本發(fā)明屬于高精主軸軸承和耐高溫耐腐蝕軸承等領(lǐng)域，涉及一種軸承用氮化硅陶瓷球的加工方法，具體涉及一種高效率、高精度、低成本、適用于Φ＜40mm以下氮化硅陶瓷球的加工方法。

背景技術(shù)：

進(jìn)幾年來，隨著社會進(jìn)步和科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，軸承的使用環(huán)境和條件越來越多樣化，對軸承的結(jié)構(gòu)、材質(zhì)和性能的要求也越來越高。一些高科技領(lǐng)域和某些特殊環(huán)境下工作的機(jī)械，如航空航天、核能、冶金、化工、石油、儀器、機(jī)械、電子、紡織、制藥等工業(yè)，需要在高溫、高速、高精度、真空、無磁性、無油潤滑、強(qiáng)酸、強(qiáng)堿等特殊環(huán)境下工作。這些新的要求僅僅依靠對傳統(tǒng)的金屬軸承改進(jìn)結(jié)構(gòu)或改善潤滑條件已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足，必須開發(fā)新型材料，從根本上進(jìn)行突破和創(chuàng)新。由于陶瓷材料具有耐高溫、長壽命、低發(fā)熱、低熱膨脹、高剛性、無磁性、絕緣性等優(yōu)異的性能，可以承受金屬材料和高分子材料難以勝任的嚴(yán)酷的工作環(huán)境，并且又具有軸承材料所要求的全部重要特性，因此將陶瓷材料應(yīng)用于軸承制造，已成為世界高新技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用的熱點(diǎn)，成為機(jī)械工程材料技術(shù)革命的標(biāo)志。

但是由于氮化硅陶瓷的高硬度、高耐磨性，使得氮化硅陶瓷球存在加工效率低、加工周期長，生產(chǎn)成本高等不足，嚴(yán)重影響了氮化硅陶瓷球的批量化生產(chǎn)，制約了氮化硅陶瓷行業(yè)的快速發(fā)展。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供一種高加工效率、低加工成本且成品精度高的氮化硅陶瓷球的生產(chǎn)加工方法。

因此，本發(fā)明的一個目的是提供一種氮化硅陶瓷球的加工方法。

實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案如下：

一種氮化硅陶瓷球的加工方法，該方法包括以下步驟：

1)毛坯找圓：將氮化硅材質(zhì)毛坯球按照工藝裝球量裝入第一研球機(jī)，然后加入磨削介質(zhì)進(jìn)行加工；

其中所述第一研球機(jī)的上板為耐磨鑄鐵材質(zhì)鑄鐵板，所述第一研球機(jī)的下板采用粒度為60～140#、規(guī)格為Φ800×Φ360、厚度為7-8mm的高壓壓制成型的整型混合粒度金剛石平板或90～120°的高壓壓制成型的V型溝槽整型混合粒度金剛石板加工；

2)時效處理：將步驟1)得到的陶瓷球，在烘干爐內(nèi)重新加熱并保溫，然后隨爐冷卻至室溫；

3)細(xì)磨：將步驟2)得到的陶瓷球裝入第二研球機(jī)，然后加入磨削介質(zhì)進(jìn)行加工；

其中所述第二研球機(jī)的上板為耐磨鑄鐵材質(zhì)鑄鐵板，所述第二研球機(jī)的下板采用粒度為140～280#、規(guī)格為Φ800×Φ360，厚度為7-8mm的高壓壓制成型的整型混合粒度金剛石平板或采用90～120°的高壓壓制成型的V型溝槽整型混合粒度金剛石板加工；

4)終磨：自步驟3)得到的陶瓷球中選擇球公稱直徑為D+0.08、圓度0.5μm以內(nèi)和表面無明顯加工缺陷的陶瓷球，將其裝入第三研球機(jī)，然后加入磨削介質(zhì)進(jìn)行加工；

