CN111958478B - 基于氧化膜状态主动控制的轴承滚子elid研磨装置 - Google Patents
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Abstract
一种基于氧化膜状态主动控制的轴承滚子ELID研磨装置，包括研磨盘模块、电源模块、反馈控制模块、电解液模块和轴承滚子，所述研磨盘模块中，上研磨盘可实现上下运动，对轴承滚子进行加压，吸附轴承滚子使其转动力矩大于摩擦阻力矩，从而实现轴承滚子接触恒定，摩擦恒定，使轴承滚子的连续稳定自转，实现研磨主运动，螺旋沟槽位于上研磨盘下表面，与轴承滚子接触，下研磨盘位于上研磨盘下方，与上研磨盘同轴线，直线沟槽位于下研磨盘上表面，直线沟槽表面为金属结合剂固着磨料磨具，沿直线沟槽的直线进给运动以及沿螺旋槽的螺旋运动用于维持研磨盘工作面的面形，轴承滚子出口位于下研磨盘中心。本发明高表面质量、高批一致性、高形位精度。
Description
技术领域
本发明属于机械超精密加工领域，涉及一种用于滚子研磨的基于氧化膜状态主动控制的轴承滚子ELID研磨设备，使用反馈控制模块，基于电解电流和切削力的反馈，对ELID研磨过程中沟槽的氧化膜状态进行主动控制。使用电化学作用，维持沟槽的成型精度和表面锐度，使加工出的滚子具有高表面完整性、高形位精度、高尺寸一致性。
背景技术
高端滚动轴承是各种高端装备的核心零部件，风力发电机、国防重大装备、火箭、卫星、数控机床、汽车等方法能否正常工作很大程度上取决于轴承可靠性是否过关。轴承滚子是轴承的关键部件，轴承滚子的表面质量、形位精度、批一致性都极大地影响轴承的运行稳定性、工作寿命。轴承滚子圆柱面是滚动轴承中的主工作面，其形状精度和表面质量是决定轴承性能的核心技术指标。加工过程造成的轴承滚子圆柱面材料损伤易诱导产生疲劳裂纹和剥落，限制轴承抗疲劳性能，制约轴承的动态精度和性能，产生噪声和振动。通过减少轴承滚子圆柱面加工过程材料损伤，提高加工精度是是提高轴承抗疲劳损伤性能的重要途径。目前，国内外的圆柱轴承滚子和圆锥轴承滚子加工主要采用无心研磨，这种加工方式属于母性加工，加工效果完全取决于机床精度。由于原理限制，生产出的轴承滚子精度无法高于加工装置精度，加工质量难以提高。我国高精度的圆柱轴承滚子和圆锥轴承滚子90％依赖进口，每年进口数量达到数亿件，自主生产的轴承滚子生产精度低，批一致性较差，这严重制约了我国高端装备的发展。因此，亟需一种适用于轴承滚子的高表面质量、高批一致性、高形位精度的加工设备。
发明内容
为了克服传统的滚子加工采用无心研磨方式，滚子的质量取决于机床的精度，而机床精度的提升难度极大，投入的资金非常巨大，且滚子的批一致性和表面完整性难以提升的不足，本发明提供了一种高表面质量、高批一致性、高形位精度的基于氧化膜状态主动控制的轴承滚子ELID研磨设备。
为了解决上述技术问题本发明提供如下的技术方案：
一种基于氧化膜状态主动控制的轴承滚子ELID研磨装置，所述装置包括研磨盘模块、电源模块、反馈控制模块、电解液模块和轴承滚子，所述研磨盘模块包括上研磨盘、螺旋沟槽、下研磨盘、直线沟槽和轴承滚子出口，所述上研磨盘可实现上下运动，并在加压装置的作用下，对轴承滚子进行加压，为保证加工效果，其还带有电磁吸附功能，可以吸附轴承滚子，使其转动力矩大于摩擦阻力矩，从而实现轴承滚子接触恒定，摩擦恒定，使轴承滚子的连续稳定自转，实现研磨主运动，从而保证轴承滚子的形位精度，螺旋沟槽位于上研磨盘下表面，与轴承滚子接触，下研磨盘位于上研磨盘下方，与上研磨盘同轴线，直线沟槽位于下研磨盘上表面，直线沟槽表面为金属结合剂固着磨料磨具，沿直线沟槽的直线进给运动以及沿螺旋槽的螺旋运动用于维持研磨盘工作面的面形，轴承滚子出口位于下研磨盘中心。
