碳化硼材料動壓氣浮軸承零件精密加工

邵荔寧，劉 彪，孫保和，翁長志，周景春，何亞飛

（中國航天科技集團第十六研究所，西安710100）

0 引言

碳化硼（B4C）是僅次于金剛石和立方氮化硼的超硬材料，尤其是近于恒定的高溫硬度（＞30GPa）是其他材料無可比擬的。由于碳化硼具有超高硬度、高耐磨性、高熔點、高模量、低膨脹系數、自潤性好、耐腐蝕性強、質量小等特點，采用碳化硼材料的軸承零件不需要再涂覆其他硬質涂層，這使得碳化硼成為動壓氣浮軸承零件的理想材料。

動壓氣浮軸承陀螺電機是二浮陀螺和三浮陀螺的核心元件，而動壓氣浮軸承又是動壓電機的關鍵部件，動壓氣浮軸承具有長壽命、高精度、高穩定性的優點。動壓陀螺電機工作轉速為30000r／min，動壓氣浮軸承氣膜間隙僅0.002mm左右，在如此微小的間隙下要實現軸承非接觸、高速、長時間可靠運轉，需要保證動壓氣浮軸承達到要求的軸向、徑向氣膜剛度，軸承零件就必須控制在亞微米級的尺寸和形位精度（同軸度、平面度、圓柱度、垂直度等）以及Ra0.012μm的表面粗糙度。

某H型氣浮軸承陀螺電機結構如圖1所示，其軸承零件的轉子體、軸套采用碳化硼材料，如圖2、圖3所示。由于這兩個軸承零件的尺寸和形位精度在亞微米級，且碳化硼材料具有超高硬度和斷裂韌性值低的特點，無法采用車削、銑削等切削加工方法進行加工。故采用磨削方法進行粗加工和半精加工，采用研磨方法進行精密超精密加工，以達到最終的尺寸精度、形位精度及表面粗糙度要求。由于材料制備工藝特點使得碳化硼軸承零件毛坯的加工余量在3mm左右，為避免加工產生裂紋崩渣，磨削加工必須控制切削用量，故造成加工效率低，也未能充分發揮磨削作為陶瓷材料精密加工的技術優勢。而且，由于零件磨削加工的精度不高，也使得最終精密研磨的加工余量過大，造成軸承零件研磨加工效率和合格率低，制約了碳化硼動壓氣浮軸承零件的研制與批生產加工。

圖1 某動壓氣浮軸承陀螺電機示意圖Fig.1 Schematic diagram of a gyroscope motor with a dynamic pneumatic floating bearing

圖2 動壓氣浮軸承零件轉子體Fig.2 Rotor body of dynamic pneumatic floating bearing parts

圖3 動壓氣浮軸承零件軸套Fig.3 Bearing sleeve for dynamic pneumatic floating bearing parts

因此，在粗加工和半精加工中通過采用電火花加工或超聲加工，以求高效率去除碳化硼軸承零件80%以上的加工余量。通過對精密磨削加工和研磨加工的工藝研究與技術改進，提高軸承零件的最終加工精度、表面質量、加工合格率和加工效率，滿足動壓電機研制的工程化需求。

1 精密磨削加工

碳化硼軸承零件毛坯首先采用電火花加工，已經去除了零件80%左右的加工余量，故碳化硼材料軸承零件的磨削加工是以精密磨削為主，主要通過對磨削定位方法、磨削夾具、磨削參數、金剛石砂輪種類和金剛石砂輪在位修整方法的研究和加工試驗，提高零件磨削加工的尺寸精度、形位精度、表面粗糙度及加工效率，使碳化硼軸承零件精密磨削加工形位精度（圓柱度、垂直度）由0.005mm減小至0.001mm，表面粗糙度由 Ra0.4μm減小至Ra0.1μm，為零件超精密研磨奠定良好基礎。

1.1 金剛石砂輪選用

碳化硼的硬度很高，其與高硬度材料的硬度對比如表1所示。由表1可知，只有金剛石砂輪和立方氮化硼砂輪可以進行碳化硼的精密磨削，砂輪的選用是影響零件加工精度和表面粗糙度的重要因素。

表1 常見高硬度材料維氏硬度值Table 1 Vickers hardness values of common high hardness materials

通過對軸套和碳化硼轉子體零件外圓、內孔和端面精密磨削所適用的金剛石砂輪的結構形式和結合劑類型、磨料種類和粒度等進行分析與論證，設計制作了系列專用樹脂結合劑金剛石砂輪，如圖4所示。砂輪磨料粒度分別為200～230＃＆270～325＃（粗磨）、 W63＆ W50（精磨）， 磨料濃度在 50%～75%。為提高內圓磨砂輪剛性，其內磨砂輪桿采用硬質合金材料，以保證其較大的剛性；外磨砂輪盤采用鋁合金材料并精密車削加工和精密平衡，以保證磨削時砂輪具有較高的回轉精度和平穩性。

