专利名称：一种金刚石镀层超高精度同轴研铰棒的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种金刚石镀层超高精度同轴研铰棒，为金刚石镀层(或 烧结层)超高精度同轴研铰棒，属于研铰工艺技术领域中加工高精度同轴孔系 的新型研铰工具。
背景技术：
各类中小型数控机床关键的高精度主轴部件，其中最难达到精度要求的主轴
套筒零件，如图2其同轴孔系的前后轴承座孔A和B的同轴度、圆度、圆柱度、 端面垂直度以及表面粗糙度等各项精度均有很高的要求，主轴套筒的加工质量 直接影响到精密高速主轴的使用精度，对于主轴套筒高精度同轴孔系的机械加 工方法，归纳起来有如下不同的加工方案，但各有各自的不可克服的难点和薄
弱环节，其分析如下
1 . 主轴套筒类高精度同轴孔系的前后轴承座孔一次悬镗的加工方案
以①165外圆定心，以C端面定位，最后精镗和用CBN刀片的组合长镗杆不 换刀仅使用机床Z轴运动一次先后将B孔及A孔精镗出，工艺上可以保证两孔 同轴度，加工效率高，但存在以下问题
由于悬镗的镗杆过长，这也正是加工机床难以保证加工质量的难点，其远 端B孔的加工质量将低于前端A孔。即使使用精密机床加工，其机床主轴的回 转精度和刚度再好在长镗杆悬镗情况下也很难保证圆度和圆柱度3u的要求，而 表面粗糙度使用新刀片在最好的加工条件下只能保证RaO. 8，很难保证RaO. 4的
要求，尤其悬镗远端孔难度则最大。
2 .180°调头镗套筒两端轴承座孔加工方案
用精密卧式加工中心或卧式坐标镗床，采用180°调头精镗套筒前后两端轴 承座孔的加工方法，很难保证套筒两端轴承座孔的同轴度，其原因如下
a. 任何精密转台都有士2"的转角误差，调头转角180°其转角误差就直接
造成所镗两孔中心线不在同一条轴线上，而产生调头镗两孔的不同轴误 差。调头转角后工作台的锁紧又会引起新的误差。
b. 精密转台旋转后，其工作台的上平面必然有端面跳动，其跳动值就直接 造成调头镗两孔中心线的不等高，也会引起加工后的两孔不同轴。
c. 利用精密转台180°调头镗套筒两端轴承座孔，其套筒不可能正好安装在 转台中心上，必然有偏置，所以转台180。调头后，工作台X轴就会有位 移自动跟踪以保证两孔中心线同轴，工作台有移动就会产生位移误差， 其位移误差值也直接造成两孔的同轴度误差。
综合前述a、 b、 c三个原因，要想达到主轴套筒两端轴承座孔5ym的同轴 度高精度要求是根本不可能的， 一般调头镗最好情况下只能达到10 um的同轴 度。
因此调头镗只能作为粗镗、半精镗用，而不能作为精镗主轴套筒两端轴承 座孔用。
3 . 利用精密内圆磨床调头磨主轴套筒两端轴承座孔的加工方案 因主轴套筒两端轴承座孔轴向尺寸跨度大，不可能用长砂轮杆在一次定位
下磨出主轴套筒前后两端轴承座孔，而普遍都采用调头磨的加工方案。
由于主轴套筒轴向尺寸长，调头磨必须用刚性足、微量调整精度高、支承 稳定的中心架，其磨削精度不仅取决于机床工作主轴回转精度，还与主轴套筒 的装卡及中心架所支承的套筒外圆精度(圆柱度、同轴度)以及调整找正精度有 关。
(1) 调头磨削主轴套筒类型的高精度同轴孔系对工艺支承用外圆的工艺要 求
a圆度要求
要想磨出圆度《3um的孔，其中心架所支承用的外圆必须《1.5um，否 则外圆的不圆度将复映到所磨的孔中； b同轴度要求
要想磨出主轴套筒两端轴承座孔的同轴度《5um，其中心架两端支承用 的外圆同轴度必须《2um; C找正精度要求
精密内圆磨床磨削主轴套筒两端轴承座孔， 一般都采用以外圆定位，卡
一端，中心架架另一端进行调头磨，装卡要求找正远近端支承外圆跳动《2 um，并找正远近端外圆上母线及侧母线《2um，否则磨不出圆度、圆柱度《 3um，同轴度《5um的主轴套筒的两端轴承座孔。
(2) 对加工设备加工精度要求 a对精密外圆磨床要求
