专利名称：一种基于软质磨料固着磨具的氮化硅陶瓷球研磨方法
技术领域：
本发明涉及一种氮化硅陶瓷球的研磨方法，尤其是氮化硅陶瓷球精加工用的高效、高质量研磨方法。
背景技术：
随着工业技术的发展，对机床和仪器设备提出了高速、高精度、高可靠性等性能要求。与传统的轴承钢相比，氮化硅陶瓷具有密度小，硬度高、弹性模量高(刚度高)、耐磨损、 热膨胀系数低、热稳定性和化学稳定好、绝缘、无磁等极为优良的综合性能，被认为是制造轴承滚动体的最佳材料，并在陶瓷球轴承(钢质轴承圈，陶瓷材料滚动体.)的应用上获得很大成功。陶瓷球轴承具有使用寿命长(钢质轴承的2 5倍)、转速高、整体精度和刚度好、热稳定性能好以及无磁性等优异的综合性能，在高温、高速、高精度、酸碱腐蚀、电腐蚀、 强磁场、无润滑或介质润滑等工作条件下具有非常广阔的应用前景，已广泛应用于航空航天、军事、石油、化工以及高速精密机械等诸多领域。但是，氮化硅陶瓷属硬脆难加工材料，传统的陶瓷球加工主要采用研磨钢质滚珠的V形槽研磨法，采用硬质的金刚石磨料作为研磨介质，采用游离磨料研磨的方法进行加工，加工周期长(完成一批陶瓷球需要12 15天)。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。国内外的研究经验表明，氮化硅陶瓷滚动体的加工效率低、加工成本高是限制陶瓷球轴承推广应用的一个主要原因。游离磨料研磨过程中，磨粒主要以滚动的方式实现材料去除，单位时间内参与材料去除的磨粒数量少，材料去除率低。为了克服游离磨料加工效率比较低的问题，目前已有专利、科技论文等报道开发了固着磨料(砂轮)研磨技术用于陶瓷球的加工余量的快速去除，利用固结在一起的金刚石、碳化硼、碳化硅等硬质磨料(这些磨料的硬度要高于陶瓷球材料)的刻划等机械作用实现对陶瓷球材料的高效去除。在固着磨料研磨加工中，磨粒被固结在一起，磨粒主要以刻划的形式去除工件材料，参与加工的磨粒数量多，可以获得很高的材料去除率。但是，具有硬脆特性的氮化硅陶瓷球对表面/次表面裂纹非常敏感，在较大载荷作用下，以金刚石、碳化硼、碳化硅等硬质磨料的机械作用实现氮化硅陶瓷球的材料去除，很容易在氮化硅陶瓷球表面造成诸如凹坑、划痕和微裂纹等表面损伤。这些表面缺陷在外部载荷的作用下会扩展形成较大的脆性裂缝，从而导致陶瓷球的突然失效，严重降低了氮化硅陶瓷球的使用性能。因此，目前开发的固着磨料加工技术主要适用于氮化硅陶瓷球加工余量的高效去除，很难获得无表面损伤的高质量表面。氮化硅陶瓷球的精加工的主要目的是进一步改善半精加工造成的表面加工缺陷，提高陶瓷球的表面质量和精度，直到达到成品的要求。因此，氮化硅陶瓷球的精加工很少采用这些金刚石、碳化硼、碳化硅等硬质磨料的固着磨料加工方法。而仍采用氧化铬、金刚石微粉等的游离磨料的研磨/抛光方法进行精加工，因此，氮化硅陶瓷球精加工阶段的加工效率仍旧很低
发明内容
