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浙江工业大学硕士学位论文 行星式精密球体研磨加工机理与工艺研究 摘要 洲ii il l l l i j i i jifillli i i llijplsi y 1810 7 7 1 精密球在精密工程领域发挥着重要的作用。传统的精密球加工方 法由于成球机理的不完善、加工效率低、加工成本高等因素，已越来 越不能满足科技发展的要求。为此，国内外诸多学者提出了不同的研 磨方法，并取得了一定的成果。但这些加工方法或由于加工精度、加 工效率不高，或由于机构和控制较复杂，难以应用于批量化生产。 本文提出了一种采用平面研磨盘研磨球体的加工方法行星式 精密球体研磨。该种方式可方便的采用代表高效研磨的固着磨盘，对 单颗球体的运动学和动力学分析得出，该方式下球体的自转角。变化 范围大，成球较完整，研磨轨迹能均匀覆盖于整个球体的表面；为保 证球体研磨过程不发生打滑现象，研磨过程必须限制研磨压力及研磨 盘和压块的摩擦系数。 通过球的运动、研磨点的选择、压力分配、材料去除等几个状态 的求解对批球研磨过程进行了数学建模。提出了批加工过程中球度、 批一致性的评价方法，分析了各模型参数对评价目标的影响；对该研 磨方式下的各机构参数进行了优化。通过对工艺参数的仿真分析得出 低的保持架转速、中等的研磨盘速度和研磨压力将有利于精度较高球 体的获得。 以平均质量去除率砀厩、平均圆度改变量面薪、批一致性改变量 浙江工业大学硕士学位论文 a o - 为评价目标，对钢球加工的几个主要工艺参数进行了正交优化实 验。给出了一组最优的工艺参数组合；分析了各因素对评价目标的影 响。通过实验的结果与仿真分析相比较，发现其趋势基本相同，从而 验证了仿真和模型的可行性；分析了各因素的影响比重，分析得出研 磨盘的转速对加工质量的影响最为明显，为获得较好的加工效果，必 须加以合理控制。 本文还对硬质合金球体的加工进行了初步尝试；对实验中出现的 问题进行了讨论，分析了原因并给出了解决方案。 关键词：行星式精密球体研磨，批一致性，正交工艺优化 本文获浙江省科技厅重点项目( 2 0 0 5 c 2 1 0 8 8 ) 资助 r e s e a r c ho nt h em e c h a n i s ma n d p r o d u c i n go fp l a n e t a r y p r e c i s eb a l l l a p p i n gm o d e a b s t r a c t p r e c i s eb a l lp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nt h ep r e c i s i o n e n g i n e e r i n g d u e t ot h el i m i t a t i o no f s p h e r eg e n e r a t i o nm e c h a n i s m ，l o wf i n i s h i n ge f f i c i e n c y a n dh i g hp r o c e s s i n gc o s t ，t h et r a d i t i o n a ll a p p i n gm e t h o dc a l lh a r d l ym e e t t h er e q u i r e m e n t so fm o d e ms c i e n t i f i c d e v e l o p m e n t t h e r e f o r e ，i n t e m a l s c h o l a r s p r e s e n t e dm a n yk i n d so fl a p p i n g m o d e s ，t h o u g hg o ts o m e a c h i e v e m e n t ，c a nh a r d l yu s e di nb a t c hp r o d u c ef o rl o wl a p p i n ga c c u r a c y a n de f f i c i e n c y ，o rc o m p l e x i t yo ft h eo r g a n i z a t i o n ，o ro u to f c o n 臼? 0 1 a s i m p l es p h e r e - p a n e ll a p p i n gm e t h o d ( p l a n e t a r yp r e c i s eb a l ll a p p i n g d e v i c e ) i sp u tf o r w a r di nt h i sp a p e r , w h i c hm a k e si tp o s s i b l et ou s