CN101579840B - 一种高精度球高效研磨/抛光加工方法 - Google Patents

Abstract

一种高精度球高效研磨/抛光加工方法，实现该加工方法的加工设备中，由下研磨盘内盘外侧的锥面研磨面和下研磨盘外盘内侧的锥形研磨面构成V形槽结构，载荷加压装置通过上研磨盘作用于球坯，所述的V形槽结构和上研磨盘一起构成研磨球的三个加工接触点，所述上研磨盘、下研磨盘外盘和下研磨内盘具有相同的回转轴；在所述的上研磨盘、下研磨盘外盘和下研磨内盘中，其中两个盘的转轴分别由电机驱动；通过调整Ω_B和Ω_C的速度组合，使陶瓷球作“变相对方位”，使研磨轨迹均匀分布在球的表面上，实现对陶瓷球表面的均匀研磨。本发明既能实现较高的加工精度和加工效率，又具备加工装置结构简单、制造成本较低。

Description

一种高精度球高效研磨/抛光加工方法

技术领域

本发明涉及一种球形零件研磨/抛光加工方法，特别涉及高速、高精度陶瓷球轴承中高精度陶瓷球的精密研磨/抛光加工方法，属于高精度球形零件加工技术。

背景技术

高精度球是是圆度仪、陀螺、轴承和精密测量中的重要元件，并常作为精密测量的基准，在精密设备和精密加工中具有十分重要的地位。特别是在球轴承中大量使用，是球轴承的关键零件，轴承球的精度(球形偏差、球直径变动量和表面粗糙度)直接影响着球轴承的运动精度、噪声及寿命等技术指标，进而影响设备、仪器的性能。与传统的轴承钢球材料(GCr15)相比，氮化硅等先进陶瓷材料具有耐磨、耐高温、耐腐蚀、无磁性、低密度(为轴承钢的40％左右)，热胀系数小(为轴承钢的25％)及弹性模量大(为轴承钢的1.5倍)等一系列优点，被认为是制造喷气引擎、精密高速机床、精密仪器中高速、高精度及特殊环境下工作轴承球的最佳材料。由于氮化硅等先进陶瓷属硬脆难加工材料，材料烧结后的陶瓷球毛坯主要采用磨削(粗加工)→研磨(半精加工)→抛光(精加工)的方法进行加工。对于陶瓷球的研磨/抛光工艺而言，加工过程采用游离磨料，在机械、化学效应的作用下，对陶瓷球坯表面材料进行微小的去除，以达到提高尺寸精度，提高表面完整性的目的。传统的陶瓷球研磨/抛光加工主要是在加工钢质轴承球的V形槽研磨设备上进行的，采用硬质、昂贵的金刚石磨料作为磨料，加工周期长(完成一批陶瓷球需要几周时间)。漫长的加工过程以及昂贵的金刚石磨料导致了高昂的制造成本，限制了陶瓷球的应用。随着仪器设备精度的不断提高，对陶瓷球等特殊材质球体的加工精度提出了更高的要求，同时需要提高加工效率和一致性以降低生产成本。

研磨/抛光方法对陶瓷球的研磨精度和效率有着重要的影响。研磨过程中，球坯和研具的研磨方式直接决定了球坯的研磨成球运动。研磨迹线能否均匀覆盖球面是高效研磨球坯，提高球度，获得高精密球的关键。

对于陶瓷球的研磨加工，国内外已有一些相应的加工方法，如：V形槽研磨加工、圆沟槽研磨加工、锥形盘研磨加工、自转角主动控制研磨、磁悬浮研磨加工等。V形槽研磨加工、圆沟槽研磨加工、锥形盘研磨加工等加工方法中，球坯只能作“不变相对方位”研磨运动，即球坯的自旋轴对公转轴的相对空间方位固定，球坯绕着一固定的自旋轴自转。实践和理论分析都表明“不变相对方位”研磨运动对球的研磨是不利的，球坯与研磨盘的接触点在球坯表面形成的研磨迹线是一组以球坯自转轴为轴的圆环，研磨盘沿着三接触点的三个同轴圆迹线对球坯进行“重复性”研磨，不利于球坯表面迅速获得均匀研磨，在实际加工中需要依靠球坯打滑、搅动等现象，使球坯的自旋轴与公转轴的相对工件方位发生缓慢变化，达到均匀研磨的目的，但这种自旋角的变化非常缓慢，是随机、不可控的，从而限制了加工的球度和加工效率。

