具有砂輪修整和磨削加工的兩工位加工裝置的制作方法

本發明屬于超精密加工技術領域。

背景技術：

隨著科學技術的日益發展，超精密加工技術在國防工業、航空航天科技、光學與通信、新能源等眾多高技術領域中發揮著越來越重要的作用。同時這些領域對所需求的零件的加工質量也提出了越來越高的要求，使用的材料越來越多樣化，結構也相應的越來越復雜化，這些特點使得該類零件的加工難度也隨之增加。該類零件多由超精密磨削來實現其加工過程。

當該類零件的總體尺寸較小時，由于結構比較復雜，所以加工過程中工具砂輪極易與工件產生干涉，而且其圓弧曲率半徑較小，因此，需要采用小尺寸的球頭砂輪對其進行超精密磨削加工。因為球頭砂輪的直徑受最小曲率半徑限制一般只有幾毫米，所以其加工線速度不會特別高，為了獲得優異的加工質量，則需要采用細微粒的金剛石作為磨粒。該類球頭砂輪在加工熔融石英等難加工材料的過程中容易產生磨損，使砂輪失去正常磨削能力，從而影響加工零件的表面質量，也使得加工后零件的面型精度變差。而砂輪安裝所帶來的偏心等問題也會使工件的加工表面質量和面型精度變差，并加劇砂輪的磨損速度。為了解決這兩個問題，需要一種具有兩工位的磨削裝置能夠在砂輪安裝后進行修整以盡可能減小偏心量的存在，可以在加工過程中實現對砂輪的隨時修整，以獲得砂輪較高的面型精度的同時提高砂輪的磨削能力，并且具有砂輪修整過程監測能力。

技術實現要素：

本發明是為了解決對小尺寸球頭砂輪在安裝后存在偏心量和加工過程中細磨粒球頭砂輪磨損導致加工質量和面型精度變差的問題，提出了一種具有砂輪修整和磨削加工的兩工位加工裝置。

本發明所述的具有砂輪修整和磨削加工的兩工位加工裝置，該裝置包括修整裝置防護罩3、工作臺防護罩5、工件主軸裝置防護罩6、工作臺7、工件主軸8、兩個ccd監測裝置、電火花修整裝置、工件主軸過渡板22、精密定位平臺防護罩23、防護裝置蓋板25、工件主軸夾持件26、超精密定位平臺27、修整裝置過渡板28、電極支撐桿29和電極蓋板13；

ccd監測裝置包括二維微位移平臺11、ccd對刀裝置連接板12、ccd相機10、ccd對刀裝置定位塊18、二維微位移平臺連接板19和ccd相機夾持件20；

電火花修整裝置包括修整電極主軸2、修整電極9、石墨電刷14、電刷絕緣外殼15、電刷彈簧16和修整電極主軸夾持件24；

工作臺7的上表面等間隔開有t型槽，所述t型槽用于通過t型槽螺釘將兩個ccd監測裝置、電火花修整裝置和工件主軸夾持件26固定在工作臺7上；

工件主軸過渡板22通過定位塊定位于工作臺7上表面，并通過t型槽螺釘緊固，工件主軸夾持件26連接于工件主軸過渡板22上，工件主軸8安裝于工件主軸夾持件26的夾持孔內，并通過旋緊螺釘進行夾緊緊固；所述工件主軸8的軸心方向與t型槽方向平行；