es o l i d a b r a s i v e se a s i l y t h ea n a l y s i so ft h ek i n e m a t i c sa n d d y n a m i c ss h o w si tc a n g e tag r e a tv a r i a t i o nr a n g eo fs p i na n g l e0 ，s ot h e l a p p i n gt r a c ec a n u n i f o r m l yc o v e ra l lt h es u r f a c eo ft h eb a l l a n di no r d e rt op r e v e n ts k i d d i n g i nt h i sm o d e ，t h e l a p p i n gp r e s sa n dc o e f f i c i e n to ff r i c t i o ns h o u l db el i m i t e d t h i sp a p e re s t a b l i s h e sam a t h e m a t i cm o d e lo fl a p p i n gp r o c e s s b y d i s i n t e g r a t i n gt h ep r o c e s st ot h em o v e m e n to ft h e b a l l ，g r i n d p o i n t s e l e c t i o n ，p r e s sa l l o c a t i o na n dm a t e r i a lr e m o v e c o m b i n e dw i t hb a t c h u n i f o r m i t ye v a l u a t i o n ，t h ep a p e ra l s oa n a l y s e st h ei n f l u e n c eo ft h e 咖c t ：u 】r e p 猢e t e r sa n do p t i m i z e st h e m i tc a nb ec o n c l u d e dt h a tl o w s p e e do ft h e j i g ，m e d i u ms p e e do f l a p p i n gp a n e la n dl a p p i n gp r e s sa r eg o o df o rg 硎n ga b e t t e rq u a l i t yb y a n a l y z i n gt h ep r o c e s sp a r a 瑚e t e r s u n d e rt h ee v a l u a t i o np a r a m e t e r so ft h e a v e r a g em a t e r i a lr e m o v a l r a t e 脚、a v e r a g er o u n d n e s ss h i f f a r n d 、b a t c hu n i f o r m i t ys h i f f a 盯，t h e o p t i m u md e s i g nm e t h o do fs t e e lb a l l l a p p i n gp r o c e s s i n gp a r 锄e t e r si s e x p l o r e db a s e do nt h eo r t h o g o n a le x p e r i m e n t a ld e s i g n i ti sf o u n dt 1 1 a t 廿l e r e s u l to ft h ee x p e r i m e n ti ss i m i l a rt ot h es i m u l a t i o n ，s oi tc a nb ec o n c l u d e d t h em o d e li sf e a s i b l et ot h er e a l l a p p i n gp r o c e s s t h ep a p e ra l s oc o n c l u d e t h a tt h er o t a t i o ns p e e do ft h el a p p i n gp a n e lh a s t h em o s ti n f l u e n c e so nt h e p r o c e s sq u a l i t yb ya n a l y z i n gt h er a t i oo fe a c hp a r a m e t e r s ，s oi no r d e rt o a c q u i r eab e t t e rr e s