一种偏心式变曲率沟槽加工高精度球体的方法技术

一种偏心式变曲率沟槽加工高精度球体的方法，实现方法的加工装置包括上研磨盘、下研磨盘和加压系统，上研磨盘连接上研磨盘主轴，下研磨盘连接下研磨盘主轴，上研磨盘主轴和下研磨盘主轴分别与驱动机构连接，上研磨盘位于下研磨盘的正上方，加载系统位于上研磨盘上，所述的下研磨盘上开有变曲率轨迹的沟槽，所述的变曲率轨迹的中心与研磨盘中心存在偏心；所述的加压系统通过上研磨盘作用于球坯，所述的沟槽结构和上研磨盘一起构成研磨球的三个加工接触点，加工过程中待加工球坯在上、下研磨盘之间且于沟槽内运动。本发明专利技术提供一种既能实现较高的加工精度、加工效率和加工一致性，又具备加工装置结构简单、制造成本较低的偏心式变曲率沟槽加工高精度球体的方法。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种球形零件研磨/抛光加工方法，特别涉及高速、高精度陶瓷球轴承中高精度陶瓷球的精密研磨/抛光加工方法，属于高精度球形零件加工技术。
技术介绍
精密球作为圆度仪、陀螺、轴承和精密测量仪器中的重要元件，需求量巨大，广泛应用于精密机械、航空航天、军事国防、石油化工等领域。精密球的精度是圆度仪、陀螺、精密测量仪器精度的保证，轴承用球的精度(球形偏差和表面粗糙度)直接影响着轴承的运动精度及寿命，进而影响仪器、设备功能的发挥。高精度球加工方法主要采用研磨/抛光方法。研磨/抛光加工是在磨具与工件之间加入磨料并通过磨具、工件、磨料三者之间的相互作用达到材料去除的一种加工方法。研磨/抛光方法对精密球的研磨精度和效率有着重要的影响。研磨过程中，球坯和研具的研磨方式直接决定了球坯的研磨成球运动。研磨迹线能否均匀覆盖球面是高效研磨球坯，提高球度，获得高精密球的关键。目前，国内外已有一些相应的方法加工高精度球，这些方法主要分为研具加工方法和磨盘加工方法。研具加工方法加工效率低，精度高。磨盘研磨法加工效率高，但精度低，其包括V形槽研磨法、圆沟槽研磨法、锥形盘研磨法、自转角主动控制研磨法、磁悬浮研磨法等。在V形槽研磨加工、圆沟槽研磨加工、锥形盘研磨加工等加工过程中，球坯只能作“不变相对方位”研磨运动，即球坯的自转轴对公转轴的相对空间方位固定，球坯绕着一固定的自转轴自转。实践和理论分析都表明“不变相对方位”研磨运动对球的研磨是不利的，球坯与研磨盘的接触点在球坯表面形成的研磨迹线是一组以球坯自转轴为轴的圆环，研磨盘沿着三接触点的三个同轴圆迹线对球坯进行“重复性”研磨，不利于球坯表面迅速获得均匀研磨，在实际加工中需要依靠球坯打滑、搅动等现象，使球坯的自旋轴与公转轴的相对工件方位发生缓慢变化，达到均匀研磨的目的，但这种自旋角的变化非常缓慢，是随机、不可控的，从而限制了加工的球度和加工效率。而自转角主动控制研磨法具有可独立转动的三块研磨盘，可以通过控制研磨盘转速变化来调整球坯的自旋轴的方位，球坯能作“变相对方位”研磨运动，球坯表面的研磨迹线是以球坯自转轴为轴的空间球面曲线，能够覆盖大部分甚至整个球坯表面，有利于球坯表面获得均匀、高效的研磨，但加工装置复杂。双转盘研磨方式在自转角主动控制研磨法的基础上，优化加工装置，三块转盘只需其中两块旋转，另一块固定不动，通过调节旋转盘的转速来实现球坯的“变相对方位”研磨运动。此方法优化了机构，但加工过程中只有一道沟槽，不利于批量加工。磁悬浮研磨方法的主要特征是采用磁流体技术实现对球坯的高效研磨，除了对球坯的加压的方式不同外，其研磨运动方式同V形槽研磨加工和锥形盘研磨加工中的运动方式基本相同，因此，在其加工过程中球度同样受到了限制。因此，对于陶瓷球等难加工材料高精度球的加工，急需一种既能实现较高的加工精度和加工效率，又具备结构简单、制造成本较低的研磨/抛光加工方法。
