（机械制造及其自动化专业论文）氮化硅陶瓷球生坯加工技术及其材料去除机理的研究.pdf

天津人学坝l 论文 摘要 f 本文针对氮化硅陶瓷轴承球生坯的修形加工提出了一种全新的机械化加工 模型，、与传统的手工模型相比有着巨大的优越性。在对试验模型和数据进行分析 的基础上，主要论述了模型的成圆机理、加工规律及生坯球材料去除机理心 本文分别介绍了三砂轮模型和双砂轮模型，并重点分析了双砂轮模型中生 坯球的作用力及运动状况，从理论上详尽探讨了双砂轮模型独特的成圆机理，进 而指出双砂轮模型能够加工出理想球体的条件。 通过对双砂轮模型单因素试验和正交试验数据的分析，以砂轮转速、气体 压力和球径等为加工条件，以球形偏差误差和材料去除率为主要考察指标，总结 出基本的加工规律：最后从模型结构的复杂程度、加工质量和经济性等方面对三 砂轮模型和双砂轮模型进行比较。文 根据氮化硅生坯球特殊的物理、化学性质，提出氮化硅生坯球的组成结构 模型，在分析传统的硬脆材料磨削模型的基础上，提出了针对本加工模型的生坯 球材料去除机理，并依据多种加工条件下的生坯球烧成后的s e m 表面形貌进行 了对比说明。此外，通过对烧结后生坯球的s e m 表面形貌进行观察，从磨削裂 纹和表面粗糙度等方面表面质量进行了评价。 关键词：氮化硅陶瓷轴承球生坯丫修形；砂轮模型y 双砂轮模型j 成圆机理正交试验磨削机理vs e m 表面形貌 凡律人学坝j 论史 a b s t r a c t i nt h i s p a p e r , an e wm e c h a n i c a lm o d e lf o r t h es h a p i n go fu n s i n t e r e ds i 3 n 4 c e r a m i cb e a r i n gh a l l sw a si n w o d u c e d c o m p a r e dw i t ht h et r a d i t i o n a lm a n u a lm o d e l ， t h i sn e wm o d e lh a si n c o m p a r a b l ea d v a n t a g e s o nt h eb a s i so fa n a l y s i so fm o d e la n d t h ed a t ao fe x p e r i m e n t s ，r o u n d i n gm e c h a n i s m ，p r o c e s s i n g l a wa n dr e m o v a l m e c h a n i s mh a sb e e nd i s c u s s e d t h et r i g r i n d i n gw h e e l sm o d e la n dt w i g r i r i d i n gw h e e l sm o d e lw a sd i s c u s s e d r e s p e c t i v e l y b a s e do nt h ea n a l y s i s o ff o r c e sa n dm o v e m e n t ，t h eu n i q u er o u n d i n g m e c h a n i s mf o rt w i g r i n d i n gw h e e l sm o d e la n dt h ec o n d i t i o n so fm a k i n gp e r f e c tb a l l s w a sa d v a n c e d a f t e ra n a l y z i n gt h ed a t ao fs i n g a l f a c t o ra n do r t h o g o n a le x p e r i m e n t ，t h eb a s i c p r o c e s s i n g l a w sw a ss u m m a r i z e d i nt h i s e x p e r i m e n t ，p r o c e s s i n g c o n d i t i o nw a s p r o v i d e db y t h ev e l o c i t yo f g r i n d i n gw h e e l ，a i rp r e s s u r ea n dr a d i u so f b a l l s ；a n dt a r g e t p r o v i d e db yt h er o u n d n e s se r r o ra n dr e m o v a le f f i c i e n c y a tl a s t w ec o m p a r e dt h e t r i g r i n d i n g w h e e l sm o d e lw i t ht w i g r i n d i n gw h e e l so nt h ea s p e c to fc o m p l e x i t y , q u a l i t ya n de c o n o