Si3N4陶瓷球研磨轨迹分析及其对表面质量的影响机制

目的 明确在相同的研磨液配比、磨料类型,不同的研磨盘转速、研磨装置施加的载荷、磨粒粒径下,陶瓷球研磨轨迹对陶瓷球表面质量的影响,确定锥形研磨法加工的氮化硅陶瓷球的最优研磨参数,提高陶瓷球的表面质量。方法 首先建立研磨盘和氮化硅陶瓷球的相对运动模型,利用MATLAB模拟不同研磨参数的下氮化硅陶瓷球的研磨轨迹,分析得到研磨参数和研磨轨迹的变化关系;再利用锥形研磨装置进行单因素实验验证,参与实验的3个变量设定为磨粒型号(粒径)、研磨盘转速和研磨装置施加载荷,将实验结果取样,通过粗糙度仪测量球体的表面粗糙度,用扫描电镜和超景深三维显微镜检测研磨后的陶瓷球表面形貌,结合仿真分析和实验结果探究研磨参数对加工后表面质量的影响。结果 将不同仿真轨迹下得到的研磨参数变化规律与实验结果相结合,得到了最佳的研磨参数,即研磨盘转速为50 r/min,施加的载荷为1.30 N,磨粒类型为W7。在此条件下得到的陶瓷球表面的粗糙度为0.009 6 μm,基本能达到实际生产中对G3级精度全陶瓷球的质量要求。结论 陶瓷球的表面质量受到研磨盘转速、研磨装置施加载荷及磨粒粒径的影响较大,由仿真分析和实验结合可知,在研磨过程中随着磨粒粒径的减小,以及研磨盘转速和载荷的下降,陶瓷球的研磨轨迹趋于稀疏,表面粗糙度Ra呈下降趋势。研磨氮化硅陶瓷球时取粒径较小的磨粒,以较低的研磨盘转速和较小的研磨装置施加载荷有利于提高其表面质量。此研究成果对提高陶瓷球的表面质量具有重要的指导意义。     

精密陶瓷球的锥形研磨技术研究

陶瓷轴承主要应用于机械制造、高速交通、核工业、航空航天、电子、化工和建材等领域。为了提高热等静压氮化硅(HIPSN)陶瓷球的研磨效率和精度,降低其研磨成本,本文设计和研制了一种新的陶瓷球研磨方法——锥形研磨法;探讨了该方法下陶瓷球表面研磨迹线的分布规律。经研磨动力学分析认为,在锥形研磨法下,陶瓷球在研磨中作无打滑研磨运动,既要克服“环向打滑”,又要克服“周向打滑”;研磨压力在0．5～15N／球,研磨盘转速在90～1400r／min之间存在最佳的研磨值。通过实验研究了研磨工艺参数与材料去除率、研磨成本和加工效率的关系,得出该方法下合理的研磨参数,运用此法可高效加工出G3、G5级精密HIPSN陶瓷球。     

陶瓷球高效超光滑磁流变柔性抛光新工艺研究

目的为实现陶瓷球表面的高效超光滑抛光,提出一种集群磁流变抛光陶瓷球的新工艺。方法在传统V型槽抛光陶瓷球的基础上增加集群磁极和上盘旋转动力,配制适当的磁流变抛光液,通过在上下抛光盘的集群磁极,形成磁流变抛光垫包覆陶瓷球,进行研磨抛光加工。然后,基于陶瓷球工件几何运动学和动力学分析得到球体各运动参数的影响关系,利用机械系统分析软件ADAMS对成球过程进行动态仿真,可以看出该抛光方法能够主动控制球体的运动,实现球面抛光轨迹的快速均匀全包络。最后,根据仿真结果,通过调整上下抛光盘的转速比、偏心距和加工间隙等参数,控制陶瓷球的自转角,实现球面的快速高效超光滑抛光。结果用自行设计的陶瓷球集群磁流变抛光实验装置,对氮化硅陶瓷球进行抛光2.5 h,表面粗糙度Ra从60 nm左右下降到10 nm左右,球形误差为0.13μm,达到了陶瓷球轴承氮化硅球的国家标准(G5水平)。结论集群磁流变抛光方式可以实现球面抛光轨迹的快速均匀全包络,实现陶瓷球表面的高效超光滑抛光,值得进一步深入探讨研究。     

