（机械电子工程专业论文）陶瓷球双自转盘研磨方式转速优化及工艺实验研究.pdf

浙江工业大学硕士学位论文 陶瓷球双自转盘研磨方式转速优化 及工艺实验研究 摘要 陶瓷球在精密工程领域发挥着重要作用。然而，成球机理不完善、 加工效率低、加工成本高的陶瓷球传统研磨方式越来越不能适应科技 发展的需求。为此，国内外学者提出了多种研磨方式，在这些研磨方 式中，自转角主动控制研磨方式具有较好的研磨均匀性，然而因其结 构和控制复杂，难以应用。本实验室提出了双自转研磨盘研磨方式， 它继承了自转角主动控制研磨方式良好的研磨均匀性优点，并将其机 构进行简化。 本文介绍了球坯表面研磨均匀性的评价方法。通过对双自转研磨 盘研磨方式进行运动学分析，计算出研磨轨迹，对球坯表面进行均匀 性分析。创新点是运用转速比函数对陶瓷球在双自转研磨盘研磨方式 下的研磨均匀性进行仿真分析，表明研磨均匀性不仅取决于自转角0 变化范围，而且取决于0 角的变化过程和球的自转角速度。的变化。 以去除率m r r ，圆度r n d 和表面粗糙度r a 为评价目标，探讨了 基于转速比函数的陶瓷球研磨工艺参数正交优化方法。在给定研磨盘 材料和磨料( 种类和粒度) 的条件下，影响陶瓷球研磨表面质量的主 要工艺参数有：加工载荷，磨料浓度和加工速度。本研究通过正交方 法进行了实验设计，采用平均值和信噪比水平响应的方法，得出了最 浙江工业大学硕士学位论文 佳的工艺参数组合。实验结果表明，在所评价的参数中，较高的加工 载荷，中等的磨料浓度和较低的加工速度能够获得比较好的表面粗糙 度r 日和圆度r n d 。 关键词：陶瓷球，双自转研磨盘研磨方式，研磨均匀性，转速比函数 正交设计方法 本文获国家自然科学基金项目( 5 0 3 7 5 1 4 7 ) 资助。 浙江工业大学硕士学位论文 s p e e do p t i m i z a t i o na n d p r o c e s s e x p e r i m e n tr e s e a r c ho nt h ed u a l r o t a t i n gp l a t e sl a p p i n gm o d e0 f t h ec e r a m i cb a l l s a b s t r a c t t h et r a d i t i o n a ll a p p i n gt e c h n i q u eo fc e r a m i cb a l l s ，w h i c hp l a y st h e i m p o r t a n tr o l ei np r e c i s i o ne n g i n e e r i n g ，c a nh a r d l ym e e tt h er e q u i r e m e n t s o fm o d e ms c i e n c ea n d t e c h n o l o g yf o r l i m i t a t i o no fs p h e r eg e n e r a t i o n m 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 ya n dh i g hc o s t t h e r e f o r ei n t e m a l s c h o l a rp r e s e n t e dm a n yk i n d so fl a p p i n gm o d e s ，a n da m o n gt h e s em o d e s ， r o t a t i o na n g l ea c t i v ec o n t r o lm o d eo w n sb e t t e rl a p p i n gu n i f o r m i t yb u ti ti s h a r dt oa p p l yt ot h es c i e n c ef o rt h ec o m p l e x i t yo fs t r u c t u r ea n dc o n t r 0 1 o u r l a b o r a t o r yp r e s e n t sd u a lr o t a t i o np l a t e sl a p p i n gm o d ew h i c hi n h e r i t st h e m e r i to fl a p p i n gu n i f o r m i t ya n ds i m p l i f i e ds t r u c t u r eo fr o t a t i o na n g l ea c t i v e c o n t r o lm o d e t h ek i n e m a t i c a la n a l y s i so fd u a lr o t a t i o np l a t e sl a p p i n gm o d ew a s c a r r i e do u t t h el a p p i n gt r a c ew a sc a l c u l a t e da n dt h ee v a l u a t i o nm e t h o do f t h el