小尺寸薄壁复杂结构件超精密磨削用机床的制作方法

本发明属于精密及超精密加工技术领域。

背景技术：

当前精密及超精密加工技术在尖端产品、国防工业和微电子工业等相关领域中占有重要的地位。相关行业对所需求的零件也提出了越来越高的加工要求，不仅要求具有较高的面形精度、表面粗糙度和较低的亚表层损伤，而且零件形状也更加复杂化、材料多样化，除了传统的塑性金属材料，也向脆性的非金属材料发展。而随着超精密磨削技术的不断发展，尤其是具有诸多优点的超硬磨料磨削技术，在该类零件的加工中起到了不可替代的作用。

在航空航天领域中，相关的核心部件也具有小型化和结构异形化的发展趋势。例如一种Ψ形元件，其总体尺寸小于50mm，口径小于40mm，壁厚小于1.5mm，最小加工曲率半径小于2mm。是一种典型的薄壁复杂结构件。采用传统的垂直轴磨削方式时，由于零件的内、外表面和内、外杆均需要进行超精密磨削加工，同时零件的口径较小，加工砂轮及相关零部件极易与工件干涉，损坏工件，造成加工失败，因此无法满足该类零件的加工要求。同时该零件采用较为难加工的熔融石英作为原材料，超精密磨削过程中砂轮磨损较为严重，会对加工工件的面形精度带来不可忽视的影响，并且也会恶化加工表面质量。同时较高的面形精度要求和较薄的壁厚，决定加工装置应具有良好的静动态特性。因此为了满足在加工过程中可以避免干涉的产生，同时也可以对砂轮进行在位修整，对具有良好的静动态特性的超精密磨削机床提出了需求。

技术实现要素：

本发明是针对具有内凹面的小尺寸薄壁复杂结构件的超精密磨削加工较为困难的问题，提出了一种小尺寸薄壁复杂结构件超精密磨削用机床。

本发明所述的小尺寸薄壁复杂结构件超精密磨削用机床，它包括机床基座1、Y轴直线运动平台2、X轴直线运动平台3、风琴防护罩支架4、风琴防护罩5、竖直结构件7、工件主轴8、工件主轴固定装置9、修整电极主轴10、电火花修整工具电极11、电火花修整供电装置12、超精密直线运动平台13、修整电极主轴固定装置14、超精密直线定位平台15、一维精密微调位移平台16、Z轴运动平台17、转台连接件18、直驱精密转台19、砂轮主轴20、砂轮主轴固定装置21、小直径半球头砂轮22、CCD对刀监控装置 23和工作台24；

机床基座1包括底座和上层四个挡块，所述四个挡块的底边均垂直设置在底座的上表面，且四个挡依次连接构成矩形框；

Y轴直线运动平台2固定在机床基座1的上表面，X轴直线运动平台3通过定位销和螺钉固定在Y轴直线运动平台2的上表面，所述X轴直线运动平台3的运动轴线与Y轴直线运动平台2的运动轴线相互垂直；X轴直线运动平台3的运动部件通过螺钉与工作台24连接，工作台24的T形槽的方向与X轴运动方向相同；

工件主轴固定装置9、超精密直线运动平台13、电火花修整供电装置12和CCD对刀监控装置23均固定在工作台24的上表面；

工件主轴8装夹在工件主轴固定装置9上，修整电极主轴固定装置14固定在超精密直线运动平台13上，修整电极主轴10装夹在修整电极主轴固定装置14上，CCD对刀监控装置23用于安装CCD相机，机床基座1上层四个挡块的内侧和X轴直线运动平台3的四周均固定有风琴防护罩支架4；风琴防护罩5包括四部分，分别通过风琴防护罩支架4装设在机床基座1上层四个挡块与X轴直线运动平台3之间；

