一种用于天然金刚石刀具刃磨的复杂轨迹研抛设备的制作方法
【专利摘要】一种用于天然金刚石刀具刃磨的复杂轨迹研抛设备，它涉及精密和超精密加工【技术领域】。该设备解决目前金刚石刀具刃磨设备运行轨迹单一、操控复杂、设备易老化、加工稳定性不够理想的问题。所述床身上安装有止推气浮轴承，止推气浮轴承内部安装有气浮主轴轴系，主轴上部安装主轴上托板，主轴上托板通过精密导轨副与止推气浮轴承安装在一起，所述止推气浮轴承安装有第二定位锁紧螺钉；偏心轮与连杆旋转连接，锁紧支座固装在偏心轮的底部，调心丝杠安装在锁紧支座上，驱动轴与调心丝杠螺纹连接，驱动轴利用导向槽与偏心轮接触，第一锁紧螺钉将主轴下托板、偏心轮和连杆连接在一起。本发明用于天然金刚石刀具的复杂轨迹研抛加工。
【专利说明】-种用于天然金刚石刀具刃磨的复杂轨迹研抛设备
【技术领域】
[0001] 本发明涉及精密和超精密加工【技术领域】，更具体的涉及一种天用于天然金刚石刀 具刃磨的复杂轨迹研抛设备。
【背景技术】
[0002] 精密和超精密加工技术是机械制造业中最重要的部分之一，这是因为精密和超 精密加工技术不仅直接影响着尖端技术和国防工业的发展，而且还影响着民用机械产品 的精度和表面质量，影响着产品的国际竞争力。近年来各种新技术，例如微电子技术、计 算机技术、自动控制技术、激光技术等在精密加工中得到广泛应用，使得精密和超精密加 工技术产生了飞跃式的发展，大大改进了它的技术面貌。各类产品要求的精度不断提高， 促使精密加工技术水平迅速发展，精密和超精密加工的精度也在不断提高。在20世纪50 年代，精密加工能达到的精度水平为3-5 μ m，超精密加工能达到的加工精度是1 μ m。到 20世纪70年代后期，精密加工能达到的精度水平为1 μ m，超精密加工能达到的加工精度 是0. 1 μ m ;而现在精密加工能达到的精度水平为0. 1 μ m，超精密加工能达到的加工精度是 0. 01-0. 001 μ m。世界各国都非常重视发展精密和超精密加工技术，把它作为发展先进制造 技术中的优先发展内容。
[0003] 随着超精密加工技术的应用与推广，在近几十年的时间里，机械加工精度被提高 了 1-3个数量级，并正向更高的纳米级精度发展。由于超精密加工技术在国防领域占据十 分重要的地位，美国、日本、英国、德国和俄罗斯等西方工业发达国家都将超精密和纳米加 工技术列入了 21世纪优先发展的工业计划，使之不仅成为学术研究的热点，而且一旦突破 形成核心技术又上升为国家制造业最高水平的重要标志，并为国民经济的发展带来新的增 长点。由于超精密加工技术涉及到国防尖端科技和巨大的经济利益，西方工业发达国家都 是独自开发且相互技术保密，对中国更是技术封锁。因此，我国也必须自行研究和开发超精 密加工的关键技术。
[0004] 对于超精密切削加工工艺来说，要获得零件形状尺寸的高精度和加工表面的超光 滑，除了必须拥有超精密的机床、高分辨率的检测仪器和超稳定的加工环境条件以外，还须 具备进行切削加工的高精度天然金刚石刀具，尤其是高精度的圆弧刃金刚石刀具。因为圆 弧刃金刚石刀具的切削刃曲率半径保持不变，刃上各切削点都可参与切削，这对于加工高 精度的球面或非球曲面零件至关重要。根据参阅相关文献可知，采用切削刃钝圆半径为 60-70nm的圆弧刃金刚石刀具可使小件KDP晶体的切削加工表面粗糙度Ra降到5nm以下。 由此可见，刀具刃磨质量对加工零件的表面粗糙度具有至关重要的影响。
