基于偏心式變曲率v型溝槽盤的高精度球體加工設(shè)備的制作方法
【專利摘要】一種基于偏心式變曲率V型溝槽盤的高精度球體加工設(shè)備，包括機架、上研磨盤、下研磨盤和加載系統(tǒng)，上研磨盤周向固定地安裝在機架上，下研磨盤連接下研磨盤主軸，下研磨盤主軸可轉(zhuǎn)動地安裝在機架上，下研磨盤主軸與驅(qū)動機構(gòu)連接，上研磨盤位于下研磨盤的正上方，加載系統(tǒng)位于上研磨盤上，上研磨盤的中心開有球體入口，球體入口附近開設(shè)加工液入口，下研磨盤的頂面開設(shè)變曲率V型溝槽，變曲率V型溝槽的起始點與下研磨盤中心存在偏心距，球體入口的下端與變曲率V型溝槽的入口連通，球坯循環(huán)系統(tǒng)的入口與變曲率V型溝槽的出口相連，球坯循環(huán)系統(tǒng)的出口與球體入口的上端相連。本實用新型既能實現(xiàn)較高的加工精度和加工效率、又對裝置要求較低。
【專利說明】基于偏心式變曲率V型溝槽盤的高精度球體加工設(shè)備

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及一種高精度球體加工設(shè)備。

【背景技術(shù)】
[0002]高精度球是圓度儀、陀螺、軸承和精密測量中的重要元件，并常作為精密測量的基準，在精密設(shè)備和精密加工中具有十分重要的地位。特別是在球軸承中大量使用，是球軸承的關(guān)鍵零件。軸承球的精度(球形偏差、球直徑變動量和表面粗糙度)直接影響著球軸承的運動精度、噪聲及壽命等技術(shù)指標，進而影響設(shè)備、儀器的性能。與傳統(tǒng)的軸承鋼球材料(GCrl5)相比，氮化硅等先進陶瓷材料具有耐磨、耐高溫、耐腐蝕、無磁性、低密度(為軸承鋼的40%左右)，熱脹系數(shù)小(為軸承鋼的25% )及彈性模量大(為軸承鋼的1.5倍)等一系列優(yōu)點，被認為是制造噴氣引擎、精密高速機床、精密儀器中高速、高精度及特殊環(huán)境下工作軸承球的最佳材料。
[0003]對于陶瓷球的研磨加工，國內(nèi)外已有一些相應(yīng)的加工方法，如:V型溝槽研磨、圓溝槽研磨法、錐形盤研磨法、自轉(zhuǎn)角主動控制研磨法、磁懸浮研磨法等。在V型溝槽研磨加工、圓溝槽研磨加工、錐形盤研磨加工等加工過程中，球體只能作“不變相對方位”研磨運動，即球體的自旋軸對公轉(zhuǎn)軸的相對空間方位固定，球體繞著一固定的自旋軸自轉(zhuǎn)。實踐和理論分析都表明“不變相對方位”研磨運動對球的研磨是不利的，球體與研磨盤的接觸點在球體表面形成的研磨跡線是一組以球體自轉(zhuǎn)軸為軸的圓環(huán)，研磨盤沿著三接觸點的三個同軸圓跡線對球體進行“重復性”研磨，不利于球體表面迅速獲得均勻研磨，在實際加工中需要依靠球體打滑、攪動等現(xiàn)象，使球體的自旋軸與公轉(zhuǎn)軸的相對工件方位發(fā)生緩慢變化，達到均勻研磨的目的。另外，這種自旋角的變化非常緩慢，是隨機、不可控的，從而限制了加工的球度和加工效率。自轉(zhuǎn)角主動控制研磨具有可獨立轉(zhuǎn)動的三塊研磨盤，可以通過控制研磨盤轉(zhuǎn)速變化來調(diào)整球體的自旋軸的方位,球體能作“變相對方位”研磨運動,球體表面的研磨跡線是以球體自轉(zhuǎn)軸為軸的空間球面曲線，能夠覆蓋大部分甚至整個球體表面,有利于球體表面獲得均勻、高效的研磨。但其裝置動力源多，結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)復雜，對制造和裝配精度都有較高的要求，加工成本高。陶瓷球磁懸浮研磨加工的主要特征是采用磁流體技術(shù)實現(xiàn)對球坯的高效研磨，除了對球坯的加壓的方式不同外，其研磨運動方式同V型溝槽研磨加工和錐形盤研磨加工中的運動方式基本相同，因此，在其加工過程中球度同樣受到了限制。同時，磁懸浮研磨加工裝置和控制復雜，磁流體的成本也較高。
[0004]綜上所述，如何通過較簡單的結(jié)構(gòu)主動控制自轉(zhuǎn)角變化以獲得高精度球體的高效、高一致性加工，是國內(nèi)外迫切需要解決的重大難題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了克服已有球加工裝置的無法兼顧結(jié)構(gòu)簡單和高效率高精度加工的不足，本實用新型提供了一種既能實現(xiàn)較高的加工精度和加工效率、又對裝置要求較低的基于偏心式變曲率V型溝槽盤的高精度球加工設(shè)備。
[0006]本實用新型解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:
[0007]一種基于偏心式變曲率V型溝槽盤的高精度球體加工設(shè)備，包括機架、上研磨盤、下研磨盤和加載系統(tǒng)，所述上研磨盤周向固定地安裝在機架上，所述下研磨盤連接下研磨盤主軸，所述下研磨盤主軸可轉(zhuǎn)動地安裝在機架上，所述下研磨盤主軸與驅(qū)動機構(gòu)連接，所述上研磨盤位于下研磨盤的正上方，所述加載系統(tǒng)位于所述上研磨盤上，所述上研磨盤的中心開有球體入口，所述球體入口附近開設(shè)加工液入口，所述下研磨盤的頂面開設(shè)變曲率V型溝槽，變曲率V型溝槽的起始點與下研磨盤中心存在偏心距，所述球體入口的下端與所述變曲率V型溝槽的入口連通，球坯循環(huán)系統(tǒng)的入口與所述變曲率V型溝槽的出口相連，所述球坯循環(huán)系統(tǒng)的出口與所述球體入口的上端相連。
[0008]進一步，所述變曲率V型溝槽的軌跡形狀為螺旋線或漸開線。當然，也可以采用其它類型的光滑連續(xù)變曲率曲線。
[0009]更進一步，所述變曲率V型溝槽的槽距為全等距、全變距或者等距變距同時存在。
[0010]所述機架包括床身、導柱和橫梁，所述床身上安裝導柱，兩個導柱的上端之間安裝橫梁，所述加載系統(tǒng)安裝于橫梁中間，所述上研磨盤安裝在所述導柱的中部，所述下研磨盤安裝在所述床身上。
[0011]本實用新型的技術(shù)構(gòu)思為:由圖1所示的偏心式變曲率溝槽軌跡幾何關(guān)系可知:
[0012]
^arctan(~(咖丨)si+))⑴


