CN201455763U - 高精度球双自转研磨盘高效研磨装置 - Google Patents

Abstract

一种高精度球双自转研磨盘高效研磨装置，包括机架、安装在机架上的研磨盘装置和载荷加压装置，研磨盘装置包括上研磨盘，上研磨盘上端安装载荷加压装置，高精度球双自转V形槽高效研磨装置还包括下研磨盘内盘和下研磨盘外盘，下研磨盘外盘和下研磨盘内盘以同轴形式布置，下研磨盘内盘嵌套在所述下研磨盘外盘内，下研磨盘内盘外侧的锥面研磨面和所述下研磨盘外盘内侧的锥形研磨面构成V形槽结构，下研磨盘外盘固定安装在机架上，所述上研磨盘安装在转轴上，转轴连接上研磨盘驱动电机，下研磨盘内盘安装在主轴上，主轴连接下研磨盘内盘驱动电机。本实用新型结构简单、加工成本低，同时具有较高的加工精度和加工效率。

Description

高精度球双自转研磨盘高效研磨装置

技术领域

本实用新型涉一种球形零件研磨装置，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/抛光加工装置，属于高精度球形零件加工技术领域。

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。由于氮化硅等先进陶瓷属硬脆难加工材料，材料烧结后的陶瓷球毛坯主要采用磨削(粗加工)→研磨(半精加工)→抛光(精加工)的方法进行加工。对于陶瓷球的研磨/抛光工艺而言，加工过程采用游离磨料，在机械、化学效应的作用下，对陶瓷球坯表面材料进行微小的去除，以达到提高尺寸精度，提高表面完整性的目的。传统的陶瓷球研磨/抛光加工主要是在加工钢质轴承球的V形槽研磨设备上进行的，采用硬质、昂贵的金刚石磨料作为磨料，加工周期长(完成一批陶瓷球需要几周时间)。漫长的加工过程以及昂贵的金刚石磨料导致了高昂的制造成本，限制了陶瓷球的应用。随着仪器设备精度的不断提高，对陶瓷球等特殊材质球体的加工精度提出了更高的要求，同时需要提高加工效率和一致性以降低生产成本。

研磨/抛光装置对陶瓷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。而在保证毛坯球本身质量和其它加工条件(压力、速度、磨料)的前提下，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。因此，必须对研磨/抛光装置的运行过程及陶瓷球在研磨/抛光过程的运动状态进行深入分析，掌握影响精度和效率的原因，才能为陶瓷球的加工提供合理的设备和相应的加工工艺。

对于陶瓷球的研磨加工，国内外已有一些相应的加工装置，如：V形槽研磨加工装置、圆沟槽研磨加工装置、锥形盘研磨加工装置、自转角主动控制研磨装置、磁悬浮研磨加工装置等.在V形槽研磨加工装置、圆沟槽研磨加工装置、锥形盘研磨加工装置等设备的加工过程中，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.

自转角主动控制研磨装置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。但装置动力源多，结构及控制系统复杂，对制造和装配精度都有较高的要求，加工成本高。陶瓷球磁悬浮研磨加工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。磁悬浮研磨加工装置和控制复杂，磁流体的成本也较高。

实用新型内容

为了克服已有球形零件研磨装置的不能同时兼顾加工成本和加工精度、加工效率的不足，本实用新型提供一种结构简单、加工成本低，同时具有较高的加工精度和加工效率的高精度球双自转研磨盘高效研磨装置。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种高精度球双自转研磨盘高效研磨装置，包括机架、安装在机架上的研磨盘装置和载荷加压装置，所述研磨盘装置包括上研磨盘，所述上研磨盘上端安装载荷加压装置，所述的高精度球双自转研磨盘高效研磨装置还包括下研磨盘内盘和下研磨盘外盘，所述的下研磨盘外盘和下研磨盘内盘以同轴形式布置，所述下研磨盘内盘嵌套在所述下研磨盘外盘内，所述下研磨盘内盘外侧的锥面研磨面和所述下研磨盘外盘内侧的锥形研磨面构成V形槽结构，所述下研磨盘外盘固定安装在机架上，所述上研磨盘安装在转轴上，所述转轴连接上研磨盘驱动电机，所述下研磨盘内盘安装在主轴上，所述主轴连接下研磨盘内盘驱动电机。

