一种球形零件的固着磨料研磨方法

摘要

一种球形零件的固着磨料研磨方法，包括以下步骤：(1)固着磨料的配制：固着磨料包括高硬度自锐性磨粒、固化剂及填充剂，其质量百分含量分别为高硬度自锐性磨粒80％～90％，固化剂2％～5％，填充剂7％～15％，将高硬度自锐性磨粒、固化剂、添加剂混合，搅拌均匀，过筛并加水混合；(2)将配置好的固着磨料涂敷到研磨机的研磨盘上，并固化成型；(3)将待加工的球形零件放置在研磨机的上下研磨盘之间，启动研磨机，球形零件的表面被磨料的高硬度自锐性磨粒划过，实现对球形零件的表面的研磨。本发明工速度较快、加工效率高、降低生产成本。

说明书

技术领域

本发明涉及球形零件的研磨方法，尤其是一种球形零件的固着磨料的研磨方法。

背景技术

随着航空航天工业、核工业、兵器工业及现代化机械工业的发展，对难加工硬质材料球形零件产品的材料性能、形状精度都有极高要求。高硬度、高强度、低塑性和高脆性的难切削材料，即所谓“难加工材料”(主要包括硬质合金、陶瓷等广泛应用的球形零件材料)，越来越受到重视，但其较低的加工效率极大限制了其广泛应用。比如，目前，生产高精度陶瓷球的粗研工序要完成陶瓷毛坯球加工留量95％的加工量，一直是影响陶瓷球加工效率的瓶颈之一，需在保证陶瓷球加工质量的前提下尽量提高加工速度。参照图1，传统的陶瓷球研磨加工主要以硬质、昂贵的金刚石作为磨料，在加工钢质轴承球的V形槽研磨设备上进行，加工过程中负载高，磨削速度低，加工周期长(通常需要几个星期来完成一批陶瓷球的加工)。漫长的加工过程以及昂贵的金刚石磨料导致了高昂的制造成本，限制了其应用。

传统硬质材料球形零件研磨过程中，磨粒在工件一研磨盘接触面之间滚动，在球形零件表面形成无明显方向性的压痕，参照图2，箭头方向为磨粒运动方向，磨粒在工件表面滚动，就形成了滚动磨损或三体磨损，去除效率较低。

发明内容

为了克服已有的球形零件研磨方法的加工周期长、加工效率低、成本高的不足，本发明提供一种加工速度较快、加工效率高、降低生产成本的球形零件的固着磨料研磨方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种球形零件的固着磨料研磨方法，该研磨方法包括以下步骤：

(1)、固着磨料的配制：

所述固着磨料包括高硬度自锐性磨粒、固化剂及填充剂，其质量百分含量分别为高硬度自锐性磨粒80％～90％，固化剂2％～5％，填充剂7％～15％，将高硬度自锐性磨粒、固化剂、添加剂混合，搅拌均匀，过筛并加水混合；

(2)、将配置好的固着磨料涂敷到研磨机的研磨盘上，并固化成型；

(3)、将待加工的球形零件放置在研磨机的上下研磨盘之间，启动研磨机，球形零件的表面被磨料的高硬度自锐性磨粒划过，实现对球形零件的表面的研磨。

作为优选的一种方案：在所述步骤(2)中，所述研磨盘包括上研磨盘、下研磨盘，采用开槽制法，在上、下研磨盘之间开制接触加工槽、工件放置槽，在所述接触加工槽内填充配置好的固着磨料，接触加工槽的位置与工件放置槽的位置上下对应。

进一步，所述的接触加工槽的宽度为待加工球形零件的球径大小的2/3到1之间。

作为优选的再一种方案：在所述步骤(2)中，所述研磨盘包括上研磨盘、下研磨盘，采用平面制法，在上研磨盘、下研磨盘的表面均匀敷上配置好的固着磨料，待其成型后修盘。

所述的高强度自锐性磨粒为以下之一：①金刚石、②金刚砂、③刚玉、④石榴石、⑤人造金刚砂、⑥碳化硼、⑦碳化硅。

所述的固化剂为以下之一：①光固化树脂固化剂、②陶瓷固化剂、③环氧树脂固化剂、④不饱和树脂固化剂、⑤聚酰胺树脂固化剂、⑥铸铁固化剂。

所述的填充剂为以下之一：①淀粉类填充剂、②糖类填充剂、③纤维素类填充剂、④无机盐填充剂。

本发明的技术构思为：采用固着磨料取代传统球形零件加工中的游离磨料，在保证加工精度的同时，较大程度上提高了其加工效率。

参照图4，磨粒不与研磨盘发生相对滑动，而是被压入固定于研磨盘表面，从硬质材料球形零件表面划过，箭头方向为磨粒运动方向，形成一组平行的沟槽，材料去除方式是二体磨损或耕犁磨损，去除效率较高。

