1、本科毕业论文（20 届）精密球磨机设计所在学院 专业班级 机械设计制造及自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 本科生毕业论文I摘要陶瓷是一种以无机非金属物质为原料经过高温煅烧而成的材料，具有比重小、硬度高、抗腐蚀、无磁性，自润滑等技术性能。所以其应用范围越来越广泛，被认为是制造高速、高精度轴承滚动体的最佳材料。陶瓷属于硬脆难加工材料，尤其是一些复合陶瓷。微型陶瓷球还具有加工余量小，绝对尺寸精度要求高的特点，增加了研磨难度。研磨效率和研磨质量（主要是球度和表面质量）是这一加工过程的主要指标。陶瓷球加工效率低、成本高是目前限制陶瓷球轴承应用的主要原因。本文主要对陶瓷球的研磨加工
2、技术进行研究。本文采用理论分析的方法，对陶瓷球的研磨加工方法进行研究。比较各种加工方法，提出了提高陶瓷球加工效率和质量的方法。最后本文介绍了对 Z512B 的钻床改装成球磨机的设计方法。同时，本文还对陶瓷球轴承的应用现状、复合陶瓷球的性能特点做了相应的论述。关键词：陶瓷；陶瓷球；研磨；球磨机本科生毕业论文IIAbstractCeramic is a material which calcinated at high temperature by the raw material of inorganic non-metallic materials,with the proportion of
3、 small, high hardness, corrosion-resistant,non-magnetic,technologies such as self-lubricating propertie- s.Therefore,its range of application is more and more extensive,be considered is to create high-speed, high-precision roller bearings the best materials.Ceramics are hard and brittle materials th
4、at are difficult to process ing,especially some composite ceramics.Micro-ceramic ball also has the features of small allowance, absolute size of high precision,increased the difficulty of grinding.The efficiency and the quality of grinding (primarily the ball and surface quality) is key indicators o
5、f the process.Ceramic ball inefficient processing, high costs is the main reason for limiting the application of the ceramic ball bearings.In this paper, main studying the grinding of ceramic ball-processing techniques.In this paper, useing theoretical analysis,studying the grinding of ceramic ball-