进一步，所述的载荷加压装置为液压-弹簧载荷加压装置，所述载荷加压装置下端浮动地安装所述上研磨盘和测力计，载荷加压装置上还设有当上研磨盘下降到位后将上研磨盘锁紧定位的锁紧装置。

更进一步，所述机架包括底座、立柱和横梁，所述底座上安装立柱，两个立柱之间安装横梁，所述液压-弹簧载荷加压装置的液压缸安装在所述横梁上。

本实用新型的技术构思为：双自转研磨盘高效研磨装置采用三块研磨盘构成构成V形槽结构，与陶瓷球构成三点接触进行研磨，上研磨盘、下研磨盘内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，通过调整这两块研磨盘的转速组合，实现球坯自转角的变化，使研磨轨迹能均匀覆盖整个球坯表面，快速修正球形误差；下研磨盘外盘与机架相连；液压-弹簧载荷加压装置通过上研磨盘对球坯施加载荷。

该研磨装置采用一块上研磨盘和两块下研磨盘构成研磨盘组件.上研磨盘在加工过程中由单独的电机驱动通过齿轮传动做旋转运动，下端面为研磨面，液压-弹簧载荷加压装置通过上研磨盘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——磨大球，不磨或少磨小球；磨球坯的长轴，不磨或少磨短轴.下研磨盘由内外两个盘组成，下研磨盘内盘由单独的电机驱动，做独立转动；下研磨盘外盘固定不动；下研磨盘内盘外侧的锥面研磨面和下研磨盘外盘的内侧的锥形研磨面构成V形槽结构.加工过程中，陶瓷球坯在V形槽中受到研磨盘的驱动公转并自转，在磨料的作用下实现材料去除，研磨成球.由于存在两个驱动，完全可以实现球坯两个自由度方向的旋转，实现完整的成球运动，即通过控制上研磨盘和下研磨盘内盘的转速组合，可使研磨过程中球坯的自旋轴与公转轴的相对方位发生变化，实现球坯“变相对方位”的成球运动，使球坯表面获得均匀研磨，快速修正球形偏差，从而提高加工精度与加工效率.

本实用新型与自转角主动控制研磨装置一样能够实现球坯自转轴与公转轴相对方位的调整，实现球坯表面的均匀研磨/抛光，区别在于本实用新型的上研磨盘与下研磨的同轴度要求较低；上盘稍有浮动，降低了上、下研磨盘的平行度要求，并便于通过上盘对球坯加压；驱动、传动装置由三个减少至两个。这样，设备的结构得到很大简化，加工、装配的精度要求也相对降低。

在陶瓷球研磨/抛光过程中，其单个陶瓷球研磨机理分析如下：下研磨盘外盘周向固定，上研磨盘和下研磨盘内盘独立转动；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，陶瓷球只受研磨盘作用，下研磨盘通过与陶瓷球的接触点无滑动地带动陶瓷球作研磨运动。设定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R_A、R_B、R_C。下研磨盘内盘转速为Ω_C，上研磨盘转速为Ω_A。半径为r_b的球坯在下研磨盘组成的V形槽内以角速度Ω_b公转，同时以角速度ω_b自转。V形槽道的形状由下研磨盘内盘和下研磨盘外盘的斜角α、β确定，并有R_B＝R_A+r_bcosα，R_C＝R_A-r_bcosβ。在实际的工程应用中，一般α＝β。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ω_b矢量在此平面上的方向由θ表示。在θ角不变的情况下，A、B、C三接触点在陶瓷球表面形成的三条研磨轨迹是同轴的三个圆。自转角θ的取值与输入转速Ω_A、Ω_C紧密相关，通过改变输入转速Ω_A、Ω_C，自转角θ可以在0～180°范围内取值。这样就可以通过调整Ω_A和Ω_C的速度组合，使陶瓷球作“变相对方位”，使研磨迹均匀分布在球的表面上，实现对陶瓷球表面的均匀研磨。同时，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，从而提高加工精度与加工效率。