为了克服氮化硅陶瓷球精加工阶段效率低、成本高的不足，本发明提供一种加工表面质量好、加工效率高、生产成本低的基于软质磨料固着磨具的氮化硅陶瓷球研磨方法。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是—种基于软质磨料固着磨具的氮化硅陶瓷球研磨方法，所述研磨方法包括以下步骤1)软质磨料固着磨具的配制所述的软质磨料固着磨具由软质磨料，固化剂及填充剂配制而成，所述软质磨粒的硬度低于氮化硅陶瓷，三种组份的质量百分含量分别为软质磨料60 % 80 %，固化剂10 % 20 %，填充剂10 % 20 %，将软质磨料、固化剂、填充剂混合，搅拌均勻；2)软质磨料固着磨具的制作将配置好的配料在模具中热压成形，脱模后完成热固化，并对其上下端面进行修整，保证磨具上下端面的平整度和平行度；3)软质磨料固着磨具对氮化硅陶瓷球的精加工将软质磨料固着磨具安装于研磨机的上盘，下盘采用铸铁磨盘或软质磨料固着磨具。待加工的氮化硅陶瓷球放置在下盘的滚道中，启动研磨机，并在上下盘之间注入水基冷却液；软质磨料固着磨具上的磨粒对氮化硅陶瓷球表面进行划擦，实现对氮化硅陶瓷球的精加工。优选的，在所述步骤；3)中，在压力和相对速度的作用下，固着磨具和氮化硅接触区域上的软质磨料和氮化硅材料发生固相反应，生成一层软质的、易去除的反应生成物层， 并利用后续磨料与生成物层之间的摩擦作用将生成物层去除，从而实现氮化硅陶瓷球的精加工。进一步，所述的软质磨料为以下之一或几种的混合①氧化铈、②氧化锆、③氧化
铁、④氧化铬。再进一步，所述的固化剂为以下之一①环氧树脂固化剂、②不饱和树脂固化剂、 ③热塑性酚醛树脂、④热固性酚醛树脂、⑤聚酰胺树脂固化剂、⑥酚醛-缩醛树脂、⑦酚醛-环氧树脂、⑧硼酚醛树脂、⑨有机硅酚醛树脂等。更进一步，所述的填充剂为以下之一或几种混合①氢氧化钠、②碳酸氢钠、③淀粉类填充剂、④糖类填充剂、⑤纤维素类填充剂、⑥无机盐填充剂。优选的另一种方案所述步骤2)中，热压成形过程中，压力为300-600kg/cm2， 热压温度根据固化剂的不同，设置在100-200°C，热压时间根据磨具之间不同设置在 45-120min。所述步骤幻中，热固化过程，烘箱温度保持在80-200 °C，烘干时间10-48小时；对于磨具直径小于0400mm的软质磨料固着磨具制作成整体式磨具；对于直径大于 0400mm的软质磨料固着磨具，制作成扇形的磨具块，在使用时组装成圆形磨盘。所述步骤2、中，修整过程中，平整度和平行度控制在0. Imm以内。本发明的技术构思为采用硬度比氮化硅陶瓷球硬度低的软质磨料，配制成固着磨料磨具，加工过程中，利用软质磨料与氮化硅材料之间的固相反应，在氮化硅陶瓷球表面形成一层软质的、易去除的反应生成物层，并利用后续磨料与生成物层之间的摩擦作用将生成物层去除，从而实现氮化硅陶瓷球的精加工。由于，所采用的磨料硬度远低于氮化硅陶瓷球的硬度，因此这种加工方法不会对氮化硅陶瓷球造成金刚石、碳化硼、碳化硅等硬质磨料加工氮化硅陶瓷球时造成的诸如凹坑、划痕和微裂纹等表面损伤，因此提高了可提高氮化硅陶瓷球的加工质量。另一方面，由于采用了固着磨料磨具，将软质的磨料固结在一起， 提供了参与加工的磨粒数量，因此提高了氮化硅陶瓷球精加工的加工效率。利用软质磨料与氮化硅材料之间的固相反应，在氮化硅陶瓷球表面形成一层软质的、易去除的反应生成物层，并利用后续磨料与生成物层之间的摩擦作用将生成物层去除， 从而实现氮化硅陶瓷球的精加工。以下给出了①氧化铈(CeO2)、②氧化锆(ZrO2)、③氧化铁 (Fe2O3)、④氧化铬(Cr2O3)与氮化硅(Si3N4)陶瓷材料发生的固相反应方程Si3N4+Zr02 ^ Si02+ZrSi04/Zr02. Si02+ZrN+N2 (g)(1)