瑞士STUDER公司产的精密外圆磨床，其磨削圆度可达0.4um，表面粗糙 度可满足Ra《0. 2 u m要求，如果外圆磨床自身精度满足不了 1. 5 u m圆度要求， 就不能达到磨削主轴套筒内圆作为工艺用支承外圆精度要求。 b对精密内圆磨床要求
瑞士 VOUMARD公司产的精密内圆磨床，其所磨削内圆的圆柱度可达0. 5ix m， 表面粗糙度Ra值可达0. 2 P m，如果内圆磨床自身精度满足不了 2 ii m圆度磨削 要求，就不能用于磨削高精度主轴套筒前后轴承座孔。
精密内圆磨还必须配备大直径、刚性足、微调精度高、锁紧可靠、调整后 磨削精度稳定的精密中心架，才可有效的提高磨削效率，减少调整找正时间。 (3)综合上述用精密内圆磨床调头磨削主轴套筒同轴孔系的前后两端轴承座 孔方案可行性分析及存在的问题
利用精密外圆磨床及精密内圆磨床生产制造精密主轴套筒，在精度和质 量上是可行的，但其存在以下问题
1、 设备投资大，需购置价格昂贵的精密外圆磨床及精密内圆磨床；
2、 制造精度受人为因素的影响太大；
如磨削高精度外圆除靠高精度外圆磨床加工其精度，更重要的还与人为 的研磨顶尖孔质量有关，如顶尖孔加工质量不好会造成轴类中心线摇摆，就磨 不出更高精度的外圆。
调头磨削主轴套筒两端轴承座孔，除靠高精度内圆磨床外，更重要的还与 人为调整找正精度有关，如找正精度不够或中心架调整后精度不稳定，就会直 接影响前后轴承座孔的同轴度。由于中心架支承造成偏心也磨不出同轴度《5u m及圆柱度《3 ii m的轴承座孔来。
3、 效率低、加工成本高、不适合规模生产。 发明内容
本实用新型金刚石镀层(烧结层)超高精度同轴研铰棒是新研铰工艺， 为解决高精度同轴孔系精加工提供的一种实用新型的研铰工具。
本实用新型所采用的技术方案是
一种金刚石镀层超高精度同轴研铰棒，在各外圆轴向上合理的布有前导向 锥、前后导向柱、前后研铰柱、端面金刚石研铰镀层及后导向锥；
在前导向锥、前后导向柱及前后研铰柱后导向锥外圆上及相应的端面上均 有金刚石镀层。
本实用新型的效益在于，金刚石镀层超高精度同轴研铰棒的尺寸公差、圆度、 圆柱度、同轴度均达到极高精度。研铰棒以主轴套筒原留研量的前后轴承座孔 同时作为导向，通过简单易行对孔系的手工研铰，成功的弥补和修正了原孔系 难以解决而产生的几何精度(圆度、圆柱度、同轴度)误差，且能达更高的精度 要求。使主轴套筒孔系加工原处于难以解决的劣势得以成功的解决，从而转化 为新的优势。此项创新工艺技术对提高我国机床行业批量生产各类中小型数控 机床精密主轴部件，在技术上工艺上具有推广意义。
利用金刚石镀层超高精度同轴研铰棒对主轴套筒孔系的研铰精度取决于研 铰棒自身制造精度，经研铰后的主轴套筒孔系可获得用其他方法难以达到的高 稳定的加工精度。研铰棒在被加工孔系中即做正反向旋转运动，同时又做前后 轴向运动，其研铰加工机理是其镀层金刚石磨粒在孔内不会重复先前的运动轨 迹，从而极易切掉被研铰孔表面上的凸峰，即可获得极低的表面粗糙度，又可 修研矫正同轴孔系原加工的同轴度、圆度、圆柱度、尺寸公差、端面垂直度等 各项精度误差，并达到更高精度要求。金刚石镀层超高精度同轴研铰棒对主轴
套筒高精度同轴孔系研铰过程，不需要任何复杂设备，只要手工简单操作；研
铰过程只用煤油润滑，只要研铰棒在被研孔内做正反向旋转运动同时又做轴向 运动，使整个孔系表面及相应的垂直内端面都得到均匀的研铰，轴向手工研铰
到底再返回只往复一次即可。简单易行的手工操作就可使主轴套筒高精度同轴 孔系加工高效获得质量稳定的高精度。其效率和可靠性是其他加工方法不可比 拟的。金刚石研铰方法加工主轴套筒类型零件的高精度同轴孔系，无需任何加
工设备，其每套三根研铰棒总价格不超过1. 2万元，每套可保研铰2000件以上， 即摊到每个主轴套筒高精度同轴孔系精研铰加工投资成本费约为6元左右，采
用其他加工方法投入的成本远超过金刚石研铰的成本。经研铰后主轴套筒可获 极小的表面粗糙度，可有效地提高孔系加工表面的耐磨性、抗腐蚀能力和疲劳 极限。
