精密球磨机设计【文献综述】.doc

1、 1 毕业设计文献综述 机械设计制造及其自动化 精密球磨机设计 前言 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 2。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。因此

2、陶瓷球轴承在高温、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情况下具有巨大的应用前景 3。 精密陶瓷球得到广泛使用 , 陶瓷球具有耐磨损、耐腐蚀、低密度、低热膨胀率等特性 ,但是陶瓷球大部分仍旧由加工精密钢球的传统设备加工 ,陶瓷球的高精度和高效加工难以实现 4,5。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 6。 陶瓷球轴承的发展及其特性 一、陶瓷球轴承的发展 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。

3、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转速 ,为发展高速和超高速、高精密机床提供了基础零部件 7。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 8。此外，法国、英国、意大利、韩国、

4、等国家也在积极地开发陶瓷球轴承 9。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、2 德国的 FAG 等 7。我国对陶瓷轴承的研究起步较晚，但已取得一定的成果。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

5、 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 7。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 10。 二、陶瓷球轴承的特性 （ 1）高速。陶瓷材料的重量仅为同等钢材重量的 40，密度小这一特点，可实现轴承的轻量化和高速化，使得陶瓷轴承在高速旋

6、转时，能够抑制因离心力作用引起的滚动体载荷的增加和打滑，陶瓷轴承的转速是钢制轴承的 1.3 1.5 倍，其 DN 值可达 300 万 11。 （ 2） 高刚性。氮化硅陶瓷的弹性模量比金属高得多，是金属的 1.5 倍，因而受力后的弹性变形小，相对载荷的刚性高，大约可提高刚度 1.5 20，从而减轻了机床的振动 11。 （ 3）耐磨性。由于陶瓷材料位错少、迁移率低，且具有高硬度，一般较金属的硬度要高 1 倍多，能够减少磨损，使得陶瓷轴承具有良好的耐磨性 11。 （ 4）机械强度高。氮化硅陶瓷的抗拉强度和抗弯强度与金属相当；而抗压强度极高，大约是金属材料的 5 7 倍，尤其是在高温条件下，仍能保持高

7、的强度和硬度，即使在 1200时强度也基本保持不变，在有异物混入的情况下，陶瓷球很少产生剥落失效 11。 （ 5）低发热。由 于氮化硅陶瓷材料的摩擦系数较小 ,大约是标准轴承钢的 30 ,所以与金属材料相比，氮化硅陶瓷的导热性能较差，因此陶瓷轴承工作时产生的热量较小，可延长润滑脂的寿命 11。 （ 6）低热膨胀。氮化硅陶瓷的热膨胀系数大约是轴承钢的 20，因此陶瓷轴承随温度变化的尺寸变化量小，且产生的热预载较低，从而避免了过多的热量聚集而引起疲劳剥落失效，有益于在温度变化较大的环境中使用 11。 （ 7）耐蚀性。陶瓷材料不活泼的化学特性，使陶瓷轴承具有一定的耐腐蚀性能，因此，陶瓷轴承可用于钢制

8、轴承由于缺乏耐化学性而提前失效的所有应用场 合，如在化工机械设备、食品、海洋等部门使用的机械以及原子能设备中的应用 11。 （ 8）无磁性。在强磁环境中，使用钢制轴承时，从轴承本身磨损下来的微粉被吸附在滚动体和滚道面之间，成为轴承提前剥落损坏、噪声增大的主要原因，由于陶瓷轴承是完全非磁性，且具有3 正常的承载能力，可用于需要完全非磁性轴承的场合 11。 （ 9）绝缘性。陶瓷材料的电阻率比较高，可作为较好的绝缘材料，使轴承免遭电弧损伤 11。 (10)尺寸稳定性。钢制轴承在运转中随着温度的变化其尺寸将产生变化，这些变化将影响轴承的运转性能，因此，在较高 温度条件下运转的轴承均需进行尺寸稳定处理，

9、以保证其在高温条件下运转的稳定性 12。 陶瓷球研磨技术的发展 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13， 14。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 6。 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