其中所述第三研球機(jī)的上板為耐磨鑄鐵材質(zhì)鑄鐵板，所述第三研球機(jī)的下板采用粒度為320～500#、規(guī)格為Φ800×Φ360，厚度為7-8mm的高壓壓制成型的整型混合粒度金剛石平板或采用90～120°的高壓壓制成型的V型溝槽整型混合粒度金剛石板加工；

5)100％外觀分選：將步驟4)得到的陶瓷球經(jīng)過水劑清洗液清洗后進(jìn)行100％外觀分選；

6)精研一：將步驟5)得到的陶瓷球經(jīng)超聲波清洗，裝入第四研球機(jī)，然后加入磨削介質(zhì)進(jìn)行加工；

其中所述第四研球機(jī)的上板為耐磨鑄鐵材質(zhì)鑄鐵板，所述第四研球機(jī)的下板采用粒度為700～1200#、規(guī)格為Φ800×Φ360，厚度為7-8mm的高壓壓制成型的整型混合粒度金剛石平板或采用90～120°的高壓壓制成型的V型溝槽整型混合粒度金剛石板加工；

7)精研二：自步驟6)得到的陶瓷球中選擇振動值為34dB以內(nèi)、表面外觀無明顯劃條擦傷等加工缺陷的陶瓷球，將其超聲波清洗后，再經(jīng)過航空煤油清洗，目測表面無雜質(zhì)等污物后，裝入第五研球機(jī)，然后加入磨削介質(zhì)及磨料進(jìn)行加工；

其中所述第五研球機(jī)的上、下板均采用耐磨鑄鐵材質(zhì)鑄鐵板加工，且在下板板面根據(jù)不同的加工規(guī)格車制以板的中心為圓心、與所加工規(guī)格相對應(yīng)的溝間距及深度的90°V型溝槽的同心圓。

優(yōu)選地，步驟1)中，所述整型混合粒度金剛石平板的粒度為80～120#；更優(yōu)選地為100～120#；其中加工Φ≤20mm的陶瓷球采用平板加工，加工Φ＞20mm的陶瓷球，采用90～120°的V型溝槽板加工。

優(yōu)選地，步驟1)中，所述磨削介質(zhì)為質(zhì)量百分比為15％～20％的油酸鈉皂水溶液和質(zhì)量百分比為2％的食用級苯甲酸鈉水溶液的混合溶液，并且所述磨削介質(zhì)每加工10-15批次更換一次；更優(yōu)選地，所述磨削介質(zhì)中油酸鈉皂水溶液的質(zhì)量百分比為17％-20％，更優(yōu)選地為18％。

優(yōu)選地，步驟1)中，第一研球機(jī)施加的壓力為(0.8～1.2)×10KN，主軸轉(zhuǎn)速為100～120r/min；更優(yōu)選的，第一研球機(jī)施加的壓力為(0.9～1.1)×10KN，主軸轉(zhuǎn)速為100～110r/min；

優(yōu)選地，步驟2)中，所述加熱溫度及保溫時間為：Φ≤15mm，加熱溫度為150-170℃，保溫3-4小時；Φ＞15mm，加熱溫度為180-200℃，保溫5-6小時；更優(yōu)選地所述加熱及保溫時間為：Φ≤15mm，加熱溫度為160℃，保溫3小時；Φ＞15mm，加熱溫度為180℃，保溫5小時；

優(yōu)選地，步驟3)中，所述整型混合粒度金剛石板的粒度為180～240#或240～280#；更優(yōu)選地為200～240#；其中加工Φ≤20mm的陶瓷球采用平板加工，加工Φ＞20mm的陶瓷球，采用90～120°的V型溝槽板加工。

優(yōu)選地，步驟3)中，所述磨削介質(zhì)為質(zhì)量百分比為15％～20％的油酸鈉皂水溶液和質(zhì)量百分比為2％的食用級苯甲酸鈉水溶液的混合溶液，并且所述磨削介質(zhì)每加工10～15批次更換一次；更優(yōu)選地所述磨削介質(zhì)中油酸鈉皂水溶液的質(zhì)量百分比為為17％-18％，最優(yōu)選地為18％。