m y u n s i n t e r e ds i 3 n 4c e r a m i cb e a r i n gb a l l sh a v e s p e c i a lp h y s i c a l a n dc h e m i c c h a r a c t e r b yt h ea n a l y s i so f t h et r a d i t i o n a lg r i n d i n gm o d e lf o rb r i t t l e - h a r dm a t e r i a l s ， g r i n d i n g m e c h a n i s mf o ru n s i n t e r e dc e r a m i cb a l l sw a sp u tf o r w a r d a t i e r t h e o b s e r v a t i o no fs i n t e r e dc e r a m i cb a l l sw i t hs e m ( s c a n n i n ge l e c t r o n i cm i c r o s c o p e ) g r i n d i n gc r a c ka n d s u r f a c er o u g h n e s sw a sr e s e a r c h e d k e y w o r d s ：u n s i n t e r e ds i 3 n 4 c e r a m i c b e a r i n g b a l l s s h a p i n g t r i g r i n d i n gw h e e l s m o d e l t w i g r i n d i n gw h e e l sm o d e l r o u n d i n gm e c h a n i s m0 n h o g o n a le x p e r i m e n t g r i n d i n gm e c h a n i s m s e m a p p e a r a n c e 第一帝绪论 1 1 引言 第一章绪论 所谓工程陶瓷是指具有高强度、耐高温、耐磨、耐化学腐蚀、抗氧化能力 等特征的陶瓷。由于它具有这些特征，因而在空间技术、能源、交通、生物工程 等现代科技中得到广泛的应用，而且越来越广。全世界对工程陶瓷的需求量越来 越大，发展较快m 1 。 工程陶瓷的种类较多，从化学成分上来说，可分为氮化物、碳化物、氧氮 化物及氧化物。作为工程陶瓷家族中重要一员的氮化硅( s i 3 n 4 ) 陶瓷，较其它 工程陶瓷具有更为优异的机械性能、热学性能及化学稳定性，因而被认为是工程 陶瓷中最有应用潜力的材料。 在各类回转机械中，作为其轴系支撑的滚动轴承常常是决定整个系统工作 性能的关键基础件。现代工业的发展，对滚动轴承在高速、高温、有腐蚀、强磁 性、无油润滑等特殊工况条件下的使用性能正在提出越来越商的要求。s i ，n 4 陶 瓷和以之为基体的陶瓷复合材料的许多优良的性能特点决定了陶瓷是一种非常 有前途的滚动轴承材料。业已证明，用于轴承时氮化硅材料具有最好的物理、机 械综合性能1 2 “。 轴承设计者对氮化硅滚动轴承的疲劳寿命以及其它特性的研究和试验表 明，氮化硅滚动轴承性能卓越，具有广泛的用途。自八十年代以来，由s i ，n 4 球 和钢制套圈组成的混合型陶瓷轴承已应用于机床主轴、磨料传送系统及有限寿命 的气轮机主轴和其它高速或高精密度设备中。氮化硅滚动轴承的使用特性和用途 概括见表l 一2 。由此可见，陶瓷轴承有着广阔的商业发展前景f 2 i j 。 表l l 氮化硅滚动轴承的使_ i j 特性和川途 耐蚀性耐热性高速性重量轻绝缘性绝磁性耐真空 化l ：钢铁业机床航空航天电机原子反应堆真空机械 纤维制造化i ：汽车汽车机床半导体装置其他 钢铁业汽乍航空航天火车运输机械其他 食晶l ：业真空机械电机其他其他 一般i ：业一般i ：业一般l ：业 机械机械机械 l 乜机电机真空机械 机床其他其他 其他 从7 0 年代美国和西德率先开展s i 3 n 4 陶瓷轴承的研究到现在，由于s i 3 n 4 陶瓷的性能及其制造工艺的不断提高，不少企业已在生产和供应s i 3 n 4 陶瓷轴承。 第一章绪论 但是，对s i 3 n 4 陶瓷轴承的研究还处在发展阶段，其研究远没有结束。有关s i 3 n 4 陶瓷轴承的一些技术难点，如韧性低、加工成本过高和质量保证措旎还不太可靠 等远没有得到解决。尤其氮化硅陶瓷材料是一种典型的硬脆材料，加工极为困难， 其制品的加工成本往往占制造总成本的8 0 以上。因此，研究如何低成本、高 效率地加工氮化硅材料陶瓷部件，对于氮化硅陶瓷轴承的应用与普及具有举足轻 重的作用和重大的现实意义。 1 2 国内外氮化硅陶瓷球制造工艺研究现状及发展 作为氮化硅陶瓷滚动轴承最主要部件的氮化硅陶瓷球，其制造工艺与传统的 钢制轴承球加工有着本质的区别。尽管随着现代科学技术的发展，新的加工技术 和方法不断涌现，但是经过近几十年的发展，氮化硅陶瓷球的制造工艺已基本成 熟。