CN107414630B - 一种基于螺旋运动方式的精密球体加工方法 - Google Patents

Abstract

一种基于螺旋运动方式的精密球体加工方法，先通过调整装置调整螺旋研磨槽柱组件的位置，将球坯放入固定研磨柱的工件收集孔中，球坯从固定研磨柱的工件收集孔下端进入螺旋研磨槽柱组件和固定研磨柱的竖直研磨槽之间的球加工区域，随着所述螺旋研磨槽柱组件的转动，球坯沿着由所述螺旋研磨槽柱组件的螺旋研磨槽和固定研磨柱的竖直研磨槽以不断变换其自转轴角度向上滚动，待球坯运动到固定研磨柱的竖直研磨槽顶端时，又重新回到工件收集孔中，如此循环，最终实现球体的高质量、高一致性的研磨加工过程；加工时，研磨液通过抛光液供给装置向工件收集孔注入。本发明实现精密球体的高效率和高一致性加工，实现研磨(抛光液)的高效率使用。

Description

一种基于螺旋运动方式的精密球体加工方法

技术领域

本发明涉及精密球体加工技术领域，尤其是一种基于螺旋研磨槽旋转运动方式的球体加工方法。

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。球体是滚珠轴承的关键零部件，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。

球体的加工方法对球体的加工精度和加工效率有着重要的影响。目前，国内外球体加工方法主要有V形槽研磨法、圆沟槽研磨法、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球体“不变相对方位”研磨运动对球体的研磨是不利的，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，球坯表面不能迅速获得均匀研磨。所以，这三种加工方法在球体实际加工中需要依靠球坯打滑、搅动等，使球坯的自旋轴与公转轴的相对工件方位发生缓慢变化，以达到球坯均匀研磨的目的，但这种自转角的变化非常缓慢，是随机、不可控的，从而限制了球坯加工的球度和效率。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，但加工装置复杂。双转盘研磨方式在自转角主动控制研磨法的基础上，优化加工装置，三块磨盘只需其中两块旋转，另一块固定不动，通过调整磨盘的转速来实现球坯的“变相对方位”研磨运动。此方法优化了机构，但加工过程中只有一道沟槽，只有利于大尺寸球坯，同时球坯批量加工性有待提高。磁悬浮研磨方法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，在其加工过程中球坯研磨精度同样受到了限制。

高精度轴承、导轨等部件对球体零件的精度和一致性要求越来越高。因此，迫切需要开发一种适合高精度、高一致性球形零件(特别是直径小于12mm微小球体)高效、低成本的批量加工方法。

发明内容

为了克服现有的球体加工方法的精度较低、一致性较差的不足，本发明提供了一种能实现球体(特别是直径小于12mm微小球体)加工的高精度、高效率、高一致性和研磨(抛光液)的高效率使用的加工方法，该装置通过螺旋研磨槽旋转运动，不断改变研磨过程中球坯的自转轴角度，实现研磨槽对球坯表面全包络加工。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种基于螺旋运动方式的精密球体加工方法，实现该方法的装置包括机架、上调整盘、下调整盘、固定柱、螺旋研磨槽柱组件、螺旋研磨槽位置调整装置、抛光液供给装置以及驱动系统；所述的上调整盘和下调整盘固定在机架上，上调整盘和下调整盘上均具有滑动键槽；所述的固定柱上带有数条竖直研磨槽，球体收集孔道位于所述的固定柱中间，所述的固定柱固定在所述的下调整盘上；螺旋研磨槽柱中空，通过轴与定位安装座组成螺旋研磨槽柱组件，所述的螺旋研磨槽柱组件与所述的上调整盘和下调整盘上的轴承座滑动槽相配合，所述的螺旋研磨槽柱组件安装在上调整盘和下调整盘之间；所述的螺旋研磨槽柱组件的轴承座滑动槽滑动方向安装间距调整装置；所述的间距调整装置用于当球坯直径变化时而进行所述的螺旋研磨槽柱组件与所述的固定柱的间距调整；所述的驱动系统安装在所述的下调整盘下方，与所述的螺旋研磨槽柱组件的轴相连；所述的抛光液供给装置安装在所述的上调整盘上方；