自转角主动控制研磨加工采用可独立转动的三块研磨盘，通过控制研磨盘转速变化来实现对球坯自旋轴方位的调整，使球坯作“变相对方位”研磨运动，球坯表面的研磨迹线是以球坯自转轴为轴的空间球面曲线，能够覆盖大部分甚至整个球坯表面，有利于球坯表面获得均匀、高效的研磨。但这种方法采用的加工装置动力源多，结构及控制系统复杂，对制造和装配精度都有较高的要求，加工成本高。陶瓷球磁悬浮研磨加工的主要特征是采用磁流体技术实现对球坯的高效研磨，除了对球坯的加压的方式不同外，其研磨运动方式同V形槽研磨加工和锥形盘研磨加工中的运动方式基本相同，因此，在其加工过程中球度同样受到了限制。而且磁悬浮研磨加工所采用的加工装置和控制系统复杂，磁流体的成本也较高，具有一定的局限性。

因此，对于陶瓷球等难加工材料高精度球的加工，急需一种既能实现较高的加工精度和加工效率，又具备结构简单、制造成本较低的陶瓷球研磨/抛光加工方法。

发明内容

为了克服现有球形零件研磨/抛光加工方法的球度和加工效率低、加工一致性差、加工装置和控制复杂、成本高的不足，本发明提供一种既能实现较高的加工精度和加工效率，又具备加工装置结构简单、制造成本较低的高精度球高效研磨/抛光加工方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种高精度球高效研磨/抛光加工方法，实现所述加工方法的加工设备中，由下研磨盘内盘外侧的锥面研磨面和下研磨盘外盘内侧的锥形研磨面构成V形槽结构，载荷加压装置通过上研磨盘作用于球坯，所述的V形槽结构和上研磨盘一起构成研磨球的三个加工接触点，所述上研磨盘、下研磨盘外盘和下研磨内盘具有相同的回转轴；在所述的上研磨盘、下研磨盘外盘和下研磨内盘中，其中两个盘的转轴分别由电机驱动；

设定待加工的陶瓷球的三个加工接触点分别为A、B、C，  三接触点到回转轴的距离分别为R_A、R_B、R_C，转动的两个盘的转速分别为Ω_B、Ω_C，输入转速Ω_B、Ω_C之间的关系为：

Ω_B＝3Ω_C sin(0.01πt)(rpm)

通过调整Ω_B和Ω_C的速度组合，使陶瓷球作“变相对方位”，使研磨轨迹均匀分布在球的表面上，实现对陶瓷球表面的均匀研磨。

进一步，所述的下研磨盘内盘和下研磨盘外盘分别由两个不同的电机驱动。

或者是：所述的下研磨盘内盘和上研磨盘分别由两个不同的电机驱动。

再或者是：所述的下研磨盘外盘和上研磨盘分别由两个不同的电机驱动。

本发明的方案通过施加合适的载荷压力和调整两个转动研磨盘的转速组合使球坯在V形槽中自旋轴与公转轴的相对方位发生变化，实现球坯“变相对方位”的成球运动，使球坯表面获得均匀研磨，快速修正球形误差，提高球的研磨加工效率和加工精度。

本发明的高精度球高效研磨/抛光加工方法采用三块研磨盘构成构成V形槽结构，与陶瓷球构成三点接触进行研磨，任意选择其中的两块研磨盘作为原动件就完全可以实现球坯在两个自由度方向上的旋转运动，通过调整这两块研磨盘的转速组合，实现球坯自转角的变化，使研磨轨迹能均匀覆盖整个球坯表面，快速修正球形误差；另一块研磨盘不转动，对球坯施加加工载荷。根据三块研磨盘配置的不同，该新型研磨装置可采用数种结构形式，其设计思想和工作原理相同，下面以其中一种研磨盘配置方式为例给出说明。

