CN101486145A - 一种陶瓷轴承球的加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种氮化硅陶瓷轴承球的超精细加工方法。本发明以碳化硼、碳化硅、碳化钨、刚玉、铬刚玉、锆刚玉、金刚石微粉、金刚石油膏等为磨料，以氧化铬、氧化钴、氧化铁、氧化铈为助磨剂，与煤油、汽油、酒精等研磨介质，利用立式轴承球研磨机并进行加工压力释放，从而实现轴承球低应力精密加工，该工艺适合于直径为0.5～50.4mm的氮化硅陶瓷球、氧化铝陶瓷球、氧化锆陶瓷球、碳化硼陶瓷球以及碳化硅陶瓷球，加工周期明显缩短，降低加工应力，从而有效地提高陶瓷球的使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及一种陶瓷球的加工方法，特别是一种对陶瓷球进行低应力超精密加工的方法。
背景技术
氮化硅陶瓷具有高强度、高刚度、比重轻、耐磨损、耐腐蚀、耐冷热冲击、自润滑免维护以及电绝缘等优异性能，是目前制造各类精密陶瓷轴承、粉料研磨、密封球阀、测量用陶瓷球的首选材料，已广泛应用于航空、航天、机械和化工等领域。但是氮化硅陶瓷球与钢球材料特性差异较大，特别是陶瓷球的脆性和高硬度特性造成球体加工难度较大，加工周期变长以及起得尺寸和精度变动量控制难度加大，并凸显出陶瓷球表面的加工质量以及加工后球体残余应力对产品的使用寿命的重要影响。
从国内外氮化硅陶瓷球的加工现状可以发现，越来越多的技术人员开始从事该方面的研究，并通过各种加工设备的改进和加工工艺的调整以提高陶瓷球的加工水平。王魁久等人在CN1113931中采用人造金刚石等磨料配以煤油、锭子油在钢球研磨机上进行陶瓷球的加工。但该专利对陶瓷球磨料粒度较细，造成加工周期较长；同时该专利未对陶瓷球的加工进行工艺阶段分类，容易造成球体的残余应力过大，造成陶瓷球的使用寿命降低。王作山等人在CN101049676中将加工工艺细分为消除产品烧结内应力、粗磨、初研、精研、超精研、提光等工序，分步骤采用不同粒度、不同种类的磨料进行陶瓷球加工。虽然该方法可以将陶瓷球的加工精度达到G3级，但工艺加工周期太长，不适合批量化生产的需要，且在该文献中，陶瓷球的加工应力并未得到有效释放。
现代国内陶瓷球的生产工艺中，生产出的陶瓷球产品的烧结内应力已经很小了，因此，消除降低陶瓷球在加工过程中产生的加工应力成为提高陶瓷球寿命性能的关键措施之一。本发明是在本公司近二十二年陶瓷球加工经验的基础上，根据氮化硅陶瓷、碳化硅陶瓷、氧化铝陶瓷、氧化锆陶瓷等不同材料的特点，调整磨料、助磨剂和研磨介质的种类和配比，细化并改善了加工工艺从而有效缩短陶瓷球加工周期，提高陶瓷球的表面加工精度，降低陶瓷球加工应力，可以大大降低因加工应力集中造成陶瓷球的使用寿命变短的几率，从而有效提高陶瓷球的使用寿命，降低加工成本。
发明内容
本文中所使用的术语，除非另外指出，是根据其常规的用法来使用。
150μm以细：是指能够通过100目筛的筛下物。
120μm以细：是指能够通过120目筛的筛下物。
100μm以细：是指能够通过150目筛的筛下物。
70μm以细：是指能够通过200目筛的筛下物。
本发明一方面提供了一种陶瓷轴承球的超精细加工方法，所述方法包括对经研磨加工后的陶瓷球进行加工应力释放的步骤，其中所述陶瓷球加工应力释放步骤，是在例如空气、氮气或氩气的气氛中，将陶瓷球在150-700℃保温0.5-1小时后以0.4-0.5℃/min的速率降温。
优选地，所述的陶瓷轴承球的超精细加工方法包括如下步骤：粗磨、半精加工、精加工、加工应力释放以及超精加工，其中所述的加工应力释放步骤在粗磨、半精加工和精加工步骤之后，且在超精加工步骤之前。