高精度硬质合金球研磨实验装置的研制

本文研制了一种高精度硬质合金球研磨实验装置,该装置安装在钻床上由尼龙连接头、隔离环、加压机构等构成,加压平稳、转速可调。并通过研磨实验和精密测量结果验证了研磨装置的先进性。从实验角度证明偏心圆弧槽研磨方式,细分研磨工序能有效地保证高精度硬质合金球体的研磨质量。实验球体的球度小于1μm,合格率100%。     

陶瓷球双自转盘研磨方式下研磨均匀性的研究

对陶瓷球在双自转研磨盘研磨方式下的研磨均匀性进行仿真分析，表明研磨均匀性不仅取决于自旋角θ变化范围，而且取决于θ角的变化过程和球的自转角速度ωb的变化。对研磨均匀性来说，转速比函数幅值影响较大，相位的影响是很小，可以忽略。当内外下盘转速之比从0到2倍的进行连续周期变化时，可以得到较好的研磨均匀性，变化过程任意。     

精密陶瓷球研磨技术的研究

本文以常压烧结氮化硅基陶瓷为球毛坯材料,对精密陶瓷球的研磨加工进行了重点研究。通过系列试验,分析和解决了陶瓷球加工过程中的有关问题,提出了保证精密陶瓷球加工质量的技术措施。     

基于自转一阶非连续式微球双平盘研磨的运动学分析与实验研究

目的 分析不同研磨压力、下研磨盘转速、保持架偏心距和固着磨料粒度对微球精度的影响,确定自转一阶非连续式双平面研磨方式在加工GCr15轴承钢球时的最优研磨参数,提高微球的形状精度和表面质量。方法 首先对自转一阶非连续式双平盘研磨方式微球进行运动学分析,引入滑动比衡量微球在不同摩擦因数区域的运动状态,建立自转一阶非连续式双平盘研磨方式下的微球轨迹仿真模型,利用MATLAB对研磨轨迹进行仿真,分析滑动比对研磨轨迹包络情况的影响。搭建自转一阶非连续式微球双平面研磨方式的实验平台,采用单因素实验分析主要研磨参数对微球精度的影响,得到考虑圆度和表面粗糙度的最优参数组合。结果 实验结果表明,在研磨压力为0.10 N、下研磨盘转速为20 r/min、保持架偏心距为90 mm、固着磨料粒度为3000目时,微球圆度由研磨前的1.14 μm下降至0.25 μm,表面粗糙度由0.129 1 μm下降至0.029 0 μm。结论 在自转一阶非连续式微球双平盘研磨方式下,微球自转轴方位角发生突变,使研磨轨迹全覆盖在球坯表面。随着研磨压力、下研磨盘转速、保持架偏心距的增大,微球圆度和表面粗糙度呈现先降低后升高的趋势。随着研磨压力与下研磨盘转速的增大,材料去除速率不断增大,随着保持架偏心距的增大,材料去除速率降低。随着固着磨料粒度的减小,微球的圆度和表面粗糙度降低,材料去除速率降低。     

高精度硬质合金球行星精研工艺的研究

研究了钨钴硬质合金球行星精研加工工艺,通过正交设计,以直径去除率DRR、球度改进量Δ(ΔSph)和批直径一致性改进量Δσ为评价指标,研究磨料粒度、研磨盘转速、工作压力三个主要研磨参数对行星研磨加工效率和加工精度的影响情况。研磨试验平均球度ΔSph在0.5μm左右。分析结果表明:磨料粒度相比研磨盘转速、工作压力的影响较大,是行星精研加工质量控制和提高效率最重要的工艺因素。     

