高精度球雙自轉研磨盤高效研磨裝置的製作方法

2023-07-27 16:01:21

專利名稱：：高精度球雙自轉研磨盤高效研磨裝置的製作方法
技術領域：
：本實用新型涉一種球形零件研磨裝置，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/拋光加工裝置，屬於高精度球形零件加工
技術領域：
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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，並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，氮化矽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)，熱脹係數小(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，被認為是製造噴氣引擎、精密高速工具機、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。由於氮化矽等先進陶瓷屬硬脆難加工材料，材料燒結後的陶瓷球毛坯主要採用磨削(粗加工)一研磨(半精加工)一拋光(精加工)的方法進行加工。對於陶瓷球的研磨/拋光工藝而言，加工過程採用游離磨料，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，採用硬質、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製造成本，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。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。對於陶瓷球的研磨加工，國內外已有一些相應的加工裝置，如V形槽研磨加工裝置、圓溝槽研磨加工裝置、錐形盤研磨加工裝置、自轉角主動控制研磨裝置、磁懸浮研磨加工裝置等。在V形槽研磨加工裝置、圓溝槽研磨加工裝置、錐形盤研磨加工裝置等設備的加工過程中，球坯只能作"不變相對方位"研磨運動，即球坯的自旋軸對公轉軸的相對空間方位固定，球坯繞著一固定的自旋軸自轉。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"重複性"研磨，不利於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。自轉角主動控制研磨裝置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，有利於球坯表面獲得均勻、高效的研磨。但裝置動力源多，結構及控制系統複雜，對製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徵是採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複雜，磁流體的成本也較高。
實用新型內容為了克服已有球形零件研磨裝置的不能同時兼顧加工成本和加工精度、加工效率的不足，本實用新型提供一種結構簡單、加工成本低，同時具有較高的加工精度和加工效率的高精度球雙自轉研磨盤高效研磨裝置。本實用新型解決其技術問題所採用的技術方案是—種高精度球雙自轉研磨盤高效研磨裝置，包括機架、安裝在機架上的研磨盤裝置和載荷加壓裝置，所述研磨盤裝置包括上研磨盤，所述上研磨盤上端安裝載荷加壓裝置，所述的高精度球雙自轉研磨盤高效研磨裝置還包括下研磨盤內盤和下研磨盤外盤，所述的下研磨盤外盤和下研磨盤內盤以同軸形式布置，所述下研磨盤內盤嵌套在所述下研磨盤外盤內，所述下研磨盤內盤外側的錐面研磨麵和所述下研磨盤外盤內側的錐形研磨麵構成V形槽結構，所述下研磨盤外盤固定安裝在機架上，所述上研磨盤安裝在轉軸上，所述轉軸連接上研磨盤驅動電機，所述下研磨盤內盤安裝在主軸上，所述主軸連接下研磨盤內盤驅動電機。進一步，所述的載荷加壓裝置為液壓-彈簧載荷加壓裝置，所述載荷加壓裝置下端浮動地安裝所述上研磨盤和測力計，載荷加壓裝置上還設有當上研磨盤下降到位後將上研磨盤鎖緊定位的鎖緊裝置。