该研磨方法采用一块上研磨盘和两块下研磨盘构成研磨盘组件。上研磨盘在加工过程中周向固定(不旋转)，下端面为研磨面，加压装置通过上研磨盘对球坯施加弹性载荷，使较大的球受到较大的载荷，从而在加工过程中始终能保证较好的磨削尺寸选择性——磨大球，不磨或少磨小球；磨球坯的长轴，不磨或少磨短轴。下研磨盘由内外两个盘组成，分别由两个电机通过一套同轴传动装置驱动，可独立转动，下研磨盘内盘外侧的锥面研磨面和下研磨盘外盘的内侧的锥形研磨面构成V形槽结构。加工过程中，陶瓷球坯在V形槽中受到研磨盘的驱动公转并自转，在磨料的作用下实现材料去除，研磨成球。由于存在两个驱动，完全可以实现球坯两个自由度方向的旋转，实现完整的成球运动，即通过控制下研磨盘外盘和下研磨盘内外盘的转速组合，可使研磨过程中球坯的自旋轴与公转轴的相对方位发生变化，实现球坯“变相对方位”的成球运动，使球坯表面获得均匀研磨，快速修正球形偏差，从而提高加工精度与加工效率。

本发明与自转角主动控制研磨加工方法一样能够实现球坯自转轴与公转轴相对方位的调整，实现球坯表面的均匀研磨/抛光，区别在于本发明的上研磨盘是无需旋转的，与下研磨的同轴要求较低；上盘稍有浮动，降低了上、下研磨盘的平行度要求，并便于通过上盘对球坯加压；驱动、传动装置由三个减少至两个。这样，设备的结构得到很大简化，加工、装配的精度要求也相对降低。

本发明进行陶瓷球研磨/抛光过程中，其单个陶瓷球研磨机理分析如下：上研磨盘周向固定，假设球坯为标准球体，球坯和研磨盘接触点之间无变形，无相对滑动，球坯之间无推挤现象，陶瓷球只受研磨盘作用，下研磨盘通过与陶瓷球的接触点无滑动地带动陶瓷球作研磨运动。设定研磨盘与陶瓷球的接触点分别为A、B、C。三接触点到下研磨盘回转轴的距离分别为R_A、R_B、R_C。下研磨盘转速分别为Ω_B、Ω_C。半径为r_b的球坯在下研磨盘组成的V形槽内以角速度Ω_b公转，同时以角速度ω_b自转。V形槽道的形状由下研磨盘内盘和下研磨盘外盘的斜角α、β确定，并有R_B＝R_A+r_bcosα，R_C＝R_A-r_bcosβ。在实际的工程应用中，一般α＝β。陶瓷球的自转轴恒保持在陶瓷球经度剖面大圆平面上，自转角速度ω_b矢量在此平面上的方向由θ表示。在θ角不变的情况下，A、B、C三接触点在陶瓷球表面形成的三条研磨轨迹是同轴的三个圆。自转角θ的取值与输入转速Ω_B、Ω_C紧密相关，其关系为：

Ω_C＝20～50(rpm)

Ω_B＝3Ω_C sin(0.01πt)(rpm)

$\tan \mathrm{\θ}=\frac{1+\sin \mathrm{\α}}{\cos \mathrm{\α}}\·\frac{R_A\left[3\sin \left(0.01\mathrm{\πt}\right)\right]-1]+r_b\cos \mathrm{\α}[3\sin \left(0.01\mathrm{\πt}\right)]+1]}{R_A\left[3\sin \left(0.01\mathrm{\πt}\right)\right]+1]+r_b\cos \mathrm{\α}[3\sin \left(0.01\mathrm{\πt}\right)]-1]}$

通过改变输入转速Ω_B、Ω_C，自转角θ可以在-90°～90°范围内取值。这样就可以通过调整Ω_B和Ω_C的速度组合，使陶瓷球作“变相对方位”，使研磨轨迹均匀分布在球的表面上，实现对陶瓷球表面的均匀研磨。同时，加压装置对球坯施加弹性载荷，能使较大的球受到较大的载荷，从而在加工过程中始终能保证较好的磨削尺寸选择性——磨大球，不磨或少磨小球；磨球坯的长轴，不磨或少磨短轴，因此能快速修正球形偏差，从而提高加工精度与加工效率。