工作臺7的四周設有工作臺防護罩5，所述工作臺防護罩5的內側設有工件主軸裝置防護罩6，工件主軸8與電火花修整裝置之間設有上邊緣高度可上下調節的防護風琴罩；

精密定位平臺防護罩23和防護裝置蓋板25分別設置在修整電極主軸夾持件24下側過渡板的側面和上面，精密定位平臺防護罩23和防護裝置蓋板25用于避免球頭砂輪電火花修整過程中，工作液飛濺入直線電機驅動的超精密定位平臺內部；修整電極主軸夾持件24安裝于防護裝置蓋板25的上表面，修整電極主軸2安裝于修整電極主軸夾持件24的夾持孔內，并通過旋緊螺釘進行夾緊緊固；修整電極9安裝在修整電極主軸2的軸孔內；修整裝置防護罩3圍設在電火花修整裝置的外側，修整裝置防護罩3的前端面開設有圓形通孔，所述修整電極9的前端穿過所述修整裝置防護罩3前端面的圓形通孔；

ccd對刀裝置連接板12通過定位塊定位在工作臺7的上表面，二維微位移平臺11通過二維微位移平臺連接板19與ccd對刀裝置連接板12連接，ccd相機10通過ccd相機夾持件20夾設在二維微位移平臺11的上；

ccd對刀裝置定位塊18固定連接于ccd對刀裝置連接板12的下側，ccd相機10的鏡頭對準球頭砂輪電火花修整加工區域或工件磨削加工區域；ccd相機10用于監測球頭砂輪電火花修整過程和工件磨削過程；

電極蓋板13壓緊電刷彈簧16將石墨電刷14壓緊在電刷絕緣外殼15的內部，電刷絕緣外殼15通過電極支撐桿29安裝于修整裝置過渡板28上；

修整裝置過渡板28通過定位塊定位于工作臺7上，超精密定位平臺27安裝在修整裝置過渡板28上，修整電極主軸夾持件24通過過渡板安裝于超精密定位平臺27的上側。

本發明是針對小尺寸球頭砂輪在安裝后存在偏心量和加工過程中細磨粒球頭砂輪磨損導致加工質量和面型精度變差的問題，電火花修整裝置和磨削工件主軸裝置并排安放于工作臺上形成兩工位，并安裝ccd監測裝置，監測砂輪修整過程。在砂輪安裝后可通過電火花修整工位對砂輪進行修整，減小砂輪安裝過程中所帶來的偏心誤差，在加工過程中砂輪產生磨損時，可以隨時更換磨削加工工位和修整工位，對砂輪進行電火花修整，以保證對工件的超精密磨削加工。

本發明所述裝置通過工作臺過渡連接板上預留的連接孔與機床運動平臺相連，并可以隨運動平臺實現運動。該裝置的運動系統主要由超精密定位平臺及工件主軸和修整電極主軸組成，每個運動軸及定位平臺都有獨立的驅動器，定位平臺可通過控制反饋信號線與運動控制卡相連，受控于上位機的運動控制軟件，可以實現閉環控制，以及相應的誤差補償，以獲得更高的運動精度。

完成該裝置與機床的軟硬件連接工作后，即可使用該裝置進行磨削加工和球頭砂輪的電火花修整加工。加工前檢查修整裝置中碳刷的可用長度并調整碳刷彈簧的預緊力，保證碳刷在修整過程中與修整電極和球頭砂輪桿的可靠接觸。然后將平頭砂輪安裝于砂輪主軸上，操作機床運動平臺，使其處于電火花修整工位，并用修整工位的ccd對刀裝置完成修整前的對刀工作，開啟砂輪和電極主軸并供給磨削液，開始對砂輪進行球頭修整，這樣可以盡可能的減小砂輪安裝偏心對磨削加工過程所帶來的影響。修整后將工作臺移動到磨削工位，完成ccd對刀，并對零件進行磨削加工，加工過程中用ccd裝置對砂輪的磨損狀態進行實時監測。達到一定的磨損量時，移動工作臺至修整工位對磨損的砂輪進行修整，依次往復進行，完成零件的高質量磨削加工。

