高精度陶瓷球的研磨加工技术研究

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 （ 如图 * 所示） ， 在球坯的同一研磨循环不同自转 圈的研磨中， 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。这 种加工运动本身由于不能实现完整的成球运动， 从而限制了 被加工球体的球度的提高， 而且由于自旋角很小， 也不利于提 高研磨效率。
浙江 省 自 然 科 学 基 金 项 目 资 助 （ *+"("%#,!"’#’! ） ， 浙江省教育厅科研项目资助 （ #""’!(#" ） ， 衢州市科技局计划项目资助 !基金项目： （ #""’!"!+ ） 。 ) 作者简介： 郑家锦， 男， 教授， 研究方向： 超精密加工。 ) 收稿日期： #""+ $ !# $ #&
出了新型双自转研磨盘研磨 方式 ， 如图 8 所示。该研磨 方式在同轴三盘研磨方式的 基础上进行了改 进， 在保持 自旋回转控制功能的前提 下， 简化机械机构， 降低对设 备的加工、 装配精度要求， 因 为在研磨过程中， 上研磨盘 是无需旋转的， 与下研磨盘 的同轴要求相对较低。该研 磨方式采用两块独立旋转的的研磨盘构成下研磨盘组件， 上
KL 引言
随着航空航天、 国防、 机械、 石油化工等工业的发展， 对作 为基础部件的轴承的性能提出了越来越高的要求， 如高转速、 高旋转精度、 高可靠性、 耐高温、 抗腐蚀、 无润滑等高性能要 求。由于材料本身的局限性， 目前普遍使用的钢球滚动轴承 很难满足上述要求。而陶瓷材料具有比重低、 硬度高、 耐高 温、 抗腐蚀、 热膨胀系数小、 弹性模量大、 自润滑性好等性能特 点， 非常适合作为滚动轴承的滚动体材料。 陶瓷材料的精密球不仅广泛使用于滚动轴承中， 而且是 圆度仪、 陀螺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也具有十分重要的地位。高 精密球的精度指标有尺寸精度、 圆度、 粗糙度， 其中最为困难 的是保证圆度精度 （ !" $ ! F !" $ # !? ） 。目前能保证达到这一 精度级别的球体加工方法一般是采用研磨加工。为达到高精 度及较好的表面质量， 陶瓷球的加工需经过粗研、 细研、 精研 和抛光等多道工序。
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ML 球面研磨的成球机理
M B K 研磨成球的基本条件 研磨过程中， 虽然球坯的研磨过程受诸多因素的影响， 十
［!］ 分复杂， 但其成圆的基本条件可以总结为以下两点 ：
!） 切削等概率性： 即每颗被加工球表面上每个质点都有 相同的切削加工概率。 #） 磨削尺寸选择性： 即加工过程中， 磨大球， 不磨或少磨 小球； 磨长轴方向， 不磨或少磨短轴方向。 M B M 研磨成球机理 球坯在研磨过程中， 一方面随研磨盘作公转运动， 一方面 又连续自转， 球表面与盘的接触表面产生相对滑动和滚动。 如图 ! （ A） 所示， 水平分量相当于线滑动， 垂直分量对应 于回转滑动 （ 也称自旋运动） 。线滑动平行于研磨盘平面， 而
万方数据
9 9 设计・研究・分析 ・ *!・ """"""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""
回转滑动则与其垂直。线滑动和回转滑动相比， 对研磨的作 用要小的多。如能增大回转滑动分量， 就一定能增加研磨效
［!］ 率， 这也是改善研磨方式的基本出发点之一 。
等人对此
