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行星式精密球体高效研磨加工机理与工艺研究 摘要 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 加工技术已引起了众多学者的关注，提出了许多新的研磨方式和加工 工艺。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。 本文提出了一种基于平面研磨的精密轴承球的研磨方法行星 式精密球体研磨。该方法能使用固着磨盘，从而达到高效研磨。该方 式下球体囱转角0 随时间不断变化，且取值范围较大保证了该种研磨 方式下研磨轨迹能均匀的覆盖于整个球体表面，从而使球坯能研磨成 球。 利用m a t l a b 对研磨过程进行模拟。以批球的平均球度和批球直径 的一致性等指标为评价标准对机构的参数进行了综合优化。 以平均质量去除率m r r 、平均圆度改变量舷耐、批一致性改变量 a c t 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。实验分析与仿真分析的结果大体吻合。还对硬质合金球进行研究， 通过实验数据说明本研磨方式的优越性。 关键词：行星式精密球体研磨， 参数组合 批一致性，正交工艺优化，最优工艺 i 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 h0 nt h em 匣c h a n i s ma n d t e c h n o l o g yo fe f f i c i e n tp l a n e t a r y p r e c is eb a l ll a p p r n gm 匣t h o d a bs t r a c t p r e c i s eb e a r i n gb a l l sp l a yav e r yi m p o r t a n tr o l ei nm o d e m i n d u s t r y t h et r a d i t i o n a ll a p p i n gm o d ec a i ln o tm e e tt h er e q u i r e m e n to fp r o c e s s i n g a c c u r a c ya n de f f i c i e n c y al o to fs c h o l a r sp a ya t t e n t i o nt ot h ep r e c i s e b e a r i n gb a l l s ，a n dd e v e l p es o m en e wp r o c e s s i n gm o d ea n dp r o c e s s i n g t e c h n o l o g y b u tt h e yc a nh a r d l yu s e di nb a t c hp r o d u c t i o nf o rl o wl a p p i n g a c c u r a c ya n de f f i c i e n c y , o rc o m p l e x i t yo f t h em a c h i n e ，o ro u to fc o n t r 0 1 p l a n e t a r yp r e c i s eb a l ll a p p i n gm o d e ，an e wl a p p i n gm e t h o dw h i c hi s b a s e do ne n dp l a t el a p p i n gi sp u tf o r w a r di nt h i sa r t i c l e d u et ou s i n g b o n d e da b r a s i v e ，i th a sh i g he f f i c i e n c y i nt h i sm o d e ，t h es p i na n g l e0 c h a n g e sc o n s t a n t l yb yt h et i m ea n dh a sag r e a tv a r i a t i o nr a n g e ，w h i c h m a k e st h el a p p i n gt r a c ec o v e ra l lt h es u r f a c eo ft h eb a l lu n i f o r m l ya n dt h e b a l lp e r f e c tr o u n da tt h ee n d t h i sa r t i c l es i m u l a t e st h e p r o c e s so fl a p p i n gb ym a t l a b ，a n d g e n e r a l l yo p t i m i z e st h es t r u c t u r ep a r a m e t e rb a s e do nt h ee v a l u a t i o no ft h e