6、processing methods.Comparing various processing methods, coming up with improving efficiency and quality of processing ceramic ball.in the end of this paper,introducing the method of design which modifying the drill Z512B into ball mill.At the same time,this article also discusses the corresponding
7、argument of the status quo of the application of Ceramic Ball Bearing andperformance characteristics of composite ceramic ball.Key words：ceramics; ceramic ball; grinding; ball mill本科生毕业论文III目 录第一章 绪 论 .11.1 前言 .11.2 陶瓷球轴承的发展及其特性 .11.2.1 陶瓷球轴承的发展 .11.2.2 陶瓷球轴承的特性 .11.3 陶瓷球轴承的研究背景 .31.4 课题研究内容 .3第二章 陶
8、瓷球的特性 及加工难点 .42.1 陶瓷球的特性 .42.2 陶瓷球研磨技术研究现状和意义 .42.3 陶瓷球研磨的技术难点 .5第三章 陶瓷球的加工方法 .63.1 陶瓷球材料 .63.2 陶瓷球的加工过程 .63.2.1 陶瓷球的烧结 .63.2.2 陶瓷球毛坯的预圆 .63.2.3 陶瓷球的研磨和抛光 .73.3 研磨成球机理 .73.4 研磨成球条件 .73.5 自转角 .83.6 陶瓷球加工影响因素 .83.6.1 研磨剂 .83.6.2 研磨压力 .93.6.3 研磨盘转速 .93.6.4 研磨工具 .9第四章 精密陶瓷球的研磨方式 .104.1 研磨方式分析 .104.1.1 四
9、轴球体研磨方式 .104.1.2 传统 V 形槽研磨方式 .10本科生毕业论文IV4.1.3 双 V 形槽研磨方式 .114.1.4 偏心 V 形研磨方式 .114.1.5 同轴三盘研磨方式 .124.1.6 锥形盘研磨方式 .124.1.7 磁流体研磨方法 .134.1.8 非磁性流体研磨方式 .144.2 研磨方式确定 .14第五章 精密陶瓷球磨机设计 .155.1 设计软件介绍 .155.2 研磨装置的设计 .155.2.1 研磨装置装配图 .155.2.2 连接轴的设计 .165.2.3 研磨盘 .175.2.4 上研磨盘 .185.2.5 下研磨盘 .195.2.6 弹簧装置 .20
10、5.2.7 弹簧 .205.2.8 弹簧支座 .215.2.9 弹簧套 .225.3 球磨机设计 .235.3.1 改装方案设计 .235.3.2 对 Z512B 钻床的改装 .235.3.3 转速的调整 .235.3.4 钻头与研磨装置的联接 .235.3.5 进给手柄改装 .235.4 总装配图 .24结 论 .25致 谢 .26【参考文 献】 .27本科生毕业论文1第一章 绪论1.1 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。目前使用的钢球滚动轴承，很难满足上述要求，由于材料本身的局限性，人们就想用其
11、它材料来代替钢材,例如广泛应用于轴承内衬的陶瓷材料。因此，采用新的材料来提高轴承的技术性能，是一个十分迫切的问题。与传统的轴承钢相比，陶瓷被认为是制造轴承滚动体的最佳材料，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，因此陶瓷球轴承在高速、高温、高精度、电腐蚀、酸碱腐蚀、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。精密陶瓷球具有耐腐蚀耐磨损、低密度、低热膨胀率等特性,精密陶瓷球得到广泛使用，但是很难实现陶瓷球的高效和高精度加工，陶瓷球大部分仍旧由加工精密钢球的传统设备加工。陶瓷轴承的性能和成本直接受到
