基于硬质陶瓷磨盘的高精度圆柱滚子双平面加工方法

技术领域

本发明涉及超精密加工技术领域，特别涉及基于硬质陶瓷磨盘的高精度圆柱滚子双平面加工方法。

背景技术

轴承是装备制造业中应用广泛的精密基础元件，而滚动体是轴承最关键、最薄弱的零部件。圆柱滚子作为一种轴承滚动体，它与滚道之间为线接触，具有承受高负荷的能力，特别适用于重载高速旋转的机械装备，如高速机床主轴、风力发电机组、高铁列车齿轮箱、航空发动机等。

目前，国内圆柱滚子加工主要采用无心磨削方式，无心磨由于工件中心位置变化、工件中心直线与砂轮轴线的误差、工件与导轮、托板工作面接触不稳定等问题，导致加工精度一致性难以保证，无法实现高精度和高一致性圆柱滚子加工。双平面加工对设备精度要求较低，是一种新型的圆柱滚子精密加工方式，当上下磨盘的平面度较好时，上下磨盘在具有抛光液的条件下，对圆柱滚子进行研磨抛光，可获得形状精度、表面质量和精度一致性较好的圆柱滚子。滚子的材料一般为轴承钢或是其他金属材料，磨盘通常采用铸铁、不锈钢、轴承钢等金属材料，磨盘和滚子的硬度及耐磨性相似，导致磨盘表面极易磨损并发生变形，对加工精度有一定影响，因此限制了该方法的大规模应用。

此外，传统的研磨抛光加工都需要在磨盘上加入抛光液，利用抛光液化学成分的氧化作用与机械去除相结合，从而获得较低的表面粗糙度以及较好的表面形貌。然而，抛光液的使用会产生环境污染问题，并且化学物质残留在工件表面会改变滚子表层材质。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明提供了基于硬质陶瓷磨盘的高精度圆柱滚子双平面加工方法，该方法能够提高圆柱滚子的加工精度，并降低加工成本，摒弃了传统的抛光液，利用纯水作为研磨介质同时减小环境污染，适合在产业上推广使用。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明公开了基于硬质陶瓷磨盘的高精度圆柱滚子双平面加工方法，该方法在双平面研抛设备上实现，所述双平面研抛设备包括：上研磨盘、保持架和下研磨盘；所述保持架设于所述上研磨盘和所述下研磨盘之间，所述保持架上开设有若干个用于放置圆柱滚子的孔槽；所述上研磨盘和所述下研磨盘的材质为陶瓷；加工过程中，向加工区域添加水进行润滑和冷却。

本发明方案中的研磨盘为硬质陶瓷，其中陶瓷磨盘硬度高，能够有效保证盘面在加工过程中不会发生形变，使加工后的圆柱滚子具有极高的圆度。同时陶瓷耐磨性好，盘面不易磨损，使盘面可以长时间保持极高的平面度。此外，由于陶瓷硬度和耐磨性均远远优于圆柱滚子，所以研磨盘上的凸峰的磨损极其缓慢，能够再很大程度上降低成本，保证加工质量；在加工时，只在加工区域添加纯水，不使用传统的抛光液，避免了环境污染，且加工成本低，且试验表明能够保证加工后的圆柱滚子具有高精度和高一致性。

加工时：所述下研磨盘与外部电机连接并通过电机驱动进行自转，所述保持架置于所述下研磨盘上，将圆柱滚子放置在所述保持架的孔槽内，并通过上研磨盘加压；所述下研磨盘进行转动时其与所述圆柱滚子之间的摩擦力带动所述圆柱滚子在所述孔槽内进行转动，同时在圆柱滚子和下研磨盘的作用下保持架进行自转；所述上研磨盘与所述下研磨盘的转动中心存在偏心距，所述保持架转动时所述上研磨盘随着所述保持架同步转动，或所述上研磨盘转速小于所述保持架转速，或所述研磨盘在外部电机驱动下与所述保持架的转向相反。

在本发明技术方案中所述保持架的上载荷为所述上研磨盘的自重，所述下研磨盘在转动时候使圆柱滚子在所述孔槽内进行转动，并与所述下研磨盘的上端面产生摩擦，通过产生的滑动摩擦和滚动摩擦来对所述圆柱滚体实现表面研磨，能够有效保证研磨加工精度和一致性。