附圖說明

圖1為本發明所述的具有砂輪修整和磨削加工的兩工位加工裝置的俯視圖；

圖2為本發明所述具有砂輪修整和磨削加工的兩工位加工裝置的后視圖；

圖3為本發明所述的具有砂輪修整和磨削加工的兩工位加工裝置的左視圖；

圖4為異面誤差分析坐標圖；

圖5為砂輪徑向跳動誤差分析坐標圖；

圖6為電極徑向跳動誤差分析坐標圖。

具體實施方式

為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。

具體實施方式一、結合圖1至圖3說明本實施方式，本實施方式所述的具有砂輪修整和磨削加工的兩工位加工裝置，該裝置包括修整裝置防護罩3、工作臺防護罩5、工件主軸裝置防護罩6、工作臺7、工件主軸8、兩個ccd監測裝置、電火花修整裝置、工件主軸過渡板22、精密定位平臺防護罩23、防護裝置蓋板25、工件主軸夾持件26、超精密定位平臺27、修整裝置過渡板28、電極支撐桿29和電極蓋板13；

ccd監測裝置包括二維微位移平臺11、ccd對刀裝置連接板12、ccd相機10、ccd對刀裝置定位塊18、二維微位移平臺連接板19和ccd相機夾持件20；

電火花修整裝置包括修整電極主軸2、修整電極9、石墨電刷14、電刷絕緣外殼15、電刷彈簧16和修整電極主軸夾持件24；

工作臺7的上表面等間隔開有t型槽，所述t型槽用于通過t型槽螺釘將兩個ccd監測裝置、電火花修整裝置和工件主軸夾持件26固定在工作臺7上；

工件主軸過渡板22通過定位塊定位于工作臺7上表面，并通過t型槽螺釘緊固，工件主軸夾持件26連接于工件主軸過渡板22上，工件主軸8安裝于工件主軸夾持件26的夾持孔內，并通過旋緊螺釘進行夾緊緊固；所述工件主軸8的軸心方向與t型槽方向平行；

工作臺7的四周設有工作臺防護罩5，所述工作臺防護罩5的內側設有工件主軸裝置防護罩6，工件主軸8與電火花修整裝置之間設有上邊緣高度可上下調節的防護風琴罩；

精密定位平臺防護罩23和防護裝置蓋板25分別設置在修整電極主軸夾持件24下側過渡板的側面和上面，精密定位平臺防護罩23和防護裝置蓋板25用于避免球頭砂輪(21)電火花修整過程中，工作液飛濺入直線電機驅動的超精密定位平臺內部；修整電極主軸夾持件24安裝于防護裝置蓋板25的上表面，修整電極主軸2安裝于修整電極主軸夾持件24的夾持孔內，并通過旋緊螺釘進行夾緊緊固；修整電極9安裝在修整電極主軸2的軸孔內；修整裝置防護罩3圍設在電火花修整裝置的外側，修整裝置防護罩3的前端面開設有圓形通孔，所述修整電極9的前端穿過所述修整裝置防護罩3前端面的圓形通孔；

ccd對刀裝置連接板12通過定位塊定位在工作臺7的上表面，二維微位移平臺11通過二維微位移平臺連接板19與ccd對刀裝置連接板12連接，ccd相機10通過ccd相機夾持件20夾設在二維微位移平臺11的上；

ccd對刀裝置定位塊18固定連接于ccd對刀裝置連接板12的下側，ccd相機10的鏡頭對準球頭砂輪電火花修整加工區域或工件磨削加工區域；ccd相機10用于監測球頭砂輪電火花修整過程和工件磨削過程；