優(yōu)選地，步驟3)中，研球機(jī)施加的壓力為(1.5～2.0)×10KN，主軸轉(zhuǎn)速為50～60r/min。更優(yōu)選的，研球機(jī)施加的壓力為(1.8～2.0)×10KN，主軸轉(zhuǎn)速為55～60r/min。

優(yōu)選地，步驟4)中，所述整型混合粒度金剛石板的粒度為400～500#；更優(yōu)選地為單一粒度400#；其中加工Φ≤20mm的陶瓷球采用平板加工，加工Φ＞20mm的陶瓷球，采用90～120°的V型溝槽板加工。

優(yōu)選地，步驟4)中，所述磨削介質(zhì)為質(zhì)量百分比為10％～15％的油酸鈉皂水溶液和質(zhì)量百分比為2％的食用級苯甲酸鈉水溶液的混合溶液，并且所述磨削介質(zhì)每加工10～15批次更換一次；更優(yōu)選地，所述磨削介質(zhì)中油酸鈉皂水溶液的質(zhì)量百分比為12％-15％，最優(yōu)選地為12％。

優(yōu)選地，步驟4)中，研球機(jī)施加的壓力為(1.5～2.0)×10KN，主軸轉(zhuǎn)速為50～60r/min。更優(yōu)選的，研球機(jī)施加的壓力為(1.8～2.0)×10KN，主軸轉(zhuǎn)速為55～60r/min。

優(yōu)選地，步驟5)中，所述水劑清洗液為體積比為5％的凈洗劑AR812溶液。

優(yōu)選地，步驟5)中，直徑范圍Φ≤12mm的陶瓷球使用分選精度為2μm的滾杠分選機(jī)進(jìn)行分選，通過控制滾杠的轉(zhuǎn)動速度及送料的速度，保證待檢球在兩根滾杠內(nèi)分布均勻，保證分選精度和檢球效率；

其中，滾杠的轉(zhuǎn)動速度：要求Φ≤3.175mm規(guī)格范圍內(nèi)，滾杠的轉(zhuǎn)速不大于60轉(zhuǎn)/分；3.175＜Φ＜6mm規(guī)格范圍內(nèi)，滾杠的轉(zhuǎn)速不大于75轉(zhuǎn)/分；6.000≤Φ≤12.000mm規(guī)格范圍內(nèi)，滾杠的轉(zhuǎn)速不大于80轉(zhuǎn)/分；送料速度可根據(jù)兩根滾杠內(nèi)分布的產(chǎn)品進(jìn)行調(diào)整，保證待檢球在滾杠內(nèi)不重疊，不間斷；

直徑Φ＞12mm的陶瓷球在日光燈下肉眼目測，將缺陷球分離；

優(yōu)選地，步驟6)中，所述整型混合粒度金剛石板的粒度為800～1000#；最優(yōu)選地為單一粒度800#；其中加工Φ≤20mm的陶瓷球采用平板加工，加工Φ＞20mm的陶瓷球，采用90～120°的V型溝槽板加工。

優(yōu)選地，步驟6)中，所述磨削介質(zhì)為質(zhì)量百分比為5％～10％的油酸鈉皂水溶液和質(zhì)量百分比為2％的食用級苯甲酸鈉水溶液的混合溶液，并且所述磨削介質(zhì)每加工10批次更換一次；更優(yōu)選地，所述磨削介質(zhì)中油酸鈉皂水溶液的質(zhì)量百分比為7％-10％，更優(yōu)選地為8％-10％，最優(yōu)選地為8％。

優(yōu)選地，步驟6)中，研球機(jī)施加的壓力為(1.5～2.0)×10KN，主軸轉(zhuǎn)速為15～20r/min。最優(yōu)選的，研球機(jī)施加的壓力為(1.8～2.0)×10KN，主軸轉(zhuǎn)速為18～20r/min。