其传统的制造工艺流程如图l l 所示： 幽i 一1氮化硅陶瓷球制造工艺流程 1 2 1 粉料制备 氮化硅粉料的制备方法主要有硅粉氮化法、s i 0 2 还原氮化法、硅亚胺分解 法和气相反应法等，其中硅粉氮化法是传统的制备方法，其制备工艺在世界范围 内已基本成熟。其它方法是近些年发展起来的新方法。由于受篇幅限制，这里仅 就硅粉氮化法加以描述。 硅粉直接氮化法是最早被采用的传统的合成氮化硅粉末方法，市售的粉末 多是用此法生产。它是将磨细的s i 粉放在氮气中加热到1 2 0 0 1 4 5 0 下进行氮 化反应，生成s i 3 n 4 。主要反应式为： 3s i + 2 n 2 = s i 3 n 4 3s i + 4 n h 2 = s i 3 n 4 + 6 h 2t 传统的硅粉氮化法具有下列特点： 1 工艺简单，成本低，能较容易地实现小规模向大规模生产的转移，适合 于大规模工业生产； 2 由于原料s i 纯度以及粉碎过程中易混入杂质等因素的影响，故s i 3 n 4 粉 未纯度较低： 3 由于s i 3 n 4 粉末是经粉碎制得的，故粒形不规则，并且粒度分布范围较宽： 粉料的状态对生产过程及产品的性质有明显的影响，精确控制原料的化学 和物理性能是非常必要的。因此，通常要求粉料具有以下特性：( 1 ) 纯度高；( 2 ) 高均匀而细的颗粒；( 3 ) 有用相含量高l 。 第一章绪论 1 2 2 配料、混合和造粒 氮化硅是一种共价化合物，在常压下无熔点，于1 8 7 0 分解，体积扩散系 数小，在没有加入物的情况下，欲制成高纯度氮化硅陶瓷球是难以达到完全致密 的。因此必须采用烧结助剂以生成液相，填充于氮化硅颗粒之间，借助液相的表 面张力，使颗粒重排，堆集密度得以提高，气孔减少1 。常用的烧结助剂有氧化 钇( y 2 0 3 ) 、氧化镁( m g o ) 等。 将s i 3 n 4 粉末和作为辅助成分的烧结助剂等混合均匀，配成粉料。混合在专 用配料机中进行，配料机采用氯化硅内衬或氧化锆内衬。工作时将加工原料和一 定数量的陶瓷球放入配料机，注入无水乙醇，开动机床，混合l 2 天。乙醇处 理可以减少粉料的团聚结块，降低成型时摩擦力，提高生坯密度，因此烧结体强 度，特别是高温强度得到了显著提高口3 i 。 氮化硅陶瓷球不能单纯用加热加压增大密度，因为在微粒充分粘结之前材 料就离解了。除了添加烧结助剂外，还需要进行干燥造粒。粉料干燥造粒一般采 用喷雾法，将混合好的原料放入离心喷雾机中，加入粘合剂，反絮凝剂等配成料 浆，使料浆沉到高速旋转的圆盘上进行雾化，雾化后的小液滴在热风中迅速干燥。 这种方法可为粉末成型提供流动性良好的粉料。 1 2 3 成型 根据氮化硅陶瓷球的制成方式、性能要求等，可以采用多种不同的成型方 式，下面仅就常用的粉压成型为例，介绍其成型原理。 粉压成型包括干压成型和等静压成型。它们的共同特点是都采用干粉料， 在粉料中只含有百分之几的水分或更少的其它有机粘合剂。 1 干压法成型 ( 1 ) 成型原理 这是一种最简单、最直观的成型方法。只要将经过造粒、流动性好的粉料， 倒入一定形状的钢模内，借助于模塞，通过外加压力，便可将粉料压制成一定形 状的坯体。由于模套与模塞之间的配合是相当紧密的，故经过造粒和粒配合适的 粉料，堆集密度比较高时，可使压缩时的排气量大大减少，从而使坯体具有一定 的机械强度。一般情况下，干压法可以得到比较理想的坯体密度。 ( 2 ) 粉料的堆集密度 堆集密度是指加压前粉料在模具中自然堆集或适当振动时所形成的填充程 度，它与堆集方式、粒径配比以及粉料的各种质量关系很大。显然，堆集密度越 大，在坯体的压实过程中，需要填充的空隙或需要排出的气体就越少，故在其它 条件相同的情况下，可望获得高质量的坯体。 ( 3 ) 干压成型工艺的优缺点 干压法成型，工艺简单、操作方便，只要有合适的压床和模具，既可进行 小批量试制，也可组织大规模生产；且周期短、工效高，容易实现自动化生产。 由于干压成型的坯体比较密实、尺寸比较精确，烧成后收缩较小，所以其机械强 度较高。 此法的关键是必须具备一定功率的加压设备，而受压面积越大，加压设备 的压力或功率也就越大，这对大型设备来说是不易办到的。此外，加压方向通常 都只限于一个轴向( 上、下，或上下同时加压) ，缺乏侧向压力，故压成的氮化 硅陶瓷球坯体结构具有明显的各向异性，在烧结时，侧向收缩大，其机械电气性 第一章绪论 能也远非各向均匀。 2 等静压成型 在干压成型工艺中，由于加压设备及模具结构本身，决定了它只能作一维 方向加压，其内在的缺点是产品结构和强度的各向异性。为解决这个问题，必须 使产品能受到均匀的各向加压。等静压成型就是为满足这一要求而发展起来的。 最早采用的是湿式等静压。该法将预压好的粉料坯体，包封于弹性的塑料 或橡皮胶套内，然后置入一个能承受高压胀力作用的钢简中，通过进液口，用高 压泵将传压液体打入简体。因此，胶套内的工件，将在各个方向受到同等大小的 压力。作为对湿法等静压的改进，出现了干式等静压可使工效及自动化水平大为 提高。 等静压成型对模具并无特殊的要求，压力易于调节，坯体均匀致密，烧结 收缩小，且各向均匀一致，烧成后的产品具有高超的机械强度。缺点是设备比较 复杂，操作繁琐，生产效率不高。 