利用斜交修整轮修整椭圆截面砂轮的修整装置及方法

摘要

本发明公开了一种利用斜交修整轮修整椭圆截面砂轮的修整装置及方法,包括底座，在所述的底座上设有一个精密转台，所述的精密转台包括定子、转子、角度调节机构和锁紧机构，所述的定子固定在所述的底座上，所述的转子设置在定子的顶部，在所述的转子上设有砂轮修整器；所述的角度调节机构用于带动所述的转子围绕转台的中心轴相对定子转动，实现修整轮轴线与固定在机床上的砂轮截面法线相对角度的调节，所述的锁紧机构用于固定转子和定子的相对位置。

说明书

技术领域

本发明涉及一种磨削加工中砂轮修整的方法，利用斜交修整轮修整椭圆截面砂轮的方法装置及方法。

背景技术

在汽车、电子和光学等行业中需要大量的圆柱面、球面、非球面等曲面加工，并且对形状精度和表面质量的要求越来越高。传统自由曲面磨削是使用圆弧截面砂轮，但是近期研究表明，使用椭圆截面砂轮对自由曲面进行磨削时，其截面斜率变化缓慢，因此磨削精度更高，且更易于实现硬脆材料的塑性域磨削。但是，椭圆截面砂轮较圆弧截面砂轮形状更为复杂，因此成形修整更加困难。

目前，对于椭圆截面砂轮的修整技术，主要分为两种。第一种是利用椭圆截面固定油石块对砂轮进行修整。这种方法修整装置简单，油石和砂轮磨损均匀，但是由于油石是固定的，所以修整效率低。第二种方法是利用卧式滚轮对砂轮进行修整，在砂轮截面平面内，修整轮相对砂轮做椭圆插补运动，在垂直砂轮截面法向量方向做直线运动，完成对砂轮椭圆截面的修整。这种方法修整效率高，但是在砂轮截面平面内是滚轮圆弧与砂轮椭圆截面进行对磨，滚轮圆弧斜率变化率与椭圆截面斜率变化率相差较大，因为两轮磨损不均匀，导致修整精度较差。而利用斜交修整轮修整椭圆截面砂轮的研究还未见报道。

发明内容

本发明的目的是为解决椭圆截面砂轮修整效率低，修整精度差的问题，提出一种利用斜交修整轮修整椭圆截面砂轮的装置及方法。

本发明采用的技术方案如下：

一种利用斜交修整轮修整椭圆截面砂轮的修整装置,包括底座，在所述的底座上设有一个精密转台，所述的精密转台包括定子、转子、角度调节机构和锁紧机构，所述的定子固定在所述的底座上，所述的转子设置在定子的顶部，在所述的转子上设有砂轮修整器；所述的角度调节机构用于带动所述的转子围绕转台的中心轴相对定子转动，实现修整轮轴线与固定在机床上的砂轮截面法线相对角度的调节，所述的锁紧机构用于固定转子和定子的相对位置。

进一步的，所述的转子和定子上标注有角度读数，用于读取两者旋转的相对角度。

进一步的，所述的转子和定子上标有角度上标有分度值小于主标尺分度值的角度游标尺。具体的，当游标尺0刻度与主标尺0刻度对齐时，修整轮轴线与底座左端定位面垂直。通过转动调节螺杆，可以带动转台转子围绕中心相对定子转动，读取游标尺0刻度对应主标尺的刻度以及游标刻度与主标尺刻度线的对齐位置的刻度，可以得到转子相对定子转过的相对角度，实现修整轮轴线与固定在机床上的砂轮截面法线相对角度的调节。调节至需要角度后，转动锁紧螺母，将转子与定子相对位置固定。

进一步的，所述的底座的一个侧面是平面度定位面，用于保证修整装置与机床坐标系的相对位置。

进一步的，所述的定子、转子同轴安装；角度调节机构和锁紧机构安装在定子上。

进一步的，所述的砂轮修整器固定在转台上表面，包括电机，联轴器、轴承支撑结构和修整轮；所述的电机与变频转速控制器相连，电机通过联轴器驱动修整轮旋转，修整轮的两端通过轴承支撑结构进行支撑。电机转动通过联轴器传动和轴承结构支撑，带动修整轮转动。通过调节变频转速控制器，可以实现修整轮转速的无级调速；所述的修整轮的轴线与转子和定子的轴线垂直。