进一步，所述电源模块包括可编程脉冲电源、阴极导线、阴极碳刷、阳极导线和阳极碳刷，可编程脉冲电源的负极连接阴极导线，阴极导线的另一端连接位于上研磨盘的阴极碳刷，可编程脉冲电源的正极连接阳极导线，阳极导线的另一端连接位于下研磨盘的阴极碳刷，形成电源回路，实现对直线沟槽的电解。
再进一步，所述反馈控制模块包括研磨力传感器、电流传感器和反馈控制器，研磨力传感器位于上下研磨盘之间，用于监测作用于轴承滚子的加载力，电流传感器连接在电源模块的回路上，用于监测氧化膜状态，反馈控制器收集到研磨力信号和电流信号，与标准值进行比对，调整加载力并控制电流大小，使氧化膜均匀持续生成，保证轴承滚子加工效果的同时保持高效去除，从而实现轴承滚子表面质量稳定可控。
更进一步，所述电解液模块包括储液罐、泵、管路和喷嘴，储液罐内部装有电解液，在泵的作用下，电解液通过管路从喷嘴喷出，均匀作用于直线沟槽表面，电解液不仅具有导电作用，还有较好的钝化和防锈性能，使生成的氧化膜黏附于工件表面，并带走磨屑，清洗工件表面，电解液中添加表面活性剂、防锈剂、无机盐、极压添加剂，使生成的氧化膜更稳定。
基于电解电流和切削力的反馈，对ELID研磨过程中沟槽的氧化膜状态进行主动控制。氧化膜的厚度、致密度、组织结构等特性直接决定了沟槽和工件的接触状态，通过对电解电流和研磨力的感知掌握氧化膜状态的变化，建立起氧化膜状态与工件表面质量及沟槽研磨性能之间的关系，从而通过调节电解电源的工作模式实现对电解过程的主动控制，进行断续电解控制氧化膜状态。从而避免连续电解造成沟槽结合剂无效损耗导致其形状保持性差等问题，既降低了生产成本，又增加了轴承滚子加工精度。
由于金属基沟槽结合剂具有良好的形状保持性，既能够长时间保持很高形状精度对轴承滚子进行高精度成形加工，又能以锋锐的磨粒去除轴承滚子材料获得滚道表面质量，从而同时实现了轴承滚子的高表面质量和高形状精度加工。沟槽结合剂在电解作用下电离溶解，使得沟槽表面的磨粒突出。同时，在沟槽结合剂表面生成一层致密而绝缘的氧化膜，减缓沟槽结合剂的进一步电解。随着研磨加工的进行，表面的磨粒因磨损而脱落，生成的氧化膜也因被工件摩擦而变薄。此时，对金属结合剂表层的电解再次恢复，新的磨粒露出。从而避免连续电解造成沟槽结合剂无效损耗导致其形状保持性差等问题，既降低了生产成本，又增加了轴承滚子加工精度。因此不仅具有极高的加工效率，而且能够减小损耗，节约能源。
本发明的技术构思为：基于电解电流和切削力的反馈，对ELID研磨过程中沟槽的氧化膜状态进行主动控制。氧化膜的厚度、致密度、组织结构等特性直接决定了沟槽和工件的接触状态，通过对电解电流和研磨力的感知掌握氧化膜状态的变化，建立起氧化膜状态与工件表面质量及沟槽研磨性能之间的关系，从而通过调节电解电源的工作模式实现对电解过程的主动控制，进行断续电解控制氧化膜状态。既能保证研磨的质量和效率，又能防止过电解造成的沟槽金属结合剂无效损耗。沟槽结合剂在电解作用下电离溶解，使得沟槽表面的磨粒突出。同时，在沟槽结合剂表面生成一层致密而绝缘的氧化膜，减缓沟槽结合剂的进一步电解。