CN102990500B - 一种垂直轴转台倒挂式斜轴磁流变研抛装置 - Google Patents

Abstract

一种垂直轴转台倒挂式斜轴磁流变研抛装置，属于研抛加工技术领域。本发明的目的是为了实现小曲率非球曲面零件的磁流变抛光加工。抛光工具由永磁式抛光头和抛光头连接杆组成；Z轴直线单元安装在龙门架上，转台通过直角连接架安装在Z轴直线单元上，转台内的转动轴的轴端通过二维精密微调位移台与抛光头主轴支架连接，抛光头主轴支架具有一定倾角使安装在抛光头主轴支架上的抛光头主轴与水平面的夹角为40度至45度，抛光头连接杆的一端安装在抛光头主轴的夹头上，抛光头连接杆的另一端与永磁式抛光头连接。本发明特别适用于小曲率、小口径非球曲面零件的超精密磁流变抛光加工。

Description

一种垂直轴转台倒挂式斜轴磁流变研抛装置

技术领域

本发明涉及一种磁流变研抛装置，属于研抛加工技术领域。

技术背景

随着现代科学技术的日益发展，在国防、航空航天及电子行业、生物医疗等领域，需要各种高精度高表面质量的零件，通常这些高精度零件其面型要求达到亚微米级的形状精度、纳米级的表面粗糙度和极小的亚表层损伤。已经研究出多种加工方法可以获得高精度的加工表面，磁流变抛光作为一种新型的加工方法，它是通过梯度磁场使载液轮和工件表面之间的磁流变液体的流变性能发生变化，在工件表面与磁流变液接触的区域产生较大的剪切力，从而使工件表面材料被去除。它提供了一种可以精确控制抛光后的零件面形，同时保证低粗糙度的表面加工质量和高的加工效率的抛光方法，能很好的满足高精度零件的加工要求。

目前常规的磁流变抛光装置普遍采用抛光轮回转，工件置于抛光轮上方或下方，通过抛光轮回转带动含有磨料的磁流变液在电磁铁产生的梯度磁场环境下形成柔性缎带，来对工件进行确定性抛光去除加工。这种结构形式由于受到抛光轮半径的限制，只适合于加工凸曲面、平面和曲率半径较大的凹曲面，而对于一些小口径非球面零件，由于结构形状复杂，表面多为自由曲面，并且曲面过渡部分曲率半径较小，由于常规的磁流变采用“抛光轮、电磁铁”抛光形式，其工具头或有效加工区域较大，无法接触到待加工小曲率非球曲面的各个位置，不能满足小口径非球曲面零件需要的加工条件。而采用一种小直径永磁体球形抛光头的抛光工具，其小直径工具抛光头可以适用于这种小口径非球面零件的加工，可以针对这种小直径抛光工具头需要完成的运动形式设计相应的磁流变研抛装置。

发明内容

本发明为了实现小曲率非球曲面零件的磁流变抛光加工，进而提供了一种垂直轴转台倒挂式斜轴磁流变研抛装置。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：

本发明所述垂直轴转台倒挂式斜轴磁流变研抛装置包括龙门架、Z轴直线单元、直角连接架、转台、二维精密微调位移台、抛光头主轴、抛光头主轴支架和抛光工具；抛光工具由永磁式抛光头和抛光头连接杆组成；Z轴直线单元安装在龙门架上，转台通过直角连接架安装在Z轴直线单元上，转台内的转动轴的轴端通过二维精密微调位移台与抛光头主轴支架连接，抛光头主轴支架具有一定倾角使安装在抛光头主轴支架上的抛光头主轴与水平面的夹角为40度至45度，抛光头连接杆的一端安装在抛光头主轴的夹头上，抛光头连接杆的另一端与永磁式抛光头连接。

本发明的有益效果是：

本发明针对现有磁流变抛光技术存在的不足，提供一种在垂直轴上悬挂的磁流变研抛装置，使用转台倒挂式斜轴加工方式，其抛光工具采用小直径永磁体球形抛光头，可实现小曲率非球曲面零件的磁流变抛光加工。由于采用抛光头主轴斜置放置方式，且抛光工具头可随高精度转台绕一空间轴线做回转运动，在加工一些复杂面型工件时可以有效避免干涉，特别适用于小曲率、小口径非球曲面零件的超精密磁流变抛光加工，其抛光小曲率非球曲面零件的口径可在φ16mm～φ60mm范围，零件的最小曲率半径R可在1.5～4mm范围内。