更進一步，所述機架包括底座、立柱和橫梁，所述底座上安裝立柱，兩個立柱之間安裝橫梁，所述液壓_彈簧載荷加壓裝置的液壓缸安裝在所述橫梁上。本實用新型的技術構思為雙自轉研磨盤高效研磨裝置採用三塊研磨盤構成構成V形槽結構，與陶瓷球構成三點接觸進行研磨，上研磨盤、下研磨盤內盤作為原動件就完全可以實現球坯在兩個自由度方向上的旋轉運動，通過調整這兩塊研磨盤的轉速組合，實現球坯自轉角的變化，使研磨軌跡能均勻覆蓋整個球坯表面，快速修正球形誤差；下研磨盤外盤與機架相連；液壓_彈簧載荷加壓裝置通過上研磨盤對球坯施加載荷。該研磨裝置採用一塊上研磨盤和兩塊下研磨盤構成研磨盤組件。上研磨盤在加工過程中由單獨的電機驅動通過齒輪傳動做旋轉運動，下端面為研磨麵，液壓_彈簧載荷加壓裝置通過上研磨盤對球坯施加彈性載荷，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——磨大球，不磨或少磨小球；磨球坯的長軸，不磨或少磨短軸。下研磨盤由內外兩個盤組成，下研磨盤內盤由單獨的電機驅動，做獨立轉動；下研磨盤外盤固定不動；下研磨盤內盤外側的錐面研磨麵和下研磨盤外盤的內側的錐形研磨麵構成V形槽結構。加工過程中，陶瓷球坯在V形槽中受到研磨盤的驅動公轉並自轉，在磨料的作用下實現材料去除，研磨成球。由於存在兩個驅動，完全可以實現球坯兩個自由度方向的旋轉，實現完整的成球運動，即通過控制上研磨盤和下研磨盤內盤的轉速組合，可使研磨過程中球坯的自旋軸與公轉軸的相對方位發生變化，實現球坯"變相對方位"的成球運動，使球坯表面獲得均勻研磨，快速修正球形偏差，從而提高加工精度與加工效率。本實用新型與自轉角主動控制研磨裝置一樣能夠實現球坯自轉軸與公轉軸相對方位的調整，實現球坯表面的均勻研磨/拋光，區別在於本實用新型的上研磨盤與下研磨的同軸度要求較低；上盤稍有浮動，降低了上、下研磨盤的平行度要求，並便於通過上盤對球坯加壓；驅動、傳動裝置由三個減少至兩個。這樣，設備的結構得到很大簡化，加工、裝配的精度要求也相對降低。在陶瓷球研磨/拋光過程中，其單個陶瓷球研磨機理分析如下下研磨盤外盤周向固定，上研磨盤和下研磨盤內盤獨立轉動；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，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。設定研磨盤與陶瓷球的接觸點分別為A、B、C。三接觸點到下研磨盤迴轉軸的距離分別為HRc。下研磨盤內盤轉速為Q"上研磨盤轉速為QA。半徑為rb的球坯在下研磨盤組成的V形槽內以角速度Qb公轉，同時以角速度"b自轉。V形槽道的形狀由下研磨盤內盤和下研磨盤外盤的斜角a、13確定，並有Re=RA+rbC0Sa，Rc=RA-rbC0S|3。在實際的工程應用中，一般a=|3。陶瓷球的自轉軸恆保持在陶瓷球經度剖面大圓平面上，自轉角速度"b矢量在此平面上的方向由e表示。在9角不變的情況下，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e的取值與輸入轉速QpQc緊密相關，通過改變輸入轉速QA、Qe，自轉角e可以在018(T範圍內取值。這樣就可以通過調整Qa和Qe的速度組合，使陶瓷球作"變相對方位"，使研磨跡均勻分布在球的表面上，實現對陶瓷球表面的均勻研磨。同時，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——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，從而提高加工精度與加工效率。本實用新型對陶瓷球進行研磨/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、IVa、13等，以及加工載荷W和QA、Q。磨料等工藝參數。這裡著重探討其中最重要的三個參數——加工載荷W、上研磨盤轉速04和下研磨盤內盤轉速Qc。陶瓷球在研磨中的隨機打滑對陶瓷球研磨最為有害，不僅直接破壞陶瓷球的研磨質量，而且還破壞正常的研磨運動，從而引起相鄰陶瓷球之間的擠碰，更嚴重的會影響到陶瓷球研磨加工的正常進行。因此，分析加工載荷和兩塊下研磨盤轉速的出發點是，必須確保陶瓷球在研磨中作無隨機打滑研磨運動。