1 2 4 修形 在实际生产中，由于受生产工艺条件的 然而，陶瓷球尘坯在未烧结以i j 比较脆弱， 又因为是球体，难以央持进行传统的机械加 图1 2 手工修形模型 工，所以陶瓷球生坯的修形加工现阶段仍然 停留在手工操作的基础上。其手工加工模型如图1 2 所示：管状刀具以一定转 速旋转以去除加工余量，生坯球在人手的操纵下实现沿球面各个方向的进给，最 终加工出比较理想的球体。但是，这种加工方式完全依赖于操作工人的经验和责 任心，不仅效率低，而且难以保证稳定的加工精度，根本无法满足现代化大批量 生产的需要。目前，国内外未有对氮化硅陶瓷球生坯的机械化加工进行报道的文 献，因此，迫切需要一种新的机械化加工模型以取代落后的手工模型。 为了降低氮化硅陶瓷球的加工成本，保证成品球的质量，在国外现已开发 出一种“近终形”氮化硅陶瓷球毛坯成型烧结工艺。用“近终形”工艺生产的氮 化硅陶瓷球毛坯，其球形误差和直径变动量很小，可直接进行研磨加工。但是这 种工艺难度大，成本高，难以大规模推广应用。 1 2 5 烧结 以共价键结合的氮化硅陶瓷材料烧结成型是较困难的。目前，氮化硅材料 的烧结方式大致有：常压烧结( s s n ) 、反应烧结( r b s n ) 、热压烧结( h p s n ) 、气压 烧结( g p s ) 和热等静压( h i p s n ) 等。但是适合于氮化硅陶瓷球的烧结方法主要 有以下几种。 1 常压烧结( s s n l 采用这种方法对氮化硅陶瓷球进行烧结之前，先将经干燥选粒后制得的混 合粉料在1 5 0 m p a 、3 0 0 m p a 或5 0 0 m p a ( 冷等静压) 的压力下成型，压制成接近 4 第一章绪论 最后形状的预制件。成型以后，再将预制件于常压下进行烧结。为防止高温下 s i 3 n 4 的氧化，烧结时需要处在氮气或惰性气体气氛下，并将预制件置于s i 3 n 4 粉床上。这种方法成本低，生产率高，但所得到的制品致密度不够理想。 2 气压烧结( g p s ) 气压法首先在低压氮气气氛中将陶瓷坯体烧至气孔完全闭合f 约9 2 9 5 理论密度) ，然后加大氮气压力，进一步致密烧结，故该法又称两步气压烧结 法。在烧结过程中，网状连续的孔洞分离成离散的、闭合的球形孑l 洞。国家建树 局山东工业陶瓷研究设计院成功地采用了二步法气氛压力烧结技术制备了s i 3 n 。 陶瓷轴承球。所制备的s i 3 n 4 轴承球，致密度高，可加工到0 o l 0 0 2 3 微米的 表面粗糙度，精度等级达g 1 0 g 5 。气压烧结技术工艺简单，在制备材质均匀、 性能优异且稳定的s i 3 n 4 材料及批量生产产品方面是一种强有力的烧结手段。 3 热等静五( h i p s n l 共价键化合物难烧结，对其进行热等静压烧结是一种非常有效的烧结方法。 对制品同时旄加高温高压的作用，颗粒发生重排和塑性变形，将气孔排出，高温 下发生传质过程，致密化速率非常高，可获得全致密、无缺陷、性能非常优异的 材料。 热等静压是近年来发展起来的一种在高温条件下以高压气体传递压力使坯 体致密化的新方法。热等静压氮化硅可达到氮化硅的理论密度，且各向同性，具 有良好的综合性能，是迄今为止制造氮化硅陶瓷轴承球最理想的材料，但是，生 产设备昂贵。目前国外陶瓷轴承制造商所使用的氮化硅陶瓷轴承球毛坯大多采用 热等静压烧结或常压烧结加热等静压处理工艺制造。 烧结后的生坯，目前极难做到象金属材料那样通过冷加工、锻造、淬火等 而对微观结构进行改良。因此应当努力提高烧结工艺，以制造出几乎没有缺陷、 强度高，而且强度波动尽可能小的氮化硅材料。 s i 3 n 4 陶瓷球具有突出的优越性能，但其烧结后很难加工。若要得到大规模 地推广应用，首先要解决球体净尺寸成型技术，以减少机械n i 。同时要解决通 用性、经济性的烧结技术研究，以提高其可靠性。目前，我国在此方面与国外尚 有一定的差距，尚未真正达到实用化。大力开展工业化、实用化的制备工艺技术 研究仍是今后的主要研究课题之一。 1 2 6 机械加工 氮化硅陶瓷球是硬度比淬硬的轴承钢还要高2 倍的脆性材科，加工中稍不 小心就会在工件表面产生微小裂纹。这些微小裂纹在轴承以后的工作过程中一旦 扩展，就会造成零件的破裂，大大降低陶瓷轴承的工作可靠性。因此，氮化硅陶 瓷球机械加工的目标是：达到轴承零件的尺寸精度、宏观几何形状精度和微 观表面粗糙度等要求：避免产生和彻底消除表面裂纹，每一道加工工序都必 须保证工件表面始终不受损害。 一般氮化硅陶瓷球的加工方法和加工设备同钢球毛坯的加工类似，其区别 在于磨具和磨料的不同。由于陶瓷球毛坯的形状和尺寸误差较大，表面缺陷较多， 所以陶瓷球的加工一般要经过预圆和研磨两个阶段。 1 预圆 限于现有的成型、烧结技术，氮化硅陶瓷球毛坯的球形误差和直径变动量 较大。为了纠正球形误差并统一直径公差，必须对氮化硅球进行预圆。氮化硅陶 瓷球的预圆方法主要有磨削和超声波加工。 第一章绪论 氮化硅陶瓷球的磨削是在标准的磨球机上进行的，目l j 大多采用碳化硅砂 轮。对将来的大批量生产，为了提高磨削效率，有必要使用金刚石砂轮如电镀或 陶瓷结合剂的金刚石砂轮。 对于生产批量较小的非球形毛坯( 如立方体或圆柱体) 可以采用超声波加 工方法进行预圆。