1、毕业设计开题报告 机械设计制造及其自动化 精密球磨机设计 一概述陶瓷轴承和陶瓷球研磨的发展及其研究意义 1.陶瓷轴承的发展及研究意义 随着工业技术的发展，对机械中的一些零部件的要求也在提高 , 如高转速、高旋转精度、高可靠性、耐高温、抗腐蚀、无润滑等高性能要求 1。由于材料本身的局限性，目前使用的钢球滚动轴承，很难满足上述要求，人们就想用其它材料来代替钢材 ,例如广泛应用于轴承内衬的陶瓷材料 3。因此，采用新的材料，成为提高轴承的技术性能的一个十分迫切的问题。与传统的轴承钢相比，氮化硅等先进陶瓷具有密度小 ，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
2、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 1。采用陶瓷材料制造轴承，是对传统轴承的一次革命。由于陶瓷材料具有优异的性能，可以承受金属材料和高分子材料难以胜任的严酷的工作环境，并且又具有轴承材料所要求的全部重要特性，因此将陶瓷材料应用于轴承制造，已成为世界高新技术开发与应用的热点，成为机械材料技术革命的标志 4。 世界上第一套陶瓷轴承由美国 NASA 公司于 1972 年研制成功 ,之后 ,世界上各工业强国就一直在竞相 研制、生产更高性能的陶瓷轴承。他们从产业化入手 ,进行相应的设备、工艺、材料等一系列的开发、研制。从应用结果上看 ,最突出的效果是较大幅度地提高了轴承的使用寿命和极限
3、转速 ,为发展高速和超高速、高精密机床提供了基础零部件 5。从 1972 年美国研制成功陶瓷轴承以来 ,日本、德国急起直追 ,很快得到发展。陶瓷轴承从无到有 ,从试验研究到投入工业生产 ,由高度保密到公开销售 ,取得引人注目的成就。这是机械制造技术和材料科学相互交叉的高科技产物。 1992 年东京第 16 届日本国际机床博览会上已有陶瓷滚动轴承系列实物产品公开展出 ,接受 用户订货。一些机床制造商也展出了主轴采用陶瓷轴承实现高速切削的加工中心和超精度机床。陶瓷轴承在机床上的应用 ,以日本发展最快。近几年来 ,牧野公司生产的 MC56-5XA 型加工中心 (15000 转 /分 )、森精机公司的
4、 MV-65A/40 型加工中心(25000 转 /分 )以及新泻铁公司生产的 UHS10 型加工中心 (100000 转 /分 ),日本 Kyocers 公司生产的 HPM-型超精密车床 ( 150 150mm)等主轴部件都采用了混合式陶瓷滚动轴承。德国 FAG 公司和 SKF 公司生产了一系列陶瓷轴承的主轴单元。美国研制成功的陶瓷滚动 轴承使用温度已达 800 ,日本的混合陶瓷轴承的 dn值达到 250万 ,全陶瓷轴承的 dn值达到 212万6。从 70 年代到 90 年代 ,是西方发达国家对陶瓷轴承研究和发展最快的阶段 ,基本完成了实验室的高投入试验 ,进入工业化生产阶段。目前世界上各国
5、生产、研究、销售陶瓷轴承的公司很多 ,如 :SKF,FAG,美国福特汽车公司 ,NSK,TTC,NTK,KOYO 等公司。 NSK 公司已有 28 个规格3 种级别的角接触球轴承供用户选择。美国和西欧各国重点在高科技和军工装备上使用轴承球 ,据统计国际上陶瓷轴承的应用量已达 2000 万套 7。此 外，法国、英国、意大利、韩国、等国家也在积极地开发陶瓷球轴承 8。目前 ,世界各国研究陶瓷轴承处于领先水平的主要公司有瑞典的 SKF、法国的圣戈班戒、日本的 NSK 和 KOYO、美国的 Temken 和 Norton、俄罗斯的 ROSV、德国的 FAG 等 5。 我国对陶瓷轴承的研究始于 80 年
