專利名稱：一種基于軟質(zhì)磨料固著磨具的氮化硅陶瓷球研磨方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及一種氮化硅陶瓷球的研磨方法，尤其是氮化硅陶瓷球精加工用的高效、高質(zhì)量研磨方法。
背景技術(shù)：
隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，對機床和儀器設備提出了高速、高精度、高可靠性等性能要求。與傳統(tǒng)的軸承鋼相比，氮化硅陶瓷具有密度小，硬度高、彈性模量高(剛度高)、耐磨損、 熱膨脹系數(shù)低、熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定好、絕緣、無磁等極為優(yōu)良的綜合性能，被認為是制造軸承滾動體的最佳材料，并在陶瓷球軸承(鋼質(zhì)軸承圈，陶瓷材料滾動體.)的應用上獲得很大成功。陶瓷球軸承具有使用壽命長(鋼質(zhì)軸承的2 5倍)、轉(zhuǎn)速高、整體精度和剛度好、熱穩(wěn)定性能好以及無磁性等優(yōu)異的綜合性能，在高溫、高速、高精度、酸堿腐蝕、電腐蝕、 強磁場、無潤滑或介質(zhì)潤滑等工作條件下具有非常廣闊的應用前景，已廣泛應用于航空航天、軍事、石油、化工以及高速精密機械等諸多領域。但是，氮化硅陶瓷屬硬脆難加工材料，傳統(tǒng)的陶瓷球加工主要采用研磨鋼質(zhì)滾珠的V形槽研磨法，采用硬質(zhì)的金剛石磨料作為研磨介質(zhì)，采用游離磨料研磨的方法進行加工，加工周期長(完成一批陶瓷球需要12 15天)。漫長的加工過程以及昂貴的金剛石磨料導致了高昂的制造成本。國內(nèi)外的研究經(jīng)驗表明，氮化硅陶瓷滾動體的加工效率低、加工成本高是限制陶瓷球軸承推廣應用的一個主要原因。游離磨料研磨過程中，磨粒主要以滾動的方式實現(xiàn)材料去除，單位時間內(nèi)參與材料去除的磨粒數(shù)量少，材料去除率低。為了克服游離磨料加工效率比較低的問題，目前已有專利、科技論文等報道開發(fā)了固著磨料(砂輪)研磨技術(shù)用于陶瓷球的加工余量的快速去除，利用固結(jié)在一起的金剛石、碳化硼、碳化硅等硬質(zhì)磨料(這些磨料的硬度要高于陶瓷球材料)的刻劃等機械作用實現(xiàn)對陶瓷球材料的高效去除。在固著磨料研磨加工中，磨粒被固結(jié)在一起，磨粒主要以刻劃的形式去除工件材料，參與加工的磨粒數(shù)量多，可以獲得很高的材料去除率。但是，具有硬脆特性的氮化硅陶瓷球?qū)Ρ砻?次表面裂紋非常敏感，在較大載荷作用下，以金剛石、碳化硼、碳化硅等硬質(zhì)磨料的機械作用實現(xiàn)氮化硅陶瓷球的材料去除，很容易在氮化硅陶瓷球表面造成諸如凹坑、劃痕和微裂紋等表面損傷。這些表面缺陷在外部載荷的作用下會擴展形成較大的脆性裂縫，從而導致陶瓷球的突然失效，嚴重降低了氮化硅陶瓷球的使用性能。因此，目前開發(fā)的固著磨料加工技術(shù)主要適用于氮化硅陶瓷球加工余量的高效去除，很難獲得無表面損傷的高質(zhì)量表面。氮化硅陶瓷球的精加工的主要目的是進一步改善半精加工造成的表面加工缺陷，提高陶瓷球的表面質(zhì)量和精度，直到達到成品的要求。因此，氮化硅陶瓷球的精加工很少采用這些金剛石、碳化硼、碳化硅等硬質(zhì)磨料的固著磨料加工方法。而仍采用氧化鉻、金剛石微粉等的游離磨料的研磨/拋光方法進行精加工，因此，氮化硅陶瓷球精加工階段的加工效率仍舊很低
發(fā)明內(nèi)容