Z轴运动平台17通过螺钉固定在竖直结构件7的竖直安装面上，Z轴运动平台17的运动轴线与X轴直线运动平台3的运动轴线及Y轴直线运动平台2的运动轴线均相互垂直；

直驱精密转台19通过转台连接件18与Z轴运动平台17的运动部件固定连接，一维精密微调位移平台16安装在直驱精密转台19的下端，超精密直线定位平台15固定在一维精密微调位移平台16上，且一维精密微调位移平台16的运动轴线与超精密直线定位平台15的运动轴线垂直，砂轮主轴固定装置21固定连接超精密直线定位平台15的下端，砂轮主轴20装夹于砂轮主轴固定装置21上。

本发明所述机床采用小尺寸球头砂轮以斜轴磨削方式对零件进行加工，砂轮主轴通过转台安装于Z轴运动平台上形成斜轴磨削装置，X、Y运动平台通过“十字”堆叠形式构成精密二维装置实现二维的平面运动。通过多轴控制系统控制运动平台实现四轴联动，形成零件的加工轨迹，并与主轴倾斜和转台旋转相配合避免加工过程中干涉的产生。同时具有磨削和电火花砂轮在位修整两工位，实现加工过程中球头砂轮的在位修整，以保证磨削质量，实现超精密磨削。

附图说明

图1为本发明所述小尺寸薄壁复杂结构件超精密磨削用机床的内部结构示意图；

图2为本发明所述小尺寸薄壁复杂结构件超精密磨削用机床的右视图；

图3为本发明所述小尺寸薄壁复杂结构件超精密磨削用机床的整体结构示意图；

图4为具体实施方式六所述小尺寸薄壁复杂结构件超精密磨削用机床的整体结构示意图；

图5为机床整机的总体变形位移云图。

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3说明本实施方式，本实施方式所述的小尺寸薄壁复杂结构件超精密磨削用机床，它包括机床基座1、Y轴直线运动平台2、X轴直线运动平台3、风琴防护罩支架4、风琴防护罩5、竖直结构件7、工件主轴8、工件主轴固定装置9、修整电极主轴10、电火花修整工具电极11、电火花修整供电装置12、超精密直线运动平台13、修整电极主轴固定装置14、超精密直线定位平台15、一维精密微调位移平台16、Z轴运动平台17、转台连接件18、直驱精密转台19、砂轮主轴20、砂轮主轴固定装置21、小直径半球头砂轮22、CCD对刀监控装置23和工作台24；

机床基座1包括底座和上层四个挡块，所述四个挡块的底边均垂直设置在底座的上表面，且四个挡依次连接构成矩形框；

Y轴直线运动平台2固定在机床基座1的上表面，X轴直线运动平台3通过定位销和螺钉固定在Y轴直线运动平台2的上表面，所述X轴直线运动平台3的运动轴线与Y轴直线运动平台2的运动轴线相互垂直；X轴直线运动平台3的运动部件通过螺钉与工作台24连接，工作台24的T形槽的方向与X轴运动方向相同；

工件主轴固定装置9、超精密直线运动平台13、电火花修整供电装置12和CCD对刀监控装置23均固定在工作台24的上表面；

工件主轴8装夹在工件主轴固定装置9上，修整电极主轴固定装置14固定在超精密直线运动平台13上，修整电极主轴10装夹在修整电极主轴固定装置14上，CCD对刀监控装置23用于安装CCD相机，机床基座1上层四个挡块的内侧和X轴直线运动平台3的四周均固定有风琴防护罩支架4；风琴防护罩5包括四部分，分别通过风琴防护罩支架4装设在机床基座1上层四个挡块与X轴直线运动平台3之间；

Z轴运动平台17通过螺钉固定在竖直结构件7的竖直安装面上，Z轴运动平台17的 运动轴线与X轴直线运动平台3的运动轴线及Y轴直线运动平台2的运动轴线均相互垂直；

直驱精密转台19通过转台连接件18与Z轴运动平台17的运动部件固定连接，一维精密微调位移平台16安装在直驱精密转台19的下端，超精密直线定位平台15固定在一维精密微调位移平台16上，且一维精密微调位移平台16的运动轴线与超精密直线定位平台15的运动轴线垂直，砂轮主轴固定装置21固定连接超精密直线定位平台15的下端，砂轮主轴20装夹于砂轮主轴固定装置21上。

