一种球面副表面加工装置及其方法与流程

本发明属于球面加工研究领域，具体涉及一种球面副表面加工装置及其方法。

背景技术：

球面副连接的两个构件之间是面接触，球面副具有一定的精度和粗糙度的要求。针对球面副表面的机械加工，通常采用数控车床进行加工，通过使用夹具将球形工件固定在旋转轴上，控制刀具做出相应的位移加工出球面。传统加工方式效率高，但操作相对复杂，若操作不当，会导致刀具和工件损毁报废，甚至造成机床的损坏。并且这种方法无法满足对于球面副表面特殊的形貌加工工艺的要求，例如使用激光加工、电火花加工和电解加工在球面副表面加工出微织构图案。这种球面副表面形貌加工工艺要求被加工球面始终与激光光轴、电火花加工和电解加工工具电极垂直，传统的加工方式无法满足这种加工要求，而使用工业机器人进行球面副表面形貌加工，加工系统复杂且昂贵。

目前，现有球面加工技术中，球面加工通常采用球形工件旋转，刀具进给的方式进行加工。如授权公告号cn201361714，名称为《一种球面加工装置》的发明专利申请，被加工件固定在普通车床的立式旋转卡盘上作旋转运动，刀具在水平方向作圆弧形运动，从而实现对被加工件的球面加工。此发明和传统球面加工方式相同，采取刀具进给，球面工件旋转的方式实现球面加工。这种加工方式操作相对复杂，加工精度取决于刀具进给精度。现有专利技术中，如授权公告号cn1088141，名称为《电火花加工精密平面和球面新技术》的发明专利申请，工件和工具电极同时分别绕各自位于同一平面的两轴线作回转运动，由工件和电极两转轴间的夹角和电极直径决定球面成型曲率半径及平面成型精度，这种方法解决了加工球面运动方式受限的问题，加工效率高，但是两回转轴线后端无支撑，轴线可能不在一个平面内，导致加工精度降低，并且无法进行球面表面形貌加工。针对球面特殊表面形貌加工工艺要求，如进行激光球面表面织构加工，一般采用近似垂直于球面的加工方法或者采取调整工件位置的方法进行表面织构加工，这种加工方法操作复杂，加工质量和加工效率低，而采用工业机器人进行球面表面形貌加工，加工头的运动空间受到限制且较于昂贵。

技术实现要素：

本发明的目的是针对上述问题提供一种球面副表面加工装置及其方法，该装置通过摆动机构的摆动轴与连接架连接，所述连接架连接上设有旋转机构，且旋转机构的旋转轴与摆动轴轴线垂直相交，球面加工夹具用于将工件的球心位置定位于摆动轴和旋转轴轴线垂直相交点，该装置加工工具主轴轴线位置固定，并且始终保持加工工具主轴轴线与被加工球面副球面垂直，因此在一次加工过程，可使刀具刀刃、激光焦点、电火花加工或者电解加工工具电极等加工工具位置固定，通过控制摆动轴和旋转轴实现加工过程，避免了加工工具位移误差。

本发明的技术方案是：一种球面副表面加工装置，包括摆动机构、旋转机构、连接架和球面加工夹具；

所述摆动机构的摆动轴与连接架连接，所述连接架连接上设有旋转机构，且旋转机构的旋转轴与摆动轴轴线垂直相交；所述旋转机构用于旋转加工工件；

所述球面加工夹具安装在旋转轴上，球面加工夹具用于将工件的球心位置定位于摆动轴和旋转轴轴线垂直相交点。

上述方案中，所述摆动机构包括第一伺服电机、摆动轴前端支撑架、摆动轴前端输出轴、摆动轴后端输出轴和摆动轴后端支撑架；

所述第一伺服电机安装在摆动轴前端支撑架上，所述摆动轴前端输出轴的一端穿过摆动轴前端支撑架上设有的摆动轴前端固定轴承、且通过第一联轴器与第一伺服电机的轴连接，摆动轴前端输出轴的另一端与连接架连接；

