一种圆柱形零件研磨设备及其工件推进装置和研磨方法

摘要

一种圆柱形零件研磨设备及其工件推进装置和研磨方法。本发明公开了一种圆柱形零件研磨设备，包括工件推进装置和研磨盘装置；研磨盘装置包括第一、第二研磨盘，两研磨盘相对转动，第一研磨盘的工作面为平面，第二研磨盘与第一研磨盘相对的表面上设有一组放射状的直沟槽，直沟槽的槽面为第二研磨盘的工作面；工件推进装置包括主体及其上安装的多个推料机构和储料槽；研磨加工时，工件在直沟槽内自旋，同时工件推进装置推动工件沿直沟槽平移。本发明同时提供了利用该设备实现研磨的方法。本发明设备既具有批量生产的能力，又可实现高点材料多去除、直径较大的圆柱滚子圆柱表面的材料多去除，从而可提高圆柱滚子圆柱表面的形状精度和尺寸一致性，提高圆柱形零件圆柱表面的加工效率，降低加工成本。

说明书

技术领域

本发明涉及一种高精度圆柱形零件外圆表面精密加工技术领域，尤其涉及一种圆柱形零件外圆表面研磨设备及其方法。

背景技术

圆柱滚子轴承广泛应用于各类旋转机械。作为圆柱滚子轴承重要零件的圆柱滚子，其外圆表面的加工精度直接影响着圆柱滚子轴承的性能。圆柱形零件外圆表面精密加工的主要方法有超精加工和双盘行星式研磨方法。

超精加工是一种利用细粒度油石作为磨具，油石对工件施加载荷并相对工件做低速轴向运动和微幅往复振动，从而实现微量切削的光整加工方法。目前，圆柱滚子外圆表面的精密加工多采用无心贯穿式超精加工方法，其设备由两个导辊和一个装有油石的超精头组成，导辊支撑工件并驱动工件作低速螺旋运动，超精头以较低的压力将油石压向工件，油石与工件之间形成面接触，油石同时沿轴向做高频振动。在无心贯穿式超精加工过程中，同一批次的圆柱滚子依次贯穿加工区域并经受油石超精加工，待所有圆柱滚子都通过加工区域若干次后，某一道超精加工工序(粗超、细超、精超)结束。无心贯穿式超精加工可以改善工件表面粗糙度(贯穿式超精加工通常可达Ra0.025μm)、去除上道工序形成的表面变质层、提高工件圆度。除油石和超精辊磨损状态变化以及各圆柱滚子自身差异外，每个圆柱滚子经受超精加工的条件和参数相同。

但是，受加工原理的制约，超精加工存在下列技术缺陷：一方面，加工过程中油石和导辊磨损状态的变化对提高圆柱滚子圆柱表面的尺寸精度和形状精度不利；另一方面，由于无心贯穿式超精加工方法同一时刻只有有限的几个圆柱滚子经受加工，其材料去除量几乎不受其与同批次其他圆柱滚子直径相互差的影响，因此无心贯穿式超精加工不能明显降低圆柱滚子直径相互差。上述两方面导致工件外圆表面的加工精度(形状精度和尺寸一致性)提升缓慢，加工周期长、成本高。

双盘行星式圆柱形零件研磨设备的主要结构包括上研磨盘、下研磨盘、行星轮保持架、外齿圈和内齿圈。上研磨盘和下研磨盘同轴布置，分别独立转动，上盘起到加压作用，行星轮保持架放在内齿圈和外齿圈之间，圆柱滚子放在保持架的孔槽内，孔槽在保持架表面呈辐射状分布。研磨时，保持架绕研磨盘中心公转同时自转，圆柱滚子在上、下研磨盘和保持架的作用下既绕保持架中心公转同时又绕自身轴线自转，作复杂空间运动。在上下研磨盘之间研磨液的作用下实现材料的微去除。双盘行星式圆柱形零件研磨设备可以得到高精度的圆柱工件外圆表面，例如，对于长度30～40mm的工件，利用双盘研磨机精密加工后，可达到圆度误差小于0.001mm、纵截面直径的一致性小于0.002mm、表面粗糙度小于Ra0.025μm。但是，双盘研磨机只能用于小批量(几十到几百个)圆柱形工件的外圆精密加 工。对于轴承滚子的大批量需求，双盘行星式研磨方法难以胜任。