所述装置经试制试用被证明效果显著，符合使用需求，垂直轴行程50mm，在主要加工范围±10mm内，直线度≤3μm，闭环定位精度≤±0.4μm；抛光头主轴跳动≤1μm。

本发明的具体优点表现在以下几个方面：

a)抛光工具采用小直径永磁体球形抛光头，便于有效接触到待加工曲面的各个位置，特别适用于小口径非球曲面零件的磁流变抛光加工；

b)具有高精度的对心调整装置，可以进行抛光头球心相对转台回转中心的对心调整，用以满足小口径非球曲面零件实现加工轨迹的要求；

c)研抛工具倒挂在高精度的垂直移动轴上，充分利用了竖直方向空间，并且采用抛光头主轴倾斜放置加工方式，可有效防止干涉现象；

d)装置的关键结构件——竖直件，采用花岗岩材料来制作，可以很好的吸收振动，因而能够较大的提高装置的性能；

e)采用高精度的直线单元和旋转单元作为该装置的主要运动部件，使得装置具有较高的加工精度。

附图说明

图1是本发明的主视图；图2是图1的左视图(图中：22-螺钉、24-内六角螺钉、26-内六角螺钉、28-内六角螺钉、30-内六角螺钉、25-螺钉)；图3是图2的A部放大图；图4是本发明与超精密加工用工件轴数控运动平台装置构成的一种小口径非球面永磁式磁流变抛光加工机床的立体图；图5是图4的主视图；图6是图5的左视图，图6-1是图6的A向局部视图；图7是图5的俯视图。

具体实施方式

具体实施方式一：如图1～7所示，本实施方式所述的1、一种垂直轴转台倒挂式斜轴磁流变研抛装置，其特征在于：所述垂直轴转台倒挂式斜轴磁流变研抛装置包括龙门架9(竖直件)、Z轴直线单元10(垂直轴直线运动单元)、直角连接架11、转台12、二维精密微调位移台13、抛光头主轴14、抛光头主轴支架15(主轴夹持器)和抛光工具16；抛光工具16由永磁式抛光头16-1和抛光头连接杆16-2组成；Z轴直线单元10安装在龙门架9上，转台12通过直角连接架11安装在Z轴直线单元10上，转台12内的转动轴的轴端通过二维精密微调位移台13与抛光头主轴支架15连接，抛光头主轴支架15具有一定倾角使安装在抛光头主轴支架15上的抛光头主轴14与水平面的夹角为40度至45度，抛光头连接杆16-2的一端安装在抛光头主轴14的夹头上，抛光头连接杆16-2的另一端与永磁式抛光头16-1连接。

具体实施方式二：本实施方式中，永磁式抛光头16-1为小直径永磁体球形抛光头，其目前所使用的直径范围为φ3.5mm～φ4mm，形状精度小于0.02mm，表面磁场强度0.5～0.75T。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式所述永磁式抛光头16-1的直径范围可扩展至φ2mm～φ6mm。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式四：如图1～7所示，本实施方式所述转台12内的转动轴的轴端通过过渡安装板19与二维精密微调位移台13连接。其它组成及连接关系与具体实施方式一、二或三相同。

具体实施方式五：本实施方式所述Z轴直线单元10采用美国Parker公司的滚珠丝杠平台404T01XR。其它组成及连接关系与具体实施方式一、二或三相同。

具体实施方式六：本实施方式所述抛光头主轴14采用日本NSK公司的精密电主轴EMR-3008K。其它组成及连接关系与具体实施方式五相同。

具体实施方式七：如图1～7所示，本实施方式所述抛光头主轴支架15上设有斜角连接座20；在斜角连接座20的倾斜面上固定着抛光头主轴支架15。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

