚动体与滚道接触面的微观接触面积的大小。粗 糙度大，微观接触面积小，接触应力就会升高。当接触应力超出其接触疲劳极限，就会 产生疲劳裂纹，造成疲劳破坏。即轴承的表面粗糙度与轴承的寿命有很大关系。 表1 1 和1 2 分别为滚道表面粗糙度对球轴承和圆柱滚子寿命的影响n 。可以看 出降低表面粗糙度，可大幅提高轴承寿命。 表1 1 球轴承滚道表面粗糙度对轴承寿命的影响 t a b 1 1i n f l u e n c eo fs u r f a c er o u g h n e s so nb a l lb e a r i n gr a c e w a y 表1 2 圆柱滚子轴承滚道表面粗糙度对轴承寿命的影响 t a b 1 2i n f l u e n c eo fs u r f a c er o u g h n e s so nc y l i n d e r - r o l l e rb e a r i n gr a c e w a y 大连理工大学硕士学位论文 若滚道表面粗糙度过高，在运行时，接触表面微小的凸起会受压产生塑性变形， 引起配合精度降低，回转精度下降。 轴承的承载能力与轴承的润滑状态有很大关系。而润滑状态是通过油膜厚度与 表面粗糙度之比来体现。如果滚动表面光滑，能够完全被油膜隔开，接触面没有峰点碰 撞，则轴承寿命高、承载能力强f 1 2 】。 1 2 2 大型轴承滚道终加工现状 ( 1 ) 国内大型轴承滚道终加工现状 对于大型轴承套圈来说，其尺寸大，滚道宽度大，在进行油石超精超精加工时，很 容易造成油石内凹；另外油石消耗量过大，这对油石的补偿系统和过滤系统要求很高。 由于超精技术上的限制，国内通常是以精磨削作为终加工工序。加工后的滚道表面粗糙 度在r a o 2 0 6 1 t m 之间【1 3 】。 砂轮磨削大型轴承滚道时，通常存在以下几个问题： i 由于滚道宽度大，磨削时的砂轮的磨削面积较大，冷却液很难直接进入切削区， 冷却效果较差。因此，磨削时产生磨削热量和磨削温度相当大，容易引起磨削烧伤和磨 削裂纹( 如图1 1 所示) ，从而影响轴承滚道表面质量。 提高工件线速度和减少砂轮直径是防止磨削烧伤和磨削裂纹的有效措施【1 4 1 。但大型 轴承的重量大，尺寸大，增加线速度对加工加床要求非常高；而大型轴承的总磨削面积 大，减小砂轮直径会使砂轮的磨削面积减小，进而砂轮表面的堵塞情况加剧，影响磨削 效率。因此以上两种方法很难实现。 i i 当磨削用于提高表面质量时，磨削效率很低。增加磨削的转速是提高磨削效率 的有效方法，但是同样受磨削烧伤以及大型轴承重量的限制。 磨削属于高温切削，工件切削点的表面温度可达8 0 0 。c 1 5 0 0 ，还因同时发生 的切削挤压、塑性变形，致使工件的磨削表面层内应力畸形产生，甚至产生金相组织的 变化。磨削表面层发生物理、化学变化，形成了变质层，会降低滚动接触疲劳强度及轴 承的使用寿命【l5 。 另外，对于大型薄壁轴承，磨削加工时产生的热量容易使其变形，不仅粗糙度高， 圆度也难以保证。 大型轴承滚道复合加工关键技术问题研究 图l l磨削烧伤和磨削裂纹图片 f i g 11d i a g r a mo f g r i n d i n g b u r na n d g r l n a i n gc r a c k s 我国在大型轴承超精加工工艺上所能达到的水平与国外相比，相差甚远，因此无法 满足较高表面质量的要求，造成轴承的使用性能和寿命降低。究其原因，根源在于国内 轴承行业在全面地、综合地对机床设备、磨具、工作液、加工工艺等方面的研究同发达 国家相比有较大差距。由于加工质量所引起的问题，严重阻碍了轴承企业生产和经济效 益的提高，很多重要主机用大型轴承必须以高价进口来解决问题，给企业、国家带来了 沉重的负担。