而隨機打滑現象直接與加工載荷與研磨盤轉速參數是緊密相關的。提高加工載荷和研磨盤轉速有利於提高球坯的材料去除率，但由此造成的隨機打滑和尺寸旋轉性下降則會降低球度精度。因此，在確定具體值時，必須兼顧加工質量和加工效率。例如，在粗研時可選擇較大的研磨壓力和研磨盤轉速，以提高加工餘量的去除速度；如果側重於研磨精度，QA、Q。W應該選小一點。QA、Q。W的最後確定，還必須通過大量的分析、仿真和陶瓷球研磨的現場實驗，以取得最佳的研磨效果。本實用新型的有益效果主要表現在1、結構較為簡單，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，同時通過研磨盤轉速的自動化控制，減少了人為因素的影響，提高了加工的一致性和穩定性；2、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；3、設備同時還可以用於加工高精度鋼製軸承球、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，促進數控工具機、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是本實用新型的的結構示意圖。圖2為本實用新型中陶瓷球研磨機理圖。圖3為本實用新型中陶瓷球研磨幾何關係圖。圖4為本實用新型中陶瓷球研磨運動分析圖。圖5為陶瓷球表面研磨跡線仿真示意圖。具體實施方式以下結合附圖對本實用新型作進一步描述。參照圖1圖5，一種高精度球雙自轉研磨盤高效研磨裝置，包括機架1、安裝在機架1上的研磨盤裝置和載荷加壓裝置13，所述研磨盤裝置包括上研磨盤7，所述上研磨盤7上端安裝載荷加壓裝置13，所述的高精度球雙自轉V形槽高效研磨裝置還包括下研磨盤內盤6和下研磨盤外盤5，所述的下研磨盤外盤5和下研磨盤內盤6以同軸形式布置，所述下研磨盤內盤6嵌套在所述下研磨盤外盤5內，所述下研磨盤內盤6外側的錐面研磨麵和所述下研磨盤外盤5內側的錐形研磨麵構成V形槽結構，所述下研磨盤外盤5固定安裝在機架1上，所述上研磨盤7安裝在轉軸上，所述轉軸連接上研磨盤驅動電機9，所述下研磨盤內盤6安裝在主軸4上，所述主軸4連接下研磨盤內盤驅動電機2。所述的載荷加壓裝置13為液壓-彈簧載荷加壓裝置，所述載荷加壓裝置下端浮動地安裝所述上研磨盤和測力計12，載荷加壓裝置上還設有當上研磨盤下降到位後將上研磨盤鎖緊定位的鎖緊裝置。所述機架包括底座、立柱14和橫梁ll，所述底座上安裝立柱14，兩個立柱14之間安裝橫梁ll，所述液壓_彈簧載荷加壓裝置的液壓缸10安裝在所述橫梁上。高精度球雙自轉研磨盤高效研磨裝置包括設置在機架1上的上研磨盤7、下研磨外盤5、下研磨盤內盤6，下研磨盤內盤驅動電機2，下研磨盤內盤傳動裝置3，下研磨盤內盤主軸4，上研磨盤驅動電機9，上研磨盤傳動裝置8，液壓缸10，加壓裝置13，測力計12，橫梁11，立柱14，研磨臺15，下研磨盤內盤外側的錐面研磨麵和下研磨盤外盤的內側的錐形研磨麵構成V形槽結構，和上研磨盤一起構成研磨陶瓷球的三個加工接觸點；上研磨盤和下研磨盤內盤獨立轉動，所述的下研磨盤外盤與下研磨盤內盤的驅動軸、上研磨盤的驅動軸與載荷加壓裝置之間均採用軸承連接。上研磨盤連接液壓_彈簧加壓載荷裝置。所述的下研磨外盤和下研磨盤內盤具有同軸布置的形式，以及對上研磨盤施加的液壓-彈簧加壓載荷裝置。液壓-彈簧載荷加壓裝置安裝於橫梁中間，載荷加壓裝置下端裝有稍帶浮動的上研磨盤、測力計，載荷加壓裝置上還有當上研磨盤下降到位後將上研磨盤鎖緊定位的鎖緊裝置；下研磨盤外盤與機架相連。上研磨盤安裝在液壓-彈簧載荷加壓裝置的下端，稍帶浮動，上研磨下端面為研磨麵。液壓-彈簧載荷加壓裝置可實現上研磨盤在上、下球坯時的升降。當上研磨盤與球坯接觸後，載荷加壓裝置把壓力通過彈簧傳遞至上研磨盤，對球坯施加加壓載荷。通過調整液壓_彈簧載荷加壓裝置可控制壓力大小，壓力值可以通過測力計顯示。上研磨盤下降到位後，由鎖緊機構將上研磨盤鎖緊，防止上研磨盤向上運動，保證穩定加壓。下研磨盤組件由下研磨盤內盤和下研磨盤外盤組成，分別以同軸形式布置安裝；下研磨盤外盤與機架相連。下研磨盤內盤和上研磨盤分別由各自電機驅動，做獨立旋轉運動，轉速可調。下研磨盤內盤外側的錐面研磨麵和下研磨盤外盤的內側的錐形研磨麵構成V形槽結構。研磨過程中球坯就放置在環形的V形槽內，在研磨盤的帶動下公轉並自轉。