Si3N4+Ce02 — Si02+Ce0L 72+CeOL 83+Ce203+N2 (g) (2)Si3N4+Fe203 — Si02+Fe0+FeSi03/Fe0. Si02+Fe2N+N2 (3)Si3N4+Cr203 — Si02+CrN(4)这里有两种类型的化学反应氧化-还原反应和置换反应(即硅酸盐等物质中阳离子与阴离子的置换)。Si3N4 = Si — 5102或51042_，而N —N3_，N2(g)或NH3(g)。在水基抛光液中，Fe2O3' Cr2O3, ZrO2和( 磨料与Si3N4材料之间的化学反应从热力学的角度来看，都是可行的。氧化硅(SiO2)是氮化硅(Si3N4)陶瓷球表面存留的主要反应产物，其硬度远低于氮化硅陶瓷的硬度，而与氧化铈、氧化锆等磨料的硬度相近。因此，采用这些软质磨料对氮化硅陶瓷球进行精加工，不是利用磨料的纯机械作用，而是利用了磨料与工件的化学-机械(摩擦)作用实现材料去除，从而不会对氮化硅陶瓷球造成诸如凹坑、划痕和微裂纹等表面损伤，从而获得光滑无损伤的表面。水基冷却液也是氮化硅陶瓷的固相反应的重要组成部分。水不但促进了化学机械抛光的进行，而且直接参与了和氮化硅材料的化学反应，增强了化学机械抛光的作用。氮化硅能够与水发生水解反应生成SiA和NH3。而在较高的温度下(> 200°C )，NH3就有可能分解成N2 (g)和H2 (g)。它们的反应方程式如下Si3N4+6H20 = 3Si02+4NH3(5)Si3N4+6H20 = 3Si02+2N2 (g)+6 (g) (Τ > 200°C )(6)这种软质磨料与氮化硅陶瓷球之间的固相反应不能够在油基环境中进行。其主要原因是油基抛光液的导电率和溶解性几乎为零。磨料与工件之间的油膜阻止了它们之间化学反应的进行，即使有也非常微弱。另一方面，由于采用了固着磨料磨具，将软质的磨料固结在一起，与传统的游离磨料研磨相比，不但提高了参与加工的磨粒数量，而且增加了对磨粒的约束，减少了磨粒的自由滚动，因此提高了氮化硅陶瓷球精加工的加工效率。本发明的有益效果主要表现在减少磨粒机械去除作用对氮化硅陶瓷球造成的表面损伤，提高氮化硅陶瓷球的加工质量，加工速度较快、加工效率高、降低生产成本。
图1是软质磨料固着磨具的结构示意图。图2是一种大直径的软质磨料固着磨具分块组装的结构示意图。图3是一种软质磨料固着磨具安装在研磨机上的原理示意图。图4软质磨料与氮化硅陶瓷球发生固相反应的原理示意图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步描述。一种基于软质磨料固着磨具的氮化硅陶瓷球研磨方法，该研磨方法包括以下步骤1)软质磨料固着磨具的配制参照图1，所述软质磨料固着磨具包括软质磨粒1、固化剂(结合剂)2及填充剂3， 其质量百分含量分别为软质磨料60 % 80 %，固化剂10 % 20 %，填充剂10 % 20 % ； 将软质磨料、固化剂、填充剂混合，搅拌均勻；2)软质磨料固着磨具的制作将配置好的软质磨料固着磨具配料放入磨具内，热压成形。压力为300_600kg/ cm2，热压温度根据固化剂的不同，设置在100-200°C，热压时间根据磨具之间不同设置在 45-120min。