因此，我们必须从国情出发，认清楚当前我国工业底子薄，技术基础差的 落后现状，深入研究和开发适合国情和具有特色的光整加工新工艺，来解决我国大型轴 承精加工技术所面临的困境。 ( 2 ) 国外大型轴承滚道终加工现状 近年来，国外一些公司通过对传统超精工艺及设各的改进，研制出了大型轴承滚道 超精机，但是并没有取得预期的效果，大型轴承的滚道表面粗糙度还在r a 0i 胂以上。 此外油石超精工艺的某些局限性是不可避免的。 超精加工一般是指在良好的润滑条件下，被加工工件旋转。油石以一定的压力弹性 地压在工件滚道研磨表面，并在垂直于工件旋转方向按一定规律作往复振荡运动的一种 光整加工方法。 超精加工的运动有= 种，如图12 中所示： 工件的旋转运动v 。； 油石的纵向往复进给运动v r ； 油石的振荡运动f o 大连理工大学硕士学位论文 石 p 图1 2 超精加工原理图 f i g 1 2p r i n c i p l es c h e m a t i cd i a g r a mo fs u p e r f m i s h i n g 超精加工可改善工件的表面质量，但由于其工艺的局限性，在加工轴承滚道，尤其 是大型轴承滚道时，还存在如下问题： 首先，在大型轴承滚道超精加工中，由于加工面积大，冷却条件差，原始表面粗糙 度高，油石堵塞现象严重，常造成加工过程不稳定。因而很容易产生表面烧伤，出现超 精瘤，造成表面缺陷。 其次，加工效率低，油石磨损后加工的一致性差。 再次，超精加工是在磨削后进行的，磨削加工后的微观表面形貌为尖峰状，由于油 石的切削作用差，在油石的强力挤压下，尖峰处金属产生塑性流动而被挤入微观凹坑内， 掩盖了真实的表面形貌。使用一段时间后，由于疲劳磨损而剥离，使表面质量更差【1 6 j 。 由于大型轴承自身的结构特点，其滚道光整加工技术发展较为缓慢，大型轴承的滚 道表面质量很难进一步提高。即使是国外先进的油石超精技术，加工出来的大型轴承， 也很难到达期望的表面质量。因此，急需新的加工工艺，取代传统的超精加工工艺。 1 3 电化学机械复合j j l - r 技术及本文的研究思路 1 3 1 电化学机械复合加工技术的特点 电化学机械复合加工是电解作用和机械磨削作用相结合的加工方法，比电化学加工 具有更好的加工精度和表面质量，比机械磨削有更高的加工效率【1 7 1 。它具有如下优点【1 8 】： 加工范围广，生产效率高 由于电化学机械加工主要是靠电化学作用去除金属，所以其加工性能理论上不受金 属材料、自身强度、硬度的限制，只要有合适的电解液，就可以加工几乎任何高硬度、 高韧性、高强度的金属材料，生产率很高。有文献表明：电解磨削硬质合金的生产率比 大型轴承滚道复合加工关键技术问题研究 采用金刚石砂轮的常规磨削要高3 5 倍；运用电化学机械抛光方法加工模具，生产率比 手工抛光提高3 - 9 倍。 可提高加工精度和表面质量 电化学机械复合光整3 n t 主要不是依靠机械切削力来去除金属，所以用这种方法加 工出来的工件的表面，理论上不仅粗糙度很低，而且无表面无机械划痕，没有加工硬化 层、变质层、残余应力以及常规磨削易出现的烧伤等缺陷。 表面微观形貌不同于机械磨削 从加工原理上讲，机械磨削表面微观呈尖峰状，而电化学机械加工表面表现为平顶 状，即“高原型表面，这种表面具有较高的支承能力，作为摩擦表面时，具有比机械 加工工件好的摩擦、磨损特性，这种表面还具有耐腐蚀等优点。 易于控制 从理论上来说，通过控制电化学作用的电参数，就可实现对加工过程的控制，所以 容易实现自动控制。 1 3 2电化学机械复合加工技术国内外研究现状及应用 正是由于电化学机械复合加工具有上述特点，各国研究人员都在该领域开展了相关 的研究，主要集中在如何提高零件光整加工的表面质量、加工精度以及加工效率，并试 图提高加工工艺过程的自动化水平。根据文献显示，日本、欧美等国的学者在该技术研 究领域发表了大量的研究文章，国内的大连理工大学、哈尔滨工业大学等院校也相继做 了大量的研究工作，取得了一些重要的研究成果。 