a p p i n gs u r f a c eo fb a l lb l a n kw a si n t r o d u c e di nt h ep a p e r o r i g i n a l i t y l l 塑坚三些查兰堡主堂篁堡苎 n n o v a t i o ni nt h ep a p e ri st h es i m u l a t i o na n a l y s i so fc e r a m i cb a l l l a p p i n g u n i f o r m i t yi nd u a lr o t a t i o np l a t e sl a p p i n gm o d e s i m u l a t i o na n a l y s i ss h o w s t h a tt h el a p p i n gu n i f o r m i t yn o to n l yd e p e n d so nt h ev a r i a t i o n r a n g eo f r o t a t i o na n g l e0 ，b u ta l s ot h ev a r i a t i o np r o c e s sa n dt h ev a r i a t i o ns p e e do f r o t a t i o na n g l e 6 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 es t o c kr e m o v a lr a t em r r ， r o u n d n e s sr n da n ds u r f a c er o u g h n e s sr a ，t h eo p t i m u md e s i g nm e t h o do f c e r a m i cl a p p i n gp r o c e s s i n gp a r a m e t e r sw a se x p l o r e db a s e do no r t h o g o n a l e x p e r i m e n t a ld e s i g n t h em a i ni n f l u e n c ep r o c e s sp a r a m e t e r so fc e r a m i c l a p p i n gs u r f a c ea r ep r o c e s s i n gl o a d ，a b r a s i v ec o n s i s t e n c ya n dl a p p i n gs p e e d t h eo p t i m u mp r o c e s s i n gp a r a m e t e ru n i tw a sg o t t e nb yu s i n ga v e r a g ev a l u e a n d s i g n a l - t o - n o i s e r a t i o r e s p o n s e m e t h o do f o r t h o g o n a l d e s i g n i n e x p e r i m e n td e s i g n e x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a th i g h e rp r o c e s s i n gl o a d a n dl o w e rp r o c e s s i n gs p e e dc o u l d g e tb e t t e rs u r f a c er o u g h n e s sr aa n d r o u n d n e s sr n d k e y w o r d s ：c e r a m i cb a l l ，d u a lr o t a t i o n p l a t e sl a p p i n gm o d e ，l a p p i n g u n i f o r m i t y , s p e e dr a t i of u n c t i o n ，o 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 t h ep a p e ri ss u p p o r t e db yn a i o n a ln a t u r ea n ds c i e n c ef o u n d a t i o n p r o j e c t ( 5 0 3 7 514 7 ) l v 浙江工业大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个 人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教育 机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均 己在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 作者虢了驴办 