顶式砝码加压式四轴球体研磨机的发展现状及分析摘要该文章首先分析了现有研磨技术的优点以及各种技术的不足之处，针对四轴球体研磨机尚未完成的顶式立轴砝码加压式这一问题进行了一系列的分析和设计。

该篇文章中根据四轴球体研磨机的工作原理，对球体和四个磨具所在位置、运动速度、运动形态、球体研磨成型原理进行了理论分析，为该机械设计时的主要技术参数的确定提供了理论依据，并且提出了实现球体均等研磨的充分必要条件。

此外还从四轴球体研磨机顶式砝码加压式球体研磨的力学模型入手，运用高点切削作用机制和误差均匀化效应，阐述了球体圆度误差趋小化研磨机理，从而确定了球体研磨的工艺路线。

最后，运用Pro/E5.0三维制图软件对顶式砝码加压式四轴球体研磨机的全部零件进行实体建模并进行装配和运动仿真，从而使设计得到进一步完善，确认球体研磨机的可行性，使这一路论进一步得到完善。

关键词：研磨技术；球体研磨；四轴球体研磨机AbstractThe article first analyzes the advantages of the existing grinding technology and technical shortcomings, for Four shafts ball-lapping machine has not been completed ball top-style pressure-type vertical weight issue a series of analysis and design. The article in the ball under the four-axis milling machine works on the sphere and the four grinding location, velocity, movement patterns, ball grinding forming principle of the theoretical analysis, the mechanical design to determine the main technical parameters provides a theoretical basis, and proposed to achieve equal ground ball necessary and sufficient condition .In addition, from a four-axis grinding machine-top ball pressure-type ball mill weight of the mechanical model, the use of high cutting mechanism and error homogenization effect, set the ball roundness error of abrasive and tends to determine the sphere grinding process route. Finally, the use ofthree-dimensional mapping software Pro/E5.0 weight-top ball pressure-type four-axis grinding machines for solid modeling and all the parts for assembly and motion simulation, so the design has been further improved, sure ball grinding machinefeasibility, to further improve on the road.Key Words：Lapping technology; Ball-lapping; Four shafts ball-lapping machine;前言本课题主要是为了能够保障曲面研磨以及高精度球体制造中能有足够的精度等级，应用于先进的机械领域，属于研究课题。

在上个世纪八十年代，为了制造出高精度高光洁度表面的球体，已有一位美国人率先设计出四轴球体研磨机来迅速制造较高精度的球体。

但是由于生产效率低，并且需要很好的技工，限制了此行业的发展，因此开始设计制造操作简便生产快速的球体研磨机。

一、研磨机械的类型．圆盘式研磨机械，转轴式研磨机，专用研磨机二、球体研磨技术的现状。

1．磨盘研磨技术研磨盘工作部分主要包括一个顶盘片、一个缓冲板以及一个研磨片；其中顶盘片包括数个铆接组件、一个上定位板、一个顶板、一个螺栓、一个下定位板以及一个螺帽；本实用新型通过改良螺栓结构的手段，首先藉由螺栓本身的卡合部与顶板的中央孔卡合来提供水平的准确度，再藉由螺栓下方一个多角形固定部与下定位板相对的多角形固定的孔卡配合来提供垂直的准确度，藉此提供一种固定良好且旋转稳定度佳的研磨盘；另外再配合螺栓的上螺纹段、卡合部分以及固定部外径大小不同的设计，使螺栓不易松脱，具有内部组件不易磨损与使用者不因研磨盘的不稳定旋转而造成手部酸麻的优点。

(1).V型槽研磨技术。

图2 传统的Ｖ形槽研磨原理图这是一种双盘自转偏心Ｖ形槽研磨机，包括机架、安装在机架上的上研磨盘和下研磨盘，所述上研磨盘安装在上研磨盘主轴上，所述上研磨盘主轴连接上研磨盘驱动电机，所述下研磨盘连接下研磨盘驱动电机，所述上研磨盘和下研磨盘上下布置，所述机架包括机体和上支架，所述上支架可转动地安装在机体上端，所述上支架上安装上研磨盘，所述机体上安装下研磨盘，所述下研磨盘上表面开有至少三条以上供放置球坯的Ｖ形槽，所述的各条Ｖ形槽为同心圆，所述同心圆的圆心与下研磨盘的圆心重合，所述上研磨盘与下研磨盘相互偏心。

本实用新型提供一种结构简单、制造成本低，同时具有较高的加工精度和加工效率的双盘自转偏心Ｖ形槽研磨机。

(2).锥型研磨技术.四面锥形研磨体，涉及一种研磨介质。

现有的圆形球体在粉磨物料时，由于球与球之间的碰撞和研磨是以点接触的形式存在，具有研磨效率不高的缺点。

本实用新型四面锥形研磨体包括研磨体1，研磨体1的外形为正四面体。

经实际试验，本实用新型产品配合下图所示的由沈阳建筑工程学院的吴玉厚、张柯，东北大学的王军、郑焕文等在自旋回转控制方式的基础上发展了锥形研磨技术，可以起到很好的效果：可以提高球磨机的台时产量15～40％，降低粉磨电耗10～40％，提高粉体的比表面积15～35％，提高粉体的球形率和球化量10～25％，降低圆球损耗10％以上，利于推广应用。