u l t ，t h es p e e do ft h el a p p i n gp a n e ls h o u l db ec o n t r o l l e d c a r e f u l l y t h e p a p e ra l s ot r i e st h ef i r s tb e g i n n i n gf o rh a r da l l o ys p h e r ep r o c e s s ， d i s c u s s e ss o m ep r o b l e mo c c u r r e d d u r i n ge x p e r i m e n t s ，a n ds h o w st h e r e a s o na n dt h es o l u t i o n s k e yw o r d s ：p l a n e t a r yl a p p i n gm o d e ，b a t c h u n i f o r m i t y , o r t h o g o n a l p r o c e s s i n go p t i m i z a t i o n t h i sp a p e ri ss p o n s o r e d b yz h e j i a n gt e c h n i c a lf o u n d a t i o n ( 2 0 0 5 c 210 8 8 ) 浙江工业大学硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 目录v 符号说明i 第一章绪论2 1 i 课题研究背景2 1 2 国内外研究现状4 1 2 1 研磨成球机理4 1 2 2 研磨成球条件4 1 2 3 自转角o 5 1 2 4 精密轴承球研磨方式的研究6 1 2 5 精密球研磨工艺的研究1 1 1 2 6 传统加工中存在的主要问题1 3 1 3 本课题研究的目标及意义1 4 1 4 本文研究内容及论文结构安排1 5 1 4 1 本文研究内容1 5 1 - 4 2 论文结构安排1 6 1 5 本章小结1 6 第二章滚动轴承用球的主要质量参数及评价准则1 8 2 1 球度及表面质量对轴承工作性能的影响1 8 2 1 1 对轴承振动及噪声的影响1 9 2 1 2 对轴承接触疲劳损坏的影响1 9 2 1 3 对轴承摩擦力矩的影响1 9 2 2 滚动轴承用球的等级划分2 0 浙江工业大学硕士学位论文 2 3 球度误差的评价及测量2 l 2 3 1 最小二乘法2 1 2 3 2 球度误差的测量2 2 2 4 球表面质量参数2 2 2 4 1 球体表面粗糙度的测量2 3 2 4 2 球体表面缺陷的检测2 3 2 5 本章小结2 4 第三章行星式精密球体研磨方式的加工机理研究2 5 3 1 行星式精密球体研磨方式介绍2 5 3 2 行星式球体研磨方式下的运动分析2 6 3 3 研磨动力学分析2 8 3 3 1 环向方程及其求解2 9 3 3 2 周向方程及其求解3 0 3 2 3 研磨压力限制范围3 l 3 4 研磨轨迹的计算3 3 3 5 与传统研磨方式均匀性比较3 4 3 6 本章小结3 6 第四章行星式精密球体研磨方式下球度、批一致性仿真分析3 7 4 1 研磨轨迹的坐标变换及绘制3 7 4 2 研磨球球径的定义3 8 4 3 研磨球的选择4 0 4 4 研磨压力计算4 1 4 5 球加工中的切削因素4 1 4 6 球度及批一致性函数4 3 4 7 批加工一致性仿真的步骤4 4 4 8 加工参数仿真优化4 5 4 8 1 偏心距e 对加工质量的影响4 5 4 8 2 保持架孔心距r 对加工质量的影响4 6 4 8 3 研磨速度4 7 浙江工业大学硕士学位论文 4 8 4 研磨压力4 8 4 9 保持架的设计4 8 4 9 1 同一圈球的数量4 9 4 9 2 保持架的圈数5 0 4 i 0 本章小结5 1 第五章行星式精密球体研磨方式的工艺实验研究5 2 5 1 行星式精密球体研磨设备的研制5 2 5 1 1 行星式球体研磨加工装置的系统构成5 2 5 1 - 2 行星式球体研磨加工实验装置5 2 5 2 实验工艺参数选择5 3 5 3 试验设计5 4 5 3 1 正交试验设计方法5 4 5 3 2 实验的正交化5 5 5 3 3 实验数据的记录5 6 5 3 4 实验数据处理5 7 5 4 试验数据分析5 8 5 4 1 实验结果直观分析5 9 5 4 2 实验结果的方差分析6 2 5 5 硬质合金球的实验分析6 5 5 6 球研磨中出现的问题与解决6 6 5 7 本章小结6 7 第六章总结与展望6 9 6 1 研究总结6 9 6 2 课题展望7 0 参考文献7 2 致谢7 7 攻读学位期间发表的学术论文、参与的科研项目与科研成果7 8 浙江工业大学硕士学位论文 符号说明 d 、r 一球公称直径 d w 厂球单一直径 v d w s 球直径变动量 d w m l _ 批平均直径 v d w l 批直径的变动量 f l r 球度误差 0 球坯自转角 6 0a 保持架转速 c 研磨盘转速 厂球坯自转角速度 b 球坯自转角速度在经圆大剖面 的分量 r g 在z 轴的分量 ，。