CN103991025A - 一种偏心式变曲率沟槽加工高精度球体的方法 - Google Patents

Abstract

一种偏心式变曲率沟槽加工高精度球体的方法，实现方法的加工装置包括上研磨盘、下研磨盘和加压系统，上研磨盘连接上研磨盘主轴，下研磨盘连接下研磨盘主轴，上研磨盘主轴和下研磨盘主轴分别与驱动机构连接，上研磨盘位于下研磨盘的正上方，加载系统位于上研磨盘上，所述的下研磨盘上开有变曲率轨迹的沟槽，所述的变曲率轨迹的中心与研磨盘中心存在偏心；所述的加压系统通过上研磨盘作用于球坯，所述的沟槽结构和上研磨盘一起构成研磨球的三个加工接触点，加工过程中待加工球坯在上、下研磨盘之间且于沟槽内运动。本发明提供一种既能实现较高的加工精度、加工效率和加工一致性，又具备加工装置结构简单、制造成本较低的偏心式变曲率沟槽加工高精度球体的方法。

Description

一种偏心式变曲率沟槽加工高精度球体的方法

技术领域

本发明涉及一种球形零件研磨/抛光加工方法，特别涉及高速、高精度陶瓷球轴承中高精度陶瓷球的精密研磨/抛光加工方法，属于高精度球形零件加工技术。

背景技术

精密球作为圆度仪、陀螺、轴承和精密测量仪器中的重要元件，需求量巨大，广泛应用于精密机械、航空航天、军事国防、石油化工等领域。精密球的精度是圆度仪、陀螺、精密测量仪器精度的保证，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。高精度球加工方法主要采用研磨/抛光方法。研磨/抛光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一种加工方法。研磨/抛光方法对精密球的研磨精度和效率有着重要的影响。研磨过程中，球坯和研具的研磨方式直接决定了球坯的研磨成球运动。研磨迹线能否均匀覆盖球面是高效研磨球坯，提高球度，获得高精密球的关键。

目前，国内外已有一些相应的方法加工高精度球，这些方法主要分为研具加工方法和磨盘加工方法。研具加工方法加工效率低，精度高。磨盘研磨法加工效率高，但精度低，其包括V形槽研磨法、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，即球坯的自转轴对公转轴的相对空间方位固定，球坯绕着一固定的自转轴自转。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法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，但加工装置复杂。双转盘研磨方式在自转角主动控制研磨法的基础上，优化加工装置，三块转盘只需其中两块旋转，另一块固定不动，通过调节旋转盘的转速来实现球坯的“变相对方位”研磨运动。此方法优化了机构，但加工过程中只有一道沟槽，不利于批量加工。磁悬浮研磨方法的主要特征是采用磁流体技术实现对球坯的高效研磨，除了对球坯的加压的方式不同外，其研磨运动方式同V形槽研磨加工和锥形盘研磨加工中的运动方式基本相同，因此，在其加工过程中球度同样受到了限制。

因此，对于陶瓷球等难加工材料高精度球的加工，急需一种既能实现较高的加工精度和加工效率，又具备结构简单、制造成本较低的研磨/抛光加工方法。

发明内容

为了克服现有球形零件研磨/抛光加工方法的球度和加工效率低、加工一致性差、加工装置和控制复杂、成本高的不足，本发明提供一种既能实现较高的加工精度、加工效率和加工一致性，又具备加工装置结构简单、制造成本较低的偏心式变曲率沟槽加工高精度球体的方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种偏心式变曲率沟槽加工高精度球体的方法，实现所述方法的加工装置包括上研磨盘、下研磨盘和加压系统，所述上研磨盘连接上研磨盘主轴，所述下研磨盘连接下研磨盘主轴，所述上研磨盘主轴和下研磨盘主轴分别与驱动机构连接，所述上研磨盘位于下研磨盘的正上方，所述加载系统位于所述上研磨盘上，所述的下研磨盘上开有变曲率轨迹的沟槽，所述的变曲率轨迹的中心与研磨中心存在偏心；所述的加压系统通过上研磨盘作用于球坯，所述的沟槽结构和上研磨盘一起构成研磨球的三个加工接触点，加工过程中待加工球坯在上、下研磨盘之间且于沟槽内运动。

