專利名稱：：一種高精度球高效研磨/拋光加工方法
技術領域：
：本發明涉及一種球形零件研磨/拋光加工方法，特別涉及高速、高精度陶瓷球軸承中高精度陶瓷球的精密研磨/拋光加工方法，屬于高精度球形零件加工技術。
背景技術：
：高精度球是是圓度儀、陀螺、軸承和精密測量中的重要元件，并常作為精密測量的基準，在精密設備和精密加工中具有十分重要的地位。特別是在球軸承中大量使用，是球軸承的關鍵零件，軸承球的精度(球形偏差、球直徑變動量和表面粗糙度)直接影響著球軸承的運動精度、噪聲及壽命等技術指標，進而影響設備、儀器的性能。與傳統的軸承鋼球材料(GCrl5)相比，氮化硅等先進陶瓷材料具有耐磨、耐高溫、耐腐蝕、無磁性、低密度(為軸承鋼的40%左右)，熱脹系數小(為軸承鋼的25%)及彈性模量大(為軸承鋼的1.5倍)等一系列優點，被認為是制造噴氣引擎、精密高速機床、精密儀器中高速、高精度及特殊環境下工作軸承球的最佳材料。由于氮化硅等先進陶瓷屬硬脆難加工材料，材料燒結后的陶瓷球毛坯主要采用磨削(粗加工)—研磨(半精加工)—拋光(精加工)的方法進行加工。對于陶瓷球的研磨/拋光工藝而言，加工過程采用游離磨料，在機械、化學效應的作用下，對陶瓷球坯表面材料進行微小的去除，以達到提高尺寸精度，提高表面完整性的目的。傳統的陶瓷球研磨/拋光加工主要是在加工鋼質軸承球的V形槽研磨設備上進行的，采用硬質、昂貴的金剛石磨料作為磨料，加工周期長(完成一批陶瓷球需要幾周時間)。漫長的加工過程以及昂貴的金剛石磨料導致了高昂的制造成本，限制了陶瓷球的應用。隨著儀器設備精度的不斷提高，對陶瓷球等特殊材質球體的加工精度提出了更高的要求，同時需要提高加工效率和一致性以降低生產成本。研磨/拋光方法對陶瓷球的研磨精度和效率有著重要的影響。研磨過程中，球坯和研具的研磨方式直接決定了球坯的研磨成球運動。研磨跡線能否均勻覆蓋球面是高效研磨球坯，提高球度，獲得高精密球的關鍵。對于陶瓷球的研磨加工，國內外已有一些相應的加工方法，如V形槽研磨加工、圓溝槽研磨加工、錐形盤研磨加工、自轉角主動控制研磨、磁懸浮研磨加工等。V形槽研磨加工、圓溝槽研磨加工、錐形盤研磨加工等加工方法中，球坯只能作"不變相對方位"研磨運動，即球坯的自旋軸對公轉軸的相對空間方位固定，球坯繞著一固定的自旋軸自轉。實踐和理論分析都表明"不變相對方位"研磨運動對球的研磨是不利的，球坯與研磨盤的接觸點在球坯表面形成的研磨跡線是一組以球坯自轉軸為軸的圓環，研磨盤沿著三接觸點的三個同軸圓跡線對球坯進行"重復性"研磨，不利于球坯表面迅速獲得均勻研磨，在實際加工中需要依靠球坯打滑、攪動等現象，使球坯的自旋軸與公轉軸的相對工件方位發生緩慢變化，達到均勻研磨的目的，但這種自旋角的變化非常緩慢，是隨機、不可控的，從而限制了加工的球度和加工效率。自轉角主動控制研磨加工采用可獨立轉動的三塊研磨盤，通過控制研磨盤轉速變化來實現對球坯自旋軸方位的調整，使球坯作"變相對方位"研磨運動，球坯表面的研磨跡線是以球坯自轉軸為軸的空間球面曲線，能夠覆蓋大部分甚至整個球坯表面，有利于球坯表面獲得均勻、高效的研磨。但這種方法采用的加工裝置動力源多，結構及控制系統復雜，對制造和裝配精度都有較高的要求，加工成本高。陶瓷球磁懸浮研磨加工的主要特征是采用磁流體技術實現對球坯的高效研磨，除了對球坯的加壓的方式不同外，其研磨運動方式同V形槽研磨加工和錐形盤研磨加工中的運動方式基本相同，因此，在其加工過程中球度同樣受到了限制。而且磁懸浮研磨加工所采用的加工裝置和控制系統復雜，磁流體的成本也較高，具有一定的局限性。因此，對于陶瓷球等難加工材料高精度球的加工，急需一種既能實現較高的加工精度和加工效率，又具備結構簡單、制造成本較低的陶瓷球研磨/拋光加工方法。
