CN102152193A - 超硬微小半球偶件的磨削加工方法 - Google Patents
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超硬微小半球偶件的磨削加工方法，它涉及一种偶件的磨削加工方法。为了解决现有的微小半球偶件的加工方法存在研抛工序繁琐、尺寸精度和表面粗糙度无法同时满足、工件加工效率低的问题。本发明方法的主要步骤：步骤A、成形砂轮磨削：先采用成型磨削法对用于高精度动压气浮轴承上的半球偶件的凸球面和凹球面进行粗加工；步骤B、直角砂轮范成精密磨削：待所述半球偶件的凸球面和凹球面的余量在50μm左右时再用经过精密修整的直角砂轮精密磨削。本发明方法避免了研抛的繁琐和尺寸不精确性，不仅能加工出满足面形精度的尺寸要求，保证较好的表层、亚表层质量，还能在很大程度上提高工件的加工效率，降低生产成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种偶件的磨削加工方法，具体涉及一种超硬微小半球偶件的磨削加工方法，属于磨削加工技术领域。
背景技术
用于动压轴承的微小半球偶件采用一种新型轻质硬质合金材料，它具有极高的硬度(其HRC达到92～93)，并且对偶件的形状精度和尺寸精度要求极高。目前，传统的加工方法仍局限于采用粗磨、精磨、研磨及抛光等工艺过程的生产阶段，但该方法往往在研抛时的尺寸精度和表面粗糙度难以两全，尺寸一致性差，互换性不好，技术水平低，工艺不稳定。再加上生产装备落后，生产困难，周期长。因此尽管动压轴承球形偶件有着无可比拟的功能性优势，却因受制于缺乏确定性、高精度的制造技术，严重制约着动压轴承球形偶件的推广应用。
发明内容
本发明为了解决现有的微小半球偶件的加工方法存在研抛工序繁琐、尺寸精度和表面粗糙度无法同时满足、工件加工效率低的问题，进而提供了一种超硬微小半球偶件的磨削加工方法。本发明所述的“微小半球偶件”是指半球偶件凸球面的外径小于10～15mm。
本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：所述方法是按照以下步骤实现的：
步骤A、成形砂轮磨削：先采用成型磨削法对用于高精度动压气浮轴承上的半球偶件的凸球面和凹球面进行粗加工；
步骤A1、半球偶件凸球面磨削：
设计用于磨削半球偶件凸球面的凹球成形砂轮：所述凹球成形砂轮选用电镀砂轮，砂轮粒度为325#；根据工件形状、目标加工尺寸、磨削效率和砂轮磨损情况设计凹球成形砂轮的端口直径、圆弧直径以及圆弧长度，凹球成形砂轮的端口直径为工件(半球偶件凸球面)目标加工尺寸半径的1.6～1.8倍，凹球成形砂轮的圆弧直径比工件(半球偶件凸球面)成形目标加工直径大50μm，凹球成形砂轮的圆弧长度为30°～40°圆心角所对应的圆弧长度；凹球成形砂轮凹球面的球面度在20μm以内；
在磨削过程中要保证半球偶件凸球面的整个半球面都能被磨削到且工件(半球偶件凸球面)两侧受力均匀，使凹球成形砂轮的轴线与工件(半球偶件凸球面)的轴线之间的夹角为25°～40°；
在对半球偶件凸球面进行磨削时，磨削工艺参数为：磨削深度为0.1μm/s、工件转速为60r/min、凹球成形砂轮的砂轮转速为45000r/min；
步骤A2、半球偶件凹球面磨削：
设计用于磨削半球偶件凹球面的凸球成形砂轮：所述凸球成形砂轮选用电镀砂轮，砂轮粒度为325#；根据工件形状、目标加工尺寸、磨削效率和砂轮磨损情况设计凸球成形砂轮的球面直径以及圆弧长度，凸球成形砂轮的球面直径比工件(半球偶件凹球面)成形目标加工直径小50μm，圆弧长度为280°～310°圆心角所对应的圆弧长度；凸球成形砂轮的圆弧长度大于半球偶件凹球面的圆弧长度以保证整个球面都能被磨削到且工件(半球偶件凹球面)在磨削时在圆周方向上受力均匀；
