專利名稱：一種新型高精密陶瓷球研磨裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種球形零件研磨裝置，特別涉及一種用于高速高精密陶瓷球軸承中高硬度、高精度的陶瓷球零件的精密磨削加工裝置，屬于高精密球形零件加工技術。
背景技術：
雖然陶瓷成型、燒結技術的進步不斷地提高陶瓷毛坯制品的精度，但將陶瓷作為結構材料，特別是機械結構相互配合使用時，仍必須對陶瓷進行加工，以提高燒結制品的尺寸和形狀精度以及加工表面的完整性。
陶瓷材料是由共價鍵或離子鍵結合而成，呈現出與以金屬鍵為主的金屬材料不同的性質，即一般抗剪切應力很高，而抗拉伸應力很低，同時彈性模量相當大，屬于硬脆材料。工程陶瓷通常比金屬材料硬而脆，難以用通常的金屬切削方法加工，而大多數陶瓷又是電的不良導體，一般不宜采用電火花加工等電加工方法，這使得陶瓷材料的加工受到很大限制。
隨著加工技術的發展，有關陶瓷加工的方法不斷增多，按供給能量的方式進行分類，可分為機械加工法、電學加工法、化學加工法、光學加工法以及復合加工法等。研磨加工是機械加工法的一種，研磨就是使用游離磨料，使被加工表面產生微小的去除作用，從而達到加工效果的一種超精密加工方法。從材料的去除機理上看，研磨是介于脆性破壞和彈性去除之間的一種加工方法。研磨加工由于材料的去除單位小，加工作用力小，幾乎不產生表面變質層、殘余應力和微細裂紋，可以達到很高的加工精度及表面完整性。但它的加工效率很低，一般只用做陶瓷材料的最終的超精密加工。研磨裝置對陶瓷球的研磨精度和研磨效率有重要影響。對球的研磨裝置中的運動狀態要進行深入的分析，弄清楚影響研磨效率和精度的原因，為設計完善的研磨裝置提供理論依據。
目前，對于陶瓷球的研磨加工，國內外已有一些相應的加工裝置，如圓溝槽研磨加工裝置、V形槽研磨加工裝置、自旋回轉控制研磨加工裝置、磁懸浮研磨加工裝置、非磁懸浮研磨加工裝置等。由于圓溝槽研磨加工裝置對于鋼球加工效率很高，但對陶瓷球這樣的硬脆材料加工效果很不好；V形槽研磨加工裝置結構雖然簡單，但加工效率、加工精度都不太理想；自旋回轉控制研磨加工裝置、磁懸浮研磨加工裝置和非磁懸浮研磨加工裝置等雖然加工精度非常高，但加工效率較差，且加工裝置結構復雜，加工成本高。因此，對于陶瓷球的加工，市場急需一種既有較高的加工效率和加工精度，又具有結構簡單，成本低廉的陶瓷球研磨加工設備。
實用新型內容本實用新型的目的在于克服現有技術存在的上述不足，通過研究改進，設計出了一種錐型陶瓷球研磨裝置，該裝置從陶瓷研磨機理的角度出發，綜合考慮了陶瓷球研磨效率、研磨精度及研磨成本的基礎上給出的。并根據該研磨裝置給出了合理的陶瓷球研磨工藝。
本實用新型給出的設計方案是采用上、下研磨盤與陶瓷球構成三點接觸進行研磨，其中，上研磨盤的研磨面為錐面，下研磨盤為圓筒形，其研磨面為圓筒內底面和立面。下研磨盤通過螺栓與底座連接固定不動，上研磨盤通過螺母與研磨盤主軸聯結，研磨盤主軸可通過柔性件與鉆床或立式銑床的主軸聯結，以實現上研磨盤的旋轉運動。