本发明对陶瓷球进行研磨/抛光加工所涉及的几何和工艺参数很多，但对陶瓷球研磨有重要影响的主要有：几何参数r_b、R_A、α、β等，以及加工载荷W和Ω_B、Ω_C、磨料等工艺参数。这里着重探讨其中最重要的三个参数——加工载荷W和下研磨盘转速Ω_B、Ω_C。陶瓷球在研磨中的随机打滑对陶瓷球研磨最为有害，不仅直接破坏陶瓷球的研磨质量，而且还破坏正常的研磨运动，从而引起相邻陶瓷球之间的挤碰，更严重的会影响到陶瓷球研磨加工的正常进行。因此，分析加工载荷和两块下研磨盘转速的出发点是，必须确保陶瓷球在研磨中作无随机打滑研磨运动。而随机打滑现象直接与加工载荷与研磨盘转速参数是紧密相关的。提高加工载荷和研磨盘转速有利于提高球坯的材料去除率，但由此造成的随机打滑和尺寸旋转性下降则会降低球度精度。因此，在确定具体值时，必须兼顾加工质量和加工效率。例如，在粗研时可选择较大的研磨压力和研磨盘转速，以提高加工余量的去除速度；如果侧重于研磨精度，Ω_B、Ω_C、W应该选小一点。Ω_B、Ω_C、W的最后确定，还必须通过大量的分析、仿真和陶瓷球研磨的现场实验，以取得最佳的研磨效果。

陶瓷属于脆性材料，在磨粒的作用下，表面会产生不同的裂纹，所以，陶瓷球的研磨加工要分布进行，由粗到精分多道工序来完成。工序多时辅助时间长，加工时间多，球的清洗取放时间长，最大优点是可以合理分配加工余量，每道工序效率高。工序少时辅助时间短，加工时间长，磨粒度差别大，必须保证足够的加工余量才能去除前道工序所留缺陷及逐渐提高加工精度。工序的划分要根据加工批量，球坯余量，误差大小等综合确定，批量较大时，工序划分有助于整体效率的提高。

因此，本发明进行陶瓷球研磨加工的一个合理的加工工艺为：粗研-半精研-精研-超精研-抛光。为保证研磨效率和精度，应根据批量大小、球坯的余量来合理安排工序，由粗到精，逐步减小研磨压力和转速。调整合理的研磨剂有助于提高研磨精度和效率，需采取措施使磨料在研磨液中悬浮，研磨液循环要均匀。研磨装置的精度对研磨效率和精度的提高有很大的影响，主要应保证上下研磨盘之间的平行度、两块下研磨盘的同轴度，垂直度，偏心及导向精度，这直接关系到球坯的受力和运动状态。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：1、所采用的加工装置结构较为简单，能达到主动控制球坯在研磨过程中的运动状态，实现“变相对方位”的研磨成球运动，同时通过研磨盘转速的自动化控制，减少了人为因素的影响，提高了加工的一致性和稳定性；2、结合合理的研磨加工工艺，可以有效提高陶瓷球的研磨精度和研磨效率，实现批量生产，在加工精度、效率及机械结构上具有明显的综合优势；3、还可以用于加工高精度钢制轴承球、玛瑙球以及其它材料的球形零件，将对提高精密球批量生产的研磨精度和研磨效率，发展超高精度球和陶瓷球等特殊材质球都将起到非常积极的作用，可为高速、高精度主轴系统提供关键的基础零件，促进数控机床、精密仪器等相关产业向着高速，高效，高精度的方向快步发展，而且可以逐步形成专业生产高精度陶瓷球轴承的高科技产业，培育新的经济增长点。

附图说明

图1为本发明中实施例一的结构示意图。

图2为本发明中实施例1的陶瓷球研磨机理图。

图3为本发明中实施例2的陶瓷球研磨机理图。

图4为本发明中实施例3的陶瓷球研磨机理图。

图5为本发明中陶瓷球研磨几何关系图。

图6为本发明中陶瓷球研磨运动分析图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体技术方案及工作过程作进一步说明：