随着研磨加工的进行，沟槽表面的磨粒因磨损而脱落，生成的氧化膜也因被工件摩擦而变薄。此时，对金属结合剂表层的电解再次恢复，新的磨粒露出。如此循环，使磨具表面始终保持有锋锐的磨粒和一定的容屑空间，从而在获得极高的加工精度和表面质量的情况下保持高效率。研磨过程中，上研磨盘工作面(螺旋槽表面)和下研磨盘工作面(直线沟槽表面)与其间的众多滚子同时发生对研，滚子以上下研磨盘工作面为基准直接相互比较，大直径多去除、小直径少去除，并通过循环/混合将这种效应扩展至整个批次，从而保证整个批次的被加工滚子的高尺寸一致性。研磨过程中，滚子研磨切削运动的主运动为滚子与研磨盘工作面的接触线绕滚子轴线的回转运动，用于形成滚子表面；滚子研磨切削运动的进给运动为接触线沿直线沟槽的直线运动，接触线沿直线沟槽的直线进给运动及沿螺旋槽的螺旋运动用于维持研磨盘工作面的面形；基于滚子球基面对滚动面的跳动设计螺旋槽工作面回转与滚子研磨进给的运动，满足滚子球基面对滚动面的位置精度。
本发明的有益效果为：1.轴承滚子表面质量高。基于电解电流和切削力的反馈，对ELID研磨过程中沟槽的氧化膜状态进行主动控制。沟槽结合剂在电解作用下电离溶解，使得沟槽表面的磨粒突出。同时，在沟槽结合剂表面生成一层致密而绝缘的氧化膜，减缓沟槽结合剂的进一步电解。随着研磨加工的进行，表面的磨粒因磨损而脱落，生成的氧化膜也因被工件摩擦而变薄。此时，对金属结合剂表层的电解再次恢复，新的磨粒露出。如此循环，使磨具表面始终保持有锋锐的磨粒和一定的容屑空间，从而在获得极高的加工精度和表面质量的情况下保持高效率，解决加工过程磨具损耗大问题，解决了切削力不稳定问题，维持沟槽成型精度，提高轴承滚子表面质量。2.轴承滚子形位精度高。研磨过程中，轴承滚子研磨切削运动的主运动为轴承滚子与研磨盘工作面的接触线绕轴承滚子轴线的回转运动，用于形成轴承滚子表面；轴承滚子研磨切削运动的进给运动为接触线沿直线沟槽的直线运动，接触线沿直线沟槽的直线进给运动及沿螺旋槽的螺旋运动用于维持研磨盘工作面的面形；基于轴承滚子球基面对滚动面的跳动设计螺旋槽工作面回转与轴承滚子研磨进给的运动，满足轴承滚子球基面对滚动面的位置精度。此外，上研磨盘带有电磁吸附机构，可以实现轴承滚子接触恒定，摩擦恒定，从而实现轴承滚子的连续稳定自转，实现研磨主运动，从而保证轴承滚子的形位精度。3.绿色高效。基于电解电流和切削力的反馈，对ELID研磨过程中沟槽的氧化膜状态进行主动控制。氧化膜的厚度、致密度、组织结构等特性直接决定了沟槽和工件的接触状态，通过对电解电流和研磨力的感知掌握氧化膜状态的变化，建立起氧化膜状态与工件表面质量及沟槽研磨性能之间的关系，从而通过调节电解电源的工作模式实现对电解过程的主动控制，进行断续电解控制氧化膜状态。从而避免连续电解造成沟槽结合剂无效损耗导致其形状保持性差等问题，既降低了生产成本，又增加了轴承滚子加工精度。
附图说明
图1为本发明的研磨过程机理示意图；
图2为本发明的研磨过程技术原理图；
图3为研磨盘模块结构示意图；
图4是电源模块的结构示意图。
图5为反馈控制模块结构示意图；
图6为电解液模块结构示意图。