技术实现思路
为了克服现有球形零件研磨/抛光加工方法的球度和加工效率低、加工一致性差、加工装置和控制复杂、成本高的不足，本专利技术提供一种既能实现较高的加工精度、加工效率和加工一致性，又具备加工装置结构简单、制造成本较低的偏心式变曲率沟槽加工高精度球体的方法。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是:，实现所述方法的加工装置包括上研磨盘、下研磨盘和加压系统，所述上研磨盘连接上研磨盘主轴，所述下研磨盘连接下研磨盘主轴，所述上研磨盘主轴和下研磨盘主轴分别与驱动机构连接，所述上研磨盘位于下研磨盘的正上方，所述加载系统位于所述上研磨盘上，所述的下研磨盘上开有变曲率轨迹的沟槽，所述的变曲率轨迹的中心与研磨中心存在偏心；所述的加压系统通过上研磨盘作用于球坯，所述的沟槽结构和上研磨盘一起构成研磨球的三个加工接触点，加工过程中待加工球坯在上、下研磨盘之间且于沟槽内运动。进一步，所述的变曲率轨迹的中心与研磨中心偏心的方式为:上研磨盘与下研磨盘主轴偏心，沟槽的变曲率轨迹中心与下研磨盘的中心重合。或者是，所述的变曲率轨迹的中心与研磨中心偏心的方式为:上研磨盘与下研磨盘中心在一条直线上，沟槽的变曲率轨迹中心与下研磨盘的中心存在偏心。更进一步，所述加工装置还包括循环输球装置，所述循环输球装置的入口与所述沟槽的出口相连，所述上研磨盘上开有球体入口，所述循环输球装置的出口与所述球体入口的上端相连，所述球体入口的下端与所述沟槽的入口连通；加工后的球体依序进入循环输球装置，通过循环输球装置再次进入变曲率沟槽加工区域，实现球体的循环加工。实际加工中，单个研磨周期(从磨盘入料口经过整个变曲率沟槽路径至磨盘出料口)的加工结果不足以达到所需的目标精度，上述循环输球装置可以解决该问题。加工的磨料选择固着磨料或游离磨料。所述待加工球坯在上、下研磨盘工作面间，在一定的载荷和磨料的作用下得到均匀研磨本专利技术的技术构思为:采用变曲率沟槽中心与旋转主轴偏心，上研磨盘与下研磨盘上的变曲率沟槽与球体构成三点接触进行研磨，上、下研磨盘旋转主轴由两个独立电机驱动，选择合适的变曲率轨迹及偏心量，可以实现球坯三个自由度方向上的旋转运动，球体沿着变曲率沟槽运动，实现“变相对方位”研磨运动，使研磨轨迹均匀分布在球的表面上，实现对球体表面的均匀研磨。实际加工中，单次研磨加工量不足以达到所需的目标精度，配合本专利技术方法的加工装置还包括循环输球机构，使得球体加工过程变为连续循环加工。变曲率沟槽一次装球量与传统V形槽加工方法的装球量相当，与传统V形槽加工方法采用随机打乱的方式改变球体姿态相比，变曲率沟槽磨盘研磨方式下，每颗球所经历的加工路径一致，大大提高了球体加工的批一致性。加压系统对球坯施加弹性载荷，能使较大的球受到较大的载荷，从而在加工过程中始终能保证较好的磨削尺寸选择性一磨大球，不磨或少磨小球；磨球坯的长轴，不磨或少磨短轴，因此能快速修正球形偏差。