為了克服氮化硅陶瓷球精加工階段效率低、成本高的不足，本發(fā)明提供一種加工表面質(zhì)量好、加工效率高、生產(chǎn)成本低的基于軟質(zhì)磨料固著磨具的氮化硅陶瓷球研磨方法。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是—種基于軟質(zhì)磨料固著磨具的氮化硅陶瓷球研磨方法，所述研磨方法包括以下步驟1)軟質(zhì)磨料固著磨具的配制所述的軟質(zhì)磨料固著磨具由軟質(zhì)磨料，固化劑及填充劑配制而成，所述軟質(zhì)磨粒的硬度低于氮化硅陶瓷，三種組份的質(zhì)量百分含量分別為軟質(zhì)磨料60 % 80 %，固化劑10 % 20 %，填充劑10 % 20 %，將軟質(zhì)磨料、固化劑、填充劑混合，攪拌均勻；2)軟質(zhì)磨料固著磨具的制作將配置好的配料在模具中熱壓成形，脫模后完成熱固化，并對其上下端面進行修整，保證磨具上下端面的平整度和平行度；3)軟質(zhì)磨料固著磨具對氮化硅陶瓷球的精加工將軟質(zhì)磨料固著磨具安裝于研磨機的上盤，下盤采用鑄鐵磨盤或軟質(zhì)磨料固著磨具。待加工的氮化硅陶瓷球放置在下盤的滾道中，啟動研磨機，并在上下盤之間注入水基冷卻液；軟質(zhì)磨料固著磨具上的磨粒對氮化硅陶瓷球表面進行劃擦，實現(xiàn)對氮化硅陶瓷球的精加工。優(yōu)選的，在所述步驟；3)中，在壓力和相對速度的作用下，固著磨具和氮化硅接觸區(qū)域上的軟質(zhì)磨料和氮化硅材料發(fā)生固相反應，生成一層軟質(zhì)的、易去除的反應生成物層， 并利用后續(xù)磨料與生成物層之間的摩擦作用將生成物層去除，從而實現(xiàn)氮化硅陶瓷球的精加工。進一步，所述的軟質(zhì)磨料為以下之一或幾種的混合①氧化鈰、②氧化鋯、③氧化
鐵、④氧化鉻。再進一步，所述的固化劑為以下之一①環(huán)氧樹脂固化劑、②不飽和樹脂固化劑、 ③熱塑性酚醛樹脂、④熱固性酚醛樹脂、⑤聚酰胺樹脂固化劑、⑥酚醛-縮醛樹脂、⑦酚醛-環(huán)氧樹脂、⑧硼酚醛樹脂、⑨有機硅酚醛樹脂等。更進一步，所述的填充劑為以下之一或幾種混合①氫氧化鈉、②碳酸氫鈉、③淀粉類填充劑、④糖類填充劑、⑤纖維素類填充劑、⑥無機鹽填充劑。優(yōu)選的另一種方案所述步驟2)中，熱壓成形過程中，壓力為300-600kg/cm2， 熱壓溫度根據(jù)固化劑的不同，設置在100-200°C，熱壓時間根據(jù)磨具之間不同設置在 45-120min。所述步驟幻中，熱固化過程，烘箱溫度保持在80-200 °C，烘干時間10-48小時；對于磨具直徑小于0400mm的軟質(zhì)磨料固著磨具制作成整體式磨具；對于直徑大于 0400mm的軟質(zhì)磨料固著磨具，制作成扇形的磨具塊，在使用時組裝成圓形磨盤。所述步驟2、中，修整過程中，平整度和平行度控制在0. Imm以內(nèi)。本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思為采用硬度比氮化硅陶瓷球硬度低的軟質(zhì)磨料，配制成固著磨料磨具，加工過程中，利用軟質(zhì)磨料與氮化硅材料之間的固相反應，在氮化硅陶瓷球表面形成一層軟質(zhì)的、易去除的反應生成物層，并利用后續(xù)磨料與生成物層之間的摩擦作用將生成物層去除，從而實現(xiàn)氮化硅陶瓷球的精加工。由于，所采用的磨料硬度遠低于氮化硅陶瓷球的硬度，因此這種加工方法不會對氮化硅陶瓷球造成金剛石、碳化硼、碳化硅等硬質(zhì)磨料加工氮化硅陶瓷球時造成的諸如凹坑、劃痕和微裂紋等表面損傷，因此提高了可提高氮化硅陶瓷球的加工質(zhì)量。另一方面，由于采用了固著磨料磨具，將軟質(zhì)的磨料固結(jié)在一起， 提供了參與加工的磨粒數(shù)量，因此提高了氮化硅陶瓷球精加工的加工效率。利用軟質(zhì)磨料與氮化硅材料之間的固相反應，在氮化硅陶瓷球表面形成一層軟質(zhì)的、易去除的反應生成物層，并利用后續(xù)磨料與生成物層之間的摩擦作用將生成物層去除， 從而實現(xiàn)氮化硅陶瓷球的精加工。以下給出了①氧化鈰(CeO2)、②氧化鋯(ZrO2)、③氧化鐵 (Fe2O3)、④氧化鉻(Cr2O3)與氮化硅(Si3N4)陶瓷材料發(fā)生的固相反應方程Si3N4+Zr02 ^ Si02+ZrSi04/Zr02. Si02+ZrN+N2 (g)(1)
