小尺寸薄壁複雜結構件超精密磨削用工具機的製作方法

2023-05-08 12:11:01 1

本發明屬於精密及超精密加工技術領域。

背景技術：

當前精密及超精密加工技術在尖端產品、國防工業和微電子工業等相關領域中佔有重要的地位。相關行業對所需求的零件也提出了越來越高的加工要求，不僅要求具有較高的面形精度、表面粗糙度和較低的亞表層損傷，而且零件形狀也更加複雜化、材料多樣化，除了傳統的塑性金屬材料，也向脆性的非金屬材料發展。而隨著超精密磨削技術的不斷發展，尤其是具有諸多優點的超硬磨料磨削技術，在該類零件的加工中起到了不可替代的作用。

在航空航天領域中，相關的核心部件也具有小型化和結構異形化的發展趨勢。例如一種Ψ形元件，其總體尺寸小於50mm，口徑小於40mm，壁厚小於1.5mm，最小加工曲率半徑小於2mm。是一種典型的薄壁複雜結構件。採用傳統的垂直軸磨削方式時，由於零件的內、外表面和內、外杆均需要進行超精密磨削加工，同時零件的口徑較小，加工砂輪及相關零部件極易與工件幹涉，損壞工件，造成加工失敗，因此無法滿足該類零件的加工要求。同時該零件採用較為難加工的熔融石英作為原材料，超精密磨削過程中砂輪磨損較為嚴重，會對加工工件的面形精度帶來不可忽視的影響，並且也會惡化加工表面質量。同時較高的面形精度要求和較薄的壁厚，決定加工裝置應具有良好的靜動態特性。因此為了滿足在加工過程中可以避免幹涉的產生，同時也可以對砂輪進行在位修整，對具有良好的靜動態特性的超精密磨削工具機提出了需求。

技術實現要素：

本發明是針對具有內凹面的小尺寸薄壁複雜結構件的超精密磨削加工較為困難的問題，提出了一種小尺寸薄壁複雜結構件超精密磨削用工具機。

本發明所述的小尺寸薄壁複雜結構件超精密磨削用工具機，它包括工具機基座1、Y軸直線運動平臺2、X軸直線運動平臺3、風琴防護罩支架4、風琴防護罩5、豎直結構件7、工件主軸8、工件主軸固定裝置9、修整電極主軸10、電火花修整工具電極11、電火花修整供電裝置12、超精密直線運動平臺13、修整電極主軸固定裝置14、超精密直線定位平臺15、一維精密微調位移平臺16、Z軸運動平臺17、轉臺連接件18、直驅精密轉臺19、砂輪主軸20、砂輪主軸固定裝置21、小直徑半球頭砂輪22、CCD對刀監控裝置 23和工作檯24；

工具機基座1包括底座和上層四個擋塊，所述四個擋塊的底邊均垂直設置在底座的上表面，且四個擋依次連接構成矩形框；

Y軸直線運動平臺2固定在工具機基座1的上表面，X軸直線運動平臺3通過定位銷和螺釘固定在Y軸直線運動平臺2的上表面，所述X軸直線運動平臺3的運動軸線與Y軸直線運動平臺2的運動軸線相互垂直；X軸直線運動平臺3的運動部件通過螺釘與工作檯24連接，工作檯24的T形槽的方向與X軸運動方向相同；

工件主軸固定裝置9、超精密直線運動平臺13、電火花修整供電裝置12和CCD對刀監控裝置23均固定在工作檯24的上表面；

工件主軸8裝夾在工件主軸固定裝置9上，修整電極主軸固定裝置14固定在超精密直線運動平臺13上，修整電極主軸10裝夾在修整電極主軸固定裝置14上，CCD對刀監控裝置23用於安裝CCD相機，工具機基座1上層四個擋塊的內側和X軸直線運動平臺3的四周均固定有風琴防護罩支架4；風琴防護罩5包括四部分，分別通過風琴防護罩支架4裝設在工具機基座1上層四個擋塊與X軸直線運動平臺3之間；

Z軸運動平臺17通過螺釘固定在豎直結構件7的豎直安裝面上，Z軸運動平臺17的運動軸線與X軸直線運動平臺3的運動軸線及Y軸直線運動平臺2的運動軸線均相互垂直；

直驅精密轉臺19通過轉臺連接件18與Z軸運動平臺17的運動部件固定連接，一維精密微調位移平臺16安裝在直驅精密轉臺19的下端，超精密直線定位平臺15固定在一維精密微調位移平臺16上，且一維精密微調位移平臺16的運動軸線與超精密直線定位平臺15的運動軸線垂直，砂輪主軸固定裝置21固定連接超精密直線定位平臺15的下端，砂輪主軸20裝夾於砂輪主軸固定裝置21上。