本发明还提供了一种利用所述的修整装置修整砂轮的方法，包括以下步骤：

将修整装置放置并固定在机床工作台上，修整装置的底座定位面与机床限位贴合定位，保证修整轮的轴线平行于砂轮截面法线方向；

转动角度调节机构，使修整轮轴线与固定在机床上的砂轮截面法线的斜交角度为θ，调节后拧紧锁紧机构，使修整轮位置固定；

通过控制机床运动，确定砂轮与修整轮的相对零点位置；使砂轮前端面与修整轮后角接触，记录下此时机床的z轴坐标值z₁；再控制砂轮后端面与修整轮前角接触，记录下此时机床的z轴坐标值z₂；则z轴的相对零点坐标值为

控制砂轮最低点低于修整轮中线，记录此时的y轴坐标y_h，使砂轮右侧圆弧与修整轮的左角接触，记录此时的x轴坐标值x₁；抬起砂轮，控制砂轮运动至修整轮右侧，使砂轮下降至y轴坐标为y_h，使砂轮左侧圆弧与与修整轮的右角接触，记录此时的x轴坐标值x₂，则x轴的相对零点坐标值为

使砂轮运动到x、z轴相对零点坐标位置修整轮的上方，控制砂轮使最低点与修整轮最高点接触，记录此时的坐标为y₁，修整轮的初始半径是r₀，砂轮的短轴是b，则y轴的相对零点坐标值为y₀＝y₁-r₀-b；

基于机床数控程序，控制砂轮与修整轮进行相对运动，运动轨迹是长短轴逐次减小椭圆螺旋线，产生对磨作用，实现砂轮椭圆截面的高效精密修整。

进一步的，设砂轮椭圆截面平行于z轴的长轴是a，平行于y轴的短轴是b，修整轮轴线与砂轮截面法线的夹角是θ，修整轮长度是L，修整轮半径是r₀，砂轮相对修整轮运动的速度为v，吃刀深度是a_p，则第n次行程砂轮截面椭圆中心的运动轨迹(x,y,z)可以写成参数t的方程，

式中，

定义参数t从逐渐增大到然后逐渐减小到

这样往复磨削一次为一个磨削行程。

本发明的有益效果如下：

相比固定油石修整方法，本发明修整过程中修整轮的旋转运动使修整轮的辞材料去除率大，修整效率显著提高。传统滚轮修整法是用修整轮的圆形截面与砂轮的椭圆截面对磨，由于圆形与椭圆形的斜率变化率相差较大，不可避免修整轮和砂轮磨损不均匀，导致修整精度差。而本发明从原理上避免了这种不均匀磨损引入的误差，可大幅提高修整精度。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是x-y平面内修整轮修整椭圆截面砂轮装置图，其中1是底座，2是精密转台定子，3是角度调节螺杆，4是精密转台转子，5是驱动电机，6是联轴器，7和9是支撑轴承，8是修整轮，10是锁紧螺母，11变频转速控制器。

图2是x-z平面内修整轮修整椭圆截面砂轮装置图，修整轮相对零点位置旋转角度θ。

图3是z轴相对零点位置确定原理示意图，其中13是砂轮，8是修整轮，20修整轮后角，21是修整轮前角。

图4是x轴相对零点位置确定原理示意图，其中22修整轮左角，23是修整轮右角。

图5是y轴相对零点位置确定原理示意图。

图6是y-z平面内修整轨迹示意图，其中，13是砂轮，14是修整轮与砂轮切点轨迹，15是砂轮与修整轮相对运动轨迹起点，16是砂轮与修整轮相对运动轨迹终点。

图7是x-y平面内修整轨迹示意图。

图8是用本专利方法修整后的砂轮截面误差分布图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；

为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”“右”“前”“后”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右、前、后方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

正如背景技术所介绍的，现有技术中对于椭圆截面砂轮的修整技术，主要分为两种。第一种是利用椭圆截面固定油石块对砂轮进行修整。这种方法修整装置简单，油石和砂轮磨损均匀，但是由于油石是固定的，所以修整效率低。第二种方法是利用卧式滚轮对砂轮进行修整，在砂轮截面平面内，修整轮相对砂轮做椭圆插补运动，在垂直砂轮截面法向量方向做直线运动，完成对砂轮椭圆截面的修整。这种方法修整效率高，但是在砂轮截面平面内是滚轮圆弧与砂轮椭圆截面进行对磨，滚轮圆弧斜率变化率与椭圆截面斜率变化率相差较大，因为两轮磨损不均匀，导致修整精度较差。而利用斜交修整轮修整椭圆截面砂轮的研究还未见报道，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种利用斜交修整轮修整椭圆截面砂轮的修整装置及方法。