Si3N4+Ce02 — Si02+Ce0L 72+CeOL 83+Ce203+N2 (g) (2)Si3N4+Fe203 — Si02+Fe0+FeSi03/Fe0. Si02+Fe2N+N2 (3)Si3N4+Cr203 — Si02+CrN(4)這里有兩種類型的化學反應氧化-還原反應和置換反應(即硅酸鹽等物質(zhì)中陽離子與陰離子的置換)。Si3N4 = Si — 5102或51042_，而N —N3_，N2(g)或NH3(g)。在水基拋光液中，F(xiàn)e2O3' Cr2O3, ZrO2和( 磨料與Si3N4材料之間的化學反應從熱力學的角度來看，都是可行的。氧化硅(SiO2)是氮化硅(Si3N4)陶瓷球表面存留的主要反應產(chǎn)物，其硬度遠低于氮化硅陶瓷的硬度，而與氧化鈰、氧化鋯等磨料的硬度相近。因此，采用這些軟質(zhì)磨料對氮化硅陶瓷球進行精加工，不是利用磨料的純機械作用，而是利用了磨料與工件的化學-機械(摩擦)作用實現(xiàn)材料去除，從而不會對氮化硅陶瓷球造成諸如凹坑、劃痕和微裂紋等表面損傷，從而獲得光滑無損傷的表面。水基冷卻液也是氮化硅陶瓷的固相反應的重要組成部分。水不但促進了化學機械拋光的進行，而且直接參與了和氮化硅材料的化學反應，增強了化學機械拋光的作用。氮化硅能夠與水發(fā)生水解反應生成SiA和NH3。而在較高的溫度下(> 200°C )，NH3就有可能分解成N2 (g)和H2 (g)。它們的反應方程式如下Si3N4+6H20 = 3Si02+4NH3(5)Si3N4+6H20 = 3Si02+2N2 (g)+6 (g) (Τ > 200°C )(6)這種軟質(zhì)磨料與氮化硅陶瓷球之間的固相反應不能夠在油基環(huán)境中進行。其主要原因是油基拋光液的導電率和溶解性幾乎為零。磨料與工件之間的油膜阻止了它們之間化學反應的進行，即使有也非常微弱。另一方面，由于采用了固著磨料磨具，將軟質(zhì)的磨料固結(jié)在一起，與傳統(tǒng)的游離磨料研磨相比，不但提高了參與加工的磨粒數(shù)量，而且增加了對磨粒的約束，減少了磨粒的自由滾動，因此提高了氮化硅陶瓷球精加工的加工效率。本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在減少磨粒機械去除作用對氮化硅陶瓷球造成的表面損傷，提高氮化硅陶瓷球的加工質(zhì)量，加工速度較快、加工效率高、降低生產(chǎn)成本。


圖1是軟質(zhì)磨料固著磨具的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是一種大直徑的軟質(zhì)磨料固著磨具分塊組裝的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是一種軟質(zhì)磨料固著磨具安裝在研磨機上的原理示意圖。圖4軟質(zhì)磨料與氮化硅陶瓷球發(fā)生固相反應的原理示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步描述。一種基于軟質(zhì)磨料固著磨具的氮化硅陶瓷球研磨方法，該研磨方法包括以下步驟1)軟質(zhì)磨料固著磨具的配制參照圖1，所述軟質(zhì)磨料固著磨具包括軟質(zhì)磨粒1、固化劑(結(jié)合劑)2及填充劑3， 其質(zhì)量百分含量分別為軟質(zhì)磨料60 % 80 %，固化劑10 % 20 %，填充劑10 % 20 % ； 將軟質(zhì)磨料、固化劑、填充劑混合，攪拌均勻；2)軟質(zhì)磨料固著磨具的制作將配置好的軟質(zhì)磨料固著磨具配料放入磨具內(nèi)，熱壓成形。