高精度陶瓷球轴承是高端机床、高速列车、风电机组等重大装备的关键基础元件,由于其需在高温高压、高速重载及有腐蚀的条件下工作,陶瓷球表面层的任何缺陷都可能影响轴承的使用性能和寿命。为适应恶劣的工作环境,要求加工后的陶瓷球具有纳米级的表面粗糙度和亚微米级的球形误差,并且加工表面不出现微裂纹、划擦伤痕、微观组织变化以及残余应力等。由于目前我国相关加工及装备技术尚未完全解决陶瓷球抛光效率低、表面完整性差的难题,高精度陶瓷球的制造成本一直居高不下。本文在分析比较国内外高精度球的抛光方法和磁流变抛光技术的基础上,提出一种高精度陶瓷球高效低损伤全球面包络磁流变抛光方法。通过构造三维结构的磁流变抛光垫,实现一种抛光力可控的全球面包络磁流变抛光球体模式,有效提高抛光加工效率和球体表面完整性。本文围绕全球面包络磁流变柔性可控化成球机理和材料塑性域去除机理展开研究,分析了加工过程中的磁流变抛光垫动态微观结构变化规律和抛光力阈值、磨粒运动轨迹及其切深等参数对抛光效果的影响规律,揭示了陶瓷球的几何精度变化机制和材料微观去除机制,建立了基于柔性可控加工过程的陶瓷球高效低损伤加工策略和磁流变抛光加工陶瓷球实验平台,优化了磁流变抛光工艺,实现了预设目标。主要研究工作概括如下:1)研究了材料塑性域去除微量控制机理,通过纳米力学模拟实验得到对氮化硅陶瓷球材料进行塑性域去除的临界载荷和临界切深,为高效低损伤抛光陶瓷球的工艺参数选择提供了理论指导。实验结果表明,氮化硅陶瓷材料在磨粒划擦和压入作用下会出现弹性变形、弹塑性变形及脆性断裂三个阶段;在本文的实验条件下,当载荷到达9.8N附近或磨粒切深到达8.3μm附近时,将发生脆性去除方式的微裂纹萌生与扩展。2)提出一种高效低损伤全球面包络磁流变抛光高精度陶瓷球的新方法,通过全球面包络的磁场均匀性设计和抛光盘结构、驱动方式、以及抛光垫动态微观结构控制等新方案,形成三维结构的磁流变抛光垫,对陶瓷球进行包覆、夹持和压力柔性传递,并实现磁流变抛光垫与陶瓷球面接触过程的作用力可控,快速降低球体表面粗糙度和球形误差,有效提高抛光效率和表面完整性。3)基于陶瓷球工件几何运动学和动力学分析得到球体各运动参数的影响关系,利用机械系统分析软件ADAMS对成球过程进行动态仿真,通过高速摄像机观测球坯在加工过程中的运动轨迹,对加工时陶瓷球的公转角速度、自转角速度以及自转角等运动参数进行了理论分析和实验验证。研究了高效低损伤磁流变抛光陶瓷球的柔性可控化成球机理,建立了球体运动模型,提出了抛光轨迹均匀性评价方法,并以抛光轨迹均匀程度为优化目标,采用正交实验仿真的方法找到最佳抛光工艺参数方案。4)分析了磨粒作用于陶瓷球表面的过程,对全球面包络磁流变抛光陶瓷球的抛光力进行了测试与分析,探讨了陶瓷球表面的磁流变效应压力和流体动压力,建立了全球面包络磁流变抛光方式下的抛光力数学模型和材料去除模型。5)系统分析了加工间隙、铁粉浓度和抛光盘转速变化对材料去除率的影响规律。随着加工间隙的增加,材料去除率逐渐降低:当加工间隙为0.4mm时,实验测得陶瓷球直径方向上的材料去除率为8.1μm/h;当加工间隙为1.2mm时,实验测得材料去除率为0.6μm/h。铁粉浓度的增加先让材料去除率增加,当铁粉浓度增加到20vol.%以后,材料去除率不再显著增加甚至有所下降。抛光盘转速的增加也会使材料去除率增加,但是在实验条件下,当抛光盘转速提高到40 r/min后,由于抛光力的增幅变小,材料去除率趋于稳定,大约为3.8μm/h左右。6)利用自行研制的陶瓷球全球面包络磁流变抛光装置对直径为Φ9.525mm的氮化硅陶瓷球进行抛光加工实验。根据仿真结果,采用单因素实验法对加工过程的主要参数进行系统分析,确定工艺参数范围;再采用正交实验方法,综合考虑各因素的交互作用,进一步对主要加工参数进行优化;以表面粗糙度、球形误差、表面形貌、表面损伤等作为抛光加工效果的评价指标,获得最佳工艺参数。经过2小时的抛光加工,使球坯的表面粗糙度Ra从63nm下降到4.35nm,球形误差△Sph从0.18μm下降到0.11μm,批量加工平均直径变动量VDWL0.11μm,达到了陶瓷球轴承氮化硅球的国家标准G5水平。