超声波加工可达到相当高的材料去除率，且对被加工球的表面 质量有较好的控制。 2 研磨 经过预圆加工的氮化硅陶瓷球，其球形误差和直径变动量已被控制在允许 范围之内，可以进行正常的研磨加工。 氮化硅陶瓷球可以直接在普通磨球机上进行研磨加工，分为粗研、半精研、 精研和超精研等工序。但是研磨时的磨料同加工钢球的不同。粗研大都采用碳化 硅、碳化硼、刚玉或人造会刚石粉做磨料。精研选用氧化铬、氧化铁、刚玉类( 铝 氧粉) 、人造金刚石粉或者天然金刚石粉做磨料。含有磨料的磨料液膜由煤油、 脂、油、蜡和水基乳化剂的混合溶液构成。根据不同种类的磨料液膜，可以提高 磨料的作用，或减轻磨料的作用，以此影响研磨能力和粗糙度。 s i 3 n 4 陶瓷球经研磨后可达到的精度为：直径变动量和球形偏差为o 0 4 o 0 8 9 i n ，表面粗糙度为r a 0 0 0 4 0 0 0 8 - n ，已达到和超过g b 3 0 8 8 9 规定的g 3 级球的质量标准。 用上述方法加工s i 3 n 4 陶瓷球虽然能获得很高的精度，但效率极低，且工艺 复杂，技术的掌握难度极大。近年来，出现了磁流体磨削加工方法，在材料的去 除率和表面租糙度方面有了较大的进步，但是球形精度并不理想。目前尚处于研 究阶段，仅适用于小批量的陶瓷球的加工，对于大批量加工的磁流体磨削技术及 设备尚需进一步研究开发。 1 3 课题的背景及其主要研究内容 在s i 3 n 4 陶瓷球的制造工艺方面，不论是毛坯制备，还是精密加工，都存在 很大的困难。因此，能否有效提高生产效率，降低制造成本，是陶瓷轴承推广应 用的关键。 虽然s i 3 n 4 陶瓷球己在某些厂家进行了小批量生产，并已发展了较为成熟的 s i 3 n 4 陶瓷球生产工艺，但仍然存在许多技术难点： 1 s i 3 n 4 陶瓷球毛坯的“近终形”成型烧结技术，要求烧成毛坯达到材料的 理论密度，且形状尺寸接近成品的形状尺寸，以降低后续机械加工的成本； 2 材料成份、烧结处理工艺及检测方法标准化，以提高材料的可靠性： 3 发展新的制造工艺和加工方法，以保证加工质量、提高加工效率、降低加 工成本。 由以上论述可以得出，由于经烧结后的陶瓷球具有极高的强度和硬度，加 工难度大，效率低，是制约陶瓷球应用的主要因素，因此如何提高陶瓷球的机械 加工效率，降低生产成本，是目前研究的重点内容之一。 由此本文拟解决的主要问题有： 1 寻找适宜于加工氮化硅生坯球的机械化加工模型，此模型能够使加工后 的生坯球满足所需的球形精度，并尽可能减小表面损伤： 2 通过试验求得加工模型的基本加工规律，并得出最佳加工工艺条件： 6 第一章绪论 3 探讨s i 3 n 4 陶瓷球生坯的材料去除机制，并寻找影响加工表面质量的基 本规律。 通过对以上问题的研究，可以解决氮化硅陶瓷球生坯加工的诸多难题，从 而实现从手工加工到自动加工的革命性进步。 第二章陶瓷球生坯加工模型及其成圆机理 第二章陶瓷球生坯加工模型及其成圆机理 2 1 三砂轮加工模型 三砂轮加工模型的主体部分由三个在空间呈1 2 0 。分布的砂轮构成，砂轮磨 削面的圆弧半径等于所要加工的陶瓷球生坯半径，磨削靠球的自身重力和正上方 的气体压力完成进给。其原理图如图2 一l 所示： a ( a ) a a 幽2 1三砂轮加工模型原理图 无论三个砂轮是何种运动状态，陶瓷球生坯始终处于自由状态( 即无定位 状态) ，因此，陶瓷球生坯的运动状态是及其复杂的。依据三个砂轮的旋转方向 和速度大小等的组合，可将此加工模型大致分为三类： 1 三个砂轮转速均向上( 以与陶瓷球生坯相接触点为参照，下同) 。这是 最早提出的运动方式，在这种加工方式下，陶瓷球生坯受三个在圆周方向上成 1 2 0 。角分布的沿切线方向向上的磨削力。由于生坯球处于自由状态，其实际受 到的磨削力大小不一，呈随机变化，因此生坯球除了受到向上的合力外，还将产 生一定方向上的自旋运动。适当调整砂轮的线速度可以使其基本运动为上下小幅 振动并同时自转，从而保证能够比较均匀地磨削到陶瓷球的全表面。当生坯球的 加工尺寸满足要求时，自动从工位上落下。 这种加工方式的实际效果很不理想，陶瓷球生坯的运动非常剧烈，必须施 以较大的气体压力才能得以加工，且当陶瓷球生坯的球形误差较大时，生坯球的 运动更为剧烈，经常有跳出工位的可能。 2 两个砂轮向下旋转，一个砂轮向上旋转。考虑这种加工方式的目的是为 了能够遏制生坯球受到过大的方向向上的磨削力，并使生坯球产生较强的自旋运 动，以利于均匀地磨削到生坯球的全表面。此时，向下旋转的砂轮速度应远低于 向上旋转的砂轮的速度，否则将强烈挤压生坯球，无法实现磨削过程。 但是实践表明，这种加工方式不可行。因为同时有两个砂轮向下旋转，生 笫一章陶瓷球生m q j l l1 ：模型及j e 成圆机理 坯球时刻有被挤压而破碎的危险，从而使磨削无法进行。 3 一个砂轮向下旋转，两个砂轮向上旋转，其中向下旋转的砂轮转速远低 于向上旋转的砂轮转速。这种加工方式是三砂轮加工模型中最理想的一种。因为 向下旋转砂轮的作用，使得陶瓷球生坯向上的运动不会过于剧烈，而且同时使生 坯球产生自旋，可以基本保证磨削到生坯球的全表面。 由于以上对三砂轮加工模型的描述与后面的双砂轮加工模型有诸多雷同， 而双砂轮模型又是研究的重点，因此这部分内容可参照双砂轮模型的分析。 