本实施方式所述的机床为双工位四轴联动超精密磨削机床，双工位分别为球头砂轮磨削加工工件工位和球头砂轮电火花在位修整工位，参与四轴联动的轴为XYZ三个直线运动轴和一个绕Z轴转动的旋转轴，除此之外机床还包括工件主轴、砂轮主轴、电极主轴及两个超精密直线定位平台，同时所有运动轴都配有独立的运动控制器。其中四个联动轴及其控制器、光栅、运动控制卡、运动控制软件组成了闭环运动控制系统，可以控制每个运动轴的单独运动或联动。将加工代码导入运动控制系统中，即可实现复杂曲面的加工任务。

首先将驱动器的驱动线、控制线和反馈线分别与相应的运动轴相连，并将参加联动的轴的驱动器通过火线串联到运动控制卡上，并为每个驱动器设置独立的拨号，运动控制卡能够与计算机中控制系统软件交换控制信息，从而构成闭环的软硬件控制系统。其次，将这个运动控制系统上电，并将机床的各个运动平台和旋转轴进行回零操作，然后将工件可靠的装夹于工件主轴上。由于在加工过程中直驱精密转台将带动砂轮主轴绕Z轴旋转以避免加工过程中干涉的产生，因此为了保证球头砂轮的空间位置不发生改变，需要将球头砂轮的球心调整到精密转台的回转轴线上。所以加工前需要采用CCD对刀装置，按一定的对刀的方法联合调节一维精密微调位移平台和超精密直线定位平台将砂轮球心调整到精密转台的回转轴线上，同时完成工件加工前程序代码加工原点的对刀工作。最后，开启磨削液供给与回收循环工作系统，将加工代码导入到运动控制系统的控制软件中，控制XYZ轴的联合运动，形成球头砂轮相对工件的运动轨迹，实现对工件的磨削加工。加工过程中随时观测砂轮的磨损状态，当砂轮出现明显磨损并对工件加工质量产生影响时，将工作台移动到球头砂轮电火花修整工位，对球头砂轮进行在位修整，由超精密直线运动平台实现修整过程中的精密进给运动，并完成球头砂轮的修整工作，以保证工件的加工质量。

本发明的机床基座1由底座和上层四个挡块这五个部分组成，五部分的材料均为花岗岩，通过内六角螺钉实现固定连接。采用花岗岩材料，是因其具有稳定性好、对振动衰减 能力强、热膨胀系数小等优点，能够保证机床的加工性能。竖直结构件7由立柱和横梁三部分构成，各部分采用螺钉连接，同样采用花岗岩材料制成，并通过内六角螺钉固定于基座两侧的挡块上。

本发明的工件主轴装夹于工件主轴固定装置上，主轴可以带动工件高精度回转。修整电极主轴固定装置连接于超精密直线运动平台上，电极主轴装夹于修整电极主轴固定装置上，可带动修整电极做高速精密回转运动。CCD相机固定装置上固定连接CCD相机，用于加工前对刀工序。风琴防护罩支架分别与机床底座和X轴直线运动平台固定连接，而风琴防护罩则安装于风琴防护罩支架上，实现防尘和防护飞溅磨削液的功能。

砂轮主轴装夹于砂轮主轴固定装置上，砂轮轴线与XY平面成一定夹角，配合直驱精密转台的旋转运动，避免加工过程中砂轮与工件间干涉的产生。磨削过程采用直径为3.7～4.2mm的球头砂轮，可用于小尺寸内凹面零件的磨削加工。

具体实施方式二、本实施方式是对具体实施方式一或二所述的小尺寸薄壁复杂结构件超精密磨削用机床的进一步说明，Y轴直线运动平台2的行程为300mm，定位精度为±0.5μm，直线度为2.25μm。

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小尺寸薄壁复杂结构件超精密磨削用机床的进一步说明，X轴直线运动平台3的行程为200mm，定位精度为±0.5μm，直线度为2.25μm。