10、球轴承的使用仍相当有限。国外学者于 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

11、研究陶瓷球的加工。这些学者和研究单位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。 陶瓷球研磨原理 陶瓷球的研磨原理是 :(1)利用磨粒刮削球面以去除余量 ;(2)利用磨粒的滚动作用加工球面 ;(3)利用磨粒切削刃挤压球坯进行加工。上述三种共同作用达到减小球 径 ,提高圆度精度和降低表面粗糙度的目的。达到上述研磨效果的先决条件是使球在研磨盘接触表面上产生滑动。滑动程度愈大 ,研磨效果愈佳。表征球滑动程度大小的数学量为球的自旋角。故为了提高研磨效率 ,应使研磨装置保证球有较大的自旋角 15。 陶瓷球在两个研磨盘之间处于三弧接触状态

12、,研球盘的硬度比被加工的陶瓷球硬度低得多 ,而研磨剂中磨料又比陶瓷球硬得多 ,在磨削压力和研球盘旋转的综合作用下 ,磨粒被陶瓷球挤压而嵌入在研球盘三弧接触的表面上 ,形成一个非常细致的磨具。陶瓷球在沟槽里滚动 ,一方面随转动盘作公转4 运动 ,一方面又连续自 转。因此 ,球表面产生与盘的接触弧表面相对滑动和相对滚动。由于球与接触弧线各点的压力不同 ,滑动速度与滚动速度各不相同 ,于是嵌在沟槽接触弧表面的磨粒对陶瓷球表面就产生了磨削作用。一批陶瓷球从装机到精研加工结束 ,一般分为三个阶段。第一阶段为粗研阶段 ,此时磨料粒度比较粗 ,磨料对陶瓷球表面实现切削、刮削、挤压和剥离等作用 ,不断去除陶瓷

13、球磨量 ,改变球的尺寸精度和球形精度。第二阶段为精研阶段 ,该阶段所使用的磨料粒度较小 ,精研后的尺寸精度、球形精度、表面缺陷一般达到与成品较接近的技术要求。第三阶段为超精研阶段 ,该阶段所使用 的磨料粒度较第二阶段所使用的磨料粒度更小 ,磨料颗粒在陶瓷球与研磨盘沟槽之间的液膜之中 ,研磨能力甚微 ,使陶瓷球表面粗糙度和波纹度得到逐步改善 ,直到达到成品要求 16。 陶瓷球的加工 陶瓷材料与轴承钢在研磨原理上基本相似一般都要经过粗研和精研等多道工序 ,其加工工艺流程为 :制坯粗研精研超精研抛光。由于陶瓷材料的组织结构、力学性能等方面与轴承钢存在较大差异 ,所以 ,陶瓷球加工在磨料、研磨剂、研磨

14、参数、加工余量等方面有很大不同。可以说 ,陶瓷球的加工质量主要取决于所选用的研磨剂、研磨工具、研磨压力、研磨盘转速以 及陶瓷球坯质量等诸多因素 16,18,19。 一、陶瓷球加工 （ 1）陶瓷球的烧结。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 17。 图 1.1

15、 陶瓷球的生产工艺流程 （ 2）陶瓷球毛坯的预圆。陶瓷球毛坯的球形误差和直径差异较大，为了统一直径公差、便于研磨，5 必须对陶瓷球毛坯进行预圆，主要采用砂轮磨削的方法。 图 1.2 所示为陶瓷球磨削的工作原理，磨削时，在加工载荷的作用下，砂轮带动陶瓷球毛坯沿铸铁盘的环形沟槽作公转运动，同时球坯自 转。随着陶瓷球在磨盘沟槽与输球装置之间的循环，使球坯 获得均匀磨削。 1-砂轮 2-球坯 3-聚球刀板 4-铸铁盘 5-上流球槽 6-下流球槽 7-提升器 图 1.2 陶瓷球磨削工作原理 （ 3）陶瓷球的研磨和抛光陶瓷的研磨一般要经过粗研和精研等多道工序，其主要加工工艺流程为：粗研精研超精研抛光。 粗