本發明所述工具機採用小尺寸球頭砂輪以斜軸磨削方式對零件進行加工，砂輪主軸通過轉臺安裝於Z軸運動平臺上形成斜軸磨削裝置，X、Y運動平臺通過「十字」堆疊形式構成精密二維裝置實現二維的平面運動。通過多軸控制系統控制運動平臺實現四軸聯動，形成零件的加工軌跡，並與主軸傾斜和轉臺旋轉相配合避免加工過程中幹涉的產生。同時具有磨削和電火花砂輪在位修整兩工位，實現加工過程中球頭砂輪的在位修整，以保證磨削質量，實現超精密磨削。

附圖說明

圖1為本發明所述小尺寸薄壁複雜結構件超精密磨削用工具機的內部結構示意圖；

圖2為本發明所述小尺寸薄壁複雜結構件超精密磨削用工具機的右視圖；

圖3為本發明所述小尺寸薄壁複雜結構件超精密磨削用工具機的整體結構示意圖；

圖4為具體實施方式六所述小尺寸薄壁複雜結構件超精密磨削用工具機的整體結構示意圖；

圖5為工具機整機的總體變形位移雲圖。

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，並不用於限定本發明。

具體實施方式一、結合圖1至圖3說明本實施方式，本實施方式所述的小尺寸薄壁複雜結構件超精密磨削用工具機，它包括工具機基座1、Y軸直線運動平臺2、X軸直線運動平臺3、風琴防護罩支架4、風琴防護罩5、豎直結構件7、工件主軸8、工件主軸固定裝置9、修整電極主軸10、電火花修整工具電極11、電火花修整供電裝置12、超精密直線運動平臺13、修整電極主軸固定裝置14、超精密直線定位平臺15、一維精密微調位移平臺16、Z軸運動平臺17、轉臺連接件18、直驅精密轉臺19、砂輪主軸20、砂輪主軸固定裝置21、小直徑半球頭砂輪22、CCD對刀監控裝置23和工作檯24；

工具機基座1包括底座和上層四個擋塊，所述四個擋塊的底邊均垂直設置在底座的上表面，且四個擋依次連接構成矩形框；

Y軸直線運動平臺2固定在工具機基座1的上表面，X軸直線運動平臺3通過定位銷和螺釘固定在Y軸直線運動平臺2的上表面，所述X軸直線運動平臺3的運動軸線與Y軸直線運動平臺2的運動軸線相互垂直；X軸直線運動平臺3的運動部件通過螺釘與工作檯24連接，工作檯24的T形槽的方向與X軸運動方向相同；

工件主軸固定裝置9、超精密直線運動平臺13、電火花修整供電裝置12和CCD對刀監控裝置23均固定在工作檯24的上表面；

工件主軸8裝夾在工件主軸固定裝置9上，修整電極主軸固定裝置14固定在超精密直線運動平臺13上，修整電極主軸10裝夾在修整電極主軸固定裝置14上，CCD對刀監控裝置23用於安裝CCD相機，工具機基座1上層四個擋塊的內側和X軸直線運動平臺3的四周均固定有風琴防護罩支架4；風琴防護罩5包括四部分，分別通過風琴防護罩支架4裝設在工具機基座1上層四個擋塊與X軸直線運動平臺3之間；

Z軸運動平臺17通過螺釘固定在豎直結構件7的豎直安裝面上，Z軸運動平臺17的 運動軸線與X軸直線運動平臺3的運動軸線及Y軸直線運動平臺2的運動軸線均相互垂直；

直驅精密轉臺19通過轉臺連接件18與Z軸運動平臺17的運動部件固定連接，一維精密微調位移平臺16安裝在直驅精密轉臺19的下端，超精密直線定位平臺15固定在一維精密微調位移平臺16上，且一維精密微調位移平臺16的運動軸線與超精密直線定位平臺15的運動軸線垂直，砂輪主軸固定裝置21固定連接超精密直線定位平臺15的下端，砂輪主軸20裝夾於砂輪主軸固定裝置21上。

