CN102528641A - 一种基于复合式固着磨料磨盘的陶瓷球研磨方法 - Google Patents

Abstract

一种基于复合式固着磨料磨盘的陶瓷球研磨方法，该方法包括以下步骤：1)复合式固着磨料磨盘的加工过程：1.1)选择铸铁磨盘为基础结构，在铸铁磨盘上加工出环形槽；1.2)固着磨具的配料配制；1.3)复合式固着磨盘的制作；1.4)根据待加工陶瓷球的直径，在复合式固着磨料磨盘上端面开设V形槽，V形槽以填充固着磨料的环形槽为中心；2)将复合式固着磨料磨盘安装于研磨机的下盘，上盘采用铸铁磨盘或复合式固着磨料磨盘；待加工的陶瓷球放置在下盘的滚道中，启动研磨机实现对陶瓷球的精加工。本发明提高了固着磨料的利用率，降低了磨盘开设加工沟槽和修整的难度，降低了生产成本，减少了加工辅助时间，提高了加工效率。

Description

一种基于复合式固着磨料磨盘的陶瓷球研磨方法

技术领域

本发明涉及陶瓷球研磨工艺领域，尤其是一种陶瓷球的研磨方法。

背景技术

随着工业技术的发展，对机床和仪器设备提出了高速、高精度、高可靠性等性能要求。与传统的轴承钢相比，氧化铝陶瓷具有密度小，硬度高、弹性模量高(刚度高)、耐磨损、热膨胀系数低、热稳定性和化学稳定好、绝缘、无磁等极为优良的综合性能，被认为是制造轴承滚动体的最佳材料，并在陶瓷球轴承(钢质轴承圈，陶瓷材料滚动体.)的应用上获得很大成功。陶瓷球轴承具有使用寿命长(钢质轴承的2～5倍)、转速高、整体精度和刚度好、热稳定性能好以及无磁性等优异的综合性能，在高温、高速、高精度、酸碱腐蚀、电腐蚀、强磁场、无润滑或介质润滑等工作条件下具有非常广阔的应用前景，已广泛应用于航空航天、军事、石油、化工以及高速精密机械等诸多领域。

但是，氧化铝陶瓷属硬脆难加工材料，传统的陶瓷球加工主要采用研磨钢质滚珠的V形槽研磨法，采用硬质的金刚石磨料作为研磨介质，采用游离磨料研磨的方法进行加工，加工周期长(完成一批陶瓷球需要12～15天)。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。国内外的研究经验表明，氧化铝陶瓷滚动体的加工效率低、加工成本高是限制陶瓷球轴承推广应用的一个主要原因。

为了克服游离磨料加工效率比较低的问题，目前已有专利、科技论文等报道开发了固着磨料(砂轮)研磨技术用于陶瓷球的加工余量的快速去除，利用固结在一起的金刚石、碳化硼、碳化硅等硬质磨料(这些磨料的硬度要高于陶瓷球材料)的刻划等机械作用实现对陶瓷球材料的高效去除。在固着磨料研磨加工中，磨粒被固结在一起，磨粒主要以刻划的形式去除工件材料，参与加工的磨粒数量多，可以获得很高的材料去除率。

但是，目前采用的固着磨料磨盘都采用整体式，也就是整块磨盘都是固结磨料磨具，这种加工方法存在如下主要问题：

1)固着磨料磨盘的利用率低，浪费严重。这是因为，在研磨陶瓷球前，必须在磨盘上加工出数道同心的环形V形槽，槽之间必须留有间隙，槽与磨盘之间也必须留有间隙。这些间隙部分的磨着磨料不参与实际加工，造成了大量浪费；研磨工过程中，随着V形槽逐渐磨损(V形槽过深，陶瓷球陷入其中，无法与上研磨盘有效接触)，需要对其进行修正，将磨盘端面去除一定的高度，这时又有一部分固着磨料未经使用即被浪费。因此，这种整体式磨着磨料磨盘的利用率低，增加了生产成本。

2)磨盘表面V形槽加工及磨盘修整困难。由于要加工的陶瓷球硬度较高，因此，固着磨料磨盘所使用的磨料一般都使用硬度极高的磨料，比如金刚石、碳化硅、立方氮化硼等。因此，在这些固着磨料磨盘上加工V形槽和修整是很困难的，加工V形槽的刀具磨损很快。