所述摆动轴后端输出轴的一端安装在摆动轴后端支撑架上设有的摆动轴后端固定轴承内，摆动轴后端输出轴的另一端与连接架连接，所述摆动轴前端输出轴与摆动轴后端输出轴同轴安装。

上述方案中，所述旋转机构包括第二伺服电机、旋转轴输出轴和弹性顶针装置；

所述第二伺服电机安装在连接架上，旋转轴输出轴的一端穿过连接架上设有的旋转轴固定轴承、且通过第二联轴器与第二伺服电机的轴连接；所述旋转轴输出轴的另一端与球面加工夹具的一端螺纹连接；所述球面加工夹具的另一端与弹性顶针装置的一端相抵，所述弹性顶针装置的另一端安装在连接架上，旋转轴输出轴与弹性顶针装置同轴安装。

上述方案中，所述弹性顶针装置包括顶针体和第一弹簧；

所述第一弹簧套在顶针体上，顶针体的一端与球面加工夹具凹槽位置相抵，顶针体的另一端安装在连接架上。

上述方案中，所述球面加工夹具包括工件夹具轴、压紧螺母和对心弹性定位装置；

所述工件夹具轴上设有外螺纹，用于安装工件，所述压紧螺母套在工件夹具轴上用于将工件压紧；

所述对心弹性定位装置一端安装在连接架上，另一端对着工件夹具轴，所述对心弹性定位装置与摆动轴前端输出轴和摆动轴后端输出轴同轴安装。

上述方案中，所述对心弹性定位装置包括定位体、第二弹簧和定位橡胶内凹球体；

所述定位体与定位橡胶内凹球体通过连接杆连接，连接杆上套有第二弹簧；所述连接杆安装在连接架上，定位橡胶内凹球体对着工件夹具轴。

上述方案中，还包括底座；所述底座的底部设有支撑脚；所述摆动轴前端支撑架和摆动轴后端支撑架的底部分别安装在底座上。

上述方案中，所述摆动机构的摆动轴向前或向后摆动角度均在0～90°范围内。

上述方案中，还包括控制器；

所述控制器分别与第一伺服电机、第二伺服电机、加工工具和计算机连接。

一种利用所述球面副表面加工装置加工球形工件球面的方法，包括以下步骤：

将工件安装至所述球面加工夹具的工件夹具轴上，并通过压紧螺母压紧；

调整所述旋转机构的旋转轴后端弹性顶针装置，将工件夹具轴与旋转机构的旋转轴输出轴螺纹连接，释放弹性顶针装置的顶针体与工件夹具轴相抵，调整工件在工件夹具轴上的位置，按压球面加工夹具的对心弹性定位装置，使得工件的球面与对心弹性定位装置的定位橡胶内凹球体内凹面贴合，保证工件的球心位置处于摆动机构的摆动轴和旋转机构的旋转轴轴线垂直相交点，通过压紧螺母使工件保持在此位置；

将加工工具调整好并固定在工件的球心正上方的球面位置；

所述摆动机构的第一伺服电机、旋转机构的第二伺服电机、加工工具和计算机分别与控制器连接，通过计算机输入待加工工件的表面参数，控制器控制第一伺服电机、第二伺服电机和加工工具相互配合完成球面的加工。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明所述摆动机构的摆动轴与连接架连接，所述连接架连接上设有旋转机构，且旋转机构的旋转轴与摆动轴轴线垂直相交；所述旋转机构用于旋转加工工件，所述球面加工夹具安装在旋转轴上，球面加工夹具用于将工件的球心位置定位于摆动轴和旋转轴轴线垂直相交点，因此在一次加工过程，可使刀具刀刃、激光焦点、电火花加工或者电解加工工具电极等加工工具位置固定，通过控制摆动轴和旋转轴实现加工过程，避免了加工工具位移误差。

2.本发明由于球面副工件装夹在工件夹具轴上，装夹工件时由于所述球面加工夹具可拆卸安装在旋转轴上，这种装夹方式，操作方便，省时、省力，装夹一次即可完成一个零件的加工，极大的提高了工作效率。