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小尺寸薄壁复杂结构件超精密磨削用机床的进一步说明，Z轴运动平台17的行程为100mm，定位精度为±0.5μm，直线度为1μm。

具体实施方式五、本实施方式是对具体实施方式三所述的小尺寸薄壁复杂结构件超精密磨削用机床的进一步说明，它还包括四块隔振垫铁6，所述四块隔振垫铁6均固定在机床基座1的下表面，且四块隔振垫铁6分别设置在机床基座1的四个脚的内侧。

具体实施方式六、结合图4说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式三所述的小尺寸薄壁复杂结构件超精密磨削用机床的进一步说明，它还包括竖直轴防护罩，所述竖直轴防护罩套设在Z轴运动平台17的外侧。

具体实施方式七、结合图4和图5说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式六所述的小尺寸薄壁复杂结构件超精密磨削用机床的进一步说明，它还包括工作台防护罩，所述工作台防护罩围设在工作台24的四周。

具体实施方式八、本实施方式是对具体实施方式一所述的小尺寸薄壁复杂结构件超精 密磨削用机床的进一步说明，竖直结构件7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。

本发明在加工过程中，机床在自身重力和切削力的作用下，相关零部件将会产生变形以导致工具砂轮和工件间的相对空间位置发生改变，从而影响加工质量。同时加工过程中出现的振动将会影响机床结构的工作寿命，并且振动产生的变形是影响机床动态误差的重要因素。同时零件为薄壁件，振动对其加工具有较大的影响，为了获得较高的加工质量，机床整机应该具有较好的静动态特性。

建立机床整机的CAD模型，并去除对分析结果影响较小的小尺寸结构，并进行网格划分，建立有限元分析模型。在机床自身重力作用下，对整机进行静动态特性分析。

(1)机床整机静态特性分析

对机床进行整机静态特性分析，能够反映机床及其组件的静刚度情况。机床整机静态特性分析结果如表1所示。图5是机床整机的总体变形位移云图。从图中变形结果中可以看到，总体最大静态变形为6.600μm，X、Y、Z三个方向中Z方向变形位移最大为6.260μm，可以看到机床具有较好的静态刚度。同时变形是在机床自身重力作用下产生的，在加工过程中基本不会发生改变，所以对机床的加工性能影响很小。

表1机床静态变形位移

(2)机床整机动态特性分析

利用ANSYS分析软件对机床整机进行模态分析，由于固有频率越低振型的振幅就越大，对机床和加工质量的影响也越严重，所以在此仅提取机床前六阶固有频率及相应的振型进行分析，获得前六阶固有频率如表2所示。

表2机床前六阶固有频率

从表中可以看到机床整机一阶固有频率为130.84Hz，说明机床具有较好的动态刚度，所以机床具有良好的动态特性。

通过以上对机床的静动态特性分析，可以认为本机床具有良好的静动态特性，能够保证机床的加工性能，可以获得加工质量较高的零件。

(1)能实现最小曲率半径小于2mm的工件的超精密磨削加工；

(2)磨削主轴倾斜放置并可配合运动轨迹绕Z轴转动，以实现在超精密磨削加工口径小于40mm的零件时，避免磨削工具装置与工件间干涉的产生；

(3)具有磨削和砂轮电火花修整两工位，在加工过程中可以随时变换工位对球头砂轮进行修整，在保证球头砂轮真球度(PV<2μm)的同时保证砂轮磨粒突出均匀，以保证零件的加工质量；

(4)采用四轴联动运动控制系统，运动系统能够实现闭环控制和误差补偿，平移轴补偿后的定位精度均为±0.5μm，旋转轴的定位精度为0.75arc sec使机床可以实现多种异型曲面的超精密磨削加工；

(5)采用高分辨率CCD对刀装置，提高对刀精度的同时，缩短对刀时间；

(6)床身均采用花岗岩材料加工而成，结构尺寸稳定性好、振动衰减能力强、变形小，静态最大总变形位移为6.6μm，一阶固有频率为130.84Hz，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。