b a t c ha v e r a g er o u n d n e s s ，b a t c hd i a m e t e ru n i f o r m i t ya n ds o0 1 1 u n d e rt h ee v a l u a t i o n p a r a m e t e r so ft h ea v e r a g em a t e r i a lr e m o v a l r a t em r r 、a v e r a g er o u n d n e s ss h i f t 欲n d 、b a t c hu n i f o r m i t ys h i f fa o - ，t h e o p t i m u mp r o c e s s i n gp a r a m e t e ro fs t e e lb a l li se x p l o r e db a s e do nt h e 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 i ti sf o u n dt h a tt h er e s u l to fe x p e r i m e n ti s s i m i l a rt ot h es i m u l a t i o n t h eh a r d a l l o ys p h e r ei s a l s os t u d i e d i ti s c o n c l u d e dt h a tt h i sl a p p i n gm o d ei sa d v a n t a g e d b yt h er e s u l to f e x p e r i m e n t k e y w o r 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 ，b a t c hu n i f o r m i t y , o i 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 ，o p t i m i z e dp r o c e s s i n gp a r a m e t e r t h i sp a p e ri ss p o n s o r e db 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 2 1 0 8 8 ) 浙江工业大学硕士学位论文 符号说明 d 广球公称直径( 栅) d w s 球单一直径( 咖) v d w s 球直径变动量( 唧) d 、i _ 批平均直径 v d 阳_ 一批直径的变动量 f l s 球度误差 o 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 球坯自转角速度在经圆大剖面 的分量 6 0 广- ( ) g 在z 轴的分量 ，6 0 。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 球坯半径 e 一一保持架中心与研磨盘中心的距 离 a 研磨盘中心到保持架中心与到 球坯中心的夹角 b 保持架中心到球坯与到研磨盘 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( n ) 对一一球的惯性力( n ) m 书一一球的惯性力偶矩矢 m 一一接触摩擦力矩矢 f a _ 一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 - 叫坯接触部分的半径 p 广一第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 卧乞球面按经纬度展开后的坐 标轴 f 仿真计算采样间隔 删球坯表面某一区域的面积 卜瑚磨压力 中心的夹角 k 一一切削因素 v o 球心0 的线速度 浙淡王业大学硕士学俄论文 v 单颞球一次去除量 i ，研磨痕迹的条数 y 球坯与研磨盘的相对速度 e 宰球坯的杨氏模量 免磨粒切割深度 n 一研磨盘单位面积的磨粒数 2 浙江工业大学硕士学位论义 浙江工业大学 学位论文原创- 陛声明 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，也不含力获得浙江工业大 学或其它教育机构的学位证书两使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 作者签名： 簇 日期：撕晦钼i 日 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，在年解密艨适用本授权书。 2 、不保密囱。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 曰期：善弦7 年月1 日 匿期：秘矿? 年f 胃 ，目 浙江工业大学硕士学位论文 1 1 课题研究背景 第一章绪论 随着工业技术的发展，对作为基础部件的轴承提出了越来越高的要求，如高 速、高精度、高可靠性等性能要求。