目前，陶瓷球軸承正以其優(yōu)良的特性在許多領(lǐng)域及場(chǎng)合獲得越來(lái)越多的應(yīng)用，尤其在數(shù)控機(jī)床、航空航天等高端裝備領(lǐng)域，其應(yīng)用優(yōu)勢(shì)更加突出。但長(zhǎng)久以來(lái)，中國(guó)高端裝備上的精密陶瓷球軸承主要還是依賴(lài)進(jìn)口，這當(dāng)中最主要的影響因素就是受限于軸承陶瓷球的精密研磨加工。

在各種陶瓷材料中，氮化硅陶瓷材料由于良好的綜合性能常被用于高端陶瓷球軸承制備。氮化硅陶瓷球的研磨加工主要是通過(guò)磨粒及研磨液實(shí)現(xiàn)材料的高效去除，球體在磨粒及研磨液的作用下，加工變質(zhì)層逐漸減少或去除，得到光滑或超光滑的球面。作為硬脆性材料的陶瓷球，由于其表面能較低，所以對(duì)研磨液中磨粒及其附著性和研磨加工方式有著很高的要求。

目前，精密陶瓷球的最高精度為G3級(jí)精度，其技術(shù)指標(biāo)為表面粗糙度Ra≤0.010 um，球度△S_ph≤0.08um。隨著陶瓷球的需求量逐年增加，其在加工精度、批量加工和綠色制造等方面都面臨著挑戰(zhàn)。如何保證精密陶瓷球的加工質(zhì)量，提高批量加工效率，實(shí)現(xiàn)綠色制造，是目前陶瓷球加工中亟需解決的問(wèn)題。

陶瓷球研磨加工方式

軸承陶瓷球的研磨成球原理主要是沿用軸承鋼球的成球原理，都是利用磨料磨粒去除表面材料，使球體的直徑減小、表面粗糙度降低，精度提高。目前的加工成球原理主要包括“概率成球原理”和“球面全包絡(luò)成球原理”。

概率成球主要是通過(guò)隨機(jī)改變球體加工時(shí)的自轉(zhuǎn)角，球體經(jīng)多次循環(huán)加工最終成球；球面全包絡(luò)成球則是通過(guò)有規(guī)律地改變球體的自轉(zhuǎn)角，使球體表面的研磨加工軌跡均勻包絡(luò)整個(gè)球面并最終成球。

陶瓷球研磨成球基本原理

陶瓷球的研磨加工方式主要是指陶瓷球在研磨加工過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和形式，目前，軸承陶瓷球的研磨加工方式主要可以分為杯狀研具加工研磨方式、傳統(tǒng)V形槽研磨加工方式、自轉(zhuǎn)角主動(dòng)控制研磨加工方式、磁流體研磨加工方式和變曲率溝槽研磨加工方式。

1.杯狀研具研磨加工方式

杯狀研具研磨加工方式主要有三種，分別是單軸、雙軸及四軸杯狀研具加工方式。這種加工方式的四軸都有驅(qū)動(dòng)力，能夠不斷地改變運(yùn)動(dòng)方向，從而改變球體的自轉(zhuǎn)角，加工球體的精度高，但是加工裝置復(fù)雜，且只能針對(duì)一個(gè)球體進(jìn)行加工，多用于定位球和標(biāo)準(zhǔn)球加工，無(wú)法滿足工業(yè)的批量需求。

四軸研具研磨加工方式

2.傳統(tǒng)V形槽研磨加工方式

傳統(tǒng)V形槽研磨加工方式主要有普通同心圓V形槽研磨加工方式、雙V形槽研磨加工方式、類(lèi)雙V形槽研磨加工方式和偏心V形槽研磨加工方式，分別有以下特點(diǎn)：

幾種研磨加工方式原理示意圖

3.自轉(zhuǎn)角主動(dòng)控制研磨方式

自轉(zhuǎn)角主動(dòng)控制研磨方式是將研磨盤(pán)溝槽的兩個(gè)側(cè)面分開(kāi)成兩部分，包括上、下盤(pán)，可以是三盤(pán)或雙盤(pán)獨(dú)立旋轉(zhuǎn)，通過(guò)控制研磨盤(pán)轉(zhuǎn)速變化來(lái)調(diào)整球體的自轉(zhuǎn)軸方位，使球體的自轉(zhuǎn)角連續(xù)變化，球體表面的研磨跡線能夠覆蓋大部分甚至整個(gè)球體表面。