3)整体式的大直径固着磨料磨盘制作困难。由于固着磨料磨具采用整体式结构，当要制作以上的磨盘时，由于磨具体积巨大，制作难度自然增加。同时，由于磨具体积较大，很难保证磨具表层与内部的性能一致，影响了加工的稳定性。

发明内容

为了克服目前陶瓷球固着磨料研磨过程中的固着磨料磨具利用率低、磨具表面V形槽加工困难、磨盘制作困难、加工稳定性较差的不足，本发明提供一种固着磨料利用率高、磨盘修整方便、生产成本低、加工稳定性良好的的基于复合式固着磨料磨盘的陶瓷球研磨方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于复合式固着磨料磨盘的陶瓷球研磨方法，该研磨方法包括以下步骤：

1)复合式固着磨料磨盘的加工过程：

1.1)选择铸铁磨盘为基础结构，在铸铁磨盘上加工出环形槽；

1.2)固着磨具的配料配制：所述的固着磨具由磨料、固化剂及填充剂配制而成，三种组份的质量百分含量分别为：磨料60％～80％，固化剂10％～20％，填充剂10％～20％；将磨料、固化剂、填充剂混合，搅拌均匀；

1.3)复合式固着磨盘的制作：对于磨盘直径小于时，以铸铁磨盘为磨具，将配置好的配料在铸铁磨盘中热压成形，并完成热固化，使固着磨料与铸铁磨盘成为一体的复合式固着磨料磨盘；对于磨盘直径大于等于

时，将配置好的配料在模具中热压成形，脱模后固化，将固着磨具制作成磨具块，然后嵌入到铸铁磨盘的环形槽，使固着磨具与铸铁盘复合成为复合式固着磨料磨盘；

1.4)复合式固着磨料磨盘上V形槽的开设：根据待加工陶瓷球的直径，在复合式固着磨料磨盘上端面开设V形槽，V形槽以填充固着磨料的环形槽为中心，V形槽的槽宽bv为待加工球的直径，槽形角α为60～120°；

2)复合式固着磨料磨盘对陶瓷球的加工：将复合式固着磨料磨盘安装于研磨机的下盘，上盘采用铸铁磨盘或复合式固着磨料磨盘；待加工的陶瓷球放置在下盘的滚道中，启动研磨机，并在上下盘之间注入冷却液；V形槽对陶瓷球的运动起导向作用，V形槽底部的固着磨料对陶瓷球表面进行切削、划擦和挤压，实现对陶瓷球的精加工。

进一步，该研磨方法还包括以下步骤：3)复合式固着磨料磨盘的修整：当复合式固着磨料磨盘的沟槽磨损，陶瓷球正常在沟槽内滚动或无法与上研磨盘有效接触时，对复合式固着磨料磨盘的上端面去除设定高度。

再进一步，所述步骤1.1)中，所述的铸铁磨盘的布氏硬度150-250，待加工陶瓷球的直径d，所述环形槽的槽宽b为待加工陶瓷球直径的2/3～4/5，即b＝2/3·d～4/5·d，槽深hc根据铸铁研磨的厚度hp确定，槽深小于磨盘厚度10-20mm，即hc＝hp-10～hp-20；槽间间距bj为待加工陶瓷球直径为，bj＝2/3·d+2～2/5·d+1，槽与磨盘边缘的边距bb为，bb＝1/3·d+5～1/3·d+15(mm)，最大开槽数量n根据铸铁研磨盘的宽度bp和以上参数确定为：n＝(bp-10)/(d+1)，n取整。

更进一步，所述步骤3)中，修整高度hx为加工球精的1/3～2/3，即hx＝1/3·d～2/3·d(mm)。

所述的磨料是金刚石、立方氮化硼、碳化硅、氧化铝、氧化铈、氧化硅或氧化铁。

所述的固化剂为以下之一：①环氧树脂固化剂、②不饱和树脂固化剂、③热塑性酚醛树脂、④热固性酚醛树脂、⑤聚酰胺树脂固化剂、⑥酚醛-缩醛树脂、⑦酚醛-环氧树脂、⑧硼酚醛树脂、⑨有机硅酚醛树脂。

所述的填充剂为以下之一或几种混合：①氢氧化钠、②碳酸氢钠、③淀粉类填充剂、④糖类填充剂、⑤纤维素类填充剂、⑥无机盐填充剂。

所述步骤1.3)中，热压成形过程中，压力为300-600kg/cm²，热压温度设置在100-200℃，热压时间设置在45-120min，固化过程中，烘箱温度保持在80-200℃，烘干时间10-48小时。

