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    陶瓷軸承球的加工與監控技術研究
    作者:廣州依納  發表時間:2013-03-04  點擊:90
    1引言隨著現代機械工業、航空航天工業的飛速發展以及材料科學的不斷突破和創新,陶瓷軸承應運而生。陶瓷軸承在工業領域中成功應用的典型是陶瓷球軸承[1]。不同材料和不同精度等級的陶瓷球軸承將為機械制造、高速交通、運輸機械、核工業、航空航天、電子、化工、儀器儀表、建材等工業部門以及國防科研領域提供最重要的技術基礎保證[1]。HIPSN陶瓷球軸承充分利用了工程陶瓷材料的優點,具有極限轉速高、精度保持性好、啟動力矩小、剛度高、干運轉性好、壽命長等優良特性。非常適于在高速、高溫以及腐蝕輻射條件下保持高精度、長時間運轉。主要用于數控機床高速主軸系統和高速精密機械中。陶瓷球是陶瓷球軸承重要組成部分,其加工精度和加工效率直接關系到陶瓷軸承的性能和成本。陶瓷球加工主要使用金剛石磨具或磨料,其加工成本高,加工精度太高難以保證。本文進行了HIPSN陶瓷球研磨加工試驗研究,并利用監測系統對陶瓷球加工過程進行了全程監控。通過此方法,有效控制HIPSN球運動狀態與加工工藝參數,加工出精密HIPSN陶瓷球。2陶瓷球加工監控系統簡介本次試驗所用的磨球機不同于一般的鋼球研磨機,其結構決定了它不象普通鋼球研磨機那樣實行外循環式加工,隨時可以檢測加工狀況。主要安裝在鉆床使用(亦可與立銑頭聯接),上、下研磨盤可隨時更換,設置參數調節環節,該裝置與鉆床之間采用柔性件聯接,可適當消除鉆床主軸跳動和振動的影響。整個監控系統的設計主要遵循反應快捷、直觀、實用、方便的原則。它實現的基本控制要求是:(1)監測球研磨的磨削分力,控制研磨壓力;(2)監測陶瓷球磨削振動幅值的變化,控制研磨速度、壓力。其工作框圖及主要構成如圖1所示。將壓力、振動傳感器與磨球機的下研磨盤相連接,當磨球機工作時,壓力、振動傳感器采集到信號,利用信號放大器放大,通過光線示波器將信號轉換為電信號,經A/D板將電信號采集輸入計算機,再經過計算機對信號進行濾波等分析處理。從中可以得到陶瓷球在研磨過程中實際的磨削力的變化,其中磨削振動幅值和Z向磨削分力FZ更準確、直觀。配合采集到的信號,來選擇調整并優化陶瓷球的加工工藝參數,使磨球機始終處于最佳的工作狀態,陶瓷球處于比較理想的運轉狀態。這樣,才能加工出高精度的HIPSN陶瓷球。圖1陶瓷球監控系統工作框圖利用此監控方法,可方便有效地控制陶瓷球的運轉和磨球機的工作狀況,實現對陶瓷球研磨加工過程的全程實時監控。3研磨加工試驗試驗采用錐型研磨法,試件選用HIPSN陶瓷球坯,可以直接進行研磨加工。陶瓷屬于脆性,在磨粒的作用下,表面會產生不同的裂紋,必須保證足夠的加工余量才能去除前道工序所留缺陷及逐漸提高加工精度。所以陶瓷球的研磨加工要分步進行,由粗到精分多道工序來完成。安排的加工工藝為:粗研→細研→精研→超精研→拋光。研磨磨料使用金剛石磨料,也可以使用SiC、B4C磨料。加工出的HIPSN陶瓷球的精度已達到鋼球的G5級精度,部分球達到G3級精度。3.1試驗條件本次研磨加工試驗條件如表1。試驗所用HIPSN陶瓷球坯的材料性能如表2。表1研磨條件試樣7.90±0.05;球坯磨料金剛石磨料粒度:170#/200#~W0.5拋光:氧化鉻助劑潤滑油、脂、水、煤油、精研油等磨料濃度5%~30%單批球數110隔球(mm)7、6鋼球研磨壓力(N/球)1~16研磨盤材料鑄鐵,軟鋼,淬火鋼,橡膠主軸轉速160~4000r/min表2陶瓷球坯的材料性能性能密度g/cm3彈性模量E(GPa)泊松比γ硬度HRA斷裂韌性KICmn/m3/2抗壓強度kg/mm2HIPSN3.243200.26947.04203.2監測與試驗結果分析3.2.1研磨參數的影響 從研磨原理的角度分析,研磨壓力在陶瓷球研磨過程中有兩個作用:一方面使陶瓷球產生充分的自轉;另一方面對陶瓷球進行磨削和擠壓,故去除率隨著壓力的增加而升高。陶瓷球研磨就是要通過球與研磨盤的相對運動來完成。各種陶瓷材料的試驗表明:陶瓷球的自旋滑動同滾動相比,對研磨所起的作用要大得多,也只有充分的自旋滑動才能保證球的整個表面得到均勻磨削[2]。