图5 锥型研磨方式原理图上面所说的两种种V形槽研磨技术，均能同时加工一批球坯，加工效率高。

轴承用滚珠的批量生产基本上都采用这种加工方法，但由于研磨过程中不能实现完整的成球运动，加工球不论从精度还是数量上相对来说都比较低。

2. 磁力研磨技术(1).磁流体研磨技术.磁流体研磨技术主要是利用磁悬浮的原理，在水基和油基磁流体中混入磁性粒子，非磁性的磨粒受到磁性浮力的作用浮于磁流体的表层，磨粒与工件表面之间处于一种弹性浮动接触状态。

磁流体研磨装置使用三个以上的永久磁铁（不同于电磁，不需消耗电能），且相邻的磁铁的极性不同，由此产生的等磁力线在中心磁铁上方成凹形，添加的磨粒就悬浮在此处。

在工件的旋转作用下，磨粒与工件间就产生磨削作用。

通过改变外加磁场强度及加工压力，可以调节研磨速率，当要增加磨粒浮置力时，可增大垂直方向的磁场梯度，当要增大保持力时，可增加水平方向的磁场梯度。

影响磁流体研磨质量和效率的因素有粘度、温度、磨粒大小、磨粒添加率、外加磁场强度和磁流体的磁感应强度。

磁流体研磨适用于各种材料和任何形状曲面的加工，而且可以内外表面同时进行，应用前景十分看好。

目前已在航空，航天，车辆，电子，仪表等的精密零件的研磨中得到应用，还可以用于光学透镜，弯管内孔等复杂形状的研磨。

图1 磁流体研磨原理图(2).磁浮研磨技术.利用控制与球接触的3个点速度，并且，其中1点以磁浮力作为支撑，使该点支撑刚性极小，在经340h的研磨后。

合格率达100%，球度达0.13μm，表面粗糙度值。

3 、四轴球体研磨技术。

本设计就是主要研究四轴球体研磨技术。

四轴球面研磨技术使用四轴自动球面研磨机对单颗球体进行精密研磨加工，通过四根磨削用芯轴的正反转的不同组合，实现球体磨削过程当中的瞬时轴的不断变化。

这种研磨方式能够获得较高的加工精度（对直径为φ10mm的球，球度可达0.05μm）。

清华大学的王先奎教授等人及河北理工学院孙新民等人对球体研磨机理、成形理论以及圆度误差均匀化效应的机理等作了大量的研究。

这一技术主要用于单颗高精度球的超精密加工。

三、四轴球体研磨机的特点.1、高精度采用球体自旋角可控的，能够快速提高球形精度的双自转成球运动方式。

2、高效率同一机型可适用于研磨、抛光的各道工序，使得各道工序加工基准统一、加工余量均匀一致，总体加工时间大为缩短；同时采用固着磨粒磨盘代替游离磨粒加工可有效提高加工效率3、智能专家数据库控制系统采用最佳加工工艺数据库控制系统，进而保证加工质量和精度的高度一致性，有效排除人工操作的不稳定性。

4、总转数精确控制5、采用超精密光栅测控技术，使磨盘的总转数精度可控制在±1°以内，从而可有效保证球体加工的尺寸精度。

6、多台、多任务序集中控制具有多台多任务序集中控制和远程控制功能，以保证大批量加工的质量一致性。

四、现有精密球体研磨技术的局限性。

球体研磨技术设计的基本原理是任何一个理想状态下的球体，其外廓上任何一个截面都是一个完整的圆盘。

如下图所示，研具以角速度W 绕Z 轴旋转，与此同时被加工球以角速度1W 绕瞬时轴1Z 回转，Z 轴与1Z 的夹角为θ，称θ角为自旋角。

只要使角θ能不断地随机变化，就可以进行球面研磨。

其表面质量的高低主要是依靠针对不同球坯材料而采用不同的加工工艺（研磨剂、研具材料、加工参数等）来保证的。

在传统的V 形槽研磨法（同轴两盘研磨技术）加工过程中，自旋角θ的值仅取决于球坯和研磨盘导向槽的直径，与研磨盘转速无关，实际只在很小的角度（5°以内）附近不断变化，球坯只能作“不变相对方位”研磨运动。

由于自旋角在研磨过程中基本保持不变，球坯与研磨盘的接触点在球坯表面形成的研磨迹线是一组以球坯自转轴为轴的圆，在球坯的同一研磨循环不同自转圈的研磨中，研磨盘沿着3接触点的3个同轴圆迹线对球坯进行“重复性”研磨，不利于球坯表面迅图球面研磨的基本原理速获得均匀研磨成型。

这种加工运动本身由于不能实现完整的成球运动，从而限制了加工球度的提高。