本发明的技术构思为：采用铸铁材料制成磨盘的基础结构，并在其上的环形槽内填充或嵌入固着磨料，形成复合式固着磨料磨盘对陶瓷球进行加工。加工加工过程，固着磨料作为陶瓷球加工用沟槽的底部，保证了所有的固着磨料都能用于陶瓷球的加工；而沟槽之间的间隙部分是仍是铸铁，从而避免了从而避免了整体式固着磨料磨盘使用过程中，槽间隙之间部分的固着磨料未经使用就被浪费，提高了磨料的利用率，降低了生产成本。同时，由于加工沟槽(V形槽)的两侧都是铸铁，降低了开始沟槽和磨盘修整的难度，减少开槽和修整刀具的磨损，进一步降低了生产成本。由于在这种复合式固着磨料磨盘的制作过程中，固着磨料可以之间填充或嵌入在铸铁材料的基础结构中，降低了大直径固着磨料磨盘的难度。

本发明的有益效果主要表现在：提高了固着磨料的利用率，降低了磨盘开设加工沟槽和修整的难度，降低了生产成本，减少了加工辅助时间，提高了加工效率。

附图说明

图1是传统整体式固着磨料磨盘的结构示意图。

图2是复合式固着磨料磨盘铸铁磨盘(基础结构)的结构示意图。

图3是复合式固着磨料磨盘(上端面开设V形槽)的结构示意图

图4是采用复合式固着磨料磨盘加工陶瓷球的原理示意图。

图5是沟槽磨损后的复合式固着磨料磨盘结构示意图。

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1～图5，一种基于复合式固着磨料磨盘的陶瓷球研磨方法，该研磨方法包括以下步骤：

1)复合式固着磨料磨盘的加工过程：

1.1)铸铁磨盘(基础结构)环形槽结构的加工：所述的复合式固着磨料磨具以铸铁磨盘1为基体，所述的铸铁磨盘为常用的陶瓷球研磨用铸铁磨盘，禁止有砂眼，布氏硬度150-250。根据待加工陶瓷球5的直径d，在研磨盘上加工出环形槽2，槽宽b为待加工陶瓷球直径的2/3～4/5，即b＝2/3·d～4/5·d(mm)。槽深hc根据铸铁研磨的厚度hp确定，槽深小于磨盘厚度10-20mm，即

槽间间距bj为待加工陶瓷球直径为，bj＝2/3·d+2～2/5·d+1(mm)。槽与磨盘边缘的边距bb为，bb＝1/3·d+5～1/3·d+15(mm)。最大开槽数量n根据铸铁研磨盘的宽度bp和以上参数确定为：n＝(bp-10)/(d+1)(n取整)。

1.2)固着模具的配料的配制：所述的固着磨具由磨料，固化剂及填充剂配制而成，三种组份的质量百分含量分别为：磨料60％～80％，固化剂10％～20％，填充剂10％～20％；将磨料、固化剂、填充剂混合，搅拌均匀；

3)复合式固着磨盘的制作：对于磨盘直径较小的情况，直接以铸铁磨盘1为磨具，将配置好的配料在铸铁磨盘中热压成形，并完成热固化，形成固着磨料槽3，使固着磨料与铸铁磨盘成为一体的复合磨盘(固着磨料和铸铁盘的复合)，并对其上端面进行修整，保证磨具上平整，平面度控制在0.1mm以内。

作为另一种优选方案，对于磨盘直径较大的磨盘，可以将配置好的配料在模具中热压成形，脱模后固化，将固着磨具制作成小的磨具块，然后嵌入到铸铁磨盘的沟槽2中，并用胶水粘合形成固着磨料槽3，使固着磨具与铸铁盘成为一个整体。

1.4)复合式固着磨料磨盘上V形槽的开设：根据待加工陶瓷球5的直径，在复合式固着磨料磨盘上端面开设V形槽4，V形槽以填充固着磨料的环形槽3为中心，V形槽的槽宽bv为待加工球的直径，槽形角α为60～120°。这时V形槽的两侧边为铸铁，而V形槽的底部则为固着磨料。V形槽的开设过程，实际是对铸铁盘的加工(将原有的环形槽的槽口扩展)，因此刀具磨损较小。