偏摆式平面研磨抛光轨迹的理论研究

为分析偏摆式平面研磨抛光中偏摆运动参数对研磨抛光轨迹的影响规律,建立运动轨迹模型,用轨迹非均匀性定量方法进行评价。结果表明:偏摆幅度和偏摆角度对轨迹非均匀性影响显著,而偏摆角速度（取到非特殊值时）对轨迹非均匀性影响很小。当偏摆幅度和偏摆角度分别为15 mm和30°左右时,轨迹非均匀性明显改善,其值可减小到0.058;而选择不当的偏心距和偏摆运动参数时,其值可达0.284。      

精密球体研磨盘沟槽设计与数值仿真

为提高精密球体的成球精度及研磨效率,针对精密球体研磨盘,提出变径偏沟V形槽的设计结构。通过建立单颗球体的几何运动模型,对球体的几何运动进行分析,获得球体自转角与沟槽偏角及研磨盘沟槽半径之间的关系。以90°槽形角V形槽为例,研究变半径条件下偏沟V形槽结构对研磨等概率的影响规律,结合实际生产情况,提出偏沟V形槽沟槽偏角的合理取值。采用数值仿真技术,对球面加工轨迹和轨迹分布密度进行了仿真分析,结果表明:采用偏沟V形槽对球体进行研磨加工,可以使研磨轨迹的分布更加均匀,从而提高球体的切削等概率性。该结构有利于提高研磨球体的研磨质量与加工效率。     

不同材质磨盘对蓝宝石晶片研磨性能的影响

从实际生产加工的角度,研究磨盘材质和研磨磨料对蓝宝石晶片加工效果的影响。以实际生产工艺进行实验,比较铸铁磨盘、陶瓷复合盘、树脂铜盘和聚氨酯研磨布在使用B₄C或金刚石研磨液时的加工效果、成品率和研磨效率。结果显示:经聚氨酯研磨布研磨的蓝宝石晶片,其表面质量最好,为R_a0.058μm;陶瓷复合盘的研磨效率最高,达到0.305μm/min,且成品率可保持在96.08%。如粗糙度要求较高（R_a ≤ 0.06μm）,则建议使用聚氨酯研磨布搭配金刚石研磨液;如果更强调成本和效率（粗糙度要求R_a ≤ 0.08μm）,建议使用陶瓷复合盘搭配B₄C研磨液。      

基于单转盘变曲率沟槽研磨方法的球体加工试验研究

目的针对传统V形槽研磨方球体时自转角恒定、加工轨迹不能均匀包络整个球面而影响产品一致性的问题,提出一种单转盘变曲率沟槽球体研磨加工方法,使球体运动状态随沟槽曲率的变化而变化。方法基于纯滚动假设条件,通过几何运动学分析建立自转角与运动轨迹的关系模型,并自主研发了变曲率沟槽循环研磨机床,在该平台上对G16级GCr15钢球进行加工试验,改变研磨液、载荷、转速与研磨盘等工艺参数,经过粗磨、精磨和抛光三道工序,以球体圆度、粗糙度与批内一致性测量结果为指标,对单转盘变曲率沟槽的研磨效果进行评价。结果仿真结果表明,通过优化变曲率轨迹参数能实现球体表面加工轨迹的均匀全包络,轨迹均匀性标准差SD达到0.1986。球体抛光后,圆度均值为0.095μm,表面粗糙度均值为0.011μm,一致性达到了0.17μm,加工精度达到G5级球要求。结论沟槽滚道曲率的变化可使球体自转角在0?~90?之间持续变化,改变球体的运动姿态,获得全包络研磨轨迹,进而实现球体高效高一致性的加工,具有较强的工程应用价值。     

陶瓷球高效研磨技术的研究

为提高陶瓷球研磨过程中的加工效率,本文提出了一种采用固着金刚石磨料的高效研磨技术.采用4～8 μm粒径的金刚石微粉作为磨料,以光固化树脂作为结合剂,在300～500 nm波长紫外线照射下,使光固化树脂快速固化,制作固着磨料研磨盘(金刚石浓度100%),以Ф5 mm氮化硅陶瓷球为加工对象,在自行设计的实验台上进行了加工实验.实验结果表明,在保证表面质量的前提下(Ra～40 nm),材料去除率可达100 μm/h,其研磨效率约为相同加工条件下传统游离磨料加工的20倍.对加工后陶瓷球表面的观察发现,氮化硅陶瓷球材料主要是以二体磨损的形式去除的.     