在具体实施方式一中，竖直件9由花岗岩材料制成，四个脚设置有安装孔，可以与其他水平平台联接，其竖直主安装面与下底面有较高的垂直度要求以满足所需的加工精度。在竖直件9的主安装面上，通过螺钉22联接着垂直轴直线运动单元10。垂直轴直线运动单元10是通过内部的旋转电机带动精密滚珠丝杠驱动，可以在竖直方向实现高精度的自由往复移动。在垂直轴直线运动单元10的运动部件上联接着直角连接架11，转台12通过螺钉联接倒挂在直角连接架11的下方。转台12为直接驱动式电机转台，配有高分辨率编码器，低速运转平稳，该旋转平台径向跳动和轴向跳动误差很小。为了保证转台12的回转轴线与垂直轴直线运动单元10的运动轴线平行，需要直角连接架11的两个安装面之间有较高的垂直度要求。转台下方的过渡连接板19，通过内六角螺钉28联接在转台的回转部件上。过渡连接板19的下方联接着二维精密微调位移台13，该位移台由两个粗微调测微头驱动，可以分别沿两个互相垂直的方向作直线位移的调整，测微头粗调的最小读数为10μm，微调的最小读数为0.5μm，以保证位移调整的精度，同时其线性导轨还配有锁紧旋钮，方便对调整后的平台进行位置锁定。在二维精密微调位移台13下方联接着斜角连接座20，其倾斜面与水平面的夹角为40°～45°，使联接的抛光头主轴在空间上呈倾斜放置，实现斜轴加工，可以在加工一些小口径异形零件时防止干涉。在斜角连接座20的倾斜面上用螺钉固定着主轴夹持器15。电主轴(抛光头主轴)14安装在主轴夹持器15的内孔中，通过旋紧螺钉25可以调整主轴夹持器15的内孔和电主轴14外圆柱面的间隙，利用摩擦力压紧电主轴。在安装过程中，必须严格控制压紧力的大小，以防止电主轴14损坏。抛光工具16通过安装在电主轴14前端的弹簧夹头夹紧，在电主轴14的带动下做高速回转，其抛光头采用小直径永磁体球形抛光头，直径范围在φ3.5mm～φ4mm(可扩展至φ2mm～φ6mm)，适用于小曲率、小口径零件的加工。

工作原理与操作方法：

上述磁流变抛光装置包括一个直线移动轴和一个旋转轴，一个工具电主轴，另外还配有二维精密微调位移台。抛光装置中的直线移动轴和旋转轴分别有独立的驱动器和反馈信号线，并通过一个多轴控制器进行联动控制或单独控制。加工前，首先要对抛光头进行对刀，根据这种斜轴加工方式的加工条件要求，需要将抛光头的球心调整到与转台的回转轴线相重合，以保证在转台的回转过程中抛光头的空间位置不变，便于满足各种加工轨迹的要求。由于人为手工安装的误差，抛光工具在电主轴上的夹紧位置会产生窜动，装夹后抛光头的球心往往不在转台的回转中心线上。为实现精确的对心调整，本装置设置有二维精密微调位移台来带动主轴支架运动，可以调整抛光头相对转台的空间位置，来完成抛光头相对转台的对心操作，微调位移台有较高的移动精度，从而可以保证非球曲面零件加工前的对刀精度，这是本发明的关键技术之一。

然后，在抛光工具头上方供给磁流变液体，由于永磁体制成的抛光头前端存在磁场，利用磁场作用将磁流变液体吸附在抛光头上，通过磁流变液体与工件之间的微细剪切作用来实现对工件的抛光加工。加工过程中，抛光头在垂直轴直线单元和转台的带动下可做沿竖直轴的直线运动和绕竖直轴的空间回转运动，用以完成抛光加工所需的位置和运动关系条件，这种斜轴加工方式可实现小曲率、小口径非球曲面零件的磁流变抛光加工，并且可有效避免抛光头部分与零件各抛光表面间的结构干涉。