进一步，所述的变曲率轨迹的中心与研磨中心偏心的方式为：上研磨盘与下研磨盘主轴偏心，沟槽的变曲率轨迹中心与下研磨盘的中心重合。

或者是，所述的变曲率轨迹的中心与研磨中心偏心的方式为：上研磨盘与下研磨盘中心在一条直线上，沟槽的变曲率轨迹中心与下研磨盘的中心存在偏心。

更进一步，所述加工装置还包括循环输球装置，所述循环输球装置的入口与所述沟槽的出口相连，所述上研磨盘上开有球体入口，所述循环输球装置的出口与所述球体入口的上端相连，所述球体入口的下端与所述沟槽的入口连通；加工后的球体依序进入循环输球装置，通过循环输球装置再次进入变曲率沟槽加工区域，实现球体的循环加工。

实际加工中，单个研磨周期(从磨盘入料口经过整个变曲率沟槽路径至磨盘出料口)的加工结果不足以达到所需的目标精度，上述循环输球装置可以解决该问题。

加工的磨料选择固着磨料或游离磨料。所述待加工球坯在上、下研磨盘工作面间，在一定的载荷和磨料的作用下得到均匀研磨

本发明的技术构思为：采用变曲率沟槽中心与旋转主轴偏心，上研磨盘与下研磨盘上的变曲率沟槽与球体构成三点接触进行研磨，上、下研磨盘旋转主轴由两个独立电机驱动，选择合适的变曲率轨迹及偏心量，可以实现球坯三个自由度方向上的旋转运动，球体沿着变曲率沟槽运动，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，实现对球体表面的均匀研磨。实际加工中，单次研磨加工量不足以达到所需的目标精度，配合本发明方法的加工装置还包括循环输球机构，使得球体加工过程变为连续循环加工。变曲率沟槽一次装球量与传统V形槽加工方法的装球量相当，与传统V形槽加工方法采用随机打乱的方式改变球体姿态相比，变曲率沟槽磨盘研磨方式下，每颗球所经历的加工路径一致，大大提高了球体加工的批一致性。加压系统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。

加工过程中待加工球坯在上、下研磨盘之间且于沟槽内运动，一颗球出变曲率沟槽进入循环装置，另一颗球出循环装置进入变曲率沟槽，如此往复循环数次。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。通过仿真加实验优化选取合适的偏心量，使研磨轨迹均匀分布在球面上。

本发明方法进行高精度球研磨/抛光过程中，对单颗球研磨机理分析如下：假设球坯为标准球体，球坯和研磨盘接触点之间无变形，无相对滑动，球坯之间无推挤现象，球体只受研磨盘作用，上、下研磨盘通过与球的接触点无滑动地带动球体作研磨运动。第一种偏心情况上下研磨盘主轴偏心，变曲率沟槽中心与下研磨盘中心重合。如附图4-1、4-2设研磨盘与球的接触点分别为A、B、C，O₁为上研磨盘主轴中心，O₂为变曲率轨迹中心，e为O₁、O₂之间的距离，O_a为球心瞬时的曲率中心，O_b为球心，r_b为球坯半径，为球心O_b的瞬时极角，为球心瞬时的曲率中心O_a和球心O_b的连线与变曲率轨迹中心O₂和球心O_b连线之间的夹角。三接触点到上、下研磨盘回转轴的距离分别为l_A、l_B、l_C，ρ为球心O_b的瞬时极径。上、下研磨盘转速分别为ω₁、ω₂。以球心O_b的法向及切向运动方向建立平面坐标系X-Y。V_A是盘上A点的瞬时速度，τ_A为V_A与Y轴的夹角。垂直直面向外的方向为Z方向，图4-2给出X-Z平面的分析图。沟槽的形状由下研磨盘内盘和下研磨盘外盘的斜角α、β确定，在实际的工程应用中，一般α＝β。半径为r_b的球坯在下研磨盘组成的沟槽内以角速度Ω_b公转并自转，如附图4-3球坯自转角速度ω_s可以分成ω_s在球坯经圆大剖面上的分量ω_b和ω_s在z轴上分量ω_g。自转角速度ω_b矢量在此平面上的方向由θ表示，ω_g与ω_s之间的夹角用γ表示。根据研磨成球机理可知，球坯自转轴的两个方向角θ和γ，只要满足其中一个方向角在[-90°,90°]连续变化即可实现球体的全包络加工。在θ角和γ角都不变的情况下，A、B、C三接触点在球体表面形成的三条研磨轨迹是同轴的三个圆。自转角θ角和γ角与下研磨盘沟槽轨迹的曲率半径及上研磨盘轴的偏心距紧密相关。通过改变沟槽轨迹线及其与旋转主轴的偏心距，自转角γ可以在[-90°～90°]范围取值，使球体作“变相对方位”运动，使研磨迹线均匀分布在球的表面上，实现对高精度球体表面的均匀研磨。