作了大量的实验研究， 球坯在 研磨过程中具有较大的自旋角 （ 达到 *) $ ） ， 获得充分的自旋， 增强了陶瓷球的回转滑动， 从 而提高陶瓷球的加工效率， 但 这种研磨方式下的自旋角仅与
万方数据
现代机械7 *##+ 年第 * 期 7 7 ・ .+・ """"""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""
研磨盘直径有关， 也是一个固定值， 其研磨迹线与 % 形槽研磨 法类似， 是一组同轴圆， 限制了球度的提高。 ! # ! 同轴三盘研磨方式 & # & # ’ 自旋回转控制研磨方式 为了提高精密球的研磨精度， 日本金泽大学黑部利次等
［ ’# ］ 人提出了一种新的同轴三盘研磨方式 。三块研磨盘可独
!" 与 ! 的夹角 ! 称为自旋角， 是表征研磨过程中球旋转 程度的一个重要指标。国内外各种研磨实验表明， 只有保证球 有充分的自旋运动， 才能保证球的整个表面得到均匀的研磨。
研磨盘在加工过程中周向固定， 并对球坯施加弹性载荷， 使较 大的球受到较大的载荷， 从而在加工过程始终能保证较好的 磨削尺寸选择性。使 ! " 和 ! # 以不断变化的平缓波形方式 输出， 控制自旋角在 ! "#$ % "#$ 范围内连续变化， 从而使球坯 得到均匀高效的研磨。 ! & " 磁悬浮研磨方式 磁悬浮研磨法采用磁流体技术实现对球坯进行高效研 磨， 除了对球坯的加压方式不同外， 其研磨运动方式同研磨盘 研磨方式是基本相同的。该方法的研磨装置简图如图 ’ 所 示， 研磨试验结果表明， 该研磨方式研磨效率很高， 但所加工 陶瓷球的球形误差高， 该装置的结构也较复杂。 通过上述分析， 可以得到如下表 ( 所示的结果。 表#
［)］ 是不利的。 由于自旋角 ! 在研磨过程中保持不变， 球坯与研
!） 342" - & &（! - ! ） 342# 5 & &（! - ! ） { & &（! &-& } （! - ! ） 673" 5 & &（! - ! ） 673#
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高精度陶瓷球的研磨加工技术研究 !
郑家锦， 吴明明， 周兆忠
（ 浙江工业大学 浙西分校， 浙江) 衢州) (#’""" ） 摘要： 在精密球体的制造工艺中， 关键技术是最后的精密研磨。本文探讨了球体研磨的成球机理， 介绍了国内外精密球体研 磨技术的现状， 分析了影响陶瓷球研磨质量和效率的工艺因素。 关键词： 精密球 ) 研磨) 质量) 效率
!" 高精密球体研磨方式
［$］ ! # # 四轴球面研磨方式 使用 四 轴 自 动 球 面
立转动， 可以通过控制研磨盘转速变化来调整球坯的自旋角 其运动原理如图 / 所示。利用该研磨装置来定量研究自旋 !， 角对研磨效率、 精度及粗糙度的影响。在这种研磨方式下： ! +012
-’
研磨机 对 单 颗 球 体 进 行 精密研磨加工， 通过四轴 转动方向的不同组合， 实 现瞬时轴的不断变化 （如 图 " 所示） 。这种研磨方 式虽然 能 获 得 较 高 的 加 工精度 （ 球度可达到 #$ #! !% ） ， 但一次只能对一颗球进行研 磨， 加工效率低。 ! $ % 同轴两盘研磨方式 &$ "$ ’( 形槽研磨方式 在传统的 ( 形槽研磨法 （ 如图 & 所示） 加工过程中， 自旋 角 ! 的值仅取决于球坯和研磨盘导向槽的直径， 与研磨盘转 速无关。实际只在 # $ 附近取值， 球坯只能作 “ 不变相对方位” 研磨运动。但实践和理论分析表明自旋角 ! 过小对球的研磨
（’） 式中： ) 研磨盘与垂直方向的夹角； #、 "— (、 !’ 、 !( 、 ! ) —各研磨盘回转角速度； &’ 、 &( 、 & ) —各研磨盘回转半径。