实施例1

参见图1、图2、图5和图6，一种高精度球高效研磨/抛光加工方法，实现所述加工方法的加工设备中，由下研磨盘内盘外侧的锥面研磨面和下研磨盘外盘内侧的锥形研磨面构成V形槽结构，载荷加压装置通过上研磨盘作用于球坯，所述的V形槽结构和上研磨盘一起构成研磨球的三个加工接触点，所述上研磨盘、下研磨盘外盘和下研磨内盘具有相同的回转轴；在所述的上研磨盘、下研磨盘外盘和下研磨内盘中，其中两个盘的转轴分别由电机驱动；

设定待加工的陶瓷球的三个加工接触点分别为A、B、C，三接触点到回转轴的距离分别为R_A、R_B、R_C，转动的两个盘的转速分别为Ω_B、Ω_C，输入转速Ω_B、Ω_C之间的关系为：

Ω_B＝3Ω_C sin(0.01πt)  (rpm)

通过调整Ω_B和Ω_C的速度组合，使陶瓷球作“变相对方位”，使研磨轨迹均匀分布在球的表面上，实现对陶瓷球表面的均匀研磨。

所述的下研磨盘内盘和下研磨盘外盘分别由两个不同的电机驱动。

本实施例所用的高效研磨/抛光装置包括设置在机架15上的上研磨盘8、下研磨外盘7、下研磨盘内盘6，下研磨盘内盘驱动电机16，下研磨盘内盘传动装置1和17，下研磨盘内盘主轴3，下研磨盘外盘驱动电机4，下研磨盘外盘传动装置2，下研磨盘外盘主轴5，载荷加压装置9和10，横梁12，锁紧机构11，立柱13。由下研磨盘内盘6外侧的锥面研磨面和下研磨盘外盘7内侧的锥形研磨面构成V形槽结构，所述的V形槽结构和上研磨盘8一起构成研磨球的三个加工接触点A、B、C；下研磨盘内盘6和下研磨盘外盘7分别由下研磨盘内盘驱动电机16和下研磨盘外盘驱动电机4驱动，按一定的转速组合转动；载荷加压装置9通过上研磨盘8作用于球坯。

所述的一种高精度球高效研磨/抛光加工方法，通过调整下研磨盘内盘6和下研磨盘外盘7的转速组合以及施加合适的载荷压力，使球坯在V形槽中自旋轴与公转轴的相对方位发生变化，实现球坯“变相对方位”的成球运动，使球坯表面获得均匀研磨，快速修正球形误差，提高球的研磨加工效率和加工精度。

实施例2

参见图1、图3、图5和图6，本实施例的下研磨盘内盘和上研磨盘分别由两个不同的电机驱动。

本实施例所用的高效研磨/抛光装置包括设置在机架15上的上研磨盘8、下研磨外盘7、下研磨盘内盘6，下研磨盘内盘驱动电机16，下研磨盘内盘传动装置1和17，下研磨盘内盘主轴3，下研磨盘外盘驱动电机4，下研磨盘外盘传动装置2，下研磨盘外盘主轴5，加压装置9和10，横梁12，锁紧机构11，立柱13。由下研磨盘内盘6外侧的锥面研磨面和下研磨盘外盘7内侧的锥形研磨面构成V形槽结构，所述的V形槽结构和上研磨盘8一起构成研磨球的三个加工接触点A、B、C；上研磨盘8和下研磨盘内盘6分别由上研磨盘驱动电机和下研磨盘内盘驱动电机16驱动，按一定的转速组合转动；载荷加压装置9通过上研磨盘8作用于球坯。

所述的一种高精度球高效研磨/抛光加工方法，通过调整上研磨盘8和下研磨盘内盘6的转速组合以及施加合适的载荷压力，使球坯在V形槽中自旋轴与公转轴的相对方位发生变化，实现球坯“变相对方位”的成球运动，使球坯表面获得均匀研磨，快速修正球形误差，提高球的研磨加工效率和加工精度。

