脆性材料批量成球加工工藝試驗設計

鄭王剛 樊亞譜

(1.新鄉職業技術學院 河南新鄉453006；2.新鄉市新華液壓機械有限公司 河南新鄉453000)

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

1 羥基磷灰石材料特性

羥基磷灰石是天然珊瑚經過“熱液交換反應”變性而來，通常作為骨科移植替代物，具有骨傳導作用，但無骨誘導作用；同時，有脆性大，機械強度低的缺點。實物如圖1所示。

圖1 多羥基磷灰石實物

該材料除了保持珊瑚的多孔結構外，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成分，與組織的相容性好。珊瑚羥基磷灰石屈服強度δ＞3MPa，抗壓強度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 加工過程力學分析

2.1 加工分析原理

本文采用設備為3M7266立式鋼球研球機，如圖2所示。一般情況下，研球機都采用循環加工。而循化加工又分為大循環和小循環兩種形式。本文采用小循環加工方式，即去掉輸球料盤結構，并將研磨板改為封閉式結構。在加工時，將磨削過的鋼球放入固定研磨板和上研磨板溝槽中，通過液壓裝置對固定磨板施壓，使得固定研磨板和上研磨板對置于其上溝道中鋼球產生磨削力；固定磨板不停地旋轉，帶動球坯順著磨板上的溝槽旋轉；不斷循環，直至球坯的尺寸精度、形狀精度、表面精度、表面光潔度達到技術要求為止。

圖2 3M7266立式研球機外觀及原理圖

加工過程的球坯，由金屬材質變更為非金屬材質——脆性材料多羥基磷灰石，需要對加工過程中的受力進行分析，進而根據需要改進設備，以適應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方面對加工過程進行受力分析。

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，材質為珊瑚類多羥基磷灰石，質地疏松，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，可視為球體，直徑選取16～24 mm。依據圖3可知道小循環加工工藝成球原理，假設在加工時，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中數據計算接觸應力公式：

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量：

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

球數目最少時，取壓力保險值 。

2.3 加工過程施力力學模型

如圖4中所示：系統活動件重力G=M1+M2+M3+M4+M5 ×g ，其中g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，工件受力后產生的反向作用力F，取 F=P保。

受力系統平衡方程：G+F上=F+F下

由于 3M7266立式鋼球研球機為加工設備，故系統活動件質量G=1850 N，取最小值G=1900 N。要保證加工過程中，系統加工正常，珊瑚球不致破裂殘次。

取F上=0 N，F=100 N，G=1900N，求得F下=1800 N。

圖4 立式鋼球磨球機加工過程力學分析模型及簡化模型

3 設計驗證

3.1 毛坯制備

試驗所用羥基磷灰石材料為正立方體塊狀，尺寸約8 cm3，根據多邊形內接圓原理，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，不能進行有效加工。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

制作四塊標準研磨板，材料選取尼龍1010，等級選擇PA食品醫藥級。研磨板三維實物如圖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，磨削液在此實驗中主要起沖洗磨削滾道中的材料碎屑，清洗球坯。

3.3 試驗

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

在試驗過程，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，使球坯在自轉速度和公轉速度產生跟隨排隊運轉不靈活，造成前后球坯擠碎或碰碎。

表1 加工過程工藝參數選擇效果表

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

4 結語

脆性材料批量成球試驗，達到實驗要求，尺寸誤差，在±0.1 mm之間，球形誤差在0.15 mm以內，完全滿足產品使用需求，從而證明方案設計合理性，為脆性材料類批量成球理論依據。在工藝實驗過程，發現要實現脆性材料正常加工，需要注意如下事項：

(1)當r=8 mm，N=40粒或r=12，N=18時，液壓系統最小壓力為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體，防止加工過程喪失運動性，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，數量足夠且要均勻分布。

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

(6)文中數據分析基于系統靜態產生，對于在加工狀態——動態情況下，可視情況，調節系統壓力最下值Pmin和F上。