CN103991017A - 一种轴偏心式变曲率沟槽加工高精度球体的装置 - Google Patents

Abstract

一种轴偏心式变曲率沟槽加工高精度球体的装置，包括机架、上研磨盘、下研磨盘和加载系统，上研磨盘连接上研磨盘主轴，下研磨盘连接下研磨盘主轴，上研磨盘主轴和下研磨盘主轴分别与驱动机构连接，上研磨盘位于下研磨盘的正上方，加载系统位于上研磨盘上，上研磨盘主轴与下研磨盘主轴偏心，上研磨盘的中心开有球体入口，下研磨盘的顶面开设变曲率轨迹的沟槽，球体入口的下端与沟槽的入口连通，循环输球装置的入口与沟槽的出口相连，循环输球装置的出口与球体入口的上端相连。本发明加工精度与加工效率、加工一致性高，同时结构简单，加工和装配的精度要求低。

Description

一种轴偏心式变曲率沟槽加工高精度球体的装置

技术领域

本发明属于高精度球形零件加工技术，涉及一种高精度球体的加工装置，尤其是高速、高精度陶瓷球轴承中高精度陶瓷球的精密研磨/抛光加工装置。

背景技术

精密球是圆度仪、陀螺仪等精密测量仪器中的重要元件，并常作为精密测量(如主轴回转精度)的基准。精密球在精密工程领域占有十分重要的地位。轴承用球的精度(球形偏差和表面粗糙度)直接影响着轴承的运动精度及寿命，进而影响仪器、设备功能的发挥。与传统的轴承钢球材料(GCr15)相比，氮化硅等先进陶瓷材料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，因其具有耐磨、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。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，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/抛光装置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。而在保证毛坯球本身质量和其它加工条件(压力、速度、磨料)的前提下，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。因此，必须对研磨/抛光装置的运行过程及陶瓷球在研磨/抛光过程的运动状态进行深入分析，掌握影响精度和效率的原因，才能为陶瓷球的加工提供合理的设备和相应的加工工艺。

目前，国内外已有一些相应的方法加工高精度球体，这些方法主要分为研具加工方法和磨盘加工方法。研具加工方法加工效率低，精度高。磨盘研磨法加工效率高，但精度低，其包括V形槽研磨法、圆沟槽研磨法、锥形盘研磨法、自转角主动控制研磨法、磁悬浮研磨法等。在V形槽研磨加工、圆沟槽研磨加工、锥形盘研磨加工等加工过程中，球坯只能作“不变相对方位”研磨运动，即球坯的自转轴对公转轴的相对空间方位固定，球坯绕着一固定的自转轴自转。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。而自转角主动控制研磨法具有可独立转动的三块研磨盘，可以通过控制研磨盘转速变化来调整球坯的自旋轴的方位，球坯能作“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。磁悬浮研磨加工装置和控制复杂，磁流体的成本也较高。

综上所述，对于陶瓷球等难加工材料高精度球的加工，急需一种既有较高的加工精度和加工效率，又具有结构简单，制造成本较低的陶瓷球研磨/抛光加工设备。

发明内容

为了克服已有球度和加工效率低、加工装置、加工一致性差和控制复杂、成本高的不足，本发明提供一种加工精度与加工效率、加工一致性高，同时结构简单，加工和装配的精度要求低的轴偏心式变曲率沟槽加工高精度球体的装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种轴偏心式变曲率沟槽加工高精度球体的装置，包括机架、上研磨盘、下研磨盘和加载系统，所述上研磨盘连接上研磨盘主轴，所述下研磨盘连接下研磨盘主轴，所述上研磨盘主轴和下研磨盘主轴可转动地安装在机架上，所述上研磨盘主轴和下研磨盘主轴分别与驱动机构连接，所述上研磨盘位于下研磨盘的正上方，所述加载系统位于所述上研磨盘上，所述上研磨盘主轴与下研磨盘主轴偏心，所述上研磨盘上开有球体入口，所述下研磨盘的顶面开设变曲率轨迹的沟槽，所述球体入口的下端与所述沟槽的入口连通，循环输球装置的入口与所述沟槽的出口相连，所述循环输球装置的出口与所述球体入口的上端相连。

进一步，所述变曲率轨迹的沟槽的入口与第二物料盘相连，所述沟槽的出口与第一物料盘相连，所述第一物料盘与循环输球装置一端相连，所述循环输球装置另一端与第二物料盘相连。