12、研磨加工的精度与效率的影响。1.2 陶瓷球轴承的发展及其特性1.2.1 陶瓷球轴承的发展美国 NASA 公司于 1972 年研制成功世界上第一套陶瓷轴承。研制、生产更高性能的陶瓷轴承一直受到世界上各工业强国的关注。他们从产业化入手,进行相应的工艺、材料、设备等研制、开发。从应用上看，轴承的极限转速和使用寿命得到较大幅度的提高,为发展高精密、高速和超高速机床提供了基础零部件。西方发达国家从 70 年代到 90 年代对陶瓷轴承进行了研究和发展, 进入工业化生产阶段，完成了实验室的高投入试验。目前世界上各国研究、生产、销售陶瓷轴承的公司很多，如：美国福特汽车公司,SKF,FAG, NSK,TTC,N
13、TK,KOYO 等公司。NSK 公司已有 3 种级别 28 个规格的角接触球轴承供用户选择。西欧和美国各国重点在军工装备和高科技上使用轴承球,据统计陶瓷轴承在国际上的应用量已达 2000 万套。此外，意大利、法国、英国、韩国等国家也在积极地研究开发陶瓷球轴承。目前,世界各国研究陶瓷轴承的主要公司有法国的圣戈班戒、瑞典的 SKF、日本的 NSK 和 KOYO、美国的 Temken和 Norton、德国的 FAG、俄罗斯的 ROSV 等处于领先水平。虽然我国对陶瓷轴承的研究起步较晚，但也取得一定的成果。国内陶瓷轴承在使用上多属数控机床、高速机床、电主轴等高速场合要求的低噪音、长寿命陶瓷球轴承，在研
14、发主要集中在高精度、高速陶瓷球轴承。研究的重点主要是陶瓷球;解决的问题主要有两个 ,一是高精度陶瓷球的加工工艺,二是陶瓷球的制坯工艺。陶瓷球的材质研究主要是氧化锆、氮化硅,以氮化硅为主,对新材料的研究较好如 SiC、 ZTA、Sailon 等。国内目前研发陶瓷轴承的主要单位有: 沈阳建工学院、哈工大、西北工业大学、洛阳轴承厂、天津大学、山东工陶院、广东工学院、上海材料所、北京中实三强工程陶瓷有限公司等。由于陶瓷球轴承具有金属轴承无法比拟的优异性能，是一种重要的机械基础零部件。所以,陶瓷球轴承在各个领域中都得到了广泛的应用。从应用的效果上看,较大地提高了轴承的使用寿命和极限转速尤为突出,为发展高
15、精度、高速机床提供了基础零部件。1.2.2 陶瓷球轴承的特性本科生毕业论文2（1）高速。陶瓷材料密度小，重量仅为同等钢材重量的 40，可实现轴承的高速化和轻量化，陶瓷轴承在高速旋转时，因离心力作用引起的打滑和滚动体载荷的增加能够得到抑制，陶瓷轴承的 DN 值可达 300 万，相当于钢制轴承 1.31.5 倍的转速。（2）耐磨性。由于陶瓷材料具有高硬度，且迁移率低、位错少，一般是金属硬度的 1 倍多，使得陶瓷轴承具有良好的耐磨性，能够减少磨损。（3）高刚性。与金属相比氮化硅陶瓷的弹性模量是金属的 1.5 倍，因而相对载荷的刚性高，受力后的弹性变形小，可提高刚度 1.520左右，从而减轻了机床的振
16、动。（4）机械强度高。氮化硅陶瓷有金属相当的抗拉强度和抗弯强度，尤其是在高温条件下，仍能保持高的强度和硬度，即使在 1200时强度也基本保持不变；而抗压强度极高，大约是金属材料的 57 倍，在有异物混入的情况下，陶瓷球产生的剥落失效很少。（5）低发热。氮化硅陶瓷材料的摩擦系数大约是标准轴承钢的 30左右,与金属材料相比，氮化硅陶瓷有较差导热性能，因此工作时陶瓷轴承产生的热量较小，可延长润滑脂的寿命。（6）低热膨胀。相比轴承钢氮化硅陶瓷的热膨胀系数较低，因此陶瓷轴承产生的热预载较低，且随温度变化的尺寸变化量小，避免了过多的热量聚集，引起疲劳剥落失效，适合在温度变化较大的环境中使用。（7）耐蚀性。
