摘要
陶瓷球轴承作为陶瓷材料的高科技轴承产品在多个工业领域有着显著的作用和广阔的应用前景。相对于普通碳钢轴承，陶瓷球轴承具有强度高、硬度高、膨胀系数低、耐腐蚀、耐磨损等优点，且在极端复杂工况下具有良好的服役性能，在当今高端轴承产品的设计和开发中有着不可或缺的地位，可广泛应用于航空航天、先进装备制造等领域。陶瓷球作为陶瓷球轴承的关键组件，其形状精度和表面质量对陶瓷球轴承的使用性能、工艺性能等具有重要的意义。本文重点针对锥形研磨法下陶瓷球的加工精度(主要包括圆度和粗糙度)预测、成球圆度以及表面粗糙度检测等关键问题进行了研究，具体研究内容如下： (1) 对陶瓷球进行了动力学和运动学分析，分别建立了其在锥形研磨槽下的公转和自转运动模型，并对单个研磨周期内的下盘磨损轨迹和陶瓷球表面研磨轨迹进行了仿真分析。依据仿真结果可知，在合理选择载荷FN的前提下，控制研磨盘转速ng、陶瓷球自转角变化幅度Δδ等参数可以较好的保证球体的形状精度，这为后续陶瓷球圆度误差预测模型的研究提供了理论基础。 (2) 建立了陶瓷球在锥形研磨法下的圆度误差预测模型。首先通过田口法和灰色关联法确定了研磨参数对陶瓷球圆度的影响程度，再在此基础上利用RSM法构建了圆度误差预测模型，并验证了模型的正确性。研究结果表明：该陶瓷球圆度预测模型拟合程度较好，达到了99.59%；预测精度较高，保持在96.69%左右。 (3) 建立了陶瓷球在锥形研磨法下的表面粗糙度预测模型，并在此基础上进行了仿真分析，得到不同转速ng、载荷FN、研磨液浓度Dm对陶瓷球体表面粗糙度及形貌的影响。通过轮廓仪、扫描电镜以及超景深显微镜分别对研磨后的陶瓷球进行检测，并与仿真结果进行对比分析。结果表明，该预测模型对陶瓷球体表面粗糙度值Ra的预测精度为83.3%~97.79%，对粗糙度值Rz的预测精度为67.23%~89.76%，基本能够实现对陶瓷球体表面加工质量进行较为精准的预测评估。 (4) 优化了适用于陶瓷球的加工精度检测方法。圆度检测方面，利用 EMD 对加工后的陶瓷球形状精度信号进行了处理，结合圆度逼近算法输出了相应的圆度误差计算结果。并与圆度仪检测结果进行了对比分析，结果表明，该圆度检测法误差率维持在0.32%~1.45%，与传统检测方法相比提升了1.39%~10.1%。粗糙度检测方面，基于模拟退火算法改进的CatBoost算法建立了陶瓷球灰度图像的各个GLCM特征参数和粗糙度值之间的回归模型，经过实验验证及对比分析可知，检测精度达到 98.2%，基本可以用于对加工后陶瓷球的高精度检测。
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