本发明属于高精主轴轴承和耐高温耐腐蚀轴承等领域，涉及一种轴承用氮化硅陶瓷球的加工方法，具体涉及一种高效率、高精度、低成本、适用于Φ＜40mm以下氮化硅陶瓷球的加工方法。
背景技术：
进几年来，随着社会进步和科学技术的高速发展，轴承的使用环境和条件越来越多样化，对轴承的结构、材质和性能的要求也越来越高。一些高科技领域和某些特殊环境下工作的机械，如航空航天、核能、冶金、化工、石油、仪器、机械、电子、纺织、制药等工业，需要在高温、高速、高精度、真空、无磁性、无油润滑、强酸、强碱等特殊环境下工作。这些新的要求仅仅依靠对传统的金属轴承改进结构或改善润滑条件已远远不能满足，必须开发新型材料，从根本上进行突破和创新。由于陶瓷材料具有耐高温、长寿命、低发热、低热膨胀、高刚性、无磁性、绝缘性等优异的性能，可以承受金属材料和高分子材料难以胜任的严酷的工作环境，并且又具有轴承材料所要求的全部重要特性，因此将陶瓷材料应用于轴承制造，已成为世界高新技术开发与应用的热点，成为机械工程材料技术革命的标志。
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、加工周期长，生产成本高等不足，严重影响了氮化硅陶瓷球的批量化生产，制约了氮化硅陶瓷行业的快速发展。
技术实现要素：
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种高加工效率、低加工成本且成品精度高的氮化硅陶瓷球的生产加工方法。
因此，本发明的一个目的是提供一种氮化硅陶瓷球的加工方法。
实现本发明目的的技术方案如下：
一种氮化硅陶瓷球的加工方法，该方法包括以下步骤：
1)毛坯找圆：将氮化硅材质毛坯球按照工艺装球量装入第一研球机，然后加入磨削介质进行加工；
其中所述第一研球机的上板为耐磨铸铁材质铸铁板，所述第一研球机的下板采用粒度为60～140#、规格为Φ800×Φ360、厚度为7-8mm的高压压制成型的整型混合粒度金刚石平板或90～120°的高压压制成型的V型沟槽整型混合粒度金刚石板加工；
2)时效处理：将步骤1)得到的陶瓷球，在烘干炉内重新加热并保温，然后随炉冷却至室温；
3)细磨：将步骤2)得到的陶瓷球装入第二研球机，然后加入磨削介质进行加工；
其中所述第二研球机的上板为耐磨铸铁材质铸铁板，所述第二研球机的下板采用粒度为140～280#、规格为Φ800×Φ360，厚度为7-8mm的高压压制成型的整型混合粒度金刚石平板或采用90～120°的高压压制成型的V型沟槽整型混合粒度金刚石板加工；
4)终磨：自步骤3)得到的陶瓷球中选择球公称直径为D+0.08、圆度0.5μm以内和表面无明显加工缺陷的陶瓷球，将其装入第三研球机，然后加入磨削介质进行加工；
其中所述第三研球机的上板为耐磨铸铁材质铸铁板，所述第三研球机的下板采用粒度为320～500#、规格为Φ800×Φ360，厚度为7-8mm的高压压制成型的整型混合粒度金刚石平板或采用90～120°的高压压制成型的V型沟槽整型混合粒度金刚石板加工；
5)100％外观分选：将步骤4)得到的陶瓷球经过水剂清洗液清洗后进行100％外观分选；
6)精研一：将步骤5)得到的陶瓷球经超声波清洗，装入第四研球机，然后加入磨削介质进行加工；
其中所述第四研球机的上板为耐磨铸铁材质铸铁板，所述第四研球机的下板采用粒度为700～1200#、规格为Φ800×Φ360，厚度为7-8mm的高压压制成型的整型混合粒度金刚石平板或采用90～120°的高压压制成型的V型沟槽整型混合粒度金刚石板加工；
7)精研二：自步骤6)得到的陶瓷球中选择振动值为34dB以内、表面外观无明显划条擦伤等加工缺陷的陶瓷球，将其超声波清洗后，再经过航空煤油清洗，目测表面无杂质等污物后，装入第五研球机，然后加入磨削介质及磨料进行加工；
其中所述第五研球机的上、下板均采用耐磨铸铁材质铸铁板加工，且在下板板面根据不同的加工规格车制以板的中心为圆心、与所加工规格相对应的沟间距及深度的90°V型沟槽的同心圆。
优选地，步骤1)中，所述整型混合粒度金刚石平板的粒度为80～120#；更优选地为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型沟槽板加工。
