鄭王剛 樊亞譜

(1.新鄉(xiāng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 河南新鄉(xiāng)453006；2.新鄉(xiāng)市新華液壓機(jī)械有限公司 河南新鄉(xiāng)453000)

滾動(dòng)軸承作為機(jī)械行業(yè)不可或缺的部件，廣泛應(yīng)用于各種工程機(jī)械、機(jī)床生產(chǎn)和家電行業(yè)，在其中起到轉(zhuǎn)動(dòng)支撐的作用。軸承的三大部件之一——滾動(dòng)體鋼球，在軸承廠或鋼球生產(chǎn)廠都具有成熟的生產(chǎn)制造加工工藝。一般來說，鋼球需要經(jīng)過冷鐓、硬磨、熱處理、軟磨和研磨等工序，才能成為合格產(chǎn)品。但是在脆性非金屬材料批量成球制作工藝方面發(fā)展極不成熟。立足于現(xiàn)有金屬材料成球生產(chǎn)工藝，研究脆性材料多羥基磷灰石材料批量成球生產(chǎn)工藝。

1 羥基磷灰石材料特性

羥基磷灰石是天然珊瑚經(jīng)過“熱液交換反應(yīng)”變性而來，通常作為骨科移植替代物，具有骨傳導(dǎo)作用，但無骨誘導(dǎo)作用；同時(shí)，有脆性大，機(jī)械強(qiáng)度低的缺點(diǎn)。實(shí)物如圖1所示。

圖1 多羥基磷灰石實(shí)物

該材料除了保持珊瑚的多孔結(jié)構(gòu)外，還提高了珊瑚的硬度（一般莫氏硬度為5，而珊瑚一般為3~4）。羥基磷灰石是骨組織的主要無機(jī)成分，與組織的相容性好。珊瑚羥基磷灰石屈服強(qiáng)度δ＞3MPa，抗壓強(qiáng)度3.2±0.6 MPa，表面密度2.6～2.7g/cm2，彈性模量E=3.08±0.15 GPa。網(wǎng)眼妝羥基磷灰石球尺寸15～30 mm，表面密度0.5～1 g/cm2，δ=4～5MPa或更大。

2 加工過程力學(xué)分析

2.1 加工分析原理

本文采用設(shè)備為3M7266立式鋼球研球機(jī)，如圖2所示。一般情況下，研球機(jī)都采用循環(huán)加工。而循化加工又分為大循環(huán)和小循環(huán)兩種形式。本文采用小循環(huán)加工方式，即去掉輸球料盤結(jié)構(gòu)，并將研磨板改為封閉式結(jié)構(gòu)。在加工時(shí)，將磨削過的鋼球放入固定研磨板和上研磨板溝槽中，通過液壓裝置對(duì)固定磨板施壓，使得固定研磨板和上研磨板對(duì)置于其上溝道中鋼球產(chǎn)生磨削力；固定磨板不停地旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)球坯順著磨板上的溝槽旋轉(zhuǎn)；不斷循環(huán)，直至球坯的尺寸精度、形狀精度、表面精度、表面光潔度達(dá)到技術(shù)要求為止。

圖2 3M7266立式研球機(jī)外觀及原理圖

加工過程的球坯，由金屬材質(zhì)變更為非金屬材質(zhì)——脆性材料多羥基磷灰石，需要對(duì)加工過程中的受力進(jìn)行分析，進(jìn)而根據(jù)需要改進(jìn)設(shè)備，以適應(yīng)非金屬脆性材料加工。本文從多羥基磷灰石球毛坯受力分析和施力分析兩個(gè)方面對(duì)加工過程進(jìn)行受力分析。

2.2 多羥基磷灰石球毛坯受力分析

多羥基磷灰石人工義眼臺(tái)，材質(zhì)為珊瑚類多羥基磷灰石，質(zhì)地疏松，莫氏硬度為3.5～4（金剛石為10），在加工過程中要保證珊瑚球體不因壓力過大而造成破裂、殘次。故取δ=3MPa，E=3.08±0.15GPa。球體接觸受力如圖3所示。

多羥基磷灰石人工義眼臺(tái)，可視為球體，直徑選取16～24 mm。依據(jù)圖3可知道小循環(huán)加工工藝成球原理，假設(shè)在加工時(shí)，上下盤開槽為圓弧溝，磨削球坯位于兩溝槽之間，將其接觸情況簡化，視為兩兩接觸為圓柱體與平面接觸。

圖3 球體接觸受力圖

由圖3中數(shù)據(jù)計(jì)算接觸應(yīng)力公式：

δmax=（r為球半徑，P為壓力，E為彈性模量，L受壓長度）；受壓寬度為球半徑，P為壓力，E為彈性模量，L受壓長度），圖中的受壓寬度C為總受壓寬度的一半。

A 方案取球坯半徑 r=8 mm，接觸長度L=21.9mm≈22mm

B 方案取球坯半徑r=12mm，接觸長度L=32.87mm≈33mm

根據(jù)鋼球加工過程中，取開溝槽位置半徑尺寸r=250～330mm，由此得出最小布球數(shù)量：

此時(shí)，兩磨板間球所受壓力的最小值（壓力保險(xiǎn)值），原因在于加工時(shí)，要加工兩個(gè)批次規(guī)格的球體，其所受的壓力不致使球破裂，取最大壓力P最大值：

