砂轮主轴倾斜放置并可空间转动的超精密磨削装置的制作方法

本发明属于超精密加工技术领域。

背景技术：

目前随着科学技术的不断发展，国防工业、航空航天科技、微电子工业及医疗器械等领域，不仅对所需求零件的加工质量提出了更高要求，如具有较高的面型精度和较低的表面粗糙度值，而且零件的结构越来越复杂化，零件材料越来越多样化，这些要求和特点使得零件加工难度也随之增加。而超精密磨削加工尤其是采用超硬磨料砂轮的磨削加工，因具有加工范围广、加工能力强、加工温度低、加工表面质量好等特点而在这些领域的零件加工中占有重要的地位。

目前对于凸面或是曲率半径尺寸较大的内凹面类零件的磨削加工，多以V型或圆弧砂轮作为磨削工具，采用垂直砂轮主轴的磨削方式实现。而对于小口径的内凹类零件的磨削加工，例如口径小于40mm，最小曲率半径小于2mm的复杂结构件，磨削工具尺寸受到很大限制，同时垂直砂轮主轴的磨削方式无法避免加工过程中工具与工件间干涉的产生，所以传统的以V型或圆弧砂轮作为磨削工具的垂直砂轮主轴的磨削方式并不能胜任此类零件的超精密磨削加工。基于该类零件的结构特点和加工要求，需设计一种主轴倾斜放置并且可以绕Z轴旋转的磨削装置，为了保证在旋转过程中砂轮中心位置不发生改变，以保证磨削后工件的面形精度，需要配有快速而高精度的调整装置。同时装置的静动态刚度及静动态特性对超精密磨削后工件的面形精度和表面质量具有显著的影响，因此超精密磨削装置应该具有较大的静动态刚度和较好的静动态特性。

技术实现要素：

本发明是针对小尺寸复杂结构件加工过程中容易产生工具砂轮和工件干涉及曲面曲率半径过小造成加工困难的问题，提出了一种砂轮主轴倾斜放置并可空间转动的超精密磨削装置。

本发明所述的砂轮主轴倾斜放置并可空间转动的超精密磨削装置，它包括竖直结构件1、竖直轴运动平台2、直角转台连接件3、精密直驱转台4、线缆固定装置5、工作液转接装置6、过渡连接件7、一维微位移平台8、球头金刚石砂轮9、砂轮主轴10、砂轮主轴夹持装置11、超精密定位平台防护装置12、超精密定位平台13和竖直轴防护装置14；

竖直轴运动平台2的固定件通过内六角螺钉固定在竖直结构件1的横梁上，直角转台连接件3通过台阶定位销定位并与竖直轴运动平台2的运动部件连接，精密直驱转台4固定在直角转台连接件3的下安装面上，一维微位移平台8通过过渡连接件7连接在精密直驱转台4的下侧，一维微位移平台8的下连接面通过螺栓与超精密定位平台13的上端面连接；

砂轮主轴夹持装置11通过螺钉与超精密定位平台13的下端面连接，砂轮主轴10安装于砂轮主轴夹持装置11的圆孔中，通过内六角螺钉进行固定，球头金刚石砂轮9通过弹性夹头安装在砂轮主轴10底端；

竖直轴防护装置14安装在竖直结构件1的横梁上，竖直轴防护装置14套设在竖直轴运动平台2的外侧，用于对竖直轴运动平台2的防护；

工作液转接装置6安装在竖直轴防护装置14的内侧，所述工作液转接装置6用于实现工作液喷嘴的添加和转换；

超精密定位平台防护装置12通过螺钉连接与超精密定位平台13连接，且超精密定位平台防护装置12套设在超精密定位平台13的外侧；

线缆固定装置5用于固定砂轮主轴10的动力线和控制线。

本发明所述的磨削装置的运动系统主要由直线运动平台、精密直驱转台、超精密定位平台和高速精密电主轴组成，并且每一个运动轴及运动平台均通过控制及反馈信号线与独立的驱动器相连，驱动器连接运动控制卡，受控于上位机上的软件运动控制系统，可以实现单独或联合运动。在进行磨削加工前，需要调整球头砂轮球心的空间位置，使其位于直驱转台的旋转轴线上，以避免在加工过程中当球头砂轮随精密直驱转台旋转时球头砂轮的空间位置发生改变，从而改变磨削加工轨迹。装置中的一维微位移平台和超精密定位平台用于实现砂轮的球心相对于转台空间位置的调整，由于在YZ平面内砂轮球心位置只需要在整体装配后调整一次即可，所以在该方向采用一维微位移平台，而在XZ平面内每次更换砂轮都需要重新调整球头砂轮的空间位置，所以采用了超精密定位平台，以实现快速、高精度定位，保证曲面加工前的对刀精度的同时，提高对刀效率。