本實施方式所述的工具機為雙工位四軸聯動超精密磨削工具機，雙工位分別為球頭砂輪磨削加工工件工位和球頭砂輪電火花在位修整工位，參與四軸聯動的軸為XYZ三個直線運動軸和一個繞Z軸轉動的旋轉軸，除此之外工具機還包括工件主軸、砂輪主軸、電極主軸及兩個超精密直線定位平臺，同時所有運動軸都配有獨立的運動控制器。其中四個聯動軸及其控制器、光柵、運動控制卡、運動控制軟體組成了閉環運動控制系統，可以控制每個運動軸的單獨運動或聯動。將加工代碼導入運動控制系統中，即可實現複雜曲面的加工任務。

首先將驅動器的驅動線、控制線和反饋線分別與相應的運動軸相連，並將參加聯動的軸的驅動器通過火線串聯到運動控制卡上，並為每個驅動器設置獨立的撥號，運動控制卡能夠與計算機中控制系統軟體交換控制信息，從而構成閉環的軟硬體控制系統。其次，將這個運動控制系統上電，並將工具機的各個運動平臺和旋轉軸進行回零操作，然後將工件可靠的裝夾於工件主軸上。由於在加工過程中直驅精密轉臺將帶動砂輪主軸繞Z軸旋轉以避免加工過程中幹涉的產生，因此為了保證球頭砂輪的空間位置不發生改變，需要將球頭砂輪的球心調整到精密轉臺的迴轉軸線上。所以加工前需要採用CCD對刀裝置，按一定的對刀的方法聯合調節一維精密微調位移平臺和超精密直線定位平臺將砂輪球心調整到精密轉臺的迴轉軸線上，同時完成工件加工前程序代碼加工原點的對刀工作。最後，開啟磨削液供給與回收循環工作系統，將加工代碼導入到運動控制系統的控制軟體中，控制XYZ軸的聯合運動，形成球頭砂輪相對工件的運動軌跡，實現對工件的磨削加工。加工過程中隨時觀測砂輪的磨損狀態，當砂輪出現明顯磨損並對工件加工質量產生影響時，將工作檯移動到球頭砂輪電火花修整工位，對球頭砂輪進行在位修整，由超精密直線運動平臺實現修整過程中的精密進給運動，並完成球頭砂輪的修整工作，以保證工件的加工質量。

本發明的工具機基座1由底座和上層四個擋塊這五個部分組成，五部分的材料均為花崗巖，通過內六角螺釘實現固定連接。採用花崗巖材料，是因其具有穩定性好、對振動衰減 能力強、熱膨脹係數小等優點，能夠保證工具機的加工性能。豎直結構件7由立柱和橫梁三部分構成，各部分採用螺釘連接，同樣採用花崗巖材料製成，並通過內六角螺釘固定於基座兩側的擋塊上。

本發明的工件主軸裝夾於工件主軸固定裝置上，主軸可以帶動工件高精度迴轉。修整電極主軸固定裝置連接於超精密直線運動平臺上，電極主軸裝夾於修整電極主軸固定裝置上，可帶動修整電極做高速精密迴轉運動。CCD相機固定裝置上固定連接CCD相機，用於加工前對刀工序。風琴防護罩支架分別與工具機底座和X軸直線運動平臺固定連接，而風琴防護罩則安裝於風琴防護罩支架上，實現防塵和防護飛濺磨削液的功能。

砂輪主軸裝夾於砂輪主軸固定裝置上，砂輪軸線與XY平面成一定夾角，配合直驅精密轉臺的旋轉運動，避免加工過程中砂輪與工件間幹涉的產生。磨削過程採用直徑為3.7～4.2mm的球頭砂輪，可用於小尺寸內凹面零件的磨削加工。

具體實施方式二、本實施方式是對具體實施方式一或二所述的小尺寸薄壁複雜結構件超精密磨削用工具機的進一步說明，Y軸直線運動平臺2的行程為300mm，定位精度為±0.5μm，直線度為2.25μm。

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小尺寸薄壁複雜結構件超精密磨削用工具機的進一步說明，X軸直線運動平臺3的行程為200mm，定位精度為±0.5μm，直線度為2.25μm。

具體實施方式四、本實施方式是對具體實施方式一或二所述的小尺寸薄壁複雜結構件超精密磨削用工具機的進一步說明，Z軸運動平臺17的行程為100mm，定位精度為±0.5μm，直線度為1μm。