17、陶瓷轴承具有一定的耐腐蚀性能和不活泼的化学特性，因此，陶瓷轴承可用于由于缺乏耐化学性而提前失效的钢制轴承所有应用场合，如应用在食品、化工机械设备、海洋等部门使用的机械以及原子能设备中。（8）无磁性。使用钢制轴承时，在强磁环境中，轴承提前剥落损坏、噪声增大的主要原因是从轴承本身磨损下来的微粉被吸附在滚道面和滚动体之间，由于陶瓷轴承具有正常的承载能力，且是完全非磁性的，完全非磁性轴承的场合需要用到陶瓷轴承。（9）绝缘性。陶瓷材料可作较好的绝缘材料，由于电阻率比较高，使轴承免遭电弧损伤。(10)尺寸稳定性。钢制轴承在运转中尺寸变化随着温度的变化而变化，轴承的运转性能将受到影响，因此，运转的轴承在较高
18、温度条件下均需进行稳定尺寸处理，在高温条件下保证其运转的稳定性。陶瓷球轴承无需要配备油液供给系统，从而简化了硬盘的硬件结构，有利于缩小硬盘尺寸。由于陶瓷球轴承可耐 600以上的高温，所以其性能几乎不会受硬盘工作过程中产生的热量影响。毫无疑问，陶瓷球轴承完全具备作为 HDD 用主轴电机轴的优良条件。目前计算机硬盘产量巨大，仅 Maxtor 公司硬盘产量就将要达到 5 亿个/年，而我国几乎就不具备硬盘的生产能力，民用微机的硬盘完全依赖进口，无法解决 HDD 用主轴电机轴承的生产技术也是其中非常关键的原因。目前，有些国家也正在准备将陶瓷球轴承应用到 HDD主轴电机上，但还未获得成功。如果我们能够把握
19、现在的有利时机，解决这一问题，不言而喻，将大大促进我国计算机工业的发展，打破我国计算机关键部件完全依赖进口的局面。 由于陶瓷球轴承具有金属轴承无法比拟的优异性能，它是一种重要的机械基础零部件，因此，广泛应用在各个领域中。在应用的效果上,较大地提高了轴承的极限转速和使用寿命，为发展高速、机床提供了基础零部件。另外，应用在绝缘、真空、高温、腐蚀等行业也已取得了良好效果。基于它应用范围广，因此，为其的生机和活力带来更好的发展。另外，开发者应注意陶瓷轴承完全有能力去替代的最普通的工作，而那些金属轴承无法本科生毕业论文3胜任。如海洋开发、污水处理、石油勘探、食品工业、医药卫生等诸多领域中实际使用的中、低
20、转速，一般精度等级，并要求轴承能够耐几百度高温，不导磁、电，无毒性，有耐一定浓度的盐、酸、碱腐蚀，可在利用工作介质自身润滑或无油的工作领域。在特种轴承应用中这些领域应用的轴承占的比例非常大，值得我们开发，而且市场广阔。研发机构应降低制造成本，开拓市场，抓住机遇，促进高性能陶瓷材料生产的规模化，早日使具有市场前景广阔的陶瓷材料的应用实现产业化。1.3 陶瓷球轴承的研究背景陶瓷材料是以高温煅烧一种无机非金属物质而形成的，人们从远古就被所认识。人类最早使用的生活用品之一便是传统陶瓷。在 19 世纪下半叶，陶瓷开始作为人造磨料、耐火材料及电绝缘材料等应用于制造业及冶金等领域。从 20 世纪中叶开始，随
21、着传感技术、光电子技术及空间技术等新技术的诞生与发展，现代陶瓷(亦称高技术陶瓷、特种陶瓷、优质陶瓷、精细陶瓷、高性能陶瓷等)作为新兴材料，满足了新技术材料以及对科学技术的发展的迫切需要。依据用途不同，现代陶瓷可分为工程(结构)陶瓷和功能陶瓷两大类。功能陶瓷材料一般用作半导体材料、磁性材料、介电材料、光学材料、热核反应堆材料及生物化学材料等。工程陶瓷材料优良的物理性能有热膨胀系数小、比重小、硬度高、耐高温、化学稳定性好、耐腐蚀、抗压强度高、弹性模量大等。作为新兴的结构材料，工程陶瓷在大部分工业领域应用前景非常广泛。在一些国家,工程陶瓷应用在耐磨部件上占市场分额的 43%左右，如阀门、衬垫、滑轮、