使凹球成形砂轮的轴线与工件(半球偶件凹球面)的轴线之间的夹角为25°～40°；
在对半球偶件凹球面进行磨削时，磨削工艺参数为：磨削深度为0.1μm/s、工件转速为60r/min、凸球成形砂轮的砂轮转速为45000r/min；
步骤B、直角砂轮范成精密磨削：待所述半球偶件的凸球面和凹球面的余量在50μm时再用经过精密修整的直角砂轮精密磨削：
步骤B1、采用型号为SD2000#的圆柱形树脂砂轮作为精密磨削过程中的直角砂轮，在对半球偶件的凸球面和凹球面进行精磨磨削之前先对所述直角砂轮进行在机整形和修锐；
步骤B2、在对半球偶件的凸球面和凹球面进行磨削时，磨削工艺参数为：所述直角砂轮的砂轮转速为40000r/min，半球偶件的凸球面和凹球面的工件转速为200r/min，所述直角砂轮的进给速度为1mm/min；先将所述直角砂轮的横向进给量控制在3μm/pass以进行半精加工，然后再控制在0.5μm/pass以进行精加工；
步骤C、最后得到凸球面和凹球面的面型尺寸为目标加工尺寸的半球偶件。
本发明的有益效果是：
本发明方法技术要点在于将成形砂轮磨削加工和精密砂轮范成磨削加工集成一体用于磨削动压轴承上的微小半球偶件，本发明方法避免了研抛的繁琐和尺寸不精确性，不仅能加工出满足面形精度的尺寸要求，保证较好的表层、亚表层质量，还能在很大程度上提高工件的加工效率，降低生产成本。
采用成形磨削和直角砂轮范成磨削相结合的方法，一方面可以大大缩短制造周期，将原来需要五天加工一个工件的时间缩短到两天，提高加工效率，同时减少了砂轮损耗，节省制造成本；另一方面可以有效地保证零件的尺寸精度、面形精度以及较小的表层和压表层损伤，提高工件的利用率和互换性。在以上磨削条件下，可以达到满足要求的磨削效果：表面粗糙度在15nm以内，半径尺寸偏差在5μm以内，形状精度峰谷值在0.2μm以内。因此，本发明方法可有效应用于航空、航天等高精尖领域中微小半球偶件的磨削加工(参见图5～8)。
附图说明
图1是本发明所述方法中的用于动压轴承球形半球偶件的凸球面，图2是本发明所述方法中的用于动压轴承球形半球偶件的凹球面，图3是凸球面工件的成形磨削示意图(图中：1-凸球面工件，3-凹球成形砂轮)，图4是凹球面工件的成形磨削示意图(图中：2-凹球面工件，4-凸球成形砂轮)；图5是采用Form Talysurf PGI1240型轮廓仪测量用本发明方法磨削后的工件(凹球面)表面粗糙度及PV值检测结果图(从图5中可看出：表面粗糙度在15nm以内，形状精度峰谷值(PV值)在0.2μm以内)，图6是采用Form TalysurfPGI1240型轮廓仪测量用本发明方法磨削后的工件(凸球面)球面半径检测结果图(理论半径7.5mm；从图6中可看出半径尺寸偏差在5μm以内)；图7是用本发明所述方法磨削后的半球偶件凸球面的加工效果图，图8是用本发明所述方法磨削后的半球偶件凹球面的加工效果图。
具体实施方式
具体实施方式一：如图1～4所示，本实施方式所述的超硬微小半球偶件的磨削加工方法是按照以下步骤实现的：
步骤A、成形砂轮磨削：先采用成型磨削法对用于高精度动压气浮轴承上的半球偶件的凸球面和凹球面进行粗加工；
步骤A1、半球偶件凸球面磨削：
设计用于磨削半球偶件凸球面的凹球成形砂轮：所述凹球成形砂轮选用电镀砂轮，砂轮粒度为325#；根据工件形状、目标加工尺寸、磨削效率和砂轮磨损情况设计凹球成形砂轮的端口直径W1、圆弧直径D1以及圆弧长度L1，凹球成形砂轮的端口直径W1为工件(半球偶件凸球面)目标加工尺寸半径的1.6～1.8倍，凹球成形砂轮的圆弧直径D1比工件(半球偶件凸球面)成形目标加工直径大50μm，凹球成形砂轮的圆弧长度L1为30°～40°圆心角A1所对应的圆弧长度；凹球成形砂轮凹球面的球面度在20μm以内；