[0005] 但金刚石晶体以其独有的高硬度、耐磨损、难焊接等特点，使得金刚石刀具的制备 比较困难。就目前我国还没有成型的圆弧刃金刚石刀具刃磨设备及相关检测设备的情况 下，对圆弧刃金刚石刀具刃磨工艺和刃磨机理的研究只能停留在相对粗浅的水平。随着民 用产品使用性能和国防武器型号精度、可靠性、命中率以及使用寿命等指标的不断提高，我 国基本靠进口国外的圆弧刃金刚石刀具来满足和支撑军民产品急需的超精密切削加工技 术，进口刀具不但价格昂贵，其刃磨质量也未达到最高水平。切削刃钝圆半径小于50nm的 高精度圆弧刃金刚石刀具，国外一直禁运。另外，对于金刚石刀具切削刃的修整与重磨，我 国也基本上依靠国外的技术，刀具的重复利用率极低。因此，依靠自身的技术力量研究高 精度圆弧刃金刚石刀具的刃磨机理与刃磨工艺、相关的刀具设计准则和刀具切削性能优化 等，对于提高我国超精密切削加工技术的整体水平和满足军、民产品超精密切削加工用高 精度圆弧刃金刚石刀具的市场需求具有重要的理论意义和实用价值。
[0006] 据有关文献报道，日本大阪大学与美国LLL国家实验室（Lawrence Livermore National Laboratory)进行合作，在1986年研究了关于有色金属超精密车削加工的最小 切削厚度，他们在超精密车削机床上实现了最小切削厚度为lnm的单点金刚石切削，并通 过理论计算指出，要实现最小切削厚度为lnm的连续切削，金刚石刀具的切削刃钝圆半径 必须保持在3-5nm。上述研究成果一方面把超精密切削加工的技术水平推向了极限，另一方 面则充分显示出了国外在高精度金刚石刀具制备方面已处于绝对领先的地位。概括地说， 国外对金刚石刀具刃磨技术的研究和应用都已相当成熟。
[0007] 另外，国外成熟应用金刚石刀具刃磨技术的另一标志是金刚石刀具刃磨机床的商 业化生产。英国Coborn公司最近推出的PG3B型天然金刚石刀具刃磨机床，主要用于刀具 后刀面的成型加工。PG3B机床采用卧式操作平台，其主轴采用空气静压轴承并附水冷系统， 转速可高达12000r/min，而且金刚石刀具的圆弧可实现在线监控，其理论圆弧轮廓精度可 达150nm以内。此外，英国Contour Fine Tooling公司和荷兰Techno Diamant公司自制 精密金刚石刀具磨床也可使金刚石刀具的圆弧轮廓精度达到50nm。
[0008] 国内对金刚石刀具刃磨技术的研究起步较晚，对圆弧刃金刚石刀具的刃磨机理、 刃磨工艺和检测技术的研究相对比较粗浅，对直线刃金刚石刀具刃磨技术的研究虽然稍早 一些，但还不能稳定达到高精度金刚石刀具的技术指标。如在刀具刃磨工艺方面，航天工业 总公司第一研究院303所、上海仪表厂、中国运载火箭技术研究院230厂、中非人工晶体研 究院、北京天地东方超硬材料股份有限公司和上海舒伯哈特工具有限公司等科研院所或单 位对直线刃金刚石刀具的刃磨工艺做了较多的研究工作，但他们只能将直线刃金刚石刀具 的切削刃钝圆半径刃磨到l〇〇nm左右，对于高精度圆弧刃金刚石刀具还不能刃磨。地方院 校如哈尔滨工业大学、中国科技大学和长春理工大学（原长春光学精密机械学院）等单位 在金刚石刀具刃磨技术和金刚石晶体理论方面也做了较多的工作，并受到国家科研项目的 支持。
[0009] 然而，由于金刚石晶体具有很强的各向异性，不同的晶面上乃至同一晶面不同方 向上的机械性能差异明显，使得在金刚石刀具刃磨过程中，出现刀具材料去除率呈现方向 性。同时，对研磨盘的不同圆周上的磨损情况也各不相同，要保证刃磨质量和加工效率，就 必须要定期对研磨盘进行修整，十分麻烦。此外，相关报道表明，进行复杂刃磨轨迹的刀具 刃磨工艺具有改善加工质量、提升加工效率等优点。所以，目前开发制造一台能够提供尽量 复杂刃磨轨迹且轨迹、可控性良好的金刚石刀具平面研磨抛光机床是十分迫切和意义重大 的。但目前国外高端刃磨机床对我们禁运，而国内亦无相关成型设备的深入研究案例。此 夕卜，目前国内研制的金刚石刀具刃磨设备存在诸多问题，如运行轨迹单一、操控复杂、设备 易老化、加工稳定性不够理想等，因此不能满足相应科研与生产需求。