轴承用球的精度( 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、设备功能的发挥。此外，精 密球是圆度仪、陀螺仪等精密测量仪器中的重要元件，并常作为精密测量的基准。 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，特别是对于硬质合金和 陶瓷这样硬度大、耐磨损的材料得到越来越多的研究，陶瓷轴承已经广泛应用在 高温、高速、高精度、无润滑或介质润滑等工作情况下。 但是由于硬质合金和陶瓷材料的高硬度、难加工的特性，其制备和加工都有 一定的困难。目前精密球主要采用研磨方法加工，研磨n i 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【l _ 5 】。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，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( 为钢球费用的数十倍) 。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【6 】： ( 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，研究其组成对研磨 浙汽泛业大学硕士学位论文 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，研究适用予不同基体材料的表面活莲剂或除油溶液，使萁 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，磨料与零件的沈铡等的选用。 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 技术己弓l 起了众多学者的关注，围绕研塞成球的基本加工枫理及成球条件，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。球坯在研密过稳中，一方面随研塞盘作公转运动，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【7 l ：( 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 瘩粒切削刃挤压球坯。最终在这三今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 毒 浙江麓业大学硕士学位论文 图l l 球面研磨的基本原理 理想球体的 薹意截面都是正圆，这是球体研磨方式设计的基本出发点。翔图 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1 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o ，简称为自转危，只有0 不断 变化，右可能使研磨孰迹均布于球面，这是研蠹成球的几何条件圈。研蘑过程中， 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。此外，还要求材料的去除量随球形偏差的大小而变化，这就是研磨成 球的物理条律。成球的基本条件也可以总结为以下两点溺： ( 1 ) 切削等概率性：每颗被加工球球面每个点都有相同的切削加工概率。 ( 2 ) 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 是表征研磨过程中球坯旋转的一个重要的指标，o 的变化直接决定了 研磨迹线能否均匀地覆盖球坯表面。r a s c h e r 的研究【l o 】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8 ) 。改薷研磨过程中的e 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。 自转角。不仅决定了研磨迹线熊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。 浙江工业大学硕士学位论文 砂 线滑动旋转滑动 图l _ 2 球研蘑旋转分橱 如将球的旋转矢量国1 分解成水平分量国l x 和垂直分量自- - 岱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【l l 】，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。 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 要途径婀。 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。杯状加工法加工效率较低，在实际生产中难以实现。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，二是裔转角主动控制研磨方式及由其演化而成的 锥形盘等研瘗方式，三是磁流体研磨方式及由其演化露成的非磁流体研密方式， 是目前生产轴承用球的主要方法。