蹶砌挥r 胁曰 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：词秀席 剔磁各袁吣 日期：加j 年j 月乡口日 日期：彻年j 月岁，日 浙江工业大学硕士学位论文 符号说明 d n 值轴承内径与转速的乘积， m mr r a i n 目球坯自转角，r a d 球坯公转角速度，r a d s 6 球坯自转角速度，r a d s p 球坯公转过的角度，r a d “球坯半径，m m 几、月j 、球坯与研磨盘的三接 触点到下盘回转轴的距离，m m b 双自转研磨盘研磨方式下外研 磨盘转速、r a d s c 双自转研磨盘研磨方式下内研 磨盘转速，r a d s d 、下研磨盘斜角，r a d g 单个陶瓷球重力，n 地单个陶瓷球研磨压力( a 点研 磨j y _ , j j l n n b 、n c 下研磨盘法向反作用力 ( b 、c 两接触点研磨压力) ，n 一、凡、r a 、b 、c 三接触点沿 陶瓷球经度剖面大圆切线方向的滑动 摩擦力，亦称之为“环向摩擦力”，n 乃、凡、r 1 a 、b 、c 三接触点 沿陶瓷球公转圆周切线方向的滑动摩 擦力，亦称之为“周向摩擦力”，n 慨一m 8 m ca 、b 、c 三接触点 枢转摩擦力矩矢，n m m 尺+ 均质陶瓷球惯性力，n 扩均质陶瓷球惯性力偶矩矢地 即陀螺力矩矢，n r a i n 厂研磨盘与陶瓷球在接触点处的滑 动摩擦系数 r o to f , 口j 坐标变换矩阵 ，旋转轴正方向上的单位矢量 p o 初始时刻三接触点的坐标矩阵 d f 仿真计算采用间隔，t s 、9 2 球面按经纬度展开后的坐标 轴 p ，第i 个采样时刻接触点的坐标矩 阵 尸：d 第f 个区域内接触点的数量 爿口第p 个区域的面积，m m 2 一，_ 球坯研磨均匀性函数 s 研磨标准差 r 口表面粗糙度，1 i i l r 月d 圆度，n i i l m r r 材料去除率，b a l l m g h 共6 3 页第1 页 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 随着机械工业、化学、核工业的高速发展和科学技术的日益进步，滚动轴承 的使用环境和工作条件越来越苛刻，对轴承的结构、材质和性能的要求也越来越 高，例如：结构上要求小型化、尺寸上要求精密化、速度上要求高速化、并要求 满足耐高温、耐腐蚀、无润滑等苛刻的工作条件。此外，轴承还是圆度仪、陀螺 仪等精密测量仪器中的重要元件，并常作为精密测量( 如主轴回转精度) 的基准。 轴承球是滚动轴承的关键零件，轴承球的精度( 球形偏差和表面粗糙度) 直接影 响着轴承的运动精度及寿命，进而影响仪器、设备的功能眦】。 与轴承钢球( g c r l 5 ) 材料相比，氮化硅陶瓷材料具有耐磨损、耐高温、耐腐 蚀、无磁性、低密度( 为轴承钢的4 0 左右) ，热胀系数小( 为轴承钢的2 5 ) 及弹性模量大( 为轴承钢的15 倍) 等一系列优点，可制造高速精密轴承或适用于 特殊环境下工作的轴承。采用氮化硅陶瓷材料作滚动体的混合陶瓷球轴承与同规 格、同精度等级的钢制轴承相比，其最重要的特点是： 1 转速提高，氮化硅球的密度低就意味着离心力减小； 2 刚性增大，氮化硅的弹性模量比轴承钢大5 0 ； 3 发热减少，氮化硅球具有摩擦系数小、运动性能好的特点； 4 热稳定性更好，氮化硅的热膨胀系数是钢材的四分之一； 5 设计灵活性更大，氮化硅材料性能使轴承设计者可以改换不同参数而不必 考虑更多的影响j 。 表1 1 为几种陶瓷材料与轴承钢( g c r l 5 ) 物理性能的对比。目前国际上d n 值( 轴承球的直径与轴最高转速的乘积) 为2 5 6 x 1 0 6m mr r a i n 的混合陶瓷球轴承 已进入工业化阶段。实验室混合陶瓷球轴承的d n 值已达4 1 0 6 m m r r a i n ”。采用 陶瓷球作为滚动体的混合陶瓷球轴承已广泛应用于诸多领域6 。1 1 l ( 见表1 2 ) 。 共6 3 页第2 页 浙江工业大学硕士学位论文 表1 - 1常见轴承材料的物理性能对比 性能g c r l 5 s i 3 n 4z r 0 2a 1 2 0 3 s i c 密度( k g m 3 ) 7 5 0 03 2 0 06 0 0 03 9 5 03 2 0 0 弹性模量( g p a ) 2 1 03 1 02 1 03 5 04 1 0 硬度( h v l 7 0 0 1 5 0 01 2 5 01 8 0 0 1 9 0 0 抗压强度( m p a ) 3 5 0 02 0 0 02 0 0 0 2 7 0 02 0 0 0 。2 5 0 0 抗弯强度( m p a ) 2 4 0 06 0 09 5 0 3 0 0 。