把热压成形后的磨具脱模，放入烘箱固化，烘箱温度保持在80-200°C，烘干时间 10-48小时；对于磨具直径小于0400mm的软质磨料固着磨具可以直制作成整体式磨具。 对于直径大于0400mm的软质磨料固着磨具，参照图2，可以制作成扇形的磨具块1，使用时，将若干块扇形磨具块用粘结剂粘结在圆形基盘2上，组装成圆形磨盘。软质磨料固着磨具制作完成后，对其端面进行修整，以保证磨具加工面的平整度和平行度，平整度和平行度应控制在0. Imm以内。3)采用软质磨料固着磨具对氮化硅陶瓷球进行精加工首先，进行软质磨料固着磨具的安装参照图3，采用粘结剂将软质磨料固着磨具 1粘结到磨具基盘2上，再用螺栓将基盘2与研磨机的上板胎3连接。软质磨料固着磨具作为研磨机的上盘使用。基盘由钢材、铸铁或铝合金制成。参照图3，将待加工的氮化硅陶瓷球4 (已完成粗加工或半精加工)放置在研磨机的下磨盘6上开设的环形滚道5中(滚动截面形状为V形或半圆形)，下研磨盘为铸铁(或同样采用软质磨料固着磨具)。下压安装了软质磨料固着磨具的上盘，启动研磨机。并在上、下盘之间注入水性冷却液7。在压力和相对速度的作用下，固着磨具和氮化硅接触区域上的软质磨料和氮化硅材料发生固相反应(参见图4)，生产一层软质的、易去除的反应生成物层，并利用后续磨料与生成物层之间的摩擦作用将生成物层去除，从而实现氮化硅陶瓷球的精加工。由于，所采用的磨料硬度远低于氮化硅陶瓷球的硬度，因此这种加工方法不会对氮化硅陶瓷球造成诸如凹坑、划痕和微裂纹等表面损伤，因此提高了可提高氮化硅陶瓷球的加工质量。另一方面，由于采用了固着磨料磨具，将软质的磨料固结在一起，提高了参与加工的磨粒数量，因此提高了氮化硅陶瓷球精加工的加工效率。所述的软质磨料为以下之一或几种混合①氧化铈、②氧化锆、③氧化铁、④氧化铬。这些磨料的莫氏硬度均勻小于7。所述的固化剂为以下之一①环氧树脂固化剂、②不饱和树脂固化剂、③热塑性酚醛树脂、④热固性酚醛树脂、⑤聚酰胺树脂固化剂、⑥酚醛-缩醛树脂、⑦酚醛-环氧树脂、 ⑧硼酚醛树脂、⑨有机硅酚醛树脂等。所述的填充剂为以下之一或几种混合①氢氧化钠、②碳酸氢钠、③淀粉类填充剂、④糖类填充剂、⑤纤维素类填充剂、⑥无机盐填充剂。本实施例选取在3M7M0L立式钢球研球机上进行氮化硅陶瓷球的精加工。实施例条件如表1所示。软质磨料固着磨具采用了氧化铈和氧化锆两种软质磨料分别制作，其它制作和加工参数均相同。分别用这两种软质磨料固着磨具对05mm的氮化硅陶瓷球进行加工。加工过程中采用水基冷却液进行冷却和润滑。在实施例开始以前，需要有2-5个小时的预研时间用来确保陶瓷球在下研磨盘的沟槽和上研磨盘的软质固着磨料之间接触良好。
权利要求
1.一种基于软质磨料固着磨具的氮化硅陶瓷球研磨方法，其特征在于所述研磨方法包括以下步骤1)软质磨料固着磨具的配制所述的软质磨料固着磨具由软质磨料，固化剂及填充剂配制而成，所述软质磨粒的硬度低于氮化硅陶瓷，三种组份的质量百分含量分别为软质磨料60% 80%，固化剂10% 20%，填充剂10% 20%，将软质磨料、固化剂、填充剂混合，搅拌均勻；2)软质磨料固着磨具的制作将配置好的配料在模具中热压成形，脱模后完成热固化，并对其上下端面进行修整，保证磨具上下端面的平整度和平行度；3)软质磨料固着磨具对氮化硅陶瓷球的精加工将软质磨料固着磨具安装于研磨机的上盘，下盘采用铸铁磨盘或软质磨料固着磨具；待加工的氮化硅陶瓷球放置在下盘的滚道中，启动研磨机，并在上下盘之间注入水基冷却液；软质磨料固着磨具上的磨粒对氮化硅陶瓷球表面进行划擦，实现对氮化硅陶瓷球的精加工。
