一種軸偏心式變曲率溝槽加工高精度球體的裝置制造方法
【專利摘要】一種軸偏心式變曲率溝槽加工高精度球體的裝置，包括機架、上研磨盤、下研磨盤和加載系統，上研磨盤連接上研磨盤主軸，下研磨盤連接下研磨盤主軸，上研磨盤主軸和下研磨盤主軸分別與驅動機構連接，上研磨盤位于下研磨盤的正上方，加載系統位于上研磨盤上，上研磨盤主軸與下研磨盤主軸偏心，上研磨盤的中心開有球體入口，下研磨盤的頂面開設變曲率軌跡的溝槽，球體入口的下端與溝槽的入口連通，循環輸球裝置的入口與溝槽的出口相連，循環輸球裝置的出口與球體入口的上端相連。本實用新型加工精度與加工效率、加工一致性高，同時結構簡單，加工和裝配的精度要求低。
【專利說明】一種軸偏心式變曲率溝槽加工高精度球體的裝置
【技術領域】
[0001]本發明屬于高精度球形零件加工技術，涉及一種高精度球體的加工裝置，尤其是高速、高精度陶瓷球軸承中高精度陶瓷球的精密研磨/拋光加工裝置。
【背景技術】
[0002]精密球是圓度儀、陀螺儀等精密測量儀器中的重要元件，并常作為精密測量(如主軸回轉精度)的基準。精密球在精密工程領域占有十分重要的地位。軸承用球的精度(球形偏差和表面粗糙度)直接影響著軸承的運動精度及壽命，進而影響儀器、設備功能的發揮。與傳統的軸承鋼球材料(GCrl5)相比，氮化硅等先進陶瓷材料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，因其具有耐磨、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。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)的方法進行加工。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，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。
[0003]研磨/拋光裝置對陶瓷球的研磨精度和效率有著重要的影響。研磨過程中，球坯和研具的研磨方式直接決定了球坯的研磨成球運動。而在保證毛坯球本身質量和其它加工條件(壓力、速度、磨料)的前提下，研磨跡線能否均勻覆蓋球面是高效研磨球坯，提高球度，獲得高精密球的關鍵。因此，必須對研磨/拋光裝置的運行過程及陶瓷球在研磨/拋光過程的運動狀態進行深入分析，掌握影響精度和效率的原因，才能為陶瓷球的加工提供合理的設備和相應的加工工藝。
[0004]目前，國內外已有一些相應的方法加工高精度球體，這些方法主要分為研具加工方法和磨盤加工方法。研具加工方法加工效率低，精度高。磨盤研磨法加工效率高，但精度低，其包括V形槽研磨法、圓溝槽研磨法、錐形盤研磨法、自轉角主動控制研磨法、磁懸浮研磨法等。在V形槽研磨加工、圓溝槽研磨加工、錐形盤研磨加工等加工過程中，球坯只能作“不變相對方位”研磨運動，即球坯的自轉軸對公轉軸的相對空間方位固定，球坯繞著一固定的自轉軸自轉。實踐和理論分析都表明“不變相對方位”研磨運動對球的研磨是不利的，球坯與研磨盤的接觸點在球坯表面形成的研磨跡線是一組以球坯自轉軸為軸的圓環，研磨盤沿著三接觸點的三個同軸圓跡線對球坯進行“重復性”研磨，不利于球坯表面迅速獲得均勻研磨，在實際加工中需要依靠球坯打滑、攪動等現象，使球坯的自旋軸與公轉軸的相對工件方位發生緩慢變化，達到均勻研磨的目的，但這種自旋角的變化非常緩慢，是隨機、不可控的，從而限制了加工的球度和加工效率。而自轉角主動控制研磨法具有可獨立轉動的三塊研磨盤，可以通過控制研磨盤轉速變化來調整球坯的自旋軸的方位，球坯能作“變相對方位”研磨運動，球坯表面的研磨跡線是以球坯自轉軸為軸的空間球面曲線，能夠覆蓋大部分甚至整個球坯表面，有利于球坯表面獲得均勻、高效的研磨。但裝置動力源多，結構及控制系統復雜，對制造和裝配精度都有較高的要求，加工成本高。陶瓷球磁懸浮研磨加工的主要特征是采用磁流體技術實現對球坯的高效研磨，除了對球坯的加壓的方式不同外，其研磨運動方式同V形槽研磨加工和錐形盤研磨加工中的運動方式基本相同，因此，在其加工過程中球度同樣受到了限制。磁懸浮研磨加工裝置和控制復雜，磁流體的成本也較高。