优选地，所述的陶瓷轴承球的超精细加工方法使用的磨料选自：碳化硼、碳化硅、刚玉、铬刚玉、锆刚玉、碳化钨、金刚石微粉和金刚石油膏中的一种或几种，其中，所述磨料的粒度为0.1-150μm。
优选地，所述的陶瓷轴承球的超精细加工方法的各个步骤中分别使用以下磨料：
在粗磨工艺中采用的磨料为碳化硼或碳化硅微粉；
在半精加工工艺中采用的磨料选自碳化硼、碳化硅微粉、刚玉微粉和氧化铝微粉中几种；
在精加工工艺中采用的磨料选自金刚石微粉、刚玉、锆刚玉和铬刚玉微粉中的几种；和
在超精加工中采用的磨料为金刚石油膏以及选自碳化钨微粉和刚玉微粉中的一种微粉。
优选地，所述的陶瓷轴承球的超精细加工方法使用的助磨剂包括稀土氧化物，例如氧化铈。
优选地，所述的陶瓷轴承球的超精细加工方法使用的助磨剂还包括选自氧化铬、氧化铁、氧化钴和金刚石微粉中的一种或几种。
优选地，所述的陶瓷轴承球的超精细加工方法使用的研磨介质选自：煤油，汽油，柴油和耐磨润滑油中的几种。
优选地，所述的陶瓷轴承球的超精细加工方法中的磨削液中磨料的体积含量为18-60％，助磨剂体积含量为10-45％，余量体积含量为研磨介质的体积含量，且磨料、助磨剂和研磨介质的总体积含量为100％。
优选地，所述的陶瓷轴承球的超精细加工方法中采用标准立式钢球研磨机在压力为5-22kN，转数为6-34r/min下进行的。
本发明的另一方面提供了由上述方法加工的陶瓷球。
优选地，所述的陶瓷球选自氮化硅陶瓷球、氧化铝陶瓷球、氧化锆陶瓷球、碳化硼陶瓷球以及碳化硅陶瓷球中的一种或几种；优选地，所述的陶瓷球的直径为0.5-50.4mm。
优选地，所述的陶瓷球在制备笔芯滚珠、微型陶瓷轴承、风力发电机陶瓷轴承球和/或陶瓷球阀中的应用。
与现有技术相比，本发明具有以下优势：
1)加工周期明显缩短(平均加工周期为4～7天)，利于大规模工业化生产及加工成本的降低，与现有技术相比，平均每粒球的加工成本降低20～30％；
2)增加陶瓷球应力释放工序可保证轴承球的加工应力降到最低，可有效提高陶瓷球的使用寿命，本工艺加工的陶瓷球已完全满足航空发动机用混合陶瓷轴承的需要；
3)加工工序细化后，陶瓷球的批直径变动量等各类参数一致性得到大幅度提高；
4)当加工完成后，陶瓷球的加工应力小，精度可达到或超过GB/T308-2002、ISO 3290-2002中规定的G3、G5、G10、G16、G20以上。
具体实施方式
以下实施例将对本发明作出进一步说明，但以下实施例并不作为对本发明的限制。
实施例1
以加工Φ0.5mm氮化硅陶瓷球为例。
压沟：粗磨之前先将少量毛坯球在轴向压力为2kN的进行压沟，以调整板的径向和轴向跳动，压沟时间根据研磨板沟道加工状况一般为2～4小时。
粗磨：以150μm以细的碳化硼为粗磨磨料，磨削液的组成如下：磨料体积含量40～50％；作为助磨剂的氧化铈和氧化钴的体积含量分别为8％；以及研磨介质。上述磨料、助磨剂和研磨介质的体积含量满足100％配比。其中研磨介质中煤油:汽油:耐磨润滑油的比例为4:2:1。粗加工时磨床转速为32～34r/min，压力为15～16kN，加料间隔为25分钟，每次加料要将球上涂抹均匀。当加工到0.80mm时更换100μm以细的碳化硼为粗磨磨料，加工到0.65mm即离最终直径相差150μm时要求氮化硅球的表面粗糙度要小于1μm，直径变动量和批直径变动量都不得超过3μm。