電極蓋板13壓緊電刷彈簧16將石墨電刷14壓緊在電刷絕緣外殼15的內部，電刷絕緣外殼15通過電極支撐桿29安裝于修整裝置過渡板28上；

修整裝置過渡板28通過定位塊定位于工作臺7上，超精密定位平臺27安裝在修整裝置過渡板28上，修整電極主軸夾持件24通過過渡板安裝于超精密定位平臺27的上側。

本實施方式所述的工作臺通過內六角螺釘與工作臺過渡板相連接，采用工作臺過渡板可以在一定程度上減小工作臺因加工t型槽而帶來的變形，同時可以方便將該裝置與機床運動平臺連接。工作臺上分布的裝置主要為并排安裝的工件主軸系統和球頭砂輪電火花修整系統以及ccd對刀裝置。工件主軸系統通過定位塊安放于工作臺上，并采用t型槽螺釘將工件主軸過渡板固定于工作臺上，安裝過程中應嚴格保證工件主軸軸線與t型槽方向一致。工件主軸夾持件通過定位銷準確的安裝于工件主軸過渡板上，并通過內六角螺釘緊固。工件主軸安裝于工件主軸夾持件的夾持孔內，并通過旋緊內六角螺釘夾緊工件主軸，并調整旋緊力的大小，以避免對工件主軸內部結構造成損壞。電火花修整系統通過定位塊定位放置于工作臺上，并通過修整裝置過渡板與工作臺固定連接，安裝過程中應保證修整電極主軸的方向與t型槽的方向嚴格一致。修整過程中二維微位移平臺連接板安裝于過渡板上，因該平臺為直線電機驅動平臺，所以為其設計磨削液防護裝置，在運動平臺上安裝過渡連接板，運動平臺防護罩通過內六角螺釘連接于過渡板上，過渡板的上表面安裝防護裝置蓋板(防止磨削液從上部流入)，防護裝置蓋板上安裝修整電極主軸夾持零件，電極主軸安裝于夾持件的圓孔中，并通過內六角螺栓夾緊，夾緊過程中注意調整夾緊力的大小。ccd對刀裝置通過定位塊定位安放于工作臺上，并通過過渡板固定。通過位移平臺連接板將二維微位移平臺連接到過渡板上，二維微位移平臺的作用是在ccd裝置固定于工作臺上后，可以進行微調以實現ccd相機的對焦功能。ccd相機夾持件通過內六角螺釘固定連接在二維微位移平臺上，與ccd相機夾持件上部相互配合在內六角螺釘的作用下夾緊ccd相機和鏡頭。為了保證工件主軸系統和電火花修整系統的正常運行，需要為其設計磨削液防護裝置。首先是工作臺防護罩通過內六角螺釘安裝于工作臺的四周，防止工作液飛濺到工作臺以外的地方，防護罩設計有門和玻璃窗，以方便操作和觀察。工作臺中間設計有豎直方向的風琴罩，可以避免磨削和修整工藝過程的相互干擾。同時為工件主軸裝置設計防護罩并通過內六角螺釘固定于工件主軸過渡板上，為修整裝置設計防護罩并通過內六角螺釘固定于修整裝置過渡板上，以保證工件主軸裝置和修整裝置的正常運行。

由于在超精密磨削加工過程中，球頭砂輪的面型精度將會直接影響加工后工件的面型精度，所以為了獲得高面型精度的工件，需要使砂輪修整的面型精度較高。因此需要分析修整過程中對面型精度的影響因素。通過分析可以發現對砂輪修整后面型精度具有影響的因素主要包括：砂輪軸線和修整電極軸線的異面、砂輪主軸的徑向跳動、工件主軸的徑向跳動這三個因素。

(1)砂輪軸線和修整電極軸線異面分析

當砂輪軸線和電極軸線存在異面誤差時，異面誤差值為δ1。建立砂輪的空間直角坐標系，原點位于標準球頭砂輪球心o，并隨砂輪轉動。建立電極的空間坐標系，原點為o0，其坐標為(x0,y0,z0)電極圓環中心為o1，其坐標為(x1,y1,z1),空間位置不發生改變,(x,y,z)為電極圓環上的任意一點。建立的兩坐標系如圖4所示。

當砂輪坐標系旋轉時，電極圓環相對于砂輪形成運動軌跡，包絡出砂輪端部形狀，根據電極圓環和砂輪的相對關系，計算出存在異面誤差時修整出的砂輪端部輪廓表達式，見式(1)。