壓力為300_600kg/ cm2，熱壓溫度根據(jù)固化劑的不同，設置在100-200°C，熱壓時間根據(jù)磨具之間不同設置在 45-120min。把熱壓成形后的磨具脫模，放入烘箱固化，烘箱溫度保持在80-200°C，烘干時間 10-48小時；對于磨具直徑小于0400mm的軟質(zhì)磨料固著磨具可以直制作成整體式磨具。 對于直徑大于0400mm的軟質(zhì)磨料固著磨具，參照圖2，可以制作成扇形的磨具塊1，使用時，將若干塊扇形磨具塊用粘結(jié)劑粘結(jié)在圓形基盤2上，組裝成圓形磨盤。軟質(zhì)磨料固著磨具制作完成后，對其端面進行修整，以保證磨具加工面的平整度和平行度，平整度和平行度應控制在0. Imm以內(nèi)。3)采用軟質(zhì)磨料固著磨具對氮化硅陶瓷球進行精加工首先，進行軟質(zhì)磨料固著磨具的安裝參照圖3，采用粘結(jié)劑將軟質(zhì)磨料固著磨具 1粘結(jié)到磨具基盤2上，再用螺栓將基盤2與研磨機的上板胎3連接。軟質(zhì)磨料固著磨具作為研磨機的上盤使用?；P由鋼材、鑄鐵或鋁合金制成。參照圖3，將待加工的氮化硅陶瓷球4 (已完成粗加工或半精加工)放置在研磨機的下磨盤6上開設的環(huán)形滾道5中(滾動截面形狀為V形或半圓形)，下研磨盤為鑄鐵(或同樣采用軟質(zhì)磨料固著磨具)。下壓安裝了軟質(zhì)磨料固著磨具的上盤，啟動研磨機。并在上、下盤之間注入水性冷卻液7。在壓力和相對速度的作用下，固著磨具和氮化硅接觸區(qū)域上的軟質(zhì)磨料和氮化硅材料發(fā)生固相反應(參見圖4)，生產(chǎn)一層軟質(zhì)的、易去除的反應生成物層，并利用后續(xù)磨料與生成物層之間的摩擦作用將生成物層去除，從而實現(xiàn)氮化硅陶瓷球的精加工。由于，所采用的磨料硬度遠低于氮化硅陶瓷球的硬度，因此這種加工方法不會對氮化硅陶瓷球造成諸如凹坑、劃痕和微裂紋等表面損傷，因此提高了可提高氮化硅陶瓷球的加工質(zhì)量。另一方面，由于采用了固著磨料磨具，將軟質(zhì)的磨料固結(jié)在一起，提高了參與加工的磨粒數(shù)量，因此提高了氮化硅陶瓷球精加工的加工效率。所述的軟質(zhì)磨料為以下之一或幾種混合①氧化鈰、②氧化鋯、③氧化鐵、④氧化鉻。這些磨料的莫氏硬度均勻小于7。所述的固化劑為以下之一①環(huán)氧樹脂固化劑、②不飽和樹脂固化劑、③熱塑性酚醛樹脂、④熱固性酚醛樹脂、⑤聚酰胺樹脂固化劑、⑥酚醛-縮醛樹脂、⑦酚醛-環(huán)氧樹脂、 ⑧硼酚醛樹脂、⑨有機硅酚醛樹脂等。所述的填充劑為以下之一或幾種混合①氫氧化鈉、②碳酸氫鈉、③淀粉類填充劑、④糖類填充劑、⑤纖維素類填充劑、⑥無機鹽填充劑。本實施例選取在3M7M0L立式鋼球研球機上進行氮化硅陶瓷球的精加工。實施例條件如表1所示。軟質(zhì)磨料固著磨具采用了氧化鈰和氧化鋯兩種軟質(zhì)磨料分別制作，其它制作和加工參數(shù)均相同。分別用這兩種軟質(zhì)磨料固著磨具對05mm的氮化硅陶瓷球進行加工。加工過程中采用水基冷卻液進行冷卻和潤滑。在實施例開始以前，需要有2-5個小時的預研時間用來確保陶瓷球在下研磨盤的溝槽和上研磨盤的軟質(zhì)固著磨料之間接觸良好。
權(quán)利要求
1.一種基于軟質(zhì)磨料固著磨具的氮化硅陶瓷球研磨方法，其特征在于所述研磨方法包括以下步驟1)軟質(zhì)磨料固著磨具的配制所述的軟質(zhì)磨料固著磨具由軟質(zhì)磨料，固化劑及填充劑配制而成，所述軟質(zhì)磨粒的硬度低于氮化硅陶瓷，三種組份的質(zhì)量百分含量分別為軟質(zhì)磨料60% 80%，固化劑10% 20%，填充劑10% 20%，將軟質(zhì)磨料、固化劑、填充劑混合，攪拌均勻；2)軟質(zhì)磨料固著磨具的制作將配置好的配料在模具中熱壓成形，脫模后完成熱固化，并對其上下端面進行修整，保證磨具上下端面的平整度和平行度；3)軟質(zhì)磨料固著磨具對氮化硅陶瓷球的精加工將軟質(zhì)磨料固著磨具安裝于研磨機的上盤，下盤采用鑄鐵磨盤或軟質(zhì)磨料固著磨具；待加工的氮化硅陶瓷球放置在下盤的滾道中，啟動研磨機，并在上下盤之間注入水基冷卻液；軟質(zhì)磨料固著磨具上的磨粒對氮化硅陶瓷球表面進行劃擦，實現(xiàn)對氮化硅陶瓷球的精加工。