6、代末。“八五”期间 (1991 年 1995 年 ),国家科委首次将“陶瓷轴承”列入国家科技攻关计划 ,山东工业陶瓷研究设计院与洛阳轴承研究所联合在国内首次承担了“氮化硅陶瓷轴承球的研制与开发”项目攻关任务 7。 1990 年以后 ,在一些大学 ,如 广东工学院 ,进行了陶瓷轴承的基础研究 ,东北大学、沈阳建工学院、西北工业大学、天津大学等进行了陶瓷球的精密加工试验研究 ,哈尔滨工业大学进行了混合陶瓷轴承 (球用 Si3N4 制造 ,由山东淄博陶瓷研究院供应 )的研制和性能试验研究 ,广东工学院和洛阳轴承研究所进行合作研究开发陶瓷轴承 6。“九五”期间 ,山东工业陶瓷研究设计院、洛阳轴承研究所
7、、中国建筑材料科学研究院、中科院上海硅酸盐研究所等单位联合承担国家科技部国家科技攻关课题“氮化硅陶瓷轴承批量制备技术” 7。 从现有资料看 ,国内陶瓷轴承的研发主要集中在高速、高精 度上 ,在使用上多属高速机床、数控机床、电主轴等高速场合要求的长寿命、低噪音陶瓷球轴承。研究的重点是复合陶瓷轴承 ,主要是陶瓷球 ;解决的问题主要有两个 ,一是陶瓷球的制坯工艺 ,二是高精度陶瓷球的加工工艺。陶瓷球的材质主要是氮化硅、氧化锆 ,尤以氮化硅为主 ,对新材料如 SiC、 ZTA、 Sailon 研究较少。目前国内研发陶瓷轴承的主要单位有 :哈工大、沈阳建工学院、西北工业大学、天津大学、洛阳轴承厂、山东工
8、陶院、上海材料所、广东工学院、北京中实三强工程陶瓷有限公司等 5。 由于陶瓷球轴承是一种重要的机械基础零部件 ,它具有 金属轴承无法比拟的优异性能 ,因此 ,在各个领域中都得到了日益广泛的应用。从应用的效果上看 ,最突出的效果是较大地提高了轴承的使用寿命和极限转速 ,为发展高速、高精度机床提供了基础零部件 9。另外 ,在高温、腐蚀、绝缘、真空等行业的应用也已取得了良好效果，仅仅依靠对目前钢轴承改进结构和改善润滑条件已远不能满足 ,必须从陶瓷材料的根本性突破和创新 ,研究开发新型材料的轴承 ,才能适应高科技和工业生产发展的要求。基于它应用范围广 ,因此 ,为其发展带来了更大的生机和活力。 2.陶
9、瓷球研磨的发展现状及其研究意义 陶瓷轴承正不断受到 国内外研究者的重视。其中陶瓷球的研磨加工技术是开发陶瓷轴承的基 础 11。研磨加工的精度与效率直接关系到陶瓷轴承的性能和成本 10。 目前使用的陶瓷球研磨方法与加工钢材的研磨方式类似 ,但是由于陶瓷材料与钢材存在着 :原材料的不同、晶粒结构的不同、制造设备工艺的不同和性能上的不同等诸多差异。所以陶瓷球与钢球的加工工艺也存在着很大的差异。通常使用的陶瓷球磨球机普遍存在着研磨精度不够高和研磨效率低这两大问题 3。由于陶瓷球材料本身的硬脆特性，陶瓷球的研磨加工较为困难。与钢质轴承相比，陶瓷球的加工费用要高得多， 陶瓷球轴承的使用仍相当有限。国外学者
10、于 1980年代开始关注陶瓷球的研磨加工技术，日本的 Kato、 Umehara、 Raghunandan、BoZhang 等人，英国的 Childs 等人，美国的、 Komandruri、 Ming Jiang 等人都长期从事陶瓷球加工的研究。近年来，陶瓷球的加工也越来越受到国内学者的关注，沈阳建筑大学的吴玉厚教授等人、天津大学的任成祖教授等人、山东大学的黄传真教授等人、哈尔滨工业大学的齐毓霖教授和王黎钦教授等人、西北工业大学的史兴宽教授等人、浙江工业大学的袁巨龙教授等人，以及上海材料所、 上海硅酸盐研究所、山东工业陶瓷研究设计院、洛阳轴承研究所等单位都在研究陶瓷球的加工。这些学者和研究单位
11、提出了多种新型的陶瓷球研磨方式和新的工艺技术，以提高陶瓷球的加工质量、加工效率和加工一致性，降低生产成本 1。 随着现代科学技术的进步，新的加工技术和方法不断涌现，经过近几十年的发展，氮化硅陶瓷球的制造工艺已基本成熟。目前根据陶瓷球的烧结方法不同可分为 HP、 HIP 和 CIP三种方法，如图 1.1 所示。对于 HP 法，烧结与成形是一道工序，工艺流程短，坯体的品质高，但烧结后的陶瓷球的球形精度和尺寸的一致性较差，加工 余量较大。由于该方法加工成本较高，目前应用较少。而其他两种方法，在烧结前都可以对生坯球进行修形，从而获得一定形状精度、尺寸精度和尺寸一致性的生坯球，显著减少烧结后的研磨余量