由公式 （’） 可知， 自旋角不仅于研磨盘的直径、 导向槽夹 角等几何 参 数 有 关， 而 且 与 研 磨 盘 的 转 速 有 关， 并可以在 ［ - .# $ ， .# $ ］ 全范围取值， 自旋角能随着三块研磨盘转速的独 立变化而调整， 球坯能作 “ 变相对方位” 研磨运动， 实现完整 的成球运动。接触点在球坯表面的研磨迹线便能成为以球坯 自转轴为轴的空间球面曲线 （如 图 ) 所示） ， 能够覆盖大部分甚至 整个球坯表面， 研磨盘沿着这种 研磨迹线 对 球 坯 进 行 “ 散 布 性” 研磨， 有利于球坯表面获得均匀、 高效的研磨。实验结果表明这种 加工方式能获得很好的加工精度 和效率。该装置的缺点是动力源多， 结构及控制系统复杂。 & # & # " 双自转研磨盘研磨方式 为了获得较高精度的精 密球， 降低研磨设 备 的 复 杂 程度， 减少动力源， 浙江工业
& # " # " 锥形研磨方式 实验结果表明， 研磨效率、 研磨精度及表 ! + *! , )# $ 时， 面粗糙度的综合效果好。故在此基础上发展了锥形研磨方式 （ 如图 ! 所示） ， 沈阳建筑工程学院的吴玉厚、 张柯， 东北大学 的王军、 郑焕文
［) - .］
［ ’’ ］ 大学袁 巨 龙 教 授 等 人 提
由于接触表面各点的压力不同， 球坯、 研磨盘和研磨液三者之
［! $ ’］ 间存在相互作用 ：
!） 利来自百度文库磨粒刮削球面以去除余量； #） 利用磨粒的滚动作用加工球面； (） 利用磨粒切削刃挤压球坯进行加工等作用。这就使 球坯受到挤压、 摩擦等作用， 去除球坯表面的加工余量， 从而 达到减小球径， 提高圆度和降低表面粗糙度的目的。 M B N 研磨运动分析 达到上述研磨效果的先决条件是使球在研磨盘接触表面 上产生滑动， 滑动程度愈大， 研磨效果愈佳。表征球滑动程度 大小的数学量为球的自旋角， 故为了提高研磨效率， 应使研磨 装置保证球有较大的自旋角。 要对球进行高效率的研磨， 必须充分了解研磨的基本过 程， 球坯与研磨盘在接触面上相对滑动， 球在图 ! （ :） 所示的 自旋轴角度 ! 方向上， 在做相对滑动的同时相对滚动。如将 球坯矢量 ! 分解成水平分量 ! " 和垂直分量 ! # ， 就比较容易 了解研磨的工艺过程。
研磨方式 效果 研磨效率 研磨精度 机械结构
" & " 研磨盘转速 从理论上讲， 研磨盘转速除了影响陶瓷球公转外， 还影响 陶瓷球的自转， 从而影响到陶瓷球单位时间内的研磨次数和 研磨效率， 研磨效率随着研磨盘转速提高而提高。但转速过 高， 一方面， 研磨装置的跳动随转速的增高而加大， 使加工中 所要求的稳恒压力遭到破坏， 陶瓷球的自旋不均匀， 自转轴移 动变化缓慢， 导致材料去除率下降； 另一方面， 当转速过高时， 有一部分磨粒在陶瓷球表面经过时， 只起滑擦作用， 没起到磨 削作用； 而且会使研磨盘产生较大的离心力， 导致研磨液飞 散， 磨料被甩到研磨盘的外侧， 使陶瓷球不能被均匀地去除， 影响了加工精度和效率。另外， 球与研磨盘之间的摩擦润滑 状态也发生了变化， 增大了摩擦阻力， 使加工效率下降。 " & & 研磨液浓度 研磨液浓度越高， 参与研磨的磨粒越多， 因此， 研磨效率 将随着研磨液浓度的提高而提高。但由于加工面积有限， 当 研磨液浓度达到一定值时， 在提高浓度并不能增加参与研磨 的磨粒数量， 反而会使球坯运动不畅， 降低研磨效率。 " & ’ 其它 影响陶瓷球研磨效率和质量的因素还涉及研磨机的精 度、 研磨盘材料的物理化学特性与表面结构、 导向槽的结构、 磨料的添加周期及添加量、 研磨基液与添加剂以及球坯本身 特性等方面。