下表1列出了高精度球雙自轉研磨盤高效研磨裝置陶瓷球研磨加工條件工件氮化矽陶瓷球坯，05mm磨料研磨金剛石、B4C磨料拋光Ce02填加劑潤滑油、水、分散劑、煤油及其混合物磨料濃度5%~30%單批球數(個)40、60、80隔球(mm)05、04.75鋼球研磨壓力(N/球)0.5~15研磨盤材料鑄鐵，軟鋼，研磨盤轉速(rpm)"=20~80，O;=-10仏~10i^(負號表示反方向旋轉)研磨盤參數(mm)^=150，is=153.5，ic=146.5，a="=45°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製備缺陷，減少球形誤差，統一球徑；二是高效去初餘量滿足球徑要求。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，並儘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7除餘量應保證消除前道工序所遺留的缺陷，不僅如此，還應保證足夠餘量以便逐漸提高精度。拋光的主要目的是提高表面質量。下表2列出了一個較合理的加工工藝參數工藝參數粗研半精研精研超精研拋光研磨壓力(N/球)8~156~102~51~20.51研磨速度(rpm)60~8060~804060<40<40。c-5仏~5仏-304~3仏磨粒粒度170~200W20W5Wl、W0.5Ce02表2下表3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，採用雙自轉V形槽研磨設備加工的陶瓷球的部分技術指標(lim):球坯材料球形誤差△Sph球直徑變動量Vdws表面粗糙度Ra球批直徑變動量Vdwl03.175mmHIPSN0.0500.0500.0020細05mmHIPSN0.0500.0600.0020扁表3下表4給出了給定工藝條件下，在半精加工階段採用固著磨料技術，採用雙自轉研磨盤研磨設備加工G5和G305mm陶瓷球，精研_超精研_拋光所需的時間，與傳統的V形槽研磨設備相比，加工時間是傳統加工方法的1/21/4:tableseeoriginaldocumentpage9權利要求一種高精度球雙自轉研磨盤高效研磨裝置，包括機架、安裝在機架上的研磨盤裝置和載荷加壓裝置，所述研磨盤裝置包括上研磨盤，所述上研磨盤上端安裝載荷加壓裝置，其特徵在於所述的高精度球雙自轉研磨盤高效研磨裝置還包括下研磨盤內盤和下研磨盤外盤，所述的下研磨盤外盤和下研磨盤內盤以同軸形式布置，所述下研磨盤內盤嵌套在所述下研磨盤外盤內，所述下研磨盤內盤外側的錐面研磨麵和所述下研磨盤外盤內側的錐形研磨麵構成V形槽結構，所述下研磨盤外盤固定安裝在機架上，所述上研磨盤安裝在轉軸上，所述轉軸連接上研磨盤驅動電機，所述下研磨盤內盤安裝在主軸上，所述主軸連接下研磨盤內盤驅動電機。2.如權利要求1所述的高精度球雙自轉研磨盤高效研磨裝置，其特徵在於所述的載荷加壓裝置為液壓_彈簧載荷加壓裝置，所述載荷加壓裝置下端浮動地安裝所述上研磨盤和測力計，載荷加壓裝置上還設有當上研磨盤下降到位後將上研磨盤鎖緊定位的鎖緊裝置。3.如權利要求2所述的高精度球雙自轉研磨盤高效研磨裝置，其特徵在於所述機架包括底座、立柱和橫梁，所述底座上安裝立柱，兩個立柱之間安裝橫梁，所述液壓_彈簧載荷加壓裝置的液壓缸安裝在所述橫梁上。專利摘要一種高精度球雙自轉研磨盤高效研磨裝置，包括機架、安裝在機架上的研磨盤裝置和載荷加壓裝置，研磨盤裝置包括上研磨盤，上研磨盤上端安裝載荷加壓裝置，高精度球雙自轉V形槽高效研磨裝置還包括下研磨盤內盤和下研磨盤外盤，下研磨盤外盤和下研磨盤內盤以同軸形式布置，下研磨盤內盤嵌套在所述下研磨盤外盤內，下研磨盤內盤外側的錐面研磨麵和所述下研磨盤外盤內側的錐形研磨麵構成V形槽結構，下研磨盤外盤固定安裝在機架上，所述上研磨盤安裝在轉軸上，轉軸連接上研磨盤驅動電機，下研磨盤內盤安裝在主軸上，主軸連接下研磨盤內盤驅動電機。本實用新型結構簡單、加工成本低，同時具有較高的加工精度和加工效率。文檔編號B24B11/00GK201455763SQ20092011692公開日2010年5月12日申請日期2009年3月31日優先權日2009年3月31日發明者呂冰海,王志偉,範紅偉,袁巨龍申請人:浙江工業大學;湖南大學