陶瓷轴承球的加工与监控技术研究
时间：2010-12-20
1引言
随着现代机械工业、航空航天工业的飞速发展以及材料科学的不断突破和创新，陶瓷 轴承应运而生。陶瓷 轴承在工业领域中成功应用的典型是陶瓷球 轴承［1］。不同材料和不同精度等级的陶瓷球 轴承将为机械制造、高速交通、运输机械、核工业、航空航天、电子、化工、仪器仪表、建材等工业部门以及国防科研领域提供最重要的技术基础保证［1］。HIPSN陶瓷球 轴承充分利用了工程陶瓷材料的优点，具有极限转速高、精度保持性好、启动力矩小、刚度高、干运转性好、寿命长等优良特性。非常适于在高速、高温以及腐蚀辐射条件下保持高精度、长时间运转。主要用于数控机床高速主轴系统和高速精密机械中。
陶瓷球是陶瓷球 轴承重要组成部分，其加工精度和加工效率直接关系到陶瓷 轴承的性能和成本。陶瓷球加工主要使用金刚石磨具或磨料，其加工成本高，加工精度太高难以保证。本文进行了HIPSN陶瓷球研磨加工试验研究，并利用监测系统对陶瓷球加工过程进行了全程监控。通过此方法，有效控制HIPSN球运动状态与加工工艺参数，加工出精密HIPSN陶瓷球。
2陶瓷球加工监控系统简介
本次试验所用的磨球机不同于一般的钢球研磨机，其结构决定了它不象普通钢球研磨机那样实行外循环式加工，随时可以检测加工状况。主要安装在钻床使用(亦可与立铣头联接)，上、下研磨盘可随时更换，设置参数调节环节，该装置与钻床之间采用柔性件联接，可适当消除钻床主轴跳动和振动的影响。
整个监控系统的设计主要遵循反应快捷、直观、实用、方便的原则。它实现的基本控制要求是：(1)监测球研磨的磨削分力，控制研磨压力；(2)监测陶瓷球磨削振动幅值的变化，控制研磨速度、压力。
其工作框图及主要构成如图1所示。将压力、振动传感器与磨球机的下研磨盘相连接，当磨球机工作时，压力、振动传感器采集到信号，利用信号放大器放大，通过光线示波器将信号转换为电信号，经A/D板将电信号采集输入计算机，再经过计算机对信号进行滤波等分析处理。从中可以得到陶瓷球在研磨过程中实际的磨削力的变化，其中磨削振动幅值和Z向磨削分力FZ更准确、直观。配合采集到的信号，来选择调整并优化陶瓷球的加工工艺参数，使磨球机始终处于最佳的工作状态，陶瓷球处于比较理想的运转状态。这样，才能加工出高精度的HIPSN陶瓷球。
图1陶瓷球监控系统工作框图
利用此监控方法，可方便有效地控制陶瓷球的运转和磨球机的工作状况，实现对陶瓷球研磨加工过程的全程实时监控。
3研磨加工试验
试验采用锥型研磨法，试件选用HIPSN陶瓷球坯，可以直接进行研磨加工。陶瓷属于脆性，在磨粒的作用下，表面会产生不同的裂纹，必须保证足够的加工余量才能去除前道工序所留缺陷及逐渐提高加工精度。所以陶瓷球的研磨加工要分步进行，由粗到精分多道工序来完成。安排的加工工艺为：粗研→细研→精研→超精研→抛光。研磨磨料使用金刚石磨料，也可以使用SiC、B4C磨料。加工出的HIPSN陶瓷球的精度已达到钢球的G5级精度，部分球达到G3级精度。
3.1试验条件
本次研磨加工试验条件如表1。
试验所用HIPSN陶瓷球坯的材料性能如表2。
表1研磨条件
试样7.90±0.05；球坯
磨料金刚石磨料粒度：170#/200#～W0.5
抛光：氧化铬
助剂润滑油、脂、水、煤油、精研油等
磨料浓度5%～30%
单批球数110
隔球(mm)7、6钢球
研磨压力(N/球)1～16
研磨盘材料铸铁，软钢，淬火钢，橡胶
主轴转速160～4000r/min
表2陶瓷球坯的材料性能
性能密度g/cm3弹性模量E(GPa)泊松比γ硬度HRA断裂韧性KICmn/m3/2抗压强度kg/mm2
HIPSN3.243200.26947.0420
3.2监测与试验结果分析
3.2.1研磨参数的影响
从研磨原理的角度分析，研磨压力在陶瓷球研磨过程中有两个作用：一方面使陶瓷球产生充分的自转；另一方面对陶瓷球进行磨削和挤压，故去除率随着压力的增加而升高。陶瓷球研磨就是要通过球与研磨盘的相对运动来完成。各种陶瓷材料的试验表明：陶瓷球的自旋滑动同滚动相比，对研磨所起的作用要大得多，也只有充分的自旋滑动才能保证球的整个表面得到均匀磨削［2］。