本发明与超精密加工用工件轴数控运动平台装置构成一种小口径非球面永磁式磁流变抛光加工机床；即所述机床包括超精密加工用工件轴数控运动平台装置和垂直轴转台倒挂式斜轴磁流变研抛装置；超精密加工用工件轴数控运动平台装置包括XY精密移动平台、机床底座1、盖板2、风琴防护罩3、工作台4、工件主轴支架7、工件主轴8、CCD对刀装置17和回液槽18；XY精密移动平台含有X轴直线单元6和Y轴直线单元5，X轴直线单元6置于Y轴直线单元5上；机床底座1上设有用于容纳XY精密移动平台的容腔1-1，XY精密移动平台置于机床底座1的容腔1-1内，工作台4安装在XY精密移动平台的X轴直线单元6的上端面上，容腔1-1的四周设有盖板2，工作台4的边缘与盖板2之间设有风琴防护罩3，容腔1-1的上部敞口通过工作台4、工作台4四周的盖板2以及工作台4与盖板2之间的风琴防护罩3盖住，将所述XY精密移动平台封装在容腔1-1内；工件主轴8通过工件主轴支架7安装在工作台4上，且工件主轴8的轴线与X轴直线单元6的运动轴线平行，回液槽18设置在工作台4上用于回收磁流变液；CCD对刀装置17安装在盖板2上；垂直轴转台倒挂式斜轴磁流变研抛装置包括龙门架9、Z轴直线单元10、直角连接架11、转台12、二维精密微调位移台13、抛光头主轴14、抛光头主轴支架15和抛光工具16；抛光工具16由永磁式抛光头16-1和抛光头连接杆16-2组成；Z轴直线单元10安装在龙门架9上，转台12通过直角连接架11安装在Z轴直线单元10上，转台12内的转动轴的轴端通过二维精密微调位移台13与抛光头主轴支架15连接，抛光头主轴支架15具有一定倾角使安装在抛光头主轴支架15上的抛光头主轴14与水平面的夹角为40度至45度，抛光头连接杆16-2的一端安装在抛光头主轴14的夹头上，抛光头连接杆16-2的另一端与永磁式抛光头16-1连接；Z轴直线单元10与XY精密移动平台构成三维坐标系；龙门架9安装在机床底座1上；利用二维精密微调位移台13和CCD对刀装置17调整永磁式抛光头16-1的空间位置，使永磁式抛光头16-1的球心位于转台12的回转轴线上，CCD对刀装置17用于观测永磁式抛光头16-1相对于工件的加工位置并通过Z轴直线单元10、XY精密移动平台时实调整二者的相对位置，完成工件加工前的对刀。

Claims (7)

1.一种垂直轴转台倒挂式斜轴磁流变研抛装置，其特征在于：所述垂直轴转台倒挂式斜轴磁流变研抛装置包括龙门架(9)、Z轴直线单元(10)、直角连接架(11)、转台(12)、二维精密微调位移台(13)、抛光头主轴(14)、抛光头主轴支架(15)和抛光工具(16)；抛光工具(16)由永磁式抛光头(16-1)和抛光头连接杆(16-2)组成；Z轴直线单元(10)安装在龙门架(9)上，转台(12)通过直角连接架(11)安装在Z轴直线单元(10)上，转台(12)内的转动轴的轴端通过二维精密微调位移台(13)与抛光头主轴支架(15)连接，抛光头主轴支架(15)具有一定倾角使安装在抛光头主轴支架(15)上的抛光头主轴(14)与水平面的夹角为40度至45度，抛光头连接杆(16-2)的一端安装在抛光头主轴(14)的夹头上，抛光头连接杆(16-2)的另一端与永磁式抛光头(16-1)连接。

2.根据权利要求1所述的一种垂直轴转台倒挂式斜轴磁流变研抛装置，其特征在于：永磁式抛光头(16-1)为小直径永磁体球形抛光头，其直径范围为φ3.5mm～φ4mm，形状精度小于0.02mm，表面磁场强度0.5～0.75T。

3.根据权利要求2所述的一种垂直轴转台倒挂式斜轴磁流变研抛装置，其特征在于：所述永磁式抛光头(16-1)的直径范围可扩展至φ2mm～φ6mm。

4.根据权利要求1、2或3所述的一种垂直轴转台倒挂式斜轴磁流变研抛装置，其特征在于：转台(12)内的转动轴的轴端通过过渡安装板(19)与二维精密微调位移台(13)连接。

5.根据权利要求1、2或3所述的一种垂直轴转台倒挂式斜轴磁流变研抛装置，其特征在于：所述Z轴直线单元(10)采用美国Parker公司的滚珠丝杠平台404T01XR。

6.根据权利要求5所述的一种垂直轴转台倒挂式斜轴磁流变研抛装置，其特征在于：所述抛光头主轴(14)采用日本NSK公司的精密电主轴EMR-3008K。

7.根据权利要求1所述的一种垂直轴转台倒挂式斜轴磁流变研抛装置，其特征在于：所述抛光头主轴支架(15)上设有斜角连接座(20)；在斜角连接座(20)的倾斜面上固定着抛光头主轴支架(15)。