[0005]綜上所述，對于陶瓷球等難加工材料高精度球的加工，急需一種既有較高的加工精度和加工效率，又具有結構簡單，制造成本較低的陶瓷球研磨/拋光加工設備。
【發明內容】
[0006]為了克服已有球度和加工效率低、加工裝置、加工一致性差和控制復雜、成本高的不足，本發明提供一種加工精度與加工效率、加工一致性高，同時結構簡單，加工和裝配的精度要求低的軸偏心式變曲率溝槽加工高精度球體的裝置。
[0007]本發明解決其技術問題所采用的技術方案是:
[0008]一種軸偏心式變曲率溝槽加工高精度球體的裝置，包括機架、上研磨盤、下研磨盤和加載系統，所述上研磨盤連接上研磨盤主軸，所述下研磨盤連接下研磨盤主軸，所述上研磨盤主軸和下研磨盤主軸可轉動地安裝在機架上，所述上研磨盤主軸和下研磨盤主軸分別與驅動機構連接，所述上研磨盤位于下研磨盤的正上方，所述加載系統位于所述上研磨盤上，所述上研磨盤主軸與下研磨盤主軸偏心，所述上研磨盤上開有球體入口，所述下研磨盤的頂面開設變曲率軌跡的溝槽，所述球體入口的下端與所述溝槽的入口連通，循環輸球裝置的入口與所述溝槽的出口相連，所述循環輸球裝置的出口與所述球體入口的上端相連。
[0009]進一步，所述變曲率軌跡的溝槽的入口與第二物料盤相連，所述溝槽的出口與第一物料盤相連，所述第一物料盤與循環輸球裝置一端相連，所述循環輸球裝置另一端與第二物料盤相連。
[0010]更進一步，所述溝槽軌跡的形狀為螺旋線。當然，也可以為其他的連續過度的變曲率曲線。
[0011]所述變曲率溝槽的槽距為全等距、全變距或者等距變距同時存在。
[0012]本發明的技術構思為:采用上、下研磨盤主軸偏心，上研磨盤與下研磨盤上的變曲率溝槽構成研磨結構，與球體構成三點接觸進行研磨，由上、下研磨盤旋轉驅動，循環輸球裝置可以使待加工球體連續數次加工。上、下研磨盤轉速方向沿著變曲率軌跡曲率半徑增長的方向，溝槽上每點處的曲率都不相同，通過上下研磨盤主軸偏心及溝槽曲率的變化可以實現球坯三個自由度方向上的旋轉運動，球體沿著變曲率溝槽運動，實現“變相對方位”研磨運動，使研磨軌跡均勻分布在球的表面上，實現對球體表面的均勻研磨。變曲率溝槽一次裝球量與傳統V形槽加工方法的裝球量相當，較之雙轉盤研磨方式只有一圈研磨溝槽提高了球體加工效率。球體在變曲率溝槽磨盤研磨方式下，每顆球所經歷的路徑一致，大大提高了球體加工的批一致性。加壓裝置對球坯施加彈性載荷，能使較大的球受到較大的載荷，從而在加工過程中始終能保證較好的磨削尺寸選擇性一磨大球，不磨或少磨小球；磨球坯的長軸，不磨或少磨短軸，因此能快速修正球形偏差。根據下研磨盤上可以采用不同的變曲率軌跡線，該新型研磨裝置可采用數種結構形式，其設計思想和工作原理相同，下面以其中一種研磨盤配置方式為例給出說明。
[0013]該研磨裝置采用上、下研磨盤構成研磨組件。上研磨盤在加工過程中由電機帶動旋轉，同時對球坯施加彈性載荷。下研磨盤上開有變曲率軌跡的溝槽，下研磨盤主軸由另一個電機驅動，上下研磨盤旋轉主軸偏心。加工過程，待加工球坯在上下盤旋轉驅動下，在溝槽內沿著變曲率軌跡公轉并自轉，待加工球坯出變曲率溝槽進入循環輸球裝置后，再次從上研磨盤入口進入加工區域，在磨料的作用下，如此往復數次，實現材料去除，達到研磨成球的目的。變曲率溝槽軌跡線的曲率變化可以控制球坯自轉運動過程中自轉角方位的變化，上研磨盤主軸與下研磨盤主軸間的偏心也可以改善自轉角方位的變化，通過選取合適的軌跡線和合適的偏心量，實現完整的成球運動。該裝置下研磨盤上的溝槽軌跡線可以采用漸開線，等距螺旋線，不等距螺旋線，等距與不等距同時存在的螺旋線等配置方式也可以達到同樣的效果。