试验表明，三砂轮加工模型加工的陶瓷球生坯所能达到的精度很低，通常 情况下其球形偏差误差在0 1 m m 以上，无法满足加工要求；在试验中，要保证 三个砂轮磨削面的圆弧段都在同一个圆上也是难以实现的；除此之外，这种加工 方式的加工效率不高，如果要实现高的生产率就需要多组同样的机构加以连接， 经济性就大打折扣。所以有必要寻找更有效，加工精度更高，也更经济的加工模 型。 2 2 三砂轮模型单因素试验结果及分析 由上一节的分析可以看出，三砂轮比较理想的速度组合形式为：砂轮a 向 内旋转( 定义为反转) ，砂轮b 和c 向外旋转( 定义为正转) ；砂轮a 相对于砂 轮b 和c 为低速砂轮( 见图2 2 ) 。 由于三砂轮模型的加工条件组合形式较多，这里只能选取几组有代表性的 试验数据加以分析，但是作为与双砂轮模型的定性比较已经能够满足需要。 图2 3 ( a ) 、( b ) 和( c ) 分别为砂轮b 、c 转速，砂轮c 转速，球径等与 球形偏差的关系曲线；表2 1 为各种试验下的加工条件。 砂 d ( a ) d d 幽2 2 二砂轮模j 弘示意图 9 第一章陶瓷球生坯加丁模型及j l 成圆机理 ( c )球径与球形偏差 l ! f2 3 各加= 条件与球形偏差关系曲线 l o 第一二章陶瓷球生坏加工模型及e 成圆机型 表2 1单因素试验的试验条件 、试验条件 试验内容 不变条件变化条件 ( a ) 砂轮b 、c 转 砂轮a 转速：2 0 0r m i n ；砂轮b 、c 转速 生坯球直径范围：11 4 2 4 1 1 7 5 ( 4 0 0 ，5 0 0 ，6 0 0 ，7 0 0 ，8 0 0 ，9 0 0 速与球形偏差 m m r m i n ) 砂轮a 转速：1 0 0r m i n ； ( b ) 砂轮c 转速与砂轮b 转速：5 0 0r m i n ； 砂轮c 转速 球形偏差生坯球直径范围：1 1 3 2 4 1 0 9 9 ( 3 0 0 ，4 0 0 ，5 0 0 ，6 0 0 ，7 0 0 ，8 0 0 m m r r a i n ) ( c ) 球径与球形偏 砂轮a 转速：2 0 0r m i n ：球径 砂轮b 、c 转速( 同速) ：5 0 0r m i n( 1 0 6 ，1 1 ，1 1 4 ，1 1 7 ，1 1 9 ，1 2 1 差 m m ) 从以上试验结果以及实际的加工调整过程可以得出： 1 生坯球球形偏差误差比较大，多数情况下在o 1 m m 以上； 2 即使是可以接受的球形偏差误差，其加工范围窄，数据重复性差； 3 三砂轮的相对位置误差对生坯球的球形偏差误差影响很大，并且，其位 置难以精确控制。 2 3 双砂轮加工模型 2 3 1 双砂轮加工模型的提出 出于三砂轮模型不能有效地达到我们的加工要求，因此有必要寻找其它加 工模型。为此，本文提出了双砂轮加工模型，如图2 4 所示。 图中，两个母线为圆弧的砂轮按轴线平行对称分布，生坯球位于两个砂轮 所包络的空间内，砂轮母线的 圆弧半径等于所要加工的生 坯球的最终半径，这样在生坯 球回转过程中，可以保证砂轮 母线在生坯球表面包络出一 个理想球体。其中一个砂轮向 上旋转( 线速度方向以与生坯 球接触点为各自参考点，见图 2 4 ( b ) 所示) ，另一砂轮向下 旋转，并在生坯球的j 下上方施 以一定压力的压缩空气，以抵 抗砂轮作用在生坯球上的向 压缩 | 卒气 ( a ) ( b ) | ! | 2 4 烈砂轮加l ：模型 上的冲击力，避免生坯球飞出工位。当生坯球的半径达到一定值( 砂轮母线的圆 弧半径) 时，生坯球在自重和向下的气体压力作用下自动脱离由两个砂轮母线所 包络的磨削区域。 第一二章陶瓷球生新、加丁模型发其成圃机理 2 3 2 双砂轮加工模型的实现 为了实现双砂轮加工模型，本文设计了一套试验装置( 如图2 5 所示为试 验装置的总体结构简图) ，下面分别加以说明。 减速器b c c 图2 5 双砂轮试验装置总体结构简图 砂轮a 可以沿砂轮中心线轴线方向左右平移，其速度选项分别为：6 0 ，9 0 ， 1 2 0 ，1 7 5 ，2 3 5 ，3 4 5 ( 单位均为r m i n ) ；砂轮b 可以沿垂直于砂轮中心线轴线方 向上下平移，其速度最高为1 5 0 0 r m i n ( 无极变速) 。 砂轮的安装应满足： 】砂轮的安装应尽可能地满足旋转精度的要求，否则会使生坯球所受的冲 击力增大，影响加工效果； 2 两砂轮的相互安装位置精度应能达到试验要求，需保证两砂轮的平行性 和对中性； 气路中充有一定压力的压缩 空气，由空压机供气。 砂轮的磨削面为成型面，其 结构形式如图2 6 所示。砂轮的 的磨粒为人造金刚石m b d 4 ，结 合剂采用电镀形式。砂轮直径 1 0 0 m m ，母线圆弧直径1 2 5 m m 。 砂轮磨粒的粒度大小与生 坯球的磨削表面质量有关，分别 采用9 0 4 磨粒与1 8 0 。磨粒，其加 工效果不同。这部分内容将在以 后详细介绍。 杉今 鳖乡 1 2 幽2 6 砂轮 r 6 2 5 ( _ _ _ _ _ _ - - - _ ，_ 、 第一章陶瓷球生坏加t 模型发j 成圆机理 试验用的氮化硅陶瓷球生坯形状及 尺寸如图2 7 所示。