精密陶瓷球双自转研磨方式下表面质量的研究

摘要

氮化硅(Si<,3>N<,4>)陶瓷球(热压或热等静压成型)具有密度小、硬度高、弹性模量高(刚度高)、耐磨损、热膨胀系数低、热稳定性和化学稳定、绝缘、无磁等极为优良的综合性能，被认为是目前制造高速、高精度轴承滚动体的最佳材料。表面质量是陶瓷球的重要性能指标之一，直接影响了陶瓷球轴承的工作寿命、精度、噪音等工作性能。本文主要对Si<,3>N<,4>陶瓷球在研磨过程中的表面质量及其影响因素、表面质量工艺优化方法进行了研究。 为掌握不同研磨条件下，陶瓷球表面材料去除形式对表面形貌的影响，本文从磨粒磨损角度探讨研磨加工中球坯的材料去除。利用球-盘式陶瓷球单球磨损试验装置，对不同磨粒粒度、磨料浓度和压力条件下对氮化硅陶瓷球的磨损形式进行了研究，绘制了磨损模式图，并对磨损模式的转换点进行了计算，以确定不同研磨条件下，陶瓷球表面的基本形貌。 为确定不同研磨条件下陶瓷球的表面质量，本文通过试验研究的方法，检测了不同加工参数条件下，陶瓷球表面粗糙度、表面缺陷、残余应力等技术指标，发现研磨载荷对陶瓷瓷球的表面质量影响最大，较小的研磨压力有利于减小表面粗糙度、减少表面损伤，从而获得较好的表面质量。 为获得较好的表面质量，优化研磨工艺，本文采用“田口”方法，以表面粗糙度Ra和Rt对陶瓷球的研磨工艺参数(加工载荷、磨料浓度和加工速度)进行优化，并讨论加工参数对加工结果的影响程度和影响规律，获得最佳的工艺参数组合。 为进一步提高陶瓷球的表面质量，减少表面损伤，本文对陶瓷球的化学机械抛光进行了研究，探讨了Si<,3>N<,4>陶瓷球化学机械抛光机理，采用XRD的方法对陶瓷球表面生产物进行了分析，验证了理论分析。最终采用化学机械抛光的方法对φ5mm Si<,3>N<,4>陶瓷球进行抛光，获得了表面粗糙度Ra 5nm的光滑少/无损伤表面。

目录

文摘

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第一章 绪论

1.1课题研究背景与目的

1.2陶瓷球的加工过程

1.2.1陶瓷球材料

1.2.2陶瓷球的机械加工过程

1.3国内外研究现状

1.3.1陶瓷球表面质量对轴承工作性能的影响

1.3.2陶瓷球研磨方式的研究

1.3.3陶瓷球研磨工艺的研究

1.3.4陶瓷球表面材料去除机理的研究

1.3.5陶瓷球表面不完整性的研究

1.3.6陶瓷球的化学机械抛光

1.4论文的主要研究内容与结构安排

1.4.1论文的主要研究内容

1.4.1论文结构安排

1.5本章小结

第二章 陶瓷球表面的材料去除形式

2.1材料去除形式的分类

2.2陶瓷球材料去除形式的实验研究

2.2.1实验过程

2.2.2实验结果

2.2.3材料去除形式的转变条件

2.2.4陶瓷球材料形式的确定

2.3研磨过程中陶瓷球材料去除的基本模型

2.4本章小结

第三章 加工参数对陶瓷球表面质量影响的实验研究

3.1实验条件

3.1.1实验设备

3.1.2实验球坯

3.1.3工艺参数

3.1.4检测方法

3.2研磨加工参数对表面粗糙度的影响

3.2.1压力的影响

3.2.2研磨速度的影响

3.2.3磨料粒度的影响

3.3加工参数对表面缺陷的影响

3.3.1缺陷的统计与分类

3.3.2表面凹坑与裂纹

3.4陶瓷球表面残余应力

3.4.1陶瓷球表面残余应力的形成

3.4.2X射线衍射分析方法测试原理

3.4.3测试结果

3.5本章小结

第四章 陶瓷球研磨工艺参数优化技术研究

4.1实验条件

4.2实验设计方法

4.2.1参数水平的选择

4.2.2正交表设计

4.2.3实验设计

4.3实验数据评价与分析方法

4.3.1数据评价

4.3.2水平平均响应分析

4.3.3方差分析

4.4实验结果和分析

4.4.1实验数据计算

4.4.2水平平均响应分析

4.4.3方差分析

4.5讨论

4.6本章小结

第五章陶瓷球的化学机械抛光

5.1化学机械抛光的原理

5.2化学机械抛光机理的分析

5.2.1化学机械抛光中的磨料

5.2.2磨料与工件之间的化学机械作用

5.2.3抛光环境的影响

5.3Si3N4陶瓷球的化学机械抛光实验

5.3.1抛光条件

5.3.2抛光结果

5.3.3陶瓷球化学机械抛光表面生产物的检测

5.4本章小结

第六章总结与展望

6.1研究总结

6.2课题展望

参考文献

致谢

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