摘要：V形槽、双V形槽、偏心盘研磨方式仍是生产球的主要研磨方式,但是它们受到人为因素的影响,一致性和稳定性较差,加工成本高,难以获得高球度的硬质材料球,使硬质材料球的应用仍受到限制,为此针对现有方法提出一种改进方法:新型双自转研磨方式。从研磨过程中球坯的位移、速度和角速度的分析并对现有方法的比较后,得出该方法可大幅度提高球坯的研磨精度和稳定性。图 16参 10

关键词：金属学;研磨精度;球坯;仿真;稳定性;双自转

引言

硬质球体在精密仪器设备中(如轴承、圆度仪)具有十分重要的地位,并广泛应用于精密机械、军事国防、石油化工、航空航天等领域。目前硬质球体在轴承领域应用最广,球轴承的精度对于机械设备的性能有着至关重要的作用,特别是高速、高精度场合[1,3]。而球轴承的性能主要取决于所采用的轴承球的质量。目前硬质材料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3者之间的相互作用达到材料去除的一种加工方法。但是这个传统研磨加工方法的生产工艺受到人为因素的影响,一致性和稳定性较差,加工成本高,难以获得高球度的硬质材料精密球,使其应用仍受到限制。国内外学者试图从几何与运动角度提出新的研磨方式,从工艺参数或物理、化学角度研究新的研磨工艺,力求探索硬质材料球研磨机理,建立加工精度高、加工效率高、成本低的加工方法,以推广硬质材料精密球的应用,但考虑其批量生产,目前只能局限于实验室试验阶段而未能投入实际应用[4,6]。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,限制了球形偏差的进一步降低和加工效率的进一步提高[7,9]。

1.研磨成球条件

球形零件的研磨方法大致有2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。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[10]。

理想球体的任意截面都是正圆,这是球体研磨方式设计的基本出发点。研具以角速度绕Z轴旋转,与此同时被加工球以角速度1绕其瞬时自转轴Z1回转。定义球坯自转轴的空间方位角为,简称为自转角,只要不断变化,可使研磨轨迹均布球坯表面,这是研磨成球的几何条件,如图1所示。

图1 球面研磨机理

2.精密球研磨方式分析

目前,硬质材料精密球加工主要沿袭了钢球的研磨加工方法。V形槽、双V形槽、偏心盘研磨方式仍是陶瓷球工业生产的主要研磨方式。为有效分析每种方法的特点,用机械仿真软件MSC.ADAMS对各方法的磨球效果进行分析。首先在三维软件Pro/E中进行建模,其中球坯直径为6mm,其余根据模型的不同进行分别定义。将模型通过无缝借口mechpro2005导入ADAMS软件,定义球坯的材料为GCr15,即密度为7500kg/m3,弹性模量为210GPa,泊松比0.3。研磨盘采用铸铁HT150。

2.1传统V形槽研磨方式

该方法是钢球和陶瓷球加工的主要方式,其机构如图2所示。当改变上研磨盘转速可发现:自转角的值仅取决于球坯和下研磨盘沟槽的直径,与研磨盘转速无关,在加工过程中几乎不变,且值很小,球坯只能作相对方位不变,(球坯自转轴与公转轴的夹角大小不变)的研磨运动,球坯与研磨盘的接触点在球坯表面形成的研磨轨迹线是一组以球坯自转轴为轴的圆环,以缓慢的速度展开,不利于球坯表面快速获得均匀研磨,限制了球度精度和加工效率的提高。图3中球坯在恒定速度情况下以一定周期(自转与绕上研磨盘轴线公转)运动。它的角速度也是相对一定周期运动(图4所示)。

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2.2双V形槽研磨方式

该模型如图5所示。由于球坯球形误差的存在,球与研磨盘的接触状态是不稳定的,能使球体的自转角随着球形偏差的改变而改变,所以与单V形槽研磨方式相比,更适于加工高精度球体。但同时也要求其机构具有更高的精度和刚度:上盘的V形槽与下盘V形槽必须具有很高的同轴度,机构形状误差和装配误差必须得到有效控制,否则球坯不能沿沟槽顺畅滚动。此外,研磨盘旋转产生的振动也会对球形误差的改善产生更为显著的负面影响。图6和图7中可以发现球坯的转速与角速度相对第一种方式波动明显,位移以公转为大的周期,自转以小周期运动。