3.本发明所述摆动机构的第一伺服电机、旋转机构的第二伺服电机、加工工具和计算机分别与控制器连接，通过计算机输入待加工工件的表面参数，控制器控制第一伺服电机、第二伺服电机和加工工具相互配合完成球面的加工；加工过程只需通过操作计算机界面操控软件，实现控制器对于伺服电机运动的控制，输入要加工的工件参数即可自动完成球面加工，加工精度高，自动化程度高，操作简便。

4.本发明装置结构紧凑、简单，对于完成球面副表面特殊形貌加工工艺要求具有重要的现实意义，可以显著提高加工精度和加工效率。

附图说明

图1是球面副表面加工装置的结构示意图；

图2是球面加工夹具结构示意图；

图3是对心弹性定位装置结构示意图；

图4是图3b-b方向的剖视图；

图5是弹性顶针装置结构示意图；

图6是实例激光表面织构阵列凹坑加工效果图；

图7是实例激光表面织构网纹槽加工效果图；

图8是实例电火花小孔加工效果图。

图中：101、底座；102、支撑脚；201、第一伺服电机；202、第一联轴器；203、第一电机固定支架；204、摆动轴前端支撑架；205、摆动轴前端固定轴承；206、摆动轴前端输出轴；207、摆动轴后端输出轴；208、摆动轴后端固定轴承；209、摆动轴后端支撑架；301、第二伺服电机；302、第二电机固定支架；303、第二联轴器；304、旋转轴输出轴；305、旋转轴固定轴承；306、弹性顶针装置；3061、顶针体；3062、第一弹簧；401、工件；402、工件夹具轴；403、压紧螺母；404、金属垫片；405、对心弹性定位装置；4051、定位体；4052、第二弹簧；4053、定位橡胶内凹球体；4061、第一螺纹；4062、第二螺纹；4063、夹具轴内螺纹；407、凹槽；501、连接架。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明，但本发明的保护范围并不限于此。

图1所示为本发明所述球面副表面加工装置的一种结构示意图，所述球面副表面加工装置包括底座101、摆动机构、旋转机构、连接架501、球面加工夹具和控制器。所述摆动机构的摆动轴与连接架501连接，所述连接架501连接上设有旋转机构，且旋转机构的旋转轴与摆动轴轴线垂直相交；所述摆动机构用于摆动加工工件，所述旋转机构用于旋转加工工件；所述球面加工夹具可拆卸安装在旋转轴上，球面加工夹具用于将工件的球心位置定位于摆动轴和旋转轴轴线垂直相交点。

所述底座101的底部设有四个支撑脚102。

所述摆动机构包括第一伺服电机201、摆动轴前端支撑架204、摆动轴前端输出轴206、摆动轴后端输出轴207和摆动轴后端支撑架209；所述摆动轴前端支撑架204和摆动轴后端支撑架209的底部分别安装在底座101上。所述第一伺服电机201通过第一电机固定支架203固定安装在摆动轴前端支撑架204上，所述摆动轴前端输出轴206的一端穿过摆动轴前端支撑架204上设有的摆动轴前端固定轴承205、且通过第一联轴器202与第一伺服电机201的轴连接，同轴转动。所述摆动轴前端输出轴206的另一端与连接架501连接；所述摆动轴后端输出轴207的一端安装在摆动轴后端支撑架209上设有的摆动轴后端固定轴承208内，摆动轴后端输出轴207的另一端与连接架501连接，所述摆动轴前端输出轴206与摆动轴后端输出轴207同轴安装。摆动轴前端固定轴承205和摆动轴后端固定轴承208分别用来防止摆动轴前端输出轴206和摆动轴后端输出轴207的轴向窜动。

