CN102513901A - 一种用于柱塞封闭曲线槽精密磨削的加工方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种用于柱塞封闭曲线槽精密磨削的加工方法及装置。包括精密磨削主轴(砂轮轴)，砂轮轴的轴向微振动机构，回转夹具机构(A轴)，十字滑台机构(X轴及Y轴)，气动升降机构等。精密磨削主轴(砂轮轴)通过滑台(装有滑块)安装于滑动导轨上，回转夹具机构(A轴)固定在十字滑台(X轴及Y轴)机构上面，十字滑台机构安装在升降弯板的台面上，升降弯板后面装有滑动导轨副。砂轮轴轴向微振机构带动砂轮轴在滑动导轨的垂直方向作往复运动；加工柱塞封闭曲线槽的侧平面时采用两轴(X轴及A轴)数控磨削加工方式，加工柱塞封闭曲线槽的弧面时采用三轴(X轴、Y轴及A轴)数控磨削加工方式。该种加工方法及装置主要用于柴油发动机高压供油系统的关键件——柱塞的封闭曲线槽的精密磨削加工。

Description

一种用于柱塞封闭曲线槽精密磨削的加工方法及装置

1、技术领域

本发明属于机械加工技术领域，涉及一种发动机的关键件--柱塞的加工方法及其加工设备的技术。

2、背景技术

柱塞(如图1、2所示)是柴油发动机供油系统中的一个关键件，而柱塞两侧封闭曲线槽的作用是控制供油量的大小，柱塞封闭曲线槽的宽度只有3mm，柱塞材料采用铬轴承钢(GCr15)，淬火后硬度HRC65，由于柱塞淬火后封闭曲线槽表面形成氧化层及产生较大尺寸变形，曲线槽侧平面的直线度、平面度不能满足产品原始设计要求，现有的技术和设备无法精密磨削加工封闭曲线部分，本发明的设备及其加工方法可用于对柱塞封闭曲线槽进行精密磨削，经实际应用效果证明，这种工艺方案可有效地提高柱塞封闭曲线槽封油面的尺寸精度及表面光洁度，能够满足柴油发动机的关键件-柱塞的使用性能要求。

3、发明内容

提供一种柱塞封闭曲线槽精密磨削的加工方法及设备，采用CBN镀层小磨头刀具及砂轮轴轴向微振动机构，高精度的两轴(X轴、A轴)数控联动系统加工柱塞的侧平面部分，以及高精度的三轴(X轴、Y轴、A轴)数控联动系统加工柱塞曲线槽的侧平面部分；

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：采用两轴或三轴数控磨削加工方式。设备结构主要包括精密磨削主轴(砂轮主轴)及其冷却系统，砂轮轴系统的轴向微小振动机构，回转夹具机构(A轴)，十字滑台机构(X轴及Y轴)，气动升降机构等主要部件。其特征在于：砂轮轴系统的后部装有滑块，滑块固定在滑动导轨上，砂轮轴的轴向微振动机构带动砂轮轴系统在该滑动导轨的竖直方向作往复运动；回转夹具机构(A轴)固定在十字滑台部件上面，而十字滑台控制机构固定在升降弯板的台面上部，升降弯板后面装有滑块、滑动导轨副；准备加工柱塞时，首先，需将柱塞放入回转夹具机构的弹簧夹头内，通过夹具径向定位机构的径向定位销校正柱塞至正确加工位置，之后旋紧弹簧夹头的螺母，拉出该径向定位销，并旋转90度后，停靠在导向套端面的浅凹槽处；气动升降系统工作时，气缸带动升降弯板、十字滑台机构及回转夹具机构在滑动导轨上作升降运动，(气缸)活塞杆上升的极限位置由挡块控制；加工柱塞封闭油槽的侧平面部分时，采用两轴(X轴及A轴)数控系统加工方式，加工柱塞封闭油槽的弧面部分时，采用三轴(X轴、Y轴及A轴)数控系统加工方式。

本发明的有益效果是：采用精密磨削主轴系统提高砂轮主轴转速和运动的平稳性，采用砂轮主轴的冷却循环系统、减小走刀量、增设砂轮轴轴向微量振动机构，解决了小砂轮强度、寿命和刀具堵塞等关键技术问题。该项技术的成功研制突破新一代柴油发动机供油系统的精密加工工艺难题，从制造工艺上确保柴油发动机整机性能的提高。通过对高硬度柱塞封闭曲线槽磨削加工技术的研究，为发动机的高压供油系统的关键件-柱塞，提供一种新的制造工艺技术。