日本科学家木本康雄、前烟英彦和釜田浩等首先在上世纪七十年代后期成功地开发 了电化学机械光整加工工艺，有效地解决了生产中对大面积表面高光洁度处理的工艺难 题。根据日立造船公司资料表明，电化学机械复合加工技术已成功应用于非晶硅太阳能 电池不锈钢基板加工、船用柴油机大型零件加工以及与原子能技术有关的设备的镜面加 t 1 9 0 2 1 lo 清宫统一等学者研究了电解研磨法镜面加工的原理和工艺特性，并将其应用于多种 表面平面、内圆面、自由曲面的光整加工中，该研究对电化学机械复合加工技术在模具 型腔表面光整中的应用具有重要意义【2 2 。2 3 】。 瑞典学者f a d a i et e h r a n i ，a 在电化学机械加工过程中，采用脉冲电流代替直流电 流。结果表明，脉冲电流中的脉宽、脉间的不同组合可使机械去除和电化学去除之间的 比例大范围可调，因而给过程控制和参数优化带来很大便利【2 4 1 。 大连理工大学硕士学位论文 美国学者j js u n 针对模具中镍基合金、钦台金等材料存在难以光整加工的问题， 开发了正反向电场相结合的脉冲电化学机械光整加工技术，提高了模具钢的光整加工表 面质量口”。 国内大连理工大学周锦进教授首次将电化学机械光整加工应用于不锈铜镜面板的 加工，取得了满意的效果。后来又逐步应用于轧制精密合金面板的加工、模具型腔的镜 面加工、长径比大于2 0 0 的细长管的光整加工、大型化工反应釜内壁的光整加工，开发 出成套设备，该项技术还应用于轴承、齿轮等各类零件的光整加工，取得了满意的效果。 目前，在国内该项技术已成功地应用于镜面板轧辊、太面积镜面板抛光、反应釜抛光、 模具抛光等多个领域1 2 删。 a ) 冷轧轧辊b ) 反应釜内壁 图1 3 电化学机械加工应用 f i g 1 3 t h e a p p l i c a t i o n o f e l e c t r o c h e m i c a l m e c h a n i c a l m a c h i n i n g 哈尔滨工业大学赵家齐等学者研究了流动磨料电解研磨复合加工工艺，探讨了工艺 参数对加工质量的影响3 0 - 3 ”。 133 电化学砂带复合加工大型轴承的提出 机械作用是电化学机械光整加工方法的重要组成部分是保证最终表面光整质量的 重要影响因素之一。在机械光整加工方法中，按照磨料在加工过程中所处状态的不同， 可以划分为非自由磨料光整加工和自由磨料光整加工m 】。当磨料以某种形式构成磨具， 始终与工件保持确定的相对位置，并以一定的切削参数实现对工件表面的加工，达到提 高工件表面质量的目的，这类光整加工方法称为非自由磨料光整加工。非自由磨料光整 加工主要包括光整磨削、超精研磨、珩磨、砂带抛光、弹性轮抛光、动力刷抛光，以及 滚压、金剐石压光、挤孔等光整加工。自由磨料光整加工是指磨料或以某种形式构成的 磨具始终与工件没有确定的相对位置，加工时处于游离状态，并在一定的相对速度和压 力下，随机地对工件表面进行挤压、刻划和微量切削，实现对工件表面的光整加工，达 大型轴承滚道复合加工关键技术问题研究 到提高工件表面质量的加工方法。属于这类自由磨料光整加工的方法有研磨、滚磨、磁 磨、磨料流挤压珩磨等。 从理论上说，上述的机械作用方法都可以和电化学作用结合起来而成为电化学机械 复合加工。但是轴承滚道加工的特殊要求，即整个滚道表面质量均匀且滚道的尺寸精度 要求高，必须采用非自由磨料机械作用方法。当前对于中小型轴承滚道的电化学机械复 合加工，机械部分通常采用油石磨削。但是在大型轴承滚道的加工中，此种复合方式存 在一些问题： 大型轴承滚道的原始表面粗糙，容易造成油石堵塞，导致表面质量恶化。 大型轴承滚道的加工面积大，宽油石容易发生内部凹陷，造成加工表面粗糙度 不均匀，另外大面积的油石，内部冷却条件差，容易引起工件表面烧伤。 