大尺寸碳化硅球体磨削装置设计与研磨工艺研究.pdfVIP

哈尔滨工业大学工程硕士学位论文

摘要

以陶瓷材料作为滚动体的陶瓷球轴承具有密度低、刚度大、耐高温和耐

腐蚀等优异特性，可以在高温、高压、酸性和真空等极端环境条件下使用。

随着航空航天、风电、精密机床和重载机械等领域的快速发展，迫切需要大

尺寸高精度陶瓷球体。由于目前国内陶瓷球体加工制备技术尚不完善，现有

的大尺寸陶瓷球体以氮化硅材料为主，而性能较好的碳化硅球体尺寸较小，

难以满足应用需求。当前，缺乏大尺寸高精度碳化硅球体产品，亟需研究其

精密研磨技术。首先，反应烧结得到大尺寸碳化硅球体毛坯尺寸偏差过大、

存在显著脱模带，需要对其进行粗磨得到粗球，而目前尚无专用粗磨手段。

其次，大尺碳化硅球体的研磨成球机理尚不明确，特别是其高精度高效研磨

盘结构设计尚不明晰。最后，当前陶瓷球体研磨普遍采用大去除量的钢球研

磨技术，缺乏大尺寸碳化硅球体专用高效精密研磨技术。因此，本文开展了

大尺寸碳化硅球体精密研磨技术与工艺研究，具体研究内容如下：

首先，设计了大尺寸碳化硅球体毛坯磨削及粗球球度检测装置，进行了

碳化硅球体毛坯磨削实验。由硬脆材料的压痕接触理论模型计算了碳化硅材

料的临界去除载荷和临界切深，得到了轴向进给端面磨削的磨削力大小。据

此计算得到了机床关键零部件参数，设计并研制了大尺寸碳化硅球体毛坯磨

削机床。通过开展机床加工性能测试实验，验证了大尺寸碳化硅球体研磨机

床的加工性能。此外，搭建了非接触球度激光检测装置，对加工前后的球体

毛坯球度进行了检测。开展了大尺寸碳化硅球体磨削工艺实验，探究了加工

参数对于磨削加工质量和加工效率的影响，获得了符合精密研磨要求的碳化

硅粗球。

其次，建立了大尺寸碳化硅球体精密研磨过程的有限元仿真模型，研究

了大尺寸碳化硅球体的研磨成球特性。根据球体研磨的实际情况，建立了研

磨盘与球体三点接触的有限元仿真模型。输出变曲率研磨盘研磨仿真历程的

结点坐标，通过坐标变换求取研磨轨迹。此外，从研磨过程中球体的运动学

分析出发，得到了球体研磨过程的运动学模型方程，绘制了球体研磨过程的

理论轨迹以验证有限元仿真模型的准确性。据此研究了不同形状的变曲率研

磨盘对研磨轨迹的影响规律。同时，建立了增加随机扰动后的球体研磨有限

元仿真模型，通过比较有无随机扰动状态下的研磨轨迹，研究随机扰动对于

球体研磨轨迹的影响特性。最终确定了大尺寸碳化硅球体高效精密研磨方案。

-I-

哈尔滨工业大学工程硕士学位论文

最后，设计了大尺寸碳化硅球体专用变曲率研磨盘，开展了大尺寸碳化

硅球体研磨工艺实验。设计用于大尺寸碳化硅球体研磨加工的随机扰动装置，

搭建了大尺寸碳化硅球体专用研磨装置。据此开展了大尺寸碳化硅球体精密

研磨实验，对研磨加工后球体形状精度和表面质量进行了检测，得到了球度

为6μm、表面粗糙度200nm的43mm直径碳化硅球体。

关键词：陶瓷球体；碳化硅；研磨；变曲率；球度

-II-

哈尔滨工业大学工程硕士学位论文

Abstract

Ceramicballbearingsusingceramicmaterialsasrollingelementshave

excellentcharacteristicsoflowdensity,highstiffness,hightemperatureresistance

andcorrosionresistance,thuscanbeusedinextremeenvironmentalconditions

suchashightemperature,highpressure,acidityandvacuum.Withtherapid

developmentofaerospace,windpower,precisionmachinetoo