本實用新型給出的這種錐型陶瓷球研磨裝置包括有上研磨盤、下研磨盤、研磨盤主軸、左、右立柱、升降平臺、底座、彈簧、螺母、軸套等組成，其中底座安裝在鉆床或銑床底座上，研磨盤主軸通過聯軸器與鉆床或立式銑床主軸聯結，可以實現有級或無級調速。上研磨盤的研磨面為錐面，下研磨盤為圓筒型，具有底面和立面兩個研磨面。上研磨盤通過螺母與研磨盤主軸連接，研磨盤主軸通過上下兩個角接觸球軸承和上下兩個軸承端蓋與升降平臺組裝在一起，以實現上研磨盤的升降，用以方便取放研磨工件以及改變研磨壓力。研磨盤主軸與鉆床或立式銑床主軸采用柔性件聯結，以減緩沖擊。左右立柱為升降平臺的導軌，固定在底座上，立柱上端有螺紋，套有螺母，在螺母與左右軸套之間裝有彈簧，通過調節螺母可以調節彈簧的變形量，從而改變研磨壓力。
本實用新型進行陶瓷球研磨過程中，其單個陶瓷球研磨機理分析如下設上、下研磨盤與陶瓷球的接觸點分別為A、B、C。陶瓷球只受研磨盤的作用，下研磨盤固定，上研磨盤通過與陶瓷球的接觸點無滑動地帶動陶瓷球做研磨運動。上研磨盤的角速度為ω，三接觸點的公轉半徑分別為RA、RB、RC，陶瓷球半徑為r。陶瓷球的無打滑研磨運動由公轉和自轉組成，公轉角速度Q(繞公轉軸)，自轉角速度ωb(繞陶瓷球自轉軸)。對陶瓷球的無打滑研磨運動，陶瓷球的自轉軸恒保持在陶瓷球經度剖面大圓平面上，自轉角速度ωb矢量在此平面上的方向由θ表示。在陶瓷球的實際研磨加工中，研磨盤與陶瓷球的接觸并非理想化的三點接觸，而是三個有限面接觸，這就使陶瓷球的研磨運動比理想化三點接觸情形陶瓷球的無打滑研磨運動要復雜。正是由于實際存在的這種復雜的研磨運動，使得陶瓷球在研磨中，其自轉軸對公轉軸的相對空間方位(即ωb)發生緩慢的變化，做“變相對方位”研磨運動，從而使得陶瓷球表面的研磨跡線不再是三個不變的圓環，而是緩慢展開的三條空間曲線。陶瓷球在經過一定時間研磨后，使同盤所有陶瓷球表面上的點獲得機會均等的研磨，最后達到較高的精度和表面質量要求。因此，適當的接觸面積有助于研磨效率的提高，但是隨著研磨盤使用時間的增加，研磨盤與陶瓷球的接觸面積越來越大，在接觸面內，研磨盤與陶瓷球之間的相對滑動也越來越復雜，對正常樞轉滑動的研磨效果所起的不良影響加大，因此，當研磨盤使用一段時間后，必須定期更換研磨盤。
本實用新型對陶瓷球進行研磨加工過程中所涉及的幾何和力學參數很多，但對陶瓷球研磨有重要影響的主要有RB、r、φ、f、P0、ω，這里著重探討其中最重要的兩個參數——研磨壓力P0和研磨盤轉速ω。陶瓷球在研磨中的打滑對陶瓷球研磨最為有害，不僅直接破壞陶瓷球的研磨質量，而且還破壞正常的研磨運動，從而引起相鄰陶瓷球之間的擠碰，更嚴重的會影響到陶瓷球研磨加工的正常進行。因此，分析研磨壓力和研磨盤轉速問題的基本出發點是，必須確保陶瓷球在研磨中作無打滑研磨運動。研磨壓力與研磨盤轉速這兩個參數是緊密相關的，并同時影響研磨精度和研磨效率，因此，在確定其具體值時，必須同時考慮，相互兼顧。例如在選擇研磨壓力P0和研磨盤轉速ω時，如果側重于研磨精度(精研時)，P0和ω應小一些；如側重于研磨效率(粗研時)，P0和ω可大一些。P0和ω的最后確定，還必須通過大量的陶瓷球研磨的現場實驗，以取得最佳的研磨效果。