更进一步，所述沟槽轨迹的形状为螺旋线。当然，也可以为其他的连续过度的变曲率曲线。

所述变曲率沟槽的槽距为全等距、全变距或者等距变距同时存在。

本发明的技术构思为：采用上、下研磨盘主轴偏心，上研磨盘与下研磨盘上的变曲率沟槽构成研磨结构，与球体构成三点接触进行研磨，由上、下研磨盘旋转驱动，循环输球装置可以使待加工球体连续数次加工。上、下研磨盘转速方向沿着变曲率轨迹曲率半径增长的方向，沟槽上每点处的曲率都不相同，通过上下研磨盘主轴偏心及沟槽曲率的变化可以实现球坯三个自由度方向上的旋转运动，球体沿着变曲率沟槽运动，实现“变相对方位”研磨运动，使研磨轨迹均匀分布在球的表面上，实现对球体表面的均匀研磨。变曲率沟槽一次装球量与传统V形槽加工方法的装球量相当，较之双转盘研磨方式只有一圈研磨沟槽提高了球体加工效率。球体在变曲率沟槽磨盘研磨方式下，每颗球所经历的路径一致，大大提高了球体加工的批一致性。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。根据下研磨盘上可以采用不同的变曲率轨迹线，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。

该研磨装置采用上、下研磨盘构成研磨组件。上研磨盘在加工过程中由电机带动旋转，同时对球坯施加弹性载荷。下研磨盘上开有变曲率轨迹的沟槽，下研磨盘主轴由另一个电机驱动，上下研磨盘旋转主轴偏心。加工过程，待加工球坯在上下盘旋转驱动下，在沟槽内沿着变曲率轨迹公转并自转，待加工球坯出变曲率沟槽进入循环输球装置后，再次从上研磨盘入口进入加工区域，在磨料的作用下，如此往复数次，实现材料去除，达到研磨成球的目的。变曲率沟槽轨迹线的曲率变化可以控制球坯自转运动过程中自转角方位的变化，上研磨盘主轴与下研磨盘主轴间的偏心也可以改善自转角方位的变化，通过选取合适的轨迹线和合适的偏心量，实现完整的成球运动。该装置下研磨盘上的沟槽轨迹线可以采用渐开线，等距螺旋线，不等距螺旋线，等距与不等距同时存在的螺旋线等配置方式也可以达到同样的效果。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：本装置结构较为简单，仅通过改变研磨沟槽的轨迹线及上下研磨盘主轴偏心就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，同时配置循环输球装置，每颗待加工球坯加工过程中所经历的路径是相同的，大大提高了加工的一致性和稳定性。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。该装置同时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为本发明中轴偏心式变曲率沟槽加工高精度球体的装置的示意图。

图2-1为本发明中磨盘沟槽轨迹为阿基米德螺旋线形状的示意图。

图2-2为本发明中磨盘沟槽轨迹为二次螺旋线形状的示意图。

图3-1为本发明中磨盘俯视图上接触点的运动分析图。

图3-2为本发明中陶瓷球研磨几何关系图。

图3-3为本发明中自转角γ和θ的方位图。

图3-4为本发明中自转角γ的仿真示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图3-4，一种轴偏心式变曲率沟槽加工高精度球体的装置，包括上研磨盘2、下研磨盘1、加压系统3、上研磨盘主轴4、下研磨盘主轴8、球坯5、第一物料盘7、第二物流盘9和循环输球装置6。上研磨盘2与加压系统3连接，下研磨盘1上开有变曲率轨迹的沟槽，所述变曲率轨迹的沟槽的入口与第二物料盘9相连，所述下研磨盘1上沟槽的终端与第一物料盘7相连，所述第一物料盘7与循环输球装置6一端相连，所述循环输球装置6另一端与第二物料盘9相连。所述上研磨盘主轴4与下研磨盘主轴8不在同一条直线上，即相互偏心设置。

上研磨盘主轴4相对于下研磨盘主轴8的偏心方向逆变曲率轨迹曲率半径增长的方向。

下研磨盘1上的沟槽结构和上研磨盘2一起构成研磨球坯5的三个加工接触点，待加工球坯5在变曲率沟槽内运动，其自转角也随之改变，实现“变相对方位”研磨运动。

加工初始，下研磨盘1即变曲率沟槽盘上均匀的摆放待加工球坯5，物料盘9中放入部分待加工球坯5，加工过程中待加工球坯5在上、下研磨盘之间且于沟槽内运动，一颗球出变曲率沟槽进入物料盘7，另一颗球出物料盘9进入变曲率沟槽，如此往复循环数次。在压力和研磨液的作用下，经过长时间加工后，各个球坯的材料得到去除，精度误差和尺寸误差充分匀化，最终可获得高精度和高一致性的球成品。