式中r為球頭砂輪半徑；

因此當存在異面誤差時砂輪修整的面型精度為：

其中：δ1為存在異面誤差時砂輪修整的面型精度，r為球頭砂輪半徑；

(2)砂輪主軸徑向跳動分析

當砂輪主軸徑向跳動誤差為δ2時，建立砂輪直角空間坐標系和電極空間直角坐標系，砂輪坐標系原點位于砂輪修整后的理想球心位置，電極坐標系原點為o0，其坐標為(x0,y0,z0),電極圓環的圓心為o1,，其坐標為(x1,y1,z1)。(x,y,z)為電極圓環上的任意一點其中砂輪坐標系xy平面和電極坐標系x’y’平面處于同一平面內，在砂輪主軸運動過程中，砂輪坐標系繞電極坐標系沿誤差圓運動，如圖5所示。砂輪徑向跳動誤差值為δ2，運動過程中x’正向與o1o0連線的夾角為α,獲得砂輪修整面型輪廓表達式如式(3)所示：

面型精度誤差為：

其中，δ2為砂輪主軸徑向跳動誤差分析；

(3)電極主軸徑向跳動分析

當電極主軸徑向跳動為δ3時，并且理想軸線的連線與豎直方向夾角為θ，可知此時的異面量為δ3sinθ。建立處于此位置的砂輪直角坐標系o，并建立處于任意旋轉位置的電極直角坐標系o0，原點坐標(x0,y0,z0)，建立好的直角坐標系如圖6所示。根據此坐標系推導在此狀態下修整出來的砂輪形狀公式為(5)

因此面型精度為：

其中，δ3為砂輪主軸徑向跳動誤差分析；

(4)綜合分析

采用rrs方法對三種誤差進行綜合和誤差分配，當砂輪直徑為3.8mm，要求修整后砂輪的面型精度要小于3.5μm，則砂輪主軸和電極主軸的徑向跳動量應優于1μm，砂輪軸線和電極軸線間的異面誤差應該小于3μm。

具體實施方式二、本實施方式是對具體實施方式一所述的具有砂輪修整和磨削加工的兩工位加工裝置的進一步說明，它還包括走線擋塊1和走線槽4，所述走線槽4通過螺栓固定安裝于工作臺防護罩5的外側；走線擋塊1通過螺釘將密封膠墊壓緊于工作臺上。

本實施方式的走線擋塊1通過螺釘將密封膠墊壓緊于工作臺上，防止工作液流入工作臺下方。

具體實施方式三、本實施方式是對具體實施方式一或二所述的具有砂輪修整和磨削加工的兩工位加工裝置的進一步說明，它還包括工作臺過渡板17，所述工作臺過渡板17安裝在工作臺7的下側。

本發明的優點：

(1)該裝置適用于小尺寸零件磨削加工及直徑小于2mm球頭砂輪的電火花修整加工，球頭砂輪修整后面型精度優于2μm；

(2)該裝置可以實現在磨削過程中隨時對砂輪磨損狀態進行ccd監控，并隨時對磨損的砂輪進行電火花修整，以保證磨削后工件的加工質量；

(3)修整裝置的進給運動由高精度定位平臺實現，該平臺可以實現閉環控制和誤差補償，定位精度為±0.1μm，以保證修整后砂輪的尺寸精度。同時定位平臺可與機床其余運動平臺聯動，以獲得不同砂輪形狀；

(4)該裝置采用小尺寸的高速精密電主軸，適合于小尺寸零件的磨削加工，電主軸的回轉精度均優于1μm，以保證磨削的加工質量和球頭砂輪修整后的高面型精度；

(5)磨削和電火花修整過程采用相同工作液，避免加工過程中工作液對裝置的正常運行帶來的影響，為電火花修整裝置和磨削加工裝置設計磨削液防護罩。

在本發明的描述中，需要說明的是，除非另有明確的規定和限定，術語“安裝”、“相連”、“連接”應做廣義理解，例如，可以是固定連接，一體地連接，也可以是可拆卸連接；可以是兩個元件內部的連通；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，對于本領域的普通技術人員而言，可以具體情況理解上述術語在本發明中的具體含義。

以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。