圖2反映的是磨削分力FZ、球形誤差Δδ與研磨壓力PS的關系,從中可以看出:隨著研磨壓力的增加,磨削分力FZ、球形誤差Δδ總的變化趨勢是相應增加的,磨削力在Z向的分力FZ存在兩個較大的尖峰值,相應而言,陶瓷球的球形誤差Δδ值在這兩個位置也發生較大的變化。這表明,陶瓷球在這兩個階段處于磨削力大、球形急劇變化的臨界點。從試驗中觀察發現,磨球機振動加大,下研磨盤的振動較大,陶瓷球穩定的運轉狀態被破壞,加工出的陶瓷球球形誤差大,球的表面有劃擦痕跡,呈犁地狀。因此,施加研磨壓力要避開這兩個臨界點,而且,壓力的選擇要兼顧球形誤差與加工效率的影響,通常在粗、細研階段時,偏重于提高加工效率。圖2磨削分力FZ、球形誤差Δδ與研磨壓力PS的關系 圖3磨削分力FZ、質量減少率Δd′與轉速n的關系圖3反映的是磨削分力FZ、質量減少率Δd與轉速n的關系。由圖可見,磨削分力FZ總的變化趨勢是隨著速度的加大而增大,陶瓷球的去除率隨轉速提高而增大。當轉速n2500r/min時,去除率反而下降。而實測發現,當轉速n>800r/min或更高時,研磨裝置的跳動比轉速較低時明顯增大。研磨盤跳動的增大使陶瓷球所受的穩恒壓力遭到破壞,陶瓷球自旋不均勻,自轉軸移動變化緩慢,導致去除率增長但陶瓷球的圓度急劇下降,球形誤差變大。另一方面是速度過 高,使研磨盤產生較大的離心力,導致研磨劑飛散,球與研磨盤之間的摩擦、潤滑狀態發生較大變化,由邊界潤滑狀態轉移為混合潤滑狀態,使加工效率下降。磨耗比MV反映一定條件下磨具的相對磨損性能,MV=Vs/Vm,Vs是金剛石砂輪損耗的體積,Vm是磨除HIPSN陶瓷球的體積。研究磨耗比MV的變化,對降低陶瓷球加工成本、實現大批量生產有很大幫助。圖4為磨耗比與研磨壓力的關系。單球壓力太小時,陶瓷球的磨除量較小,磨耗比比較大;當壓力太大時,磨粒非正常磨損(破碎)嚴重,磨耗比上升。 圖4磨耗比MV與研磨壓力的關系圖5磨耗比MV與研磨轉速的關系 由圖5看出:在一定范圍內,磨耗比隨著研磨轉速的提高而下降,這是因為單顆磨粒單位時間內劃擦球表面幾率增大,同時磨粒動能提高,有利于裂紋產生并迅速擴展成屑;當轉速太高時,金剛石磨粒受到的沖擊載荷逐漸加大,加速金剛石磨粒的破碎和脫落,磨耗比增大。從以上的分析得到:在保證加工精度的條件下,研磨壓力與轉速均有一定的合理取值范圍,使金剛石磨粒發揮較大的效率,降低生產成本。3.2.2研具的影響在加工高精度的鋼球之前,研磨盤的溝道要經過充分的預研,只有在一個溝道里可以并容易地加工出G10級鋼球時,才可以用來加工G5或更高精度的球。普通鋼球的研磨加工是外循環式的,可以隨時檢查溝道的狀況。而加工陶瓷球試驗所用的磨球機屬于內循環式的,一次裝夾不能檢測到研磨盤溝道的變化,利用監控系統,再貼上測振傳感器,在控制工藝參數的基礎上,可以在每道工序前,用普通精度級的HIPSN陶瓷球預研溝道。圖6和圖7是預研前后下研盤的振動頻譜。通過它監控研磨盤溝道狀態,當溝道達到較理想狀態時,再進行高精度陶瓷球的加工。不僅縮短陶瓷球加工時間,而且提高了加工精度和成品球合格率。試驗結果比較理想。圖6下研盤預研初始時的振動頻譜 圖7下研盤預研一定時間后的振動頻譜3.3檢測結果表3是根據中國軸承檢測中心東北(瓦房店)分中心檢測試驗成品陶瓷球的結果編制的。從檢測結果看:加工出的陶瓷球的精度水平已達到鋼球的G5級精度,部分球達到G3級精度。表3成品陶瓷球檢測結果(μm)內容表面粗糙度/Ra球形誤差Δδ球直徑變動量VDWS同盤度VDWL波紋度7.0HIPSN[]0.01~0.020.100.100.100.0094結論1)本文介紹的加工與監控方法能夠對陶瓷球研磨加工過程進行有效監測與控制。 2)用此方法監控磨球的工藝參數和陶瓷球的運轉狀態,生產高精度HIPSN陶瓷軸承球。3)提高此監控方法的控制精度和監測范圍,是今后繼續研究的主要方向。參考文獻1吳玉厚.陶瓷球軸承磨削機理及其相關技術研究.東北大學博士論文,19942黑部利次.陶瓷球的超精密研磨.國外軸承,1992,(2):46~553E. O. 布賴姆.快速富利葉變換.上??萍汲霭嫔?,19794張珂,吳玉厚,孫紅.精密陶瓷球的研磨加工技術.機械設計與制造,1998,(5):42~45沈陽建筑工程學院機械工程系張珂吳玉厚孫紅李頌華
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