由此可见，采用无心贯穿式超精加工方法对圆柱形工件外圆表面进行精密加工，在加工精度方面存在天然不足，而双盘行星式研磨方法不能满足大批量生产要求，所以急需一种能实现较高加工精度和大批量生产的圆柱形零件外圆表面精密加工设备，以满足高精度圆柱滚子轴承对圆柱滚子外圆表面的加工精度和生产规模要求。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种圆柱形零件研磨设备，同时提供了利用该设备实现研磨的方法，本发明设备既具有批量生产的能力，又可实现高点材料多去除、低点材料少去除，直径较大的圆柱滚子圆柱表面的材料多去除、直径较小的圆柱滚子圆柱表面的材料少去除，从而可提高圆柱滚子圆柱表面的形状精度和尺寸一致性，可以提高圆柱形零件(圆柱滚子)表面的加工效率，降低加工成本。

为了解决上述技术问题，本发明提出的一种圆柱形零件研磨设备，包括加载装置、动力系统及与工件输送装置依次连接的工件推进装置、研磨盘装置、工件与研磨液分离装置、工件清洗装置和工件混料装置；所述加载装置用于为所述研磨盘装置进行加载，所述动力系统用于驱动所述研磨盘装置；所述研磨盘装置包括第一研磨盘和第二研磨盘，所述第二研磨盘与所述第一研磨盘之间为相对转动，所述第二研磨盘相对第一研磨盘的回转轴线为OO’，所述第一研磨盘与第二研磨盘相对的表面为平面，所述平面为第一研磨盘的工作面；在所述第二研磨盘与第一研磨盘相对的表面上设有一组放射状的直沟槽；所述直沟槽的槽面为所述第二研磨盘的工作面，所述第二研磨盘的工作面的横断面轮廓呈圆弧形或V字形或具有圆弧的V字形，研磨加工时，待加工件沿槽向布置在直沟槽中，同时，待加工件的外圆柱面与第二研磨盘的工作面相接触；所述直沟槽的基准面是指过布置于直沟槽中的待加工件的轴线、且与第一研磨盘的工作面垂直的平面；所述待加工件与直沟槽的接触点或接触圆弧的中点处的法平面与所述直沟槽的基准面的夹角为θ，所述夹角θ的取值范围为30～60°；所述直沟槽的近第二研磨盘的中心一端为推进口，所述直沟槽的另一端为出料口；直沟槽的基准面与回转轴线OO’的偏心距为e，e的取值范围大于等于零、且小于回转轴线OO’到所述直沟槽的推进口的距离；所述偏心距e的取值为零时，直沟槽的布置方式为径向布置；所述第二研磨盘的中央位置设有所述工件推进装置的安装部；在研磨加工的压力和研磨润滑条件下，第一研磨盘工作面材料与待加工件材料之间的摩擦系数为f₁，第二研磨盘工作面材料与待加工件材料之间的摩擦系数为f₂，其中，f₁>f₂，以保证待加工件在研磨加工过程中实现自旋。

本发明中提出的用于圆柱形零件研磨设备的工件推进装置，包括主体，所述主体上安装有多个推料机构和多个储料槽，推料机构的数量和储料槽的数量与所述研磨盘装置中直沟槽的数量相同；每个推料机构均分别与一储料槽配合，所述储料槽的底部设有推杆进口和出料口，所述推料机构包括设置在主体底部的通孔，所述通孔与推杆进口和出料口的中 心连线同轴，所述通孔内设有推料杆和推料杆的限位结构；所述储料槽的出料口与直沟槽的推进口一一对应，所有推料杆均由同一个间歇往复运动机构来驱动，从而将储料槽中的待加工件推入到直沟槽中。

采用本发明中圆柱形零件研磨设备的研磨方法，包括以下步骤：

步骤一、工件送料：工件输送装置将待加工件送入工件推进装置的储料槽中，推料杆在间歇往复运动机构的驱动下，将储料槽中的待加工件沿通孔推入到直沟槽中，直至所有直沟槽中布满待加工件；

步骤二、研磨加工：加载装置对研磨盘装置加载，待加工件与第一研磨盘工作面和第二研磨盘工作面之间相接触；动力系统驱动研磨盘装置，第二研磨盘相对第一研磨盘转动，在第一研磨盘和第二研磨盘的合力作用下，待加工件绕其轴线自旋，与此同时，待加工件自直沟槽的推进口向出料口做平移滑动；上述运动过程中，在研磨液中游离磨粒的作用下实现待加工件材料的微去除，直至待加工件从出料口脱离直沟槽；