加工过程中待加工球坯在上、下研磨盘之间且于沟槽内运动，一颗球出变曲率沟槽进入循环装置，另一颗球出循环装置进入变曲率沟槽，如此往复循环数次。在压力和磨料的作用下，经过长时间加工后，各个零件的精度误差和尺寸误差充分匀化，最终可获得高精度和高一致性的球体。通过仿真加实验优化选取合适的偏心量，使研磨轨迹均匀分布在球面上。本专利技术方法进行高精度球研磨/抛光过程中，对单颗球研磨机理分析如下:假设球坯为标准球体，球坯和研磨盘接触点之间无变形，无相对滑动，球坯之间无推挤现象，球体只受研磨盘作用，上、下研磨盘通过与球的接触点无滑动地带动球体作研磨运动。第一种偏心情况上下研磨盘主轴偏心，变曲率沟槽中心与下研磨盘中心重合。如附图4-1、4-2设研磨盘与球的接触点分别为AjXj1为上研磨盘主轴中心，O2为变曲率轨迹中心，e为OpO2之间的距离，Oa为球心瞬时的曲率中心，Ob为球心，rb为球坯半径，Ψ为球心Ob的瞬时极角，I为球心瞬时的曲率中心Oa和球心Ob的连线与变曲率轨迹中心O2和球心Ob连线之间的夹角。三接触点到上、下研磨盘回转轴的距离分别为m P为球心Ob的瞬时极径。上、下研磨盘转速分别为ω” ω2。以球心Ob的法向及切向运动方向建立平面坐标系Χ-Υ。Va是盘上A点的瞬时速度，^为^与Y轴的夹角。垂直直面向外的方向为Z方向，图4-2给出X-Z平面的分析图。沟槽的形状由本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种偏心式变曲率沟槽加工高精度球体的方法，其特征在于：实现所述方法的加工装置包括上研磨盘、下研磨盘和加压系统，所述上研磨盘连接上研磨盘主轴，所述下研磨盘连接下研磨盘主轴，所述上研磨盘主轴和下研磨盘主轴分别与驱动机构连接，所述上研磨盘位于下研磨盘的正上方，所述加载系统位于所述上研磨盘上，所述的下研磨盘上开有变曲率轨迹的沟槽，所述的变曲率轨迹的中心与研磨中心存在偏心；所述的加压系统通过上研磨盘作用于球坯，所述的沟槽结构和上研磨盘一起构成研磨球的三个加工接触点，加工过程中待加工球坯在上、下研磨盘之间且于沟槽内运动。

【技术特征摘要】
1.一种偏心式变曲率沟槽加工高精度球体的方法，其特征在于:实现所述方法的加工装置包括上研磨盘、下研磨盘和加压系统，所述上研磨盘连接上研磨盘主轴，所述下研磨盘连接下研磨盘主轴，所述上研磨盘主轴和下研磨盘主轴分别与驱动机构连接，所述上研磨盘位于下研磨盘的正上方，所述加载系统位于所述上研磨盘上，所述的下研磨盘上开有变曲率轨迹的沟槽，所述的变曲率轨迹的中心与研磨中心存在偏心；所述的加压系统通过上研磨盘作用于球坯，所述的沟槽结构和上研磨盘一起构成研磨球的三个加工接触点，加工过程中待加工球坯在上、下研磨盘之间且于沟槽内运动。2.如权利要求1所述的一种偏心式变曲率沟槽加工高精度球体的方法，其特征在于:所述的变曲率轨迹的中心与研磨中心偏心的方式为:上研磨盘与下研磨盘主轴偏心，沟槽的变曲率轨迹中心与下研磨盘的中...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵萍，周芬芬，袁巨龙，李帆，吕冰海，邓乾发，冯铭，傅宣琪，
申请(专利权)人：浙江工业大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33