在磨削过程中要保证半球偶件凸球面的整个半球面都能被磨削到且工件(半球偶件凸球面)两侧受力尽量均匀，使凹球成形砂轮的轴线与工件(半球偶件凸球面)的轴线之间的夹角α为25°～40°；
在对半球偶件凸球面进行磨削时，磨削工艺参数为：磨削深度为0.1μm/s、工件转速为60r/min、凹球成形砂轮的砂轮转速为45000r/min；
步骤A2、半球偶件凹球面磨削：
设计用于磨削半球偶件凹球面的凸球成形砂轮：所述凸球成形砂轮选用电镀砂轮，砂轮粒度为325#；根据工件形状、目标加工尺寸、磨削效率和砂轮磨损情况设计凸球成形砂轮的球面直径D2以及圆弧长度L2，凸球成形砂轮的球面直径D2比工件(半球偶件凹球面)成形目标加工直径小50μm，圆弧长度L2为280°～310°圆心角A2所对应的圆弧长度；凸球成形砂轮的圆弧长度大于半球偶件凹球面的圆弧长度以保证整个球面都能被磨削到且工件(半球偶件凹球面)在磨削时在圆周方向上受力均匀；
使凹球成形砂轮的轴线与工件(半球偶件凹球面)的轴线之间的夹角β为25°～40°；
在对半球偶件凹球面进行磨削时，磨削工艺参数为：磨削深度为0.1μm/s、工件转速为60r/min、凸球成形砂轮的砂轮转速为45000r/min；
步骤B、直角砂轮范成精密磨削：待所述半球偶件的凸球面和凹球面的余量在50μm左右时再用经过精密修整的直角砂轮精密磨削：
步骤B1、采用型号为SD2000#的圆柱形树脂砂轮作为精密磨削过程中的直角砂轮，在对半球偶件的凸球面和凹球面进行精磨磨削之前先对所述直角砂轮进行在机整形和修锐；
步骤B2、在对半球偶件的凸球面和凹球面进行磨削时，磨削工艺参数为：所述直角砂轮的砂轮转速为40000r/min，半球偶件的凸球面和凹球面的工件转速为200r/min，所述直角砂轮的进给速度为1mm/min；先将所述直角砂轮的横向进给量控制在3μm/pass以进行半精加工，然后再控制在0.5μm/pass以进行精加工；
步骤C、最后得到凸球面和凹球面的面型尺寸为目标加工尺寸的半球偶件。
具体实施方式二：如图1～4所示，本实施方式在步骤B1中，对所述直角砂轮进行在机整形和修锐的具体修整参数为：
所述直角砂轮的修整方式分为轴向和径向：
轴向修整时，采用的修整轮是粒度为800#的AL2O3修整轮，修整轮的修整深度为3μm/pass，修整轮的进给速度为10mm/min，所述直角砂轮的砂轮转速为45000r/min，修整轮转速为200r/min；
径向修整时，采用的修整轮是粒度为800#的AL2O3修整轮，修整轮的修整深度为2μm/pass，修整轮的进给速度为8mm/min，所述直角砂轮的砂轮转速为45000r/min，修整轮转速为200r/min。其它步骤与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：如图1～4所示，本实施方式中在对直角砂轮进行轴向修整时和径向修整时，采用的修整液是型号为AFG-M的水基磨削液。其它步骤与具体实施方式二相同。
具体实施方式四：如图1～4所示，本实施方式中在步骤A1和A2中，在对半球偶件的凸球面和凹球面进行磨削时，采用的磨削液是型号为AFG-M的水基磨削液。其它步骤与具体实施方式一相同。
针对本发明所述方法再进行如下阐述：