發明內容為了克服現有球形零件研磨/拋光加工方法的球度和加工效率低、加工一致性差、加工裝置和控制復雜、成本高的不足，本發明提供一種既能實現較高的加工精度和加工效率，又具備加工裝置結構簡單、制造成本較低的高精度球高效研磨/拋光加工方法。本發明解決其技術問題所釆用的技術方案是一種高精度球高效研磨/拋光加工方法，實現所述加工方法的加工設備中，由下研磨盤內盤外側的錐面研磨面和下研磨盤外盤內側的錐形研磨面構成V形槽結構，載荷加壓裝置通過上研磨盤作用于球坯，所述的V形槽結構和上研磨盤一起構成研磨球的三個加工接觸點，所述上研磨盤、下研磨盤外盤和下研磨內盤具有相同的回轉軸；在所述的上研磨盤、下研磨盤外盤和下研磨內盤中，其中兩個盤的轉軸分別由電機驅動；設定待加工的陶瓷球的三個加工接觸點分別為A、B、C，三接觸點到回轉軸的距離分別為&、i￡、及c，轉動的兩個盤的轉速分別為Os、輸入轉速i^、^c之間的關系為i35=30csin(0.0l7rt)(rpm)通過調整i^和^c的速度組合，使陶瓷球作"變相對方位"，使研磨軌跡均勻分布在球的表面上，實現對陶瓷球表面的均勻研磨。進一步，所述的下研磨盤內盤和下研磨盤外盤分別由兩個不同的電機驅動。或者是所述的下研磨盤內盤和上研磨盤分別由兩個不同的電機驅動。再或者是所述的下研磨盤外盤和上研磨盤分別由兩個不同的電機驅動。本發明的方案通過施加合適的載荷壓力和調整兩個轉動研磨盤的轉速組合使球坯在V形槽中自旋軸與公轉軸的相對方位發生變化，實現球坯"變相對方位"的成球運動，使球坯表面獲得均勻研磨，快速修正球形誤差，提高球的研磨加工效率和加工精度。本發明的高精度球高效研磨/拋光加工方法采用三塊研磨盤構成構成V形槽結構，與陶瓷球構成三點接觸進行研磨，任意選擇其中的兩塊研磨盤作為原動件就完全可以實現球坯在兩個自由度方向上的旋轉運動，通過調整這兩塊研磨盤的轉速組合，實現球坯自轉角的變化，使研磨軌跡能均勻覆蓋整個球坯表面，快速修正球形誤差；另一塊研磨盤不轉動，對球坯施加加工載荷。根據三塊研磨盤配置的不同，該新型研磨裝置可采用數種結構形式，其設計思想和工作原理相同，下面以其中一種研磨盤配置方式為例給出說明。該研磨方法采用一塊上研磨盤和兩塊下研磨盤構成研磨盤組件。上研磨盤在加工過程中周向固定(不旋轉)，下端面為研磨面，加壓裝置通過上研磨盤對球坯施加彈性載荷，使較大的球受到較大的載荷，從而在加工過程中始終能保證較好的磨削尺寸選擇性——磨大球，不磨或少磨小球；磨球坯的長軸，不磨或少磨短軸。下研磨盤由內外兩個盤組成，分別由兩個電機通過一套同軸傳動裝置驅動，可獨立轉動，下研磨盤內盤外側的錐面研磨面和下研磨盤外盤的內側的錐形研磨面構成V形槽結構。加工過程中，陶瓷球坯在V形槽中受到研磨盤的驅動公轉并自轉，在磨料的作用下實現材料去除，研磨成球。由于存在兩個驅動，完全可以實現球坯兩個自由度方向的旋轉，實現完整的成球運動，即通過控制下研磨盤外盤和下研磨盤內外盤的轉速組合，可使研磨過程中球坯的自旋軸與公轉軸的相對方位發生變化，實現球坯"變相對方位"的成球運動，使球坯表面獲得均勻研磨，快速修正球形偏差，從而提高加工精度與加工效率。本發明與自轉角主動控制研磨加工方法一樣能夠實現球坯自轉軸與公轉軸相對方位的調整，實現球坯表面的均勻研磨/拋光，區別在于本發明的上研磨盤是無需旋轉的，與下研磨的同軸要求較低；上盤稍有浮動，降低了上、下研磨盤的平行度要求，并便于通過上盤對球坯加壓；驅動、傳動裝置由三個減少至兩個。這樣，設備的結構得到很大簡化，加工、裝配的精度要求也相對降低。本發明進行陶瓷球研磨/拋光過程中，其單個陶瓷球研磨機理分析如下上研磨盤周向固定，假設球坯為標準球體，球坯和研磨盤接觸點之間無變形，無相對滑動，球坯之間無推擠現象，陶瓷球只受研磨盤作用，下研磨盤通過與陶瓷球的接觸點無滑動地帶動陶瓷球作研磨運動。設定研磨盤與陶瓷球的接觸點分別為A、B、C。三接觸點到下研磨盤回轉軸的距離分別為A、is、ic。