需要说明的是，本文 所研究的对象是球形偏差误差不大( 通常 认为在2 0 0 u r n 左右) 的生坯球，但是由于 条件所限，这里只能采用这种带有圆柱面 的球体，只是在试验前需要将其预先加工 到所需的尺寸范围。 图2 7 生坯球 2 3 3 理想状态下的作用力与运动分析 本模型之所以能够加工出比较理想的球体，与生坯球的运动状态和受力情 况有密不可分的关系。虽然实际加工情况十分复杂，但是总可以从分析最简单的 模型入手，进而找出一定的加工规律。 i 作用力分析 首先从生坯球的受力状态加以分析。 因为生坯球的实际运动状态是作低幅高频 振动，而真正的磨削运动只有发生在与砂轮 相接触的瞬间，所以先从生坯球受磨削力的 情况出发。 如图2 8 ：生坯球受到砂轮a 、砂轮 b 和气体压力三个方面的作用力，分别为 f a 、f b 和f 。事实上，生坯球所受的这三 种力均应为作用力场，但为简化起见，这里 只考虑合力。在理想状态下，忽略生坯球的 加工余量，则生坯球的球心应处在两砂轮中 心的连线上，因此砂轮对生坯球的作用力只 有切向力。其各点处力的大小和与砂轮接触 点的线速度有关。 图2 8 理想状态下受力模型 根据生坯球的转速高低，可以将理想状态下的受力模型分为三种情况： = o ，2 盯 v a 和v a 2 r m v b ( 这里r 代表生坯球的半径，2 盯( 0 代表生坯球表 面线速度) 。为了突出所要研究的问题，并使之简化，将生坯球所受到的作用力 场加以合并，且忽略自重；同时为了更接近实际，不再忽略生坯球的加工余量。 则生坯球的受力模型如图2 9 所示。 图中各参数符号意义如下： f d ：生坯球所受气体压力； v a ：砂轮a 在接触点处线速度： v b ：砂轮b 在接触点处线速度； f a ：生坯球与砂轮a 在接触点处沿切线方向所受力； f b ：生坯球与砂轮b 在接触点处沿切线方向所受力； n a ：生坯球与砂轮a 在接触点处沿法向方向所受力； n b ：生坯球与砂轮b 在接触点处沿法向方向所受力； ( o ：生坯球角速度。 第一二章陶瓷球生坯加1 = 模型发其成圆帆理 v ， 。 ( 田m = o 巾) 2 x r n 】 v a( c ) v a 2 t r t a v j 图2 9 简化条件下生坯球受力模型 ( 1 ) = 0 时：当生坯球送入加工工位时的初始条件下( o = 0 ( 即生坯球尚未 旋转或忽略不计) ，这时生坯球的受力状态如图2 9 ( a ) 所示。生坯球除了受到沿 接触点法向方向的力n a 和n b 以外，还受到沿切向方向的磨削力f a 和f b ，在砂 轮a 接触点处方向向下，砂轮b 接触点处方向向上。无论其磨削力大小如何， 总会给生坯球一力偶矩，促使其沿着磨削力的方向旋转。 ( 2 ) 2 r t o v a 时( 如图2 9 ( b ) ) ：在磨削过程中，生坯球已经具有一定的角 速度，如果其表面线速度仍然低于两砂轮的表面线速度时，其受力情况与上类似， 只是磨削力的大小略有变化而已： ( 3 ) v a 2 r c o v b 时( 如图2 9 ( c ) ) ：因为生坯球表面线速度高于低速砂轮a 的表面线速度，所以在与砂轮a 接触点处的磨削力变为摩擦力，其方向为沿切 线向上，将起到阻碍生坯球旋转的作用。但是，一旦生坯球表面线速度低于砂轮 a 接触点的速度，又将成为以上( 2 ) 所示情况。 通过以上分析可以得出如下结论： ( 1 ) 生坯球总会受到一个力偶矩的作用，使生坯球产生强烈的自旋运动： ( 2 ) 无论生坯球以何种速度旋转，总会在与砂轮接触线处存在线速度差，即 存在相对运动，也j 下是这一相对运动才产生砂轮对生坯球的磨削作用。 ( 3 ) 当生坯球因受到砂轮的冲击而跳起时，就只受到气体压力的作用，而且 跳得越高，所受的气体压力就越大，生坯球向上的速度会迅速衰减到零。但是因 为没有反方向的力偶，生坯球的旋转速度不会有多大的变化。最终在气体压力的 作用下，重新以一定的速度回到加工工位，完成一次磨削。然后再跳起，落下， 周而复始，直至完成整个磨削过程。 2 运动分析 墨一 以上所作生坯球的受力分析是在理想 状态下作出的，而实际的受力状态要复杂得 多，磨削过程中的各种随机因素都会影响到 生坯球的受力状态和运动形式。这些随机因 素包括砂轮磨削面磨粒的大小及分靠的不 规则性：生坯球与砂轮接触点的随机性；气 体压力的波动等等，而正是这些随机因素的 作用使生坯球成为理想球体的关键。这部分 的详尽描述见下一节。 v 幽2 1 0 生坯球基本运动形式 尽管由于以上诸多的不确定因素导致生坯球的实际运动状态十分复杂，但 是其基本运动可以通过分析理想状态的作用力加以确定。如图2 1 0 所示：其基 第一章陶瓷球生坯加工模型发e 成圆机理 本运动包括自旋运动和沿垂直方向的直线运动。 综合以上分析可以看出，生坯球事实上是在作低幅高频振动，同时伴随强 烈的自旋运动。 2 4 双砂轮模型成圆机理 本文所述的加工模型之所以能够加 工出一个比较理想的球体，其内在的成 圆机理起着决定性的作用。下面详细地 对其成圆过程加以描述。 