的方位角 r 球坯与研磨盘接触点到研磨盘中 心的距离 r - 呻持架孔心距 r b 球坯半径 e 哪持架中心与研磨盘中心的距离 q 研磨盘中心到保持架中心与到 球坯中心的夹角 1 3 一一保持架中心到球坯与到研磨盘 中心的夹角 v o 一球心o 的线速度 v a 球与研磨盘接触点a 的速度 m 单颗球的质量 g 单颗球的重力 n a 单颗球的研磨压力 n b 压块对球的压力 n c 一一保持架对球的推力 f a 、f b 、f c 一一研磨盘、压块以及保 持架对球的摩擦力 肘一一球的惯性力 m 宰一一球的惯性力偶矩矢 m 一一接触摩擦力矩矢 f a 球坯与研磨盘的滑动摩擦系数 f b 球坯与压块的滑动摩擦系数 a 球坯接触部分的半径 p i 第i 个采样时刻球与研磨盘接触 点的坐标 仍第i 个采样时刻球坯转过的角度 q 、8 2 一一球面按经纬度展开后的坐 标轴 肿仿真计算采样间隔 a i j 球坯表面某一区域的面积 卜研磨压力 k 一切削因素 卜单颗球一次去除量 i 研磨痕迹的条数 y 球坯与研磨盘的相对速度 e 木球坯的杨氏模量 吼磨粒切削深度 n - 卅磨盘单位面积的磨粒数 浙江工业大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题研究背景 随着现代机械工业、航天航空工业的飞速发展，对作为基础部件的轴承的性 能提出了越来越高的要求。如：结构上要求小型化、尺寸上要求精密化、速度上 要求高速化【l 】。轴承球是滚动轴承中的关键零件，其精度( 球形偏差和表面粗糙 度) 直接影响轴承的运动精度及寿命，进而影响仪器、设备功能的发挥 2 , 3 1 。另 外，一些精度较高的球还是圆度仪、陀螺和精密测量中的重要元件，并常作为精 密测量( 如主轴回转速度) 的基准【4 】。因此，精密球无论是在现代工业领域还是 在精密工程领域都占有十分重要的地位。 近年来精密轴承球的制备和加工技术得以迅速发展。精密轴承球目前主要采 用金属材料，但存在耐磨损性能较差、受温度影响变形较大等问题。与轴承钢 ( g c r l 5 ) 相比陶瓷材料具有密度小、线膨胀系数小、硬度高、耐磨损、耐高温、 耐腐蚀、不导电、不导磁等特性，因此陶瓷球轴承在高温、高速、高精度、酸碱 腐蚀、电腐蚀、强磁场、无润滑或介质润滑等工作情况下具有巨大的应用前景。 表1 1 氮化硅陶瓷与轴承钢的性能对比 性能 s i 3 n 4 g c r l 5比率 密度( k g m 3 ) 3 2 4 0 7 8 5 0 0 4 1 2 线膨胀系数( o c ) 。13 2 x 1 0 41 2 5 x1 0 西0 2 5 6 弹性模量( g p a )3 1 42 0 61 5 2 4 硬度( h v l 0 )1 6 0 07 0 02 2 8 6 泊松比 o 2 60 3 00 8 7 6 热导率【w ( m k ) 】 3 2 4 0 0 8 0 极限工作温度( o c ) 1 0 8 01 2 09 0 0 表1 1 列出了s i 3 n 4 陶瓷与轴承钢各性能指标的对比情况【5 1 。s i 3 n 4 材料的密 度只有钢的4 1 ，在高速运转时可大幅降低钢球受到的离心力，从而减小滚珠对 轴承外圈的压力，利于实现高速性能；s i 3 n 4 陶瓷的热膨胀系数只有轴承钢的1 4 ， 许用工作温度达1 0 0 0 ( 2 ，即使在较大温度变化范围内，滚道间隙的变化也很小， 特别适用于高速发热转子与航天器的大温差操作条件；陶瓷的弹性模量是轴承钢 2 浙江工业大学硕士学位论文 的1 5 倍，硬度是轴承钢的2 倍多，相同负荷下，陶瓷球的变形较小，因而可显 著提高轴承的刚度，从而提高转子轴承系统的动态性能。采用陶瓷球作为滚 动体的陶瓷轴承已经广泛应用于诸多领域( 见表1 2 ) 。但同时由于陶瓷材料的高 硬度、低韧性的特性，给陶瓷球的制备和加工带来了一定的困难。 表1 2 陶瓷轴承用途举例 要求特性 用途举例 高速旋转 金属加工机床主轴，燃气轮机，离心分离器，主轴电机，多边形扫 描器电机，捻线机主轴 耐腐蚀 半导体制造设备，电镀设备，纤维制造装备，胶片制造装备，药品 制造装备 高真空半导体制造设备，真空机器，步进电机 耐高温 各种热处理炉，加热辊，医疗灭菌装备，化学纤维机械，发动机 非磁性半导体制造装备，超导装备，原子能发电设备 重量轻航空发动机，宇航设备，摩托车( 赛车) 曲辊 高刚性金属加工机床主轴 绝缘电镀设备，铁路机车牵引电机，各种电机 目前精密球主要采用研磨方法加工，研磨加工是在研具与工件之间加入磨 料，并通过磨具、工件、磨料三者之间的相互作用达到材料去除的一种加工方法。 