CN103567855A

CN103567855A - 基于变曲率沟槽研磨的高精度陶瓷球加工设备

Info

Publication number: CN103567855A
Application number: CN201310470402.3A
Authority: CN
Inventors: 袁巨龙; 赵萍; 郭伟刚
Original assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Current assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Priority date: 2013-10-10
Filing date: 2013-10-10
Publication date: 2014-02-12

Abstract

一种基于变曲率沟槽研磨的高精度陶瓷球加工设备，包括加载系统、上研磨盘和下研磨盘；所述上研磨盘和下研磨盘分别与驱动装置连接，所述加载装置位于上研磨盘上，所述下研磨盘上开有变曲率沟槽，所述沟槽结构和另一研磨盘一起构成研磨待加工球坯的三个加工接触点；所述设备还包括工件循环系统，所述变曲率沟槽的入口与所述工件循环系统出口连接，所述工件循环系统的入口与所述变曲率沟槽的出口相接，所述变曲率沟槽的入口位于所述下研磨盘的中心。本发明既能实现较高的加工精度和加工效率、又对装置要求较低。

Description

基于变曲率沟槽研磨的高精度陶瓷球加工设备

技术领域

本发明涉及一种高精度陶瓷球加工设备。

背景技术

高精度球是是圆度仪、陀螺、轴承和精密测量中的重要元件，并常作为精密测量的基准，在精密设备和精密加工中具有十分重要的地位。特别是在球轴承中大量使用，是球轴承的关键零件，轴承球的精度（球形偏差、球直径变动量和表面粗糙度）直接影响着球轴承的运动精度、噪声及寿命等技术指标，进而影响设备、仪器的性能。与传统的轴承钢球材料（GCr15）相比，氮化硅等先进陶瓷材料具有耐磨、耐高温、耐腐蚀、无磁性、低密度（为轴承钢的40%左右），热胀系数小（为轴承钢的25%）及弹性模量大（为轴承钢的1.5倍）等一系列优点，被认为是制造喷气引擎、精密高速机床、精密仪器中高速、高精度及特殊环境下工作轴承球的最佳材料。

对于陶瓷球的研磨加工，国内外已有一些相应的加工方法，如：V形槽研磨、圆沟槽研磨法、锥形盘研磨法、自转角主动控制研磨法、磁悬浮研磨法等。在V形槽研磨加工、圆沟槽研磨加工、锥形盘研磨加工等加工过程中，球坯只能作“不变相对方位”研磨运动，即球坯的自旋轴对公转轴的相对空间方位固定，球坯绕着一固定的自旋轴自转。实践和理论分析都表明“不变相对方位”研磨运动对球的研磨是不利的，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，研磨盘沿着三接触点的三个同轴圆迹线对球坯进行“重复性”研磨，不利于球坯表面迅速获得均匀研磨，在实际加工中需要依靠球坯打滑、搅动等现象，使球坯的自旋轴与公转轴的相对工件方位发生缓慢变化，达到均匀研磨的目的，但这种自旋角的变化非常缓慢，是随机、不可控的，从而限制了加工的球度和加工效率。而自转角主动控制研磨具有可独立转动的三块研磨盘，可以通过控制研磨盘转速变化来调整球坯的自旋轴的方位，球坯能作“变相对方位”研磨运动，球坯表面的研磨迹线是以球坯自转轴为轴的空间球面曲线，能够覆盖大部分甚至整个球坯表面，有利于球坯表面获得均匀、高效的研磨。上述多种方法中，就所需装置复杂程度而言，以传统V形槽加工方法最为简便，磁悬浮研磨以及自转角主动控制加工方法相对复杂。

综上所述，如何控制陶瓷球加工中自转角的变化同时能配以最简便的机构成为获得高精度球的重要研究内容。

发明内容

为了克服已有高精度陶瓷球加工的无法兼顾对装置要求较低和加工精度、效率的不足，本发明提供了一种既能实现较高的加工精度和加工效率、又对装置要求较低的基于变曲率沟槽研磨的高精度陶瓷球加工设备。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于变曲率沟槽研磨的高精度陶瓷球加工设备，包括加载系统、上研磨盘和下研磨盘；所述上研磨盘和下研磨盘分别与驱动装置连接，所述加载装置位于上研磨盘上，所述上研磨盘上开有变曲率沟槽，所述沟槽结构和另一研磨盘一起构成研磨待加工球坯的三个加工接触点；所述设备还包括工件循环系统，所述变曲率沟槽的入口与所述工件循环系统出口连接，所述工件循环系统的入口与所述变曲率沟槽的出口相接，所述变曲率沟槽的入口位于所述下研磨盘的中心。