实施例3

参见图1、图4-图6，本实施例的下研磨盘外盘和上研磨盘分别由两个不同的电机驱动。

本实施例所用的高效研磨/抛光装置包括设置在机架15上的上研磨盘8、下研磨外盘7、下研磨盘内盘6，下研磨盘内盘驱动电机16，下研磨盘内盘传动装置1和17，下研磨盘内盘主轴3，下研磨盘外盘驱动电机4，下研磨盘外盘传动装置2，下研磨盘外盘主轴5，加压装置9和10，横梁12，锁紧机构11，立柱13。由下研磨盘内盘6外侧的锥面研磨面和下研磨盘外盘7内侧的锥形研磨面构成V形槽结构，所述的V形槽结构和上研磨盘8一起构成研磨球的三个加工接触点A、B、C；上研磨盘8和下研磨盘外盘7分别由上研磨盘驱动电机和下研磨盘外盘驱动电机4驱动，按一定的转速组合转动；载荷加压装置9通过上研磨盘8作用于球坯。

所述的一种高精度球高效研磨/抛光加工方法，通过调整上研磨盘8和下研磨盘外盘7的转速组合以及施加合适的载荷压力，使球坯在V形槽中自旋轴与公转轴的相对方位发生变化，实现球坯“变相对方位”的成球运动，使球坯表面获得均匀研磨，快速修正球形误差，提高球的研磨加工效率和加工精度。

下表1是采用本发明(一种高精度球高效研磨/抛光加工方法实施例一)加工成品陶瓷球的检测结果。从检测结果看：加工出的陶瓷球的精度水平已达到钢球的G3精度。

表1。

Claims (1)

1.一种高精度球高效研磨/抛光加工方法，其特征在于：实现所述加工方法的加工设备中，由下研磨盘内盘外侧的锥面研磨面和下研磨盘外盘内侧的锥形研磨面构成V形槽结构，载荷加压装置通过上研磨盘作用于待加工的陶瓷球球坯，所述的V形槽结构和上研磨盘一起构成待加工的陶瓷球球坯的三个加工接触点，所述上研磨盘、下研磨盘外盘和下研磨盘内盘具有相同的回转轴；在所述的上研磨盘、下研磨盘外盘和下研磨盘内盘中，所述的下研磨盘内盘和下研磨盘外盘分别由两个不同的电机驱动；

设定待加工的陶瓷球球坯的所述三个加工接触点分别为A、B、C，其中，A为待加工陶瓷球球坯与上研磨盘的加工接触点，B为待加工陶瓷球球坯与下研磨盘外盘的加工接触点，C为待加工陶瓷球球坯与下研磨盘内盘的加工接触点，所述三个加工接触点到所述回转轴的距离分别为R_A、R_B、R_C，下研磨盘外盘和下研磨盘内盘的输入转速分别为Ω_B、Ω_C，半径为r_b的待加工的陶瓷球球坯在所述V形槽内以角速度Ω_b公转，同时以角速度ω_b自转，V形槽道的形状由下研磨盘内盘和下研磨盘外盘的斜角α、β确定，并有R_B＝R_A+r_bcosα，R_C＝R_A-r_bcosβ，取α＝β，Ω_C＝20～50(rpm)，输入转速Ω_B、Ω_C之间的关系为：

Ω_B＝3Ω_C sin(0.01πt)    (rpm)

待加工的陶瓷球球坯的自转轴恒保持在待加工的陶瓷球球坯经度剖面大圆平面上，自转角速度ω_b矢量在此平面上的方向由自转角θ表示，计算式为：

$\tan \mathrm{\θ}=\frac{1+\sin \mathrm{\α}}{\cos \mathrm{\α}}\·\frac{R_A\left[3\sin \left(0.01\mathrm{\πt}\right)\right]-1]+r_b\cos \mathrm{\α}[3\sin \left(0.01\mathrm{\πt}\right)]+1]}{R_A\left[3\sin \left(0.01\mathrm{\πt}\right)\right]+1]+r_b\cos \mathrm{\α}[3\sin \left(0.01\mathrm{\πt}\right)]-1]}$

通过改变输入转速Ω_B、Ω_C，自转角θ能够在-90°～90°范围内取值；

通过调整下研磨盘外盘的输入转速Ω_B和下研磨内盘的输入转速Ω_C的速度组合，使待加工的陶瓷球球坯作“变相对方位”的成球运动，使研磨轨迹均匀分布在待加工的陶瓷球球坯的表面上，实现对待加工的陶瓷球球坯表面的均匀研磨，所述“变相对方位”的成球运动为待加工的陶瓷球球坯在所述V形槽中自旋轴和公转轴的相对方位发生变化。

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