一種高精度陶瓷球高效研磨/拋光加工工藝的制作方法

專利名稱：：一種高精度陶瓷球高效研磨/拋光加工工藝的制作方法
技術領域：
：本發明涉及一種球形零件研磨加工工藝，特別涉及高速、高精度陶瓷球軸承中高精度陶瓷球的精密研磨/拋光加工工藝，屬于高精度球形零件加工技術。
背景技術：
：高精度球是是圓度儀、陀螺、軸承和精密測量中的重要元件，并常作為精密測量的基準，在精密設備和精密加工中具有十分重要的地位。特別是在球軸承中大量使用，是球軸承的關鍵零件，軸承球的精度(球形偏差、球直徑變動量和表面粗糙度)直接影響著球軸承的運動精度、噪聲及壽命等技術指標，進而影響設備、儀器的性能。與傳統的軸承鋼球材料(GCrl5)相比，氮化硅等先進陶瓷材料具有耐磨、耐高溫、耐腐蝕、無磁性、低密度(為軸承鋼的40%左右)，熱脹系數小(為軸承鋼的25%)及彈性模量大(為軸承鋼的1.5倍)等一系列優點，被認為是制造噴氣引擎、精密高速機床、精密儀器中高速、高精度及特殊環境下工作軸承球的最佳材料。由于氮化硅等先進陶瓷屬硬脆難加工材料，材料燒結后的陶瓷球毛坯主要采用磨削(粗加工)一研磨(半精加工)一拋光(精加工)的工藝進行加工。對于陶瓷球的研磨/拋光工藝而言，加工過程采用游離磨料，在機械、化學效應的作用下，對陶瓷球坯表面材料進行微小的去除，以達到提高尺寸精度，提高表面完整性的目的。傳統的陶瓷球研磨/拋光加工主要是在加工鋼質軸承球的V形槽研磨設備上進行的，采用硬質、昂貴的金剛石磨料作為磨料，加工周期長(完成一批陶瓷球需要幾周時間)。漫長的加工過程以及昂貴的金剛石磨料導致了高昂的制造成本，限制了陶瓷球的應用。隨著儀器設備精度的不斷提高，對陶瓷球等特殊材質球體的加工精度提出了更高的要求，同時需要提高加工效率和一致性以降低生產成本。因此，對于陶瓷球等難加工材料高精度球的加工，急需一種既能實現較高的加工精度和加工效率，又具備加工裝置結構簡單、制造成本較低的陶瓷球研磨/拋光加工工藝。
發明內容為了克服現有技術球形零件研磨加工工藝存在的球度和加工效率低、加工一致性差、加工裝置和控制復雜、成本高的不足，本發明提供一種既能實現較高的加工精度和加工效率，又具備加工裝置結構簡單、制造成本較低的高精度陶瓷球高效研磨/拋光加工工藝。本發明解決其技術問題所采用的技術方案是—種高精度陶瓷球高效研磨/拋光加工工藝，包括以下步驟(1)、粗研加工，其工藝條件為磨料金剛石或B4C或SiC;磨料的粒度W40W20;磨料在研磨盤中的質量百分比為20%80%;載荷壓力815N/球；研磨液水；(2)、半精研加工，其工藝條件為磨料金剛石或B4C或SiC;磨料的粒度W20W10;磨料在研磨盤中的質量百分比為20%80%;載荷壓力610N/球；研磨液水；(3)、精研加工，其工藝條件為載荷壓力25N/球；磨料金剛石或B4C或SiC;磨料的粒度WIOW5;磨料的質量百分數10%30%;基液煤油，基液的質量百分數60%80%;添加劑為潤滑油，潤滑油的質量百分數4%7%;分散劑的質量百分數3%6%。(4)、超精研加工，其工藝條件為載荷壓力12N/球；磨料金剛石或B4C或SiC;磨料的粒度W2W0.5;磨料的質量百分數10%25%;基液煤油；基液的質量百分數65%80%;添加劑為潤滑油，潤滑油的質量百分數4%7%;分散劑的質量百分數3%6%。(5)、拋光加工，其工藝條件為載荷壓力0.51N/球；磨料Ce02微粉；磨料的粒度500;磨料的質量百分數5%20%;基液煤油；基液的質量百分數70%85%;添加劑為潤滑油，潤滑油的質量百分數4%7%;分散劑的質量百分數3%6%。作為優選的一種方案所述步驟(1)_(2)中采用雙盤自轉偏心V形槽研磨機，上研磨盤和下研磨盤上下布置，所述下研磨盤上表面開有至少三條以上供放置球坯的V型槽，所述的各條V型槽為同心圓，所述同心圓的圓心與下研磨盤的圓心重合，所述上研磨盤與下研磨盤相互偏心，載荷加壓裝置通過上研磨盤作用于球坯，所述上研磨盤和下研磨盤分別由電機驅動，轉速組合上研磨盤Qc:6080(rpm);下研磨盤轉速QB:QB=Qc。