下研磨盤轉速分別為i^、^c。半徑為o的球坯在下研磨盤組成的V形槽內以角速度r^公轉，同時以角速度《6自轉。V形槽道的形狀由下研磨盤內盤和下研磨盤外盤的斜角ct、P確定，并有i^i^+^owa，ic=&—ocoW。在實際的工程應用中，一般cp^。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w6矢量在此平面上的方向由0表示。在0角不變的情況下，A、B、C三接觸點在陶瓷球表面形成的三條研磨軌跡是同軸的三個圓。自轉角0的取值與輸入轉速i^、^c緊密相關，其關系為。c=20~50(rpm)Os=3^csin(0.0l7rt)(rpm)t^_l+sinor[3sin(0.0l7rt)]-1]+^cos"[3sin(0.0l7rt)]+1]cosa[3sin(0.0l7rt)]+1]+^cos"[3sin(O.Ol7it)〗一1]通過改變輸入轉速i^、^c，自轉角0可以在-卯°~卯°范圍內取值。這樣就可以通過調整l^和^c的速度組合，使陶瓷球作"變相對方位"，使研磨軌跡均勻分布在球的表面上，實現對陶瓷球表面的均勻研磨。同時，加壓裝置對球坯施加彈性載荷，能使較大的球受到較大的載荷，從而在加工過程中始終能保證較好的磨削尺寸選擇性——磨大球，不磨或少磨小球；磨球坯的長軸，不磨或少磨短軸，因此能快速修正球形偏差，從而提高加工精度與加工效率。本發明對陶瓷球進行研磨/拋光加工所涉及的幾何和工藝參數很多，但對陶瓷球研磨有重要影響的主要有幾何參數O、&、《、P等，以及加工載荷『和^、^c、磨料等工藝參數。這里著重探討其中最重要的三個參數——加工載荷『和下研磨盤轉速。s、^c。陶瓷球在研磨中的隨機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，分析加工載荷和兩塊下研磨盤轉速的出發點是，必須確保陶瓷球在研磨中作無隨機打滑研磨運動。而隨機打滑現象直接與加工載荷與研磨盤轉速參數是緊密相關的。提高加工載荷和研磨盤轉速有利于提高球坯的材料去除率，但由此造成的隨機打滑和尺寸旋轉性下降則會降低球度精度。因此，在確定具體值時，必須兼顧加工質量和加工效率。例如，在粗研時可選擇較大的研磨壓力和研磨盤轉速，以提高加工余量的去除速度；如果側重于研磨精度，0S、O:、『應該選小一點。Os、^c、『的最后確定，還必須通過大量的分析、仿真和陶瓷球研磨的現場實驗，以取得最佳的研磨效果。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布進行，由粗到精分多道工序來完成。工序多時輔助時間長，加工時間多，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，本發明進行陶瓷球研磨加工的一個合理的加工工藝為粗研一半精研一精研一超精研一拋光。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。調整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，研磨液循環要均勻。研磨裝置的精度對研磨效率和精度的提高有很大的影響，主要應保證上下研磨盤之間的平行度、兩塊下研磨盤的同軸度，垂直度，偏心及導向精度，這直接關系到球坯的受力和運動狀態。與現有技術相比，本發明的有益效果為1、所采用的加工裝置結構較為簡單，能達到主動控制球坯在研磨過程中的運動狀態，實現"變相對方位"的研磨成球運動，同時通過研磨盤轉速的自動化控制，減少了人為因素的影響，提高了加工的一致性和穩定性；2、結合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，實現批量生產，在加工精度、效率及機械結構上具有明顯的綜合優勢；3、還可以用于加工高精度鋼制軸承球、瑪瑙球以及其它材料的球形零件，將對提高精密球批量生產的研磨精度和研磨效率，發展超高精度球和陶瓷球等特殊材質球都將起到非常積極的作用，可為高速、高精度主軸系統提供關鍵的基礎零件，促進數控機床、精密儀器等相關產業向著高速，高效，高精度的方向快步發展，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。