CN103991018A - 基于偏心式变曲率v型沟槽盘的高精度球体加工设备 - Google Patents

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Abstract

一种基于偏心式变曲率V型沟槽盘的高精度球体加工设备，包括机架、上研磨盘、下研磨盘和加载系统，上研磨盘周向固定地安装在机架上，下研磨盘连接下研磨盘主轴，下研磨盘主轴可转动地安装在机架上，下研磨盘主轴与驱动机构连接，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，上研磨盘的中心开有球体入口，球体入口附近开设加工液入口，下研磨盘的顶面开设变曲率V型沟槽，变曲率V型沟槽的起始点与下研磨盘中心存在偏心距，球体入口的下端与变曲率V型沟槽的入口连通，球坯循环系统的入口与变曲率V型沟槽的出口相连，球坯循环系统的出口与球体入口的上端相连。本发明既能实现较高的加工精度和加工效率、又对装置要求较低。

Description

基于偏心式变曲率V型沟槽盘的高精度球体加工设备
技术领域
本发明涉及一种高精度球体加工设备。
背景技术
高精度球是圆度仪、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。
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型沟槽研磨、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型沟槽研磨加工、圆沟槽研磨加工、锥形盘研磨加工等加工过程中，球体只能作“不变相对方位”研磨运动，即球体的自旋轴对公转轴的相对空间方位固定，球体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，球体与研磨盘的接触点在球体表面形成的研磨迹线是一组以球体自转轴为轴的圆环，研磨盘沿着三接触点的三个同轴圆迹线对球体进行“重复性”研磨，不利于球体表面迅速获得均匀研磨，在实际加工中需要依靠球体打滑、搅动等现象，使球体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。另外，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体的自旋轴的方位，球体能作“变相对方位”研磨运动，球体表面的研磨迹线是以球体自转轴为轴的空间球面曲线，能够覆盖大部分甚至整个球体表面，有利于球体表面获得均匀、高效的研磨。但其装置动力源多，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型沟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。同时，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，如何通过较简单的结构主动控制自转角变化以获得高精度球体的高效、高一致性加工，是国内外迫切需要解决的重大难题。
发明内容
为了克服已有球加工装置的无法兼顾结构简单和高效率高精度加工的不足，本发明提供了一种既能实现较高的加工精度和加工效率、又对装置要求较低的基于偏心式变曲率V型沟槽盘的高精度球加工设备。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种基于偏心式变曲率V型沟槽盘的高精度球体加工设备，包括机架、上研磨盘、下研磨盘和加载系统，所述上研磨盘周向固定地安装在机架上，所述下研磨盘连接下研磨盘主轴，所述下研磨盘主轴可转动地安装在机架上，所述下研磨盘主轴与驱动机构连接，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，所述上研磨盘的中心开有球体入口，所述球体入口附近开设加工液入口，所述下研磨盘的顶面开设变曲率V型沟槽，变曲率V型沟槽的起始点与下研磨盘中心存在偏心距，所述球体入口的下端与所述变曲率V型沟槽的入口连通，球坯循环系统的入口与所述变曲率V型沟槽的出口相连，所述球坯循环系统的出口与所述球体入口的上端相连。
进一步，所述变曲率V型沟槽的轨迹形状为螺旋线或渐开线。当然，也可以采用其它类型的光滑连续变曲率曲线。
更进一步，所述变曲率V型沟槽的槽距为全等距、全变距或者等距变距同时存在。
所述机架包括床身、导柱和横梁，所述床身上安装导柱，两个导柱的上端之间安装横梁，所述加载系统安装于横梁中间，所述上研磨盘安装在所述导柱的中部，所述下研磨盘安装在所述床身上。
本发明的技术构思为：由图1所示的偏心式变曲率沟槽轨迹几何关系可知：
图1及公式(1)-(2)中的参数含义为：O1为下研磨盘的中心点；O2为偏心的沟槽起始点；O3为上研磨盘的中心点；OA为变曲率沟槽的瞬时曲率中心；Ob为某一时刻的球心所在位置；A、B和C分别为球坯和上下研磨盘间的三个接触点；e为沟槽起始点的偏心量；rb为球坯半径；α为沟槽半角；ρ为曲率半径；为O2Ob与X轴的夹角；为∠OAObO2的大小；ω为球坯公转角速度；ω1和ω2分别为上下研磨盘的转速；ωg为球坯自转角速度在Z轴方向上的分量；θ和γ分别为球坯经圆大剖面上和Z轴上的自转角分量；Vτ和Vn分别表示球坯中心点在某一时刻的切向和法向速度；
式(1)和式(2)表明自转角θ和γ是关于曲率半径ρ和偏心距e的函数，并随着曲率半径ρ和偏心距e的改变在(-90°，90°)之间变化。因此，增设偏心距可以使得球体在沿着变曲率V型沟槽运动的同时，又作两个自由度方向上的旋转运动，从而实现自转角主动控制的“变相对方位”研磨运动，使研磨轨迹均匀分布在球的表面上，实现均匀研磨。
加工时，球体从循环系统的出口经由上研磨盘的球体入口进到下研磨盘变曲率V型沟槽的起始点。球体随下研磨盘转动沿着变曲率路径运动到其出口处，再经由循环系统的入口回到循环系统中，如此完成一个研磨周期。在压力和磨料的作用下，经过长时间加工后，各个零件的精度误差和尺寸误差充分均匀化，最终可获得高精度和高一致性的球体。
所述偏心式变曲率V型沟槽盘中，变曲率V型沟槽的形状可为螺旋线、渐开线及其它类型的光滑连续变曲率曲线，其槽距可为全等距、全变距或者等距变距同时存在。
本发明的有益效果主要表现在：1、变曲率V型沟槽存在一定的偏心距，可以主动控制自转角在(-90°，90°)之间变化，实现均匀研磨；2、保证每个球体加工路径相同，加工一致性好。3、装球量大，可以高效地得到高精度球体。
附图说明
图1是偏心式变曲率沟槽轨迹几何关系示意图。
图2是本发明中变曲率沟槽方式之一——偏心式等距螺旋线V型沟槽盘的加工装置示意图。
图3是本发明中采用的等距螺旋线轨迹示意图。
图4为本发明中采用的变距螺旋线轨迹示意图。
图5是本发明中采用的渐开线轨迹示意图。
图6是本发明中等距螺旋线轨迹条件下的精密球自转角仿真示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
实施例1
参照图2和图3，一种基于偏心式变曲率V型沟槽盘的高精度球加工设备，包括机架、上研磨盘8、下研磨盘10、加载系统7和球坯循环系统4，所述上研磨盘8周向固定(不旋转)地安装在机架上，，所述上研磨盘8的中心开有球体入口9，所述球体入口9附近开设加工磨料入口5。所述下研磨盘10连接下研磨盘主轴12，下研磨盘主轴12由驱动机构(例如电机)驱动，所述下研磨盘的顶面10开设变曲率V型沟槽，形状为等距螺旋线(阿基米德螺旋线)，变曲率V型沟槽的起始点与下研磨盘中心存在一定的偏心距。所述球坯循环系统4的入口3与下研磨盘10变曲率V型沟槽的出口相连，所述球坯循环系统4的出口与上研磨盘8的球体入口9的上端相连，所述球体入口9的下端与变曲率V型沟槽的入口相通。
加工时，球体11从循环系统4的出口经由上研磨盘8的球体入口9进到下研磨盘10变曲率V型沟槽的起始点。下研磨盘10的变曲率V型沟槽和上研磨盘8共同构成研磨球体的三个加工接触点。球体11随着下研磨盘10的转动在变曲率V型沟槽内运动，其自转角也随之改变，实现“变相对方位”研磨运动；球体11沿着变曲率路径运动到其出口处，再经由循环系统4的入口3回到循环系统中，如此完成一个研磨周期。在压力和磨料的作用下，经过长时间加工后，各个球体11的精度误差和尺寸误差充分均匀化，最终可获得高精度和高一致性的球体。
下研磨盘10连接主轴12并由电机驱动，转速可调。加工的磨料选择固着磨料或游离磨料，且每隔一段时间从加工磨料入口5加入。所述球体在上、下研磨盘、加工载荷和磨料的共同作用下得到均匀研磨。
所述机架包括床身1、导柱2和横梁6，所述床身1上安装导柱2，两个导柱2的上端之间安装横梁6，所述加载系统7安装于横梁6中间，通过上研磨盘8对球体施加弹性载荷。
利用本发明设备加工氮化硅陶瓷球坯，本实例采用等距螺旋线(阿基米德螺旋线)，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：加工出的陶瓷球已达到G3精度。
表2
实施例2
参照图4，本实施例中的变曲率V型沟槽轨迹采用图4所示的变距螺旋线。本实施例其余结构与实现方式与实施例1相同。
实施例3
参照图5，本实施例中下研磨盘V型沟槽轨迹可采用图5所示的渐开线。当然，也可以采用其它类型的光滑连续变曲率曲线。本实施例其余结构与实现方式与实施例1相同。