16、研阶段，磨料粒度比较粗，磨料对陶瓷球表面实现 切削、刮削、挤压和剥离等作用，去除球坯余量，改善球的尺寸精度和球形精度。粗研工序要完成陶瓷毛坯球加工余量 95%的加工量，需在保证陶瓷球加工质量的前提下尽量提高加工速度。 精研阶段的目的是进一步改善由于粗研造成的表面加工缺陷，提高陶瓷球的表面质量和精度。该阶段所使用的磨料粒度较小，精研后的尺寸精度、球形精度、表面缺陷一般达到与成品较接近的技术要求。超精研阶段所使用的磨料粒度比第二阶段所使用的磨料粒度更小，材料去除能力较弱，使陶瓷球表面粗糙度等表面质量得到逐步改善，直到达到成品的要求。 最后的抛光阶段起着降低陶 瓷球表面粗糙度，减少表面缺陷（如表面微

17、裂纹、凹坑等）的重要作用，对于陶瓷球轴承的性能至关重要 1。 二、陶瓷球加工影响因素 （ 1）研磨剂。研磨剂由磨料、研磨液和填料三部分组成。在研磨剂中 ,磨料的作用是不可忽视的 ,要求除具有一定的硬度、韧性、机械强度、热稳定性及化学稳定性外 ,还需有良好的磨削性能 ,使球表面获得较低的表面粗糙度值。磨料成分不同 ,粒度不同 ,研磨效果不同。磨料越细 ,球表面粗糙度会越好 ,但研磨效率相应地降低 ,加工成本相应提高。研磨液的功能是粘附磨料和冷却作用。磨料与陶瓷球亲合力的大小 ,决定了磨削效率 的大小和表面粗糙度的好坏。因此 ,选择合适的研磨液、相应的磨料以及添加频率 ,对球表面粗糙度、球形误差等

18、有很大的影响 16。 （ 2）研磨压力。研磨压力在研磨工程中有两个作用 :一是保证球坯充分自转，二是对球坯进行6 磨削和挤压。确定压力大小，必须兼顾这两个方面。一般而言，单位压力增大可以提高研磨效率，但同时表面粗糙度也会相应变差，球形偏差增大。因此，必须合理确定球坯研磨压力这一关键工艺因素 18。 （ 3）研磨盘转速。研磨盘转速除了影响球坯公转外，还影响球坯的自转，从而影响到球坯单位时间内的研磨次数和研磨效率。但相 对研磨压力而言，研磨速度对加工质量的影响效果并不很明显，但在速度过高引起研磨盘跳动增大，将导致球坯表面粗糙度的增加 16,19。 （ 4）研磨工具。由于工序的加工方法和加工工具的不

19、同 ,所以各工序所采用的研磨工具也有所不同。合理地选择磨球盘的化学成分、硬度、金相组织、表面质量 ,配以相应的沟槽形状 ,通过精心压沟 ,使其圆弧滚道与陶瓷球的曲率相吻合 ,对陶瓷球研磨效率和研磨质量起着重要作用 16。 精密轴承球研磨方式 目前，球形零件的研磨方法大致有两种 :一种是磨盘研磨法，另一种是杯状研具加工法。杯状研具加工法根据所 用研具的数目不同可以分成单轴、两轴和四轴 3 种。四轴加工精度很高，可用于宇航和高精度测量及定位装置中高精度小球及标准球的加工，但加工效率较低 1。杯状加工法加工效率较低，在实际生产中难以实现。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

20、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。通常认为，研磨方式对成球条件满足程度越高，加工精度就越高。 (1)四轴球体研磨方式 四轴自动球面研磨机 (如图 1.3 所示 ) 不断变化的角，通过不同组合四轴转动的方向，实现不断变化的瞬时 z 轴。 7 1-立柱 2-被加工球 3-研具 4-力距电动机 5-测速发电机 6-工作台 图 1-3 四轴 自动球面研磨机 （ 2） 传统 V 形槽研磨方式 该方法一直是钢球加工的主要方式，也是目

21、前陶瓷球加工的主要方式， 其机构如图 1.4 所示。 图 1.4 V 形槽研磨方式机构 （ 3）双 V 形槽研磨方式 如图 1.5 所示 双 V 形槽研磨方式 ,研磨盘与球的接触状态是不稳定的，随着球形偏差的改变球体的自转角随之改变，所以相比与单 V 形槽研磨方式，更适于高精度球体 的。 图 1.6 双 V 形槽研磨方式机构 1,3 （ 4）偏心 V 形槽研磨方式 如图 1.6 所示，该研磨方式下上研磨盘的回转轴线有一定的偏移距离。由于球坯的公转中心与上盘旋转中心不同轴，球坯与上研磨盘的接触点将沿上盘径向移动。 8 图 1.6 偏心 V 形槽研磨机构 (5)同轴三盘研磨方式 日本金泽大学黑部利