圖4 用于碳化硼軸承零件精密磨削的樹脂基超硬砂輪Fig.4 Resin base superhard grinding wheel for precision grinding of Boron carbide bearing parts

1.2 轉子體精密磨削夾具

碳化硼動壓氣浮軸承轉子體的內孔和兩端面是軸承的工作面，其尺寸和形位精度直接影響軸承的性能。轉子體原磨削工藝方法是用壓胎以外圓和端面定位磨削內孔，然后采用彈性夾頭裝卡轉子體外圓磨削加工兩端面。這種磨削方法定位精度差、加工效率低，由于內孔和端面無法在一次裝夾中進行加工，所以難以保證兩個端面對內孔的垂直度達到較高精度。

針對原有加工方法存在的問題，結合轉子體的結構和加工所用瑞士STUDER S21磨床的精度、性能特點，設計了專用高精度磨削夾具。該磨削夾具由定位座、定位環、定位銷和螺紋壓環組成，其結構如圖5所示。定位環選用耐磨性好的GCr15軸承鋼，淬火硬度為HRC60～HRC65，定位環內孔與轉子體外圓配加工，其配合過盈量為3μm～5μm。采用熱裝法將碳化硼轉子體與定位環進行組合（加工時）與分解（加工后），轉子體與定位環組合后，再將定位座裝夾在磨床上。采用磨削方法將定位座內孔與定位環外圓進行配磨，采用磨削或找正定位座內孔的辦法保證其內孔跳動精度與磨床主軸精度基本一致，從而提高碳化硼轉子體的定位精度和加工精度。最后，將碳化硼轉子體組件安裝在定位座內孔并用螺帽壓緊，即可進行碳化硼轉子體內孔和兩個端面的精密磨削加工，其實物磨削狀態如圖6、圖7所示，磨削加工示意圖如圖8、圖9所示。采用這種夾具和磨削方法，可保證所加工的轉子體兩端面對內孔的垂直度達到0.001mm以內。

圖6 轉子體內孔精密磨削Fig.6 Precision grinding of inner holes in rotor body

圖7 轉子體端面精密磨削Fig.7 Precision grinding of rotor body end face

圖8 轉子體內孔磨削加工方法示意圖Fig.8 Schematic diagram of grinding method for inner hole of rotor body

圖9 轉子體端面磨削加工方法示意圖Fig.9 Schematic diagram of grinding method for end face of rotor body

1.3 金剛石砂輪在位修整

碳化硼軸承零件的精密磨削主要采用樹脂基金剛石砂輪，金剛石砂輪修整對零件的磨削加工精度和質量有較大影響，不僅影響到砂輪形貌及磨刃的銳利程度，而且也影響著砂輪的磨損、磨削力、磨削溫度及被磨零件的表面完整性和加工精度。通過對金剛石砂輪修銳方法如剛玉塊切入修銳法、磨削修銳法、電解修銳法、碳化硅修整輪修銳法和超聲振動修銳法等的分析，結合零件磨削所用磨床的具體情況和可行性，決定采用碳化硅修整輪修銳法。

修整金剛石砂輪采用在定位環內孔粘結金剛石修整砂輪的方法，組成內圓磨金剛石修整砂輪組件，如圖10和圖11所示。然后，將金剛石修整砂輪組件安裝在定位座的內孔即可進行內圓磨和端面磨金剛石砂輪的修整，如圖12所示。砂輪修整后，可以方便換上碳化硼轉子體組件進行碳化硼轉子體內孔和端面的磨削加工。內圓磨金剛石砂輪和端面磨金剛石砂輪的修整加工示意如圖13、圖14所示。通過碳化硅砂輪與磨削夾具的組合，實現了修整砂輪組件與碳化硼軸承組件在零件磨削加工過程中的互換，解決了碳化硼軸承零件磨削時金剛石砂輪的在位修整問題，有助于提高碳化硼軸承零件的精密磨削加工精度和效率。

圖10 轉子體定位環組件Fig.10 Assembly of rotor body locating ring

圖11 碳化硅砂輪定位環組件Fig.11 Locating ring assembly of Silicon carbide grinding wheel

圖12 更換為砂輪定位環的磨削夾具Fig.12 Grinding fixture replaced by locating ring of grinding wheel

圖13 修整金剛石內磨砂輪外圓面示意圖Fig.13 Schematic diagram of dressing diamond inner grinding wheel outer surface

圖14 修整金剛石砂輪端面示意圖Fig.14 Schematic diagram of dressing diamond grinding wheel end face

修整金剛石砂輪采用樹脂或陶瓷結合劑碳化硅砂輪，其磨料粒度較被修整金剛石砂輪的粒度粗2級左右，修整時碳化硅砂輪轉速為50r／min～100r／min，金剛石砂輪的轉速為18m／s～25m／s。砂輪的修整用量有修整導程、修整深度、修整次數和光修次數，修整導程為10mm／min～15mm／min。修整時分為粗修與精修，精修為2～3次單行程，修整深度粗修為每單行程0.02mm～0.04mm；精修為每單行程0.0025mm～0.005mm。最后進行光修（為無修整深度的走刀）為1次單行程，主要是為了去除砂輪表面個別突出的微刃，使砂輪表面更加平整，砂輪修整過程中采用冷卻液進行充分冷卻。