[0014]與現有技術相比，本發明的有益效果為:本裝置結構較為簡單，僅通過改變研磨溝槽的軌跡線及上下研磨盤主軸偏心就能達到主動控制球坯在研磨過程中的運動狀態，實現“變相對方位”的研磨成球運動，同時配置循環輸球裝置，每顆待加工球坯加工過程中所經歷的路徑是相同的，大大提高了加工的一致性和穩定性。結合合理的研磨加工工藝，可以有效提高陶瓷球的研磨精度和研磨效率，實現批量生產，在加工精度、效率及機械結構上具有明顯的綜合優勢。該裝置同時還可以用于加工高精度鋼制軸承球、瑪瑙球以及其它材料的球形零件，將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、精密儀器等相關廣業向著聞速，聞效，聞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。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015]圖1為本發明中軸偏心式變曲率溝槽加工高精度球體的裝置的示意圖。
[0016]圖2-1為本發明中磨盤溝槽軌跡為阿基米德螺旋線形狀的示意圖。
[0017]圖2-2為本發明中磨盤溝槽軌跡為二次螺旋線形狀的示意圖。
[0018]圖3-1為本發明中磨盤俯視圖上接觸點的運動分析圖。
[0019]圖3-2為本發明中陶瓷球研磨幾何關系圖。
[0020]圖3-3為本發明中自轉角Y和Θ的方位圖。
[0021]圖3-4為本發明中自轉角Y的仿真示意圖。
【具體實施方式】
[0022]下面結合附圖對本發明作進一步描述。
[0023]參照圖1?圖3-4，一種軸偏心式變曲率溝槽加工高精度球體的裝置，包括上研磨盤2、下研磨盤1、加壓系統3、上研磨盤主軸4、下研磨盤主軸8、球坯5、第一物料盤7、第二物流盤9和循環輸球裝置6。上研磨盤2與加壓系統3連接，下研磨盤I上開有變曲率軌跡的溝槽，所述變曲率軌跡的溝槽的入口與第二物料盤9相連，所述下研磨盤I上溝槽的終端與第一物料盤7相連，所述第一物料盤7與循環輸球裝置6 —端相連,所述循環輸球裝置6另一端與第二物料盤9相連。所述上研磨盤主軸4與下研磨盤主軸8不在同一條直線上，即相互偏心設置。
[0024]上研磨盤主軸4相對于下研磨盤主軸8的偏心方向逆變曲率軌跡曲率半徑增長的方向。
[0025]下研磨盤I上的溝槽結構和上研磨盤2 —起構成研磨球坯5的三個加工接觸點，待加工球坯5在變曲率溝槽內運動，其自轉角也隨之改變，實現“變相對方位”研磨運動。
[0026]加工初始，下研磨盤I即變曲率溝槽盤上均勻的擺放待加工球坯5，物料盤9中放入部分待加工球坯5，加工過程中待加工球坯5在上、下研磨盤之間且于溝槽內運動，一顆球出變曲率溝槽進入物料盤7，另一顆球出物料盤9進入變曲率溝槽，如此往復循環數次。在壓力和研磨液的作用下，經過長時間加工后，各個球坯的材料得到去除，精度誤差和尺寸誤差充分勻化，最終可獲得高精度和高一致性的球成品。
[0027]本實施例進行陶瓷球研磨/拋光過程中，其單個陶瓷球研磨機理分析如下:假設球坯為標準球體，球坯和研磨盤接觸點之間無變形，無相對滑動，球坯之間無推擠現象，陶瓷球只受研磨盤作用，上、下研磨盤通過與陶瓷球的接觸點無滑動地帶動陶瓷球作研磨運動。如附圖3-1、3-2設定研磨盤與陶瓷球的接觸點分別為AjXW1為上研磨盤主軸中心，O2為變曲率軌跡中心，e為OpO2之間的距離，Oa為球心瞬時的曲率中心，Ob為球心，rb為球坯半徑，P為球心Ob的瞬時極角，爐I為球心瞬時的曲率中心Oa和球心Ob的連線與變曲率軌跡中心O2和球心Ob連線之間的夾角。三接觸點到上、下研磨盤回轉軸的距離分別為1A、1B、1C，p為球心Ob的瞬時極徑。上、下研磨盤轉速分別為ω” ω2。以球心Ob的法向及切向運動方向建立平面坐標系X-Y。Va是盤上A點的瞬時速度，^為^與￥軸的夾角。垂直直面向外的方向為Z方向，圖3-2給出X-Z平面的分析圖。溝槽的形狀由下研磨盤內盤和下研磨盤外盤的斜角α、β確定,在實際的工程應用中，一般α = β。半徑為rb的球坯在下研磨盤組成的溝槽內以角速度Qb公轉，如附圖3-3球坯自轉角速度《3可以分成cos在球坯經圓大剖面上的分量《,和《3在2軸上分量cog。自轉角速度《,矢量在此平面上的方向由Θ表示，《8與之間的夾角用Υ表示。根據研磨成球機理可知，球坯自轉軸的兩個方向角Θ和Y，只要滿足其中一個方向角在[-90°，90° ]連續變化即可實現球體的全包絡加工。在Θ角和γ角都不變的情況下，A、B、C三接觸點在陶瓷球表面形成的三條研磨軌跡是同軸的三個圓。自轉角Θ角和Y角與下研磨盤溝槽軌跡的曲率半徑及上研磨盤軸的偏心距緊密相關。通過改變溝槽軌跡線及上研磨盤旋轉軸偏心距，自轉角Y可以在[-90°?90° ]范圍取值，使陶瓷球作“變相對方位”運動，使研磨跡線均勻分布在球的表面上，實現對陶瓷球表面的均勻研磨。