调整砂轮使其与加工程序原点重合，供给磨削工作液，开始磨削加工。磨削加工过程中，竖直运动平台带动砂轮在竖直方向高精度运动，而倾斜放置的砂轮主轴又可随直驱转台做空间旋转运动，通过运动程序控制竖直运动平台和直驱转台的联合运动，在形成工件磨削加工的运动轨迹的同时可以避免加工小尺寸内凹面时零件与工具间干涉的产生。同时，小尺寸的金刚石球头砂轮可以实现小尺寸圆角等结构的磨削加工。

附图说明

图1为本发明所述砂轮主轴倾斜放置并可空间转动的超精密磨削装置除去竖直轴防护装置的结构示意图；

图2是本发明所述砂轮主轴倾斜放置并可空间转动的超精密磨削装置内部结构示意图；

图3为本发明所述砂轮主轴倾斜放置并可空间转动的超精密磨削装置的俯视图；

图4为本发明所述砂轮主轴倾斜放置并可空间转动的超精密磨削装置的立体结构示意图；

图5为竖直运动平台的承载能力曲线图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

具体实施方式一、结合图1至图4说明本实施方式，本实施方式所述的砂轮主轴倾斜放置并可空间转动的超精密磨削装置，它包括竖直结构件1、竖直轴运动平台2、直角转台连接件3、精密直驱转台4、线缆固定装置5、工作液转接装置6、过渡连接件7、一维微位移平台8、球头金刚石砂轮9、砂轮主轴10、砂轮主轴夹持装置11、超精密定位平台防护装置12、超精密定位平台13和竖直轴防护装置14；

竖直轴运动平台2的固定件通过内六角螺钉固定在竖直结构件1的横梁上，直角转台连接件3通过台阶定位销定位并与竖直轴运动平台2的运动部件连接，精密直驱转台4固定在直角转台连接件3的下安装面上，一维微位移平台8通过过渡连接件7连接在精密直驱转台4的下侧，一维微位移平台8的下连接面通过螺栓与超精密定位平台13的上端面连接；

砂轮主轴夹持装置11通过螺钉与超精密定位平台13的下端面连接，砂轮主轴10安装于砂轮主轴夹持装置11的圆孔中，通过内六角螺钉进行固定，球头金刚石砂轮9通过弹性夹头安装在砂轮主轴10底端；

竖直轴防护装置14安装在竖直结构件1的横梁上，竖直轴防护装置14套设在竖直轴运动平台2的外侧，用于对竖直轴运动平台2的防护；

工作液转接装置6安装在竖直轴防护装置14的内侧，所述工作液转接装置6用于实现工作液喷嘴的添加和转换；

超精密定位平台防护装置12通过螺钉连接与超精密定位平台13连接，且超精密定位平台防护装置12套设在超精密定位平台13的外侧；

线缆固定装置5用于固定砂轮主轴10的动力线和控制线。

本实施方式的砂轮主轴安装于砂轮主轴夹持装置的圆孔中，实现砂轮主轴倾斜放置，通过调整砂轮主轴夹持装置上的内六角螺钉的旋入深度，从而调节主轴夹持转置上孔与主轴外圆面间的作用力，并通过摩擦力将主轴夹紧，在调整内六角螺钉旋入深度时应注意夹紧力对主轴工作状态的影响，同时可以更换砂轮主轴夹持装置以获得35-45度范围内的主轴倾角。

直角转台连接件通过台阶定位销定位并由内六角螺钉连接与竖直轴运动平台的运动部件上，精密直驱转台连接于直角转台连接件的下安装面上，为保证转台旋转轴线和竖直轴运动平台的运动轴线平行，转台联接件的两个安装面应具有严格的垂直关系，精密直驱转台可以360°旋转，定位精度为0.08arc sec，精密直驱转台的径向跳动和轴向跳动优于1.5μm。球头金刚石砂轮的球头直径在4mm左右，配合主轴倾斜安装及主轴随精密转台空间旋转，可以实现小尺寸内凹面零件的加工要求。

本发明的磨削用工具砂轮为小直径球头金刚石砂轮。由于砂轮主轴倾斜地安装于旋转平台上，并可随平台360°旋转，在加工复杂结构件时可以避免干涉的产生，为了适应不同结构件的加工可通过更换砂轮主轴夹持装置使砂轮主轴倾角在35-45度范围内调整。并通过超精密定位平台调整砂轮球心，保证工件加工的面形精度。采用小直径球头砂轮可适应于小尺寸结构件的小曲率半径曲面的加工。