运常认为，研磨方式对成球条件满足程度越高， 加工精度就越高。 1 ) 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， 6 浙江工监丈学硬奎学位论文 其机构如图1 3 所示。表面开同心圆楷( 多为v 形槽) 的下研磨盘恒速转动，上 磷磨盘固定或与下研磨盘旋向楣反，球坯在下研彦盘槽内运动，在磨料的作用下， 实现材料去除。 在这种研磨方斌中，自转角8 的值仅取决于球坯和下磷磨盘沟槽的矗径，与 臻磨盘转速无关，在麴王过程中几乎不变，且9 值摄小，球坯炙缝 筝“不交糖对 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 2 , 1 3 , 1 4 】( 如图1 - 4 所示) ，研磨轨迹不能均匀覆盖整个球面， 不利于球坯表露迅速获得均匀磷壤，麸焉限制了球度耩度的提高。 溪l 稳v 影稽研癣方式规构累意遐圈1 4 球坯表谣魏磷瘗遴线渊 2 ) 双v 形槽研磨方式 在这种研磨方式下( 如图1 5 所示) ，豳于球坯球形误差的存在，期使研磨盘 瓣转速恒定，球与研磨盘嚣接触状态氇是不稳定豹，黥使球体翡窦转角8 随着球 形偏差的改变丽改变( 变化是隧机的) ，所以与单v 形槠研磨方式褶吃，更适于加 工赢精度球体【1 5 1 。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 形槽必须具有撰高的圊轴度，枫构形状误差和装配误差必须得到毒效控制， 否则球坯不能沿沟槽顺畅滚动。 塔坯r e 步磷襄蠹、l 队 一r 、 、vl | | 一 图i - 5 双v 形槽研磨方式机构示意鼹网1 - 6 类双v 形槽研磨方式示意图 圈1 - 6 中的类双v 形槽研磨方式是双v 形楷研磨方式鳇变形，对该研磨方式 徽类似分析可以发现，其研磨轨迹也是固定的同轴圆环。 了 浙泼工业大学硕士学位论文 3 ) 偏心v 形槽研磨方式 如图1 - 7 0 ) 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 予球坯豁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 蠢移动t 懿嚣l 一? 鹳新示，姿球坯与盘在a 点无径离淆动对，接触点辘迹将从a 变戏雾e 霹瑗b 点器e 焘的孰述也会醚时麓褥交，故该耱磷囊方式麓使研磨孰迹 不断变化。实验研究表爨，与v 澎措磷鏖方式穗魄，该研麝方式靛获褥更好魏球 形偏差 1 6 , 1 7 1 。 l ll ；( a ii a 鼢 c 弋炉 箍) 德心￥形耩研黪方式示意圈 晒) 偏心v 形稽研磨方式下研磨轨迹的变化 鼹 o 镳，蚤￥影攘磷瘗骞我 在上述研磨方式孛，也有采黑慰弧形沟横，露甚霉v 形辫揍熬，蠢予枫泰主辘 精度的限制，沟槽弧形半径大于球坯半经。爨此，球坯在沟横中蛉控制压力集孛 在沟槽弧底，因而尺寸选择性差，丽沟横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，般适用于球坯的粗加工或半精加工。 4 ) 同轴三盘研蘑方式 日本金泽大学黑部蒯次等入提出了种自转角生动控制研磨方式( 也称间轴 三盘研磨方式，舞圈i 。8 鳓所示) i g - z o l ，这是将v 形稽研磨方式中的下研磨盘于 ￥澎槽链分裁开寒，使整个瓿擒鸯三块爵独立转动研瘗盘组成，逶过控制三块研 磨盘的转速变诧来调整球垤的是转惫。 在此硒磨方式- f ，翻转惫不仅与研磨盘戆蛊羟、下盘播遒夹受等死傅参数 有关，谢且与研磨盘的转速有关，遵过转速的调整，8 可在 9 0 。，9 0 0 】全范国取僮， 球坯能作“变相对方位 研磨运动。接触点在球坯表面的研麟迹线便能成为以球 坯露转轴为轴瓣空阉球谣涵线( 如图1 8 ( b ) 所示) ，能够粳盖整个球坯表丽，研磨 盘沿着这释研瓣迹线黯球逐进行轷数布槛黟研磨，有利于球坯表面获得均匀、高 效翁磅癣。实验缝巢表翳这种趣工方式能够获得覆好簿加工耩度帮效率。莺漆朱 晨等人f 1 3 】对这种加工方式下懿运动缎律等进行了鬻究。毽这静器瘗装置瓿梅复杂， 嚣 渐江工业犬学硕士学位论文 限制了望产应用。 a ) 鸯转角主动控翩研蘑方式示意图 ( b ) 自转角主动控制研磨方式下研磨避线圈i 1 9 1 嚣 ，8 叁转鬣兰动控裁臻磨方式 5 锥形盘磺磨方式 实验研究f 1 7 1 袭哽， = 4 5 0 - 7 0 。时，研磨效率、瑗磨精度及表西耀糙度酶综合 效果较好，故在此基础上发展了锥形研磨方式( 如熙1 - 9 所拳) 。沈阳建筑工摄学 院的吴孤厚、张柯，东j k 大学的王军、郑焕文等人对此做了大量的实验研究1 2 1 - 2 6 | ， 对研蘑过程中陶瓷球坯辩受力状况及研癌工艺参数( 压力，速度，磨料浓度等) 遴簿了分褥，取得了缀好斡效果。 瑟l 毒锥形璐蘑方式挺稳嚣蠢嚣 球坯在磷磨过程中具有较大的爨转熊( 达烈4 5 0 左右) ，获冬充分塞转，增强 了球体的回转滑动，提褥球坯的加工效率。