优选地，步骤1)中，所述磨削介质为质量百分比为15％～20％的油酸钠皂水溶液和质量百分比为2％的食用级苯甲酸钠水溶液的混合溶液，并且所述磨削介质每加工10-15批次更换一次；更优选地，所述磨削介质中油酸钠皂水溶液的质量百分比为17％-20％，更优选地为18％。
优选地，步骤1)中，第一研球机施加的压力为(0.8～1.2)×10KN，主轴转速为100～120r/min；更优选的，第一研球机施加的压力为(0.9～1.1)×10KN，主轴转速为100～110r/min；
优选地，步骤2)中，所述加热温度及保温时间为：Φ≤15mm，加热温度为150-170℃，保温3-4小时；Φ＞15mm，加热温度为180-200℃，保温5-6小时；更优选地所述加热及保温时间为：Φ≤15mm，加热温度为160℃，保温3小时；Φ＞15mm，加热温度为180℃，保温5小时；
优选地，步骤3)中，所述整型混合粒度金刚石板的粒度为180～240#或240～280#；更优选地为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型沟槽板加工。
优选地，步骤3)中，所述磨削介质为质量百分比为15％～20％的油酸钠皂水溶液和质量百分比为2％的食用级苯甲酸钠水溶液的混合溶液，并且所述磨削介质每加工10～15批次更换一次；更优选地所述磨削介质中油酸钠皂水溶液的质量百分比为为17％-18％，最优选地为18％。
优选地，步骤3)中，研球机施加的压力为(1.5～2.0)×10KN，主轴转速为50～60r/min。更优选的，研球机施加的压力为(1.8～2.0)×10KN，主轴转速为55～60r/min。
优选地，步骤4)中，所述整型混合粒度金刚石板的粒度为400～500#；更优选地为单一粒度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型沟槽板加工。
优选地，步骤4)中，所述磨削介质为质量百分比为10％～15％的油酸钠皂水溶液和质量百分比为2％的食用级苯甲酸钠水溶液的混合溶液，并且所述磨削介质每加工10～15批次更换一次；更优选地，所述磨削介质中油酸钠皂水溶液的质量百分比为12％-15％，最优选地为12％。
优选地，步骤4)中，研球机施加的压力为(1.5～2.0)×10KN，主轴转速为50～60r/min。更优选的，研球机施加的压力为(1.8～2.0)×10KN，主轴转速为55～60r/min。
优选地，步骤5)中，所述水剂清洗液为体积比为5％的净洗剂AR812溶液。
优选地，步骤5)中，直径范围Φ≤12mm的陶瓷球使用分选精度为2μm的滚杠分选机进行分选，通过控制滚杠的转动速度及送料的速度，保证待检球在两根滚杠内分布均匀，保证分选精度和检球效率；
其中，滚杠的转动速度：要求Φ≤3.175mm规格范围内，滚杠的转速不大于60转/分；3.175＜Φ＜6mm规格范围内，滚杠的转速不大于75转/分；6.000≤Φ≤12.000mm规格范围内，滚杠的转速不大于80转/分；送料速度可根据两根滚杠内分布的产品进行调整，保证待检球在滚杠内不重叠，不间断；
直径Φ＞12mm的陶瓷球在日光灯下肉眼目测，将缺陷球分离；
优选地，步骤6)中，所述整型混合粒度金刚石板的粒度为800～1000#；最优选地为单一粒度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型沟槽板加工。
优选地，步骤6)中，所述磨削介质为质量百分比为5％～10％的油酸钠皂水溶液和质量百分比为2％的食用级苯甲酸钠水溶液的混合溶液，并且所述磨削介质每加工10批次更换一次；更优选地，所述磨削介质中油酸钠皂水溶液的质量百分比为7％-10％，更优选地为8％-10％，最优选地为8％。
优选地，步骤6)中，研球机施加的压力为(1.5～2.0)×10KN，主轴转速为15～20r/min。最优选的，研球机施加的压力为(1.8～2.0)×10KN，主轴转速为18～20r/min。
优选地，步骤7)中，所述磨削介质为航空煤油与机油的混合物，所述磨料为W0.5的金刚石研磨膏；