超精密平面研磨磨盘变形的数值仿真研究

利用有限元软件仿真分析了由铸铁、锡、聚四氟乙烯等材料组合成研磨盘时,研磨盘的最大变形量与加载条件的关系。研究结果表明,研磨盘材料的弹性模量越大,其最大变形量越小;采用硬质材料作基体、将软质材料贴合在硬质材料表面一起构成研磨盘材料时,研磨盘加载后的变形量远远小于单独使用软质材料作为研磨盘材料时的变形量。作者计算出了当研磨盘尺寸为直径400mm×高40mm,材料分别为铸铁、纯锡、铸铁-纯锡、铸铁-PTFE时,要使研磨盘的最大变形量为2μm,所应施加的最大加载压力值分别为31.2kPa,13.2kPa,21.8kPa和11kPa.此值可供研磨机设计与使用时参考选用。     

磁力研磨精密抛光φ4×150mm TC4管内表面的实验研究

目的提高磁力研磨法光整小直径TC4管内表面时的研磨效率。方法将多个径向充磁的磁极组成柔性磁极链放置在工件的内部,致使整个加工区域的磁感应强度得到大幅度增强,再配合多种运动,完成对小直径细长管内表面的高效精密抛光。利用响应面法分析了工件转速、磨粒粒径和研磨液用量的交互作用对研磨效率的影响规律。结果在磨粒的平均粒径保持不变时,转速在18 000~20 000 r/min范围内时,表面粗糙度值趋于稳定,研磨液用量为8 m L时,表面粗糙度值达到最低。研磨液用量保持不变、转速在18000~20 000 r/min范围内时,表面粗糙度趋于稳定。磨粒的平均粒径为250μm时,表面粗糙度值达到最低。工件转速不变、研磨液用量为8 m L、磨粒的平均粒径为250μm时,工件表面粗糙度值达到最低。经过40 min的研磨,工件各位置的表面粗糙度值Ra稳定至0.35~0.2μm。结论优化后的工艺参数组合为:工件转速20000 r/min、研磨液用量8 m L、磁性磨粒的平均粒径250μm。加工后工件内表面加工均匀性显著提升,原始缺陷被完全去除,达到最佳效果。     

变曲率沟槽精密球研磨加工优化实验研究

目的获得变曲率沟槽加工方法研磨精密轴承钢球的最优工艺参数。方法应用田口法对变曲率沟槽加工方法研磨球体的参数进行实验和优化,以研磨压力、磨料粒径、磨料浓度为主要影响参数设计正交实验,以材料去除率、表面粗糙度和球度误差为评价指标,通过平均响应分析和方差分析得到最优研磨参数组合。结果对于材料去除率,研磨压力的影响最显著,磨料粒径的影响次之,磨料浓度影响最小;对于表面粗糙度,磨料粒径的影响最大,磨料浓度的影响次之,研磨压力影响最小;对于球度误差,压力的影响最大,其他因素的影响较小。结论在每球的研磨压力为5 N、磨料粒径为3000~#(5μm)、磨料质量分数为25%的条件下,球体的材料去除率最大,可达到0.28 mg/h。在磨料粒径为5000~#(3μm)、磨料质量分数为25%、每球研磨压力为2.5 N的条件下,球体的表面质量最佳,表面粗糙度最小达到12 nm。在每球研磨压力为0.5 N、磨料粒径为3000~#(5μm)、磨料质量分数为50%的条件下,球度误差小。     

单晶α-氧化铝晶圆的研磨特性研究

开发微孔陶瓷研磨装置,并制备GC磨料和C磨料研磨盘,分别对单晶α-氧化铝晶圆进行研磨加工试验。试验结果表明:与C磨料研磨盘相比,GC磨料研磨盘对单晶α-氧化铝晶圆的研磨效果更佳;使用GC磨料研磨盘研磨10 min后,晶圆材料去除率为1.05～1.15μm/min,表面粗糙度S_a达15～16 nm;在研磨40～50 min时,研磨盘的研磨效率下降,晶圆材料去除率增加至1.4～1.5μm/min,但表面粗糙度S_a仅提高至15.5～16.5 nm。尽管如此,在保证表面加工质量的前提下,晶圆的材料去除率仍能达到1μm/min以上的工业加工标准,表明所开发的微孔陶瓷研磨装置能够较好地满足单晶α-氧化铝晶圆的研磨加工要求。     

