专利名称：：一种高精度陶瓷球高效研磨/抛光加工工艺的制作方法
技术领域：
：本发明涉及一种球形零件研磨加工工艺，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/抛光加工工艺，属于高精度球形零件加工技术。
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(GCrl5)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)一研磨(半精加工)一抛光(精加工)的工艺进行加工。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。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，又具备加工装置结构简单、制造成本较低的陶瓷球研磨/抛光加工工艺。
发明内容为了克服现有技术球形零件研磨加工工艺存在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和加工效率，又具备加工装置结构简单、制造成本较低的高精度陶瓷球高效研磨/抛光加工工艺。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是—种高精度陶瓷球高效研磨/抛光加工工艺，包括以下步骤(1)、粗研加工，其工艺条件为磨料金刚石或B4C或SiC;磨料的粒度W40W20;磨料在研磨盘中的质量百分比为20%80%;载荷压力815N/球；研磨液水；(2)、半精研加工，其工艺条件为磨料金刚石或B4C或SiC;磨料的粒度W20W10;磨料在研磨盘中的质量百分比为20%80%;载荷压力610N/球；研磨液水；(3)、精研加工，其工艺条件为载荷压力25N/球；磨料金刚石或B4C或SiC;磨料的粒度WIOW5;磨料的质量百分数10%30%;基液煤油，基液的质量百分数60%80%;添加剂为润滑油，润滑油的质量百分数4%7%;分散剂的质量百分数3%6%。(4)、超精研加工，其工艺条件为载荷压力12N/球；磨料金刚石或B4C或SiC;磨料的粒度W2W0.5;磨料的质量百分数10%25%;基液煤油；基液的质量百分数65%80%;添加剂为润滑油，润滑油的质量百分数4%7%;分散剂的质量百分数3%6%。(5)、抛光加工，其工艺条件为载荷压力0.51N/球；磨料Ce02微粉；磨料的粒度500;磨料的质量百分数5%20%;基液煤油；基液的质量百分数70%85%;添加剂为润滑油，润滑油的质量百分数4%7%;分散剂的质量百分数3%6%。作为优选的一种方案所述步骤(1)_(2)中采用双盘自转偏心V形槽研磨机，上研磨盘和下研磨盘上下布置，所述下研磨盘上表面开有至少三条以上供放置球坯的V型槽，所述的各条V型槽为同心圆，所述同心圆的圆心与下研磨盘的圆心重合，所述上研磨盘与下研磨盘相互偏心，载荷加压装置通过上研磨盘作用于球坯，所述上研磨盘和下研磨盘分别由电机驱动，转速组合上研磨盘Qc:6080(rpm);下研磨盘转速QB:QB=Qc。作为优选的另一种方案所述步骤(3)_(5)中采用双自转研磨盘研磨机，由下研磨盘内盘外侧的锥面研磨面和下研磨盘外盘内侧的锥形研磨面构成v形槽结构，载荷加压装置通过上研磨盘作用于球坯，所述的v形槽结构和上研磨盘一起构成研磨球的三个加工接触点，所述上研磨盘、下研磨盘外盘和下研磨内盘具有相同的回转轴；在所述的上研磨盘、下研磨盘外盘和下研磨内盘中，其中两个盘的转轴分别由电机驱动，两个盘的转速为Qb禾口Qc;转速组合Qc:4060rpm;QB:QB=3QCsin(O.01Jit)。进一步，所述双盘自转偏心V形槽研磨机的研磨盘采用固着磨料研磨盘。再进一步，所述双自转研磨盘研磨机的研磨盘采用铸铁研磨盘。本发明的技术构思为为提高球体加工质量、加工效率及精度一致性，本发明提出了一种高效精密加工工艺，采用双盘自转偏心式固着磨料研磨方式进行粗加工和半精加工，采用双自转研磨盘研磨方式进行精加工、超精加工和抛光。双盘自转偏心式研磨方式的研磨盘可开设多道同心圆研磨沟槽，因此，一次装球量要大于双自转研磨盘精密球体研磨机，结合固着磨料研磨盘，整体加工效率要优于双自转研磨盘精密球体研磨机。但是，是偏心成球方式下，球体与上研磨盘始终不能形成稳定的接触，会在一定程度上影响球体的精度一致性。因此，一般采用双盘自转偏心V形槽研磨机作为其前道工序——粗加工和半精加工的设备，达到快速修整球形误差，提高加工效率的目的；采用双自转研磨盘研磨机作为其后道工序——精加工、超精加工和抛光的设备，达到提高加工精度和球度一致性的目的。