22、导杆、密封圈、轴承、活塞等。发达国家近年来，竞相投入到工程陶瓷的应用研究中来。在工程陶瓷产品的开发应用中，陶瓷球轴承受到很多国家的高度重视，是工程陶瓷广泛应用在工业领域的典型范例。在高速精密轴承中，混合陶瓷球轴承应用最多，即轴承圈仍为钢圈，热压 Si3N4 陶瓷球作滚动体。这种轴承对机床结构改动小，标准化程度高，特别适合于高速运行场合，便于维护保养。由其组装的高速电主轴的优点有高刚度、高速、长寿命、大功率等。因此，研究高精度热压氮化硅陶瓷球轴承一直是难点和热点。陶瓷轴承广泛应用在各个领域，在工业领域中，陶瓷球轴承的应用最成功。目前，氮化硅陶瓷球轴承的应用较为广泛。它具有精度保持性好、极限转速高
23、、刚度高、启动力矩小、寿命长、干运转性好的优点，在高温、高速以及辐射、腐蚀条件下保持长时间、高精度运转中非常适合。机床主轴轴承、高速电主轴轴承、仪器仪表用轴承、牙钻轴承、计算机硬盘驱动器轴承等，主要用于数控机床和高速精密机械中。此外，在相同载荷的条件下，氮化硅陶瓷的弹性模量比轴承钢约高 1/3，硬度高达 1 倍，氮化硅陶瓷的弹性变形小，所以，使用陶瓷球轴承的机床主轴运转精度较好。目前高速机床的主轴中已成功地应用混合型陶瓷轴承，并已进入实用化阶段，如日本牧野等公司生产的主轴转速为 16 000 r/min 的 HPM 型超精密车床等，而美国 MIKRO 公司生产的 HSM700 高速加工中心，切
24、削速度提高了 510 倍，主轴转速已达到 42 000 r/min。此外，混合型陶瓷轴承在涡流分子泵、电主轴等高转速的设备中应用广泛。1.4 课题研究内容为了研磨加工微型陶瓷球，并满足一定的加工精度，本次设计是把一台 Z512B 的钻床改本科生毕业论文4装成球磨机，精度要求不高，能加工直径 5mm 的钢球。适合小规模的陶瓷球加工。主要完成精密球磨机的总体方案设计和结构设计，对主要零部件进行三维设计。并对陶瓷球的研磨技术及影响因素进行分析。第二章 陶瓷球的特性及加工难点现代新技术的发展导致机械工业、航空航天的重大变革。根据机械设备发展的需求，对零件的性能提出了更高的要求，不但要求转速高，而且要求
25、高速条件下具有耐磨性，可靠度高，旋转精度高及耐腐蚀性好等。因此，不仅机械零件的加工精度要提高，而且还必须从根本上更改零件的材料。为了保证工作系统在高速条件下具有良好的可靠性，经过不断的探索，发现工程陶瓷材料能够符合这项任务，因为结构陶瓷具有耐腐蚀、密度小、耐高温、耐磨损、质量轻等优异特性。从目前发展趋势来看，陶瓷轴承以适应高速、高温、精密环境条件替代普通钢制轴承是最引人注目的，而这项工程技术在我国还是空白。2.1 陶瓷球的特性（1）低密度。陶瓷球可在更高转速下工作，而且产生热量少，由于滚动体材料密度减小，离心载荷也随之减小。（2）热膨胀系数小。使轴承工作温度范围更宽，减小对温度变化的敏感性。（
26、3）中等弹性模量。使轴承的动态刚度提高，陶瓷滚动体的弹性模量比钢的要高, 但轴承的承载能力随弹性模量增大而降低。（4）材料强度高。对于陶瓷材料，滚动轴承承受高接触应力的需要抗压强度, 通常是通过三点或四点弯曲试验测得的断裂模量决定其强度。（5）良好的抗滚动接触疲劳特性。（6）高硬度和高韧性。这两个特性相结合能防止外界粒子和冲击的损伤, 而且可获得较好的表面粗糙度。（7）剥落失效模式。该模式在卡死前有预兆，是一种造成危害最小的失效模式，如果滚动体在工作中失效,则应是疲劳剥落。（8）耐腐蚀。在反复滚动而挤掉表面油膜的接触区，尤其是在氧化和腐蚀环境中要具有耐腐蚀和抗氧化稳定性。（9）耐高温。若采用氮
27、化硅陶瓷滚动体轴承可耐温 600以上，一般钢滚动轴承的承受温度仅为 250。（10）大大延长轴承的使用寿命。在高速下，由于陶瓷球轴承采用了质轻的陶瓷球，Si3N4 陶瓷材料的比重为每厘米 3.2，仅为轴承钢的 40，减少了作用在滚珠上的陀螺力矩和离心力，从而减小了接触面的动摩擦和压力，减少轴承的磨损量，降低内外圈与球体的滚滑比。温升较低，比钢质球轴承低轴承温升可降低 35%40% ，这不仅大大地提高轴承的使用寿命，也提高了轴承的高速能力（雾润滑最高可达 300 万 DN，混合油脂润滑最高可达 100 万 DN） 。在相同的条件下，经实验陶瓷球轴承的使用寿命是钢球轴承寿命的四倍以上。（11）可以