本实施例进行陶瓷球研磨/抛光过程中，其单个陶瓷球研磨机理分析如下：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，上、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。如附图3-1、3-2设定研磨盘与陶瓷球的接触点分别为A、B、C，O₁为上研磨盘主轴中心，O₂为变曲率轨迹中心，e为O₁、O₂之间的距离，O_a为球心瞬时的曲率中心，O_b为球心，r_b为球坯半径，为球心O_b的瞬时极角，为球心瞬时的曲率中心O_a和球心O_b的连线与变曲率轨迹中心O₂和球心O_b连线之间的夹角。三接触点到上、下研磨盘回转轴的距离分别为l_A、l_B、l_C，ρ为球心O_b的瞬时极径。上、下研磨盘转速分别为ω₁、ω₂。以球心O_b的法向及切向运动方向建立平面坐标系X-Y。V_A是盘上A点的瞬时速度，τ_A为V_A与Y轴的夹角。垂直直面向外的方向为Z方向，图3-2给出X-Z平面的分析图。沟槽的形状由下研磨盘内盘和下研磨盘外盘的斜角α、β确定，在实际的工程应用中，一般α＝β。半径为r_b的球坯在下研磨盘组成的沟槽内以角速度Ω_b公转，如附图3-3球坯自转角速度ω_s可以分成ω_s球坯经圆大剖面上的分量ω_b和ω_s在z轴上分量ω_g。自转角速度ω_b矢量在此平面上的方向由θ表示，ω_g与ω_s之间的夹角用γ表示。根据研磨成球机理可知，球坯自转轴的两个方向角θ和γ，只要满足其中一个方向角在[-90°，90°]连续变化即可实现球体的全包络加工。在θ角和γ角都不变的情况下，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角和γ角与下研磨盘沟槽轨迹的曲率半径及上研磨盘轴的偏心距紧密相关。通过改变沟槽轨迹线及上研磨盘旋转轴偏心距，自转角γ可以在[-90°～90°]范围取值，使陶瓷球作“变相对方位”运动，使研磨迹线均匀分布在球的表面上，实现对陶瓷球表面的均匀研磨。

本实施例对陶瓷球进行研磨/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、ρ、e、α、β等，以及加工载荷W，转速及磨料等工艺参数。这里着重探讨其中最重要的两个参数——沟槽轨迹极径ρ和上下研磨盘两轴间的偏心距e。

根据附图3-1、3-2、3-3的示意，沟槽轨迹如附图2-1，根据理论推导，得到

表达式：

上式表明自转角γ是关于球心瞬时极径ρ和偏心距e的函数，随着ρ和偏心距e的改变而改变，且γ∈[-90°，90°]连续变化，如附图3-4。因此，最终自转角的变化规律主要取决于偏心距和变曲率轨迹的类型及参数(上述推导适用于渐开线、螺旋线等各种变曲率轨迹沟槽)。

加工的磨料选择固着磨料、游离磨料、半固着磨料，所述待加工陶瓷球坯在上、下研磨盘工作面间，在一定载荷和磨料的作用下得到均匀研磨。利用本发明方法加工氮化硅陶瓷球坯，加工条件如下表1：

表1

下表2列出的是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2。

Claims (4)

1.一种轴偏心式变曲率沟槽加工高精度球体的装置，包括机架、上研磨盘、下研磨盘和加载系统，所述上研磨盘连接上研磨盘主轴，所述下研磨盘连接下研磨盘主轴，所述上研磨盘主轴和下研磨盘主轴可转动地安装在机架上，所述上研磨盘主轴和下研磨盘主轴分别与驱动机构连接，所述上研磨盘位于下研磨盘的正上方，所述加载系统位于所述上研磨盘上，其特征在于：所述上研磨盘主轴与下研磨盘主轴偏心，所述上研磨盘上开有球体入口，所述下研磨盘的顶面开设变曲率轨迹的沟槽，所述球体入口的下端与所述沟槽的入口连通，循环输球装置的入口与所述沟槽的出口相连，所述循环输球装置的出口与所述球体入口的上端相连。

2.如权利要求1所述的轴偏心式变曲率沟槽加工高精度球体的装置，其特征在于：所述变曲率轨迹的沟槽的入口与第二物料盘相连，所述沟槽的出口与第一物料盘相连，所述第一物料盘与循环输球装置一端相连，所述循环输球装置另一端与第二物料盘相连。

3.如权利要求1或2所述的轴偏心式变曲率沟槽加工高精度球体的装置，其特征在于：所述变曲率沟槽的轨迹形状为螺旋线。

4.如权利要求3所述的轴偏心式变曲率沟槽加工高精度球体的装置，其特征在于：所述变曲率沟槽的槽距为全等距、全变距或者等距变距同时存在。