ρ(ω - (οι) - (ο:>ηsin(c/；i)sin (α)
[0013]
y-ω2η(2)

1sin(0)(r(⑴1-^:)sin(^1-φ) + Γ0?ρ8?η φι)
[0014]圖1及公式(1)-(2)中的參數(shù)含義為=O1為下研磨盤的中心點；02為偏心的溝槽起始點；03為上研磨盤的中心點；0A為變曲率溝槽的瞬時曲率中心；ob為某一時刻的球心所在位置；A、B和C分別為球還和上下研磨盤間的三個接觸點；e為溝槽起始點的偏心量；rb為球坯半徑；α為溝槽半角；P為曲率半徑；φ為O2Ob與X軸的夾角；奶為Z 0A0b02的大??；ω為球坯公轉(zhuǎn)角速度；O1和ω2分別為上下研磨盤的轉(zhuǎn)速；Cog為球坯自轉(zhuǎn)角速度在Z軸方向上的分量；θ和Υ分別為球坯經(jīng)圓大剖面上和ζ軸上的自轉(zhuǎn)角分量；ντ和Vn分別表不球還中心點在某一時刻的切向和法向速度；
[0015]式(I)和式⑵表明自轉(zhuǎn)角Θ和Υ是關(guān)于曲率半徑P和偏心距e的函數(shù)，并隨著曲率半徑P和偏心距e的改變在(-90°，90° )之間變化。因此，增設(shè)偏心距可以使得球體在沿著變曲率V型溝槽運動的同時，又作兩個自由度方向上的旋轉(zhuǎn)運動，從而實現(xiàn)自轉(zhuǎn)角主動控制的“變相對方位”研磨運動，使研磨軌跡均勻分布在球的表面上，實現(xiàn)均勻研磨。
[0016]加工時，球體從循環(huán)系統(tǒng)的出口經(jīng)由上研磨盤的球體入口進到下研磨盤變曲率V型溝槽的起始點。球體隨下研磨盤轉(zhuǎn)動沿著變曲率路徑運動到其出口處，再經(jīng)由循環(huán)系統(tǒng)的入口回到循環(huán)系統(tǒng)中，如此完成一個研磨周期。在壓力和磨料的作用下，經(jīng)過長時間加工后，各個零件的精度誤差和尺寸誤差充分均勻化，最終可獲得高精度和高一致性的球體。
[0017]所述偏心式變曲率V型溝槽盤中，變曲率V型溝槽的形狀可為螺旋線、漸開線及其它類型的光滑連續(xù)變曲率曲線，其槽距可為全等距、全變距或者等距變距同時存在。
[0018]本實用新型的有益效果主要表現(xiàn)在:1、變曲率V型溝槽存在一定的偏心距，可以主動控制自轉(zhuǎn)角在(-90°，90° )之間變化，實現(xiàn)均勻研磨；2、保證每個球體加工路徑相同，加工一致性好。3、裝球量大，可以高效地得到高精度球體。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1是偏心式變曲率溝槽軌跡幾何關(guān)系示意圖。
[0020]圖2是本實用新型中變曲率溝槽方式之一——偏心式等距螺旋線V型溝槽盤的加工裝置示意圖。
[0021]圖3是本實用新型中采用的等距螺旋線軌跡示意圖。
[0022]圖4為本實用新型中采用的變距螺旋線軌跡示意圖。
[0023]圖5是本實用新型中采用的漸開線軌跡示意圖。
[0024]圖6是本實用新型中等距螺旋線軌跡條件下的精密球自轉(zhuǎn)角仿真示意圖。

【具體實施方式】