28、提高轴承的旋转精度。陶瓷滚动体具有良好的尺寸稳定性和加工性能，与轴承钢想比，陶瓷球具有刚性好、硬度高、热胀系数小、比重低、陶瓷材料热导率低、有一定本科生毕业论文5的自润滑性能。当轴承工作环境出现异常情况时, 有效地提高轴承的精度，不会出现“热胀”死现象和烧毁内、外沟道。2.2 陶瓷球研磨技术研究现状和意义陶瓷轴承正不断受到国内外研究者的重视。其中开发陶瓷轴承的基础是陶瓷球的研磨加工技术。陶瓷轴承的性能和成本受到研磨加工的精度与效率的影响。钢球和陶瓷球的加工工艺也存在着很大的差异。目前使用的加工钢材的研磨方式与陶瓷球研磨方法类似,但是由于原材料的不同、晶粒结构的不同、性能上的不同和制造设备工艺的
29、不同等使钢材和陶瓷材料存在诸多差异。研磨精度不够高和研磨效率低这两大问题通常存在与陶瓷球磨球机中。研磨加工陶瓷球较为困难，由于陶瓷球材料本身的硬脆特性。与钢质轴承相比，陶瓷球轴承的使用仍相当有限，加工陶瓷球的费用要高得多。于 1980 年代国外学者对陶瓷球的研磨加工技术开始关注，日本的 Kato、Umehara、Raghunandan、BoZhang 等人，美国的、Komandruri、Ming Jiang 等人，英国的 Childs 等人都长期从事陶瓷球加工的研究。近年来，国内学者也越来越关注陶瓷球的加工，沈阳建筑大学的吴玉厚教授等人、山东大学的黄传真教授等人、天津大学的任成祖教授等人、哈尔
30、滨工业大学的齐毓霖教授和王黎钦教授等人、浙江工业大学的袁巨龙教授等人、西北工业大学的史兴宽教授等人，以及上海材料所、山东工业陶瓷研究设计院、上海硅酸盐研究所、洛阳轴承研究所等单位对陶瓷球的加工都有所研究。这些学者和研究单位提出了新的工艺技术和多种新型的陶瓷球研磨方式，以提高加工效率和加工一致性、陶瓷球的加工质量，降低生产成本。现代工程陶瓷材料具有重量轻、耐高温、硬度高等优良的物理、化学和力学性能。经过特殊加工工艺制成的陶瓷轴承, 广泛应用于航空、机械、国防和航天等领域，具有耐高温、耐腐蚀、自润滑性好和电绝缘等优点。我国陶瓷轴承的开发同国外相比还存在着一定的差距。因此, 提高陶瓷轴承的质量和产量
31、,采用新材料、新技术、新工艺开发轴承新产品,已成为一个重要的研究课题。对于陶瓷球轴承的陶瓷球，要求具有很高的尺寸精度、形状精度、材料特性和表面质量。由于陶瓷材料加工困难, 硬度高,与金属相比脆性较大, 在轴承运转中引起早期疲劳、陶瓷球碎裂而使轴承失效，并在加工时易在材料表面产生裂纹等表面缺陷。所以加工工艺参数与陶瓷球材料的特性必须相匹配，保持球表面不出现损伤是加工陶瓷球最重要的, 必须进行加工工艺的改进才能保证质量和经济性。轴承、圆度仪、陀螺和精密测量中的重要元件都是精密球，在精密加工和精密设备中具有十分重要的地位，并常作为精密测量的基准。圆度和表面粗糙度是精密球的主要技术指标，其中保证圆度精
32、度比较困难。精密球常存在受温度影响变形较大、耐磨损性能较差等问题，目前主要采用金属材料。而陶瓷球的优点是重量轻、耐磨损、硬度高、耐腐蚀、耐高温、热膨胀系数小等，在精密轴承等零部件中的应用已很广泛，因此，获得良好的加工质量和效率及对陶瓷球加工技术进行研究，具有十分重要意义。2.3 陶瓷球研磨的技术难点由于陶瓷球材料的硬度是钢球硬度的两倍，高达 1600HV 以上，因此，钢球的磨料和加工工艺不适合陶瓷球加工。陶瓷球加工存在主要问题如下：加工球批直径变动量、球表面粗糙度及磨料和研磨介质附着性差影响陶瓷球加工效率，陶瓷球表面能低；改造基于设计制造钢球加工的加工设备；由于陶瓷球在研磨盘沟道中自转性差影响陶瓷球的球形误差和加工精