優(yōu)選地，步驟7)中，所述磨削介質(zhì)為航空煤油與機(jī)油的混合物，所述磨料為W0.5的金剛石研磨膏；

優(yōu)選地，步驟7)中，按體積計(jì)，所述航空煤油與機(jī)油的體積比為3∶1；

優(yōu)選地，步驟7)中，首先將金剛石微粉球磨不少于48小時，在使用過程中航空煤油及機(jī)油按上述比例調(diào)配，每隔0.5～1個小時添加一次；

優(yōu)選地，步驟7)中，研球機(jī)施加的壓力為(1.5～2.0)×10KN，主軸轉(zhuǎn)速為15～20r/min；最優(yōu)選的，研球機(jī)施加的壓力為(1.5～1.6)×10KN，主軸轉(zhuǎn)速為15～18r/min；

優(yōu)選地，在本步驟7)的加工之前，先將新車制、安裝并調(diào)試好的鑄鐵板，使用所加工規(guī)格的成品球進(jìn)行壓溝處理，壓溝壓力與轉(zhuǎn)速同正常加工壓力和轉(zhuǎn)速相一致，所壓溝弧的深度為所加工球徑的1/3～2/5。

優(yōu)選地，步驟1)、3)、4)、6)和7)中，所述耐磨鑄鐵材質(zhì)鑄鐵板為退火狀態(tài)，硬度范圍為HB180～220，外形尺寸為Φ800×Φ360×100。

優(yōu)選地，步驟1)、3)、4)、6)和7)所采用的研球機(jī)為3ML4780D大循環(huán)立式研球機(jī)。

采用本方法加工的成品，符合GB/T308.2-2010/ISO3290-2：2008《滾動軸承球第2部分：陶瓷球》標(biāo)準(zhǔn)要求的G5及G3級指標(biāo)的要求。采用本發(fā)明生產(chǎn)加工的陶瓷球，毛坯找圓的生產(chǎn)效率為傳統(tǒng)工藝的5～8倍，細(xì)磨、終磨的效率為傳統(tǒng)工藝的3～6倍。

本發(fā)明涉及的工藝與傳統(tǒng)使用鑄鐵板加工氮化硅陶瓷球的工藝相比，本發(fā)明毛坯找圓、細(xì)磨及終磨的工序中采用了經(jīng)過高壓壓制成型并經(jīng)過整型的不同粒度的金剛石板磨削，提高了生產(chǎn)加工效率，加工效率為傳統(tǒng)工藝的3～8倍。并且由于金剛石即為磨削效率很高的磨料，所以在使用金剛石板磨削的各工序，均不需添加任何磨料，降低了生產(chǎn)成本。另外，金剛石顆粒經(jīng)過整型后，金剛石顆粒大小均勻，且經(jīng)過整型后，顆粒無尖銳棱角，很好的保護(hù)了產(chǎn)品表面，保證了產(chǎn)品的表面加工質(zhì)量。時效處理消除了殘余應(yīng)力，穩(wěn)定了組織和尺寸，能有效地防止陶瓷球在長期使用中尺寸的細(xì)微變化。在精研二工序采用立式研球機(jī)鑄鐵板大循環(huán)進(jìn)行加工，使用耐磨鑄鐵材質(zhì)鑄鐵板、且在下板板面根據(jù)不同的加工規(guī)格車制以板的中心為圓心、與所加工規(guī)格相對應(yīng)的溝間距及深度的90°V型溝槽的同心圓，添加金剛石研磨膏進(jìn)行提光。采用上述工藝生產(chǎn)加工的陶瓷球，表面粗糙度Ra可達(dá)2～4nm，球形誤差可達(dá)0.04～0.06μm，球批直徑變動量可控制在0.1μm內(nèi)，產(chǎn)品精度可達(dá)國際G3級標(biāo)準(zhǔn)要求。此外，本發(fā)明的方法中還采用了食用級的苯甲酸鈉，這既能夠減少對環(huán)境的污染，又能夠保證操作人員的身心健康。