步骤三、工件清洗：工件与研磨液分离装置将经过步骤二研磨后的工件与研磨液分离，研磨液过滤沉淀后重复利用，工件经过工件清洗装置清洗后，进入步骤四；

步骤四、工件经过工件混料装置打乱原有次序后返回步骤一；

经过一段时间的连续循环研磨加工后，对工件抽检，若达到工艺要求，则结束研磨加工；否则，继续研磨加工。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明同一时刻对分布于多条直沟槽中的大量圆柱滚子同时进行研磨加工，且由于具有混料工序，同一时刻参与研磨加工的圆柱滚子组合具有很大的随机性，而直径较大的圆柱滚子所承受的工作载荷大于直径较小的圆柱滚子，工件的待加工面高点所承受的工作载荷大于工件待加工面低点，有利于实现直径较大的圆柱滚子圆柱表面的材料多去除、直径较小的圆柱滚子圆柱表面的材料少去除，待加工面高点的材料多去除，待加工面低点的材料少去除，从而提高圆柱滚子圆柱表面的尺寸一致性。由于同时参与加工的工件数量多，且加工过程中具有直径较大的圆柱滚子圆柱表面材料多去除和高点材料多去除的特点，有利于提高圆柱滚子圆柱表面的加工效率，因此具有批量生产的能力，且工件的尺寸一致性好，形状精度高，圆柱滚子圆柱表面的加工效率高，加工成本低。

附图说明

图1为双盘直沟槽圆柱形零件外圆表面精密加工设备的示意图；

图2为研磨盘装置的示意图；

图3为具有直沟槽的第二研磨盘的示意图；

图4为待加工件在研磨盘装置中经受加工时的截面图，其中：(a)为第二研磨盘直沟槽的工作面的截面轮廓为V形的示意图；(b)为第二研磨盘直沟槽的工作面的截面轮廓为圆弧形的示意图；(c)为第二研磨盘的工作面的截面轮廓为具有圆弧的V形的示意图；

图5-1为采用盘形凸轮驱动的进料装置的横截面的示意图；

图5-2为图5-1中所示盘形凸轮具有不同升限的示意图，其中：(a)为采用单升限的盘形凸轮，b为采用双升限的盘形凸轮，c为采用三升限的盘形凸轮；

图6为采用盘形凸轮驱动的推进装置的纵剖面示意图；

图7为采用圆锥凸轮驱动的推进装置的示意图；

图中：

1-研磨盘装置                             2-工件推进机构

3-工件输送装置                           4-工件混料装置

5-工件与研磨液分离装置                   6-工件清洗装置

7-加载装置                               8-动力系统

9-待加工件                               11-第一研磨盘

111-第一研磨盘的工作面                   12-第二研磨盘

OO’-第二研磨盘相对第一研磨盘的回转轴线  121-第二研磨盘上的直沟槽

1211-第二研磨盘的工作面                  1212-第二研磨盘的直沟槽底部的容屑槽

211-盘形凸轮                             212-圆锥凸轮

22-推料机构                              222-定位轴肩

223-弹簧                                 224-推料杆

225-通孔                                 23-储料槽。

l-布置于直沟槽中的待加工件的轴线，

Δω-第二研磨盘与第一研磨盘的相对转速，

ω₁-待加工件经受加工时的自旋角速度，

α-过轴线l且与第一研磨盘的工作面垂直的平面，

β-待加工件与直沟槽工作面的唯一接触点或者接触圆弧中点A处的法平面，

θ-面α与面β的夹角，

e-面α到第二研磨盘相对第一研磨盘的回转轴线OO’的偏心距离，

r-待加工件的外圆半径。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述。

本发明中提出的一种圆柱形零件研磨设备，如图1所示，包括加载装置7、动力系统8及与工件输送装置3依次连接的工件推进装置2、研磨盘装置1、工件与研磨液分离装置5、工件清洗装置6和工件混料装置4；所述加载装置7用于为所述研磨盘装置1进行加载，所述动力系统8用于驱动所述研磨盘装置1。

所述研磨盘装置1，如图2所示，包括第一研磨盘11和第二研磨盘12，所述第二研磨盘12与所述第一研磨盘11之间为相对转动，所述第二研磨盘12相对第一研磨盘11的回转轴线 为OO’，所述第一研磨盘11与第二研磨盘12相对的表面为平面，所述平面为第一研磨盘11的工作面111；如图3所示，在所述第二研磨盘12与第一研磨盘11相对的表面上设有一组放射状的直沟槽121；所述直沟槽121的槽面为所述第二研磨盘12的工作面1211，如图4所示，所述第二研磨盘12的工作面1211的横断面轮廓呈圆弧形或V字形或具有圆弧的V字形，其中，如图4中的(a)所示的第二研磨盘12的工作面1211的横断面轮廓为V字形，如图4中的(b)所示的第二研磨盘12的工作面1211的横断面轮廓为圆弧形，如图4中的(c)所示的第二研磨盘12的工作面1211的横断面轮廓为具有圆弧的V字形，直沟槽的底部设有容屑槽1212；待加工件9横向布置在偏心直沟槽121上，待加工件9在第一研磨盘11的工作面111与第二研磨盘12的工作面1211组成的研磨工作区内经受研磨加工。第一研磨盘11的工作面111材料与待加工件9材料组成的摩擦副在专利所述工况载荷和研磨液润滑条件下的摩擦系数f₁大于第二研磨盘12的工作面1211的材料与待加工件9的材料组成的摩擦副在相同条件下的摩擦系数f₂。