本发明中的发明内容部分的角度调节机构可以选用角度调节螺杆3；本发明中的发明内容部分的锁紧机构可以选用锁紧螺母10。本申请的一种典型的实施方式中，如图1所示，利用斜交修整轮修整椭圆截面砂轮的装置包括以下结构(如图1和图2所示)，

底座1的左端面是平面度定位面，用于保证修整装置与机床坐标系的相对位置。底座1上面装有精密转台，精密转台包含定子2、转子4和角度调节螺杆3和锁紧螺母10。定子固定在所述的底座上，所述的转子设置在定子的顶部，在所述的转子上设有砂轮修整器；所述的角度调节机构用于带动所述的转子围绕转台的中心轴相对定子转动，实现修整轮轴线与固定在机床上的砂轮截面法线相对角度的调节，所述的锁紧机构用于固定转子和定子的相对位置。

本申请中所述的定子、转子和底座同轴安装，优选的，可以在定子和转子的中心设置一个导向轴，使转子沿着导向轴相对于定子转动。

在转子24上标有角度主标尺，定子2上标有分度值小于主标尺分度值的角度游标尺。当游标尺0刻度与主标尺0刻度对齐时，修整轮轴线与底座左端定位面垂直。通过转动调节螺杆，可以带动转台转子围绕中心相对定子转动，读取游标尺0刻度对应主标尺的刻度以及游标刻度与主标尺刻度线的对齐位置的刻度，可以得到转子相对定子转过的相对角度，实现修整轮轴线与固定在机床上的砂轮截面法线相对角度的调节。调节至需要角度后，转动锁紧螺母，将转子与定子相对位置固定。

砂轮修整器固定在转台上表面，随着转子一起转动；其包括驱动电机5，联轴器6、轴承支撑结构7和9、修整轮8等结构，电机与变频转速控制器11相连。电机转动通过联轴器传动和轴承结构支撑，带动修整轮转动。通过调节变频转速控制器，可以实现修整轮转速的无级调速。轴承支撑结构7和9固定在转子上，所述的修整轮的轴线与转子和定子的轴线垂直。

具体的加工方法如下：

将修整装置放置并固定在机床工作台上，底座左端定位面与机床限位贴合定位，保证修整装置轴线平行于砂轮截面法线方向。

转动调节螺杆，使修整轮轴线与固定在机床上的砂轮截面法线的斜交角度为θ＝30°，调节后拧紧锁紧螺母，使修整轮位置固定。

通过控制机床运动，确定砂轮13与修整轮8的相对零点位置。如图3所示，使砂轮前端面与修整轮后角20接触，记录下此时机床的z轴坐标值z₁；再控制砂轮后端面与修整轮前角21接触，记录下此时机床的z轴坐标值z₂；则z轴的相对零点坐标值为

如图4所示，控制砂轮最低点低于修整轮中线，记录此时的y轴坐标y_h，使砂轮右侧圆弧与修整轮左角22接触，记录此时的x轴坐标值x₁；抬起砂轮，控制砂轮运动至修整轮右侧，使砂轮下降至y轴坐标为y_h，使砂轮左侧圆弧与与修整轮右角23接触，记录此时的x轴坐标值x₂，则x轴的相对零点坐标值为

如图5所示，使砂轮运动到x、z轴相对零点坐标位置修整轮的上方，控制砂轮使最低点与修整轮最高点接触，记录此时的坐标为y₁，修整轮的初始半径是r₀＝25mm，砂轮的短轴是b＝30mm，长轴a＝40mm，则y轴的相对零点坐标值为

基于机床数控程序，控制砂轮与修整轮进行相对运动，运动轨迹是长短轴逐次减小椭圆螺旋线，产生对磨作用，实现砂轮椭圆截面的高效精密修整，具体的运动轨迹如图6、图7所示；

砂轮椭圆截面平行于z轴的长轴是a＝40mm，平行于y轴的短轴b＝30mm，修整轮轴线与砂轮截面法线的夹角是θ＝30°，修整轮长度是L＝40mm，修整轮半径是r₀＝25mm，砂轮相对修整轮运动的速度为v＝500mm/min，吃刀深度是a_p＝2μm，则第n次行程砂轮截面椭圆中心的运动轨迹(x,y,z)可以写成参数t的方程，

式中，

定义参数t从逐渐增大到然后逐渐减小到这样往复磨削一次为一个磨削行程。

图8是本实施例修整实验后砂轮误差分布图。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。