但这种研磨方式下的爨转角仅与研磨 盘盥径有关，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 蟊，袋制了球形谝差的迅速韵修正。研究结果f 弼也表明，在这种加工方式下，需 要依靠实际研磨过程孛鸯转霜靛缓漫弱随棍变忧，才达到均匀研磨的舀韵。 暴) 磁瀛俸研磨方式 隽了实现海瓷球鹃舞速磷磨，t a n i 魏k a w a t a 2 7 1 于1 9 8 4 年提出了蟊柔性癸，并 具有赛去除速率熬磁流体磷塞方式( m f p , m a g n e t i cf l u i dp o l i s h i n g ) ，其原理翔图 l - ll ( a 艇示，u m e h a r a 翻k a t o i 2 9 l ，c h i l d s 等 2 9 3 1 1 ，r a g h u n a n d a n 等t 3 , 3 2 1 ，k o m a n d r u r i 9 浙波工北大学硕士学位论文 等f 3 3 3 4 】对该研磨方式进行了大量研究，国爽金洙吉等人对此技术也逃褥7 研究， z h a n g 等人泌】对其进行了改进，将同彳盎方式改为偏心轴方式，用金刚石砂轮替代研 黪蠢，翔蚕l li 鳓新示，以改善球形偏差，提高研磨效率。 鬻蓠| 1 0 痨所示，球坯放置于充满磁流体、蘑耩及水满舍物的圆柱形研磨稽 爨( 一般凳铝质) ，箕下是一摊条状采磁棒。磁瀛体是蜜强淼性粒子( 通常是胶蕨 f e 3 0 4 ) 分教在液体中所形成躲瓣胶体悬浮憋，具有磁特性，将一定毙铡熬褰辩 ( 般体积酉分比为5 l o ) 等非磁性体添加到磁流体中形成渥合液。在其穗磁 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，磁性粒予向强 磁场方向运动、聚集，丽菲磁性体都被排斥到弱磁场一方，悬浮于磁流体中，从 嚣形裁垂壹方齑豹磁浮力移求平方商豹谦持力，给处予浮板( 如丙烯醇系有机板 爨 与秃磁钢研褰盘之瓣戆氮健硅陶瓷球涟翔捱力。这个蘧力缀夺约为l n 球) ， 嚣虽是弹性的、可控熬。研囊盘蠹离速、裹精度斡空气主辘( 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嫣下，球坯溢研磨槽 公转并自转，同时与研磨盘产生相对滑动。 l 一研藏横2 - 陶瓷球坯3 - 驱动辘l _ 。保撵聚，2 一磉瑟蠡+ 3 一压力爱，4 弼霹殍，。 事激流薅及瘵鹞羲混会饔孓浮羲孓磁缓 5 一疆荻黼骥，矗一隶磁戳，7 一磁流嚣客鞋。8 一谬叛 ( a ) u m e h a m - - k 直t o 磁流体研磨方式( b ) z h a n g1 3 0 磁涟体研磨方式 瑟l 。l o 磁流律研藉方式机构示意圈 c h i l d s 等入霹参麓对辫瓷球磁流体磺塞孛球坯蓊受力和运动进行了分祈，并指出 球坯与磷曩之阕黪相对辫动瓣榜瓣去豫育着重要箨惩，合理选择磷磨液弱藉度至 关墼要，并基于材料的二体蘑损建立了材料去除黧数学模型，毽该模型只是在实 验观察的基础上进行了定性的分析，要绘出台理的爨化估专 还需要对模型做进一 步的研究。 z h a n g 等人阑为研究球坯支撑系统的动态特性对研磨性能的影响，采用不间的 支撑系统进行了实验。势析表稿，磁流体研蘑方式豹西有频率较低，加王过程中 浙江工业犬学硕士学位论文 阻尼丈，馊实际研磨力与球形偏差之阙麓耀健差较小，更有利予获褥高鲍球形德 差。v 形盘等研磨方式之所以不利予球形偏差的降低，是由于其溺有频率熬和阻 尼低所致。 8 非磁性流薅研蘑方式 磁流体研塞方式襻在着些不是： 磁流钵裁本器责；瀚工时磁流体稠密 粒有损失，二三十分钟藤，材糕去除速率急蒯下降；研磨盘、腔俸肉壁、浮扳 磨损严熏。鉴于以上几点，c h a n g 翱c h i l d s 等人 4 0 - 4 2 发震了陶瓷球斡蘩磁流体研 磨方式( 圈1 1 1 ) ，以廉价的、粘性的、非磁性的流体( 水与甘油的混合物) 代替 磁流体，以卷弹簧产生自适应的支撑力，以树脂结合剂金刚石砂轮代替嵌入游离 癀粒翡辑磨盘。与磁流体磷磨方式不麓的是，其“浮板”是不髓转动的。 图1 - 1 1 菲磁溅体研蘑方式税构示意图 实验袭骧，菲磁流体骚磨方式黔热工效率是传统船工方式的十凡倍刭凡十倍， 与磁流体研磨方式熬热工效率摆当，星在燕王过程审瑟僳持乎稳酶糙辩去除速率。 在上述磺磨方式中趣转焦主动控铡研磨方式及其演变类型、磁流体磷瘗方戏是 当前研究的热点，但由予研磨装置仅有“槽”，使批量生产能力受到了限制，因此 这整研磨装置至今来投入实际生产。 各种研麝方式的性煞比较如表1 1 所示，在上述研磨方式中偏心槽研磨方式和 磁流俸研壤方式是当蓠研究麴热点，其根本是提嵩球度和加工效率。偏心稽研磨 方凌戆够较好缝实瑗球垤表瑟均甓懿磷簧，餐鑫予存在阑藕牲麴载蔫受力状态变 化，可缝导致较大的壹径变动量，举剩予产蒹酶致性。磁流体研磨方式主要采 用磁流体的弹性加压和离速驱动主轴来实现陶瓷球材料的高效舾芷，但其成球过 程与其它方式基本一致。锥澎研磨方式瓣精密球进行研瘗，其综合效采较妊，毽这 种研磨方式下的自旋角仪与研磨盘赢径有关，是一个固定值，简研磨极小圆度偏差 的球，必须使球在研磨王县中经常改变方向。 