(1)成形磨削：成形法即是将砂轮修整成与工件型面完全吻合的相反型面，再用砂轮去磨削工件。相比于点接触磨削，成形磨削属于面接触磨削，可以在很大程度上提高砂轮的磨削速度。然而成形磨削时，对砂轮的要求很高，砂轮的形状会在磨削过程中复印到工件上来，对砂轮的精度要求很高。限于现在的制造技术，一般采用成形磨削进行粗加工，以达到短时间内去除大余量，提高磨削效率。磨削时砂轮轴和工件轴在同一水平面上，并成一定的角度，如图2所示。磨削时砂轮和工件自转的同时，工件轴沿着轴向进给，通过工件圆弧与砂轮弧面间的对磨实现材料的去除。成形砂轮磨削主要包括成形砂轮的设计和磨削工艺参数的选择。
半球偶件凸球面磨削。根据工件形状、目标加工尺寸、磨削效率和砂轮磨损情况设计成形砂轮端口半径、圆弧半径以及圆弧长度。在磨削过程中要保证整个半球面都能被磨削到，且工件两侧受力尽量均匀。如图3所示，砂轮轴线相对于工件轴线的角度决定着砂轮端口半径的大小，凹球成形砂轮的端口半径为工件半径的1.6～1.8倍，成形砂轮圆弧直径比工件成形目标加工直径大50μm，考虑到砂轮圆弧制作的难易程度以及有效磨削区域，球面度在20μm以内。
半球偶件凹球面磨削。同样需要根据工件形状、目标加工尺寸、磨削效率和砂轮磨损情况设计成形砂球面半径以及圆弧长度。如图4所示，成形砂轮的球面直径要根据被加工件的尺寸来定，一般比目标加工尺寸小50μm。为了使工件在磨削时在圆周方向上受力均匀，因此设计的球面圆弧要大一些，以保证整个球面都能被磨削到。
磨削参数根据工件硬度、砂轮类型和机床性能来定。对于超硬合金，由于材料非常硬，对砂轮的磨损非常大，大进给量时磨削力较大，对砂轮和机床都会造成不利影响，必须进行小进给。另外成形粗加工一般选用电镀砂轮，以增大耐用度。经多次实验确定磨削加工参数如表1所示。
表1磨削参数表
| 砂轮类型 | 成形砂轮(电镀) | 磨削深度 | 0.1μm/s |
| 砂轮粒度 | 325# | 工件转速 | 60r/min |
| 磨削液 | AFG-M | 砂轮转速 | 45000r/min |
另外在磨削路径规划上，凸凹球面稍有不同。在磨削凸球面时磨削面比较小且基本上都在球面边缘磨削，磨屑易于排出，工件以0.1μm/s的速度进给；但在磨削凹面时，工件是全接触，磨削液很难进入工件深处，磨屑不易排出，因此在加工时工件轴要有一个抬刀的动作，每隔一定时间砂轮和工件分开，方便磨屑排出。
(2)：直角砂轮范成精密磨削。所谓范成磨削即是通过工件轴和砂轮轴相互配合运动，使砂轮磨削点相对于工件沿一定的轨迹运动，来实现对工件余量的去除。要达到纳米级的表面粗糙度，需要选用细粒度的树脂砂轮磨削，同时还要进行在机精密修整，以保证其圆度。采用粒度为2000#的圆柱形树脂砂轮直角边进行点接触磨削，在磨削之前需要对砂轮的周向和端面进行精密的修整，以保证直角边磨削点精度。采用对滚法分别沿着轴向和径向修整直角砂轮，修整参数如表2所示。
表2砂轮修整参数表
通过工件轴和砂轮轴分别在Z向和X向的配合运动，砂轮直角边沿着圆弧轨迹磨削加工。使用的机床由具备纳米级分辨率的直线电机驱动微量进给系统的超精密磨床，对微小直角砂轮进行在机整形和修锐，磨削过程中采用水基冷却液。在多次磨削实验的基础上得出最佳磨削参数如表3所示。
表3磨削参数
| 砂轮型号 | 树脂砂轮(SD2000#) |
| 砂轮转速(r/min) | 40000 |
| 工件转速(r/min) | 200 |
| 进给速度(mm/min) | 1 |
| 磨削深度(μm/pass) | 3(半精加工)，0.5(精加工) |
Claims (4)
1.一种超硬微小半球偶件的磨削加工方法，其特征在于：所述方法是按照以下步骤实现的：
步骤A、成形砂轮磨削：先采用成型磨削法对用于高精度动压气浮轴承上的半球偶件的凸球面和凹球面进行粗加工；
步骤A1、半球偶件凸球面磨削：