5 0 0 4 5 0 泊松比03o2 6o - 3o 2 202 5 热膨胀系数 ( 1 0 4 ，d k l 1 13 21 0 58 55o 热导率w ( m k 1 3 0 4 03 52 53 01 0 0 韧性( m n ，m 2 7 3 ) 2 5 6 1 0 55 5 最高使用温度 3 2 01 2 0 08 0 01 0 0 01 0 0 0 抗热冲击很高高中等低 局 电阻率 0 1 11 0 1 81 0 1 81 0 1 8 ( q m m 2 m ) 耐腐蚀能力弱强强强强 失效形式剥落剥落剥落碎裂 碎裂碎裂 表i 2 陶瓷球轴承应用领域 要求特性应用领域 高转速金属加工机床主轴，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，电镀装置，纤维制造装置，胶片制造装置，药品制造装置 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，医疗灭菌装置，化学纤维机械，发动机 非磁性半导体制造设备，超导装置，原子能发电设备 重量轻航空发动机，宇航设备，摩托车( 赛车) 曲轴、 高刚性 金属加工机床主轴 绝缘电镀装置，铁路机车牵引电机，各种电机 混合陶瓷球轴承在机床和化工行业中有着广阔的市场。2 0 0 5 年国内机床和化 工行业共需精密轴承和陶瓷球轴承1 8 1 万套，其中，陶瓷球轴承5 1 5 万套。1 9 9 6 年以前世界陶瓷球轴承销售额已超过4 亿美元。我国陶瓷球轴承研究起步比工业 共6 3 页第3 页 浙江工业大学硕士学位论文 发达国家晚了近3 0 年，但我国陶瓷球轴承的研究、应用、试验步伐进步较快。大 力发展民族机床工业，提高机床产品精度，满足其它特殊应用领域，陶瓷球轴承 将起到决定性的关键作用。 目前陶瓷球主要采用研磨方法d i i 。研磨加工是在磨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- 十m m 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，对球体精度等级要求的日益升高，传统加工方法低效率、高耗费的缺 点愈加突出。陶瓷球加工沿袭了钢球加工方法导致问题更加突出，一方面，陶瓷 材料的杨氏弹性模量是轴承钢的1 5 0 左右，对冲击十分敏感，这就要求陶瓷球必 须具有更高的精度和一致性，但有研究表明，传统研磨方式下球坯做“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：另一方面，具有硬脆特性的陶瓷球对表面次表面裂纹非常敏 感【l ，传统的研磨加工中材料以微裂纹的形成与扩展形式去除，容易在陶瓷球表 面造成诸如凹坑、划痕和微裂纹等表面损伤。这些表面缺陷在外部载荷的作用下， 会扩展形成较大的脆性裂缝，从而导致陶瓷球的突然失效，严重降低了陶瓷球轴 承的性能 1 4 , 1 s 。此外，传统的陶瓷球加工方式采用金刚石等超硬磨料作为研磨介 质，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 消耗导致了高额的制造成本( 为钢球d h i 费用的数十倍) 。 为此，近年来陶瓷球的研磨加工技术引起了越来越多的关注，国内外学者从 几何与运动角度提出新的研磨方式，从工艺参数或物理、化学角度研究新的研磨 工艺，力求探索陶瓷球研磨机理，建立加工精度高、加工效率高、成本低的加工 方法，以推广陶瓷球的应用。 1 2 研磨成球条件 陶瓷球坯在研磨过程中，一方面随研磨盘作公转运动，一方面又连续自转， 球坯表面与盘的接触表面产生相对滑动和滚动。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 6 】：( 1 ) 利用磨粒刮削球坯表面去掉 余量；( 2 ) 利用磨粒的滚动作用加工球坯表面；( 3 ) 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，逐 共6 3 页第4 页 浙江工业大学硕：i ：学位论文 渐磨圆成球。 出。 图1 1 球面研磨的基本原理 理想球体的任意截面都是正圆，这是球体研磨方式设计的基本出发点。如图 1 1 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6 绕其瞬时 自转轴z 1 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。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度陶 瓷球的关键7 i 。 此外，还要求材料的去除速率随球形偏差的大小而变化，这就是研磨成球的 物理条件。成球的基本条件也可以总结为以下两点： 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。 自转角口是表示研磨过程中球坯旋转程度一个重要的指标，0 的变化模式直接 决定了研磨迹线能否均匀地覆盖球坯表面，同时也衡量了球坯相对研磨盘滚动的 同时进行回转滑动的程度。各种研磨实验表明只有保证有充分的自旋滑动，才能 保证球的整个表面得到均匀的研磨，改善研磨过程中的自转角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。r a s c h e r ”1 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( 即改变自转角臼) 。