4、附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是柱塞零件的外形图

图2是柱塞沿母线展开的局部示意图

图3是CBN砂轮磨削柱塞封闭曲线槽的加工示意图

图4是数控磨削设备结构的主视图

图5是数控磨削设备结构的左视图

图6是砂轮轴轴向微振动机构的主视图

图7是砂轮轴轴向微振动机构的俯视图

图8是回转夹具机构的主视图

图9是回转夹具机构的左视图

图3中，1是柱塞，2是CBN砂轮。

图4中，3是大理石床身，4是滑动导轨副，5是升降弯板，6是横向(X轴)伺服电机，7是十字滑台机构，8是回转轴(A轴)伺服电机，9是回转夹具机构。

图5中，10是挡块，11是异步电机，12是同步带、带轮传动机构，13是滑动导轨副，14是砂轮轴轴向微振动机构，15是精密砂轮主轴，16是工件径向定位机构，17是纵向(Y轴)伺服电机，18是升降气缸。

图6中，19是小带轮，20是偏心轴转动机构，21是弹簧夹头螺母，22是弹簧夹头，23是接杆，24是项丝，25是压缩弹簧，26是弹簧座。

图7中，27是连接板，28是活动角架，29是压瓦，30是滑架，31是底座，32是固定角架，33是振动轴转动机构。

图8中，34是轴承座，35是左端盖，36是轴端挡圈，37是工件回转主轴，38是锁紧圆螺母，39是隔环，40是轴承，41是右端盖，42是工件轴向定位面，43是柱塞侧面的径向定位面，44是弹簧夹头，45是弹簧夹头螺母。

图9中，46是定位座体，47是压缩弹簧，48是导向套，49是径向定位销，50是导向套端面十字深槽，51是导向套端面十字浅槽，52是拉手，53是圆柱销，54是导向圆柱销。

5、具体实施方式：

在图4及图5中，一对滑动导轨副(4)固定在升降弯板(5)的后面，升降气缸(18)安装在升降弯板(5)的下部，控制升降弯板的运动，工作时，升降气缸(18)工作行程的终点位置由挡块(10)限位；十字滑台机构(7)固定在升降弯板(5)的上面，横向伺服电机(6)与十字滑台机构(7)的X轴相连接，纵向伺服电机(17)与十字滑台机构(7)的Y轴相连接；回转夹具机构(9)安装在十字滑台机构(7)上方，回转轴伺服电机(8)与工件回转夹具机构(9)的主轴相连接；工作时，将柱塞(1)放入工件回转夹具机构(9)的主轴孔内，并靠孔内平面实现轴向定位，柱塞的径向定位机构(16)固定在工件回转夹具机构(9)的侧面；精密砂轮主轴(15)后面装有砂轮轴轴向微振动机构(14)，该微振动机构后方装有一对滑动导轨副(13)，CBN砂轮(2)靠弹簧夹头与精密砂轮主轴(15)连接；工作时，异步电机(11)带动微振动机构(14)及砂轮主轴(15)在机床的垂直方向作微量振动磨削；

在图6及图7中，小带轮(19)通过键连接固定在偏心轴转动机构(20)的偏心轴上，偏心轴转动机构(20)安装在固定角架(32)上，固定角架(32)安装在底座(31)侧面，底座(31)与大理石床身(3)固定连接；振动轴转动机构(33)安装在活动角架(28)上，活动角架(28)固定在滑架(30)的后部，滑架(30)两侧装有滑动导轨副(13)，偏心轴转动机构(20)及振动轴转动机构(33)分别与连接板(27)连接；异步电机(11)通过同步带、带轮传动机构(12)将动力传递给小带轮(19)，小带轮将动力传递给偏心轴转动机构(20)，随着偏心轴的转动，带动连接板(27)上下振动，最终带动振动轴转动机构(33)在滑动导轨上振动，压缩弹簧(25)顶在活动角架(28)下部，对偏心振动起缓冲作用，通过调整顶丝(24)的长度，来调整弹簧力大小，压缩弹簧(25)位于弹簧座(26)内，弹簧座(26)固定连接在底座(31)上；CBN砂轮(2)安装于弹簧夹头(22)内，弹簧夹头安装于接杆(23)内，接杆又与精密砂轮主轴的内孔相连接，旋紧弹簧夹头螺母(21)，可将CBN砂轮锁住。