油石易于损耗，大型轴承滚道的加工时间长、表面粗糙，油石的消耗量更大， 如何补偿油石的消耗和电解液的充分过滤是加工过程中的难点。 砂带是特殊形态的多刀、多刃的切削工具，其切削功能主要由粘附在基底上的磨粒 来完成。作为一颗磨粒的切削行为，可以比喻为一般切削加工刀具的微型体的切削行为。 砂带属一种单层磨料的磨具，是砂带磨削的主体，它由磨料、粘结剂、基体材料三要素 组成，在具有可挠性且极为平坦的布料或纸料基体表面上，平整地排列着长径立起的磨 粒，靠粘结剂和基体材料保持可挠性和弹性。作为涂附磨具的主要品种，其性能是由各 部分要素综合形成的，由于这些要素的组成各异，使得砂带这种涂附磨具的性能可满足 不同的工件材料在不同的加工条件下进行磨削加工的要求，同时也形成了砂带磨削的诸 多优点【3 2 j ：砂带磨削时，砂带经接触轮与工件被加工表面接触，由于接触轮的外缘材料 一般是一定硬度的橡胶或塑料，是弹性体；同时砂带的基底材料是纸、布或聚酯薄膜， 也有一定的弹性，因此在砂带磨削时，弹性变形区的面积较大，使磨粒承受的载荷大大 减小，载荷值也较均匀，且有减振作用。砂带磨削时材料的塑性与砂轮相比变形和摩擦 力均较小，力和热的作用降低，工件温度低。砂带粒度均匀、等高性好，磨粒尖刃向上， 有方向性，且切削刃间隔长、切削不易堵塞，因此有较好的切削性。这些都使得加工表 面能得到很高的表面质量。 此外，砂带磨削还具有磨削速度稳定、磨削成本低等优点，目前普遍被应用于金属， 非金属材料，大面积板材，金属带材或线性、长径比很大的工件内外圆、复杂异型工件 等的加工。砂带磨削虽然具有许多优点，但尚未能应用于大型轴承滚道的精加工。这主 要是受到细砂带磨削效率的制约。 电化学砂带复合加工中，砂带磨削相比于其他机械复合方式，可以均匀有效的去除 表层的钝化膜而不会对工件表面造成损伤。可以提高电化学加工的表面质量和加工精 度，同时也解决了单纯的砂带磨削效率低的问题。 大连理工大学硕士学位论文 电化学砂带复合加工应用于大型轴承滚道，除了滚道表面质量可以得到极大改善 外，还具有如下优点： 砂带在电机带动下回转，实现砂带的不断更新，避免了磨粒被钝化膜堵塞，相 比于油石等其他磨具，除膜的效率更高，使得电化学作用去除金属的效率高，从而保证 了较高的复合加工效率。有利于解决大型轴承加工时间长的问题。 合理设计阴极的形状，可以对滚道表面进行修形加工，如加工出带凸度的滚道。 砂带的柔性作用可与滚道表面均匀贴合，实现均匀去除氧化膜，具有很高的成型精度。 电化学砂带复合加工大型轴承滚道，突破了传统的加工工艺，有望获得良好的表面 加工质量和加工精度，极大的改善轴承的工作性能。但这种全新的加工工艺，加工参数 复杂，且相互之间联系紧密，想要实际应用，必须要做大量的理论分析和实验研究。 1 3 4 本文研究思路和主要工作 本文将首先介绍电化学砂带复合加工的基本原理，揭示其微观整平机理，分析电化 学砂带复合加工中影响加工质量的参数。并以此为出发点，结合大型轴承的特点，设计 加工装置的总体结构，确定基本动作，并对其中关键部件采用理论分析与软件模拟优化 相结合的方式进行设计。最后，为克服用大型轴承寻找工艺参数规律的昂贵性、不便性 和盲目性，在模拟大型轴承滚道加工条件的情况下，采用以小型金属套圈为试件，进行 工艺参数的匹配实验。分析实验结果，得到可获得良好表面质量的较优工艺参数值，为 大型轴承加工工艺参数的选取提供重要依据。研究思路和工作内容如图1 4 所示。 大型轴承滚道复合加工关键技术问题研究 图1 4研究思路和主要工作 f i g 1 4 s c h e m a t i cd i a g r a mo fr e s e a r c ht e c h n i q u ei nt h i sp a p e r 1 0 - 大连理工大学硕士学位论文 2 电化学砂带复合a n _ t _ 技术研究的基础理论 2 1电化学加工技术的基础理论 2 1 1 电化学加工电极反应机理 电化学加工是利用一定的电解液，将被加工工件作为阳极，配以相应的工具阴极， 两极通以直流电后在阳极发生阳极溶解，以去除工件表面金属。