12、12。 图 1.1 陶瓷球的生产工艺流程 陶瓷球的加工工序一般分为 :粗磨、精磨、初研和精研四道工序。粗磨工序要完成陶瓷 毛坯球加工留量 95%的加工量 ,是影响陶瓷球加工效率的关键工序 ,需在保证陶瓷球加工质量的前提下尽量提高加工速度，精磨工序的目的是进一步改善由于粗磨造成的表面加工缺陷 ,提高陶瓷球的表面质量和精度，初研工序的目的是改善陶瓷球的精度和表面质量 ,使陶瓷球的精度基本达到成品球的要求，精研工序的目的是改善陶瓷球的表面质量和精度 ,使陶瓷球达到成品球的精度要求 13。对于轴承用陶瓷球 ,要求具有很高的形状精度、尺寸精度、表面质量和材料特性。由于陶瓷材料硬度高 ,与金属相比脆性较大
13、 ,加工困难 ,且加工时易在材料表面产生裂纹等表面缺 陷 ,在轴承运转中引起陶瓷球碎裂、早期疲劳而使轴承失效。所以加工陶瓷球最重要的是必须始终保持球表面不出现损伤 ,只有在加工工艺参数与陶瓷球材料的特性相匹配时 ,才能在保证质量和经济性的前提下进行加工工艺的改进 13。 目前精密球主要采用研磨方法加工，研磨加工是在研具与工件之间加入磨料，并通过磨具、工件、磨料三者之间的相互作用达到材料去除的一种加工方法。一直以来，球体的研磨加工只是一种工艺技术，没有形成完整的理论体系。随着科技的发展，对球体精度的要求日益升高，而传统研磨方式下球坯只能做“相对方位不变”的运动，球坯 表面无法得到均匀研磨，限制了
14、球形偏差的进一步降低和加工效率的进一步提高 15。因此研磨装置对陶瓷球的研磨精度和研磨效率有重要影响。磨盘研磨法是目前生产轴承用球的主要方法，可大致分为三大类，一是传统 V 形槽研磨方式及由其演化而成的双 V 形槽、类双 V 形槽和偏心 V 形槽研磨方式；二是自转角主动控制研磨方式及由其演化而成的锥形盘等研磨方式；三是磁流体研磨方式及由其演化而成的非磁流体研磨方式 12。 精密球是圆度仪、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。精密 球的主要技术指标是圆度和表面粗糙度，其中比较困难的是保证圆度精度。精密球目前主要采用金属材料，但存在耐
15、磨损性能较差、受温度影响变形较大等问题。而陶瓷球以其重量轻、硬度高、耐磨损、耐高温、耐腐蚀、热膨胀系数小等优点，已广泛地应用于精密轴承等零部件中，因此，对陶瓷球加工技术进行研究，以获得良好的加工质量和效率，具有十分重要意义 14。 二、研究的基本内容，拟解决的主要问题： 1.基本内容： 本次设计的任务是精密球磨机的设计 。 包括研磨方案的选择、研磨盘的设计、钻床的改造、球磨机的整体设计。要求完成对研磨盘的设计 ，使其能满足高精度陶瓷球的研磨。 2.拟解决的主要问题： (1) 确定陶瓷球研磨方案。 （ 2）研磨盘的设计方案。 （ 3）钻床的改造。 （ 4）球磨机整体设计。 三、研究步骤、方法及措
16、施： 1研究步骤： 查阅相关资料，读懂相关图纸重点研究研磨方案及研磨盘的设计方案设计及总体结构设计分析和计算图纸设计撰写设计说明书 2方法及措施： 2.1 第一学期第 17-20 周： 查阅参考资料：陶瓷球的用途，陶瓷球的研磨方式，陶瓷球的研磨方案，球磨机的整体设计。 2.2 第二学期第 1-4 周：方案设计及 总体结构设计； 第二学期第 5-7 周：分析和计算 。 分析：方案的设计及选择 （ 1）陶瓷球研磨方案设计选择： 各研磨方案的比较，选择最理想的设计方案 （ 2）研磨盘和钻床改装设计： 研磨设计 对研磨盘参数结构的设计 钻床改装设计 对改装钻床的选择及钻床的改装 四、参考文献 1 吕冰
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