但传统的 研磨方法自转角的变化是随机、不可控的，而且由于采用同轴回转，研磨盘与球 坯的接触区域被限制在一个很小的范围，0 的值很小，不利于球坯余量的均匀、迅 共6 3 页第5 页 浙江工业大学硕二i 二学位论文 速的去除。 1 3 国内外研究现状 八十年代以来，工业发达国家在氮化硅粉末制备技术、氮化硅陶瓷球成形与 致密化技术、陶瓷球烧结技术等方面的研究取得进展，九十年代各大轴承制造公 司对陶瓷球加工技术和陶瓷球轴承试验与应用技术进行了系列开发。德国的f a g 公司、s n s 公司，法国的g e i s 公司，日本的n s k 公司、k o y o 公司，瑞典的s k f 公司等生产的陶瓷球轴承都已进入国际市场。国外陶瓷球制造与加工一般按专业 化分工，陶瓷制造商负责毛坯球的制造，陶瓷球的加工和陶瓷球轴承的制造由轴 承制造商来完成。早期瑞典s k f 公司陶瓷球的加工采用热压氮化硅板材或棒材， 用金刚石锯和金刚石砂轮等工具加工陶瓷球，效率低且精度也难保证，导致了陶 瓷球的价格十分昂贵。随着研究的深入，目前先进工业国家都已经掌握陶瓷球批 量加工技术，成本不断降低，其应用领域也不断扩大【2 0 】。 陶瓷球轴承凭借着自身的许多优点在许多领域有着重要的应用，为此，陶瓷 球的研磨加工技术已引起了众多专家学者的关注，并对陶瓷球成球机理进行了研 究，提出了许多新的研磨方式和加工工艺。 1 3 ，1 陶瓷球研磨方式的研究 1 ) 传统v 形槽研磨方式 传统v 形槽研磨方式，又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 2 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转向相反，球坯在下研 磨盘槽内运动。 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，实际只在o 。附近取值，在加工过程中几乎不变( 虽然加工过程 中工件相对于研磨盘的瞬间滑动会随机地改变0 值，但这种变化是无序、不可控 的) ，且口值 艮d d 2 1 2 2 1 ，也就是说，这种传统的加工无法实现工件绕瞬时轴的回转 运动。实践和理论分析都表明自转角过小或不变对球的研磨极为不利。由于自转 角自在研磨过程中保持不变，球坯只能作“不变相对方位”研磨运动，球坯与研 共6 3 页第6 页 浙江工业大学硕士学位论文 磨盘的接触点在球坯表面形成的研磨迹线是组以球坯自转轴为轴的圆。这样， 工件表面的研磨轨迹是一系列同心圆( 如图l 一2 所示) ，致使工件无法受到均匀的 研磨，降低了陶瓷球成品的球度。研磨盘沿着三接触点的三个同轴圆研磨迹线对 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，从而限制了球度的提高。 图1 2 传统v 形槽研磨示意图及研磨轨迹 2 ) 锥形盘研磨方式 实验研究2 5 1 表明，0 = - 4 5 。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盘研磨方式( 如图l 一3 所示) 。沈阳建筑工程 学院的吴玉厚、张柯，东北大学的王军、郑焕文等人对此研磨方式做了大量的理 论分析与实验研究 2 3 - 2 8 1 ，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。 图1 3 锥形研磨方式机构示意图 在锥形盘研磨方式下，陶瓷球坯在研磨过程中具有较大的自转角( 为4 5 。左 右) ，增加了陶瓷球坯的自转能力，增强了陶瓷球的回转滑动，从而提g t n 瓷球 共6 3 页第7 页 浙江工业大学硕士学位论文 的加工效率和加工精度。但这种研磨方式下的自转角也是个固定值，其研磨迹 线与v 形槽研磨方式类似，是一组同轴圆，限制了球形偏差的进一步提高。研究 结果也表明，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。 3 ) 自转角主动控制研磨方式 日本金泽大学等人提出了一种自转角主动控制研磨方式眇3 1 1 ( 如图 - 4 所示) ， 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 独立旋转的研磨盘组成，通过控制三块研磨盘的转速变化来调整球坯的自转角目。 研 图i - 4 自转角主动控制研磨方式 图1 - 5 自转角主动控制研磨方式下的研磨迹线 在此研磨方式下，自转角p 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，口可在卜9 0 。，9 0 。 全范围取值， 自转角口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 共6 3 页第8 页 浙江工业大学硕士学位论文 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1 5 所示) ，能够覆盖整个球坯表面，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够获得很好的加工精度和效率。朱晨等人叫对这种 加工方式下的运动规律等进行了研究，得出了积极的结果。