[發明專利]一種軸承套圈接觸式超精密化學機械拋光裝置及方法

有效

• 申請號: 202210197054.6
• 申請日: 2022-03-01
• 公開（公告）號: CN114700870B
• 公開（公告）日: 2023-01-31
• 發明（設計）人: 江亮;黃朝蓬;錢林茂;張韶華;周寧寧;陳宇
• 申請（專利權）人: 西南交通大學
• 主分類號: B24B37/02
• 分類號: B24B37/02;B24B37/11;B24B37/27;B24B37/34;B24B41/02;B24B47/12;B24B41/04;B24B57/02;B24B1/00;C09G1/02
• 代理公司: 成都虹盛匯泉專利代理有限公司 51268
• 代理人: 陳婷

本發明公開了一種軸承套圈接觸式超精密化學機械拋光裝置及方法，拋光裝置包括第一調心模塊、第二調心模塊、樣品旋轉模塊、樣品夾持模塊、拋光模塊和機座；第二調心模塊調節樣品夾持模塊位置，帶動樣品夾持模塊上的套圈，使套圈與樣品旋轉模塊同軸，第一調心模塊調節拋光模塊位置，帶動拋光模塊上的拋光頭，使拋光頭與套圈同軸。拋光頭高速旋轉進行拋光，樣品低速旋轉均化誤差，配合實現套圈超精密拋光?；瘜W機械拋光液包括0.01～40wt％的膠體二氧化硅、0～10wt％的過氧化氫、剩余為水，pH值2?11。本發明針對性設計內、外套圈拋光頭和夾具；控制樣品旋轉模塊和拋光模塊轉速，均化誤差，實現套圈表面均勻拋光；針對不銹軸承鋼設計拋光液，實現納米級表面粗糙度。

技術領域

本發明涉及超精密加工技術領域，具體而言，涉及軸承套圈接觸式超精密化學機械拋光裝置及方法。

背景技術

軸承是機械設備中非常重要的零部件，其主要功能是支撐旋轉機構，減小摩擦系數，保證回轉精度。隨著科學技術的高速發展，軸承逐漸應用于航天航空、機械制造、軌道交通等領域的高端裝備，當軸承工作在高低溫、超高真空、高比負荷、高低速、多次啟停等極端工況下，極有可能會出現潤滑膜厚急劇降低等苛刻潤滑狀態，如果此時軸承表面粗糙度較大，潤滑膜厚小于粗糙峰高度，粗糙峰之間會直接接觸，軸承表面則會產生磨損，影響軸承的使役性能和壽命。為此，需要從材料、設計、制造、測試等方面不斷突破，保障軸承優異的使役性能，滿足高端裝備的技術需求。

從軸承制造的角度，需要發展新的超精密加工技術，提高加工精度，降低表面粗糙度，提高膜厚比（潤滑油膜厚度與表面粗糙度之比），避免摩擦副表面粗糙峰之間的直接接觸，實現良好的潤滑狀態，從而提高軸承的使役性能和壽命，最終保證裝備穩定可靠運行。根據參考文獻（Hiroki Komata, Yasuhiro Iwanaga, Tohru Ueda, Koji Ueda, NobuakiMitamura, Enhanced Performance of Rolling Bearings by Improving theResistance of Rolling Elements to Surface Degradation, in: J.M. Beswick (Ed.)Bearing Steel Technologies: 10th Volume, Advances in Steel Technologies forRolling Bearings, ASTM International, West Conshohocken, PA, 2015, pp. 272-290），當軸承外套圈滾道表面粗糙度為30 nm，內套圈滾道表面粗糙度為50 nm時，滾珠的表面粗糙度從209 nm降低到6 nm，軸承的剝落壽命（flaking life）提高了約5倍。據此推斷，軸承套圈和滾動體作為一對摩擦副，降低任一或者兩者的表面粗糙度，均有利于提高軸承的使役性能和壽命。

目前，軸承套圈通常采用油石珩磨作為最終精加工手段，此時表面粗糙度可以降至100 nm以下。為了進一步提高軸承加工精度，降低表面粗糙度，業界提出了一些新型的超精密加工方法，如電化學磨削、磁流變拋光、力流變拋光等，然而，在實際應用過程中，這些方法存在如下所述的不足之處：

1）磁流變拋光和力流變拋光均采用純機械刻劃方式去除軸承表面材料，去除時接觸壓力需要達到材料的塑性屈服極限，最小去除厚度受限，軸承的表面質量難以進一步提高；

2）力流變拋光主要通過提高剪切速率來實現拋光液的增稠效應，然而，對于曲面來說，各個位置的相對速度不盡相同，影響曲面各處加工均勻性的因素較多，且較難控制，改善面型精度難度較大。

化學機械拋光概念由美國孟山都公司于1965年首次提出，隨后美國國際商業機器公司不斷完善化學機械拋光工藝，經過幾十年的發展，目前已經被廣泛應用于超大規模集成電路的制造中?；瘜W機械拋光通過化學反應和機械力的協同作用，在硅片等平面上可以實現亞納米級的表面粗糙度和納米級的面型精度，以及趨近于零的表面缺陷和接近于零的變質層厚度。鑒于化學機械拋光的技術優勢，將其與傳統的超精密加工方法有機結合，發展一些新型的超精密加工方法，應用于軸承超精密加工。