22、次等人提出了一种自转角主动控制研磨方式 (也称同轴三盘研磨方式，如图1.7 所示 ) 24，将 V 形槽研磨方式中的下研磨盘于 V 形槽处分割开来，使整个机构由三块可独立转动研磨盘组成，通过控制三块研磨盘的转速变化来调整球坯的自转角。 图 1.8 自转角主动控制研磨机构 (6)锥形盘研磨方式 实验研究表明： =45 70时，研磨效率、研磨精度及表面粗糙度的综合效果较好，故在此基础上发展了锥形研磨方式（如图 1.9 所示），陶瓷球坯在研磨过程中具有较大的自转角（达到 45左右），获得充分自转，增强了陶瓷球的回转滑动，提高陶瓷球的加工效率。 9 图 1.9 锥形研磨方式机构 （ 7）磁流体研磨方法

23、 为了实现陶瓷球的高速研磨， Tani 和 Kawata 于 1984 年提出了“柔性”，并具有高去除速率的磁流体研磨方法（ MFP,Magnetic Fluid Polishing），经过 Umehara、 Kato、 Childs 等人的改进，大幅度提高了精密陶瓷球的加工效率，其原理如 图 1.10 所示 。 Zhang 等人认为偏心 V 槽研磨方式可能是一种使研磨轨迹分布整个表面的方法，将同轴方式改为偏心轴方式，用金刚石砂轮替代研磨盘， 如图 1.10 所示 ，以改善球形偏差，提高研磨效率。该方式下可以获得很高的陶瓷球材料去除率，可以达到传统 V 形槽研磨方法的 50 倍 1,3。 图

24、1.10 磁流体研磨方式机构 （ 8） 非磁性流体研磨方式 非磁流体研磨方式（图 1.11），以廉价、粘性、非磁性的流体（水与甘油的混合物）代替磁流体，以卷弹簧产生自适应的支撑力，以树脂结合剂金刚石砂轮代替嵌入游离磨粒的研磨盘。实验表明，非磁流体研磨方式的加工效率是传统加工方式的十几倍到几十倍，与磁流体研磨方式的加 工效率相当，且在加工过程中能保持平稳的材料去除速率 1,18。 10 图 1.11 非磁流体研磨方式机构 小结 陶瓷球轴承具有金属轴承无法比拟的优异性能 正不断受到国内外的重视，而陶瓷球球的精度是影响轴承性能的最主要因素，因此精密陶瓷球的研磨加工技术已引起了众多学者的关注，围绕研磨

25、成球的基本加工 机理及成球条件，提出了许多新的研磨方式和加工工艺，对陶瓷球轴承的发展和提高精密陶瓷球陶瓷球的加工效率具有十分重要的意义。 参考文献 1 吕冰海 .陶瓷球双转盘研磨方式及成球机理的研究 .哈尔滨工业大学， 2009. 2 余建海 .精密陶瓷球磨球机的现状及其发展前景 .湖州职业技术学院学报， 2005. 3 虞勋杰 .行星式精密球体研磨加工机理与工艺研究 .浙江工业大学， 2010. 4 王志伟 等 . 陶瓷球双自转盘研磨方式下研磨均匀性的研究，金刚石与磨料磨具工程 ,2006. 5 黄晨 、 邓乾发 、 戴勇 .精密陶瓷轴承球研磨新方法 .轻工机械 , 2008. 6 张珂 、 徐湘辉 、 吴玉厚 等 .精密陶瓷球的锥形研磨技术研究 .金刚石与磨料磨具工程 , 2005. 7 周桂欣 .国内外陶瓷轴承的发展现状 .陶瓷研究与职业教育 .2003. 8 薛继瑞、张伟儒、王重海 .混合式陶瓷轴承的研究现状及发展趋势 .硅盐酸通报 ,2002. 9 王涛、王征、王魁久等 .展望中国陶瓷轴承的发展方向及市场前景 .产 业论坛 ,2002. 10 郭桦 .陶瓷球轴承的发展与应用 .沈阳工程学院学报， 2005.