但这种研磨装置机构 复杂，限制了它在生产中的广泛应用。 4 ) 双自转研磨盘研磨方式 为了获得较高精度的陶瓷球，并减少研磨设备的动力源，降低复杂程度，本 实验室在2 0 0 3 年提出了加工陶瓷球的双自转研磨盘研磨方式1 3 2 ，3 3 1 ( 如图1 5 所 示) 。这种研磨方式在自转角主动控制研磨方式的基础上进行了改进，在保持自转 角主动控制功能的前提下，使上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，从而在加工过程中始终能保证较好的磨削 尺寸选择性。采用两块独立旋转的研磨盘构成下研磨盘组件，简化机械机构，降 低对设备的加工、装配精度要求( 由于研磨过程中，上研磨盘是无需旋转的，与 下研磨的同轴要求相对较低) 。这种研磨方式也能实现自转角0 在一9 0 0 - 9 0 。范围内 连续变化，从而使球坯得到均匀高效的研磨，可显著提高批量生产精密球的加工 精度。 通过上述分析，双自转研磨盘研磨方式在加工精度、效率及机械结构上具有 明显综合的优势( 如表1 3 所歹0 ) 。通过对这种方法展开研究，对这种研磨方式进 行力学分析，研磨均匀性及工艺研究，其研究成果将对提高精密球批量生产的研 磨精度和研磨效率，发展高精度陶瓷球都将起到非常积极的作用。 图1 5 双自转研磨盘研磨方式示意圈 共6 3 页第9 页 浙江工业大学硕士学位论文 表1 3 陶瓷球加工研磨方式的比较 研磨 妨式 传统v 形槽自转角主动控锥形盘双自转研磨盘 效果 研磨方式制研磨方式研磨方式研磨方式 研磨效率低高高 研磨精度低高较高高 机械结构简单 复杂 简单 较简单 1 3 2 陶瓷球研磨工艺的研究 在1 9 5 7 年至1 9 6 2 年期间，i d o 与其合作者就对球体的研磨加工开展了研究， 讨论了钢球的研磨过程“i t ，研磨盘v 形槽的形状1 3 4 - 3 6 】、研磨盘的材料1 3 ”、研磨液 3 8 1 及加：1 二载荷【3 9 l 对材料去除率和球形偏差的影响，此后，该方面的详细研究鲜见 报道。研究表明在一定研磨方式下，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。 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 0 ，4 ”。磨料越细，表面粗糙度值就越低，表面缺陷也越少， 但加工效率会相应降低，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加 工精度的作用。研磨液的酸碱度对研磨速度和研磨精度具有非常重要的作用 4 “。 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粗加工，提高加工效率 【4 3 】。 研磨压力在研磨过程中有两个作用：一是保证球坯充分自转，二是对球坯进 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， 研磨效率提高，表面粗糙度相应变差，球形偏差增大4 “。因此，必须合理确定球 坯研磨压力这一工艺因素。 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。在较低速度范围内，研磨速度对加工质量的影响 效果并不是很明显，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= j 4 0 a i 】。 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、 共6 3 页第1 0 页 浙江工业大学硕士学位论文 加工方法和1 j h 3 - _ 对象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 4 本课题的研究意义 轴承作为一种重要的机械基础零件需求量大，应用领域广泛。但我国轴承 企业一方面要面临n ； j - 公司的挤压，据中国轴承工业协会介绍，目前世界1 0 大轴 承公司都已在中国设厂，并且不断扩大投资规模和生产能力，扩大市场份额。另 一方而在国际市场上的竞争力较弱，在轴承出口的产品品种构成中，球轴承占出 口总金额的8 23 ，技术含量不高，往往靠价格取胜。在我国每年生产的各类轴承 中，通用中低档次轴承占据8 0 以上，各类专用、精密、高可靠性、高技术含量、 高附加值轴承产品只占2 0 左右，精密轴承6 7 依靠进口 4 5 - 4 7 1 。 由此可以看出，我国轴承产品的制造水平与国际先进制造水平存在相当大的 差距，工艺与装备技术落后。加强技术改造，更新工艺装备，是我国轴承企业缩 短与国外企业的差距，做大做强的要求。国内轴承企业都有这样的迫切需求，而 目前的陶瓷球研磨加工工艺及装备还不够完善，难以实现陶瓷球的高效加工。需 要加强技术改造，更新工艺装备，缩短我国轴承企业在陶瓷球加工技术上与国外 企业的差距。 在前人的研究基础上，本实验室提出了双自转研磨盘研磨方式，它继承了自 转角主动控制研磨方式的优点，并克服了它机构复杂，难以控制的缺点，并从机 理上显著地提高陶瓷球的研磨效率和研磨精度。 