SE512408C2 - Metod och slipcell för rundslipning av kulor av keramiska eller andra hårda material - Google Patents

Description

512 4.08 2 bundet i ytan av ett verktyg, eller röra sig fiitt mellan verktyg och arbetsstycke. Generellt är det svårare, dyrare och mer tidsödande att bearbeta hårda, och därmed också ofta spröda, material. De högre kraven på slippartiklama och verktygens hårdhet och slitagemotstånd gör att endast de allra hårdaste materialen (vanligen diamant) kan användas. Ändå blir slitaget av verktygen ofia oacceptabelt högt och risken for sprickbildning i ytan av spröda material kritisk.

Det har i N. Axén, S. Jacobson, S. Hogmark, Influence of hardness of the counterbody in three-body abrasive wear - an overlooked hardness eñect, Tribology Int. 1994, 27, p. 233-241 visats, att då ett hårt material bringas i glidande kontakt med ett mjukare i närvaro av hårda slippartiklar under lämpligt valda geomettisk kontaktforhållanden, tenderar det hårda materialet att nötas ned snabbast. Orsaken till detta är att de hårda partiklarna trycks in i den mjukare ytan och skär i den hårdare ytan. Den mjuka ytan får därmed funktionen av ett verktyg som stöder och håller partiklarna. Detta erbjuder en princip att bearbeta ett hårt material genom att slita det mot ett mjukare material tillsammans med hårda slippartiklar.

Denna princip används i s.k. läppning.

Slipning av kulor i stål sker normalt med en teknik baserad på läppning. Förkroppar läppas mellan roterande läppskivor med U- eller V-formade cirkulära spår i vilka kuloma drivs fram över motytan i en spiralformad rörelse som ger en samtidig rotation av kulan och en slipning mot skivornas ytor. Tekniken är väl utvecklad och används for slipning av stålkulor, se US 3- 667-168, A, 1972.

En utvecklad metod att slipa kulor är s.k. magnetvätske-slipriing (magnetic fluid grinding), som utvecklats i Japan och England, se T.H.C. Childs, Magnetic fluid grinding of cerarnic balls, Grinding, IDR 3/94, 120-123. Med denna metod slipas kulor i en magnetisk vätska innehållande slippartiklar i en slipcell med sådan geometri att kulorna tvingas att rotera i många olika riktningar, vilket leder till att materialawerkningen fördelas väl över ytan. Med metoden nöts kulorna mot slipcellens väggar genom de slipkorn som finns tillgängliga i magnetvätskan.

Al 512 408 3 Det finns även ett stort antal tekniker baserade på principen att, under lämpligt valda geometriska förhållanden, slipa kulor mot Slipverktyg, typ slipskivor av mycket hårda material, se ex.vis SU 1123-842-A och SU 1787747-A1.

Existerande metoder att slipa kulor är väl optimerade för slipning av kulor av metall, främst stål. För slipning och polering av hårda, spröda keramiska kulor har metoderna nackdelarna av att vara långsamma och dyra, samt att ytfinhet och kulstorlek är svåra att kontrollera. Att slipa spröda material kräver också mild behandling av ytan för att undvika initiering av ytsprickor, vilket gör bearbetning med slipskivor olämpligt Den idag industriellt mest använda metoden för slipning av kulor i hårda material är i stort samma metod som den som används för framställning av traditionella kullagerkulor av stål, dvs läppning mot koncentriskt roterande skivor med spår. Nackdelarna med denna teknik är främst att avverkningshastigheten är låg och att verktygen, i synnerhet läppskivorna, slits fort, Därför blir metoden långsam och dyr.

Följande egenskaper är önskvärda i en ny kulslipningsmetod: 1) Metoden skall möjliggöra snabb och billig slipning och polering. 2) Tekniken skall erbjuda en enkel möjlighet att kontrollera kulstorlek och kulans ytfinhet. 3) Tekniken bör vara lätt att industrialisera för storskalig kulslipning.

Föreliggande uppfinning syftar därför till att anvisa en metod för att slipa och polera kulor till hög ytjämnhet och sfäricitet, samt en anordning för metodens utförande. Metoden är mekanisk och baserad på slipning av kulor av hårda material mot kulor av mjukare material under tillsättande av slipmedel i en anordning vari kulorna bringas att rotera under inbördes anliggning och glidning.

Uppfinningens sylten uppíylles med en metod enligt patentkrav 1, och med en anordning enligt patentkrav 6.

Uppfinningen kommer nedan att beskrivas närmare med hänvisning till bifogade ritningar, av vilka: ll'l|| ll' lll I ll ll l l lll ll l 'll l Illll 512 408 4 Fig. la och lb schematiskt visar den uppfinningsenliga metoden tillämpad i en första utföringsform av anordningen, dels i ett tvärsnitt, dels i en planvy ovanifrån; Fig. 2a och 2b schematiskt visar den uppfinningsenliga metoden tillämpad i en andra utföringsform av anordningen, i vyer motsvarande vyerna av fig. 1; Fig. 3 och 4 schematiskt visar alternativa geometrier av den i anordningen ingående slipcellen.