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6，一种基于氧化膜状态主动控制的轴承滚子ELID研磨装置，包括研磨盘模块1、电源模块2、反馈控制模块3、电解液模块4和轴承滚子5，所述研磨盘模块1包括上研磨盘1.1、电解液通道1.2、螺旋沟槽1.3、下研磨盘1.4和直线沟槽1.5，所述上研磨盘可实现上下运动，并在加压装置的作用下，对轴承滚子进行加压，为保证加工效果，上研磨盘还带有电磁吸附功能，可以吸附轴承滚子，使其转动力矩大于摩擦阻力矩，实现轴承滚子接触恒定，摩擦恒定，从而实现轴承滚子的连续稳定自转，实现研磨主运动，从而保证轴承滚子的形位精度，螺旋沟槽位于上研磨盘下表面，与轴承滚子接触。下研磨盘位于上研磨盘下方，与上研磨盘同轴线，直线沟槽位于下研磨盘上表面，直线沟槽表面为金属结合剂固着磨料磨具，沿直线沟槽的直线进给运动及沿螺旋槽的螺旋运动用于维持研磨盘工作面的面形。
参照图4，电源模块2包括可编程脉冲电源2.1、阴极导线2.2、阴极碳刷 2.3、阳极碳刷2.4和阳极导线2.5，可编程脉冲电源的负极连接阴极导线，阴极导线的另一端连接位于上研磨盘的阴极碳数，可编程脉冲电源的正极连接阳极导线，阳极导线的另一端连接位于下研磨盘的阴极碳数，反馈控制模块依据研磨力大小和电流大小及其变化规律感知氧化膜状态，进而可以调节控制可编程脉冲电源的打开与关闭，实现断续电解，减少电能和研磨沟槽的过度损耗，对节约能源以及维持沟槽形位精度都有很大的提升。
参照图5，所述反馈控制模块3包括研磨力传感器3.1、电流传感器3.2和反馈控制器3.3，研磨力传感器位于上下研磨盘之间，用于监测作用于轴承滚子的加载力，电流传感器连接在电源模块的回路上，用于监测氧化膜状态，反馈控制器收集到研磨力信号和电流信号，与标准值进行比对，调整加载力并控制电流大小，使氧化膜均匀持续生成，保证轴承滚子加工效果的同时保持高效去除，从而实现轴承滚子表面质量稳定可控。
进一步的，所述反馈控制模块包括研磨力传感器、电流传感器和反馈控制器，基于电解电流和切削力的反馈，对ELID研磨过程中沟槽的氧化膜状态进行主动控制，既能保证研磨的质量和效率，又能防止过电解造成的沟槽金属结合剂无效损耗，研磨力传感器位于上下研磨盘之间，用于监测作用于轴承滚子的加载力，电流传感器连接在电源模块的回路上，用于监测氧化膜状态，反馈控制器收集到研磨力信号和电流信号，与标准值进行比对，调整加载力并控制电流大小，使氧化膜均匀持续生成，保证轴承滚子加工效果的同时保持高效去除，从而实现轴承滚子表面质量稳定可控。
参照图6，所述电解液模块包括储液罐4.1、泵4.2、管路4.3和喷嘴4.4，储液罐内部装有电解液，在泵的作用下，电解液通过管路从喷嘴喷出，均匀作用于直线沟槽表面，电解液不仅具有导电作用，还有较好的钝化和防锈性能。使生成的氧化膜黏附于工件表面，并带走磨屑，清洗工件表面，电解液中添加表面活性剂、防锈剂、无机盐、极压添加剂，使生成的氧化膜更稳定可控。
参照图2，基于氧化膜状态主动控制的轴承滚子ELID研磨装置，基于电解电流和切削力的反馈，对ELID研磨过程中沟槽的电解氧化膜6.3状态进行主动控制，沟槽表面的金属结合剂6.4在电解液6.2的电解作用下电离溶解，使得沟槽表面的磨粒6.1突出，同时，在沟槽结合剂表面生成一层致密而绝缘的电解氧化膜6.3，减缓金属结合剂6.4的进一步电解，随着研磨加工的进行，表面的磨粒6.1因磨损而脱落，生成的电解氧化膜6.3也因被轴承滚子5摩擦而变薄，此时，对金属结合剂6.4表层的电解再次恢复，新的磨粒露出。如此循环，使磨具表面始终保持有锋锐的磨粒6.1和一定的容屑空间，从而在获得极高的加工精度和表面质量的情况下保持高效率，解决加工过程沟槽损耗大问题，解决了切削力不稳定问题，维持沟槽成型精度，提高轴承滚子5表面质量。
