一種使陶瓷球鍍膜均勻化的夾具研究

傅海江

摘 要：為了研究出使球體鍍膜均勻化的夾具，利用夾具模型完成幾何建模，從運動學的角度對其分析，并利用ADAMS軟件實現運動仿真。分析了仿真結果后得出，在DLZ-01型設備上安裝三溝道轉盤夾具，可以得到均勻、光滑的薄膜。

關鍵詞：夾具；運動分析；ADAMS幾何分析；均勻性

中圖分類號：TQ171.6 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.03.021

隨著高新工業的飛速發展，對球軸承性能的要求也越來越高，尤其是航空航天所用的軸承，在沒有保持架的基礎上，要想實現自潤滑功能，就需要對陶瓷球滾珠表面進行潤滑改性。各大科研機構研制出一種新型材料類金剛石膜，并將其用于軸承球體表面。但是，對于球體的表面鍍膜，其均勻化直接影響著軸承的性能。

美國Wisconsin大學J.R.conrad教授提出了一種等離子體基離子注入技術。使用該技術，可以直接在工件暴露表面注入離子，但是，要真正做到全方位均勻注入是很困難的。近年來，相關院校研制了DLZ-01型離子注入沉積設備，因為靜止的球體表面完全暴露于設備中是不可能的，所以，需要特別設計夾具，使球在離子注入過程中自由滾動，從而得到均勻的DLC膜。

1 陶瓷球的運動分析

要使陶瓷球表面能夠沉積均勻的DLC膜，必須使球自由、均勻地運動，這樣，球體每部分接觸到等離子體的概率是一致的。為此，筆者設計了一種夾具，如圖1所示，并從運動學的角度分析了球體在夾具中的運動，驗證了球體能否自由、勻速轉動。

三溝道轉盤以一定轉速繞轉軸旋轉，轉盤上加工三道環形溝槽，其截面為三角形。將3個球分別放于球盤的三溝槽中，使其構成正三角形，并用隔離盤固定，隔離盤按照轉盤上球的排布加工。第4個球放于三球之上，用相應的隔離盤固定其位置。

1.1 ADAMS建模的幾何分析

為了方便研究，設定下面三顆球分別為A，B，C，上面球體為D，轉速為w0，4個球的直徑皆為d，A，B球球心距轉軸距離分別為RA、RB。下面應用ADAMS軟件仿真計算夾具中球的運動情況。

對夾具和球體建模，要求夾具和4個球體必須滿足一定的幾何條件。

1.1.1 C球球心距轉軸距離RC

在建模過程中，應知道3個球球心距轉軸的距離。已知RA、RB，要想知道C球球心距轉軸距離RC，就需要根據A，B，C3個球排布的俯視圖，如圖2所示，求出RC，即：

從圖3中可以看出，球D在y方向上的速度最大，其次是x方向，z方向上角速度相對很小，可以忽略不計，所以，合成角速度幾乎分布在O-xy面內。

2 夾具中球的運動分析

分析圖3中的角速度曲線可知，隨著時間變化曲線無規律地上下波動，說明球的運動沒有規律性，再看旋轉軸角度的正切值tanγ=wy/wx的變化。因為wx、wy沒有規律地變化，所以，相應的γ值是不確定的，也就是說球體可以自由旋轉。ADAMS的運動軌跡仿真結果如圖4所示。從圖4中可以看出，球體表面被均勻的色點覆蓋。這證明，利用這種夾具可以使球表面每

一點等概率地暴露在等離子體中，以滿足對其均勻性的要求。

3 陶瓷球鍍膜試驗

利用DLZ-01型設備對陶瓷球表面鍍膜，陶瓷球1/4球冠暴露在等離子體中。因為球體不斷地無規律轉動，則暴露的球冠也在不斷變化，使整個球表面沉積上DLC膜。

隨機選取膜厚為551.3 nm的陶瓷球2個，利用圓度測量儀隨機測量球的4個不同位置， 其圓度值如表1所示。

分析表1中的數據可知，同一顆球體在不同位置上的圓度相差很小，測量原始陶瓷球的圓度為0.06 ?m。比較相關數據后可得，在球體上鍍膜對球的圓度影響不大，也就是說，利用夾具對陶瓷球鍍膜，可以使球體表面均勻地沉積DLC膜。

4 結論

綜上所述，幾何分析了夾具模型，并用運動學軟件ADAMS仿真了球的運動情況，不論是從對仿真曲線的分析和對球運動軌跡的分析，還是從試驗得到沉積膜的球體的圓度測量，都說明了運用三溝道轉盤夾具可以在陶瓷球表面均勻地鍍膜。

〔編輯：白潔〕