设计用于磨削半球偶件凸球面的凹球成形砂轮：所述凹球成形砂轮选用电镀砂轮，砂轮粒度为325#；根据工件形状、目标加工尺寸、磨削效率和砂轮磨损情况设计凹球成形砂轮的端口直径(W1)、圆弧直径(D1)以及圆弧长度(L1)，凹球成形砂轮的端口直径(W1)为工件目标加工尺寸半径的1.6～1.8倍，凹球成形砂轮的圆弧直径(D1)比工件成形目标加工直径大50μm，凹球成形砂轮的圆弧长度(L1)为30°～40°圆心角(A1)所对应的圆弧长度；凹球成形砂轮凹球面的球面度在20μm以内；
在磨削过程中要保证半球偶件凸球面的整个半球面都能被磨削到且工件两侧受力均匀，使凹球成形砂轮的轴线与工件的轴线之间的夹角(α)为25°～40°；
在对半球偶件凸球面进行磨削时，磨削工艺参数为：磨削深度为0.1μm/s、工件转速为60r/min、凹球成形砂轮的砂轮转速为45000r/min；
步骤A2、半球偶件凹球面磨削：
设计用于磨削半球偶件凹球面的凸球成形砂轮：所述凸球成形砂轮选用电镀砂轮，砂轮粒度为325#；根据工件形状、目标加工尺寸、磨削效率和砂轮磨损情况设计凸球成形砂轮的球面直径(D2)以及圆弧长度(L2)，凸球成形砂轮的球面直径(D2)比工件成形目标加工直径小50μm，圆弧长度(L2)为280°～310°圆心角(A2)所对应的圆弧长度；凸球成形砂轮的圆弧长度大于半球偶件凹球面的圆弧长度以保证整个球面都能被磨削到且工件在磨削时在圆周方向上受力均匀；
使凹球成形砂轮的轴线与工件的轴线之间的夹角(β)为25°～40°；
在对半球偶件凹球面进行磨削时，磨削工艺参数为：磨削深度为0.1μm/s、工件转速为60r/min、凸球成形砂轮的砂轮转速为45000r/min；
步骤B、直角砂轮范成精密磨削：待所述半球偶件的凸球面和凹球面的余量在50μm时再用经过精密修整的直角砂轮精密磨削：
步骤B1、采用型号为SD2000#的圆柱形树脂砂轮作为精密磨削过程中的直角砂轮，在对半球偶件的凸球面和凹球面进行精磨磨削之前先对所述直角砂轮进行在机整形和修锐；
步骤B2、在对半球偶件的凸球面和凹球面进行磨削时，磨削工艺参数为：所述直角砂轮的砂轮转速为40000r/min，半球偶件的凸球面和凹球面的工件转速为200r/min，所述直角砂轮的进给速度为1mm/min；先将所述直角砂轮的横向进给量控制在3μm/pass以进行半精加工，然后再控制在0.5μm/pass以进行精加工；
步骤C、最后得到凸球面和凹球面的面型尺寸为目标加工尺寸的半球偶件。
2.根据权利要求1所述的超硬微小半球偶件的磨削加工方法，其特征在于；在步骤B1中，对所述直角砂轮进行在机整形和修锐的具体修整参数为：
所述直角砂轮的修整方式分为轴向和径向：
轴向修整时，采用的修整轮是粒度为800#的AL2O3修整轮，修整轮的修整深度为3μm/pass，修整轮的进给速度为10mm/min，所述直角砂轮的砂轮转速为45000r/min，修整轮转速为200r/min；
径向修整时，采用的修整轮是粒度为800#的AL2O3修整轮，修整轮的修整深度为2μm/pass，修整轮的进给速度为8mm/min，所述直角砂轮的砂轮转速为45000r/min，修整轮转速为200r/min。
3.根据权利要求2所述的超硬微小半球偶件的磨削加工方法，其特征在于：在对直角砂轮进行轴向修整时和径向修整时，采用的修整液是型号为AFG-M的水基磨削液。
4.根据权利要求1所述的超硬微小半球偶件的磨削加工方法，其特征在于：在步骤A1和A2中，在对半球偶件的凸球面和凹球面进行磨削时，采用的磨削液是型号为AFG-M的水基磨削液。
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