采用本實用新型進行陶瓷球研磨加工的一個合理的加工工藝為粗研→半精研→精研→超精研→拋光。為保證研磨效率和精度，應根據批量大小、球坯的余量來合理安排工序，由粗到精，逐步減小研磨壓力和轉速。研磨裝置的精度對研磨效率和精度的提高有很大影響，主要應保證上、下研磨盤的平行度、垂直度、偏心及導向精度，這直接關系到球的受力及運動狀態。調配合理的研磨劑有助于提高研磨精度和效率，需采取措施使磨料在研磨液中懸浮，研磨劑的添加要遵循少量多次的原則。粗研時，去除量大，磨屑多，容易堵塞研磨盤溝道，影響陶瓷球的自旋運動，使加工精度和加工效率都得不到保證，因此，必須及時清除殘液，填充研磨劑。實驗證明，據此可提高效率20％左右，減少加工時間8h/批左右。粗研時，研磨盤材料要選用軟鋼，如45#鋼、鑄鐵，有助于球軌道形成，快速統一球徑。精研時，研磨盤材料宜選用硬鋼，以便為長時間保持運動精度，如淬火鋼。研磨盤粗、精研的使用期限大致為80h和120h。
在本實用新型中，研磨盤的研磨壓力通過調節左右兩個立柱上端的兩個調節螺母實現，往下調節螺母可以壓縮彈簧，從而增大了彈簧的彈力，注意左右兩立柱上的螺母必須同步，以使左右彈簧的變形量相同，即使得加在升降平臺上的力保持均衡，升降平臺再將此壓力通過軸承和軸承端蓋加在研磨盤主軸上，從而可增大陶瓷球的研磨壓力，相反，往上調節螺母可減小陶瓷球的研磨壓力。此外，研磨盤的研磨轉速也可以通過調節鉆床或銑床主軸的轉速來實現。
與現有技術相比，本實用新型的有益效果為本裝置結構簡單、研磨機理正確可靠，通過采用合理的研磨加工工藝，可以有效提高陶瓷球的研磨精度和研磨效率，能實現單件或批量生產。可為高速高精度機床主軸系統及自動化生產線提供關鍵的基礎零件，并使我國在該領域的研究達到國際領先水平，不僅加快了數控機床向著高速、高效、高精度發展的步伐，而且可以逐步形成專業生產高精度陶瓷球軸承的高科技產業，培育新的經濟增長點。還可以促進軸承廠、發動機廠、齒輪廠等大中型機械加工企業的設備改造，為國內用戶創造出約顯著的經濟效益。
圖1為本實用新型給出的一個實施例的結構示意圖；圖2-1為本實用新型中陶瓷球的研磨機理圖；圖2-2也為本實用新型中陶瓷球的研磨機理圖；圖3為陶瓷球表面研磨跡線示意圖圖4為陶瓷球研磨過程中的三個有限接觸面示意圖圖中標號為1.底座，2.立柱，3.軸套，4.軸套螺母，5.彈簧下墊圈，6.彈簧，7.立柱螺母，8.彈簧上墊圈，9.螺栓，10.主軸螺母，11.聯軸器，12.研磨盤主軸，13.軸承端蓋，14.密封圈，15.調整墊片，16.角接觸球軸承，17.升降平臺，18.上研磨盤，19.下研磨盤，20.陶瓷球。
具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型的具體技術方案及工作過程做進一步說明如圖1～圖4所示，本實用新型給出的這種錐型陶瓷球研磨裝置包括有上研磨盤18、下研磨盤19、研磨盤主軸12、左右立柱2、升降平臺17、底座1、彈簧6、螺母7、軸套3等組成，其中底座1安裝在鉆床或銑床底座上，研磨盤主軸12通過聯軸器11與鉆床或立式銑床主軸聯結，可以實現有級或無級調速。上研磨盤18的研磨面為錐面，下研磨盤19為圓筒型，具有底面和立面兩個研磨面。上研磨盤通過螺母10與研磨盤主軸12連接，研磨盤主軸通過上下兩個角接觸球軸承和上下兩個軸承端蓋與升降平臺組裝在一起，以實現上研磨盤的升降，用以方便取放研磨工件以及改變研磨壓力。研磨盤主軸與鉆床或立式銑床主軸采用柔性件聯結，以減緩沖擊。左右立柱為升降平臺的導軌，固定在底座上，立柱上端有螺紋，套有螺母，在螺母與左右軸套之間裝有彈簧，通過調節螺母可以調節彈簧的變形量，從而改變研磨壓力。