本發(fā)明所述的陶瓷球加工方法與傳統(tǒng)工藝的對比情況如下表1所示：

表1

采用本發(fā)明所生產(chǎn)的氮化硅陶瓷球，Φ＜18mm以下的產(chǎn)品精度可達(dá)到國際G3級標(biāo)準(zhǔn)的要求，圓度、批直徑變動量、粗糙度等性能指標(biāo)且有較大的儲備量。本發(fā)明流程簡短、工藝簡單、生產(chǎn)效率高、加工成本低、且產(chǎn)品精度等級高。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施方式對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步的詳細(xì)描述，給出的實(shí)施例僅為了闡明本發(fā)明，而不是為了限制本發(fā)明的范圍。下列實(shí)施例中的實(shí)驗(yàn)采用3ML4780D大循環(huán)立式研球機(jī)進(jìn)行。

實(shí)施例1規(guī)格為Φ19.05的氮化硅陶瓷球的加工

采用本發(fā)明的氮化硅陶瓷球的加工方法，以及下表2-7中所列的各步驟涉及的工藝參數(shù)加工規(guī)格為Φ19.05的氮化硅陶瓷球。

表2

1)毛坯找圓：

表3

2)時效處理：

將毛坯找圓下球的半成品在烘干爐內(nèi)加熱至180℃，保溫5小時，然后隨爐冷卻至室溫。

3)細(xì)磨：

表4

4)終磨：

表5

5)100％外觀分選：

將上一步驟得到的陶瓷球在日光燈下肉眼目測，將缺陷球分離。

6)精研一：

表6

7)精研二：

表7

采用本發(fā)明的方法加工氮化硅陶瓷球具有效率高、成本低的特點(diǎn)，并且加工得到的規(guī)格為Φ19.05的氮化硅陶瓷球精度高，表面粗糙度Ra可達(dá)2～4nm，球形誤差可達(dá)0.04～0.06um，球批直徑變動量可控制在0.1um內(nèi)，產(chǎn)品各項(xiàng)性能指標(biāo)均符合GB/T 308.2-2010/ISO3290-2：2008《滾動軸承球第2部分：陶瓷球》標(biāo)準(zhǔn)要求的G5及G3級標(biāo)準(zhǔn)要求。

實(shí)施例2規(guī)格為Φ6.35的陶瓷球的加工

采用上述本發(fā)明的氮化硅陶瓷球的加工方法，以及下表8-13中所列的各步驟涉及的工藝參數(shù)加工規(guī)格為Φ6.35的氮化硅陶瓷球。

表8

1)毛坯找圓：

表9

2)時效處理：

將毛坯找圓下球的半成品在烘干爐內(nèi)加熱至160℃，保溫3小時，然后隨爐冷卻至室溫。

3)細(xì)磨：

表10

4)終磨：

表11

5)100％外觀分選：

將上一步驟得到的陶瓷球經(jīng)過水劑清洗液清洗后采用分選精度為2μm的滾杠分選機(jī)進(jìn)行100％外觀分選，其中滾杠的轉(zhuǎn)速不大于80轉(zhuǎn)/分；送料速度可根據(jù)兩根滾杠內(nèi)分布的產(chǎn)品進(jìn)行調(diào)整，保證待檢球在滾杠內(nèi)不重疊，不間斷；

6)精研一：

表12

7)精研二：

表13

采用本發(fā)明的方法加工氮化硅陶瓷球具有效率高、成本低的特點(diǎn)，并且加工的規(guī)格為Φ6.35的氮化硅陶瓷球精度高，表面粗糙度Ra可達(dá)2～4nm，球形誤差可達(dá)0.04～0.06um，球批直徑變動量可控制在0.1μm內(nèi)，產(chǎn)品各項(xiàng)性能指標(biāo)均符合GB/T 308.2--2010/ISO3290--2：2008《滾動軸承球第2部分：陶瓷球》標(biāo)準(zhǔn)要求的G5及G3級標(biāo)準(zhǔn)要求。

實(shí)施例3：步驟1)中采用的整型混合粒度金剛石平板的粒度篩選實(shí)驗(yàn)

采用本發(fā)明的氮化硅陶瓷球的加工方法中的步驟1)進(jìn)行本實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)共設(shè)置三組，在其它條件相同情況下，采用粒度分別為60-140#，80-120#和100-120#的整型混合粒度金剛石平板進(jìn)行加工。三種不同粒度的整型混合粒度金剛石平板的磨削效率及加工得到的陶瓷球的表面質(zhì)量見下表14。