本课题在国家自然科学基金项目( 5 0 3 7 5 1 4 7 ) 资助下对双自转研磨盘研磨方 式进行深入的理论分析与实验研究，分析双自转研磨盘研磨方式的运动学与动力 学方程，用研磨均匀性的评价方法对双自转研磨盘研磨方式进行仿真分析，并寻 求适合的研磨工艺参数。其研究结果对提高陶瓷球的研磨精度和研磨效率，发展 高精度陶瓷球轴承和高附加值的特殊球轴承，加大我国轴承产品的技术含量，提 高轴承企业的竞争力都将起到十分积极的作用。 共6 3 页第l l 页 浙江工业大学硕士学位论文 1 5 研究内容与论文结构安排 15 1 研究内容 本文对双自转研磨盘研磨方式下陶瓷球的研磨加工技术做了深入的研究，主 要研究内容如下： ( 1 ) 双自转研磨盘研磨方式的运动学分析 对双自转研磨盘研磨方式下陶瓷球进行运动学、研磨轨迹和动力学分析。 ( 2 ) 双自转研磨盘研磨方式转速优化及仿真分析 对陶瓷球在双自转研磨盘研磨方式下输入转速的变化，对研磨均匀性进行仿 真分析，分析输入转速对研磨均匀性的影响。 ( 3 ) 基于转速比函数的陶瓷球研磨工艺参数的正交优化 基于转速比函数的优化值，运用正交方法对陶瓷球研磨工艺参数进行优化设 计，并通过实验结果的数据结果分析，得出最佳的工艺参数组合。 15 2 论文结构安排 全文共分五章，各章主要内容如下： 第一章分析了陶瓷球的应用及其传统加工方法存在的问题，调研国内外 陶瓷球研磨加工的发展趋势及研究现状，在此基础上提出本课题的研究意义和主 要研究内容： 第二章对双自转研磨盘研磨方式进行运动学分析，得出它的自转角目变 化范围可以达到1 8 0 。，并对其进行动力学分析，得出适合的加工工艺。分析表明， 在研磨过程中如能控制自转角臼变化过程及各种输入参数，就可以对陶瓷球表面 进行均匀的研磨，达到高效加工高精度陶瓷球的目的。 第三章 对陶瓷球在双自转研磨盘研磨方式下的研磨均匀性进行仿真分 析，表明研磨均匀性不仅取决于自转角0 变化范围，而且取决于0 角的变化过程 和球的自转角速度m e 的变化，采用对输入转速的变化进行仿真分析，选用最适合 的转速组合来进行陶瓷球的精密高效加工。 第四章 为获得良好的陶瓷球加工精度和加工效率，以去除率m r r ，圆度 r n d 和表面粗糙度r 日为评价目标，讨论了基于转速比函数的陶瓷球研磨工艺参数 的正交优化方法。 共6 3 页第1 2 页 浙江工业大学硕士学位论文 第五章 总结本文工作，并对课题接下来的发展方向进行了展望。 1 6 本章小结 本章介绍了研究背景，现代精密工程领域对陶瓷球的需求越来越大，对陶瓷 球的要求越来越高，低效率、高耗费的传统研磨方法越来越不能满足要求。对陶 瓷球研磨加工的国内外研究现状的分析表明，相关研究围绕研磨方式与研磨工艺 两方面展开，虽有多种改进方案提出，但尚不成熟，大多仍停留在实验阶段。为 此，对陶瓷球的研磨成球机理进行探讨，提出了双自转研磨盘研磨方式，本文中 将对此方式进行力学分析及输入转速优化，并运用正交方法对其加工工艺参数进 行优化。 共6 3 页第1 3 页 浙江工业大学硕：l = 学位论文 第二章双自转研磨盘研磨过程的运动学分析 本章中主要对双自转研磨盘研磨方式进行运动学分析和动力学分析【3 2 1 。根据 研磨过程中陶瓷球的运动及受力状态及影响研磨效率的原因，为设计和完善研磨 装置提供理论依据。 2 1 双自转研磨盘研磨方式下的运动分析 图2 1 为双自转研磨盘研磨方式下单个陶瓷球运动状态图，上研磨盘固定，下研 磨箍通过与陶瓷球的接触点无滑动地带动陶瓷球作研磨运动，陶瓷球只受研磨盘 作用。设上，下研磨盘与陶瓷球的接触点分别为a 、b 、c 。三接触点到下研磨盘 回转轴的距离分别为几、如、月c 。下研磨盘转速分别为口、。c 。半径为k b 的球 坯在内外下研磨盘组成的v 形槽内以角速度公转，同时以角速度6 自转。v 形 槽道的形状由下研磨盘斜角d 确定。陶瓷球的自转轴恒保持在陶瓷球经度剖面大 圆平面上，自转角速度6 矢量在此平面上的方向由臼表示。 上研磨盘r a 1 一 图2 1 陶瓷球双自转研磨盘研磨方式运动状态图 ( b ) 作如下假设： 1 1 球坯为等直径的理想球体； 2 ) 研磨过程中球坯之间无相互推挤、碰撞； 3 、球坯与研磨盘在接触点处无相对滑动，即球坯相对于研磨盘纯滚动 共6 3 页第1 4 页 浙江工业大学硕士学位论文 4 ) 球坯与研磨盘皆为刚体，相互接触为点接触。 根据假设研磨过程中球坯与研磨盘在接触点处无滑动，由运动学可列出速度 方程： 1 0 = r f o 一6 “c o s o r 日国b = r + 甜6 r hs i n ( a + 0 ) 【r c ( o c = r + 甜6 r es i n ( a 一0 ) ( 2 1 ) 由此可解出陶瓷球研磨运动的三个参数：自转角0 ，自转轴角速度6 及公转 角速度。 口。t 。【! 里苎二墅丛! ：业】 ( r 月0 9 8 + r c 。c ) c o s 口4 。：坠竺! ：生竺1 2 r 。( 1 + s i n a ) 一 ( r b 吐) 8 一r c o c ) 一百忑而i i r r b 。m8 2 + r c c 一2s i n a r 8 8 r c c 1 1 12 。 2 r h 2 c o s2 口( 1 + s i n 口) 。 