一直以来，球体的研磨加工只是一种工艺技术，没有形成完整的理论体系。随着 科技的发展，对球体精度的要求日益升高，而传统研磨方式下球坯只能做“相对 方位不变 的运动，球坯表面无法得到均匀研磨，限制了球形偏差的进一步降低 和加工效率的进一步提高【6 1 0 l 。另一方面，对于一些具有脆硬特性的陶瓷球、硬 质合金球的加工，目前主要是沿袭钢球研磨的加工方法，采用昂贵的金刚石等超 硬磨料作为介质进行研磨，研磨时间长，效率低，并且磨料消耗量大。漫长的加 工过程以及昂贵的磨料导致了高额的制造成本。为此，近年来精密球的研磨加工 引来了越来越多学者的关注，开展的研究主要从以下方面着手【l l j ： ( 1 ) 研磨机械的研究，对于不同的偏心v 形槽研磨、磁性流体研磨、电泳动 研磨、机械化学研磨等研磨方式进行改良和开发。 ( 2 ) 磨料及磨具的研究，除了金刚砂、氧化铝、碳化硅及金刚石等磨料的应 用研究外，还对陶瓷、树脂及金属粘合剂磨具的应用进行研究，研究其组成对研 3 浙江工业大学硕士学位论文 磨效果的影响，研究其形状对于不同形状的零件的适用度等。 ( 3 ) 研磨剂的研究，研究适用于不同基体材料的表面活性剂或除油溶液，使 其确实起到清洁和润滑零件与磨料的作用。 ( 4 ) 研磨工艺的研究，包括研磨方式、磨料、磨剂的选择及有关参数，如研 磨机的振动或旋转速度，磨料与零件的比例等的选用。 1 2 国内外研究现状 如上一节所述，精密轴承球在现代工业中占有非常重要的地位，传统的研磨 方式越来越难以满足其在加工精度和加工效率上的要求。精密轴承球的研磨加工 技术己引起了众多学者的关注，围绕研磨成球的基本加工机理及成球条件，提出 了许多新的研磨方式和加工工艺。 1 2 1 研磨成球机理 球的研磨过程就是利用磨粒去除材料，以达到减小球径，提高球度和降低表 面粗糙度的过程。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。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【1 2 】：( 1 ) 利用磨粒刮削球面；( 2 ) 利用磨粒的滚动作用加工球面；( 3 ) 利用磨粒切削刃挤压球坯。最终在这三个作用力下去除球坯表面的加工余量，逐 渐磨圆成球。 1 2 2 研磨成球条件 图1 - 1 球面研磨的基本原理 一个理想的球体，其任意截面都是一个圆，这是球体研磨方式设计的基本出 4 浙江工业大学硕士学位论文 发点。如图l l 所示，研具以角速度绕z 轴旋转，与此同时被加工球以角速度 l 绕其瞬时自转轴z l 回转。定义球坯自转轴的空间方位角为0 ，简称为自转角， 只要0 不断变化，即可使研磨轨迹均布球坯表面，这是研磨成球的几何条件【1 3 1 。 研磨过程中，研具与球坯接触点轨迹( 即研磨迹线) 能否均匀地分布于球体表面 是获得高精密球的关键，r a s c h e r f l 4 】明确指出：研磨极小球形偏差的球，必须使 球坯在研具中经常改变方向。除自转角外，材料的去除速率还应该随球形偏差的 大小而发生变化，这就是研磨成球的物理条件。成球的基本条件可以总结为以下 两点【1 5 】： 切削等概率性：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：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。 1 2 3 自转角0 自转角0 不仅决定了研磨迹线能否均匀地覆盖球坯表面，同时也是衡量球坯 相对于研磨盘滚动的同时进行回转滑动的程度。 y ! 乞 线滑动旋转滑动 图1 - 2 球研磨旋转分析 如将球的旋转矢量1 分解成水平分量c 0 1 x 和垂直分量c 0 1 y 。水平分量对应于 线滑动，垂直分量对应于旋转滑动。线滑动和旋转滑动相比，线滑动对研磨所起 的作用小得多【阍，在一定程度上增大旋转滑动的分量将有利于研磨效率的提高。 浙江工业大学硕士学位论文 改善研磨过程中自转角0 变化模式是提高研磨精度( 尤其是球形偏差) 和效率的 重要途径【1 l 】。 1 2 4 精密轴承球研磨方式的研究 目前，球形零件的研磨方法大致有两种：一种是磨盘研磨法，另一种是杯状 研具加工法。杯状加工法根据所用研具的数目不同可以分成单轴、两轴和四轴3 种。四轴加工精度很高，可用于宇航和高精度测量及定位装置中高精度小球及标 准球的加工，但加工效率较低。磨盘研磨法又可大致分为三大类，一是传统v 形槽研磨方式及由其演化而成的双v 形槽、类双v 形槽和偏心v 形槽研磨方式， 二是自转角主动控制研磨方式及由其演化而成的锥形盘等研磨方式，三是磁流体 研磨方式及由其演化而成的非磁流体研磨方式，是目前生产轴承用球的主要方 法。通常认为，研磨方式对成球条件满足程度越高，加工精度就越高。 1 ) 四轴球体研磨方式 四轴自动球面研磨机( 如图1 3 所示) 可实现e 角的不断变化，通过四轴转 动方向的不同组合，实现瞬时轴z l 的不断变化1 3 , 1 7 , 1 5 。