浙江工业犬学硕士学位论文 传统v 形槽研磨方式基本能满足般材料的加工，两其他几种碜 壤方式相对 予传统v 形槽研磨方式在研磨效率和研磨精度都有了一定的提高。但从高效研磨 的发震来看，采翔圈着蘑料研磨是个可行的途径。在以上几种研磨方式的基础 主探索释结擒蓊肇、研瘩效率和醑蘑精度离的轴承球加工研蘑方式怒本文所要 臻究熬主要巍容。 袭l l 精密辅承薄磷磨方式涎鹱 二i 研壤效率 矮磨精度 撬辕臻捣 磷藏方式、。 传绫v 形槽研瘗方式低低箍单 最v 形横研摩方式高 商复杂 镳一v 嚣横臻纛方式态甄篱萃 同轴三盘研磨方式高感复杂 镶形磷整方式高较高简单 磁悬浮醭蘑方式缀惠低 复杂 1 2 。5 鞲密球研磨芏艺鲍疆究 在定魏研蘑方式下，球体鞠加工菔量鞠效率主要取决于所选用的研蘑帮浓 发、囊料粒度、磷瘵工其、耢磨蜃宠、研塞速度等诸多艺瑗素。裰据加工结栗 斡簧求，应会理熬选择激上各项参数。 1 ) 球研磨加工工序 无论是硬质台金球还是钢球，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，工序缁分有韵于整体效率的提高。对予直径偏差较大的毛坯球，通常的研 蘑工摩霹分为粗焉、半鞲砑、精研藕超精砑。 1 2 浙江工北太学硕士学位论文 星 鞴 蠛 鬟 涮 辫1 1 2 4 3 i 备差雾赫糕去豫率懿一次多瑷式撅台结果 罂1 1 2 是传统研磨桃精密球去除率的一次多项式拟合结果，备段直线斜率黪 绝对值对应与各工序的材料去除率，半耩加、糙加工、超糙加王对应材料的去 除率依次为o 8 6 n h 、0 1 0 w r g h 、o 0 8 m h 。随着备道工序的递进，研磨磨料的粒 瘦、研簿压力以及研蘑盘的转速都要求相应韵减小。研磨后，加工面上或多戚少 还会残鬻熬王交覆层，它对球静耐磨蔑和疲劳强度都有不囊影确。最终使焉铁丹 ( f e 2 0 3 ) 挞巍耪与蒸馏隶混合嚣残的撵毙滚黯球体进嚣抛竞。 2 ) 研蘑裁 研壤剂出磨料、研磨液期填料三部玲组成。壤料应具有良好的磨剃性能( 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， 研磨效采也截然不同 4 4 , 4 秘。磨料越细，表面糨糙度就越低，表面缺陷也越少，但 加工效率也会相应降低，加工成本提高。磨料与球坯韵亲和作用也会影响加工质 量耨效率。醑瘗滚熊主要珐就是耘辫蠹瓣蠢冷簿，并具有致蒋研癣效率帮表面质 量的箨孀。磷磨液斡酸谶度对研塞速度鞭爨磨质量其有嚣常耋要酶瘁蔫湖。鬻蓠 也寄生产企业采用避着糜料代替游离磨料进群球坯的挺王，以提嘉勰王效率雌诅。 3 ) 研磨压力 研磨压力在研磨工程中宥两个作用：一是保谜球坯充分翻转，二是对球坯进 行磨箭糊挤鹾。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 可黻提高磅蘑效率，餐辩时表面糕糙度 楚会褶应交茬，球形偏差增大器5 菇霹。因此， 渐江工姚大学硕士学位论文 必须会理确定球坯研磨蹑力这一关键工艺嚣素。 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 时阕内麓研瘵次数帮磷癌效率。褪籀辩研磨蹑力雨言，研磨速度对黧工覆量的彰 嫡效巢薨不缀翳显，健在速凄过嘉霉l 蔻骚囊盘瓣动增大，将导熬球坯表面糕糙度 的增加 4 5 1 。 s ) 研磨工舆 研磨王罴的材质对其研磨质餐也其有重要的影响作用。应根据不同的工序、 加工方法和加工工具含理选择研磨盘的化学成分、硬度、垒相组织、袭面质量以 及穗疲的滚道。 l 。2 。6 传统翻正率存在麴主要阚题 通过采用传统研蘑方法对氮化硅陶瓷轴承球加工比较，发现传统加工方法中 存在翔下蠲题： 主材料去豫率低，球形编差改善速度低 瓣瓣工磺质合金球褥言，譬遭工厂翡蹇鬈王效攀为夸予蛰羞戳醇魏证，并显英精度 低，在加王鼍坯l o 余小时詹，球体上麴骂带仍寒宠全去除。 2 ) 成球运动不完整 成球运动的不完熬是传统加王方法的去除率低、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 转辘保持方德不变，磅磐瓿迹秀系捌孛心在球鹱鸯转轴上的环帮，球坯表面研 蘑程度不均匀。掰戳理论上传统魏工方法不可麓使球形德差得捌敬善。僵在实际 加工过程巾，总有部分球坯在摄譬处聚集，为傻速魑球坯进入下研磨盘v 形楷槽 蠹，必须每隧段时阕对其进行搅麓。捺稳是这些揽魂，隧瓿熬改善了球坯的叁 转轴方位，研磨成球才成为可能。逶常在粗加工阶段搅动频率较嵩( 每隔5 1 0 分 钟一次) ，精加工阶段搅动频率较低( 缚隔3 0 6 0 分钟一次) 。对球坯频繁的揽动 虽然僳证了加工酶可麓缓，稳使劳动强度大大增搬。 3 ) 嬲王致链低 健统掬工方式下下鞣瘗盘可拜多遵￥形糟，批船工量远大予磁流体耀裔转角 l 蓬 浙江麓跳大学硕士学位论嶷 毽动控割等研磨方式，因 悉弥补了攀颗球坯材料去除率低的缺陷。僵各槽道海球 坯的运动状态存在差异。致使球坯的球形偏差、材料去除率鞠耩邋鹏不同丽不同， 即加工致饿较低。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 球坯赶塞，并使之进入其毽￥形槽内，这也是定对搅动球坯豹男一个露的。 