所述旋转机构包括第二伺服电机301、旋转轴输出轴304和弹性顶针装置306；

所述第二伺服电机301通过第二电机固定支架302固定安装在连接架501上，旋转轴输出轴304的一端穿过连接架501上设有的旋转轴固定轴承305、且通过第二联轴器303与第二伺服电机301的轴连接，同轴转动。所述旋转轴输出轴304的另一端与球面加工夹具的一端螺纹连接；所述球面加工夹具的另一端与弹性顶针装置306的一端相抵，保持工件夹具轴402与旋转轴输出轴304同轴位置，所述弹性顶针装置306的另一端安装在连接架501上，旋转轴输出轴304与弹性顶针装置306同轴安装。旋转轴固定轴承305防止旋转轴输出轴304的轴向窜动。

如图2所示，所述弹性顶针装置306包括顶针体3061和第一弹簧3062；

所述第一弹簧3062套在顶针体3061上，顶针体3061的一端与球面加工夹具相抵，顶针体3061的另一端安装在连接架501上。

如图3和4所示，所述球面加工夹具位于连接架501内，包括工件夹具轴402、两个压紧螺母403、对心弹性定位装置405、定位体4051、第二弹簧4052、定位橡胶内凹球体4053、第一螺纹4061、第二螺纹4062和夹具轴内螺纹4063；

所述工件夹具轴402为可拆卸的，工件夹具轴402的一端设有夹具轴内螺纹4063，通过夹具轴内螺纹4063与旋转轴输出轴304外螺纹连接；工件夹具轴402的另一端设有与顶针体3061对应的凹槽407，以保证工件夹具轴与旋转轴输出轴的同轴。

所述工件夹具轴402安装工件的位置两侧上设有外螺纹：第一螺纹4061和第二螺纹4062，工件401套在工件夹具轴402上且位于第一螺纹4061和第二螺纹4062之间，两个所述压紧螺母403套在工件夹具轴402上，第一螺纹4061、第二螺纹4062和压紧螺母403配合，用于将工件401压紧；工件401与压紧螺母403之间放置金属垫片404。

所述对心弹性定位装置405一端安装在连接架501上，另一端对着工件夹具轴402，所述对心弹性定位装置405与摆动轴前端输出轴206和摆动轴后端输出轴207同轴安装。

如图5所示，所述对心弹性定位装置405包括定位体4051、第二弹簧4052和定位橡胶内凹球体4053；

所述定位体4051与定位橡胶内凹球体4053通过连接杆连接，连接杆上套有第二弹簧4052；所述连接杆安装在连接架501上，定位橡胶内凹球体4053对着工件夹具轴402。通过对心弹性定位装置405使得球面副工件401始终保持在球心位置进行加工。

所述连接架501是一个框架结构，连接架501相对的两侧分别和摆动轴同轴固定连接，所述连接架内安装有旋转轴和球面加工夹具，同时支承旋转轴和球面副加工夹具。

所述控制器分别与第一伺服电机201、第二伺服电机301、加工工具和计算机连接。优选的，所述控制器为单片机。

一种利用所述球面副表面加工装置加工球形工件球面的方法，包括以下步骤：

将工件401安装至所述球面加工夹具的工件夹具轴402上，并通过压紧螺母403压紧；

调整所述旋转机构的旋转轴后端弹性顶针装置306，将工件夹具轴402与旋转机构的旋转轴输出轴304螺纹连接，释放弹性顶针装置306的顶针体3061与工件夹具轴402上的凹槽407相抵，调整工件401在工件夹具轴402上的位置，按压球面加工夹具的对心弹性定位装置405，使得工件401的球面与对心弹性定位装置405的定位橡胶内凹球体4053内凹面贴合，保证工件401的球心位置处于摆动机构的摆动轴和旋转机构的旋转轴轴线垂直相交点，通过压紧螺母403使工件401保持在此位置；

将加工工具调整好并固定在工件401的球心正上方的球面合适位置；

所述摆动机构的第一伺服电机201、旋转机构的第二伺服电机301、加工工具和计算机分别与控制器连接，通过计算机输入待加工工件401的表面参数，控制器控制第一伺服电机201、第二伺服电机301和加工工具相互配合完成球面的加工。