Metoden bygger på principen att slipa hårda kulor såsom keramkulor från grovt formade förkroppar mot redan tillverkade, mjukare kulor såsom stålkulor, vilka tillföres slippartiklar, tex. diamantpulver. Detta kan ske i en slipcell vilken kan uppvisa olika geometrier. Slipcellen består av en övre och en undre rotationssymmetrisk del, vilken åtminstone partiellt är tillverkad i ett elastiskt material av lämplig hårdhet, företrädesvis mjukare än de mjukaste kulorna. Med elastiskt avses att materialet snabbt skall återgå till ursprunglig form efter deformering.

Ett antal kulor av alternerande mjukt och hårt material placeras i ring i en bana av slipcellen, så att varje hård kula anligger mot åtminstone en mjuk kula. Fördelaktigt är att sortera kulorna så att varannan är hård och varannan mjuk. För slipning av keramkulor används lärnpligen mjukare kulor av stål.

Slipcellens bana är så dimensionerad relativt storlek och antal av de keramiska förkropparna resp. de mjukare kuloma, att då slipcellens delar trycks ihop, pressas kuloma dels mot slipcellens väggar, dels mot varandra i en ring i vilken hård kula trycks mot mjuk.

Då slipcellens övre och undre delar bringas att rotera relativt varandra, medbringas kulorna i slipcellens rotationsriktning p.g.a. friktionen mot slipcelldelarnas väggar för att dels rotera väsentligen i slipcellens rotationsriktning, dels att rotera mot varandra under inbördes glidning.

Då slipmedel tillförs i form av torra partiklar eller slurry, kommer slippartiklarna att fästa i ytan av de mjukare kulorna och bearbeta ytan av de hårdare kulkropparna. Detta förutsätter ett lämpligt val av material i slipcellens väggar, så att friktionen mellan väggar och kulor är högre än mellan kulorna. 512 408 5 Geometrin i denna typ av slipcell bör vara sådan att kulorna tvingas att rotera väsentligen likvärdigt i alla riktningar för att avverkningen skall bli densamma över kulornas yta. De hårda kulkropparnas storlek bestäms av storleken av de mjukare metallkulorna och av slipcellens geometri. Slipningen av de hårda kulorna avtar då deras storlek reducerats till storleken av de mjukare kulorna, efiersom krañen som trycker kulorna mot varandra därvid avtar.

Den uppfinningsenliga slipmetoden kan utnyttja både grova och fina, hårda och mjuka partiklar. Hårda grova ger generellt högre avverkningshastighet, medan mindre och mjukare partiklar ger jänmare ytor. Bearbetningshastighet och ytfinhet regleras genom lämpligt val av slipmedel, den applicerade lastens storlek, rotationshastigheten och antalet kulor i slipcellen.

Nedan och i anslutning till ritningarna kommer nu att beskrivas altemativa utforingsexempel av den i anordningen ingående slipcellen for utövande av den uppfinningsenliga slipmetoden.

I fig. la visas schematiskt ett tvärsnitt genom en första uttöringsforrn av en slipcell, innefattande två axiellt och ovanpå varandra lagrade, rotationssymmetriska kroppar I och 2.

Kropparna 1 och 2 är utformade for att mellan sig avgränsa en cirkulär bana 3 for kulkropparna 4 resp. de mjukare kulorna 5. Den ena av slipcellens kroppar 1 eller 2 är driven for rotation relativt den andra, och aktiverad for utövande av ett axiellt arbetstryck eller last mot kulorna resp. kulkropparna. Slipcellen enligt fig. la och lb uppvisar en central käma 6 vars geometri är utformad for att dessutom utöva ett radiellt utåt riktat arbetstryck under processen. Fig. lb illustrerar schematiskt i en planvy ovanifrån hur de hårda kulkropparna 4 resp. de mjukare kulorna 5 är anordnade växelvis i den undre slipcellskroppen 2.

I fig. 2a och 2b visas schematiskt ett alternativt utforingsexempel av slipcellen. Slipcellen i fig. 2 skiljer sig från slipcellen i ñg. 1 huvudsakligen genom att de rotationssymmetriska kropparna 1' och 2' är utformade för att dessutom utöva ett radiellt inåt riktat arbetstryck eller last under processen.