在图8及图9中，工件回转主轴(37)的前后轴承(40)均采用向心球轴承，前轴承内圈靠回转主轴(37)的轴肩定位，前轴承的外圈浮动，以适应回转主轴(37)由于热变形的伸长量，后轴承的内圈采用锁紧圆螺母(38)定位，后轴承的外圈采用左端盖(35)及轴端挡圈(36)定位。定位座体(46)固定在轴承座(34)的侧面，在定位座体内固定装有导向套(48)，导向套内装有径向定位销(49)，该径向定位销上固定有导向圆柱销(54)，在导向套(48)端部开有十字槽(一处是深槽、一处是浅槽)，导向套端部十字深槽(50)是径向定位销(49)压紧径向定位面(43)的导向槽，浅槽(51)是径向定位销(49)在非工作状态下的限位槽，拉手(52)通过圆柱销(53)与径向定位销(49)固定连接。

柱塞加工前的准备过程：

正式加工前，将柱塞小端放入工件回转主轴(37)的弹簧夹头内，并与工件回转主轴的轴向定位面(42)靠紧后，拨出拉手(52)，并旋转90°，使径向定位销(49)上的导向圆柱销(54)沿导向套(48)的十字深槽(50)方向，在压缩弹簧(47)的弹簧力作用下与柱塞径向定位面(43)紧密贴合(此时的导向圆柱销(54)距离十字深槽(50)底部有一定间隙)，之后，旋紧弹簧夹头螺母(45)；拨出拉手(52)并旋转90°，放入导向套(48)的端面浅槽(51)处。至此，完成待加工柱塞的安装，准备进入设备的程序自动加工过程。

自动加工过程：

(1)打开机床电源开关，电源指示灯亮。

(2)按【启动】按钮，数控系统进行初始化后，控制台屏幕上出现相应的显示信息。

(3)分别连续按【+X】、【+Y】、【+A】按钮，调整机床各坐标轴，使各坐标轴回到坐标原点。

(4)各轴调整至出现参考点符号，系统完成调整原点坐标操作。

(5)选择加工程序。

(6)打开加工程序，可对加工参数进行修改，修改完成后，按【执行】按钮，系统准备完毕。

(7)按自动运行按钮【Cycle Start】，机床自动运行自动加工程序。

至此，机床完成柱塞曲线槽的磨削加工。

加工下一工件，重复操作上述步骤。

Claims (4)

1.一种用于柱塞封闭曲线槽精密磨削的加工方法及装置，采用CBN柱状砂轮，采用三轴数控系统进给磨削加工方式，包括高速精密磨削主轴(砂轮轴)，砂轮轴的轴向微量振动机构，工件回转夹具机构(A轴)，十字滑台控制机构(X轴及Y轴)，气动升降机构。其特征在于：砂轮轴通过滑台(装有滑块)安装于滑动导轨上，轴向微振机构带动砂轮轴部件在导轨垂直方向往复运动；工件回转机构固定在十字滑台机构上面，十字滑台控制机构固定在升降弯板上，升降弯板后面装有滑块、滑动导轨副，气缸带动升降弯板在滑动导轨上作升降运动。

2.根据权利要求1所述的一种用于柱塞封闭曲线槽精密磨削的加工方法及装置，其特征是：曲线槽的侧平面部分采用X轴、回转A轴的两轴数控微小进给磨削加工方式，曲线槽的圆弧面部分采用X轴、Y轴、回转A轴的三轴数控微小进给磨削加工方式。

3.根据权利要求1所述的一种用于柱塞封闭曲线槽精密磨削的加工方法及装置，其特征是：工件回转机构中的夹具采用轴向端面定位、径向平面定位及外圆弹簧夹头夹紧定位的定位方式。

4.根据权利要求1所述的一种用于柱塞封闭曲线槽精密磨削的加工方法及装置，其特征是：在柱塞加工过程中，采用砂轮轴轴向微振系统，提高曲线槽侧平面的磨削质量，有效解决了刀具堵塞问颗。

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