2.如權(quán)利要求1所述的基于軟質(zhì)磨料固著磨具的氮化硅陶瓷球研磨方法，其特征在于在所述步驟幻中，在壓力和相對速度的作用下，固著磨具和氮化硅接觸區(qū)域上的軟質(zhì)磨料和氮化硅材料發(fā)生固相反應，生成一層軟質(zhì)的、易去除的反應生成物層，并利用后續(xù)磨料與生成物層之間的摩擦作用將生成物層去除，從而實現(xiàn)氮化硅陶瓷球的精加工。
3.如權(quán)利要求1或2所述的基于軟質(zhì)磨料固著磨具的氮化硅陶瓷球研磨方法，其特征在于所述的軟質(zhì)磨料為以下之一或幾種的混合①氧化鈰、②氧化鋯、③氧化鐵、④氧化鉻。
4.如權(quán)利要求1或2所述的基于軟質(zhì)磨料固著磨具的氮化硅陶瓷球研磨方法，其特征在于所述的固化劑為以下之一①環(huán)氧樹脂固化劑、②不飽和樹脂固化劑、③熱塑性酚醛樹脂、④熱固性酚醛樹脂、⑤聚酰胺樹脂固化劑、⑥酚醛-縮醛樹脂、⑦酚醛-環(huán)氧樹脂、⑧ 硼酚醛樹脂、⑨有機硅酚醛樹脂等。
5.如權(quán)利要求1或2所述的基于軟質(zhì)磨料固著磨具的氮化硅陶瓷球研磨方法，其特征在于所述的填充劑為以下之一或幾種混合①氫氧化鈉、②碳酸氫鈉、③淀粉類填充劑、 ④糖類填充劑、⑤纖維素類填充劑、⑥無機鹽填充劑。
6.如權(quán)利要求1或2所述的基于軟質(zhì)磨料固著磨具的氮化硅陶瓷球研磨方法，其特征在于所述步驟幻中，熱壓成形過程中，壓力為300-600kg/cm2，熱壓溫度根據(jù)固化劑的不同，設置在100-200°C，熱壓時間根據(jù)磨具之間不同設置在45-120min。
7.如權(quán)利要求6所述的基于軟質(zhì)磨料固著磨具的氮化硅陶瓷球研磨方法，其特征在于所述步驟2)中，熱固化過程，烘箱溫度保持在80-200°C，烘干時間10-48小時；對于磨具直徑小于0400mm的軟質(zhì)磨料固著磨具制作成整體式磨具；對于直徑大于0400mm的軟質(zhì)磨料固著磨具，制作成扇形的磨具塊，在使用時組裝成圓形磨盤。
8.如權(quán)利要求7所述的基于軟質(zhì)磨料固著磨具的氮化硅陶瓷球研磨方法，其特征在于所述步驟2~)中，修整過程中，平整度和平行度控制在0. Imm以內(nèi)。
全文摘要
一種基于軟質(zhì)磨料固著磨具的氮化硅陶瓷球研磨方法，包括以下步驟1)軟質(zhì)磨料固著磨具的配制所述的軟質(zhì)磨料固著磨具由軟質(zhì)磨料，固化劑及填充劑配制而成；2)將配置好的配料在模具中熱壓成形，脫模后完成熱固化，并對其上下端面進行修整，保證磨具上下端面的平整度和平行度；3)將軟質(zhì)磨料固著磨具安裝于研磨機的上盤，下盤采用鑄鐵磨盤或軟質(zhì)磨料固著磨具。待加工的氮化硅陶瓷球放置在下盤的滾道中，啟動研磨機，并在上下盤之間注入水基冷卻液，軟質(zhì)磨料固著磨具上的磨粒對氮化硅陶瓷球表面進行劃擦，實現(xiàn)對氮化硅陶瓷球的精加工。本發(fā)明能夠提高氮化硅陶瓷球的加工質(zhì)量，提高加工效率、降低生產(chǎn)成本。
文檔編號B24B37/025GK102513918SQ20111041221
公開日2012年6月27日 申請日期2011年12月12日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月12日
發(fā)明者呂冰海, 袁巨龍, 鄧乾發(fā), 陳明 申請人:江蘇智邦精工科技有限公司