表14

實(shí)施例4：步驟1)中采用的磨削介質(zhì)中油酸鈉皂水溶液的質(zhì)量百分比篩選實(shí)驗(yàn)

采用本發(fā)明的氮化硅陶瓷球的加工方法中的步驟1)進(jìn)行本實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)共設(shè)置四組，在其它條件相同情況下，采用磨削介質(zhì)中油酸鈉皂水溶液的質(zhì)量百分比分別為16％，17％，18％和20％。結(jié)果見下表15。

表15

實(shí)施例5：步驟3)中采用的整型混合粒度金剛石平板的粒度篩選實(shí)驗(yàn)

采用本發(fā)明的氮化硅陶瓷球的加工方法中的步驟1)-3)進(jìn)行本實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)共設(shè)置四組，在其它條件相同情況下，步驟3)中采用粒度分別為140～280#，180～240#，200～240#和240～280#的整型混合粒度金剛石平板進(jìn)行加工。四種不同粒度的整型混合粒度金剛石平板的磨削效率及加工得到的陶瓷球的表面質(zhì)量見下表16。

表16

實(shí)施例6：步驟3)中采用的磨削介質(zhì)中油酸鈉皂水溶液的質(zhì)量百分比篩選實(shí)驗(yàn)

采用本發(fā)明的氮化硅陶瓷球的加工方法中的步驟1)-3)進(jìn)行本實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)共設(shè)置四組，在其它條件相同情況下，步驟3)中采用磨削介質(zhì)中油酸鈉皂水溶液的質(zhì)量百分比分別為16％，17％，18％和20％。結(jié)果見下表17。

表17

實(shí)施例7：步驟4)中采用的整型混合粒度金剛石平板的粒度篩選實(shí)驗(yàn)

采用本發(fā)明的氮化硅陶瓷球的加工方法中的步驟1)-4)進(jìn)行本實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)共設(shè)置五組，在其它條件相同情況下，步驟4)中采用粒度分別為320～500#，360～400#，400～500#的整型混合粒度金剛石平板以及和粒度為400#和500#的單一粒度金剛石平板進(jìn)行加工。五種金剛石平板的磨削效率及加工得到的陶瓷球的表面質(zhì)量見下表18。

表18

實(shí)施例8：步驟4)中采用的磨削介質(zhì)中油酸鈉皂水溶液的質(zhì)量百分比篩選實(shí)驗(yàn)

采用本發(fā)明的氮化硅陶瓷球的加工方法中的步驟1)-4)進(jìn)行本實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)共設(shè)置三組，在其它條件相同情況下，步驟4)中采用磨削介質(zhì)中油酸鈉皂水溶液的質(zhì)量百分比分別為10％，12％和15％。結(jié)果見下表19。

表19

實(shí)施例9：步驟6)中采用的整型混合粒度金剛石平板的粒度篩選實(shí)驗(yàn)

采用本發(fā)明的氮化硅陶瓷球的加工方法中的步驟1)-6)進(jìn)行本實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)共設(shè)置五組，在其它條件相同情況下，步驟6)中采用粒度分別為700～1200#，800～1000#的整型混合粒度金剛石平板以及和粒度為800#、900#和1000#的單一粒度金剛石平板進(jìn)行加工。五種金剛石平板的磨削效率及加工得到的陶瓷球的表面質(zhì)量見下表20。

表20

實(shí)施例10：步驟6)中采用的磨削介質(zhì)中油酸鈉皂水溶液的質(zhì)量百分比篩選實(shí)驗(yàn)

采用本發(fā)明的氮化硅陶瓷球的加工方法中的步驟1)-6)進(jìn)行本實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)共設(shè)置五組，在其它條件相同情況下，步驟6)中采用磨削介質(zhì)中油酸鈉皂水溶液的質(zhì)量百分比分別為5％，7％，8％，9％和10％。結(jié)果見下表21。

表21