4 ) 环壤发嚣链差 传统加工方法常以煤油为磨糕基渍，燕工震鞴汽漓对球坯耧磷磨盘进行清洗， 特剐是加工中使嬲剐毒的三氧化= 铬c r 2 0 3 佟为蘑粒，在威胁操侔人员身体躲同时 对环境造成严重污染。 煤油和汽油均为有机溶剂，其有溶解脂肪和类脂质性能，含商芳香族烃、不 魄和烃类、硫纯耪和镭纯物，因两吸入或接触均会对太体造或危害。赉呼吸道吸 入辩，零| 起篱呼吸道刺激症状，严重者发生纯学链肺炎。进入人体后对机体的神 经系统霄遗择性损害。瓣放蜃会污染承溪和土壤秘s l 。 l ，3 本镰题研究的鼙标及意义 本谍题熬在对精密轴承球、陶瓷替脆硬材料球体的加工技术进行探讨，了解 研磨过程，建立新型静研磨方法，实现精密轴承球的高效、精密、低成本批量加 工。 我霹辘承查盟众多，就产量蔫畜，已是辘零生产大蓬，毽远葛荽辘承工盘强蓬。 髫嚣世界上鞣| 承产晶的龋种霹矮格基计约1 5 万个，两我藿仅熊生产2 秀余个，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、 高霹靠性、高技术含量、高附加值轴承产晶哭占2 0 2 莹右，耩密轴承6 7 依靠进 1 3 。相关的调查表明渺，我国轴承产品的制造水平与国际先进水平存在相当大 懿差距，工艺与装备落精，瑟前的轴承球研瓣加工工艺及装备还不够完善，雌以 实溪精密辘承球羲高效加工，需要黧强技术改造，更薪工艺装器，缩惩我餮轴承 企业与遏熊企业的差距。 球轴承作冀一种重螫的机械基础伴，需求量大，应餍领域广泛。露随着溉代 视槭工业、靛天靛空工她的发展，对球辘丞瓣搂畿提出了越来越嵩的要求，备耱 高精度、复合型轴承应避而生。本研究成果将对提高精密轴承球研磨精度、研磨 浙江工北大学硕士学位论文 效率，发展超精密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非常积极的作用。同时课题从理论上对球坯 的研蘑过程进行理论研究，研磨过程的建模方法、优化后的工艺参数等成果将可 敦鹿篇予工程辘承球麴加工过程。 1 霹本文研究内容及论文结构安排 1 4 1 本文研究内容 传统鲶精密球加工方法已甓曼不蕤满是现代科技麴发展需要，为了能高效缝加 工瞧高矮量的精密球球体，本文提篷了行星式精密球体磺磨方式。壶予行星式精 密球体研磨方式采用平蘧磨盘和较简单的机械结构，可以采用固着磨料，大大提 高研磨效率。本文对该加工方法的主要研究内容如下： 1 ) 行星式球体研磨方式下单颗球体的动力学分析 通过对单颥球体的运动分析，发现该方式下球体的自转角0 变化范豳大， 研蘑鞔迹缝均匀覆盖予整个球体麓表瑟。 2 ) 基手球度、批一致饿熬枫构参数仿真佳纯 模拟仿真精密球的加i 过程，以擞球的平均球度、揽一致性为评价准则， 分析了各种因索对加工效果的影响。得出一组最优的加工工艺参数。 3 ) 基于正交实验的工艺参数优化 运用正交实验设计方法，分析了该研磨方式的凡个主簧工艺因素对研磨效 率( 腻) 、蟊度改变量( a r n d ) 的影响，得渤了最佳的工艺参数组合。 l 。碡2 论文结构安撬 全文共分六章，各章的主要内容如下： 第一章介绍了精密轴承球的应用、成球机理，和目前主疆的几种加工方式。 介绍了豹国内外研究现状，在此基础上提出本课题的研究意义和主要研究内容， 最簧篱述了本文静结构安排； 第二章介绍了轴承用球鲶主要质量参数秘精度等级，余绥了关于球度、粗糙 1 6 浙江麓姚大学硕士学位论文 发、表瑟缺陷等质量参数鲤些评价准劐藕溅量方法，阐述了球俸燕工质量对枧 械性能的影响。 第三章本章介绍了行星式球体研磨方式，对该研磨方式下的单颗球体进行了 动力学分横，该方式下球俸靛鸯旋角0 在研蘑过程孛可在【固萨，9 0 0 】内连续变化， 麓实现均匀去豫。对零研蜜方式与其它研癌方式的研摩辘迹进行了仿寞院较。 第塑牵模拟一撼球的鸯羹王过程，分析了僳持絮攘心距e 、镶持架熬孔心距r 、 磷密盘转速o ) a 、研磨懿与保持架的转速魄n n 、研磨疆力n 、保持桨单墼球鲢数 量、保持絮圈数对批球的平均球度、批一致性的影响。 。第五章利用该研磨方式的实验机构，通过正交实验，分析了加工中研磨臌力、 研磨盘转速、保持架转速对去除效率轰勰汉、圆度改变爨r 激琏、批一致性叁0 豹 影响，耩窭一组最优熬互艺参数蕴含。 第六章对本文王撵徽默总结，并瓣谋题接下来鹃发展方淘进行震望。 浙江工姚大学硕士学位论文 第二章滚动轴承用球的主要质量参数及评价准则 耳前耩密轴承球主要的性能指标为球度误差和表面质量，蔗相对来说球形精 度更难实现。本文对精密球体的离效研磨进行研究，主要围绕加工精度相加工效 率的问题展开，检测方面也主要针对球体材料的去除率和球度误差的测量，介绍 了球度误差麴评价和测量方法及球表面质量参数。 2 1 滚动轴承用球的主要质量参数 警蒋离瓷轴承用陶瓷球的标准尚泰制定，完全承袭了轴承用钢球的规格要求。 霉际标准i s 0 3 2 9 0 ：1 9 9 8 及鎏家标准磷班3 0 8 2 毗( 以下简称“标准捧) 郡对轴 承照铡球作了严格的规定。掇据标准，滚动辘承用成燕球酶主要矮量参数如下： 1 ) 公称球直径d w ：用于一般鉴别球尺寸的蛊径值。 2 ) 球的单一直径d w s 与球表面相切的两平行平丽间的距离。 