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运动研磨盘的转速组合。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。与现有技术相比，本发明具有以下优点1、有效提高陶瓷球等球形零件的研磨精度和研磨效率，降低生产成本，实现批量生产，在加工精度、效率及机械装备结构上具有明显的综合优势；2、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。图1是高精度陶瓷球粗研加工和半精研加工设备双盘自转偏心V形槽研磨机结构示意图。图2是高精度陶瓷球精研加工、超精研加工和抛光加工设备双自转研磨盘研磨机结构示意图。具体实施例方式下面对本发明作进一步描述。—种高精度陶瓷球高效研磨/抛光加工工艺，该加工工艺包括如下工序粗研加工，半精研加工，精研加工，超精研加工，抛光加工，具体有(1)、粗研其加工工艺条件为设备双盘自转偏心V形槽研磨机。研磨盘固着磨料研磨盘。磨料金刚石；磨料的粒度W25;磨料在研磨盘中的质量百分比为20%80%，例如采用50%，其余为结合剂；载荷压力10(N/球)。转速组合Qc:70(rpm);QB:QB=Qc。研磨液水。(2)、半精研其加工工艺条件为设备双盘自转偏心V形槽研磨机。研磨盘固着磨料研磨盘。磨料金刚石；磨料的粒度W15;磨料在研磨盘中的质量百分比为20%80%，例如采用40%，其余为结合剂；载荷压力8(N/球)。转速组合Qc:60(rpm);QB:QB=Qc。研磨液水。(3)、精研其加工工艺条件为设备双自转研磨盘研磨机。研磨盘铸铁研磨盘。载荷压力2.5(N/球)。转速组合QC:50(rpm);QB:QB=3QCsin(0.01jit)。磨料B4C;磨料的粒度W5;磨料的质量分数20%。基液煤油；基液的质量分数70%。添加剂及其质量分数润滑油，5%;分散剂，5%。(4)、超精研其加工工艺条件为设备双自转研磨盘研磨机。研磨盘铸铁研磨盘。载荷压力1.5(N/球)。转速组合QC:35(rpm);QB:QB=3QCsin(0.01jit)。磨料B4C;磨料的粒度W1;磨料的质量分数15%。基液煤油；基液的质量分数75%。添加剂及其质量分数润滑油，5%;分散剂，5%。(5)、抛光其加工工艺条件为设备双自转研磨盘研磨机。研磨盘铸铁研磨盘。载荷压力0.5(N/球)。转速组合Qc:20(rpm);QB:QB=3QCsin(0.01jit)。磨料Ce02微粉；磨料的质量分数10%。基液煤油；基液的质量分数80%。添加剂及其质量分数润滑油，5%;分散剂，5%。参照图1所示，双盘自转偏心V形槽研磨机的结构示意图，主要包括下研磨驱动电机1，机体2，立柱3，加压杆4，横梁6加压装置7，下研磨盘驱动电机8，上研磨盘主轴9，压力计IO，法兰盘ll，上研磨盘12下研磨盘13，下研磨内盘驱动电机14，传动皮带15等部件组成。上、下研磨盘12、13各自由独立电机通过驱动轴带动，转速可调。下研磨盘13上端面开多道V形槽，与同轴三盘、磁流体研磨方式相比，更适用于大批量生产。上研磨盘的回转主轴不经过下研磨盘的V形槽的中心，即上下两研磨盘的回转中心不同轴，球坯与上研磨盘12的接触点将沿上盘径向移动。该种方式对上下研磨盘的中心同轴要求不高，但能使研磨轨迹不断变化，与V形槽研磨方式相比，能获得更好的球度。上研磨盘和下研磨盘不同偏心距的设置通过连接立柱3的横梁6的转动实现。液压加压装置7安装于横梁中间。加压杆4下端连接上研磨盘，加压杆可上下移动实现上研磨盘的升降。当上研磨盘与球坯接触后，加压杆把压力通过法兰盘ll内置蝶形弹簧传递至上研磨盘，对球坯施加加工载荷。通过调整加压杆的下压行程条件加工载荷，压力值可以通过测力计IO显示。上研磨盘的位置完全由加压杆的行程决定，一旦行程确定后，上研磨盘的位置通过锁紧机构固定，保证了稳定加压。上研磨盘上开有数个小孔，便于研磨液进入V形槽参与加工。参照图2所示，为双自转研磨盘研磨机的结构示意图，主要包括上研磨盘23、下内盘组件21、下外盘组件22、内轴18、外轴20、传动机构16、17、电机19、31、左右立柱28、横梁27、上研磨锁紧装置26、加压装置25、弹簧24、水槽29和箱体30。下研磨盘内盘21和外盘22，以同轴的形式安装，相互之间采用轴承连接，保证两块下研磨盘能够独立转动。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。研磨过程中球坯放置在环形的V形槽内，在研磨盘的带动下公转并自转。