本实用新型对陶瓷球进行研磨/抛光加工所涉及的几何和工艺参数很多，但对陶瓷球研磨有重要影响的主要有：几何参数r_b、R_A、α、β等，以及加工载荷W和Ω_A、Ω_C、磨料等工艺参数。这里着重探讨其中最重要的三个参数——加工载荷W、上研磨盘转速Ω_A和下研磨盘内盘转速Ω_C。陶瓷球在研磨中的随机打滑对陶瓷球研磨最为有害，不仅直接破坏陶瓷球的研磨质量，而且还破坏正常的研磨运动，从而引起相邻陶瓷球之间的挤碰，更严重的会影响到陶瓷球研磨加工的正常进行。因此，分析加工载荷和两块下研磨盘转速的出发点是，必须确保陶瓷球在研磨中作无随机打滑研磨运动。而随机打滑现象直接与加工载荷与研磨盘转速参数是紧密相关的。提高加工载荷和研磨盘转速有利于提高球坯的材料去除率，但由此造成的随机打滑和尺寸旋转性下降则会降低球度精度。因此，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，Ω_A、Ω_C、W应该选小一点。Ω_A、Ω_C、W的最后确定，还必须通过大量的分析、仿真和陶瓷球研磨的现场实验，以取得最佳的研磨效果。

本实用新型的有益效果主要表现在：1、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，同时通过研磨盘转速的自动化控制，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、设备同时还可以用于加工高精度钢制轴承球、玛瑙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是本实用新型的的结构示意图。

图2为本实用新型中陶瓷球研磨机理图。

图3为本实用新型中陶瓷球研磨几何关系图。

图4为本实用新型中陶瓷球研磨运动分析图。

图5为陶瓷球表面研磨迹线仿真示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步描述。

参照图1～图5，一种高精度球双自转研磨盘高效研磨装置，包括机架1、安装在机架1上的研磨盘装置和载荷加压装置13，所述研磨盘装置包括上研磨盘7，所述上研磨盘7上端安装载荷加压装置13，所述的高精度球双自转V形槽高效研磨装置还包括下研磨盘内盘6和下研磨盘外盘5，所述的下研磨盘外盘5和下研磨盘内盘6以同轴形式布置，所述下研磨盘内盘6嵌套在所述下研磨盘外盘5内，所述下研磨盘内盘6外侧的锥面研磨面和所述下研磨盘外盘5内侧的锥形研磨面构成V形槽结构，所述下研磨盘外盘5固定安装在机架1上，所述上研磨盘7安装在转轴上，所述转轴连接上研磨盘驱动电机9，所述下研磨盘内盘6安装在主轴4上，所述主轴4连接下研磨盘内盘驱动电机2。

所述的载荷加压装置13为液压-弹簧载荷加压装置，所述载荷加压装置下端浮动地安装所述上研磨盘和测力计12，载荷加压装置上还设有当上研磨盘下降到位后将上研磨盘锁紧定位的锁紧装置。

所述机架包括底座、立柱14和横梁11，所述底座上安装立柱14，两个立柱14之间安装横梁11，所述液压-弹簧载荷加压装置的液压缸10安装在所述横梁上。

高精度球双自转研磨盘高效研磨装置包括设置在机架1上的上研磨盘7、下研磨外盘5、下研磨盘内盘6，下研磨盘内盘驱动电机2，下研磨盘内盘传动装置3，下研磨盘内盘主轴4，上研磨盘驱动电机9，上研磨盘传动装置8，液压缸10，加压装置13，测力计12，横梁11，立柱14，研磨台15，下研磨盘内盘外侧的锥面研磨面和下研磨盘外盘的内侧的锥形研磨面构成V形槽结构，和上研磨盘一起构成研磨陶瓷球的三个加工接触点；上研磨盘和下研磨盘内盘独立转动，所述的下研磨盘外盘与下研磨盘内盘的驱动轴、上研磨盘的驱动轴与载荷加压装置之间均采用轴承连接。上研磨盘连接液压-弹簧加压载荷装置。

所述的下研磨外盘和下研磨盘内盘具有同轴布置的形式，以及对上研磨盘施加的液压-弹簧加压载荷装置.