优选地，步骤7)中，按体积计，所述航空煤油与机油的体积比为3∶1；
优选地，步骤7)中，首先将金刚石微粉球磨不少于48小时，在使用过程中航空煤油及机油按上述比例调配，每隔0.5～1个小时添加一次；
优选地，步骤7)中，研球机施加的压力为(1.5～2.0)×10KN，主轴转速为15～20r/min；最优选的，研球机施加的压力为(1.5～1.6)×10KN，主轴转速为15～18r/min；
优选地，在本步骤7)的加工之前，先将新车制、安装并调试好的铸铁板，使用所加工规格的成品球进行压沟处理，压沟压力与转速同正常加工压力和转速相一致，所压沟弧的深度为所加工球径的1/3～2/5。
优选地，步骤1)、3)、4)、6)和7)中，所述耐磨铸铁材质铸铁板为退火状态，硬度范围为HB180～220，外形尺寸为Φ800×Φ360×100。
优选地，步骤1)、3)、4)、6)和7)所采用的研球机为3ML4780D大循环立式研球机。
采用本方法加工的成品，符合GB/T308.2-2010/ISO3290-2：2008《滚动轴承球第2部分：陶瓷球》标准要求的G5及G3级指标的要求。采用本发明生产加工的陶瓷球，毛坯找圆的生产效率为传统工艺的5～8倍，细磨、终磨的效率为传统工艺的3～6倍。
本发明涉及的工艺与传统使用铸铁板加工氮化硅陶瓷球的工艺相比，本发明毛坯找圆、细磨及终磨的工序中采用了经过高压压制成型并经过整型的不同粒度的金刚石板磨削，提高了生产加工效率，加工效率为传统工艺的3～8倍。并且由于金刚石即为磨削效率很高的磨料，所以在使用金刚石板磨削的各工序，均不需添加任何磨料，降低了生产成本。另外，金刚石颗粒经过整型后，金刚石颗粒大小均匀，且经过整型后，颗粒无尖锐棱角，很好的保护了产品表面，保证了产品的表面加工质量。时效处理消除了残余应力，稳定了组织和尺寸，能有效地防止陶瓷球在长期使用中尺寸的细微变化。在精研二工序采用立式研球机铸铁板大循环进行加工，使用耐磨铸铁材质铸铁板、且在下板板面根据不同的加工规格车制以板的中心为圆心、与所加工规格相对应的沟间距及深度的90°V型沟槽的同心圆，添加金刚石研磨膏进行提光。采用上述工艺生产加工的陶瓷球，表面粗糙度Ra可达2～4nm，球形误差可达0.04～0.06μm，球批直径变动量可控制在0.1μm内，产品精度可达国际G3级标准要求。此外，本发明的方法中还采用了食用级的苯甲酸钠，这既能够减少对环境的污染，又能够保证操作人员的身心健康。
本发明所述的陶瓷球加工方法与传统工艺的对比情况如下表1所示：
表1
采用本发明所生产的氮化硅陶瓷球，Φ＜18mm以下的产品精度可达到国际G3级标准的要求，圆度、批直径变动量、粗糙度等性能指标且有较大的储备量。本发明流程简短、工艺简单、生产效率高、加工成本低、且产品精度等级高。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述，给出的实施例仅为了阐明本发明，而不是为了限制本发明的范围。下列实施例中的实验采用3ML4780D大循环立式研球机进行。
实施例1规格为Φ19.05的氮化硅陶瓷球的加工
采用本发明的氮化硅陶瓷球的加工方法，以及下表2-7中所列的各步骤涉及的工艺参数加工规格为Φ19.05的氮化硅陶瓷球。
表2
1)毛坯找圆：
表3
2)时效处理：
将毛坯找圆下球的半成品在烘干炉内加热至180℃，保温5小时，然后随炉冷却至室温。
3)细磨：
表4
4)终磨：
表5
5)100％外观分选：
将上一步骤得到的陶瓷球在日光灯下肉眼目测，将缺陷球分离。
6)精研一：
表6
7)精研二：
表7
采用本发明的方法加工氮化硅陶瓷球具有效率高、成本低的特点，并且加工得到的规格为Φ19.05的氮化硅陶瓷球精度高，表面粗糙度Ra可达2～4nm，球形误差可达0.04～0.06um，球批直径变动量可控制在0.1um内，产品各项性能指标均符合GB/T 308.2-2010/ISO3290-2：2008《滚动轴承球第2部分：陶瓷球》标准要求的G5及G3级标准要求。
实施例2规格为Φ6.35的陶瓷球的加工
采用上述本发明的氮化硅陶瓷球的加工方法，以及下表8-13中所列的各步骤涉及的工艺参数加工规格为Φ6.35的氮化硅陶瓷球。