加工时，先通过所述的调整装置调整螺旋研磨槽柱组件的位置，将球坯放入所述的固定研磨柱的工件收集孔中，球坯从所述的固定研磨柱的工件收集孔下端进入所述的螺旋研磨槽柱组件和所述的固定研磨柱的竖直研磨槽之间的球加工区域，随着所述螺旋研磨槽柱组件的转动，球坯沿着由所述螺旋研磨槽柱组件的螺旋研磨槽和所述的固定研磨柱的竖直研磨槽以不断变换其自转轴角度向上滚动，待球坯运动到所述的固定研磨柱的竖直研磨槽顶端时，又重新回到所述的工件收集孔中，如此循环，最终实现球体的高质量、高一致性的研磨加工过程；加工时，研磨液通过所述的抛光液供给装置向所述的工件收集孔注入。

进一步，在1台装置上实现对不同直径、加工要求的球坯进行加工，所述的螺旋研磨槽柱组件数量为2个及以上，相互独立，所述的螺旋研磨槽柱组件的转速由不同电机驱动。

更进一步，所述固定柱的研磨槽和所述螺旋研磨槽柱组件的螺旋研磨槽的沟槽形状是V型、梯形或半圆形。

再进一步，通过槽和所述固定柱的间距的调整装置上的控制螺栓，调整所述的控制螺栓的进给量，实现球坯研磨过程加压。

本发明的技术构思：基于螺旋研磨槽旋转运动方式的精密球体加工方法，实现该方法装置由机架，上下调整盘、螺旋研磨槽柱组件、螺旋研磨槽研磨柱、螺旋研磨槽研磨柱调整装置、抛光液供给装置以及驱动系统组成。待加工球坯放置于固定研磨柱竖直研磨槽和螺旋研磨槽柱组件的沟槽之间。利用螺旋研磨槽柱组件旋转，螺旋研磨槽柱组件的沟槽使球坯做不断改变自转轴角度的旋转运动，在球坯表面形成全包络加工轨迹；另一方面，球坯沿着固定研磨柱竖直研磨槽，从固定研磨柱底部向固定研磨柱上部运动。进入从固定研磨柱上部的工件(球体)收集孔中，球坯再从工件(球体)收集孔下部进入固定研磨柱竖直研磨槽和螺旋研磨槽柱组件的沟槽之间，如此循环，最终实现球体的高质量、高一致性的研磨加工。通过螺旋研磨槽研磨柱调整装置上调整螺栓的进给量控制固定在上下调整盘的轴承座沿滑动槽移动量实现球坯研磨过程加压。根据装置上下调整板尺寸，螺旋研磨槽柱组件数量一般为2个及以上，相互独立，通过间距调整的调整装置上螺栓可分别控制研磨压力；螺旋研磨槽柱组件的转速可由不同电机驱动，以实现对球坯的不同加工要求。同时，螺旋研磨槽柱组件的沟槽以及与其相配合的固定研磨柱的竖直研磨槽，可以根据所加工球坯直径不同而不同，以实现在1台装置上同时多个直径球坯的研磨加工。

通过施加合适的载荷压力(1kPa～1MPa)，调整螺旋研磨槽柱组件转速(转速范围：5～400r/Min)驱动球坯沿着研磨槽，使工件(球体)的表面上各点与研磨沟槽全包络等概率接触，实现球坯表面均匀研磨；该方法能快速修正球形工件的形状误差，提高了球形零件的研磨加工效率和加工精度。