下研磨盘外盘驱动采用了转速可编程控制的交流伺服电机19、31，通过传动机构16、17传动，经内轴18和外轴20分别驱动下内研磨和下外研磨。研磨转速由光栅测速器实时监控，以保证电机按预设的转速曲线运转。安装在横梁上的加压装置25将上研磨盘23下压，将压力施加到待研磨球坯上。加载到位后，有锁紧装置26锁紧。安装于机体30上的立柱28用于支撑横梁。水槽29用于防止研磨液外流。上研磨盘上开有数个小孔，便于研磨液进入V形槽参与加工。表1列出了陶瓷球研磨加工工艺条件<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>表1研磨磨料使用金刚石磨料，也可以使用SiC，B^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，縮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。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。<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>权利要求一种高精度陶瓷球高效研磨/抛光加工工艺，其特征在于所述加工工艺包括以下步骤(1)、粗研加工，其工艺条件为磨料金刚石或B4C或SiC；磨料的粒度W40～W20；磨料在研磨盘中的质量百分比为20％～80％；载荷压力8～15N/球；研磨液水；(2)、半精研加工，其工艺条件为磨料金刚石或B4C或SiC；磨料的粒度W20～W10；磨料在研磨盘中的质量百分比为20％～80％；载荷压力6～10N/球；研磨液水；(3)、精研加工，其工艺条件为载荷压力2～5N/球；磨料金刚石或B4C或SiC；磨料的粒度W10～W5；磨料的质量百分数10％～30％；基液煤油，基液的质量百分数60％～80％；添加剂为润滑油，润滑油的质量百分数4％～7％；分散剂的质量百分数3％～6％。(4)、超精研加工，其工艺条件为载荷压力1～2N/球；磨料金刚石或B4C或SiC；磨料的粒度W2～W0.5；磨料的质量百分数10％～25％；基液煤油；基液的质量百分数65％～80％；添加剂为润滑油，润滑油的质量百分数4％～7％；分散剂的质量百分数3％～6％。(5)、抛光加工，其工艺条件为载荷压力0.5～1N/球；磨料CeO2微粉；磨料的粒度500；磨料的质量百分数5％～20％；基液煤油；基液的质量百分数70％～85％；添加剂为润滑油，润滑油的质量百分数4％～7％；分散剂的质量百分数3％～6％。2.如权利要求1所述的高精度陶瓷球高效研磨/抛光加工工艺，其特征在于所述步骤(1)_(2)中采用双盘自转偏心V形槽研磨机，上研磨盘和下研磨盘上下布置，所述下研磨盘上表面开有至少三条以上供放置球坯的V型槽，所述的各条V型槽为同心圆，所述同心圆的圆心与下研磨盘的圆心重合，所述上研磨盘与下研磨盘相互偏心，载荷加压装置通过上研磨盘作用于球坯，所述上研磨盘和下研磨盘分别由电机驱动，转速组合上研磨盘Qc:6080(rpm);下研磨盘转速QB:QB=Qc。3.如权利要求1所述的高精度陶瓷球高效研磨/抛光加工工艺，其特征在于所述步骤(3)-(5)中采用双自转研磨盘研磨机，由下研磨盘内盘外侧的锥面研磨面和下研磨盘外盘内侧的锥形研磨面构成V形槽结构，载荷加压装置通过上研磨盘作用于球坯，所述的V形槽结构和上研磨盘一起构成研磨球的三个加工接触点，所述上研磨盘、下研磨盘外盘和下研磨内盘具有相同的回转轴；在所述的上研磨盘、下研磨盘外盘和下研磨内盘中，其中两个盘的转轴分别由电机驱动，两个盘的转速为Qb和Qc;转速组合Qc:4060rpm;QB:^=3QCsin(O.01Jit)。4.如权利要求2所述的高精度陶瓷球高效研磨/抛光加工工艺，其特征在于所述双盘自转偏心V形槽研磨机的研磨盘采用固着磨料研磨盘。5.如权利要求3所述的高精度陶瓷球高效研磨/抛光加工工艺，其特征在于所述双自转研磨盘研磨机的研磨盘采用铸铁研磨盘。全文摘要一种高精度陶瓷球高效研磨/抛光加工工艺，所述加工工艺包括以下步骤(1)粗研加工；(2)半精研加工；(3)精研加工；(4)超精研加工；(5)抛光加工。其中所述步骤(1)-(2)中采用双盘自转偏心V形槽研磨机，所述步骤(3)-(5)中采用双自转研磨盘研磨机。本发明既能实现较高的加工精度和加工效率，又具备加工装置结构简单、制造成本较低。文档编号B24B11/06GK101704208SQ200910099280公开日2010年5月12日申请日期2009年6月1日优先权日2009年6月1日发明者吕冰海,王志伟,范红伟,袁巨龙申请人:浙江工业大学;湖南大学