实例：使用2500#的氧化铝磨粒制备金属结合剂沟槽，对圆柱滚子进行研磨实验。可编程脉冲电源的正极连接下研磨盘，负极连接上研磨盘。采用的研磨液为稀释的AFG-M，添加增效剂、缓蚀剂、表面活性剂、防锈剂、无机盐、极压添加剂，使用酸碱调节剂调节PH至7。研磨液的供给量为1L/min，圆柱滚子的参数如表1所示，实验参数如表2所示。
表1
表2
研磨30分钟后，圆柱滚子的表面粗糙度便可达到Ra达5nm，圆柱度为2 um，批直径变动量为1.5um。可以看出，批直径变动量远远优于传统加工方式，表面质量也具有相当大的提升。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。传统的滚子加工采用无心研磨方式，滚子的质量取决于机床的精度，而机床精度的提升难度极大，投入的资金非常巨大而产生的效益不高，且滚子的批一致性和表面完整性难以提升，严重制约了我国高端装备的发展。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
Claims (2)
1.一种基于氧化膜状态主动控制的轴承滚子ELID研磨装置，其特征在于，所述装置包括研磨盘模块、电源模块、反馈控制模块、电解液模块和轴承滚子，所述研磨盘模块包括上研磨盘、螺旋沟槽、下研磨盘、直线沟槽和轴承滚子出口，所述上研磨盘可实现上下运动，并在加压装置的作用下，对轴承滚子进行加压，为保证加工效果，其还带有电磁吸附功能，可以吸附轴承滚子，使其转动力矩大于摩擦阻力矩，从而实现轴承滚子接触恒定，摩擦恒定，使轴承滚子连续稳定地自转，实现研磨主运动，从而保证轴承滚子的形位精度，螺旋沟槽位于上研磨盘下表面，与轴承滚子接触，下研磨盘位于上研磨盘下方，与上研磨盘同轴线，直线沟槽位于下研磨盘上表面，直线沟槽表面为金属结合剂固着磨料磨具，沿直线沟槽的直线进给运动以及沿螺旋槽的螺旋运动用于维持研磨盘工作面的面形，轴承滚子出口位于下研磨盘中心；
所述反馈控制模块包括研磨力传感器、电流传感器和反馈控制器，研磨力传感器位于上下研磨盘之间，用于监测作用于轴承滚子的加载力，电流传感器连接在电源模块的回路上，用于监测氧化膜状态，反馈控制器收集到研磨力信号和电流信号，与标准值进行比对，调整加载力并控制电流大小，使氧化膜均匀持续生成，保证轴承滚子加工效果的同时保持高效去除，从而实现轴承滚子表面质量稳定可控；
所述电解液模块包括储液罐、泵、管路和喷嘴，储液罐内部装有电解液，在泵的作用下，电解液通过管路从喷嘴喷出，均匀作用于直线沟槽表面，电解液不仅具有导电作用，还有较好的钝化和防锈性能，使生成的氧化膜黏附于工件表面，并带走磨屑，清洗工件表面，电解液中添加表面活性剂、防锈剂、无机盐、极压添加剂，使生成的氧化膜更稳定。
2.如权利要求1所述的基于氧化膜状态主动控制的轴承滚子ELID研磨装置，其特征在于：所述电源模块包括可编程脉冲电源、阴极导线、阴极碳刷、阳极导线和阳极碳刷，可编程脉冲电源的负极连接阴极导线，阴极导线的另一端连接位于上研磨盘的阴极碳刷，可编程脉冲电源的正极连接阳极导线，阳极导线的另一端连接位于下研磨盘的阳极碳刷，形成电源回路，实现对直线沟槽的电解。
Priority Applications (1)
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