研磨加工时，待加工件9沿槽向布置在直沟槽121中，同时，待加工件9的外圆柱面与第二研磨盘12的工作面1211相接触，由直沟槽121的工作面1211对待加工件9的外圆表面进行定位；所述直沟槽121的基准面α是指过布置于直沟槽中的待加工件的轴线l、且与第一研磨盘11的工作面111垂直的平面；所述待加工件9与直沟槽121的接触点或接触圆弧的中点A处的法平面β与所述直沟槽121的基准面的夹角为θ，所述夹角θ的取值范围为30～60°；所述直沟槽121的近第二研磨盘12的中心一端为待加工件的推进口，所述直沟槽121的另一端为出料口；直沟槽121的基准面α与第二研磨盘相对第一研磨盘的回转轴线OO’的偏心距为e，e的取值范围为大于等于零、且小于回转轴线OO’到所述直沟槽121的推进口的距离；所述偏心距e的取值为零时，直沟槽121的布置方式实际为径向布置方式；所述第二研磨盘12的中央位置设有所述工件推进装置2的安装部。

在研磨加工的压力和研磨润滑条件下，第一研磨盘工作面111材料与待加工件材料之间的摩擦系数为f₁，第二研磨盘工作面1211材料与待加工件材料之间的摩擦系数为f₂，其中，f₁>f₂，以保证待加工件在研磨加工中实现自旋。

本发明中的所述工件推进装置2，其结构如图5-1、图5-2、图6和图7所示，包括主体，所述主体上安装有多个推料机构22和多个储料槽23，多个推料机构22沿周向布置，推料机构22的数量和储料槽23的数量与所述研磨盘装置中直沟槽121的数量相同；所述储料槽23的截面尺寸与待加工件9的尺寸相适应，可以通过更换不同截面尺寸的储料槽23来满足不同直径的待加工件9的加工要求；每个推料机构22均分别与一储料槽23配合，所述储料槽23的底部设有推杆进口231和出料口232，所述推料机构22包括设置在主体底部的通孔225，所述通孔225与推杆进口231和出料口232的中心连线同轴，所述通孔225与所述推杆进口231贯通，所述通孔225内设有推料杆224和推料杆的限位结构，该限位结构由设置在推料杆224上的定位轴肩222、设置在通孔内的定位台阶和套在推料杆224上的弹簧223构成，所述定位轴肩222对推料杆224的行程进行限位，所述弹簧223保证推 料杆224与凸轮相接触，所述储料槽23的出料口与直沟槽121的推进口一一对应，所有推料杆22均始终与同一个间歇往复运动机构(如图5-1所示的盘形凸轮211或如图7所示的圆锥凸轮212)相接触，即由同一个间歇往复运动机构来驱动，使得所有推料杆224由凸轮推动推料杆224在通孔225内作往复移动，从而将储料槽23中的待加工件9通过储料槽23底部的出料口232推入到直沟槽121中。待加工件9一枚叠一枚的储存在储料槽23中，且最下端一枚待加工件9的轴线同与该储料槽23相对应的直沟槽121中待加工件9的轴线l共线。当连续研磨加工时，工件输送装置3将待加工件9输送给工件推进机构2，待加工件9被储存在储料槽23中。

本发明中的工件输送装置3，采用市面上通用的振动送料机构和螺旋送料机构，其功能是实现待加工件9的连续输送。本发明中的工件混料装置4，采用市面上通用的圆柱工件混料机构，其目的是实现打乱工件排列顺序，提高加工的随机性。本发明中的工件与研磨液分离装置5，设置有沉淀槽、研磨液输送管路和研磨液分离装置，其目的是为设备输送研磨液、收集用过的研磨液，经过沉淀过滤后，将磨屑与研磨液分离，并实现研磨液的循环使用。本发明中的工件清洗装置6，采用市面上通用的工件清洗装置，其目的是利用清洗液将一次研磨后的工件清洗干净，并回收清洗液。滚子清洗产生的废水，为防止污染环境，通过管道先流到沉淀槽进行沉淀，沉淀后的废水进入研磨液分离装置进行离心分离和过滤，分离后的清洗液返回滚子清洗装置继续使用。