半精加工：粗加工磨板用研磨介质冲洗后或直接将粗加工后的氮化硅球放入半加工磨床中，采用中位粒径为28μm的碳化硼和中位粒径为28μm的碳化硅微粉为磨料，其中加入碳化硼、碳化硅微粉的体积含量分别为为20％和59.5％。磨削液的组成如下：磨料体积含量为25％；作为助磨剂的Fe2O3、Ce2O3、Co2O3的体积含量分别为10％、8％和2.5％；以及研磨介质。上述磨料、助磨剂和研磨介质体积含量满足100％配比。加工至0.55mm即离最终直径相差50μm时更换中位粒径10μm的金刚石微粉为磨料，且磨削液的配比不变，直至陶瓷球直径为0.52mm。半精加工时磨床转速为11～16r/min，压力为12～13kN，加料间隔为40分钟。半精加工完后球的表面粗糙度要小于0.2μm，直径变动量和批直径变动量都不得超过1μm。
精加工：采用中位粒径为5μm的金刚石微粉和中位粒径为5μm的刚玉、锆刚玉或铬刚玉微粉为磨料，其中金刚石微粉的体积含量为55％，刚玉或锆刚玉、铬刚玉微粉体积含量为30％。磨削液的组成如下：磨料体积含量为25％；作为助磨剂的Fe2O3、Ce2O3、Cr2O3和Co2O3的体积含量分别为：3.5％、5％、5％和1.5％；以及研磨介质。上述磨料、助磨剂和研磨介质体积含量满足100％配比。直至陶瓷球直径加工到0.51mm，精加工时磨床转速为6～8r/min，压力为5～7kN，加料间隔为60分钟。
加工应力释放：在氮气或氩气环境下700℃下将精加工后的轴承球保温0.5～1小时后缓慢降温，且降温速率为0.5℃/min，降温后放入超精加工磨盘中，进行超精加工。
超精加工：采用中位粒径为0.1μm的金刚石油膏和0.1μm的碳化钨微粉为磨料，其中加入金刚石油膏的体积含量为35％，碳化钨微粉的体积含量为20％。磨削液的组成如下：磨料体积含量为18％；作为助磨剂的Fe2O3、Ce2O3、Cr2O3和Co2O3的体积含量分别为15％、10％、15％和5％；以及研磨介质。上述磨料、助磨剂和研磨介质体积含量满足100％配比。直至陶瓷球直径加工到，精加工时磨床转速为6～8r/min，压力为5～7kN，加料间隔为60分钟。超精加工后的陶瓷球粗糙度可低于0.02μm，直径变动量和批直径变动量都不得超过0.1μm，达到G5级要求。碳化钨微粉可以有效减少磨料粉末中对氮化硅陶瓷球表面的划伤，从而确保陶瓷球表面精度的提高。
该氮化硅陶瓷球的加工总周期为5～7天，加工后的氮化硅陶瓷球可用于笔芯滚珠和微型陶瓷轴承等。
实施例2
以加工Φ50.4mm氮化硅陶瓷球为例。
对于超过10mm的陶瓷球本工艺可去除压沟工序。
粗磨：以150μm以细的碳化硼为粗磨磨料，磨削液的组成如下：磨料体积含量55～60％；作为助磨剂的氧化铈和氧化钴的体积含量分别为为10％和4％；以及研磨介质。上述磨料、助磨剂和研磨介质体积含量满足100％配比。其中研磨介质中煤油:汽油:耐磨润滑油的比例为4:2:1。粗加工时磨床转速为25～28r/min，压力为20～22kN，加料间隔为25分钟，每次加料要将球上涂抹均匀。当加工到50.8mm时更换100μm以细的碳化硼为粗磨磨料，磨床转速和压力不变，加料时间为30分钟一次。
半精加工：粗加工磨板用研磨介质冲洗后或直接将粗加工后的氮化硅球放入半加工磨床中，采用中位粒径为28μm的碳化硼和中位粒径为28μm的碳化硅微粉为磨料，其中加入碳化硼和碳化硅微粉的体积含量分别为30％和52％。磨削液的组成如下：磨料体积含量为28％；作为助磨剂的Fe2O3和Ce2O3的体积含量分别为10％和8％；以及研磨介质。该磨料、助磨剂和研磨介质体积含量满足100％配比。加工至50.45即离最终直径相差50μm时更换中位粒径10μm的金刚石微粉为磨料，且磨削液的配比不变，直至陶瓷球直径为0.52mm。半精加工时磨床转速为18～20r/min，压力为15～17kN，加料间隔为40分钟。