2.3偏心V形槽研磨方式

该模型如图8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。当球坯与盘无径向滑动时,能使研磨轨迹不断变化,与V形槽研磨方式相比,该研磨方式能获得更好的球形偏差。但由于系统受力状态的周期性变化等因素的影响,球坯的直径变动量较大。开始工作时下研磨盘不能施加过大的向上载荷,否则带来的冲击非常大。当稳定工作后位移与速度在一定范围内波动,影响加工精度,如图9所示,同时角速度变化也比较明显,如图10所示。

图10 方式3的角加速度变化曲线

2.4锥形研磨方式锥形研磨方式(如图11所示)时,=45∀~70∀时,研磨效率、研磨精度及表面粗糙度的综合效果较好。球坯在研磨过程中具有较大的自转角,获得充分自转,增强了球的回转滑动,提高球的加工效率。这种研磨方式下的自转角仅与研磨盘直径有关,也是1个固定值,其研磨迹线与V形槽研磨方式类似,是1组同轴圆,限制了球形偏差的迅速修正。在这种加工方式下,需要依靠实际研磨过程中自转角的缓慢的变化,才能达到均匀研磨的目的。从图12和图13可知:球坯的位移在15.96mm~15.97mm波动,速度在1597mm~15.985mm波动,角速度在-318d/s~-325d/s波动。这种方法在稳定性和精度上有了很大提高。

图13 方式4的角速度变化曲线*#*

3.新型双自转研磨方式

为了获得较高精度的硬质材料球和减少研磨设备的动力源,降低复杂程度,一种加工硬质材料精密球的双自转研磨方式,如图14所示。这种研磨方式在自转角主动控制研磨方式的基础上进行了改进,在保持自转角主动控制功能的前提下,使上研磨盘在加工过程中周向固定,并对球坯施加弹性载荷,使较大的球受到较大的载荷,从而在加工过程中始终能保证较好的磨削尺寸选择性。采用2块独立旋转的研磨盘构成下研磨盘组件,简化机械机构,降低对设备的加工、装配精度要求(由于研磨过程中,上研磨盘是无需旋转的,与下研磨的同轴要求相对较低)。这种研磨方式也能实现自转角在[-90∀~90∀]范围内连续变化,从而使球坯得到均匀高效的研磨,可显著提高批量生产精密球的加工精度。

双自转研磨方式在加工精度、效率及机械结构上具有明显综合的优势。通过对这种方法展开研究,对这种研磨方式进行力学分析,研磨均匀性及工艺研究,其研究成果将对提高精密球批量生产的研磨精度和研磨效率,发展高精度硬质材料球都将起到非常积极的作用。从图15和图16可知:稳定后的球坯位移在17 155 mm~17 17 mm波动。速度在17 20 mm~205 mm波动,角速度在-500 d/s~-525 d/s波动。从前面的分析数值看:稳定性和精度与前面3种方法相比非常好,但比方式4略差。同时这种方法对设备制造精度上提出了要求。偏心槽研磨方式也能够较好地实现球坯表面均匀的研磨,但由于存在周期性的载荷受力状态变化,可能导致较大的直径变动量,不利于产品的一致性。锥形研磨方式对精密球进行研磨,其综合效果较好,但这种研磨方式下的自旋角仅与研磨盘直径有关,是一个固定值,难以获得极小圆度偏差的球。双自转研磨盘研磨方式可以通过控制2块下研磨盘的转速组合变化,实现球坯自转角!全方位(-90∀~90∀)可控的成球运动,使球坯表面获得均匀研磨,快速修正球形偏差,从而提高球体批量加工精度、加工效率以及精度一致性。由于球坯始终在固定的槽内公转,球坯与研磨盘能形成稳定的接触,可减少载荷变动造成的不利影响。

图16 方式5的角加速度变化曲线

4.结论

现有的一些研磨方法如V形槽、双V形槽、偏心盘研磨方式仍是生产各类球型的主要研磨方式,但是无法满足高精度产品的需求,为此从它们的加工稳定性出发,利用ADAMS软件对加工中的球坯位移、速度和角速度进行分析。并提出了新型双自转研磨方式,在分析后发现该方法在精度和加工稳定性上有了很大的提高,为高精度球坯的生产提供了非常好的途径。

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