9圖1為本發明中實施例一的結構示意圖。圖2為本發明中實施例1的陶瓷球研磨機理圖。圖3為本發明中實施例2的陶瓷球研磨機理圖。圖4為本發明中實施例3的陶瓷球研磨機理圖。圖5為本發明中陶瓷球研磨幾何關系圖。圖6為本發明中陶瓷球研磨運動分析圖。具體實施例方式下面結合附圖對本發明的具體技術方案及工作過程作進一步說明實施例1參見圖l、圖2、圖5和圖6，一種高精度球高效研磨/拋光加工方法，實現所述加工方法的加工設備中，由下研磨盤內盤外側的錐面研磨面和下研磨盤外盤內側的錐形研磨面構成V形槽結構，載荷加壓裝置通過上研磨盤作用于球坯，所述的V形槽結構和上研磨盤一起構成研磨球的三個加工接觸點，所述上研磨盤、下研磨盤外盤和下研磨內盤具有相同的回轉軸；在所述的上研磨盤、下研磨盤外盤和下研磨內盤中，其中兩個盤的轉軸分別由電機驅動；設定待加工的陶瓷球的三個加工接觸點分別為A、B、C，三接觸點到回轉軸的距離分別為i^、is、ic，轉動的兩個盤的轉速分別為^s、輸入轉速i^、^c之間的關系為■Q5=3^csin(0.0l7rt)(rpm)通過調整i^和i^的速度組合，使陶瓷球作"變相對方位"，使研磨軌跡均勻分布在球的表面上，實現對陶瓷球表面的均勻研磨。所述的下研磨盤內盤和下研磨盤外盤分別由兩個不同的電機驅動。本實施例所用的高效研磨/拋光裝置包括設置在機架15上的上研磨盤8、下研磨外盤7、下研磨盤內盤6，下研磨盤內盤驅動電機16，下研磨盈內盤傳動裝置l10和17，下研磨盤內盤主軸3，下研磨盤外盤驅動電機4，下研磨盤外盤傳動裝置2，下研磨盤外盤主軸5，載荷加壓裝置9和10，橫梁12，鎖緊機構ll，立柱13。由下研磨盤內盤6外側的錐面研磨面和下研磨盤外盤7內側的錐形研磨面構成V形槽結構，所述的V形槽結構和上研磨盤8—起構成研磨球的三個加工接觸點A、B、C;下研磨盤內盤6和下研磨盤外盤7分別由下研磨盤內盤驅動電機16和下研磨盤外盤驅動電機4驅動，按一定的轉速組合轉動；載荷加壓裝置9通過上研磨盤8作用于球坯。所述的一種高精度球高效研磨/拋光加工方法，通過調整下研磨盤內盤6和下研磨盤外盤7的轉速組合以及施加合適的載荷壓力，使球坯在V形槽中自旋軸與公轉軸的相對方位發生變化，實現球坯"變相對方位"的成球運動，使球坯表面獲得均勻研磨，快速修正球形誤差，提高球的研磨加工效率和加工精度。實施例2參見圖l、圖3、圖5和圖6，本實施例的下研磨盤內盤和上研磨盤分別由兩個不同的電機驅動。本實施例所用的高效研磨/拋光裝置包括設置在機架15上的上研磨盤8、下研磨外盤7、下研磨盤內盤6，下研磨盤內盤驅動電機16，下研磨盤內盤傳動裝置l和17，下研磨盤內盤主軸3，下研磨盤外盤驅動電機4，下研磨盤外盤傳動裝置2，下研磨盤外盤主軸5，加壓裝置9和10，橫梁12，鎖緊機構ll，立柱13。由下研磨盤內盤6外側的錐面研磨面和下研磨盤外盤7內側的錐形研磨面構成V形槽結構，所述的V形槽結構和上研磨盤8—起構成研磨球的三個加工接觸點A、B、C;上研磨盤8和下研磨盤內盤6分別由上研磨盤驅動電機和下研磨盤內盤驅動電機16驅動，按一定的轉速組合轉動；載荷加壓裝置9通過上研磨盤8作用于球坯。所述的一種高精度球高效研磨/拋光加工方法，通過調整上研磨盤8和下研磨盤內盤6的轉速組合以及施加合適的載荷壓力，使球坯在V形槽中自旋軸與公轉軸的相對方位發生變化，實現球坯"變相對方位"的成球運動，使球坯表面獲得均勻研磨，快速修正球形誤差，提高球的研磨加工效率和加工精度。