球數(shù)目最少時(shí)，取壓力保險(xiǎn)值 。

2.3 加工過程施力力學(xué)模型

如圖4中所示：系統(tǒng)活動(dòng)件重力G=M1+M2+M3+M4+M5 ×g ，其中g(shù)為重力加速度，取9.8 m/s2；液壓油缸上腔施力F上，液壓油缸下腔施力F下，工件受力后產(chǎn)生的反向作用力F，取 F=P保。

受力系統(tǒng)平衡方程：G+F上=F+F下

由于 3M7266立式鋼球研球機(jī)為加工設(shè)備，故系統(tǒng)活動(dòng)件質(zhì)量G=1850 N，取最小值G=1900 N。要保證加工過程中，系統(tǒng)加工正常，珊瑚球不致破裂殘次。

取F上=0 N，F(xiàn)=100 N，G=1900N，求得F下=1800 N。

圖4 立式鋼球磨球機(jī)加工過程力學(xué)分析模型及簡化模型

3 設(shè)計(jì)驗(yàn)證

3.1 毛坯制備

試驗(yàn)所用羥基磷灰石材料為正立方體塊狀，尺寸約8 cm3，根據(jù)多邊形內(nèi)接圓原理，可得出原材料可以加工直徑在15～18 mm的成品球。正立方體塊狀不適合在溝道中滾動(dòng)，不能進(jìn)行有效加工。所以，要將正立方體塊狀，手工打磨制作成14面以上的正多邊體塊狀或類球狀。

因此，試驗(yàn)試件制成直徑尺寸選取18 mm～20 mm的類球體或多面體。

3.2 磨板制備及磨削液選擇

制作四塊標(biāo)準(zhǔn)研磨板，材料選取尼龍1010，等級(jí)選擇PA食品醫(yī)藥級(jí)。研磨板三維實(shí)物如圖5、圖6 所示。

圖5 封閉式上研磨板三維模型

圖6 下研磨板三維模型

上下兩研磨板溝槽制作尺寸分別在Φ500 mm、Φ540 mm、Φ580 mm三處，制作半徑R7 mm深度4 mm的圓弧溝槽。

將新制磨削液水箱及所有管路，進(jìn)行有效清理，去除污物；接著將清水注入磨削液水箱，磨削液在此實(shí)驗(yàn)中主要起沖洗磨削滾道中的材料碎屑，清洗球坯。

3.3 試驗(yàn)

將兩研磨板正確安裝在3M7266立式鋼球磨球機(jī)上，準(zhǔn)備好冷卻用磨削液，連接好冷卻水路，并將制作好的球坯置于磨板溝槽中。啟動(dòng)液壓系統(tǒng)，將上研磨板向下移動(dòng)，在即將接觸到球坯時(shí)，啟動(dòng)下主軸旋轉(zhuǎn)；繼而給上磨板加壓，使其作用到上面的壓力不超過P保，保持主軸旋轉(zhuǎn)速度和施加加工壓力，加工至球坯至標(biāo)準(zhǔn)尺寸。工藝參數(shù)選擇如表1所示。

在試驗(yàn)過程，將兩研磨板溝槽布置的球坯之間，增加保持支撐球，防止制作毛坯尺寸大小有誤差，使球坯在自轉(zhuǎn)速度和公轉(zhuǎn)速度產(chǎn)生跟隨排隊(duì)運(yùn)轉(zhuǎn)不靈活，造成前后球坯擠碎或碰碎。

表1 加工過程工藝參數(shù)選擇效果表

通過多次加工驗(yàn)證，得出加壓系統(tǒng)的液壓缸下腔供壓0.16 MPa，主軸轉(zhuǎn)速在20 r/min，加工效率適應(yīng)工藝要求，成球精度球形誤差0.1mm。

4 結(jié)語

脆性材料批量成球試驗(yàn)，達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求，尺寸誤差，在±0.1 mm之間，球形誤差在0.15 mm以內(nèi)，完全滿足產(chǎn)品使用需求，從而證明方案設(shè)計(jì)合理性，為脆性材料類批量成球理論依據(jù)。在工藝實(shí)驗(yàn)過程，發(fā)現(xiàn)要實(shí)現(xiàn)脆性材料正常加工，需要注意如下事項(xiàng)：

(1)當(dāng)r=8 mm，N=40粒或r=12，N=18時(shí)，液壓系統(tǒng)最小壓力為0.16 MPa，為活塞桿下腔提供提升力。其它r值，單個(gè)球可承受壓力P值可以依次取值。

(2)合理選擇主軸速度。主軸速度過高或過低，會(huì)影響成球精度和加工效率。

(3)脆性材料毛坯制備，一定要制成靈活的滾動(dòng)體，防止加工過程喪失運(yùn)動(dòng)性，造成擠壓破損。

(4)加工過程增加保持支撐球，起到間隔、支撐作用，數(shù)量足夠且要均勻分布。

(5)磨削液為清水無雜質(zhì)，持續(xù)供水，且水量要大，使磨板溝槽中無材料或少材料碎屑。但實(shí)際單純靠水沖洗不能達(dá)到要求，可根據(jù)實(shí)際磨削余量，在下研磨板圓弧溝槽底部增加存屑槽，減輕碎屑粉末對(duì)加工過程的影響。

(6)文中數(shù)據(jù)分析基于系統(tǒng)靜態(tài)產(chǎn)生，對(duì)于在加工狀態(tài)——?jiǎng)討B(tài)情況下，可視情況，調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力最下值Pmin和F上。