进一步，所述变曲率沟槽中，变曲率沟槽的线距为全等距、全变距或者等距变距同时存在。

更进一步，所述变曲率曲线为螺旋线、渐开线；也可以选用其他变曲率线。

本发明采用上、下研磨盘以及下研磨盘上的螺旋线V形槽构成研磨结构，与陶瓷球构成三点接触进行研磨，下研磨盘作为原动件就完全可以实现球坯在两个自由度方向上的旋转运动，球体沿着螺旋线轨迹槽运动，实现“变相对方位”研磨运动，使研磨轨迹均匀分布在球的表面上，实现对陶瓷球表面的均匀研磨。加压装置对球坯施加弹性载荷，能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——磨大球，不磨或少磨小球；磨球坯的长轴，不磨或少磨短轴，因此能快速修正球形偏差。加工初始，待加工球依次通过工件循环系统于上研磨盘中心进入V形槽入口处，球体在上、下研磨盘之间且于V形槽内运动，并在V形槽出口处重新进入工件循环系统。在压力和磨料的作用下，经过长时间加工后，各个零件的精度误差和尺寸误差充分匀化，最终可获得高精度和高一致性的球体。根据下研磨盘配置不同螺旋线V形槽，该新型研磨方法可采用数种结构形式，其设计思想和工作原理相同。

根据附图1的示意，沟槽轨迹6，根据理论推导，得到公式：

θ = \arctan (\frac{r_{b} \sin (α)}{R_{A}}) = \arctan (\frac{r_{b} \sin (α)}{h (ρ_{A})})

上式表明自转角θ是关于曲率半径ρ_A的函数，随着ρ_A的改变而改变，且θ∈(0°,90°)，因此，最终自转角的变化规律主要取决于变曲率轨迹的类型及参数（上述推导适用于渐开线、螺旋线等各种变曲率轨迹沟槽）。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：本装置结构较为简单，能达到主动控制球坯在研磨过程中的运动状态，实现“变相对方位”的研磨成球运动，实现陶瓷球高精度、高批一致性的批量加工，对发展轴承陶瓷球的超精密加工技术具有重要意义。

附图说明

图1是变曲率沟槽轨迹几何关系示意图。

图2是本发明中变曲率沟槽方式之一--螺旋线V形槽加工陶瓷球装置示意图。

图3为本发明中采用的等距螺旋线轨迹的示意图。

图4为本发明中采用的变距螺旋线轨迹的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

实施例1

参照图2和图3，一种基于变曲率沟槽研磨的高精度陶瓷球加工设备，所述变曲率沟槽为螺旋线V形槽，包括上研磨盘4、下研磨盘1、工件循环系统2和加载系统3，上研磨盘4与加载系统3连接；下研磨盘1上开有螺旋线V形槽，所述螺旋线V形槽的入口与所述工件循环系统2出口连接，所述工件循环系统2的入口与所述所述螺旋线V形槽的出口相接，所述螺旋线V形槽的入口位于所述下研磨盘的中心；V形槽结构和上研磨盘4一起构成研磨球坯5的三个加工接触点，待加工陶瓷球坯5在螺旋线V形槽内运动，其自转角也随之改变，实现“变相对方位”研磨运动。

加工初始，待加工球坯5依次通过工件循环系统2于上研磨盘中心进入V形槽入口处，球坯5在上、下研磨盘之间且于V形槽内运动，并在V形槽出口处重新进入工件循环系统2。在压力和研磨液的作用下，经过长时间加工后，各个球坯的材料得到去除，精度误差和尺寸误差充分匀化，最终可获得高精度和高一致性的球成品。

加工的磨料选择固着磨料或游离磨料，所述待加工陶瓷球坯在上、下研磨盘工作面，以及定载荷和磨料的作用下得到均匀研磨。

所述螺旋线V形槽中，螺旋线的线距为全等距、全变距或者等距变距同时存在。

利用本发明方法加工氮化硅陶瓷球坯，本是实力的螺旋线的线距为全等距，加工条件如下：

下表列出的是成品陶瓷球的检测结果。从检测结果看：加工出的陶瓷球的精度水平已达到钢球的G3精度。

实施例2

参照图4，本实施例中下研磨盘v形槽采用图3所示的变距螺旋线。本实施例其余结构与实现方式与实施例1相同。

实施例3

本实施例中下研磨盘v形槽采用渐开线槽。当然，也可以采用其他变曲率沟槽

本实施例的其他结构和实现方式与实施例1相同。

Claims

1.一种基于变曲率沟槽研磨的高精度陶瓷球加工设备，包括加载系统、上研磨盘和下研磨盘；所述上研磨盘和下研磨盘分别与驱动装置连接，所述加载装置位于上研磨盘上，其特征在于：所述下研磨盘上开有变曲率沟槽，所述沟槽结构和另一研磨盘一起构成研磨待加工球坯的三个加工接触点；所述设备还包括工件循环系统，所述变曲率沟槽的入口与所述工件循环系统出口连接，所述工件循环系统的入口与所述变曲率沟槽的出口相接，所述变曲率沟槽的入口位于所述下研磨盘的中心。

2.如权利要求1所述的基于变曲率沟槽研磨的高精度陶瓷球加工设备，其特征在于：所述螺旋线V形槽中，螺旋线的线距为全等距、全变距或者等距变距同时存在。

3.如权利要求1或2所述的基于变曲率沟槽研磨的高精度陶瓷球加工设备，其特征在于：所述变曲率曲线为螺旋线或渐开线。