同轴度及圆柱度极高的一种新型金刚石镀层超高精度同轴研铰棒是利用主 轴套筒原镗出的同轴的前后轴承座孔作导向，经过简单易行的手工研铰工艺方 法，批量高效、质量稳定、低成本的解决了数控机床主轴套筒类型的高精度同 轴孔系加工的难题。
研铰棒镀层的金刚石硬度极高很耐用，在研铰二三百件的主轴套筒类零件的 高精度同轴孔系，不仅效率高，其金刚石镀层研损量很小可忽略不计。在研铰 过程中不加任何研磨剂，只加适量煤油作润滑剂，利用主轴套筒原同轴孔作导 向，手工操作通过金刚石镀层超高精度研铰棒与主轴套筒被研铰孔系在一定的 研磨力作用下，研铰棒在被研铰同轴孔系内既作正反向旋转运动，又作轴向运 动，在被研孔系内前后只往复一次即可从主轴套筒被研孔系及内孔垂直端面上 修正和研铰下一层极薄的金属，从而提高被研孔系的同轴度、尺寸精度、圆度、 圆柱度、端面垂直度，在研铰过程中还能保证尺寸公差一致并可降低被研铰孔 系的表面粗糙度。
图1为金刚石镀层(烧结)同轴研铰棒示意图。 图2为所要加工的主轴套筒零件示意图。
具体实施方式
金刚石镀层(烧结层)高精度同轴研铰棒的结构如下
1. 结构
金刚石镀层(烧结)同轴研铰棒结构如图1所示由前导向锥(1)、 (2)、 前后导向柱(3)、 (4)、前后研铰柱(5)、 (6)、端面金刚石研铰镀层(7)及后
导向锥(8)、 (9)组成。
在前导向锥(1)、 (2)、前后导向柱(3)、 (4)及前后研铰柱(5)、 (6)及 后导向锥(8)、 (9)外圆上及端面(7)上均有金刚石镀层。
2. 参数选定
研铰棒镀层金刚石粒度的选择及镀层厚度的确定
镀层金刚石粒度选择越粗，金刚石镀层越厚，其研铰效率高，但表面粗糙
度Ra值相对较高；相反镀层金刚石粒度选择越细，金刚石镀层较薄，其研铰效 率低，表面粗糙度Ra值相对较低。因此选择镀层金刚石粒度与研铰质量、研铰 效率密切相关。
选用中空焊接件结构，使研铰棒基础件总重量《20 25kg;
硬度达HRC42要求，可防止金刚石压入基础件，又可延长金刚石镀层使用 寿命；
采用具有较好淬透性及焊接性能的40Cr材料制造，并采用工件变形较小的
油淬的热处理工艺，可降低研铰棒的制造成本。 前后导向锥结构要点
前后导向锥角一般为15° 10°，其前导向锥(1)处前导向锥取10°可使研 铰棒起始导入轴承座孔时有较大的自由摆动，这有利前后导向柱(3)更容易的 导入轴承座孔。
在前导向柱(3)己完全进入后轴承座孔，在已有良好的导向情况下前导向 锥(2) 5。处才开始进入前轴承座孔，因5。定心较好从而有利于后导向柱(4) 处正确的导入前轴承座孔。
其后导向锥(8)、 (9)两处均为10°，可减小零件被研铰孔的进口处出现喇 叭口，又可使研铰棒轴向后退出时也有一个合理的导向锥，可避免研铰棒上的 前后研铰柱(5)、 (6)研铰柱划伤被研铰孔的表面。
前导向锥(1)、 (2)及后导向锥(8)、 (9)对前后研铰柱(5)、 (6)的跳 云力应<1.5 y m。
前后导向柱(3)、 (4)两处自身圆度和圆柱度应《lwm;
前后导向柱(3)、 (4)两处对前后研铰柱(5)、 (6)两处的同轴度应《1.5
前后导向柱(3)、 (4)两处表面粗糙度均应达到Ra0.2的要求。
前后研铰柱(5)、 (6)两处研铰柱几何精度(圆度、圆柱度、同轴度)是 确保被研铰孔系精度的关键，均取被研铰孔系几何精度的1/3。
前后研铰柱(5)、 (6)两处自身的圆度、圆柱度应《lum，以满足被研铰 孔系的圆度和圆柱度《3 u m要求；
前后研铰柱(5)、 (6)两处彼此的同轴度应《1.5ym，以满足被研铰孔系的 同轴《5um要求；
前后研铰柱(5)、 (6)两处表面粗糙度Ra值均应达到Ra0.2的要求。
实施例l:(第一研铰棒)
一种金刚石镀层超高精度同轴研铰棒镀层金刚石的粒度80 100，比被研
孔小0.01 0. 012mm;其镀层金刚石粒度选择为80 100，半径上金刚石镀层厚 度为0.15mm。