作為優選的另一種方案所述步驟(3)_(5)中采用雙自轉研磨盤研磨機，由下研磨盤內盤外側的錐面研磨面和下研磨盤外盤內側的錐形研磨面構成v形槽結構，載荷加壓裝置通過上研磨盤作用于球坯，所述的v形槽結構和上研磨盤一起構成研磨球的三個加工接觸點，所述上研磨盤、下研磨盤外盤和下研磨內盤具有相同的回轉軸；在所述的上研磨盤、下研磨盤外盤和下研磨內盤中，其中兩個盤的轉軸分別由電機驅動，兩個盤的轉速為Qb禾口Qc;轉速組合Qc:4060rpm;QB:QB=3QCsin(O.01Jit)。進一步，所述雙盤自轉偏心V形槽研磨機的研磨盤采用固著磨料研磨盤。再進一步，所述雙自轉研磨盤研磨機的研磨盤采用鑄鐵研磨盤。本發明的技術構思為為提高球體加工質量、加工效率及精度一致性，本發明提出了一種高效精密加工工藝，采用雙盤自轉偏心式固著磨料研磨方式進行粗加工和半精加工，采用雙自轉研磨盤研磨方式進行精加工、超精加工和拋光。雙盤自轉偏心式研磨方式的研磨盤可開設多道同心圓研磨溝槽，因此，一次裝球量要大于雙自轉研磨盤精密球體研磨機，結合固著磨料研磨盤，整體加工效率要優于雙自轉研磨盤精密球體研磨機。但是，是偏心成球方式下，球體與上研磨盤始終不能形成穩定的接觸，會在一定程度上影響球體的精度一致性。因此，一般采用雙盤自轉偏心V形槽研磨機作為其前道工序——粗加工和半精加工的設備，達到快速修整球形誤差，提高加工效率的目的；采用雙自轉研磨盤研磨機作為其后道工序——精加工、超精加工和拋光的設備，達到提高加工精度和球度一致性的目的。陶瓷屬于脆性材料，在磨粒的作用下，表面會產生不同的裂紋，所以，陶瓷球的研磨加工要分步進行，由粗到精分多道工序來完成。工序多時輔助時間長，加工時間多，球的清洗取放時間長，最大優點是可以合理分配加工余量，每道工序效率高。工序少時輔助時間短，加工時間長，磨粒度差別大，必須保證足夠的加工余量才能去除前道工序所留缺陷及逐漸提高加工精度。工序的劃分要根據加工批量，球坯余量，誤差大小等綜合確定，批量較大時，工序劃分有助于整體效率的提高。因此，本發明進行陶瓷球研磨加工的合理的加工工藝為粗研_半精研_精研_超精研-拋光。為保證研磨效率和精度，應根據批量大小、球坯的余量來合理安排工序，由粗到精，逐步減小研磨壓力和運動研磨盤的轉速組合。調整合理的研磨劑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懸浮，研磨液循環要均勻。與現有技術相比，本發明具有以下優點1、有效提高陶瓷球等球形零件的研磨精度和研磨效率，降低生產成本，實現批量生產，在加工精度、效率及機械裝備結構上具有明顯的綜合優勢；2、對提高精密球批量生產的研磨精度和研磨效率，發展超高精度球和陶瓷球等特殊材質球都將起到非常積極的作用，可為高速、高精度主軸系統提供關鍵的基礎零件，促進數控機床、精密儀器等相關產業向著高速，高效，高精度的方向快步發展，而且可以逐步形成專業生產高精度陶瓷球軸承的高科技產業，培育新的經濟增長點。圖1是高精度陶瓷球粗研加工和半精研加工設備雙盤自轉偏心V形槽研磨機結構示意圖。圖2是高精度陶瓷球精研加工、超精研加工和拋光加工設備雙自轉研磨盤研磨機結構示意圖。具體實施例方式下面對本發明作進一步描述。—種高精度陶瓷球高效研磨/拋光加工工藝，該加工工藝包括如下工序粗研加工，半精研加工，精研加工，超精研加工，拋光加工，具體有(1)、粗研其加工工藝條件為設備雙盤自轉偏心V形槽研磨機。研磨盤固著磨料研磨盤。磨料金剛石；磨料的粒度W25;磨料在研磨盤中的質量百分比為20%80%，例如采用50%，其余為結合劑；載荷壓力10(N/球)。轉速組合Qc:70(rpm);QB:QB=Qc。研磨液水。(2)、半精研其加工工藝條件為設備雙盤自轉偏心V形槽研磨機。研磨盤固著磨料研磨盤。磨料金剛石；磨料的粒度W15;磨料在研磨盤中的質量百分比為20%80%，例如采用40%，其余為結合劑；載荷壓力8(N/球)。