清华大学的余兴龙教授 采用这种研磨方式，加工出球形偏差达0 0 2 l _ a n ，表面粗糙度r a - - 0 5 r i m ，直径 为6 m m 的钢球【1 9 1 。但这种研磨方式，一次只能对一颗球体进行研磨，加工效率 低，不适合大量生产，目前轴承用的陶瓷球基本上采用有环形导向槽的研磨盘做 为研具，对一批球坯同时进行研磨。 1 立柱2 被加工球3 研具4 力矩电动机5 测速发电机6 工作台 图1 3 四轴自动球面研磨机【】9 1 6 浙江工业大学硕士学位论文 2 ) 传统v 形槽研磨方式 传统v 形槽研磨方式，或称同轴两盘研磨方式，一直是钢球加工的主要方式， 也是目前陶瓷球加工的主要方式，其机构如图1 4 所示。表面开同心圆槽( 多为 v 形槽) 的下研磨盘恒速转动，上研磨盘固定或与下研磨盘旋向相反，球坯在下 研磨盘槽内运动，在磨料的作用下，实现材料去除。 在这种研磨方式中，自转角0 的值仅取决于球坯和下研磨盘沟槽的直径，与 研磨盘转速无关，在加工过程中几乎不变，且0 值很小，球坯只能作“不变相对 方位”研磨运动，球坯与研磨盘的接触点在球坯表面形成的研磨迹线是一组以球 坯自转轴为轴的圆环1 1 5 j 2 0 ，2 1 1 ( 如图1 5 所示) ，研磨轨迹不能均匀覆盖整个球面， 不利于球坯表面迅速获得均匀研磨，从而限制了球度精度的提高。 厂、 o i l l1 妒萌 图l - 4v 形槽研磨方式机构示意图图1 - 5 球坯表面的研磨迹线【2 1 1 3 ) 双v 形槽研磨方式 在这种研磨方式下( 如图1 - 6 所示) ，由于球坯球形误差的存在，即使研磨 盘的转速恒定，球与研磨盘的接触状态也是不稳定的，能使球体的自转角0 随着 球形偏差的改变而改变( 变化是随机的) ，所以与单v 形槽研磨方式相比，更适 于加工高精度球体【2 2 】。但同时也要求其机构具有更高的精度和刚度：上盘的v 形槽与下盘v 形槽必须具有很高的同轴度，机构形状误差和装配误差必须得到 有效控制，否则球坯不能沿沟槽顺畅滚动。 ：- 球坯r c | 步研磨盘 u i 广、卜_ j vvl 、l 已j 研磨盘 一 图1 6 双v 形槽研磨方式机构示意图图l - 7 类双v 形槽研磨方式示意图 7 浙江工业大学硕士学位论文 图1 7 中的类双v 形槽研磨方式是双v 形槽研磨方式的变形，对该研磨方 式做类似分析可以发现，其研磨轨迹也是固定的同轴圆环。 4 ) 偏心v 形槽研磨方式 如图1 8 ( a ) 所示，该研磨方式下上研磨盘的回转轴线有一定的偏移距离。 由于球坯的公转中心与上盘旋转中心不同轴，球坯与上研磨盘的接触点将沿上盘 径向移动。如图1 8 ( b ) 所示，当球坯与盘在a 点无径向滑动时，接触点轨迹将 从a 变成a 。同理b 点和c 点的轨迹也会随时间而变，故该种研磨方式能使研 磨轨迹不断变化。实验研究表明，与v 形槽研磨方式相比，该研磨方式能获得 更好的球形偏差【1 7 ，2 3 】。 i ( a ) 偏心v 形槽研磨方式示意图 ii i ( 0 ， a ii a ( b ) 偏心v 形槽研磨方式下研磨轨迹的变化 图1 - 8 偏心v 形槽研磨方式 在上述研磨方式中，也有采用圆弧形沟槽，而非v 形沟槽的，由于机床主 轴精度的限制，沟槽弧形半径大于球坯半径。因此，球坯在沟槽中的控制压力集 中在沟槽弧底，因而尺寸选择性差，而沟槽弧的顶部与球坯接触形成最大的相对 滑动摩擦，因而有较高的切削效率，一般适用于球坯的粗加工或半精加工。 5 ) 同轴三盘研磨方式 日本金泽大学黑部利次等人提出了一种自转角主动控制研磨方式( 也称同 轴三盘研磨方式，如图1 - 9 ( a ) 所示) 2 4 - 2 6 】，这是将v 形槽研磨方式中的下研磨 盘于v 形槽处分割开来，使整个机构由三块可独立转动研磨盘组成，通过控制 三块研磨盘的转速变化来调整球坯的自转角。 在此研磨方式下，自转角0 不仅与研磨盘的直径、下盘槽道夹角等几何参数 有关，而且与研磨盘的转速有关，通过转速的调整，0 可在 - 9 0 0 ，9 0 0 】全范围取值， 球坯能作“变相对方位研磨运动。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1 9 ( b ) 所示) ，能够覆盖整个球坯表面， 8 浙江工业大学硕士学位论文 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够获得很好的加工精度和效率。 国内朱晨等a t 2 0 j x 寸这_ 种加工方式下的运动规律等进行了研究。但这种研磨装置 机构复杂，限制了生产应用。 ( a ) 自转角主动控制研磨方式示意图( b ) 自转角主动控制研磨方式下研磨迹线图1 2 6 】 图1 9 自转角主动控制研磨方式 6 ) 锥形盘研磨方式 实验研究 2 3 1 表明，0 = 4 5 0 7 0 。