精加工：采用中位粒径为5μm的金刚石微粉和中位粒径为5μm的刚玉、锆刚玉或铬刚玉微粉为磨料，其中金刚石微粉的体积含量为45％，刚玉、锆刚玉或铬刚玉微粉体积含量为41％。磨削液的组成如下：磨料体积含量为25％，作为助磨剂的Fe2O3、Ce2O3、Cr2O3和Co2O3的体积含量分别为3％、5％、5％和1％；以及研磨介质。该磨料、助磨剂和研磨介质体积含量满足100％配比，直至陶瓷球直径加工到50.415mm，精加工时磨床转速为6～8r/min，压力为5～7kN，加料间隔为50分钟。
加工应力释放：在氮气或氩气环境下700℃下将精加工后的轴承球保温0.5～1小时后缓慢降温，且降温速率为0.5℃/min，降温后放入超精加工磨盘中，进行超精加工。
超精加工：采用中位粒径为0.25μm的金刚石油膏和0.1μm的碳化钨微粉为磨料，其中金刚石油膏的体积含量为50％，碳化钨微粉的体积含量为5％。磨削液的组成如下：磨料体积含量为15％；作为助磨剂的Fe2O3、Ce2O3、Cr2O和Co2O3的体积含量分别为15％、10％、15％和5％；以及研磨介质。该磨料、助磨剂和研磨介质体积含量满足100％配比，直至陶瓷球直径加工到，精加工时磨床转速为6～8r/min，压力为5～7kN，加料间隔为50分钟。碳化钨微粉可以有效减少磨料粉末中对氮化硅陶瓷球表面的划伤，从而确保陶瓷球表面精度的提高。
该氮化硅陶瓷球可用于风力发电机陶瓷轴承球和陶瓷球阀等。
实施例3
以加工Φ4.763mm无压烧结碳化硅陶瓷球为例。
因无压烧结碳化硅陶瓷的致密度、密度与氮化硅陶瓷相近，硬度偏高因此在粗磨、半精加工工艺磨料选择上，两者可相似。只是在粗加工时无压烧结碳化硅陶瓷球留有的余量为100μm，磨床转速调整为25～28r/min，压力为11～13kN在半精加工时留有的余量为30μm。其余工艺参照实施例1中对氮化硅陶瓷球的加工工艺。超精加工后的陶瓷球粗糙度可低于0.02μm，直径变动量和批直径变动量都不得超过0.1μm，达到G5级要求。
实施例4
以加工Φ17.0mm99.3％氧化铝陶瓷球为例。
氧化铝毛坯球的尺寸为17.6mm。
对于超过10mm的陶瓷球本工艺可去除压沟工序。
粗磨：以120μm以细的碳化硅微粉为粗磨磨料，磨削液的组成如下：磨料体积含量40～50％；作为助磨剂的氧化铈体积含量为10％；以及研磨介质。上述磨料、助磨剂和研磨介质的体积含量满足100％配比。其中研磨介质中煤油:汽油:耐磨润滑油的比例为4:2:1。粗加工时磨床转速为25～28r/min，压力为14～16kN，加料间隔为25分钟，每次加料要将球上涂抹均匀。当加工到17.3mm时更换70μm以细的碳化硅微粉为粗磨磨料，加工到17.1mm即离最终直径相差100μm时要求氧化铝球的表面粗糙度要小于1.8μm，直径变动量和批直径变动量都不得超过3.5μm。
半精加工：粗加工磨板用研磨介质冲洗后或直接将粗加工后的氧化铝球放入半加工磨床中，采用中位粒径为14μm的碳化硅磨料和中位粒径为18μm的刚玉微粉为磨料，其中碳化硅磨料和刚玉微粉的加入体积含量分别为59.5和20％。磨削液的组成如下：磨料体积含量为25％；作为助磨剂的Fe2O3、Ce2O3和Cr2O3的体积含量分别为10％、8％和2.5％；以及研磨介质。该磨料、助磨剂和研磨介质的体积含量满足100％配比，加工至17.05mm即离最终直径相差50μm时更换中位粒径10μm的碳化硅微粉为磨料，磨削液的配比不变，直至陶瓷球直径为17.02mm。半精加工时磨床转速为10～13r/min，压力为10～12kN，加料间隔为30分钟。半精加工完后球的表面粗糙度要小于0.25μm，直径变动量和批直径变动量都不得超过1.5μm。