若电解液以及参数选取 合适，在阳极表面金属去除的同时，还能整平零件表面微观几何形貌，提高表面质量。 图2 1 是电化学加工轴承套圈示意图，整个加工系统主要由脉冲电源、电解液、阴 极和阳极四部分组成1 3 4 1 。 阴极 电解液 图2 1电化学加工示意图 f i g 2 1 s c h e m a t i cd i a g r a mo fe c m 阳极 当接通电源，在外电场作用下，金属导体中的自由电子定向运动，电解液中的正离 子移向阴极，在阴极上得到电子而进行还原反应；负离子移向阳极，在阳极表面失去电 子而发生氧化反应。溶液中正、负离子的定向移动称为电荷迁移，在阴、阳表面发生得 失电子的反应称为电化学反应，利用这种电化学作用为基础对金属进行加工的方法即为 电化学加工。 下面，以采用n a n 0 3 水溶液加工g c r l 5 轴承钢为例，简述加工机理。g c r l 5 轴承 钢中，碳主要以碳化物( f e 3 c 、c r a c ) 的形式存在，且c r 和c 的含量都很小( c o 9 5 1 0 5 ，c r l 3 - - 1 6 5 ) 。n a n 0 3 为强电解质；在水中全部电离，加上水分子的部分电 离，则溶液中存在有n a + 、h + 、n o ：、o h 。等带电离子。 加工过程中的主要电极反应： 大型轴承滚道复合加工关键技术问题研究 阳极因电化学作用而发生氧化反应，金属原子失去电子进入溶液，并进一步与溶液 中的o h 化合，生成f e ( o h ) 3 的沉淀物而离开反应系统。电化学反应式为： f e 2 ejf e 2 +( 铁阳极溶解) f e 2 + + 2 0 h 。一f e ( o h ) ，山 ( 墨绿色絮状物) 4 f e ( o h ) 2 + 2 h 2 0 + 0 2 专4 f e ( o h ) 3 山 ( 黄褐色沉淀物) 在工具阴极，氢离子被吸引到阴极表面，从电源得到电子而析出氢气，电化学反应 为： 2 h + + 2 e h 2 个 n o ；+ h 2 0 + 2 e 专n o ；+ 2 0 h 2 1 2 法拉第( f a r a d a y ) 定律 ( 逸出氢气) 电化学加工作为一种加工工艺方法，人们不仅关心其加工机理，更关心其在实际加 工过程中工件尺寸、形状以及被加工表面质量的变化规律，而法拉第定律既能够定性分 析，又能够定量计算，揭示电化学加工工艺的本质规律【3 5 1 。 法拉第定律包括以下两项内容： ( 1 ) 法拉第第一定律：在电极的两相界面处发生电化学反应的物质的量与通过其 界面上的电量成正比。 ( 2 ) 法拉第第二定律：在电极上溶解或析出i m o l 当量的任何物质所需要的电量 是一样的，与该物质的本性无关。 法拉第定律是电化学过程所遵循的最基本规律，它反映了在电极界面上发生反应的 质量与通过电量之间的关系： m = k q = k i t ( 2 1 ) 式中，m 一阳极溶解的金属质量( g ) q 一通过两相界面的电量( a s ) ； k 元素的质量化学当量( a s ) ； ，一电流( a ) ； f 一电流通过的时间( s ) 。 在具体加工中，法拉第电解定律简化为： ，= 7 7 国f ( 2 2 ) 式中，一阳极某点的溶解速度( e m m i n ) ； f 一阳极某点的电流密度( a c m 2 ) ； 卵一电流效率； 大连理工大学硕士学位论文 0 9 一体积电化学当量 c m 3 ( a m i n ) 。 