本发明的有益效果主要表现在：1.所采用的加工装置结构较为简单，能够主动控制球形零件在研磨过程的运动状态，提高了加工的一致性和稳定性；2.可以有效提高球形工件的研磨精度和研磨效率，实现批量生产，在加工精度、效率和机械结构上具有明显的综合优势；3.本加工装置特别适用于直径小于12mm的微小球形工件，并可针对不同规格尺寸的微小球形工件，采用不同槽尺寸的螺旋研磨槽研磨柱和固定固定研磨柱的竖直研磨槽，在同一加工装置上实现同时加工；4.本方法适用于各种材质、不同类型的球形零件，特别涉及钢制和陶瓷材料的高精度轴承滚珠。

附图说明

图1基于螺旋研磨槽旋转运动的精密球体加工装置整体结构示意图。

图2基于螺旋研磨槽旋转运动的精密球体加工装置的1/4剖视结构图。

图3基于螺旋研磨槽旋转运动的精密球体加工装置的固定研磨柱及竖直研磨槽示意图。

图4基于螺旋研磨槽旋转运动的球体加工装置的螺旋研磨槽研磨柱示意图。

图5基于螺旋研磨槽旋转运动的球体加工装置的固顶研磨柱和螺旋研磨槽研磨柱工作状态结构示意图。

图6是实例的速度示意图。

附图标记：1-机架；2-固定柱；3-螺旋研磨槽柱组件；4-上调整盘；5-下调整盘；6-控制螺栓；7-螺旋研磨槽柱调整装置；8-研磨液供给装置；9-驱动系统；10-球体收集孔道；11-固定柱竖直研磨槽；12-螺旋研磨槽，13-球坯。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的描述。

参照图1～图6，一种基于螺旋旋转运动方式的精密球体加工方法，实现该方法的装置包括机架1、上调整盘4、下调整盘5、固定柱2、螺旋研磨槽柱组件3、螺旋研磨槽柱调整装置7、研磨液供给装置8和驱动系统9。具有滑动键槽的上调整盘4和下调整盘5固定在机架1上；带有数条竖直研磨槽的固定柱2固定在下调整盘5上；螺旋研磨槽柱中空，通过轴与定位安装座组成螺旋研磨槽柱组件3，螺旋研磨槽柱组件3的轴与上调整盘4、下调整盘5上的轴承座滑动槽相配合，螺旋研磨槽柱组件3安装在上调整盘4和下调整盘5之间；螺旋研磨槽柱调整装置上安装有控制螺栓6用于调整螺旋研磨槽柱组件3与固定柱2之间间距，同时也可用于施加研磨载荷；驱动系统9安装在下调整盘5下与螺旋研磨槽柱组件3的轴相连；研磨液供给装置8安装在上调整盘4上方。

加工时，先通过螺旋研磨槽柱调整装置7上控制螺栓6调整螺旋研磨槽组件的位置，将球坯放入固定柱2的工件(球体)收集孔10中，球坯从固定柱2的工件(球体)收集孔10下端进入螺旋研磨槽柱组件3和固定柱2的竖直研磨槽11之间的球加工区域，随着螺旋研磨槽柱组件3的转动，球坯沿着由所述的螺旋研磨槽柱组件3和固定柱2的竖直研磨槽11组成的研磨沟槽，可以不断变换其自转轴角度向上研磨滚动，待球坯运动到固定柱2的竖直研磨槽11顶端时，又重新回到工件(球体)收集孔10中，如此循环，最终实现球体的高质量、高一致性的研磨加工过程。加工时，研磨液通过抛光液供给装置8向工件(球体)收集孔10注入。

通过螺旋研磨槽柱调整装置7上控制螺栓6，调整控制螺栓6的进给量实现控制球坯研磨过程加压。根据上调整盘4、下调整盘5尺寸，螺旋研磨槽柱组件的数量一般为2个及以上；彼此相互独立，通过螺旋研磨槽柱调整装置7上控制螺栓6分别控制球坯研磨载荷；螺旋研磨槽柱组件3的转速可由不同电机驱动，以实现对球坯的不同加工要求。