金刚石镀层超高精度同轴研铰棒的导向柱及研铰柱外圆上应均开有圆弧沟 槽，垂直研铰应开截面为圆弧的交叉双向螺旋沟槽，若是水平研铰应开圆弧截 面直沟槽。
金刚石镀层超高精度同轴研铰棒前后导向柱(3)、 (4)两处外圆尺寸应与 主轴套筒同轴孔系前后轴承座孔预加工留有研铰量的孔径有0.015 0.022的导 向间隙；
一般被研铰后孔径实际尺寸均比金刚石镀层超高精度同轴研铰棒的前后研 铰柱(5)、 (6)两处外圆实际尺寸大0.01 0.012，因此前后研铰柱(5)、 (6) 两处研铰柱外圆尺寸大小的确定应考虑上述因素。
金刚石镀层超高精度同轴研铰棒前后研铰柱(5)、 (6)两处外圆大小要想 使被研铰孔径实际尺寸达到公差上限为0或小2 u m的研铰效果，因此前后研铰 柱(5)、 (6)两处研铰柱外圆应比被研孔径名义尺寸小0.012 0.015mm。
实施例2:(第二研铰棒)
一种金刚石镀层超高精度同轴研铰棒，粒度110 120，外径比实施例1的 研铰棒大0. 004 0. 005mm，带双向螺旋沟槽；镀层金刚石粒度选择为100 110， 半径上金刚石镀层厚度为0.15mm。
金刚石镀层超高精度同轴研铰棒的导向柱及研铰柱外圆上均应开有圆弧沟槽，垂直研铰应开截面为圆弧的交叉双向螺旋沟槽，若是水平研铰应开圆弧截 面直沟槽。
金刚石镀层超高精度同轴研铰棒前后导向柱(3)、 (4)两处外圆尺寸应保证 与主轴套筒的前后轴承座孔被第一棒研铰后的实际孔径尺寸有0.015 0.02的导 向间隙；
金刚石镀层超高精度同轴研铰棒前后研铰柱(5)、 (6)两处外圆应比实施 例1的金刚石镀层超高精度同轴研铰棒前后研铰柱(5)、 (6)两处外圆实际尺 寸大3 4 y m;
实施例3:(第三研铰棒)
一种金刚石镀层超高精度同轴研铰棒，粒度110 120，外径比实施例2的 研铰棒大0.003mm，无沟槽。镀层金刚石粒度选择为100 110，半径上金刚石 镀层厚度为0.15mm。
第三金刚石镀层超高精度同轴研铰棒前后导向柱(3)、 (4)两处外圆实际 尺寸应保证与主轴套筒的前后轴承座孔被第二棒研铰后的实际孔径尺寸有 0.015 0.018的导向间隙。
第三金刚石镀层超高精度同轴研铰棒的前后研铰柱(5)、 (6)两处外圆应 比实施例2的金刚石镀层超高精度同轴研铰棒前后研铰柱(5)、 (6)两处外圆 实际尺寸大2 3um。
权利要求1.一种金刚石镀层超高精度同轴研铰棒，其特征是在各外圆轴向上合理的布有前导向锥、前后导向柱、前后研铰柱、垂直端面金刚石研铰镀层及后导向锥；在前导向锥、前后导向柱及前后研铰柱及后导向锥外圆上及相应端面上均有金刚石镀层。
2. 根据权利要求1所述的一种金刚石镀层超高精度同轴研铰棒， 其特征是在外圆轴向上布有双向螺旋沟槽。
3. 根据权利要求1或2所述的一种金刚石镀层超高精度同轴研 铰棒，其特征是双向螺旋沟槽为截面为圆弧的交叉双向螺旋沟槽或 圆弧截面直沟槽。
4. 根据权利要求1或2所述的一种金刚石镀层超高精度同轴研 铰棒，其特征是为中空焊接件结构。
5.根据权利要求3所述的一种金刚石镀层超高精度同轴研铰棒，其 特征是为中空焊接件结构。
专利摘要一种金刚石镀层超高精度同轴研铰棒，在各外圆轴向上合理的布有前导向锥、前后导向柱、前后研铰柱、端面金刚石研铰镀层及后导向锥；在前导向锥、前后导向柱及前后研铰柱后导向锥外圆上及相应的端面上均有金刚石镀层。针对各类数控机床主轴套筒类零件高精度同轴孔系，使用传统的各种机械加工手段，其各项精度(圆度、圆柱度、同轴度、尺寸精度、端面垂直度及表面粗糙度)难以达到高精度的共性问题。本实用新型通过简单易行的人工研铰，可在批量生产中稳定高效的修研矫正同轴孔系原加工的各项精度误差，并可低成本的达到用其他加工方法难以达到的高精度要求。
文档编号B24B5/48GK201186401SQ200720187358
公开日2009年1月28日 申请日期2007年12月21日 优先权日2007年12月21日
发明者刚 孙, 京 束, 王超颖 申请人:北京机电院高技术股份有限公司