精加工：采用中位粒径为5μm的金刚石微粉和中位粒径为5μm的锆刚玉和铬刚玉微粉为磨料，其中金刚石微粉加入体积含量为20％，锆刚玉和铬刚玉微粉总体积含量为66％。磨削液组成如下：磨料体积含量为30％，作为助磨剂的Fe2O3、Ce2O3、Cr2O3和Co2O3的体积含量分别3％、5％、5％和1％；以及研磨介质。上述磨料、助磨剂和研磨介质体积含量满足100％配比，直至陶瓷球直径加工到0.51mm，精加工时磨床转速为6～8r/min，压力为5～7kN，加料间隔为60分钟。
加工应力释放：在空气环境下500℃下将精加工后的陶瓷球保温0.5～1小时后缓慢降温，降温速率为0.4～0.5℃/min后放入超精加工磨盘中，进行超精加工。
超精加工：采用中位粒径为0.1μm的金刚石油膏和0.1μm的刚玉微粉为磨料，其中金刚石油膏体积含量为20％，刚玉微粉体积含量为35％。磨削液的组成如下：磨料体积含量磨料体积含量为27％；作为助磨剂的Fe2O3、Ce2O3、Cr2O3和Co2O3的体积含量分别为15％、10％、15％和5％；以及研磨介质。上述磨料、助磨剂和研磨介质体积含量满足100％配比，直至陶瓷球直径加工到，精加工时磨床转速为6～8r/min，压力为5～7kN，加料间隔为60分钟。超精加工后的陶瓷球粗糙度可低于0.015μm，直径变动量和批直径变动量都不得超过0.25μm，达到G10级要求。
实施例5
以加工Φ25.4mm氧化锆陶瓷球为例。
氧化锆毛坯球的尺寸为26.4mm。
对于超过10mm的陶瓷球本工艺可去除压沟工序。
粗磨工艺参照实施例4中的粗磨工艺。
半精加工：粗加工磨板用研磨介质冲洗后或直接将粗加工后的氧化锆球放入半加工磨床中，采用中位粒径为18μm的刚玉微粉和中位粒径为14μm的高纯氧化铝微粉为磨料，其中加入刚玉微粉的体积含量为20％，高纯氧化铝微粉的体积含量为62.5％。磨削液的组成如下：按磨料体积含量磨料体积含量为25％；作为助磨剂的Ce2O3、Cr2O3的体积含量分别为15％和2.5％；以及研磨介质。上述磨料、助磨剂和研磨介质体积含量满足100％配比，加工至25.45mm即离最终直径相差50μm时更换中位粒径7μm的刚玉微粉，其它配比不变，直至陶瓷球直径为25.42mm。半精加工时磨床转速为10～13r/min，压力为10～12kN，加料间隔为30分钟。半精加工完后球的表面粗糙度要小于0.25μm，直径变动量和批直径变动量都不得超过1.2μm。
精加工：采用中位粒径为5μm的刚玉微粉和中位粒径为5μm的锆刚玉为磨料，其中刚玉微粉加入体积含量为28％，锆刚玉微粉的体积含量为为56％。磨削液的组成如下：磨料体积含量磨料体积含量为27％；作为助磨剂的Ce2O3、Cr2O3和W28金刚石微粉的体积含量分别为8％、5％和1％；以及研磨介质。上述磨料、助磨剂和研磨介质体积含量满足100％配比，直至陶瓷球直径加工到0.51mm，精加工时磨床转速为6～8r/min，压力为5～7kN，加料间隔为60分钟。
加工应力释放：为防止氧化锆球的相变，氧化锆球的加工应力释放采用在1MPa，N2环境下150℃处理。将精加工后的陶瓷球保温0.5小时后缓慢降温，降温速率为0.4～0.5℃/min后放入超精加工磨盘中，进行超精加工。
超精加工：采用中位粒径为0.1μm的金刚石油膏和0.1μm的刚玉微粉为磨料，其中金刚石油膏体积含量为45％，刚玉微粉体积含量22.5％。磨削液的组成如下：按磨料体积含量磨料体积含量为30％；作为助磨剂的Ce2O3、Cr2O3和Co2O3的体积含量分别为10％、10％和2.5％；以及研磨介质。上述磨料、助磨剂和研磨介质体积含量满足100％配比，直至陶瓷球直径加工到，精加工时磨床转速为6～8r/min，压力为5～7kN，加料间隔为60分钟。超精加工后的陶瓷球粗糙度可低于0.015μm，直径变动量和批直径变动量都不得超过0.4μm，达到G20级要求。