另外，r 月、r nr c 还存在一定的关系，即 r 8 = r “+ r b c o s 口 r c = r 一，6 c o s o ( 2 2 、 ( 2 3 ) 通过式f 2 2 ) g 以得出，自转角0 的取值与输入转速o ) b 、c 紧密相关，通过改 变输入转速c o 口、c ，自转角0 可以在1 8 0 。范围内取值，另外，通过改变输入转速， 也可以改变转轴角速度6 及公转角速度。 2 _ 2 双自转研磨盘研磨方式下的研磨轨迹方程 图2 2 为双自转盘研磨机球坯研磨运动轨迹图，在此加工状态下，陶瓷球材 料的去除主要靠球与上下研磨盘接触点上进行，其研磨轨迹也将由此产生，因此 研磨轨迹方程的推导由接触点a 、b 、c 情况来进行。 首先，我们考虑自转轴在x y 平面的情况，假设球坯自转角速度转速在x 、y 共6 3 页第1 5 页 一一一塑坚王些查堂堡堂竺堡苎 轴上的分量为别为0 ) 1 、e 0 2 ，在x y 坐标内，6 和秽表示如下： 怂p a ：协2，n o ) 曰= ， 卜一7 由于球坯自转时，表面上各点会绕其自转轴旋转，因此，为了计算上的方便， 在图2 - 3 中我们重新定义新的坐标系x y - z ，即原x y 坐标以z 轴为轴旋转，旋转 到y 轴与自转轴重合，此时，接触点a 、b 、c 都将绕其自转轴y 轴旋转，旋转的 圆在x z 平面上，且与y 轴垂直，圆心为o ，、o l 、0 3 。旋转速度为n 孙。r ， 旋转半径为r a 、r b 、r c 。研磨点在新坐标系中的运动可以由下式表示： 对于a 点绕自转轴旋转的研磨勒迹： l x 2 + z 2 = os i n ( 7 r 2 【y 1 = c o s ( i 2 一护) 对于b 点绕自转轴旋转的研磨轨迹 f x 2 十z 2 = s i n ( z r 一口一a ) l y = 一c o s ( f 一0 一口) 对于c 点绕自转轴旋转的研磨轨迹 l x 2 + z 2 = s i n ( 0 一o f ) i 少1 = 一c o s ( o 一口) ( 25 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) 通过图2 - 2 和公式( 2 5 ) 、( 26 、( 2 7 ) 轨迹方程我们可以看出，在0 角不变的情 况下，a 、b 、c 三接触点在陶瓷球表面的三条研磨轨迹是同轴的三个圆( 如图2 - 4 所示) 。为了使陶瓷球的运动轨迹均匀分布在球的表面上，我们必须使自转角0 在 1 8 0 。内不停的变化。通过改变自转角0 才能实现对陶瓷球表面的均匀研磨。 共6 3 页第1 6 页 浙江工业大学硕：i ：学位论文 a ! 二： 图2 - 2 陶瓷球双自转研磨运动轨迹图 y y 纷 夕x i 图2 3 陶瓷球双自转研磨运动轨迹参考坐标系 图2 - 4 陶瓷球双白转研磨方式表面研磨轨迹 2 3 研磨动力学分析 图2 - 5 为作无打滑研磨运动的单个陶瓷球受力图，现对图中的力和力偶作如下 说明 共6 3 页第17 页 浙江- t 业大学硕：七学位论文 g 单个陶瓷球重力： m 单个陶瓷球研磨压力( a 点研磨压力) ； 、 ，c 下研磨盘法向反作用力( 即a 、b 两接触点研磨压力) ： 一、凡、r a 、b 、c 三接触点沿陶瓷球经度剖面大圆切线方向的滑动摩 擦力，亦称之为“环向摩擦力”； 一、凡、r a 、b 、c 三接触点沿陶瓷球公转圆周切线方向的滑动摩擦 力，亦称之为“周向摩擦力”： m a 、 如、m c a 、b 、c 三接触点枢转摩擦力矩矢： r + 均质陶瓷球惯性力； 扩均质陶瓷球惯性力偶矩矢，也即陀螺力矩矢。 对作无打滑研磨运动的陶瓷球列出动力学平衡方程，并考虑到求解而分为两 组分别称为“环向方程”和“周向方程”。 ( 2 一 n 2 图2 - 5 陶瓷球坯的受力图 共6 3 页第1 8 页 i o l。平l 一 浙江工业大学硕士学位论文 2 3 1 环向方程及其求解 = 0 ，= 0 m ( ，( f ) = 0 i n bs i n 口+ n c s i nc z g n 一c o sc z + 尼c o s a = 0 r 一只+ 疋s i n a + rs i n c r + n bc o s o y n cc o s 6 ( = 0( 2 8 ) 【( + + f ar b m = 0 又： f a = na f r = n 。- f l f c = n cf ( 29 ) 由于陶瓷球坯重量相对研磨压力比较小，求解时可忽略g 和r + 。现取环向临 界状态求解( 即，刚好保证球坯作无打滑的研磨运动) ，设三接触点的“环向摩擦 力”都达到最大值( 临界值) 则可解得m 、c 的临界值为： 卜考斋晶 小万志 c 卜玩筹而 其中，陶瓷球坯的惯性力偶矩，即陀螺力矩为： m + = j w c 0 6c o s 0 共6 3 页第1 9 页 ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 浙江工业大学硕士学位论文 2 3 2 周向方程及其求解 ：= 0 m 。：( ，) = 0 m f ：( f ) = 0 即 f 4 + f h + f ：= 0 m