轉速組合Qc:60(rpm);QB:QB=Qc。研磨液水。(3)、精研其加工工藝條件為設備雙自轉研磨盤研磨機。研磨盤鑄鐵研磨盤。載荷壓力2.5(N/球)。轉速組合QC:50(rpm);QB:QB=3QCsin(0.01jit)。磨料B4C;磨料的粒度W5;磨料的質量分數20%。基液煤油；基液的質量分數70%。添加劑及其質量分數潤滑油，5%;分散劑，5%。(4)、超精研其加工工藝條件為設備雙自轉研磨盤研磨機。研磨盤鑄鐵研磨盤。載荷壓力1.5(N/球)。轉速組合QC:35(rpm);QB:QB=3QCsin(0.01jit)。磨料B4C;磨料的粒度W1;磨料的質量分數15%。基液煤油；基液的質量分數75%。添加劑及其質量分數潤滑油，5%;分散劑，5%。(5)、拋光其加工工藝條件為設備雙自轉研磨盤研磨機。研磨盤鑄鐵研磨盤。載荷壓力0.5(N/球)。轉速組合Qc:20(rpm);QB:QB=3QCsin(0.01jit)。磨料Ce02微粉；磨料的質量分數10%。基液煤油；基液的質量分數80%。添加劑及其質量分數潤滑油，5%;分散劑，5%。參照圖1所示，雙盤自轉偏心V形槽研磨機的結構示意圖，主要包括下研磨驅動電機1，機體2，立柱3，加壓桿4，橫梁6加壓裝置7，下研磨盤驅動電機8，上研磨盤主軸9，壓力計IO，法蘭盤ll，上研磨盤12下研磨盤13，下研磨內盤驅動電機14，傳動皮帶15等部件組成。上、下研磨盤12、13各自由獨立電機通過驅動軸帶動，轉速可調。下研磨盤13上端面開多道V形槽，與同軸三盤、磁流體研磨方式相比，更適用于大批量生產。上研磨盤的回轉主軸不經過下研磨盤的V形槽的中心，即上下兩研磨盤的回轉中心不同軸，球坯與上研磨盤12的接觸點將沿上盤徑向移動。該種方式對上下研磨盤的中心同軸要求不高，但能使研磨軌跡不斷變化，與V形槽研磨方式相比，能獲得更好的球度。上研磨盤和下研磨盤不同偏心距的設置通過連接立柱3的橫梁6的轉動實現。液壓加壓裝置7安裝于橫梁中間。加壓桿4下端連接上研磨盤，加壓桿可上下移動實現上研磨盤的升降。當上研磨盤與球坯接觸后，加壓桿把壓力通過法蘭盤ll內置蝶形彈簧傳遞至上研磨盤，對球坯施加加工載荷。通過調整加壓桿的下壓行程條件加工載荷，壓力值可以通過測力計IO顯示。上研磨盤的位置完全由加壓桿的行程決定，一旦行程確定后，上研磨盤的位置通過鎖緊機構固定，保證了穩定加壓。上研磨盤上開有數個小孔，便于研磨液進入V形槽參與加工。參照圖2所示，為雙自轉研磨盤研磨機的結構示意圖，主要包括上研磨盤23、下內盤組件21、下外盤組件22、內軸18、外軸20、傳動機構16、17、電機19、31、左右立柱28、橫梁27、上研磨鎖緊裝置26、加壓裝置25、彈簧24、水槽29和箱體30。下研磨盤內盤21和外盤22，以同軸的形式安裝，相互之間采用軸承連接，保證兩塊下研磨盤能夠獨立轉動。下研磨盤內盤外側的錐面研磨面和下研磨盤外盤的內側的錐形研磨面構成V形槽結構。研磨過程中球坯放置在環形的V形槽內，在研磨盤的帶動下公轉并自轉。下研磨盤外盤驅動采用了轉速可編程控制的交流伺服電機19、31，通過傳動機構16、17傳動，經內軸18和外軸20分別驅動下內研磨和下外研磨。研磨轉速由光柵測速器實時監控，以保證電機按預設的轉速曲線運轉。安裝在橫梁上的加壓裝置25將上研磨盤23下壓，將壓力施加到待研磨球坯上。加載到位后，有鎖緊裝置26鎖緊。安裝于機體30上的立柱28用于支撐橫梁。水槽29用于防止研磨液外流。上研磨盤上開有數個小孔，便于研磨液進入V形槽參與加工。表1列出了陶瓷球研磨加工工藝條件<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>表1研磨磨料使用金剛石磨料，也可以使用SiC，B^磨料。金剛石磨料成本較高，加工效率高。粗研磨有兩個作用一是消除球坯表面較大的制備缺陷，減少球形誤差，統一球徑；二是高效去初余量滿足球徑要求。