本发明设备中的所述间歇往复运动机构采用盘形凸轮机构或圆锥凸轮机构驱动，为完成间歇往复运动功能，工件推进机构2的结构可采用多种方案：实施例1如图5-1、图5-2和图6所示，图5-2中的(a)、(b)和(c)分别示出单、双和三升限盘形凸轮的结构，可以利用多升限盘形凸轮211实现间歇往复运动，其工作过程是：利用多升限盘形凸轮211，凸轮与第一研磨盘11连接，而推料杆224与第二研磨盘12连接，利用两研磨盘之间的转速差，通过盘形凸轮211的升距变化驱动推料杆224将待加工件9推进直沟槽121中。

实施例2，如图7所示，利用圆锥凸轮212驱动的间歇往复运动机构，其工作过程是：圆锥凸轮212在外加动力源的驱动下做直线往复运动，从而驱动推料杆224将待加工件9推进直沟槽121中；实施例1、实施例2均可以通过改变凸轮的截面尺寸、改变储料槽的截面尺寸来满足不同尺寸的待加工件的需要，适用性强。

利用本发明圆柱形零件研磨设备实现圆柱形零件研磨，包括以下步骤：

步骤一、工件送料：工件输送装置3将待加工件送入工件推进装置2的储料槽23中，推料杆22在间歇往复运动机构的驱动下，将储料槽23中的待加工件9从储料槽底部推进直沟槽121中，直至所有直沟槽中布满待加工件9；

步骤二、研磨加工：加载装置7对研磨盘装置1加载，待加工件9与第一研磨盘工作面111和第二研磨盘工作面1211之间相接触；动力系统8驱动研磨盘装置1，第二研磨盘12相对第一研磨盘11转动，待加工件9在第一研磨盘11的工作面111、第二研磨盘12的工作面1211组成的研磨工作区内经过加工；因为在研磨加工的压力和研磨润滑条件下，第 一研磨盘工作面111材料与待加工件材料之间的摩擦系数f₁大于第二研磨盘工作面1211材料与待加工件材料之间的摩擦系数f₂，在第一研磨盘11和第二研磨盘12的合力作用下，待加工件9绕其轴线自旋，与此同时，工件推进装置2不断向直沟槽121中推入待加工件9，直沟槽121中的待加工件9受到后续待加工件的推动力，从而使待加工件9自直沟槽121的推进口向出料口做平移滑动；上述运动过程中，研磨盘装置1的工作面与待加工件9的外圆柱面接触区域在研磨液中游离磨粒的作用下实现待加工件9材料的微去除，直至待加工件9从出料口脱离直沟槽121；

在研磨过程中，同一时刻分布于多条直沟槽121中的大量待加工件9同时参与研磨加工，且同一时刻参与研磨加工的待加工件9的组合具有很大的随机性，直径较大的待加工件9所承受的载荷大于直径较小的待加工件9，有利于实现直径较大的待加工件9外圆表面的材料多去除、直径较小的待加工件9外圆表面的材料少去除，从而提高待加工件9外圆表面的尺寸一致性。该加工方法具有同一待加工件9的外圆表面的高点材料多去除和直径较大的外圆表面的材料多去除的工艺特点，有利于提高待加工件9外圆表面的加工效率、尺寸精度和一致性。

步骤三、工件的清洗：工件与研磨液分离装置5将经过步骤二研磨后的工件与研磨液分离，研磨液过滤沉淀后重复利用，工件经过工件清洗装置6清洗后，进入步骤四；

步骤四、工件经过工件混料装置4打乱原有次序后返回步骤一；

经过一段时间的连续循环研磨加工后，对工件抽检，若达到工艺要求，则结束研磨加工；否则，继续研磨加工。

采用本发明的研磨方法，同一时刻分布于直沟槽121中的大量待加工件9参与研磨加工，且同一时刻参与研磨加工的待加工件9的组合具有很大的随机性，直径较大的待加工件9所承受的载荷大于直径较小的待加工件9，有利于实现直径较大的待加工件9圆柱表面的材料多去除、直径较小的待加工件9圆柱表面的材料少去除，从而提高待加工件9圆柱表面的尺寸一致性。高点材料多去除和直径较大的待加工件9圆柱表面的材料多去除有利于提高待加工件9圆柱表面的加工效率。

尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。