同时，只有环形槽部分填充由磨料，这些磨料都未参与到对陶瓷球的加工过程中。槽之间的部分为铸铁，从而避免了整体式固着磨料磨盘使用过程中，槽间隙之间部分的固着磨料未经使用就被浪费，提高了磨料的利用率，降低了生产成本。

2)复合式固着磨料磨盘对陶瓷球的加工：将复合式固着磨料磨盘安装于研磨机的下盘8，上盘6采用铸铁磨盘或相同的复合式固着磨料磨盘；待加工的陶瓷球5放置在下盘的V形槽4中，启动研磨机，并在上下盘之间注入冷却液7；V形槽4对陶瓷球的运动起导向作用，V形槽底部的固着磨料3对陶瓷球表面进行切削、划擦和挤压，实现对陶瓷球的精加工。

3)复合式固着磨料磨盘的修整：当复合式固着磨料磨盘的沟槽磨损，磨损的沟道9无法保证陶瓷球5的正常滚动或与上研磨盘6有效接触时，需要对复合式固着磨料磨盘进行修整，将磨盘的上端面去除一定高度。修整高度hx，一般为加工球精的1/3～2/3，即hx＝1/3·d～2/3·d(mm)。由于固着磨料3始终处于V形槽的底部，会随着加工的进行自然消耗，需要修整的是V形槽两侧被磨损的铸铁结构。因此，修整铸铁材料相对修整固着磨料要方便的多，修整精度也更高。同时，修整刀具的磨损减少，生产成本下降。

优选的，在所述步骤3)中，所述的磨料可以是金刚石、立方氮化硼、碳化硅、氧化铝、氧化铈、氧化硅和氧化铁。

所述的固化剂为以下之一：①环氧树脂固化剂、②不饱和树脂固化剂、③热塑性酚醛树脂、④热固性酚醛树脂、⑤聚酰胺树脂固化剂、⑥酚醛-缩醛树脂、⑦酚醛-环氧树脂、⑧硼酚醛树脂、⑨有机硅酚醛树脂等。

所述的填充剂为以下之一或几种混合：①氢氧化钠、②碳酸氢钠、③淀粉类填充剂、④糖类填充剂、⑤纤维素类填充剂、⑥无机盐填充剂。

所述步骤3)中，热压成形过程中，压力为300-600kg/cm²，热压温度根据固化剂的不同，设置在100-200℃，热压时间根据磨具之间不同设置在45-120min。所述步骤2)中，固化过程中，烘箱温度保持在80-200℃，烘干时间10-48小时；对于磨盘直径小于

的软质磨料固着磨料磨盘可以在铸铁磨盘的环形槽内直接制作成复合式固着磨料磨盘；对于直径大于

的磨盘，可以将固着磨料制作成磨具块，在使用时嵌入铸铁盘的环形槽中，并用胶水粘结成一体。

本实施例选取在3M7240L立式钢球研球机上进行氮化硅陶瓷球的加工。实施例条件如表1所示。固着磨具采用了碳化硅磨料制作。使用复合式固着磨料磨盘对

的氮化硅陶瓷球进行加工。在实施例开始以前，对V形槽进行预研，用来确保陶瓷球在下研磨盘的沟槽和上研磨盘接触良好。

表1

表1显示了实施例中氮化硅陶瓷球的加工结果。结果显示，本实施例中的氧氮化硅陶瓷球材料去除率稳定，材料去除率可以达到50-80μm/h与传统研磨过程相比(在相同工艺条件下，采用游离的游离磨料对氮化硅陶瓷球进行研磨)，材料去除率几乎是在相同条件下的5-8倍。与传统的整体式固着磨料磨盘的加工效率相近，但固着磨料的使用量节省30％-40％，磨具制作剂使用成本降低15％以上。这表采用复合式固着磨具磨具加工陶瓷球方法在取代传统的陶瓷球加工技术方面，具有良好的应用前景。

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。

Claims (8)

1.一种基于复合式固着磨料磨盘的陶瓷球研磨方法，其特征在于：该研磨方法包括以下步骤：

1)复合式固着磨料磨盘的加工过程：

1.1)选择铸铁磨盘为基础结构，在铸铁磨盘上加工出环形槽；

1.2)固着磨具的配料配制：所述的固着磨具由磨料、固化剂及填充剂配制而成，三种组份的质量百分含量分别为：磨料60％～80％，固化剂10％～20％，填充剂10％～20％；将磨料、固化剂、填充剂混合，搅拌均匀；