表8
1)毛坯找圆：
表9
2)时效处理：
将毛坯找圆下球的半成品在烘干炉内加热至160℃，保温3小时，然后随炉冷却至室温。
3)细磨：
表10
4)终磨：
表11
5)100％外观分选：
将上一步骤得到的陶瓷球经过水剂清洗液清洗后采用分选精度为2μm的滚杠分选机进行100％外观分选，其中滚杠的转速不大于80转/分；送料速度可根据两根滚杠内分布的产品进行调整，保证待检球在滚杠内不重叠，不间断；
6)精研一：
表12
7)精研二：
表13
采用本发明的方法加工氮化硅陶瓷球具有效率高、成本低的特点，并且加工的规格为Φ6.35的氮化硅陶瓷球精度高，表面粗糙度Ra可达2～4nm，球形误差可达0.04～0.06um，球批直径变动量可控制在0.1μm内，产品各项性能指标均符合GB/T 308.2--2010/ISO3290--2：2008《滚动轴承球第2部分：陶瓷球》标准要求的G5及G3级标准要求。
实施例3：步骤1)中采用的整型混合粒度金刚石平板的粒度筛选实验
采用本发明的氮化硅陶瓷球的加工方法中的步骤1)进行本实验，实验共设置三组，在其它条件相同情况下，采用粒度分别为60-140#，80-120#和100-120#的整型混合粒度金刚石平板进行加工。三种不同粒度的整型混合粒度金刚石平板的磨削效率及加工得到的陶瓷球的表面质量见下表14。
表14
实施例4：步骤1)中采用的磨削介质中油酸钠皂水溶液的质量百分比筛选实验
采用本发明的氮化硅陶瓷球的加工方法中的步骤1)进行本实验，实验共设置四组，在其它条件相同情况下，采用磨削介质中油酸钠皂水溶液的质量百分比分别为16％，17％，18％和20％。结果见下表15。
表15
实施例5：步骤3)中采用的整型混合粒度金刚石平板的粒度筛选实验
采用本发明的氮化硅陶瓷球的加工方法中的步骤1)-3)进行本实验，实验共设置四组，在其它条件相同情况下，步骤3)中采用粒度分别为140～280#，180～240#，200～240#和240～280#的整型混合粒度金刚石平板进行加工。四种不同粒度的整型混合粒度金刚石平板的磨削效率及加工得到的陶瓷球的表面质量见下表16。
表16
实施例6：步骤3)中采用的磨削介质中油酸钠皂水溶液的质量百分比筛选实验
采用本发明的氮化硅陶瓷球的加工方法中的步骤1)-3)进行本实验，实验共设置四组，在其它条件相同情况下，步骤3)中采用磨削介质中油酸钠皂水溶液的质量百分比分别为16％，17％，18％和20％。结果见下表17。
表17
实施例7：步骤4)中采用的整型混合粒度金刚石平板的粒度筛选实验
采用本发明的氮化硅陶瓷球的加工方法中的步骤1)-4)进行本实验，实验共设置五组，在其它条件相同情况下，步骤4)中采用粒度分别为320～500#，360～400#，400～500#的整型混合粒度金刚石平板以及和粒度为400#和500#的单一粒度金刚石平板进行加工。五种金刚石平板的磨削效率及加工得到的陶瓷球的表面质量见下表18。
表18
实施例8：步骤4)中采用的磨削介质中油酸钠皂水溶液的质量百分比筛选实验
采用本发明的氮化硅陶瓷球的加工方法中的步骤1)-4)进行本实验，实验共设置三组，在其它条件相同情况下，步骤4)中采用磨削介质中油酸钠皂水溶液的质量百分比分别为10％，12％和15％。结果见下表19。
表19
实施例9：步骤6)中采用的整型混合粒度金刚石平板的粒度筛选实验
采用本发明的氮化硅陶瓷球的加工方法中的步骤1)-6)进行本实验，实验共设置五组，在其它条件相同情况下，步骤6)中采用粒度分别为700～1200#，800～1000#的整型混合粒度金刚石平板以及和粒度为800#、900#和1000#的单一粒度金刚石平板进行加工。五种金刚石平板的磨削效率及加工得到的陶瓷球的表面质量见下表20。
表20
实施例10：步骤6)中采用的磨削介质中油酸钠皂水溶液的质量百分比筛选实验
采用本发明的氮化硅陶瓷球的加工方法中的步骤1)-6)进行本实验，实验共设置五组，在其它条件相同情况下，步骤6)中采用磨削介质中油酸钠皂水溶液的质量百分比分别为5％，7％，8％，9％和10％。结果见下表21。
表21