进一步的，所述保持架与所述上研磨盘为同轴设置，均可以绕定轴自由转动。通过所述上研磨盘和所述下研磨盘的双面接触能够保证对圆柱滚子的双面加工，保证圆柱滚子的加工精度。

进一步的，所述上研磨盘的下表面以及所述下研磨盘的上表面形成有凸峰，所述凸峰与所述圆柱滚子接触；研磨过程中：圆柱滚子的表面与所述凸峰的尖端配合，所述下研磨盘转动带动圆柱滚子在所述孔槽内转动，与上研磨盘以及下研磨盘的凸峰产生滚动摩擦和滑动摩擦，通过凸峰将圆柱滚子表面的粗糙材质进行去除。

本发明方案中的凸峰设置能够使圆柱滚子在进行滚动摩擦以及滑动摩擦时，通过所述凸峰尖端的坚硬处对圆柱滚子表面进行材料去除，能够有效提高圆柱滚子的表面材料去除率，保证加工后的圆柱滚子具有极高的圆度。

进一步的，所述上研磨盘和所述下研磨盘的平面度在0.1～0.3μm之间，表面粗糙度在0.01～0.05μm之间。

本发明方案中当上下研磨盘的平面度符合要求时，才能实现面型复制，保证加工后的圆柱滚子具有极高的圆度。另外上下研磨盘的表面粗糙度不宜过大，过大时，平面度无法满足要求，过小时，表面太光滑对滚子的切削作用较弱，材料去除率低。当平面度在0.1～0.3μm之间，表面粗糙度在0.01～0.05μm之间时，能够保证圆柱滚子的圆度。

进一步的，所述偏心距在2～10cm之间。

进一步的，所述下研磨盘的转速范围为20～100r/min。

进一步的，所述保持架呈圆盘状，所述孔槽为多边形且呈放射状环绕分布在所述保持架上。

本发明方案中所述孔槽的设置能够保证圆柱滚子在所述上研磨盘和所述下研磨盘之间的摩擦进行表面材料去除，呈放射状环绕分布能够保证每个圆柱滚子的均匀加工，保证整体加工的一致性。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案相对于现有技术的优点在于：采用陶瓷材质的研磨盘代替传统双平面加工的铸铁磨盘，研磨盘的硬度和耐磨性得到提高，可使研磨盘长时间使用不变形，提高了圆柱滚子的加工精度和一致性；加工过程中，研磨盘表面的陶瓷凸对圆柱滚子产生材料去除，抛光过程摒弃传统的化学成分抛光液，采用纯水添加来实现降温以及作为研磨介质使用，降低加工成本，同时也减小环境污染。

附图说明

图1为本发明的基于硬质陶瓷磨盘的高精度圆柱滚子双平面加工方法中圆柱滚子加工前的初始显微图；

图2为本发明的基于硬质陶瓷磨盘的高精度圆柱滚子双平面加工方法中圆柱滚子加工后的初始显微图；

图3为本发明的基于硬质陶瓷磨盘的高精度圆柱滚子双平面加工方法具体实施例中圆柱滚子初始平均圆度与不同数量圆柱滚子数量的情况；

图4为本发明的基于硬质陶瓷磨盘的高精度圆柱滚子双平面加工方法具体实施例中圆柱滚子圆度随加工时间的变化情况；

图5为本发明的基于硬质陶瓷磨盘的高精度圆柱滚子双平面加工方法具体实施例中圆柱滚子圆度批次一致性随加工时间的变化情况；

图6为本发明的基于硬质陶瓷磨盘的高精度圆柱滚子双平面加工方法具体实施例中取样圆柱滚子的圆度测量值；

图7为本发明的基于硬质陶瓷磨盘的高精度圆柱滚子双平面加工方法具体实施例中取样圆柱滚子的表面粗糙度；

图8为本发明的基于硬质陶瓷磨盘的高精度圆柱滚子双平面加工方法加工设备的结构示意简图；

图9为本发明的基于硬质陶瓷磨盘的高精度圆柱滚子双平面加工方法加工设备的俯视状态简图；

图10为本发明的基于硬质陶瓷磨盘的高精度圆柱滚子双平面加工方法加工设备中圆柱滚子与研磨盘接触的结构示意图；

图11为本发明的基于硬质陶瓷磨盘的高精度圆柱滚子双平面加工方法A处放大凸；

图12为本发明的基于硬质陶瓷磨盘的高精度圆柱滚子双平面加工方法保持架的结构示意图；

其中：1为上研磨盘、2为保持架、201为孔槽、3为下研磨盘、4为圆柱滚子、5为凸峰。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。以下没有详细说明的内容均属于本领域技术常识。