液压-弹簧载荷加压装置安装于横梁中间，载荷加压装置下端装有稍带浮动的上研磨盘、测力计，载荷加压装置上还有当上研磨盘下降到位后将上研磨盘锁紧定位的锁紧装置；下研磨盘外盘与机架相连。上研磨盘安装在液压-弹簧载荷加压装置的下端，稍带浮动，上研磨下端面为研磨面。液压-弹簧载荷加压装置可实现上研磨盘在上、下球坯时的升降。当上研磨盘与球坯接触后，载荷加压装置把压力通过弹簧传递至上研磨盘，对球坯施加加压载荷。通过调整液压-弹簧载荷加压装置可控制压力大小，压力值可以通过测力计显示。上研磨盘下降到位后，由锁紧机构将上研磨盘锁紧，防止上研磨盘向上运动，保证稳定加压。下研磨盘组件由下研磨盘内盘和下研磨盘外盘组成，分别以同轴形式布置安装；下研磨盘外盘与机架相连。下研磨盘内盘和上研磨盘分别由各自电机驱动，做独立旋转运动，转速可调。下研磨盘内盘外侧的锥面研磨面和下研磨盘外盘的内侧的锥形研磨面构成V形槽结构。研磨过程中球坯就放置在环形的V形槽内，在研磨盘的带动下公转并自转。

下表1列出了高精度球双自转研磨盘高效研磨装置陶瓷球研磨加工条件：

表1

研磨磨料使用金刚石磨料，也可以使用SiC，B₄C磨料.金刚石磨料成本较高，加工效率高.粗研磨有两个作用：一是消除球坯表面较大的制备缺陷，减少球形误差，统一球径；二是高效去初余量满足球径要求.粗研应首先将球坯按最大直径分组，缩短研磨初期的不稳定过程，并尽量减少其跳动以提高研磨效率.精研的目的是提高球的精度和表面质量，去除余量应保证消除前道工序所遗留的缺陷，不仅如此，还应保证足够余量以便逐渐提高精度.抛光的主要目的是提高表面质量.

下表2列出了一个较合理的加工工艺参数：

表2

下表3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，采用双自转V形槽研磨设备加工的陶瓷球的部分技术指标(μm)：

表3

下表4给出了给定工艺条件下，在半精加工阶段采用固着磨料技术，采用双自转研磨盘研磨设备加工G5和G3陶瓷球，精研-超精研-抛光所需的时间，与传统的V形槽研磨设备相比，加工时间是传统加工方法的1/2～1/4：

表4。

Claims (3)

1.一种高精度球双自转研磨盘高效研磨装置，包括机架、安装在机架上的研磨盘装置和载荷加压装置，所述研磨盘装置包括上研磨盘，所述上研磨盘上端安装载荷加压装置，其特征在于：所述的高精度球双自转研磨盘高效研磨装置还包括下研磨盘内盘和下研磨盘外盘，所述的下研磨盘外盘和下研磨盘内盘以同轴形式布置，所述下研磨盘内盘嵌套在所述下研磨盘外盘内，所述下研磨盘内盘外侧的锥面研磨面和所述下研磨盘外盘内侧的锥形研磨面构成V形槽结构，所述下研磨盘外盘固定安装在机架上，所述上研磨盘安装在转轴上，所述转轴连接上研磨盘驱动电机，所述下研磨盘内盘安装在主轴上，所述主轴连接下研磨盘内盘驱动电机。

2.如权利要求1所述的高精度球双自转研磨盘高效研磨装置，其特征在于：所述的载荷加压装置为液压-弹簧载荷加压装置，所述载荷加压装置下端浮动地安装所述上研磨盘和测力计，载荷加压装置上还设有当上研磨盘下降到位后将上研磨盘锁紧定位的锁紧装置。

3.如权利要求2所述的高精度球双自转研磨盘高效研磨装置，其特征在于：所述机架包括底座、立柱和横梁，所述底座上安装立柱，两个立柱之间安装横梁，所述液压-弹簧载荷加压装置的液压缸安装在所述横梁上。

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