推导过程如下： 假设加工间隙两端的加工电压为e ，加工电流为，工件金属的原子量为m ，溶解 时以玎价离子溶入电解液，则这种金属的一克当量为m 刀，按法拉第定律可知，溶解 m n 克金属所需电量为f 9 6 5 0 0 库仑，显然，l 库仑电量所溶解的金属重量为m ， 克，当加工时的电量为j ，库仑时，将溶下g = i t m n 克金属。考虑到极化或阳极金属 本身的化学性质不均等原因，用于溶解金属的电量只是总电量的一部分，即存在着电流 效率r l 的问题，所以实际溶解的金属质量为g = r l l t m n 克，则单位时间内溶解的金属 质量( g s ) 一g ：r l m i ( 2 3 ) 一= 一 z ， tn f l 单位时间内溶解的金属体积( c m z m i n ) 旦：翌丝 ( 2 4 ) 一= 一 z 斗， t 7n f y 单位时间内进给方向上的溶解速度( c m m i n ) 1 ，：一g ：r l m i ：刀缈f( 2 5 ) 1 ，= 一一= 一= 刀缈z l 厶) j t y s n f r s 其中，y 一金属密度( r d c m 3 ) ；r 加工面积( c m 2 ) 扛三一电流密度( a c m 2 ) ；彩：姿一体积化学当量( c m 3 a m i n ) s n 奎y 在实际电化学加工过程中，极化作用会产生成为分解电压e ，的反电动势，因此， 式( 2 5 ) 中，电流密度f 与加工电压e 和加工间隙有关，即产生加工电流的电压不是 e ，而是电流通过加工间隙时，由电解液电阻尺：- a 形成的欧姆电压降，即间隙电压 k o s 昧= e e ， ( 2 6 ) 其中，是电解液的原始导电率。 按欧姆定律，电流密度 汪兰：兰盘jy ：翌竺墨塾：一a( 2 7 ) saa 彳称为加工常数。 大型轴承滚道复合加工关键技术问题研究 2 1 3 金属的钝化和活化 ( 1 ) 金属的钝化 在电化学加工过程中有一种叫钝化的现象，它会使金属阳极溶解过程的超电位升 高，使电解速度减慢。例如铁基合金在硝酸钠( n a n 0 3 ) 电解液中电解时，电流密度增 加到一定值后，铁的溶解速度在大电流密度下维持一段时间后反而急剧下降，使铁成稳 定状态不再溶解。电解过程中的这种现象称阳极钝化( 电化学钝化) ，简称钝化。 钝化产生的原因仍有不同的看法，其中主要的是成相理论和吸附理论两种。成相理 论认为，金属与溶液作用后在金属表面上形成了一层紧密的极薄的粘膜，通常是有氧化 物、氢氧化物或盐组成，从而使金属表面失去了原来具有的活泼性质，使溶解过程减慢。 吸附理论则认为，金属的钝化是由于金属表面形成了氧的吸附层引起的。事实上两者兼 而有之，但在不同条件下可能以某一原因为主。对不锈钢钝化膜的研究表明，合金表面 的大部分覆盖着薄而紧密的粘膜，而在膜的下面及其空隙中，则牢固地吸附着氧原子或 氧离子。 ( 2 ) 金属的活化 使金属钝化膜破坏的过程称为活化。引起活化的因素很多，例如：把溶液加热，通 入还原性气体或加入某些活性离子等等，但通常认为采用机械办法破坏钝化膜较为有效 和合理，电化学砂带复合加工正是利用了这一原理。 把电解液加热可以引起活化，但温度过高会带来新的问题，如电解液的过快蒸发， 非加工表面的化学腐蚀速度加快、绝缘材料的膨胀、软化和破坏等，因此这能在一定范 围内使用。使金属活化的多种手段中，以氯离子( c i 。) 的作用最引人注意。c l 。具有很 强的活化能力，这是由于c l 。对大多数金属亲和力比氧大，c 1 。吸附在电极上使钝化膜中 的氧排出，从而使金属表面活化。但缺点是加工精度不够，对设备腐蚀性较大【3 6 1 。 2 1 4 极化曲线 在电化学加工过程中，如果电流密度较高，阳极会发生比较明显的阳极极化现象， 为探讨阳极极化现象对阳极溶解过程的影响关系，人们常用极化曲线来描述电极极化及 阳极溶解过程。极化曲线显示出电极电位( e ) 、电流密度( i o ) 之间的关系，直观地 反映电极极化的规律和特性。图2 2 为阳极极化曲线的三种