本发明对高精度球进行研磨/抛光加工所涉及的几何和工艺参数很多，但对球体研磨有重要影响的主要有：几何参数r_b、ρ、e、α、β等，以及加工载荷W和ω₁，ω₂磨料等工艺参数。这里着重探讨其中最重要的两个参数——沟槽轨迹极径ρ和上下研磨盘两轴间的偏心距e。

根据附图4-1、4-2、4-3的示意，沟槽轨迹如附图3-1，根据理论推导，得到表达式：

上式表明自转角γ是关于球心瞬时极径ρ和偏心距e的函数，随着ρ和偏心距e的改变而改变，且γ∈[-90°,90°]连续变化，如附图4-4。

第二种偏心情况：上下研磨盘主轴中心在一条直线上，下研磨盘上的变曲率沟槽轨迹中心与下研磨盘中心偏心，单颗球研磨机理分析过程与第一种偏心情况分析过程相似，根据附图5-1、5-2、4-3的示意，设研磨盘与球的接触点分别为A、B、C，O₁，O₃为上/下研磨盘主轴中心，O₂为变曲率轨迹中心，e为O₁、O₂之间的距离，O_a为球心瞬时的曲率中心，O_b为球心，r_b为球坯半径，为球心O_b的瞬时极角，为球心瞬时的曲率中心O_a和球心O_b的连线与变曲率轨迹中心O₂和球心O_b连线之间的夹角。三接触点到上、下研磨盘回转轴的距离分别为l_A、l_B、l_C，ρ为球心O_b的瞬时极径。上、下研磨盘转速分别为ω₁、ω₂。以球心O_b的法向及切向运动方向建立平面坐标系X-Y。垂直直面向外的方向为Z方向，图5-2给出X-Z平面的分析图。沟槽轨迹3-4，沟槽的形状由下研磨盘内盘和下研磨盘外盘的斜角α、β确定，在实际的工程应用中，一般α＝β。根据理论推导，得到表达式：

上式也表明自转角γ是关于球心瞬时极径ρ和偏心距e的函数，随着ρ和偏心距e的改变而改变，且γ∈[-90°,90°]连续变化，如附图5-3。

因此，最终自转角的变化规律主要取决于偏心距和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)。

球坯在研磨中的随机打滑对球体研磨最为有害，不仅直接破坏球体的研磨质量，而且还破坏正常的研磨运动，从而引起相邻球体之间的挤碰，更严重的会影响到高精度球体研磨加工的正常进行。因此，加工载荷和研磨盘转速是另一重要的加工参数对确保高精度球在研磨中作无随机打滑研磨运动。在确定具体值时，必须兼顾加工质量和加工效率。例如，在粗研时可选择较大的研磨压力和研磨盘转速，以提高加工余量的去除速度，如果侧重于研磨精度，加工载荷和研磨盘转速应选小一点。变曲率轨迹、偏心量、加工载荷及研磨盘转速的最后确定，还必须通过大量的分析、仿真和球体研磨的现场实验，以取得最佳的研磨效果。