增加了硬质材料球形零件一研磨盘接触区域中参与加工的磨粒数量，并将材料去除形式由磨粒的自由滚动去除转变为固着磨料的强制刻划去除，从而达到提高球形零件材料去除率的目的。与传统游离磨料相比较，在适当调整研磨条件下，加工效率更有明显的提高，这是因为：1、在固着磨料研磨技术中，磨料被固化，材料主要通过磨粒刻划的形式去除，而游离磨料加工中材料主要通过磨粒滚动的形式去除；2、固着磨料改变了游离磨料低去除率的三体材料去除形式为高去除率的二体材料去除形式，在相同条件下，这种连续刻划的形式比游离磨料滚动形式去除更多的材料；3、固着磨料研磨过程中，参与磨削加工的磨料颗粒数量大大多于传统游离磨料研磨中的数量。为更好的说明固着磨料加工去除率优于游离磨料加工，这里讨论单颗粒作用下两种去除形式下的去除率，假设研磨过程中磨料为刚性体，压入工件的部分为规则的锥形体(锥形角ψ)，在犁沟磨损中，单颗磨料的材料体积去除率为：

$\frac{\mathrm{dVol}}{\mathrm{dt}}=k_{g}V{A}_{\mathrm{in}}=k_{g}V{h}_w^2\tan \psi$

其中，k_g为去除率系数，V研磨盘与工件的相对速度，A_in为磨粒压入工件部分的横截面积，h_w为磨料压入工件的深度。

滚动去除过程中，假设磨料作纯滚动，单颗磨料的材料体积去除率为：

$\frac{\mathrm{dVol}}{\mathrm{dt}}=k_r{\omega }_g{n}_{\mathrm{in}}{V}_{\mathrm{in}}=k_r\frac{V}{2\mathrm{\pi D}}{n}_{\mathrm{in}}\frac{2}{3}{h}_w^3{\left(\tan \psi \right)}^2$

其中，k_r为去除率系数，ω_g为磨料的滚动速度，n_in表示磨粒本身滚圆周内的压头数，V_in是磨粒压入工件部分的体积。

一般有D>>h_w。根据磨料本身的几何关系又有2πD>>nh_wtanψ。因此比较式(1-1)和(1-2)可得，在相同的磨粒—工件的压入深度和研磨盘—工件相对运动速度的条件下(假设k_g＝k_r)，犁沟过程的材料去除率要明显高于滚动过程的去除率。游离磨料和固着磨料加工下去除示意图分别如图3-1和图3-2所示。

本发明的有益效果主要表现在：加工速度较快、加工效率高、降低生产成本。

附图说明

图1是现有的V型槽研磨设备原理示意图。

图2是现有的球形零件磨粒的自由滚动去除示意图。

图3是本发明的固着磨料研磨设备示意图。

图4是球形零件磨粒的强制刻划去除示意图。

图5是本实施例的简易陶瓷球研磨机结构图。

图6是实施例的材料去除率和传统研磨过程中材料去除率的数据比对示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图3～图5，一种球形零件的固着磨料研磨方法，该研磨方法包括以下步骤：(1)、固着磨料的配制：

所述固着磨料包括高硬度自锐性磨粒、固化剂及填充剂，其质量百分含量分别为高硬度自锐性磨粒80％～90％，固化剂2％～5％，填充剂7％～15％，将高硬度自锐性磨粒、固化剂、添加剂混合，搅拌均匀，过筛并加水混合；

(2)、将配置好的固着磨料涂敷到研磨机的研磨盘上，并固化成型；

(3)、将待加工的球形零件放置在研磨机的上下研磨盘之间，启动研磨机，球形零件的表面被磨料的高硬度自锐性磨粒划过，实现对球形零件的表面的研磨。

在所述步骤(2)中，所述研磨盘包括上研磨盘、下研磨盘，采用开槽制法，在上、下研磨盘之间开制接触加工槽、工件放置槽，在所述接触加工槽内填充配置好的固着磨料，接触加工槽的位置与工件放置槽的位置上下对应。