[0025]下面結(jié)合附圖對本實用新型作進一步描述。
[0026]實施例1
[0027]參照圖2和圖3，一種基于偏心式變曲率V型溝槽盤的高精度球加工設(shè)備，包括機架、上研磨盤8、下研磨盤10、加載系統(tǒng)7和球坯循環(huán)系統(tǒng)4，所述上研磨盤8周向固定(不旋轉(zhuǎn))地安裝在機架上，，所述上研磨盤8的中心開有球體入口 9，所述球體入口 9附近開設(shè)加工磨料入口 5。所述下研磨盤10連接下研磨盤主軸12，下研磨盤主軸12由驅(qū)動機構(gòu)(例如電機)驅(qū)動，所述下研磨盤的頂面10開設(shè)變曲率V型溝槽，形狀為等距螺旋線(阿基米德螺旋線)，變曲率V型溝槽的起始點與下研磨盤中心存在一定的偏心距。所述球坯循環(huán)系統(tǒng)4的入口 3與下研磨盤10變曲率V型溝槽的出口相連，所述球坯循環(huán)系統(tǒng)4的出口與上研磨盤8的球體入口 9的上端相連，所述球體入口 9的下端與變曲率V型溝槽的入口相通。
[0028]加工時，球體11從循環(huán)系統(tǒng)4的出口經(jīng)由上研磨盤8的球體入口 9進到下研磨盤10變曲率V型溝槽的起始點。下研磨盤10的變曲率V型溝槽和上研磨盤8共同構(gòu)成研磨球體的三個加工接觸點。球體11隨著下研磨盤10的轉(zhuǎn)動在變曲率V型溝槽內(nèi)運動，其自轉(zhuǎn)角也隨之改變，實現(xiàn)“變相對方位”研磨運動；球體11沿著變曲率路徑運動到其出口處，再經(jīng)由循環(huán)系統(tǒng)4的入口 3回到循環(huán)系統(tǒng)中，如此完成一個研磨周期。在壓力和磨料的作用下，經(jīng)過長時間加工后，各個球體11的精度誤差和尺寸誤差充分均勻化，最終可獲得高精度和高一致性的球體。
[0029]下研磨盤10連接主軸12并由電機驅(qū)動，轉(zhuǎn)速可調(diào)。加工的磨料選擇固著磨料或游離磨料，且每隔一段時間從加工磨料入口 5加入。所述球體在上、下研磨盤、加工載荷和磨料的共同作用下得到均勻研磨。
[0030]所述機架包括床身1、導柱2和橫梁6,所述床身I上安裝導柱2,兩個導柱2的上端之間安裝橫梁6，所述加載系統(tǒng)7安裝于橫梁6中間，通過上研磨盤8對球體施加彈性載荷。
[0031]利用本實用新型設(shè)備加工氮化硅陶瓷球坯，本實例采用等距螺旋線(阿基米德螺旋線)，加工條件如下表1:
工件氮化桂陶瓷球還，06mm
磨料研磨:金剛石研磨膏，柴油
磨料濃度5%?30%
單批球數(shù)(個)40、60、80
研磨壓力(N/球)0.5-15
[0032]--
研磨盤材料__鑄鐵，軟鋼,_
螺旋線類型__等距螺旋線，線距為7mm_
研磨盤轉(zhuǎn)速(rpm)下研磨盤轉(zhuǎn)速20rpm,上研磨盤周向固定
研磨盤參數(shù)(mm)研磨盤直徑300mm, V型溝槽夾角45°
加工時間30小時
[0033]表I
[0034]下表2列出的是成品陶瓷球的檢測結(jié)果。從檢測結(jié)果看:加工出的陶瓷球已達到G3精度。