固定柱2上研磨槽和螺旋研磨槽柱组件3的沟槽形状可以是V型、梯形、半圆形以及其它形状。螺旋研磨槽柱组件3与其相配合的固定柱2的竖直研磨槽11，可以根据所加工球坯直径不同而不同，以实现在1台装置上同时多个直径球坯的研磨加工。

实施实例：利用本发明方法加工轴承钢球形零件。实验条件如下：初始球形零件尺寸：直径3.0±0.2mm；初始球体球形误差：0.4mm；磨料：4000#Al₂O₃；研磨液浓度：30wt％；研磨液流速：5L/Min；单个球上载荷：10N；加工时间：180Min；旋转研磨槽和固定柱研磨槽材料：蠕墨铸铁；沟槽槽形：45°V型；旋转研磨槽柱组件速度方案如图6所示。

加工结果：球形零件尺寸：3.0±0.06mm；最大球形误差：0.13mm。

Claims (4)

1.一种基于螺旋运动方式的精密球体加工方法，其特征在于：实现该方法的装置包括机架、上调整盘、下调整盘、固定柱、螺旋研磨槽柱组件、间距调整装置、抛光液供给装置以及驱动系统；所述的上调整盘和下调整盘固定在机架上，上调整盘和下调整盘上均具有滑动槽；所述的固定柱上带有数条竖直研磨槽，球体收集孔道位于所述的固定柱中间，所述的固定柱固定在所述的下调整盘上；螺旋研磨槽柱中空，通过轴与定位安装座组成螺旋研磨槽柱组件；所述的螺旋研磨槽柱组件与所述的上调整盘和下调整盘上的滑动槽相配合，所述的螺旋研磨槽柱组件安装在上调整盘和下调整盘之间；所述的螺旋研磨槽柱组件的滑动槽滑动方向安装了间距调整装置；所述的间距调整装置用于当球坯直径变化时进行所述的螺旋研磨槽柱组件与所述的固定柱的间距调整；所述的驱动系统安装在所述的下调整盘下方，与所述的螺旋研磨槽柱组件的轴相连；所述的抛光液供给装置安装在所述的上调整盘上方；

加工时，先通过所述的间距调整装置调整螺旋研磨槽柱组件的位置，将球坯放入所述的固定柱的球体收集孔道中，球坯从所述的固定柱的球体收集孔道下端进入所述的螺旋研磨槽柱组件和所述的固定柱的竖直研磨槽之间的球体加工区域，随着所述螺旋研磨槽柱组件的转动，球坯沿着由所述螺旋研磨槽柱组件的螺旋研磨槽和所述的固定柱的竖直研磨槽以不断变换其自转轴角度向上滚动，待球坯运动到所述的固定柱的竖直研磨槽顶端时，又重新回到所述的球体收集孔道中，如此循环，最终实现球体的高质量、高一致性的研磨加工过程；加工时，研磨液通过所述的抛光液供给装置向所述的球体收集孔道注入。

2.如权利要求1所述的一种基于螺旋运动方式的精密球体加工方法，其特征在于：可以根据所加工球坯直径不同设置螺旋研磨槽柱组件的螺旋研磨槽以及与其相配合的固定柱的竖直研磨槽的尺寸，以实现对不同直径、加工要求的球坯进行加工，所述的螺旋研磨槽柱组件包括2个以上的相互独立的螺旋研磨槽柱，每个所述的螺旋研磨槽柱的转速由不同电机驱动。

3.如权利要求1或2所述的一种基于螺旋运动方式的精密球体加工方法，其特征在于：所述固定柱的竖直研磨槽和所述螺旋研磨槽柱组件的螺旋研磨槽的沟槽截面形状是V型、梯形或半圆形。

4.如权利要求1或2所述的一种基于螺旋运动方式的精密球体加工方法，其特征在于：通过螺旋研磨槽和所述固定柱的间距调整装置上的控制螺栓，调整所述的控制螺栓的进给量，实现球坯研磨过程加压。