具体实施方式二、本实施方式是对具体实施方式一所述的砂轮主轴倾斜放置并可空间转动的超精密磨削装置的进一步说明，竖直轴运动平台2的行程为100mm，定位精度为0.5μm，直线度为1μm/25mm。

具体实施方式三、本实施方式是对具体实施方式一或二所述的砂轮主轴倾斜放置并可空间转动的超精密磨削装置的进一步说明，超精密定位平台13的行程为12mm，定位精度为±0.1μm。

具体实施方式四、本实施方式是对具体实施方式一或二所述的砂轮主轴倾斜放置并可空间转动的超精密磨削装置的进一步说明，竖直结构件1包括两个立柱和一个横梁，所述两个立柱通过内六角螺钉固定在横梁的下侧。

具体实施方式五、本实施方式是对具体实施方式一或二所述的砂轮主轴倾斜放置并可空间转动的超精密磨削装置的进一步说明，直角转台连接件3为两个相互垂直的方板构成的L型结构，且所述L型结构的两侧设有两块筋板。

具体实施方式六、本实施方式是对具体实施方式二所述的砂轮主轴倾斜放置并可空间转动的超精密磨削装置的进一步说明，精密直驱转台4径向跳动精度和轴向跳动精度均优于1.5μm。

由于本装置中Z轴直线运动平台承受悬挂式载荷，因此需要对其进行承载能力校核。而装置终端安装磨削加工用小直径球头砂轮，因此装置的静动态特性将直接影响的工件加工后的面形精度和表面质量，因此需要对装置的静态特性、刚度及动态特性进行有限元分析，以保证装置的使用性能。

(1)Z轴运动平台承载校核

Z轴运动部件上所悬挂的质量为17.8Kg，重力合力作用点距运动部件连接面的偏移距离为85mm。由图5是Z轴运动平台承受悬挂载荷时承载能力和载荷等效作用点距运动平面距离间的关系曲线，由图中可以发现当作用点距运动平面间的距离为85mm时，Z轴平台可以悬挂的质量为20Kg，大于目前的悬挂质量17.8Kg，所以满足Z轴的承载能力要求。

(2)装置静态特性分析

建立磨削装置有限元分析模型，进行solid186网格划分，并添加实际重力载荷和约束。对建好的有限元分析模型进行静态特性分析，获得该装置的静态变形如表1所示。可见在自身重力作用下该装置的最大变形总位移为2.47μm。

表1

装置的静刚度可通过表达式(1)进行计算

式中，F为施加的实际载荷力(N)，δ为装置在载荷力方向的变形量(μm)；

所以在有限元分析模型中忽略装置自身重力载荷，在球头砂轮端施加X、F、Z三个方向大小为10N的载荷，分别计算在三个方向的变形，并利用公式(1)计算机床的静态刚度，结果如表2所示。其中Z方向刚度最大，X方向刚度最低，为66.67N/μm。

表2

(3)Z轴动态特性分析

同样采用有限元分析方法对磨削装置进行模态分析，获得前四阶固有频率分别为如表3所示。可以看到一阶固有频率为297.6Hz，说明机床动态特性良好。

表3

通过以上分析，该装置具有良好的静动态特性。

本发明的优点

(1)本装置采用小直径球头砂轮作为磨削工具，能够实现最小曲率半径小于2mm，口径小于40mm的薄壁复杂结构件的超精密磨削加工；

(2)砂轮主轴倾斜放置，倾角可在35-45°范围内调节，并可随直驱转台空间360°旋转，避免加工过程中干涉的产生，实现复杂结构件的磨削加工；

(3)砂轮主轴安装于手动和直线电机超精密定位平台上，其调整精度优于0.5μm，可方便快捷地将砂轮球心调整到直驱转台的旋转轴线上的同时定位平台在需要的情况下可以其余运动平台进行联动控制。

(4)采用高精度运动平台和转台，同时可以实现闭环控制和误差补偿，其中直线运动平台的定位精度为±0.5μm，转台定位精度为0.75arc sec，使该装置可以实现多种异型曲面的超精密磨削加工。

(5)龙门组合件均采用整块花岗岩加工而成，结构尺寸稳定性好、振动衰减能力强、变形小，最大静态变形总位移小于2.47μm，一阶固有频率高于290Hz，有利于保证超精密磨削加工的质量。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，一体地连接，也可以是可拆卸连接；可以是两个元件内部的连通；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。