陶瓷属于脆性材料，在磨粒的作用下，表面会产生不同的裂纹，所以，陶瓷球的研磨加工要分步进行，由粗到精分多道工序来完成。工序多时辅助时间长，加工时间多，球的清洗取放时间长，最大优点是可以合理分配加工余量，每道工序效率高。工序少时辅助时间短，加工时间长，磨粒度差别大，必须保证足够的加工余量才能去除前道工序所留缺陷及逐渐提高加工精度。工序的划分要根据加工批量，球坯余量，误差大小等综合确定，批量较大时，工序划分有助于整体效率的提高。因此，本发明进行陶瓷球研磨加工的一个合理的加工工艺为:粗研——半精研——精研——超精研——抛光。为保证研磨效率和精度，应根据批量大小、球坯的余量来合理安排工序，由粗到精，逐步减小研磨压力和转速。调整合理的研磨剂有助于提高研磨精度和效率，需采取措施使磨料在研磨液中悬浮，研磨液循环要均匀。研磨装置的精度对研磨效率和精度的提高有很大的影响，主要应保证上下研磨盘之间的平行度、垂直度及导向精度，这直接关系到球坯的受力和运动状态。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：1、所采用的加工装置结构较为简单，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，同时通过循环输球装置，实现球体连续循环加工，减少了人为因素的影响，提高了加工的一致性和稳定性；2、结合合理的研磨加工工艺，可以有效提高陶瓷球的研磨精度和研磨效率，实现批量生产，在加工精度、效率及机械结构上具有明显的综合优势；3、本发明方法还可用于加工高精度钢制轴承球、玛璀球以及其它材料的球形零件，将对提高精密球批量生产的研磨精度和研磨效率，发展超高精度球和陶瓷球等特殊材质球都将起到非常积极的作用，可为高速、高精度主轴系统提供关键的基础零件，促进数控机床、精密仪器等相关产业向着高速，高效，高精度的方向快步发展，而且可以逐步形成专业生产高精度陶瓷球轴承的高科技产业，培育新的经济增长点。

附图说明

图1为本发明中轴偏心式变曲率沟槽磨盘加工高精度球体的装置的示意图。

图2为本发明中变曲率沟槽偏心式磨盘加工高精度球体的装置的示意图。

图3-1为本发明中磨盘沟槽轨迹为阿基米德螺旋线形状的示意图。

图3-2为本发明中磨盘沟槽轨迹为变距螺旋线形状的示意图。

图3-3为本发明中采用的偏心式阿基米德螺旋线沟槽轨迹示意图。

图3-4为本发明中采用的偏心式变距螺旋线轨迹示意图。

图4-1为本发明中轴偏心式变曲率沟槽磨盘俯视图上接触点的运动分析。

图4-2为本发明中轴偏心式变曲率沟槽中陶瓷球研磨几何关系图。

图4-3为本发明中自转角γ和θ的方位图。

图4-4为本发明中轴偏心式下自转角γ的仿真示意图。

图5-1为本发明中变曲率沟槽偏心式磨盘俯视图上接触点的运动分析。

图5-2为本发明中变曲率沟槽偏心式陶瓷球研磨几何关系图。

图5-3为本发明中变曲率沟槽偏心下自转角γ的仿真示意图。

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1，一种偏心式变曲率沟槽加工高精度球体的方法，实现所述加工方法的加工设备中，下研磨盘上开有变曲率轨迹的沟槽，载荷加压系统通过上研磨盘作用于球坯，所述的变曲率沟槽和上研磨盘一起构成研磨球的三个加工接触点，所述上研磨盘、下研磨盘旋转主轴的中心不在一条直线上，且上下主轴由独立的两个驱动机构(可以选择电机)驱动。

通过选择变曲率轨迹及上研磨盘主轴偏心量，使球坯作”变相对方位”运动，使研磨轨迹均匀分布在球的表面上。

参照图1和图3-1，本实施例所用的加工设备包括上研磨盘2、下研磨盘1、加压系统3、上研磨盘主轴4、下研磨盘主轴8、球坯5、第一物料盘7、第二物流盘9和循环输球装置6。上研磨盘2与加压系统3连接，下研磨盘1上开有变曲率轨迹的沟槽，所述变曲率轨迹的沟槽的入口与第二物料盘9相连，所述下研磨盘1上沟槽的终端与第一物料盘7相连，所述第一物料盘7与循环输球装置6一端相连，所述循环输球装置6另一端与第二物料盘9相连。所述上研磨盘主轴4与下研磨盘主轴8不在同一条直线上，即相互偏心设置，上研磨盘主轴4相对于下研磨盘主轴8的偏心方向逆变曲率轨迹曲率半径增长的方向。

下研磨盘1上的沟槽结构和上研磨盘2一起构成研磨球坯5的三个加工接触点，待加工球坯5在变曲率沟槽内运动，其自转角也随之改变，实现“变相对方位”研磨运动。使球坯表面获得均匀研磨，快速修正球形误差，提高球的研磨加工效率和加工精度。