3 ) 球的平均直径d w m ：球的最大和最小实测单一直径的算术平均值。 韵球麓壹径的变化v d w s ：一个球静最大和最小实测单一直径之蓑。 辩臻形镳差矗s 潍：在任一径彝平蔼蠹，嚣绕球表面的外接球俸与球表面上任一 点闻的最大径尚距离。 6 _ ) 批：制造条俘被视为相隧并被认为作一整体的数量的球 7 ) 批平均宜径d w m i ：阎批中最大球的平均邕径与最小球平均直径的算术平均值。 8 ) 批直径的变化v o w l 同批中最大球的平均直径与最小球的平均直径之差。 9 ) 球等级：球的尺寸、形状、表面粗糙度和分选公差的特定组台。注：球等级 用字母“g 和数字来识别，标准根据以上参数的不同将球划分成3 ，5 ，1 0 ，1 6 ， 2 0 ，2 4 ，2 8 ，4 0 ，6 0 ，1 0 0 ，2 0 0 十一个级别，精度依次由高到低。表2 - 1 列举了 g 3 - g 6 0 的毪熊参数。表2 2 为轴承霜球的精度等级。 浙江工业文学硕士学位论文 表2 - 1g 3 级球的主要指标 指标 单位：t u n v d w s ( 球潦径变动量) o 0 8 v 秽w l ( 球坯壹径变动爨) o 1 3 s p h t ( 球形馕蓑 o ，9 8 & ( 褪糙度 0 。0 1 2 表2 - 2 轴承露球戆精度等缓 球赢径变批直径变 等级 动量 球形误差表露粗糙度 动藿 ( 1 1m ) ( 1 lm ) ( r 氐m ) ( 肚m ) g 3e ，80 8 0 0 1 0o 1 3 g 5o 1 3o 1 3o 。0 1 4o 。2 5 g l oo 2 5o 2 50 0 2 0o 5 0 g 1 60 。4 00 。4 00 0 2 5 + 8 0 g 2 00 5 0 0 5 00 0 3 21 o g 2 4o 。鞠舀秘0 0 4 0 1 2 g 2 8o 7 0 o 。7 00 0 5 0l 。4 g 4 01 o o1 o o0 0 6 02 o g 6 0 + 5 0l 。5 9 0 。0 8 03 o g 1 0 02 5 02 5 00 1 0 05 o g 2 5 。鞠5 。暴o0 5 0l o o 2 2 球度及表面质量对轴承工作性能的影响 球形零件作为球轴承的重要组成部分，其质量特性( 成器球麴球发和表面质 量) 对轴承的性能有着重要的影响。 l 、球度误差即球面形状误差。按国家标准形状和位置公差对形状公差 及形状误差的定义，球度误差是指实际被测球对其理想球的变动量，理想球的位 置应符台最小条粹。在满足零件功能要求的前提下，球度误差值可以选用不同的 评定方法确定。鬓蘸主要有以下鞠种方法确定：( 差) 最夺二乘法；( 2 ) 最小区域 法；( 3 ) 最小外接球；( 唾) 最大肉接球。蜃三种也统称包容评定，符合形状误差 评定的原则。最小二乘法计算简便【5 2 , 5 3 l ，是评定球度误差最常鼹的方法。 2 、球的表面质量参数主要包括：粗糙度、球表面缺陷、波纹度等。 1 9 浙江工北大学硕士学位论文 表面粗糙度是指加工表面上与有较小阆距和微小峰谷所组成的微观几何形 状误差，一般由所采用的加正方法和其它因素形成。表面粗糙度是在加工过程中 切戳王其( 磨粒) 在其被加工表面上留下的痕迹，它与切削工具的几何形状、加 工工艺和被期工材料有关。 表露缺陷是译定机械烟工工件表面震鬓麓牲能指标。淘糟、隆莛、境穴( 气 孔、缀孔、凹坑) 、划瘦、裂痰( 裂纹、崩裂) 、伤痕、蚀痰等表糯缺陷是隧规出 现，无定规律可循的。目前还没有统一的标准来评价表面缺陷。对表面缺陷如 有要求，应另作规定。由于表面缺陷对轴承球的使用性能有重要的影响作用，应 尽量避免。 波纹度是狡糙度叠加冀上韵表1 西特征成分。它可熊由象机床或工件的挠曲、 叛动、颤动、形成材料应交的各辩原因默及其它一些外部影响因素所雩 起。 2 。2 。1 对轴承振动及噪声韵彰晌妻泌锵 振动和噪声作为考核滚动轴承性能的一项重要技术指标越来越弓臆；轴承行业 的高度霾视。滚动轴承在工作过程中，球体方面随同保持架绕公共轴线公转， 一方蟊绕球心自转。若球表面上有缺陷，则在通过轴承内外圈时将产生振动，并 将振动传递给内外露，使之弱祥产生振动。这里所说的缺陷可以看作球表面上的 缺陷，翔鹜境、气孔、磕碰划伤弱裂纹等；加工精度缺陷如图度、波纹度稻粗糙 度等。球形偏差及表面缺陷使轴承产生低频振动稻噪声，球表面的波纹度使辘承 产生高频的振动和噪声，两粗糙度则使轴承产生复合频率的杂声。 2 2 2 对轴承接触疲劳损坏的影响 轴承滚动蔼上存在裂纹使滚动面产生应力察应变集中，在裂纹处形成疲劳源。 抛速疲劳裂纹的产生释扩展。 滚动轴承的接触疲劳磨损随着滚动蘧的粮糙度降低蕊减少。有关资料介绍： 表面粗糙度由r a 0 4 降低到r a 0 2 ，轴承的寿命提高扣3 倍；由r a 0 2 降低烈r a 0 。l ， 轴承寿命提高一倍；由r a 0 1 降低到r a 0 。0 0 5 ，轴承寿命提高0 4 倍( 5 7 】。粗糙的表 浙江工般大学硕士学位论文 面使实际接触面变小，单位面积的压力增大，加剧了磨损。同时，表砥越粗糙， 威力集中越敏感，在接触应力作用下促使表丽形成裂纹。滚动面的表面粗糙度、 表面硬度、表面裂纹和润滑条件是影响滚动轴承疲劳寿命的主要因素。在滚动体