[0028]本實施例對陶瓷球進行研磨/拋光加工所涉及的幾何和工藝參數很多，但對陶瓷球研磨有重要影響的主要有:幾何參數rb、P、e、α、β等，以及加工載荷W，轉速及磨料等工藝參數。這里著重探討其中最重要的兩個參數一溝槽軌跡極徑P和上下研磨盤兩軸間的偏心距e。
[0029]根據附圖3-1、3-2、3_3的示意，溝槽軌跡如附圖2_1，根據理論推導，得到
[0030]表達式:y=-φ + φ ω 2 rj,-
2e 仍」sin Θ (cos φ - sin φφ ) + sin Op (q l
[0031]上式表明自轉角Y是關于曲率半徑P和偏心距e的函數，隨著P和偏心距e的改變而改變，且Y e [-90°，90° ]連續變化，如附圖3-4。因此，最終自轉角的變化規律主要取決于偏心距和變曲率軌跡的類型及參數(上述推導適用于漸開線、螺旋線等各種變曲率軌跡溝槽)。
[0032]加工的磨料選擇固著磨料、游離磨料、半固著磨料，所述待加工陶瓷球坯在上、下研磨盤工作面間，在一定載荷和磨料的作用下得到均勻研磨。利用本發明方法加工氮化硅陶瓷球坯，加工條件如下表1:
[0033]
工件氮化硅陶瓷球坯，06mm
磨料__研磨液:金剛石研磨膏，柴油_
磨料濃度5%?30%
單批球數(個)40、60、80
單批球數(個)40、60、80
研磨壓力(N/球)0.5-15
研磨盤材料__鑄鐵，軟鋼，_
螺旋線類型__阿基米德螺旋線，線距為7mm_
研磨盤轉速(rpm) 上下盤同向旋轉，上研磨盤轉速15rpm,下研磨盤轉速
I Orpm
研磨盤參數(mm) 研磨盤直徑300mm, V形槽夾角45°，且下研磨盤軸偏
心MC=1mm,,
[0034]
加工時間30小時
[0035]表I
[0036]下表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。
[0037]
球形誤差球直徑變動量表面粗糙度球批直徑變動
球坯材料
ASphV,； \Ra量 VDWl
03.175mm HIPSN 0.0600.0500.0020.008
05mm HIPSN 0.0600.0600.0020.008
[0038]表 2。
【權利要求】
1.一種軸偏心式變曲率溝槽加工高精度球體的裝置，包括機架、上研磨盤、下研磨盤和加載系統，所述上研磨盤連接上研磨盤主軸，所述下研磨盤連接下研磨盤主軸，所述上研磨盤主軸和下研磨盤主軸可轉動地安裝在機架上，所述上研磨盤主軸和下研磨盤主軸分別與驅動機構連接，所述上研磨盤位于下研磨盤的正上方，所述加載系統位于所述上研磨盤上，其特征在于:所述上研磨盤主軸與下研磨盤主軸偏心，所述上研磨盤上開有球體入口，所述下研磨盤的頂面開設變曲率軌跡的溝槽，所述球體入口的下端與所述溝槽的入口連通，循環輸球裝置的入口與所述溝槽的出口相連，所述循環輸球裝置的出口與所述球體入口的上端相連。
2.如權利要求1所述的軸偏心式變曲率溝槽加工高精度球體的裝置，其特征在于:所述變曲率軌跡的溝槽的入口與第二物料盤相連，所述溝槽的出口與第一物料盤相連，所述第一物料盤與循環輸球裝置一端相連，所述循環輸球裝置另一端與第二物料盤相連。
3.如權利要求1或2所述的軸偏心式變曲率溝槽加工高精度球體的裝置，其特征在于:所述變曲率溝槽的軌跡形狀為螺旋線。
4.如權利要求3所述的軸偏心式變曲率溝槽加工高精度球體的裝置，其特征在于:所述變曲率溝槽的槽距為全等距、全變距或者等距變距同時存在。
【文檔編號】B24B37/16GK203918690SQ201420263602
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年5月21日 優先權日:2014年5月21日
【發明者】趙萍, 周芬芬, 李帆, 袁巨龍, 呂冰海, 傅宣琪, 郭偉剛, 馮銘 申請人:浙江工業大學