精密球体研磨设备的研究与改进

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1、精密球体研磨设备的研究与改进摘要：文章针对球形转子生产过程中，设备老化、研磨质量不稳定和效率低下等问题，对现有四轴球体研磨机的研磨工作原理进行分析，研究工作过程中的缺陷产生原因，并对其结构进行了改进与完善。改进后设备研磨质量显著提高，实验圆度误差小于0.02μm，粗糙度低于0.04μm，试生产后转子的最终圆度优于0.08μm，达到了较高的水平。　　关键词：精密球体；研磨；结构改进　　：TG580.6：A：1006-8937（2013）05-0079-02　　理想球体因其过球心截面均为相同规格圆的特性，在机械

2、加工行业、科学研究领域以及日常生活中均得到了广泛的应用。随着科学技术和生产水平的不断进步，精密球体已成为圆度仪、陀螺仪、精密轴承等精密零部件中的重要元件，并常作为精密测量的基准，在精密加工中扮演着十分重要的角色。因此，世界各国都十分重视精密球体加工技术的研究。　　精密球体的精度指标主要由偏心量、球度、表面粗糙度和尺寸精度等几方面组成。由于其结构特点、工艺过程以及材料的特殊性，工业上大批量加工轴承转子的方法无法应用在精密球体的球面加工上。因此，如何高质量的进行单个转子加工并满足转子的“三度”要求，是国内外一项

3、重要的研究课题。精密球体的加工方法主要有手工研磨和机械自动加工两种方法。手工研磨由于其加工精度有限、效率较低而使用受限；机械自动加工又因设备难度大仅斯坦福大学研制出了四轴球体研磨机，国内并未普及。　　本文针对国内某单位参照斯坦福大学的四轴球体研磨机而研制的SQY-1型四轴球体研磨机存在的自动化程度偏低、成品率低等问题，提出改进方案并研制了改进型四轴球体研磨机。　　1四轴球体研磨机的加工机理　　1.1四轴球体研磨机的结构特点　　四轴球体研磨机的研磨原理如图1所示。图中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ轴在空间均匀分布（主要为达到

4、四轴对转子压力值相等），任意两轴之间的夹角为φ，四轴线交汇于球心O。图中轴Ⅰ为铅垂布置，轴Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ与水平面呈β角，轴Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ在水平面投影的夹角均为ψ，四轴前端都与圆筒式研具浮动连接，把需要研磨的转子包在中间。研磨时，各研具以角速度ωi（i=1，2，3，4）绕各自轴线旋转，并借助研具与球体的摩擦力驱动被研球体绕瞬时轴W以角速度旋转，同时实现瞬时转动轴W位置方向的不断变化（α角自动随机变化），从而实现球体的自动研磨。这种方法具有高效率、高精度、高稳定性和低成本等优点，是目前精密球体加工最佳的方法之一，也是以

5、粗干精的典型设备。　　1.2四轴球体研磨机的研磨原理　　在研具与球体对磨的过程中，研具始终与球体表面各高点保持接触，呈高点切削状态，所以各个高点向径的不同会引起研具弹簧对转子压力的不同，导致研具对各高点切削力的强弱不同。高点半径较大的会引起较大的弹簧压力，从而研具对高点的切削量较大。因此，表面各高点经过四研具依次研磨后，其半径得到均一化和减小，被研球体圆度误差也随之减小。随着研磨时间的延长，旧的高点被磨削掉，新的高点又随之出现，造成球体表面新旧高点交替产生，最终达到球体半径一致化。　　2四轴球体研磨机的结构

6、改进　　2.1旧型SQY-1型四轴球体研磨机的结构　　SQY-1型四轴球体研磨机虽然能够实现球体的自动研磨，替代了传统手工研磨加工球体的方式，但关键的工艺参数如研磨压力、研具转速、对中精度等还是主要依靠加工人员的研磨经验和手感，自动化程度偏低，研磨成品质量的好坏高低很大程度上还是依赖加工人员的水平，个体差异和时间成本都降低了成品率，不能适应现代工业的发展需要。　　①浮动轴结构笨重、纠偏能力差。为保证研具的套筒既可以随轴转动也可以绕轴小幅摆动，研具套筒、传动轴以及弹簧之间须采用大间隙装配。虽然浮动结构设计有一

7、定的纠偏能力，但过大的间隙将导致四根轴对中精度变差，装夹后被研球球心严重偏离理想球心位置，超出了浮动轴的纠偏范围，导致有害分力的产生，从而影响研磨质量和研磨精度。　　②设备体积庞大、重要部件老化。原设备占地面积大，安放和移动非常困难。而且经过长年使用，电机、导轨等主要部件经常出现故障，设备表面也出现多处锈蚀，不适合净化实验室净化要求。　　2.2四轴球体研磨机的改进　　将球体研磨机分为机床主体和控制机箱两部分考虑。摘要：文章针对球形转子生产过程中，设备老化、研磨质量不稳定和效率低下等问题，对现有四轴球体研磨机

8、的研磨工作原理进行分析，研究工作过程中的缺陷产生原因，并对其结构进行了改进与完善。改进后设备研磨质量显著提高，实验圆度误差小于0.02μm，粗糙度低于0.04μm，试生产后转子的最终圆度优于0.08μm，达到了较高的水平。　　关键词：精密球体；研磨；结构改进　　：TG580.6：A：1006-8937（2013）05-0079-02　　理想球体因其过球心截面均为相同规格圆的特性，在机械加工行业、科学研究领域以及日