I ovanstående utforingsexempel uppvisar den cirkulära banan 3 ett parallelltrapetsforrnat tvärsnitt vari kulorna resp. kulkropparna anligger mot tre sidor av banans tvärsnitt. I det första exemplet uppvisar banan 3 en från slipcellens centrumaxel divergerande inre periferi, medan i det andra utföringsexemplet banans yttre periferi divergerar från nämnda axel. I anslutning till fig. 3 och 4 kommer nedan alternativa utforrnningar av banans geometri att beskrivas. will ll». ll. l l... lll ll ll| ll “Ill lllll I' lll' ll lllll l lllll I 1|"l I ll l ll llll I ll llllll ll llll ll lllll I llll: 512.408 6 Fig. 3 visar ett schematiskt, delvis bortbrutet tvärsnitt genom en slipcell 30. Slipcellen 30 innefattar två rotationssymmetriska kroppar 31 resp. 32, axiellt inriktade och i sina motstående ytor formade för att avgränsa en cirkulär bana 33. Den ena av kropparna drives på inte närmare visat sätt för att rotera relativt den andra kroppen. I banan 33 är hårda kulkroppar och mjukare kulor, i ritningsfiguren gemensamt betecknade med hänvisningssiffran 34 placerade i en ring för att medbringas i kroppamas relativa rotation under ett axiellt påfört tryck. Banan 33 uppvisar en i tvärsnitt väsentligen triangelformad geometri vars båda, yttre och inre periferier divergerar fiån slipcellens centrumaxel C. Det inses vid betraktning av fig. 3 att banan 33, inom ett intervall, har förmåga att mottaga kulor resp. kulkroppar av varierande dimensioner i anliggning mot varandra och mot sin inre, lutande periferi.

Fig. 4 visar schematiskt ett delvis bortbrutet tvärsnitt av en slipcell 40. Slipcellen 40 uppvisar två rotationssyrnetriska kroppar, en tryckkropp 41 och en stödkropp 42, axiellt inriktade och lagrade för inbördes rotation runt en axel C. Den undre kroppen, i utföringsexemplet stödkroppen 42 uppvisar en cylindrisk, partiellt konisk käma 43, vilken är axiellt glidbart anordnad i centrum av den stationära stödkroppen 42. Kroppen 42 med kärnan 43 och kroppen 41 avgränsar tillsammans en cirkulär bana 44 med parallelltrapetsformat tvärsnitt.

Centralt i käman sträcker sig en axel 45, på vilken kroppen 41 är vridbart lagrad i anslutning till kämans 43 överdel. Ett drivorgan 46 driver kroppen 41 i rotation runt axeln 45 under påläggning av ett axiellt tryck från ett tryckorgan 47. En kanal 48 sträcker sig genom kärnan 43 för införande av ett slipmedel eller en slurry innehållande slippartiklar och vätska.

Det inses att genom kämans 43 konicitet och glidbara lagring i den stationära stödkroppen 42 medges banan 44 att, inom ett intervall, mottaga kulor resp. kulkroppar av varierande dimensioner 49,50 i anliggning mot varandra och mot kämans periferi, samt mot tryckkroppen 41 och mot stödkroppen 42.

I visade utfóringsexempel anligger kulor och kulkroppar dels mot varandra och dels mot tre ytor av den cirkulära bana som avgränsas av slipcellens ingående element. Utan att detta särskilt visas häri inses emellertid att banan kan uppvisa ett polygonfonnat tvärsnitt vari kuloma och kulkropparna anligger mot fyra eller flera ytor av ex.vis en facetterad bana. Det inses även, att banans tvärsnitt kan uppvisa bågradier, antingen konkava eller konvexa, dels 512. 408 7 partiellt i de områden vari kulomas periferier anligger mot banan, eller alternativt utmed längre avsnitt eller längs hela periferier av banan.

För slipcellselementen bör väljas ett material som är tillräckligt elastiskt for att kunna forma sig i anpassning till storleken av både de mjuka kulorna och de hårdare kulkropparna, som vanligtvis initialt uppvisar en större diameter, for att genom friktion medbringa dessa i rotationen. Materialet skall också vara mjukare än de mjukare kulorna, och som exempel kan här nämnas plast eller gummi, antingen for slipcellselementen i sin helhet eller endast partiellt i de ytor som anligger mot kulornas peiiferier.

Claims (16)

512 408 8 PATENTKRAV

1. Metod att från grovt fórforrnade kulkroppar av hårda material bearbeta och polera kulor till högre sfáricitet och ytjämnhet, att de hårda kulkropparna (4) slipas, under tillsättande av slipmedel, mot sfáriska kulor (5) av mjukare material i slipceller (1, 2) vari de hårda kulkroppama drives att rotera i inbördes relativ glidning i anliggning mot intilliggande sfäriska, mjuka kulor.

2. Metod enligt krav 1, kännetecknad av att de hårda kulkroppama (4) och de mjuka kuloma (5) drives att rotera i en cirkulär bana under relativ inbördes glidning, dels under en mot banan axiellt riktad last, dels under en mot banans centrum radiellt riktad last.