【发明内容】
[0010] 本发明的目的是提供一种用于天然金刚石刀具刃磨的复杂轨迹研抛设备，以解决 目前金刚石刀具刃磨设备运行轨迹单一、操控复杂、设备易老化、加工稳定性不够理想的问 题。
[0011] 本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：设备包括床身、气浮主轴轴系、 精密导轨副、止推气浮轴承和机构控制部件,所述气浮主轴轴系包括主轴上托板、主轴下托 板、第一定位锁紧螺钉和主轴，所述机构控制部件包括驱动轴、调心丝杠、锁紧支座、连杆和 偏心轮；
[0012] 所述床身上安装有止推气浮轴承，止推气浮轴承内部安装有气浮主轴轴系，主轴 上部安装主轴上托板，主轴上托板通过精密导轨副与止推气浮轴承安装在一起，所述止推 气浮轴承安装有第二定位锁紧螺钉；
[0013] 偏心轮与连杆旋转连接，锁紧支座固装在偏心轮的底部，调心丝杠安装在锁紧支 座上，驱动轴与调心丝杠螺纹连接，驱动轴利用导向槽与偏心轮接触，第一锁紧螺钉将主轴 下托板、偏心轮和连杆连接在一起，连杆通过定位第一锁紧螺钉实现其与主轴底部安装的 主轴下托板的锁紧与分离。
[0014] 本发明具有以下有益效果：本发明能够满足各类超硬材料刀具的刃磨加工工艺要 求；尤其适合于天然单晶金刚石刀具的高精度刃磨加工；因为其具有研磨轨迹可控、研磨 状态复杂多变的加工特征，能够依据刀具材料的各向异性特征，进行轨迹杂化刃磨加工，提 高整体刃磨质量；通过调节不同的加工模式，实现耦合机构的功能分离，即由偏心轮机构控 制实现研磨盘的定向往复运动，由回转导杆机构控制实现研磨盘的正弦与圆周叠加运动， 再辅之研磨盘自身的变速运动，进而达到多种复杂刃磨状态的耦合加工，且各加工模式的 运动轨迹振幅可调，研抛速率可控，机构平稳性良好，这就使得该设备十分利于进行天然金 刚石刀具的复杂轨迹刃磨加工工艺研究；而此种刀具刃磨工艺具有改善加工质量、提升加 工效率、降低加工成本及减小研磨盘局部磨损等优点，不仅能够研抛出高精度的锋利金刚 石刀具，而且对开辟新的刀具刃磨工艺、研磨盘的磨损量均化控制以及优化刀具刃磨轨迹 的研究等问题都十分有益。此外，本发明还具有结构简单、操控方便、系统稳定性和经济实 用性良好等优点。
【专利附图】
【附图说明】
[0015] 图1是本发明整体结构示意图。
[0016] 图2是本发明整体装配主视图。
[0017] 图3是本发明机构控制部件等轴测视图。
[0018] 图4是本发明机构控制部件仰视图。
[0019] 图中：1、床身；1-1、定位安装板；2、气浮主轴轴系；2-1、主轴上托板；2-2、主轴下 托板；2-3、第一定位锁紧螺钉；2-4、研抛盘；2-5、主轴；3、精密导轨副；4、止推气浮轴承； 4- 1、第二定位锁紧螺钉；5、机构控制部件；5-1、驱动轴；5-2、调心丝杠；5-3、锁紧支座； 5- 4、连杆；5-5、偏心轮。
【具体实施方式】
【具体实施方式】 [0020] 一：结合图1-图4说明本实施方式，本实施方式的设备包括床身1、 气浮主轴轴系2、精密导轨副3、止推气浮轴承4和机构控制部件5,所述气浮主轴轴系2包 括主轴上托板2-1、主轴下托板2-2、第一定位锁紧螺钉2-3和主轴2-5,所述机构控制部件 5包括驱动轴5-1、调心丝杠5-2、锁紧支座5-3、连杆5-4和偏心轮5-5 ;
[0021] 所述床身1上安装有止推气浮轴承4,止推气浮轴承4内部安装有气浮主轴轴系 2,主轴2-5上部安装主轴上托板2-1，主轴上托板2-1通过精密导轨副3与止推气浮轴承4 安装在一起，所述止推气浮轴承4安装有第二定位锁紧螺钉4-1 ;