基于光学原理的轴承球体表面缺陷检测方法研究

目的 实现球体表面微小缺陷的非接触式检测。方法 基于激光散射和剪切干涉的光学原理,设计了适用于微小缺陷检测的光路系统,搭建了可适用于不同直径球体检测的精密可调节检测光路系统平台,通过对标定板的检测及重复性实验,确定光路系统的检测精度。采用高精度气浮主轴搭建了精密可调节的球体运动平台,通过对直径20 mm的G5级高精度氮化硅陶瓷球的检测实验,以及通过对一半抛光一半未抛光直径20 mm轴承钢球体的检测对比实验,验证光路实验平台对于球体表面微小缺陷检测的可行性。 结果 标定板上4 μm宽、63 nm高的条纹的剪切干涉信噪比为8∶1,具有相对较高的信噪比。G5级高精度氮化硅陶瓷球的检测试验以及一半抛光一半未抛光轴承钢球体检测的对比实验,验证了该光路实验平台中,激光散射可灵敏地检测较深的微米级缺陷,剪切干涉可灵敏地检测较浅的微米级缺陷。结论 基于光学原理搭建的球体表面微小缺陷检测平台,可以实现对球体表面微米级别缺陷的检测。     

磁粒复合研磨SUS304不锈钢孔道的机理与试验研究

目的 为探究磁粒研磨法对SUS304不锈钢孔道表面质量的影响,优化磁粒研磨工件内表面的工艺方案。方法 首先,基于磁极单轨迹运动和复合轨迹运动两种不同形式,分别对磁粒研磨孔道内表面的基本原理和运动轨迹进行了理论分析;其次,利用ANSYS软件对孔道内壁的磁场强度进行了有限元分析;最后,通过磁粒研磨法对孔道内壁进行试验验证。利用超景深3D显微镜和触针式表面粗糙度测量仪,分别测取孔道表面微观形貌和表面粗糙度。结果 研磨加工时间均为15 min,磁极为单轨迹运动时,工件表面材料去除量为662 mg,孔道内壁的表面粗糙度值由原始的2.0 μm降至0.48 μm;磁极为复合轨迹运动时,工件表面材料去除量高达892 mg,孔道内壁的粗糙度值下降至0.24 μm。结论 磁极为复合轨迹运动时,相对于传统的磁极单轨迹运动,磁粒研磨效率进一步提高,工件表面微观形貌以及表面粗糙度都有明显改善,研磨后的工件内表面质量更佳。     

磁粒研磨TC4孔棱边毛刺的机理及试验研究

目的探究磁粒研磨法去除TC4孔棱边毛刺的机理,寻求去除TC4孔棱边毛刺的最佳工艺方案。方法分别对磁极单轨迹运动、磁极复合轨迹运动下磁粒研磨去除孔棱边毛刺的基本原理进行分析,分别利用ANSOFT和ANSYS软件对孔棱边处的磁场强度和切削力进行模拟分析。通过磁粒研磨法对孔棱边毛刺进行研磨去除试验,利用超景深3D显微镜测取孔棱边毛刺的微观形貌以及毛刺的高度。结果磁极为单轨迹运动时,磁极自转转速为2000 r/min,研磨加工15 min后,TC4孔棱边的毛刺高度由原始的60μm左右降至5μm左右。磁极为复合轨迹运动时,磁极自转转速为2000 r/min,磁极公转速度为30 r/min,加工时间为12 min,TC4孔棱边的毛刺已经完全去除,且孔表面微观形貌较好。结论当磁极为复合轨迹运动时,相对于传统的磁极单轨迹运动,孔棱边毛刺的去除效率进一步提高,TC4孔表面微观形貌得到极大改善。