如图2 1 1 所示，在理想状态下， 生坯球每次与砂轮接触发生磨削作用 时，只可能在接触弧线处去除加工余量。 而依据加工模型的速度和力的分析，生 坯球应以过球心且方向平行于砂轮轴线 图2 1 1 磨削带 的中心线为轴线旋转。那么，如果情况真是如此，则当生坯球旋转一周时，生坯 球的两极部分( 即未与砂轮相接触的部分) 就不可能发生磨削作用，最终将导致 磨削出来的生坯球为椭球体。而事实上，如果在某一速度组合下，将气体压力加 大，直到生坯球能够紧贴砂轮进行连续加工，这时所加工出的生坯球也确实近似 于椭球体。又因为生坯球每一次接触加工所去除的部分只能是全表面的一小部 分，因此要保证加工出理想的球体，砂轮必须能够均匀地加工到生坯球的全表面， 这只能依靠生坯球本身的运动形式来实现。从统计的观点来看，均匀意味着加工 到生坯球每一部分的概率完全相等，所以必须存在某些随机因素使生坯球的旋转 运动也相应出现随机性，以实现均匀地加工。 进一步分析可以看出，如果仅依靠随机因素的作用来完成球体的磨削，仍 是不够的。因为，生坯球加工前都有一定的球形误差，依据以上的加工原理，生 坯球的全表面将得到均匀的完全等同的磨削，则原有的球形误差将会原封不动地 复映下来，也就不可能去除其球形误差。由此看来，还必须另有因素在起主要， 那就是商点磨削，即生坯球上的高点去除概率要高于低点的去除概率，只有这样 才能逐步消除生坯球的球形误差，使其趋近于理想的球体。 综合以上分析，要加工出理想的球体必须满足两个条件：一是存在随机因 素：二是高点磨削。下面就围绕这两个条件具体阐述生坯球的成圆机理。 1 砂轮磨粒大小及分布的l 随机性 砂轮磨粒的大小在一定范围内呈现随机性，其在砂轮圆弧面上的分布也是 随机的，因此从微观上看，其高点和低点的分布也具有随机性质。这就直接造成 在砂轮与生坯球的接触圆弧上，总是高点首先磨削到生坯球，从而迫使生坯球沿 着这一作用力的方向旋转：同时，砂轮在不断旋转，因此，不同时刻与生坯球的 接触线上的高点和低点总是不同的，具有随机性。如图2 1 2 ( a ) 和( b ) 所示 为两种极端条件，即两砂轮的高点都在砂轮的同一边，显然，这两种情况下，生 坯球的旋转方向正好相反，而接触情况在任一时刻都发生不同的变化，导致生坯 球的实际旋转方向在每一次与砂轮接触后都不同。 第二章陶瓷球生坯加丁模型及其成圆机理 生坯球 ( a ) ( b ) 图2 1 2 磨粒高低不同导致接触情况不同 2 生坯球落下时的随机性质 由于生坯球不断处于复杂的运动状态之中，包括自旋和沿垂直方向的直线 运动，所以每当生坯球落下时与砂轮的接触部分都不相同，呈现随机性质，即若 不考虑其它因素，生坯球表面的各个部分与砂轮的接触概率是相同的：此外，因 为砂轮圆弧面的形状误差、砂轮的回转误差、磨粒的随机性质以及机械系统的振 动等因素，造成生坯球所受砂轮向上的作用力并非总是垂直向上的，因此，生坯 球落下时的位置总存在偏差，从而造成与砂轮接触点存在随机性，其效果类似于 砂轮磨粒的随机性对生坯球运动的影响； 3 高点磨削 由前述的分析得出，只有以上随机因素仍然不能保证加工出理想的球体， 除此之外还应该实现高点磨削，即生坯球上的高点被磨削的概率要高于低点的概 率。这罩所指的高点有两种情况：一种是因为生坯球的形状误差引起的椭球度， 把长轴方向的表面称为高点；一种是由于某种原因引起的生坯球局部表面的凸起 也称为高点( 分别见图2 1 3 ( a ) 和( b ) ) 。显然，生坯球的高点相对于低点更 易被磨削到，即砂轮磨削到生坯球高点的概率要高于磨削到低点的概率。只有这 样，生坯球的球形误差才能逐渐减小，直至成为理想的球体。 ( a ) 图2 一1 3 高点磨削示意图 ( b ) 为了达到以上加工目的，生坯球的运动状态至关重要。因为随机因素是生 坯球能否成圆的关键，其成圆机理是建立在大量的接触磨削次数基础之上的，所 以必须保证每次加工中有足够接触磨削次数，这就要求生坯球必须作高频振动。 要实现高频，生坯球的振幅不能太大，最好是低幅高频振动，而为了使生坯球有 1 6 第二章陶瓷球生坏j j aj t 模型及成圆机理 足够的时间变换方位以实现均匀磨削，希望其具有较高的自旋速度。 总之，生坯球比较理想的运动状态是在两砂轮所包络的工位上作低幅高频 振动，同时伴随生坯球强烈的自旋运动。为此，必须合理调整两砂轮的速度和气 体压力等参数的相互关系，使其运动状态尽可能达到理想的水平。 第三章磨削试验结果与分析 第三章磨削试验结果与分析 3 1 双砂轮模型单因素试验结果及分析 3 1 1 单因素试验 双砂轮单因素试验 的目的是：在较大的试验 条件范围内求得加工的 基本规律：并且依据基本 砂轮 规律，以加工后的球形偏 差作为主要考察指标，确 定下一步试验的试验条 件可行范围。可控试验条 件主要有两砂轮的转速 及速差、气体压力和球径 等。 这里的气体压力从 严格意义上讲应是作用 在生坯球上的气体压力 的合力，为简便起见用气 砂轮b 图3 1 出气口安装位置 路中的气体压力代替，其出气口直径为m 2 2 m m ，安装位置如图3 1 所示。 球形偏差测量采用两点法，即用千分尺测量若干组直径大小，取其最大差 值作为球形偏差指标。 3 1 2 单因素试验结果与分析 以下图3 2 为单