3. Metod enligt krav 1, kännetecknad av att de hårda kulkroppama (4) och de mjuka kuloma (5) drives att rotera i en cirkulär bana under relativ inbördes glidning, dels under en mot banan axiellt riktad last, dels under en från banans centrum radiellt riktad last.

4. Metod enligt krav 1, kännetecknad av att de hårda kulkroppama (4) utgörs av keramiskt material eller hårdmetall och de mjuka kuloma (5) av metall.

5. Metod enligt krav 1, kärmetecknad av att slipcellen åtminstone delvis är tillverkad av ett elastiskt material som är mjukare än både kulkroppama (4) och de mjuka kulorna (5).

6. Slipcell för bearbetning och polering av grovt fórformade kulkroppar av hårda material till högre sfáricitet och ytjämnhet under tillsättande av slipmedel, kännetecknad av åtminstone två rotationsyrnrnetriska kroppar (l,2;1*,2”;31,32;4l,42), vilka drives i relativ rotation under åtminstone en axiellt riktad kraft, vari kropparna är formade för att tillsammans avgränsa en cirkulär bana (3;33;44) för mottagning och drivning av sfäriska kulor (5) av mjukare material under relativ inbördes rotation mot kulkroppar (4) av hårdare material.

7. Slipcell enligt krav 6, kännetecknad av att banan (33; 44) är utformad för att dessutom utöva en radiellt inåt riktad last. .ll 512 4Û8 9

8. Slipcell enligt krav 6, kännetecknad av att banan (3; 44) är utformad för att dessutom utöva en radiellt utåt riktad last.

9. Slipcell enligt krav 6, kännetecknad av en stödkropp (2; 2'; 32; 42) samt en relativt stödkroppen axiellt inriktad tryckkropp (1; 1'; 31; 41), vilka kroppar är rotationssymmetriskt utformade för att gemensamt avgränsa ett ringformat, i tvärsnitt väsentligen triangulärt, polygonformat, parallelltrapetsformat eller bågformat utrymme (3; 33; 44), vars åtminstone ena, inre eller yttre periferi, successivt divergerar från slipcellens centrumaxel.

10. Slipcell enligt krav 9, kännetecknad av att det ringforrnade utrymmets (44) båda periferier divergerar i samma axiella riktning av slipcellen, men i olika vinkel till dennas centrumaxel.

11. Slipcell enligt krav 9, kärmetecknad av att de mjuka kulorna (5) och de hårda kulkroppama (4) under friktionsingrepp kontinuerligt anligger mot tre eller flera sidor av det ringfonnade utrymrnets tvärsnitt, för att medbringas i stödkroppens och tryckkroppens relativa rotation.

12. Slipcell enligt krav 9, kännetecknad av att åtminstone den ena av stödkroppen eller tryckkroppen, helt eller partiellt är tillverkad av ett elastiskt material som är mjukare än både kulkroppama och de mjuka kuloma.

13. Slipcell enligt krav 9, kännetecknad av: att tryckkroppen (41) är rörlig relativt stödkroppen (42); en i tvärsnitt cirkulär kärna (43) vilken sträcker sig centralt och axiellt mellan stödkropp och tryckkropp; ett tryckorgan (47) för att pålägga tryckkroppen en axiellt riktad krafi; ett drivorgan (46) för roterande drivning av tryckkroppen och stödkroppen relativt varandra; samt att den ringfonnade banan (44) är gemensamt avgränsad av tryckkroppen, stödkroppen och kärnan, varvid banan (44) är dimensionerad för mottagning och drivning i relativ glidning av växelvis ordnade hårda kulkroppar (4) och mjukare stäriska kulor (S) i anliggning mot varandra och i samtidig anliggning mot kärnan (43), stödkroppen (42) och tryckkroppen (41).

14. Slipcell enligt krav 13, känneteclmad av: en axel (45), vilken sträcker sig axiellt från stödkämans övre ände för att ansluta till tryckorganet (47), varvid tryckkroppen (41) är axiellt lll l || ll *Il |l ||| 'll llll 'l ll' l |'l ll ll l||l 'l *lll 512 408 10 fixerad men vridbart lagrad på axeln (45) i nära anslutning till stödkämans (43) övre ände; passager (48) för tillförsel respektive bortledning av slipmedel, samt att drivorganet (46) är anordnat fór att driva tryckkroppen i rotation runt axeln.

15. Slipcell enligt krav 14, av att stödkropp (2; 2'; 32; 42), stödkäma (6; 43) och tryckkropp (1; 1'; 31; 41) är framställda av ett elastiskt material som är mjukare än kuloma och kulkropparna, t. ex ett syntetmaterial eller gummi.

16. Användning av keramiska kulor, slipade med en metod enligt krav 1, i kullager och kulleder.