图2反映的是磨削分力FZ、球形误差Δδ与研磨压力PS的关系，从中可以看出：随着研磨压力的增加，磨削分力FZ、球形误差Δδ总的变化趋势是相应增加的，磨削力在Z向的分力FZ存在两个较大的尖峰值，相应而言，陶瓷球的球形误差Δδ值在这两个位置也发生较大的变化。这表明，陶瓷球在这两个阶段处于磨削力大、球形急剧变化的临界点。从试验中观察发现，磨球机振动加大，下研磨盘的振动较大，陶瓷球稳定的运转状态被破坏，加工出的陶瓷球球形误差大，球的表面有划擦痕迹，呈犁地状。因此，施加研磨压力要避开这两个临界点，而且，压力的选择要兼顾球形误差与加工效率的影响，通常在粗、细研阶段时，偏重于提高加工效率。
图2磨削分力FZ、球形误差Δδ与研磨压力PS的关系
图3磨削分力FZ、质量减少率Δd′与转速n的关系
图3反映的是磨削分力FZ、质量减少率Δd与转速n的关系。由图可见，磨削分力FZ总的变化趋势是随着速度的加大而增大，陶瓷球的去除率随转速提高而增大。当转速n<2500r/min时，去除率的增长幅度较大，近似于正比关系。当转速n>2500r/min时，去除率反而下降。而实测发现，当转速n>800r/min或更高时，研磨装置的跳动比转速较低时明显增大。研磨盘跳动的增大使陶瓷球所受的稳恒压力遭到破坏，陶瓷球自旋不均匀，自转轴移动变化缓慢，导致去除率增长但陶瓷球的圆度急剧下降，球形误差变大。另一方面是速度过
高，使研磨盘产生较大的离心力，导致研磨剂飞散，球与研磨盘之间的摩擦、润滑状态发生较大变化，由边界润滑状态转移为混合润滑状态，使加工效率下降。
磨耗比MV反映一定条件下磨具的相对磨损性能，MV=Vs/Vm,Vs是金刚石砂轮损耗的体积，Vm是磨除HIPSN陶瓷球的体积。研究磨耗比MV的变化，对降低陶瓷球加工成本、实现大批量生产有很大帮助。
图4为磨耗比与研磨压力的关系。单球压力太小时，陶瓷球的磨除量较小，磨耗比比较大；当压力太大时，磨粒非正常磨损(破碎)严重，磨耗比上升。
图4磨耗比MV与研磨压力的关系
图5磨耗比MV与研磨转速的关系
由图5看出：在一定范围内，磨耗比随着研磨转速的提高而下降，这是因为单颗磨粒单位时间内划擦球表面几率增大，同时磨粒动能提高，有利于裂纹产生并迅速扩展成屑；当转速太高时，金刚石磨粒受到的冲击载荷逐渐加大，加速金刚石磨粒的破碎和脱落，磨耗比增大。
从以上的分析得到：在保证加工精度的条件下，研磨压力与转速均有一定的合理取值范围，使金刚石磨粒发挥较大的效率，降低生产成本。
3.2.2研具的影响
在加工高精度的钢球之前，研磨盘的沟道要经过充分的预研，只有在一个沟道里可以并容易地加工出G10级钢球时，才可以用来加工G5或更高精度的球。普通钢球的研磨加工是外循环式的，可以随时检查沟道的状况。而加工陶瓷球试验所用的磨球机属于内循环式的，一次装夹不能检测到研磨盘沟道的变化，利用监控系统，再贴上测振传感器，在控制工艺参数的基础上，可以在每道工序前，用普通精度级的HIPSN陶瓷球预研沟道。图6和图7是预研前后下研盘的振动频谱。通过它监控研磨盘沟道状态，当沟道达到较理想状态时，再进行高精度陶瓷球的加工。不仅缩短陶瓷球加工时间，而且提高了加工精度和成品球合格率。试验结果比较理想。
图6下研盘预研初始时的振动频谱
图7下研盘预研一定时间后的振动频谱
3.3检测结果
表3是根据中国 轴承检测中心东北(瓦房店)分中心检测试验成品陶瓷球的结果编制的。从检测结果看：加工出的陶瓷球的精度水平已达到钢球的G5级精度，部分球达到G3级精度。
表3成品陶瓷球检测结果(μm)
内容表面粗糙度/Ra球形误差Δδ球直径变动量VDWS同盘度VDWL波纹度7.0HIPSN[]0.01～0.020.100.100.100.009
4结论
1)本文介绍的加工与监控方法能够对陶瓷球研磨加工过程进行有效监测与控制。
2)用此方法监控磨球的工艺参数和陶瓷球的运转状态，生产高精度HIPSN陶瓷 轴承球。
3)提高此监控方法的控制精度和监测范围，是今后继续研究的主要方向。
参考文献
1吴玉厚.陶瓷球 轴承磨削机理及其相关技术研究.东北大学博士论文，1994
2黑部利次.陶瓷球的超精密研磨.国外 轴承，1992，(2)：46～55
3E. O. 布赖姆.快速富利叶变换.上海科技出版社，1979
4张珂，吴玉厚，孙红.精密陶瓷球的研磨加工技术.机械设计与制造，1998，(5)：42～45
沈阳建筑工程学院机械工程系张珂吴玉厚孙红李颂华