Claims (4)

1.一种基于偏心式变曲率V型沟槽盘的高精度球体加工设备，包括机架、上研磨盘、下研磨盘和加载系统，所述上研磨盘周向固定地安装在机架上，所述下研磨盘连接下研磨盘主轴，所述下研磨盘主轴可转动地安装在机架上，所述下研磨盘主轴与驱动机构连接，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：所述上研磨盘的中心开有球体入口，所述球体入口附近开设加工液入口，所述下研磨盘的顶面开设变曲率V型沟槽，变曲率V型沟槽的起始点与下研磨盘中心存在偏心距，所述球体入口的下端与所述变曲率V型沟槽的入口连通，球坯循环系统的入口与所述变曲率V型沟槽的出口相连，所述球坯循环系统的出口与所述球体入口的上端相连。
2.如权利要求1所述的基于偏心式变曲率V型沟槽盘的高精度球体加工设备，其特征在于：所述变曲率V型沟槽的轨迹形状为螺旋线或渐开线。
3.如权利要求1或2所述的基于偏心式变曲率V型沟槽盘的高精度球体加工设备，其特征在于：所述变曲率V型沟槽的槽距为全等距、全变距或者等距变距同时存在。
4.如权利要求1或2所述的基于偏心式变曲率V型沟槽盘的高精度球体加工设备，其特征在于：所述机架包括床身、导柱和横梁，所述床身上安装导柱，两个导柱的上端之间安装横梁，所述加载系统安装于横梁中间，所述上研磨盘安装在所述导柱的中部，所述下研磨盘安装在所述床身上。
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