粗研應首先將球坯按最大直徑分組，縮短研磨初期的不穩定過程，并盡量減少其跳動以提高研磨效率。精研的目的是提高球的精度和表面質量，去除余量應保證消除前道工序所遺留的缺陷，不僅如此，還應保證足夠余量以便逐漸提高精度。拋光的主要目的是提高表面質量。表2列出的是成品陶瓷球的檢測結果。從檢測結果看加工出的陶瓷球的精度水平已達到鋼球的G3精度。<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>權利要求一種高精度陶瓷球高效研磨/拋光加工工藝，其特征在于所述加工工藝包括以下步驟(1)、粗研加工，其工藝條件為磨料金剛石或B4C或SiC；磨料的粒度W40～W20；磨料在研磨盤中的質量百分比為20％～80％；載荷壓力8～15N/球；研磨液水；(2)、半精研加工，其工藝條件為磨料金剛石或B4C或SiC；磨料的粒度W20～W10；磨料在研磨盤中的質量百分比為20％～80％；載荷壓力6～10N/球；研磨液水；(3)、精研加工，其工藝條件為載荷壓力2～5N/球；磨料金剛石或B4C或SiC；磨料的粒度W10～W5；磨料的質量百分數10％～30％；基液煤油，基液的質量百分數60％～80％；添加劑為潤滑油，潤滑油的質量百分數4％～7％；分散劑的質量百分數3％～6％。(4)、超精研加工，其工藝條件為載荷壓力1～2N/球；磨料金剛石或B4C或SiC；磨料的粒度W2～W0.5；磨料的質量百分數10％～25％；基液煤油；基液的質量百分數65％～80％；添加劑為潤滑油，潤滑油的質量百分數4％～7％；分散劑的質量百分數3％～6％。(5)、拋光加工，其工藝條件為載荷壓力0.5～1N/球；磨料CeO2微粉；磨料的粒度500；磨料的質量百分數5％～20％；基液煤油；基液的質量百分數70％～85％；添加劑為潤滑油，潤滑油的質量百分數4％～7％；分散劑的質量百分數3％～6％。2.如權利要求1所述的高精度陶瓷球高效研磨/拋光加工工藝，其特征在于所述步驟(1)_(2)中采用雙盤自轉偏心V形槽研磨機，上研磨盤和下研磨盤上下布置，所述下研磨盤上表面開有至少三條以上供放置球坯的V型槽，所述的各條V型槽為同心圓，所述同心圓的圓心與下研磨盤的圓心重合，所述上研磨盤與下研磨盤相互偏心，載荷加壓裝置通過上研磨盤作用于球坯，所述上研磨盤和下研磨盤分別由電機驅動，轉速組合上研磨盤Qc:6080(rpm);下研磨盤轉速QB:QB=Qc。3.如權利要求1所述的高精度陶瓷球高效研磨/拋光加工工藝，其特征在于所述步驟(3)-(5)中采用雙自轉研磨盤研磨機，由下研磨盤內盤外側的錐面研磨面和下研磨盤外盤內側的錐形研磨面構成V形槽結構，載荷加壓裝置通過上研磨盤作用于球坯，所述的V形槽結構和上研磨盤一起構成研磨球的三個加工接觸點，所述上研磨盤、下研磨盤外盤和下研磨內盤具有相同的回轉軸；在所述的上研磨盤、下研磨盤外盤和下研磨內盤中，其中兩個盤的轉軸分別由電機驅動，兩個盤的轉速為Qb和Qc;轉速組合Qc:4060rpm;QB:^=3QCsin(O.01Jit)。4.如權利要求2所述的高精度陶瓷球高效研磨/拋光加工工藝，其特征在于所述雙盤自轉偏心V形槽研磨機的研磨盤采用固著磨料研磨盤。5.如權利要求3所述的高精度陶瓷球高效研磨/拋光加工工藝，其特征在于所述雙自轉研磨盤研磨機的研磨盤采用鑄鐵研磨盤。全文摘要一種高精度陶瓷球高效研磨/拋光加工工藝，所述加工工藝包括以下步驟(1)粗研加工；(2)半精研加工；(3)精研加工；(4)超精研加工；(5)拋光加工。其中所述步驟(1)-(2)中采用雙盤自轉偏心V形槽研磨機，所述步驟(3)-(5)中采用雙自轉研磨盤研磨機。本發明既能實現較高的加工精度和加工效率，又具備加工裝置結構簡單、制造成本較低。文檔編號B24B11/06GK101704208SQ200910099280公開日2010年5月12日申請日期2009年6月1日優先權日2009年6月1日發明者呂冰海,王志偉,范紅偉,袁巨龍申請人:浙江工業大學;湖南大學