时，研磨效率、研磨精度及表面粗糙度的综合 效果较好，故在此基础上发展了锥形研磨方式( 如图1 1 0 所示) 。沈阳建筑工程 学院的吴玉厚、张柯，东北大学的王军、郑焕文等人对此做了大量的实验研究 2 7 - 3 2 ，对研磨过程中陶瓷球坯的受力状况及研磨工艺参数( 压力，速度，磨料浓 度等) 进行了分析，取得了很好的效果。 图l - l o 锥形研磨方式机构示意图 球坯在研磨过程中具有较大的自转角( 达到4 5 0 左右) ，获得充分自转，增 强了球体的回转滑动，提高球坯的加工效率。但这种研磨方式下的自转角仅与研 磨盘直径有关，也是一个固定值，其研磨迹线与v 形槽研磨方式类似，是一组 同轴圆，限制了球形偏差的迅速的修正。研究结果【2 6 】也表明，在这种加工方式 下，需要依靠实际研磨过程中自转角的缓慢的随机变化，才达到均匀研磨的目的。 9 浙江工业大学硕士学位论文 7 ) 磁流体研磨方式 为了实现陶瓷球的高速研磨，t a n i 和k a w a t a 3 3 】于1 9 8 4 年提出了“柔性， 并具有高去除速率的磁流体研磨方式( m f p , m a g n e t i cf l u i dp o l i s h i n g ) ，其原理如 图1 1l ( a ) 所示，u m e h a r a 和k a t o 3 4 1 ，c h i l d s 等p 5 刁7 】，r a g h u n a n d a n 等【3 7 ，3 钔， k o m a a d r u f i 等d 9 删对该研磨方式进行了大量研究，国内金洙吉等人 4 1 】对此技术 也进行了研究。z h a n g 等人【4 2 】对其进行了改进，将同轴方式改为偏心轴方式，用 金刚石砂轮替代研磨盘，如图1 1 l ( b ) 所示，以改善球形偏差，提高研磨效率。 如图1 1l ( a ) 所示，球坯放置于充满磁流体、磨料及水混合物的圆柱形研磨 槽内( 一般为铝质) ，其下是一排条状永磁体。磁流体是由强磁性粒子( 通常是 胶质f e 3 0 4 ) 分散在液体中所形成的一种胶体悬浮物，具有磁特性，将一定比例 的磨料( 一般体积百分比为5 1 0 ) 等非磁性体添加到磁流体中形成混合液。 在具有磁场梯度的特殊磁场( 由条状的n d f e b 等永磁体产生) 的作用下，磁性 粒子向强磁场方向运动、聚集，而非磁性体都被排斥到弱磁场一方，悬浮于磁流 体中，从而形成垂直方向的磁浮力和水平方向的保持力，给处于浮板( 如丙烯醇 系有机板材) 与无磁钢研磨盘之间的氮化硅陶瓷球施加压力。这个压力很小( 约 为1 n 球) ，而且是弹性的、可控的。研磨盘由高速、高精度的空气主轴( p i s p i n d l e ) 驱动，转速5 0 0 0 1 0 0 0 0 r p m 。当主轴转动时，在摩擦力和胶粘力的作用下，球坯 沿研磨槽公转并自转，同时与研磨盘产生相对滑动。 l - 研磨槽2 陶瓷球坯3 驱动轴 i 一保持架2 一研磨盘，3 一压力表，4 一陶瓷球， 4 磁流体及磨料的混合物5 浮板6 - 磁铁5 一硅胶隔膜，6 一永磁铁。7 一磁流体容腔，8 一浮板 ( a ) u m e h a r a - - k a t o 磁流体研磨方式( b ) z h a n gb o 磁流体研磨方式 图1 1 1磁流体研磨方式机构示意图 各种研磨方式的性能比较如表1 3 所示，在上述研磨方式中自转角主动控制 研磨方式、偏心槽研磨方式和磁流体研磨方式是当前研究的热点，其根本是提高 1 0 浙江工业大学硕士学位论文 球度和加工效率。自转角主动控制研磨方式能够主动控制球坯的运动状态，使球 坯表面能够获得均匀的研磨，但由于其机构的复杂性，没能应用到实际生产中。 偏心槽研磨方式也能够较好地实现球坯表面均匀的研磨，但由于存在周期性的载 荷受力状态变化，可能导致较大的直径变动量，不利于产品的一致性。磁流体研 磨方式主要采用磁流体的弹性加压和高速驱动主轴来实现陶瓷球材料的高效加 工，但其成球过程与其它方式基本一致。锥形研磨方式对精密球进行研磨，其综 合效果较好，但这种研磨方式下的自旋角仅与研磨盘直径有关，是一个固定值，而 研磨极小圆度偏差的球，必须使球在研磨工具中经常改变方向。从高效研磨的发 展来看，采用固着磨料研磨是一个重要的发展方向，而上述研磨方式都不适合采 用固着磨料。在上述基础上如何探索一种结构简单、研磨效率和研磨精度高的轴 承球加工研磨方式，这也是本文所要研究的主要内容。 表1 3 精密轴承球研磨方式比较 ： 研磨效率研磨精度机械结构 研磨方式、 四轴球体研磨方式低高复杂 传统v 形槽研磨方式低低简单 双v 形槽研磨方式高高复杂 偏心v 形槽研磨方式 高低 简单 同轴三盘研磨方式高高复杂 锥形研磨方式高较高简单 磁悬浮研磨方式很高低复杂 1 2 5 精密球研磨工艺的研究 在一定的研磨方式下，球体的加工质量和效率主要取决于所选用的研磨剂浓 度、磨料粒度、研磨工具、研磨压力、研磨速度等诸多工艺因素。