一种使陶瓷球镀膜均匀化的夹具研究

傅海江

摘 要：为了研究出使球体镀膜均匀化的夹具，利用夹具模型完成几何建模，从运动学的角度对其分析，并利用ADAMS软件实现运动仿真。分析了仿真结果后得出，在DLZ-01型设备上安装三沟道转盘夹具，可以得到均匀、光滑的薄膜。

关键词：夹具；运动分析；ADAMS几何分析；均匀性

中图分类号：TQ171.6 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.03.021

随着高新工业的飞速发展，对球轴承性能的要求也越来越高，尤其是航空航天所用的轴承，在没有保持架的基础上，要想实现自润滑功能，就需要对陶瓷球滚珠表面进行润滑改性。各大科研机构研制出一种新型材料类金刚石膜，并将其用于轴承球体表面。但是，对于球体的表面镀膜，其均匀化直接影响着轴承的性能。

美国Wisconsin大学J.R.conrad教授提出了一种等离子体基离子注入技术。使用该技术，可以直接在工件暴露表面注入离子，但是，要真正做到全方位均匀注入是很困难的。近年来，相关院校研制了DLZ-01型离子注入沉积设备，因为静止的球体表面完全暴露于设备中是不可能的，所以，需要特别设计夹具，使球在离子注入过程中自由滚动，从而得到均匀的DLC膜。

1 陶瓷球的运动分析

要使陶瓷球表面能够沉积均匀的DLC膜，必须使球自由、均匀地运动，这样，球体每部分接触到等离子体的概率是一致的。为此，笔者设计了一种夹具，如图1所示，并从运动学的角度分析了球体在夹具中的运动，验证了球体能否自由、匀速转动。

三沟道转盘以一定转速绕转轴旋转，转盘上加工三道环形沟槽，其截面为三角形。将3个球分别放于球盘的三沟槽中，使其构成正三角形，并用隔离盘固定，隔离盘按照转盘上球的排布加工。第4个球放于三球之上，用相应的隔离盘固定其位置。

1.1 ADAMS建模的几何分析

为了方便研究，设定下面三颗球分别为A，B，C，上面球体为D，转速为w0，4个球的直径皆为d，A，B球球心距转轴距离分别为RA、RB。下面应用ADAMS软件仿真计算夹具中球的运动情况。

对夹具和球体建模，要求夹具和4个球体必须满足一定的几何条件。

1.1.1 C球球心距转轴距离RC

在建模过程中，应知道3个球球心距转轴的距离。已知RA、RB，要想知道C球球心距转轴距离RC，就需要根据A，B，C3个球排布的俯视图，如图2所示，求出RC，即：

从图3中可以看出，球D在y方向上的速度最大，其次是x方向，z方向上角速度相对很小，可以忽略不计，所以，合成角速度几乎分布在O-xy面内。

2 夹具中球的运动分析

分析图3中的角速度曲线可知，随着时间变化曲线无规律地上下波动，说明球的运动没有规律性，再看旋转轴角度的正切值tanγ=wy/wx的变化。因为wx、wy没有规律地变化，所以，相应的γ值是不确定的，也就是说球体可以自由旋转。ADAMS的运动轨迹仿真结果如图4所示。从图4中可以看出，球体表面被均匀的色点覆盖。这证明，利用这种夹具可以使球表面每

一点等概率地暴露在等离子体中，以满足对其均匀性的要求。

3 陶瓷球镀膜试验

利用DLZ-01型设备对陶瓷球表面镀膜，陶瓷球1/4球冠暴露在等离子体中。因为球体不断地无规律转动，则暴露的球冠也在不断变化，使整个球表面沉积上DLC膜。

随机选取膜厚为551.3 nm的陶瓷球2个，利用圆度测量仪随机测量球的4个不同位置， 其圆度值如表1所示。

分析表1中的数据可知，同一颗球体在不同位置上的圆度相差很小，测量原始陶瓷球的圆度为0.06 ?m。比较相关数据后可得，在球体上镀膜对球的圆度影响不大，也就是说，利用夹具对陶瓷球镀膜，可以使球体表面均匀地沉积DLC膜。

4 结论

综上所述，几何分析了夹具模型，并用运动学软件ADAMS仿真了球的运动情况，不论是从对仿真曲线的分析和对球运动轨迹的分析，还是从试验得到沉积膜的球体的圆度测量，都说明了运用三沟道转盘夹具可以在陶瓷球表面均匀地镀膜。

〔编辑：白洁〕