2.如权利要求1所述的基于软质磨料固着磨具的氮化硅陶瓷球研磨方法，其特征在于在所述步骤幻中，在压力和相对速度的作用下，固着磨具和氮化硅接触区域上的软质磨料和氮化硅材料发生固相反应，生成一层软质的、易去除的反应生成物层，并利用后续磨料与生成物层之间的摩擦作用将生成物层去除，从而实现氮化硅陶瓷球的精加工。
3.如权利要求1或2所述的基于软质磨料固着磨具的氮化硅陶瓷球研磨方法，其特征在于所述的软质磨料为以下之一或几种的混合①氧化铈、②氧化锆、③氧化铁、④氧化铬。
4.如权利要求1或2所述的基于软质磨料固着磨具的氮化硅陶瓷球研磨方法，其特征在于所述的固化剂为以下之一①环氧树脂固化剂、②不饱和树脂固化剂、③热塑性酚醛树脂、④热固性酚醛树脂、⑤聚酰胺树脂固化剂、⑥酚醛-缩醛树脂、⑦酚醛-环氧树脂、⑧ 硼酚醛树脂、⑨有机硅酚醛树脂等。
5.如权利要求1或2所述的基于软质磨料固着磨具的氮化硅陶瓷球研磨方法，其特征在于所述的填充剂为以下之一或几种混合①氢氧化钠、②碳酸氢钠、③淀粉类填充剂、 ④糖类填充剂、⑤纤维素类填充剂、⑥无机盐填充剂。
6.如权利要求1或2所述的基于软质磨料固着磨具的氮化硅陶瓷球研磨方法，其特征在于所述步骤幻中，热压成形过程中，压力为300-600kg/cm2，热压温度根据固化剂的不同，设置在100-200°C，热压时间根据磨具之间不同设置在45-120min。
7.如权利要求6所述的基于软质磨料固着磨具的氮化硅陶瓷球研磨方法，其特征在于所述步骤2)中，热固化过程，烘箱温度保持在80-200°C，烘干时间10-48小时；对于磨具直径小于0400mm的软质磨料固着磨具制作成整体式磨具；对于直径大于0400mm的软质磨料固着磨具，制作成扇形的磨具块，在使用时组装成圆形磨盘。
8.如权利要求7所述的基于软质磨料固着磨具的氮化硅陶瓷球研磨方法，其特征在于所述步骤2~)中，修整过程中，平整度和平行度控制在0. Imm以内。
全文摘要
一种基于软质磨料固着磨具的氮化硅陶瓷球研磨方法，包括以下步骤1)软质磨料固着磨具的配制所述的软质磨料固着磨具由软质磨料，固化剂及填充剂配制而成；2)将配置好的配料在模具中热压成形，脱模后完成热固化，并对其上下端面进行修整，保证磨具上下端面的平整度和平行度；3)将软质磨料固着磨具安装于研磨机的上盘，下盘采用铸铁磨盘或软质磨料固着磨具。待加工的氮化硅陶瓷球放置在下盘的滚道中，启动研磨机，并在上下盘之间注入水基冷却液，软质磨料固着磨具上的磨粒对氮化硅陶瓷球表面进行划擦，实现对氮化硅陶瓷球的精加工。本发明能够提高氮化硅陶瓷球的加工质量，提高加工效率、降低生产成本。
文档编号B24B37/025GK102513918SQ20111041221
公开日2012年6月27日 申请日期2011年12月12日 优先权日2011年12月12日
发明者吕冰海, 袁巨龙, 邓乾发, 陈明 申请人:江苏智邦精工科技有限公司