目前這種方式研磨軌跡在球面均勻分布，加工精度得到了提高，但是這種研磨方式的驅(qū)動(dòng)裝置及傳動(dòng)裝置較多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，沒(méi)有得到進(jìn)一步的應(yīng)用。

4.磁流體研磨加工方式

磁流體研磨加工方式相對(duì)于普通同心圓V形槽研磨加工方式，球坯表面的材料去除率提高了50余倍。裝置通常下盤(pán)是一排條狀的永磁鐵，磁流體研磨液在磁力的作用下，磁性流體會(huì)向強(qiáng)磁力的方向聚集，非磁性流體會(huì)朝向弱磁力的方向運(yùn)動(dòng)，從而使磨料懸浮在磁流體中。球坯在研磨加工過(guò)程中，一方面在磁流體研磨液中自轉(zhuǎn)，另一方面隨著轉(zhuǎn)盤(pán)進(jìn)行公轉(zhuǎn)，處于懸浮的磨粒可以實(shí)現(xiàn)超精密研磨加工。

磁流體研磨加工方式

磁流體加工方式加工精度相對(duì)于普通同心圓V形槽加工方式有一定的提高，但是裝置比較復(fù)雜，研磨加工所用的研磨液消耗較快，使加工成本變高，不符合現(xiàn)代環(huán)保加工理念。

5.變曲率溝槽研磨加工方式

變曲率溝槽研磨加工方式可以使自轉(zhuǎn)角有一個(gè)較大范圍的改變，以便使球體加工軌跡的分布更加均勻完整，研磨加工過(guò)程中球坯從研磨盤(pán)中心向外做滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)，使得球坯與溝槽的接觸點(diǎn)位置一直在發(fā)生改變，自轉(zhuǎn)的相對(duì)速度也在不斷變化，這種研磨加工方式的自轉(zhuǎn)角在不斷地發(fā)生變化，加工效率和加工精度得到提高。

該方式通過(guò)該曲率半徑的變化而改變球體自轉(zhuǎn)角，能實(shí)現(xiàn)球體的高效、高一致性加工，但裝球量受到裝置的限制，不易實(shí)現(xiàn)大循環(huán)批量生產(chǎn)。

單線變曲率溝槽加工方式

為了實(shí)現(xiàn)大循環(huán)批量加工，在此基礎(chǔ)上提出多線變曲率溝槽加工方式，該方式通過(guò)在溝槽盤(pán)上設(shè)置多線變曲率螺線溝槽，既可以使球體在研磨加工時(shí)不斷改變自轉(zhuǎn)角大小，又可以使多個(gè)球體同時(shí)進(jìn)出研磨盤(pán)，再通過(guò)外置的輸球料盤(pán)即可實(shí)現(xiàn)大循環(huán)批量加工。

多線變曲率溝槽加工方式

總結(jié)

目前，陶瓷球加工研究的重點(diǎn)是保證陶瓷球的加工質(zhì)量，提高加工效率，而要降低加工成本，還需提高其球批加工量。研究的難點(diǎn)主要是采用何種加工方式，并研制開(kāi)發(fā)相應(yīng)的陶瓷球研磨加工專(zhuān)用設(shè)備，既可以保證球體加工質(zhì)量，提高加工效率，又可以實(shí)現(xiàn)球體的大批量加工。如何平衡高效高質(zhì)量和產(chǎn)業(yè)化批量加工這些技術(shù)，采用先進(jìn)的陶瓷球研磨加工方式及加工設(shè)備，應(yīng)用高效綠色研磨液對(duì)陶瓷球進(jìn)行研磨加工，是軸承陶瓷球研磨加工技術(shù)的發(fā)展方向。

參考來(lái)源：

1.軸承陶瓷球研磨加工技術(shù)研究進(jìn)展，薛會(huì)民、張松林（科學(xué)技術(shù)與工程）；

2.陶瓷球軸承的制造工藝及其相關(guān)技術(shù)，吳玉厚、王軍、鄭煥文（制造技術(shù)與機(jī)床）；

3.混合軸承陶瓷球的錐形研磨加工工藝，陸峰、吳玉厚、張珂（東北大學(xué)學(xué)報(bào)）。

粉體圈小吉

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