具體實施方式五、本實施方式是對具體實施方式三所述的小尺寸薄壁複雜結構件超精密磨削用工具機的進一步說明，它還包括四塊隔振墊鐵6，所述四塊隔振墊鐵6均固定在工具機基座1的下表面，且四塊隔振墊鐵6分別設置在工具機基座1的四個腳的內側。

具體實施方式六、結合圖4說明本實施方式，本實施方式是對具體實施方式三所述的小尺寸薄壁複雜結構件超精密磨削用工具機的進一步說明，它還包括豎直軸防護罩，所述豎直軸防護罩套設在Z軸運動平臺17的外側。

具體實施方式七、結合圖4和圖5說明本實施方式，本實施方式是對具體實施方式六所述的小尺寸薄壁複雜結構件超精密磨削用工具機的進一步說明，它還包括工作檯防護罩，所述工作檯防護罩圍設在工作檯24的四周。

具體實施方式八、本實施方式是對具體實施方式一所述的小尺寸薄壁複雜結構件超精 密磨削用工具機的進一步說明，豎直結構件7包括兩個立柱和一個橫梁，所述兩個立柱通過內六角螺釘固定在橫梁的下側。

本發明在加工過程中，工具機在自身重力和切削力的作用下，相關零部件將會產生變形以導致工具砂輪和工件間的相對空間位置發生改變，從而影響加工質量。同時加工過程中出現的振動將會影響工具機結構的工作壽命，並且振動產生的變形是影響工具機動態誤差的重要因素。同時零件為薄壁件，振動對其加工具有較大的影響，為了獲得較高的加工質量，工具機整機應該具有較好的靜動態特性。

建立工具機整機的CAD模型，並去除對分析結果影響較小的小尺寸結構，並進行網格劃分，建立有限元分析模型。在工具機自身重力作用下，對整機進行靜動態特性分析。

(1)工具機整機靜態特性分析

對工具機進行整機靜態特性分析，能夠反映工具機及其組件的靜剛度情況。工具機整機靜態特性分析結果如表1所示。圖5是工具機整機的總體變形位移雲圖。從圖中變形結果中可以看到，總體最大靜態變形為6.600μm，X、Y、Z三個方向中Z方向變形位移最大為6.260μm，可以看到工具機具有較好的靜態剛度。同時變形是在工具機自身重力作用下產生的，在加工過程中基本不會發生改變，所以對工具機的加工性能影響很小。

表1工具機靜態變形位移

(2)工具機整機動態特性分析

利用ANSYS分析軟體對工具機整機進行模態分析，由於固有頻率越低振型的振幅就越大，對工具機和加工質量的影響也越嚴重，所以在此僅提取工具機前六階固有頻率及相應的振型進行分析，獲得前六階固有頻率如表2所示。

表2工具機前六階固有頻率

從表中可以看到工具機整機一階固有頻率為130.84Hz，說明工具機具有較好的動態剛度，所以工具機具有良好的動態特性。

通過以上對工具機的靜動態特性分析，可以認為本工具機具有良好的靜動態特性，能夠保證工具機的加工性能，可以獲得加工質量較高的零件。

(1)能實現最小曲率半徑小於2mm的工件的超精密磨削加工；

(2)磨削主軸傾斜放置並可配合運動軌跡繞Z軸轉動，以實現在超精密磨削加工口徑小於40mm的零件時，避免磨削工具裝置與工件間幹涉的產生；

(3)具有磨削和砂輪電火花修整兩工位，在加工過程中可以隨時變換工位對球頭砂輪進行修整，在保證球頭砂輪真球度(PV<2μm)的同時保證砂輪磨粒突出均勻，以保證零件的加工質量；

(4)採用四軸聯動運動控制系統，運動系統能夠實現閉環控制和誤差補償，平移軸補償後的定位精度均為±0.5μm，旋轉軸的定位精度為0.75arc sec使工具機可以實現多種異型曲面的超精密磨削加工；

(5)採用高解析度CCD對刀裝置，提高對刀精度的同時，縮短對刀時間；

(6)床身均採用花崗巖材料加工而成，結構尺寸穩定性好、振動衰減能力強、變形小，靜態最大總變形位移為6.6μm，一階固有頻率為130.84Hz，有利於保證超精密磨削加工的質量。

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，對於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，並不用以限制本發明，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範圍之內。