实施例6
以加工Φ0.5mm的无压烧结碳化硼陶瓷球为例。
具体加工工艺参照实施例1中的加工工艺，经加工后的碳化硼陶瓷球粗糙度可低于0.02μm，直径变动量和批直径变动量都不得超过0.1μm，达到G5级要求。
Claims (12)
1.一种陶瓷球的加工方法，其特征在于，所述方法包括对经研磨加工后的陶瓷球进行加工应力释放的步骤，其中所述陶瓷球加工应力释放步骤，是在优选为空气、氮气或氩气的气氛中，将陶瓷球在150-700℃保温0.5-1小时后以0.4-0.5℃/min的速率降温。
2.根据权利要求1所述的陶瓷球的加工方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：粗磨、半精加工、精加工、加工应力释放以及超精加工，其中所述的加工应力释放步骤在粗磨、半精加工和精加工步骤之后，且在超精加工步骤之前。
3.根据权利要求1或2中任一项所述的陶瓷球的加工方法，其特征在于，所述的对陶瓷球的研磨加工使用的磨料选自：碳化硼、碳化硅、刚玉、铬刚玉、锆刚玉、碳化钨、金刚石微粉和金刚石油膏中的一种或几种，其中，所述磨料的粒度为0.1-150μm。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的陶瓷球的加工方法，其特征在于，所述各个步骤中分别使用以下磨料：
在粗磨工艺中采用的磨料为碳化硼或碳化硅微粉；
在半精加工工艺中采用的磨料选自碳化硼、碳化硅微粉、刚玉微粉和氧化铝微粉中的几种；
在精加工工艺中采用的磨料选自金刚石微粉、刚玉、锆刚玉和铬刚玉微粉中的几种；和
在超精加工中采用的磨料为金刚石油膏以及选自碳化钨微粉和刚玉微粉中的一种微粉。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的陶瓷球的加工方法，其特征在于，所述的对陶瓷球的研磨加工使用的助磨剂包括稀土氧化物，优选为氧化铈。
6.根据权利要求5所述的陶瓷球的加工方法，其特征在于，所述的对陶瓷球的研磨加工使用的助磨剂还包括选自氧化铬、氧化铁、氧化钴和金刚石微粉中的一种或几种。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的陶瓷球的加工方法，其特征在于，所述的对陶瓷球的研磨加工使用的研磨介质选自：煤油，汽油，柴油和耐磨润滑油中的几种。
8.根据权利要求1-7任一项所述的陶瓷球的加工方法，其特征在于，所述的对陶瓷球的研磨加工中的磨削液中磨料的体积含量为18-60％，助磨剂体积含量为10-45％，余量体积含量为研磨介质的体积含量，且磨料、助磨剂和研磨介质的总体积含量为100％。
9.根据权利要求1-8任一项所述的陶瓷球加工方法，其特征在于，所述加工方法采用标准立式钢球研磨机在压力为5-22kN，转数为6-34r/min下进行的。
10.根据权利要求1-9任一项所述的方法加工的陶瓷球。
11.根据权利要求10所述的方法加工的陶瓷球，其特征在于，所述的陶瓷球选自氮化硅陶瓷球、氧化铝陶瓷球、氧化锆陶瓷球、碳化硼陶瓷球以及碳化硅陶瓷球中的一种或几种；优选地，所述的陶瓷球的直径为0.5-50.4mm。
12.权利要求10所述的陶瓷球在制备笔芯滚珠、微型陶瓷轴承、风力发电机陶瓷轴承球和/或陶瓷球阀中的应用。
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