實施例3參見圖l、圖4一圖6，本實施例的下研磨盤外盤和上研磨盤分別由兩個不同的電機驅動。本實施例所用的高效研磨/拋光裝置包括設置在機架15上的上研磨盤8、下研磨外盤7、下研磨盤內盤6，下研磨盤內盤驅動電機16，下研磨盤內盤傳動裝置l和17，下研磨盤內盤主軸3，下研磨盤外盤驅動電機4，下研磨盤外盤傳動裝置2，下研磨盤外盤主軸5，加壓裝置9和10，橫梁12，鎖緊機構ll，立柱13。由下研磨盤fr盤6外側的錐面研磨面和下研磨盤外盤7內側的錐形研磨面構成V形槽結構，所述的V形槽結構和上研磨盤8—起構成研磨球的三個加工接觸點A、B、C;上研磨盤8和下研磨盤外盤7分別由上研磨盤驅動電機和下研磨盤外盤驅動電機4驅動，按一定的轉速組合轉動；載荷加壓裝置9通過上研磨盤8作用于球坯。所述的一種高精度球高效研磨/拋光加工方法，通過調整上研磨盤8和下研磨盤外盤7的轉速組合以及施加合適的載荷壓力，使球坯在V形槽中自旋軸與公轉軸的相對方位發生變化，實現球坯"變相對方位"的成球運動，使球坯表面獲得均勻研磨，快速修正球形誤差，提高球的研磨加工效率和加工精度。下表l是采用本發明(一種高精度球高效研磨/拋光加工方法實施例一)加工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己達到鋼球的G3精度。<table>tableseeoriginaldocumentpage13</column></row><table>權利要求1、一種高精度球高效研磨/拋光加工方法，其特征在于實現所述加工方法的加工設備中，由下研磨盤內盤外側的錐面研磨面和下研磨盤外盤內側的錐形研磨面構成V形槽結構，載荷加壓裝置通過上研磨盤作用于球坯，所述的V形槽結構和上研磨盤一起構成研磨球的三個加工接觸點，所述上研磨盤、下研磨盤外盤和下研磨內盤具有相同的回轉軸；在所述的上研磨盤、下研磨盤外盤和下研磨內盤中，其中兩個盤的轉軸分別由電機驅動；設定待加工的陶瓷球的三個加工接觸點分別為A、B、C，三接觸點到回轉軸的距離分別為RA、RB、RC，轉動的兩個盤的轉速分別為ΩB、ΩC，輸入轉速ΩB、ΩC之間的關系為ΩB＝3ΩCsin(0.01πt)(rpm)通過調整ΩB和ΩC的速度組合，使陶瓷球作“變相對方位”，使研磨軌跡均勻分布在球的表面上，實現對陶瓷球表面的均勻研磨。2、如權利要求1所述的高精度球高效研磨/拋光加工方法，其特征在于所述的下研磨盤內盤和下研磨盤外盤分別由兩個不同的電機驅動。3、如權利要求l所述的的高精度球高效研磨/拋光加工方法，其特征在于所述的下研磨盤內盤和上研磨盤分別由兩個不同的電機驅動。4、如權利要求1所述的的高精度球高效研磨/拋光加工方法，其特征在于所述的下研磨盤外盤和上研磨盤分別由兩個不同的電機驅動。全文摘要一種高精度球高效研磨/拋光加工方法，實現該加工方法的加工設備中，由下研磨盤內盤外側的錐面研磨面和下研磨盤外盤內側的錐形研磨面構成V形槽結構，載荷加壓裝置通過上研磨盤作用于球坯，所述的V形槽結構和上研磨盤一起構成研磨球的三個加工接觸點，所述上研磨盤、下研磨盤外盤和下研磨內盤具有相同的回轉軸；在所述的上研磨盤、下研磨盤外盤和下研磨內盤中，其中兩個盤的轉軸分別由電機驅動；通過調整Ω<sub>B</sub>和Ω<sub>C</sub>的速度組合，使陶瓷球作“變相對方位”，使研磨軌跡均勻分布在球的表面上，實現對陶瓷球表面的均勻研磨。本發明既能實現較高的加工精度和加工效率，又具備加工裝置結構簡單、制造成本較低。文檔編號B24B11/00GK101579840SQ200910099188公開日2009年11月18日申請日期2009年5月27日優先權日2009年5月27日發明者呂冰海,王志偉,范紅偉,袁巨龍申請人:浙江工業大學;湖南大學