通過采用這種樹脂金剛石砂輪的在位修整方法，使得碳化硼軸承零件精密磨削的內孔圓柱度達到0.8μm，表面粗糙度達到Ra0.1μm。

2 超精密研磨加工

動壓氣浮軸承零件即軸套和轉子體的軸承工作面要求具有亞微米級的尺寸和形位精度以及極高的表面粗糙度要求，研磨是使用研具和游離磨料對工件進行微量加工，通過研磨實現和保證動壓氣浮軸承零件達到最終的尺寸和形位精度以及表面粗糙度。

2.1 精密研磨機的研制

碳化硼軸承零件轉子體和軸套的內孔和外圓的研磨是在儀表車床上進行的手工研磨，工件或研具是采用一夾一頂的裝夾方式，如圖15、圖16所示。由于儀表車床及其定位裝夾方式的精度不高，這對軸承零件研磨的加工精度和效率造成不利影響。

圖15 研磨軸承外圓和內孔的車床Fig.15 Lathe for grinding bearing outer circle and inner hole

圖16 在車床上進行軸套外圓的研磨Fig.16 Grinding outer circle of shaft sleeve on lathe

為此經過研究與分析，將裝夾方式改為前后兩頂尖的定位裝夾方式，其精度主要產生于頂尖與研磨芯軸中心孔的精度，可以降低原來車床主軸跳動誤差對研磨精度和效率的不利影響，能夠確保零件的研磨精度和提高研磨加工的效率。研制的精密研磨機如圖17所示，采用前后頂尖固定不動，芯軸兩端中心孔與兩頂尖保持松緊適當的配合，通過撥叉帶動芯軸進行旋轉運動。這樣通過研磨芯軸兩端的中心孔，保證其具有很高的圓度（0.1μm）及其與頂尖的配合精度（95%接觸面），以此提高碳化硼轉子體和軸套研磨時的回轉精度。采用該研磨機可以進行軸套外圓和轉子體內孔的精密研磨，如圖18所示。

圖17 研制的圓柱面精密研磨機Fig.17 Precision grinding machine for cylindrical surface

2.2 研磨參數的優化

圖18 轉子體零件內孔精密研磨Fig.18 Precision grinding of rotor body parts inner hole

軸承零件內外圓的研磨在圓柱面精密研磨機上進行，其主運動是車床主軸提供的旋轉運動，輔助運動是人手持零件沿軸線進行的往復運動和小幅度扭擺運動。通過兩頂尖將研磨棒頂持，通過壓力調節裝置控制頂緊力，并通過撥套帶動研磨棒以適當轉速作旋轉運動，手握轉子體零件在研磨棒全長范圍內作往復運動，并通過控制研磨運動軌跡，實現被加工面的均勻研磨去量。優化研磨加工參數，按照研磨余量0.02mm～0.03mm細化了研磨工藝流程，即劃分為粗研、精研、超精研三個工序。研磨各工序所用的金剛石磨料等相關參數如表2所示，既保證了加工精度，又提高了加工效率。

表2 軸承零件研磨工序相關參數Table 2 Parameters related to grinding process of bearing parts

2.3 取得的效果

通過采取研制精密研磨機和進行研磨參數優化等措施，較好地提高了動壓氣浮軸承工作面的形位精度，轉子體內孔的圓柱度平均值由0.29μm減小至0.22μm，軸套外圓的圓柱度由0.28μm減小至0.21μm，如圖19、圖20所示。同時，通過上道工序軸承零件磨削加工精度和減小研磨加工余量等措施，使研磨加工效率有較大地提高。

圖19 轉子體內孔圓柱度數值統計圖Fig.19 Numerical statistics of inner hole cylindricity in rotor body

3 結論

通過改進碳化硼材料動壓氣浮軸承的加工工藝流程、研制精密磨削夾具，實現了在一次定位裝夾中完成轉子體內孔與端面的精密磨削，解決了原有加工方法重復裝夾定位精度差、形位精度難以保證的問題，提高了軸承零件磨削加工端面對內孔的垂直度精度。通過定制適用于碳化硼陶瓷精密磨削的金剛石砂輪、優化磨削加工參數、研制金剛石砂輪的修整裝置，解決了金剛石砂輪在線修整的技術難題，提高了碳化硼軸承磨削精度和表面粗糙度，即可以實現碳化硼材料軸承零件的亞微米級精度的精密磨削加工。

通過研制內外圓精密研磨機和研磨參數優化等措施，解決了在車床上裝夾定位對研磨精度的不利影響，提高了碳化硼軸承零件的內外圓柱面研磨精度、加工合格率和加工效率，為碳化硼軸承零件的批生產加工奠定了基礎。