下表列出了錐形研磨法陶瓷球研磨加工條件。
研磨條件
陶瓷屬于脆性材料，在磨粒的作用下，表面會產生不同的裂紋，所以，陶瓷球的研磨加工要分步進行，由粗到精分多道工序來完成。工序多時輔助時間長，加工時間短，球的清洗取放時間長，最大優點是可以合理分配加工余量，每道工序效率高。工序少時輔助時間短，加工時間長，磨料粒度差別大，必須保證足夠的加工余量才能去除前道工序所留缺陷及逐漸提高加工精度。工序的劃分要根據加工批量、球坯余量、誤差大小等綜合確定，批量較大時，工序劃分有助于整體效率的提高。因此，陶瓷球研磨加工工藝為粗研→細研→精研→超精研→拋光。
研磨磨料使用金剛石磨料，也可以使用SiC、B4C磨料。金剛石磨料成本較高，加工效率高。粗研磨有兩個作用一是消除球坯表面較大的制備缺陷，減少球形誤差，統一球徑；二是高效去除余量滿足球徑要求。粗研應首先將球坯按最大直徑分組，縮短研磨初期的不穩定過程，并盡量減少其跳動以提高研磨效率。精研和拋光的目的是球的精度和表面質量，去除余量應保證消除前道工序所遺留的缺陷，不僅如此，還應保證足夠余量以便逐漸提高精度。拋光的目的是提高表面粗糙度。
下表列出了一個較合理的工藝參數。
合理的工藝參數 下表列出的是成品陶瓷球的檢測結果。從檢測結果看加工出的陶瓷球的精度水平已達到鋼球的G5級精度，部分球達到G3級精度。
成品陶瓷球檢測結果(μm)
權利要求1.一種新型高精密陶瓷球研磨裝置，包括有上研磨盤、下研磨盤、研磨盤主軸、左、右立柱、升降平臺、底座、彈簧、螺母、軸套等組成，其特征在于上研磨盤的研磨面為錐面，下研磨盤為圓筒型，具有底面和立面兩個研磨面，下研磨盤通過螺栓與底座連接，上研磨盤通過螺母與研磨盤主軸聯結，研磨盤主軸通過上下兩個角接觸球軸承和上下兩個軸承端蓋與升降平臺組裝在一起。
2.根據權利要求1所述的一種新型高精密陶瓷球研磨裝置，其特征在于研磨盤主軸與鉆床或立式銑床主軸采用柔性件聯結。
3.根據權利要求1或2所述的一種新型高精密陶瓷球研磨裝置，其特征在于左、右立柱為升降平臺的導軌，固定在底座上，左、右立柱上端有螺紋并套有彈簧，由螺母和軸套上下限位，軸套裝配在升降平臺左右兩個耳孔中。
專利摘要一種新型高精密陶瓷球研磨裝置，包括有上研磨盤、下研磨盤、研磨盤主軸、左右立柱、升降平臺、底座、彈簧、螺母、軸套等組成，其中底座安裝在鉆床或銑床底座上，研磨盤主軸與鉆床或立式銑床主軸聯結，上研磨盤的研磨面為錐面，下研磨盤為圓筒形，具有底面和立面兩個研磨面。上研磨盤通過螺母與研磨盤主軸連接，研磨盤主軸通過上下兩個角接觸球軸承和上下兩個軸承端蓋與升降平臺組裝在一起，以實現上研磨盤的升降，用以方便取放研磨工件以及改變研磨壓力，左右立柱為升降平臺的導軌，固定在底座上，立柱上端有螺紋，套有螺母，在螺母與左右軸套之間裝有彈簧，通過調節螺母可以調節彈簧的變形量，從而改變研磨壓力。
文檔編號B24B37/00GK2701586SQ20042007054
公開日2005年5月25日 申請日期2004年9月7日 優先權日2004年9月7日
發明者吳玉厚, 張珂 申請人:沈陽建筑大學