球批直徑
^ 球形誤差球直徑變動量表面粗糙度球坯材料變動量
ASphV DwsRa



Vdwl
[0035]_____
03.175mm
0.0500.0500.0020.008
HIPSN
05mm
[0036]0.0500.0600.0020.008
HIPSN
[0037]表2
[0038]實施例2
[0039]參照圖4，本實施例中的變曲率V型溝槽軌跡采用圖4所示的變距螺旋線。本實施例其余結(jié)構(gòu)與實現(xiàn)方式與實施例1相同。
[0040]實施例3
[0041]參照圖5，本實施例中下研磨盤V型溝槽軌跡可采用圖5所示的漸開線。當然，也可以采用其它類型的光滑連續(xù)變曲率曲線。本實施例其余結(jié)構(gòu)與實現(xiàn)方式與實施例1相同。
【權(quán)利要求】
1.一種基于偏心式變曲率V型溝槽盤的高精度球體加工設(shè)備，包括機架、上研磨盤、下研磨盤和加載系統(tǒng)，所述上研磨盤周向固定地安裝在機架上，所述下研磨盤連接下研磨盤主軸，所述下研磨盤主軸可轉(zhuǎn)動地安裝在機架上，所述下研磨盤主軸與驅(qū)動機構(gòu)連接，所述上研磨盤位于下研磨盤的正上方，所述加載系統(tǒng)位于所述上研磨盤上，其特征在于:所述上研磨盤的中心開有球體入口，所述球體入口附近開設(shè)加工液入口，所述下研磨盤的頂面開設(shè)變曲率V型溝槽，變曲率V型溝槽的起始點與下研磨盤中心存在偏心距，所述球體入口的下端與所述變曲率V型溝槽的入口連通，球坯循環(huán)系統(tǒng)的入口與所述變曲率V型溝槽的出口相連，所述球坯循環(huán)系統(tǒng)的出口與所述球體入口的上端相連。
2.如權(quán)利要求1所述的基于偏心式變曲率V型溝槽盤的高精度球體加工設(shè)備，其特征在于:所述變曲率V型溝槽的軌跡形狀為螺旋線或漸開線。
3.如權(quán)利要求1或2所述的基于偏心式變曲率V型溝槽盤的高精度球體加工設(shè)備，其特征在于:所述變曲率V型溝槽的槽距為全等距、全變距或者等距變距同時存在。
4.如權(quán)利要求1或2所述的基于偏心式變曲率V型溝槽盤的高精度球體加工設(shè)備，其特征在于:所述機架包括床身、導柱和橫梁，所述床身上安裝導柱，兩個導柱的上端之間安裝橫梁，所述加載系統(tǒng)安裝于橫梁中間，所述上研磨盤安裝在所述導柱的中部，所述下研磨盤安裝在所述床身上。
【文檔編號】B24B41/02GK203918689SQ201420263583
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年5月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月21日
【發(fā)明者】趙萍, 李帆, 袁巨龍, 周芬芬, 呂冰海, 馮銘, 傅宣琪, 郭偉剛 申請人:浙江工業(yè)大學