[0022] 偏心轮5-5与连杆5-4旋转连接，锁紧支座5-3固装在偏心轮5-5的底部，调心丝 杠5-2安装在锁紧支座5-3上，驱动轴5-1与调心丝杠5-2螺纹连接，驱动轴5-1利用导向 槽与偏心轮5-5接触，第一锁紧螺钉2-3将主轴下托板2-2、偏心轮5-5和连杆5-4连接在 一起，连杆5-4通过定位第一锁紧螺钉2-3实现其与主轴2-5底部安装的主轴下托板2-2 的锁紧与分离。
[0023]
【具体实施方式】二：结合图1说明本实施方式，本实施方式的设备还包括研抛盘 2-4,所述主轴2-5的顶端安装研抛盘2-4。其它实施方式与【具体实施方式】一相同。
[0024] 工作原理：当第一定位锁紧螺钉2-3将偏心轮5-5与连杆5-4固定为一体且第二 定位锁紧螺钉4-1松开时，由于驱动轴5-1与安装有精密导轨副3的止推气浮轴承4具有 一定的偏心量，通过精密导轨副3的直线运动与止推气浮轴承4的圆周运动的耦合，从而构 成回转导杆机构，实现气浮主轴轴系2在止推气浮轴承4内部空间的正弦与圆周叠加的复 合运动形式，而且可以通过旋转调心丝杠5-2进而改变驱动轴5-1与止推气浮轴承4之间 的偏心量来进行调节振动幅度和往复轨迹形式的控制。当第一定位锁紧螺钉2-3将偏心轮 5-5与连杆5-4松开时，且任意选定第二定位锁紧螺钉4-1的锁紧方位后，通过精密导轨副 3的直线运动与连杆5-4和偏心轮5-5之间的旋转运动的耦合，从而构成偏心轮机构，达到 气浮主轴轴系2在止推气浮轴承4内部空间进行直线往复运动的形式，而且可以通过旋转 调心丝杠5-2进而改变驱动轴5-1与偏心轮5-5之间的偏心量来调节往复运动的摆幅和运 动速度。最终实现，所述机构控制部件5通过改变第一定位锁紧螺钉2-3及第二定位锁紧 螺钉4-1的状态，与精密导轨副3和止推气浮轴承4 一起实现气浮主轴轴系2的复杂轨迹 控制与调节功能。
【权利要求】
1. 一种用于天然金刚石刀具刃磨的复杂轨迹研抛设备，其特征在于所述设备包括床身 (1)、气浮主轴轴系（2)、精密导轨副（3)、止推气浮轴承（4)和机构控制部件（5)，所述气浮 主轴轴系（2)包括主轴上托板（2-1)、主轴下托板（2-2)、第一定位锁紧螺钉（2-3)和主轴 (2-5)，所述机构控制部件（5)包括驱动轴（5-1)、调心丝杠（5-2)、锁紧支座（5-3)、连杆 (5-4)和偏心轮（5-5); 所述床身（1)上安装有止推气浮轴承（4)，止推气浮轴承（4)内部安装有气浮主轴轴 系（2)，主轴（2-5)上部安装主轴上托板（2-1)，主轴上托板（2-1)通过精密导轨副（3)与 止推气浮轴承（4)安装在一起，所述止推气浮轴承（4)安装有第二定位锁紧螺钉（4-1); 偏心轮（5-5)与连杆（5-4)旋转连接，锁紧支座（5-3)固装在偏心轮（5-5)的底部，调 心丝杠（5-2)安装在锁紧支座（5-3)上，驱动轴（5-1)与调心丝杠（5-2)螺纹连接，驱动轴 (5-1)与偏心轮（5-5)接触，第一锁紧螺钉（2-3)将主轴下托板（2-2)、偏心轮（5-5)和连 杆（5-4)连接在一起，连杆（5-4)通过定位第一锁紧螺钉（2-3)实现其与主轴（2-5)底部 安装的主轴下托板（2-2)的锁紧与分离。
2. 根据权利要求1所述的一种用于天然金刚石刀具刃磨的复杂轨迹研抛设备，其特征 在于所述设备还包括研抛盘（2-4)，所述主轴（2-5)的顶端安装研抛盘（2-4)。
【文档编号】B24B3/60GK104084853SQ201410342210
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2014年7月18日 优先权日:2014年7月18日
【发明者】宗文俊, 李增强, 曹志民, 孙涛 申请人:哈尔滨工业大学