1.3)复合式固着磨盘的制作：对于磨盘直径小于

时，以铸铁磨盘为磨具，将配置好的配料在铸铁磨盘中热压成形，并完成热固化，使固着磨料与铸铁磨盘成为一体的复合式固着磨料磨盘；

对于磨盘直径大于等于时，将配置好的配料在模具中热压成形，脱模后固化，将固着磨具制作成磨具块，然后嵌入到铸铁磨盘的环形槽，使固着磨具与铸铁盘复合成为复合式固着磨料磨盘；

1.4)复合式固着磨料磨盘上V形槽的开设：根据待加工陶瓷球的直径，在复合式固着磨料磨盘上端面开设V形槽，V形槽以填充固着磨料的环形槽为中心，V形槽的槽宽bv为待加工球的直径，槽形角α为60～120°；

2)复合式固着磨料磨盘对陶瓷球的加工：将复合式固着磨料磨盘安装于研磨机的下盘，上盘采用铸铁磨盘或复合式固着磨料磨盘；待加工的陶瓷球放置在下盘的滚道中，启动研磨机，并在上下盘之间注入冷却液；V形槽对陶瓷球的运动起导向作用，V形槽底部的固着磨料对陶瓷球表面进行切削、划擦和挤压，实现对陶瓷球的精加工。

2.如权利要求1所述的一种基于复合式固着磨料磨盘的陶瓷球研磨方法，其特征在于：该研磨方法还包括以下步骤：

3)复合式固着磨料磨盘的修整：当复合式固着磨料磨盘的沟槽磨损，陶瓷球正常在沟槽内滚动或无法与上研磨盘有效接触时，对复合式固着磨料磨盘的上端面去除设定高度。

3.如权利要求1或2所述的一种基于复合式固着磨料磨盘的陶瓷球研磨方法，其特征在于：所述步骤1.1)中，所述的铸铁磨盘的布氏硬度150-250，待加工陶瓷球的直径d，所述环形槽的槽宽b为待加工陶瓷球直径的2/3～4/5，即b＝2/3·d～4/5·d，槽深hc根据铸铁研磨的厚度hp确定，槽深小于磨盘厚度10-20mm，即hc＝hp-10～hp-20；槽间间距bj为待加工陶瓷球直径为，bj＝2/3·d+2～2/5·d+1，槽与磨盘边缘的边距bb为，bb＝1/3·d+5～1/3·d+15(mm)，最大开槽数量n根据铸铁研磨盘的宽度bp和以上参数确定为：n＝(bp-10)/(d+1)，n取整。

4.如权利要求1或2所述的一种基于复合式固着磨料磨盘的陶瓷球研磨方法，其特征在于：所述步骤3)中，修整高度hx为加工球精的1/3～2/3，即hx＝1/3·d～2/3·d(mm)。

5.如权利要求1或2所述的基于复合式固着磨料磨盘的陶瓷球研磨方法，其特征在于：所述的磨料是金刚石、立方氮化硼、碳化硅、氧化铝、氧化铈、氧化硅或氧化铁。

6.如权利要求1或2所述的基于复合式固着磨料磨盘的陶瓷球研磨方法，其特征在于：所述的固化剂为以下之一：①环氧树脂固化剂、②不饱和树脂固化剂、③热塑性酚醛树脂、④热固性酚醛树脂、⑤聚酰胺树脂固化剂、⑥酚醛-缩醛树脂、⑦酚醛-环氧树脂、⑧硼酚醛树脂、⑨有机硅酚醛树脂。

7.如权利要求1或2所述的基于复合式固着磨料磨盘的陶瓷球研磨方法，其特征在于：所述的填充剂为以下之一或几种混合：①氢氧化钠、②碳酸氢钠、③淀粉类填充剂、④糖类填充剂、⑤纤维素类填充剂、⑥无机盐填充剂。

8.如权利要求1或2所述的基于复合式固着磨料磨盘的陶瓷球研磨方法，其特征在于：所述步骤1.3)中，热压成形过程中，压力为300-600kg/cm²，热压温度设置在100-200℃，热压时间设置在45-120min，固化过程中，烘箱温度保持在80-200℃，烘干时间10-48小时。

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