实施例2

参照图2，一种偏心式变曲率沟槽加工高精度球体的方法，实现所述加工方法的加工设备中，下研磨盘上开有变曲率轨迹的沟槽，载荷加压系统通过上研磨盘作用于球坯，所述的沟槽结构和上研磨盘一起构成研磨球的三个加工接触点，所述变曲率沟槽的中心与下研磨盘主轴中心存在偏心，上下研磨盘主轴同轴，且上下主轴由独立的两个电机驱动。

参照图2和图3-3，本实施例所用的高效研磨/抛光装置其包括上研磨盘2、下研磨盘1、加压系统3、上研磨盘主轴4、下研磨盘主轴8、球坯5、物料盘7、9和循环输球装置6。上研磨盘2与加压系统3连接，下研磨盘1上开有变曲率沟槽，所述变曲率沟槽的中心与下研磨盘中心存在偏心，所述变曲率沟槽的入口与物料盘9相连，所述下研磨盘1上沟槽的终端与物料盘7相连，所述物料盘7与循环输球装置6一端相连，所述循环输球装置6另一端与物料盘9相连。所述上研磨盘主轴4与下研磨盘主轴8的中心在一条直线上，且分别由两个独立电机驱动。下研磨盘1上的沟槽结构和上研磨盘2一起构成研磨球坯5的三个加工接触点，待加工球坯5在变曲率沟槽内运动，其自转角也随之改变，实现“变相对方位”研磨运动。使球坯表面获得均匀研磨，快速修正球形误差，提高球的研磨加工效率和加工精度。

加工初始，下研磨盘1即变曲率沟槽盘上均匀的摆放待加工球坯5，物料盘9中放入部分待加工球坯5，加工过程中待加工球坯5在上、下研磨盘之间且于沟槽内运动，球坯依序进出变曲率沟槽进入物料盘7、9，如此往复循环数次。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、游离磨料、半固着磨料，所述待加工陶瓷球坯在上、下研磨盘工作面间，在一定载荷和磨料的作用下得到均匀研磨。利用本发明方法加工氮化硅陶瓷球坯，加工条件如下表1：

表1

下表2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。

表2

实施例3

参照附图1，本实施例中的变曲率沟槽轨迹采用图3-2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4

参照附图2，本实施例中变曲率沟槽偏心，所采用的变曲率沟槽轨迹如附图3-4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2相同。

Claims (5)

1.一种偏心式变曲率沟槽加工高精度球体的方法，其特征在于：实现所述方法的加工装置包括上研磨盘、下研磨盘和加压系统，所述上研磨盘连接上研磨盘主轴，所述下研磨盘连接下研磨盘主轴，所述上研磨盘主轴和下研磨盘主轴分别与驱动机构连接，所述上研磨盘位于下研磨盘的正上方，所述加载系统位于所述上研磨盘上，所述的下研磨盘上开有变曲率轨迹的沟槽，所述的变曲率轨迹的中心与研磨中心存在偏心；所述的加压系统通过上研磨盘作用于球坯，所述的沟槽结构和上研磨盘一起构成研磨球的三个加工接触点，加工过程中待加工球坯在上、下研磨盘之间且于沟槽内运动。

2.如权利要求1所述的一种偏心式变曲率沟槽加工高精度球体的方法，其特征在于：所述的变曲率轨迹的中心与研磨中心偏心的方式为：上研磨盘与下研磨盘主轴偏心，沟槽的变曲率轨迹中心与下研磨盘的中心重合。

3.如权利要求1所述的一种偏心式变曲率沟槽加工高精度球体的方法，其特征在于：所述的变曲率轨迹的中心与研磨中心偏心的方式为：上研磨盘与下研磨盘中心在一条直线上，沟槽的变曲率轨迹中心与下研磨盘的中心存在偏心。

4.如权利要求1～3之一所述的一种偏心式变曲率沟槽加工高精度球体的方法，其特征在于：所述加工装置还包括循环输球装置，所述循环输球装置的入口与所述沟槽的出口相连，所述上研磨盘上开有球体入口，所述循环输球装置的出口与所述球体入口的上端相连，所述球体入口的下端与所述沟槽的入口连通；加工后的球体依序进入循环输球装置，通过循环输球装置再次进入变曲率沟槽加工区域，实现球体的循环加工。

5.如权利要求1～3之一所述的一种偏心式变曲率沟槽加工高精度球体的方法，其特征在于：加工的磨料选择固着磨料或游离磨料。