实施例一：

以激光织构关节轴承内圈外球面为实施例，选择两个外径40mm、内径25mm、宽度30mm的关节轴承，在第一个关节轴承内圈外球面织构行列间距均为500um的10行10列阵列凹坑，在第二个关节轴承内圈外球面织构交叉网纹槽，交叉网纹微槽轴向和周向夹角均为45度，相邻条形槽的间距为500um。

其工作原理大致为：将球形工件401安装到球面加工夹具上，调整激光焦点位置，然后通过控制器控制激光器、摆动轴和旋转轴完成关节轴承内圈外球面激光织构加工。

具体加工过程如下：首先，取下球面加工夹具的工件夹具轴402，将关节轴承工件401安装到工件夹具轴402合适位置，通过金属垫片404、压紧螺母403和夹具轴两侧第一螺纹4061、第二螺纹4062配合略微压紧工件，将已安装好工件401的工件夹具轴402通过夹具轴内螺纹4063与旋转轴输出轴304进行螺纹连接，按压对心弹性定位装置405，调整工件401位置，使得工件401球面与定位橡胶内凹球体4053内凹球面贴合，保证工件401球心刚好在摆动轴和旋转轴轴线相交位置，压紧螺母403，调整弹性顶针装置306和工件夹具轴402相应位置相抵。

然后，使用spi激光器进行表面织构作业，设定激光输出参数：激光波长为1064nm、脉冲宽度为130ns、重复频率为50khz、输出功率为20w，输出光路聚焦焦距为60mm，调整激光焦点，使其在工件401球心正上方球面60mm处。

通过操作计算机界面操控软件，输入待加工的工件表面参数，控制激光器、第一伺服电机201和第二伺服电机301在第一个关节轴承内圈外球面织构行列间距均为500um的10行10列阵列凹坑。织构效果如图6所示。

通过操作计算机界面操控软件，输入要加工的工件表面参数，控制激光器、第一伺服电机201和第二轴伺服电机301在第二个关节轴承内圈外球面织构交叉网纹槽，交叉网纹微槽轴向和周向夹角均为45度，相邻条形槽的间距为500um。织构效果如图7所示。

实施例二：

以关节轴承内圈外球面电火花小孔加工为实施例，选择一个外径45mm、内径35mm、宽度30mm的关节轴承，在其内圈外球面加工行列间距均为5mm的5行5列阵列孔，孔径为2mm，孔深为3mm。

其工作原理大致为：将球形工件401安装到球面加工夹具上，调整工具电极位置，然后通过控制器控制激脉冲电源、装置摆动轴和旋转轴完成关节轴承内圈外球面电火花小孔加工。

具体加工过程如下：首先，取下球面加工夹具的工件夹具轴402，将关节轴承工件401安装到工件夹具轴402合适位置，通过金属垫片404、压紧螺母403和夹具轴两侧第一螺纹4061、第二螺纹4062配合略微压紧工件，将已安装好工件401的工件夹具轴402通过夹具轴内螺纹4063与旋转轴输出轴304进行连接，按压对心弹性定位装置405，调整工件401位置，使得工件401球面与定位橡胶内凹球体4053内凹球面贴合，保证工件401球心刚好在摆动轴和旋转轴轴线相交位置，压紧螺母403，调整弹性顶针装置306和夹具轴402相应凹槽407位置相抵。

其次，使用电火花脉冲电源进行小孔加工作业，设定脉冲电源输出参数：输出波形为方波、脉冲宽度为10ms、脉冲频率为1000hz、输出电压为24v，将脉冲电源工件电极一端连接关节轴承工件，调整工具电极位置，使其在工件401球心正上方合适位置，将工作液喷嘴对准工件球心正上方球面位置处。

打开工作液喷嘴，通过操作计算机界面操控软件，输入要加工的工件表面参数，控制电火花脉冲电源、第一伺服电机201和第二伺服电机301在关节轴承内圈外球面加工行列间距均为5mm的5行5列阵列孔，孔径为2mm，孔深为3mm。小孔加工效果如图8所示。

应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。