在本实施中，上研磨盘1和下研磨盘3的材质为普通硬质陶瓷，上研磨盘施加的压力为上盘的自重3KG，上研磨盘1和下研磨盘3的偏心距为3cm，下研磨盘3的转速为60r/min；上研磨盘1和下研磨盘3的平面度为2μm，表面粗糙度为30nm。

参阅图1～图7，本实施例中所使用的批次圆柱滚子的尺寸为：底面直径6.5mm/高10mm；批次圆柱滚子的平均圆度为2.3μm，表面粗糙度0.05μm，持续研磨抛光时间为9小时后随机取样测得一个圆柱滚子的圆度为0.18μm，表面粗糙度为0.016μm。

研磨前：下研磨盘3与外部电机连接，使保持架2置于下研磨盘3上，将圆柱滚子4放置在保持架2的孔槽201内，并使圆柱滚子4始终保持与下研磨盘3接触；将上研磨盘1置于保持架2上，上研磨盘1与下研磨盘3的转动中心存在3cm的偏心距。

研磨时：下研磨盘3进行转动时其与圆柱滚子4之间的摩擦力带动圆柱滚子4在孔槽201内进行转动，同时在圆柱滚子4和下研磨盘3的作用下保持架2进行自转，以达到研磨圆柱滚子4表面作用；由于上研磨盘1和下研磨盘3与圆柱滚子4之间的摩擦会产生热量，在下研磨盘3上添加纯水对圆柱滚子4以及上研磨盘1和下研磨盘3进行冷却润滑；

其中，在本实施例中保持架2转动时上研磨盘1随着保持架2同步转动；此外上研磨盘1还能够连接电机进行驱动，使上研磨盘1的转速小于保持架2的转速，或通过电机使上研磨盘1与保持架2和下研磨盘3的转向相反，两种方式通过均为将上研磨盘1的转速小于下研磨盘3来提高对圆柱滚子4的加工效率。

参阅图8～图12，保持架2与上研磨盘1为同轴设置，圆柱滚子4始终与上研磨盘1的下端面接触摩擦，上研磨盘1的下表面以及下研磨盘3的上表面形成有凸峰5，凸峰5与所述圆柱滚子4接触；研磨过程中：圆柱滚子4的表面与凸峰5的尖端配合，下研磨盘3转动带动圆柱滚子4在孔槽201内转动，与上研磨盘1以及下研磨盘3的凸峰5产生滚动摩擦和滑动摩擦，通过凸峰5将圆柱滚子4表面的粗糙材质进行去除。

本实施例基于硬质陶瓷磨盘的高精度圆柱滚子双平面加工方法采用陶瓷材质的研磨盘代替传统双平面加工的铸铁磨盘，研磨盘的硬度和耐磨性得到提高，可使研磨盘长时间使用不变形，提高了圆柱滚子的加工精度和一致性；加工过程中，研磨盘表面的陶瓷凸对圆柱滚子产生材料去除，抛光过程用纯水代替抛光液，降低了加工成本，同时也减小的环境污染。

需要指出的是，实施本发明时，可以采用其它形式双平面研抛设备等同替换，例如将保持架设置成行星轮式，将上研磨盘设置成与下研磨盘同轴设置并独立配置驱动马达。

上述对本申请中涉及的发明的一般性描述和对其具体实施方式的描述不应理解为是对该发明技术方案构成的限制。本领域所属技术人员根据本申请的公开，可以在不违背所涉及的发明构成要素的前提下，对上述一般性描述或/和具体实施方式(包括实施例)中的公开技术特征进行增加、减少或组合，形成属于本申请保护范围之内的其它的技术方案。