根据加工结果 的要求，应合理的选择以上各项参数。 1 ) 球研磨加工工序 无论是陶瓷球还是钢球，球的研磨都要由粗到精多道工序完成，使余量合理 分配。工序的多少要根据加工批量、球坯余量与误差大小综合确定。批量较大时， 工序细分有助于整体效率的提高。对于直径偏差较大的毛坯球，通常的研磨工序 可分为粗研、半精研、精研和超精研。 浙江工业大学硕士学位论文 嘉 差 硼 图1 1 2 1 4 3 j 各工序材料去除率的一次多项式拟合结果 图1 1 2 是传统研磨机陶瓷球去除率的一次多项式拟合结果，各段直线斜率 的绝对值对应与各工序的材料去除率，半精加工、精加工、超精加工对应材料 的去除率依次为o 8 6 1 m a h 、o 1 0 l ，l m h 、o 0 8j - u n h 。随着各道工序的递进，研磨磨 料的粒度、研磨压力以及研磨盘的转速都要求相应的减小。研磨后，加工面上或 多或少还会残留加工变质层，它对球的耐磨性和疲劳强度都有不良影响。最终使 用铁丹( f e 2 0 3 ) 抛光粉与蒸馏水混合而成的抛光液对球体进行抛光。 2 ) 研磨剂 研磨剂由磨料、研磨液和填料三部分组成。磨料应具有良好的磨削性能( 一 定的硬度、韧性、机械强度、热稳定性以及化学稳定性) 。磨料的成分、粒度不 同，研磨效果也截然不同，4 5 1 。磨料越细，表面粗糙度就越低，表面缺陷也越少， 但加工效率也会相应降低，加工成本提高。磨料与球坯的亲和作用也会影响加工 质量和效率。研磨液的主要功能是粘附磨料和冷却，并具有改善研磨效率和表面 质量的作用。研磨液的酸碱度对研磨速度和研磨质量具有非常重要的作用【4 6 】。 目前也有生产企业采用固着磨料代替游离磨料进行球坯的加工，以提高加工效率 【4 7 】 o 3 ) 研磨压力 研磨压力在研磨工程中有两个作用：一是保证球坯充分自转，二是对球坯进 1 2 浙江工业大学硕士学位论文 行磨削和挤压。确定压力大小，必须兼顾这两个方面。一般而言，单位压力增大 可以提高研磨效率，但同时表面粗糙度也会相应变差，球形偏差增大 3 1 , 4 5 。因此， 必须合理确定球坯研磨压力这一关键工艺因素。 4 ) 研磨盘转速 研磨盘转速除了影响球坯公转外，还影响球坯的自转，从而影响到球坯单位 时间内的研磨次数和研磨效率。但相对研磨压力而言，研磨速度对加工质量的影 响效果并不很明显，但在速度过高引起研磨盘跳动增大，将导致球坯表面粗糙度 的增加，4 5 1 。 5 ) 研磨工具 研磨工具的材质对其研磨质量也具有重要的影响作用。应根据不同的工序、 加工方法和加工工具合理选择研磨盘的化学成分、硬度、金相组织、表面质量以 及相应的滚道。 1 2 6 传统加工中存在的主要问题 通过采用传统研磨方法对氮化硅陶瓷轴承球加工比较，发现传统加工方法中 存在如下问题： 1 ) 材料去除率低，球形偏差改善速度低 据介绍，完成一批陶瓷球的加工通常需要几周时间。对一盘0 3 0 m m 的氮化 硅陶瓷球，去除l m m 的余量就需要1 0 0 个小时左右，精加工后球坯的球形偏差 可达o 1 5 1 , t m 4 3 1 。而采用磁流体研磨方法1 3 6 1 ( 单球载荷0 7 n ，磨料g c # 4 0 0 ，研 磨盘转速5 0 0 0 r p m ) 研磨3 小时后可使球形偏差达0 1 4 1 a m ，材料去除率达 1 2 p a n r a i n ，改进后的磁流体研磨方法【4 8 1 更是可以达到2 m m i n 的去除率， 0 1 2 1 a m 的球形偏差。所以就单颗球坯的材料去除率与球形偏差改善速度而言， 传统加工方法显然无法与以低载、高速为特性的磁流体研磨方法相提并论。 2 ) 成球运动不完整 成球运动的不完整是传统加工方法的去除率低、球形偏差改善速度低的主要 原因。传统加工方式下，球坯作“相对方位不变”的运动，即研磨过程中球坯自 转轴保持方位不变，研磨轨迹为一系列中心在球坯自转轴上的环带，球坯表面研 磨程度不均匀。所以理论上传统加工方法不可能使球形偏差得到改善。但在实际 加工过程中，总有部分球坯在板口处聚集，为使这些球坯进入下研磨盘v 形槽 浙江工业大学硕士学位论文 槽内，必须每隔一段时间对其进行搅动。恰恰是这些搅动，随机的改善了球坯的 自转轴方位，研磨成球才成为可能。通常在粗加工阶段搅动频率较高( 每隔5 1 0 分钟一次) ，精加工阶段搅动频率较低( 每隔3 0 - 6 0 分钟一次) 。对球坯频繁的搅 动虽然保证了加工的可能性，但使劳动强度大大增加。 3 ) 加工一致性低 传统加工方式下下研磨盘可开多道v 形槽，批加工量远大于磁流体和自转角 自动控制等研磨方式，因而弥补了单颗球坯材料去除率低的缺陷。但各槽道内球 坯的运动状态存在差异。致使球坯的球形偏差、材料去除率因槽道的不同而不同， 即加工一致性较低。因此在实际加工中每隔一段时间，须在板口处将v 形槽中的 球坯赶