所述的接触加工槽的宽度为待加工球形零件的球径大小的2/3到1之间。

或者是：在所述步骤(2)中，所述研磨盘包括上研磨盘、下研磨盘，采用平面制法，在上研磨盘、下研磨盘的表面均匀敷上配置好的固着磨料，待其成型后修盘。

所述的高强度自锐性磨粒为以下之一：①金刚石、②金刚砂、③刚玉、④石榴石、⑤人造金刚砂、⑥碳化硼、⑦碳化硅。所述的固化剂为以下之一：①光固化树脂固化剂、②陶瓷固化剂、③环氧树脂固化剂、④不饱和树脂固化剂、⑤聚酰胺树脂固化剂、⑥铸铁固化剂。所述的填充剂为以下之一：①淀粉类填充剂、②糖类填充剂、③纤维素类填充剂、④无机盐填充剂。

参照图3，实施设备包括机身、同轴设置的上研磨盘1、下研磨盘2，上研磨盘连接驱动轴3，下研磨盘2放置在底座上，还带有加载装置，上、下研磨盘之间形成研磨槽，上、下研磨盘与待加工球形零件4的两个接触区域之一开有环形接触槽，所述环形接触槽里填充固着磨料，环形接触槽的宽度与所加工球形零件的球径大小相适配，本实施例的球形零件为陶瓷球。

上研磨盘1开有“V”形研磨槽，下研磨盘2与陶瓷球的接触区域开有环形接触槽5，所述环形接触槽里填充固着磨料。

本实施例选取下研磨盘与陶瓷球之间的接触区域为开槽区域，以金刚石微粉为磨粒，光固化树脂为固着磨料结合剂，高精度氮化硅陶瓷球为实例比较对象，

整个研磨系统安装在钻床上。驱动轴夹在钻头上，钻头通过驱动轴使上研磨盘转动。下研磨盘上安装有一个轴承，用来保证上、下研磨盘的同轴度。在加工过程中，驱动轴的一端插入轴承与之配合。加工载荷由挂在侧轮上的砝码提供，侧轮设在立柱上。在下研磨盘和钻床平台之间衬有一块防震垫，结合钻床主轴弹簧构成了实施例装置的弹性支撑系统。下研磨盘上的环行槽填满了用光固化树脂固化的金刚石磨料。V形槽开在上研磨盘上，与驱动轴同轴。上研磨盘在一定的负载下向下压住陶瓷球，并同时在驱动轴带动下旋转。陶瓷球紧靠研磨盘表面滑动和转动。陶瓷球材料的去除主要是通过固着磨料的切削作用来实现。而这个固着磨料研磨是连续性的，因为其磨料表层一旦被磨损，新的金刚石磨粉就能显露出来。

先配制固着磨料，把金刚石微粉和光固化树脂以一定浓度混合搅拌，然后把混合物涂敷在下研磨盘的环行沟槽上，使其固化。

整个研磨系统安装在钻床上，如图5所示。陶瓷球加工装置详细部分见图2，驱动轴夹在钻头上，钻头通过驱动轴使上研磨盘转动。负载由挂在侧轮上的重物提供。在下研磨盘和钻床平台之间安置一块防震垫。

实施例条件如表1所示，结果将与在相似条件(负载约5牛/球，速度约4米/秒，研磨剂为W5规格的金刚石研磨膏)下，采用传统研磨方法得到的数据相比较。在实施例开始以前，需要有两个小时的预研时间用来确保陶瓷球在上研磨盘的V形沟槽和下研磨盘的固着磨料之间

接触良好。表1为高精度陶瓷球固着磨料研磨实施例条件：

加工工件磨料质量浓度转速负载研磨盘氮化硅陶瓷球直径：5毫米数量：50金刚石微粉(～10μm)85％340转/分～2N/球铸铁盘沟槽直径：Φ160mm

表1

表2显示了实施例中高精度陶瓷球的性能结果。图5显示了本次实施例的材料去除率和传统研磨过程中材料去除率的数据。结果显示，本实施例中的陶瓷球材料去除率稳定。与传统研磨过程相比，材料去除率几乎是在相同条件下的20倍。在本实施例中测得陶瓷球的表面粗糙度为10纳米左右，已经接近传统研磨过程中所得到的粗糙度。这表明固着磨料研磨技术在取代传统游离磨料研磨技术方面，尤其是在粗加工和半精加工方面，非常具有前景。

去除率表面Ra～100μm/h，(传统～5μm/h)～10nm

表2

表3给出了一个较完整的高精度陶瓷球研磨加工技术的实施例。

加工阶段粗加工半加工精加工磨料金刚石600#金刚石(或B₄C)2000#金刚石(或B₄C)4000#浓度80％～100％85％～100％90％～100％转速300～400转/分250～300转/分200～150转/分负载2～5N/球1～3N/球0.5～1N/球研磨盘铸铁盘铸铁盘铸铁盘+聚氨酯抛光垫

表3

上例仅是本发明的较佳实施例，凡是依据本专利所作的任何修改和变更，均应包含在本发明的保护范围。