CN103317429A - 一种珩磨头涨开机构及珩磨孔加工装置 - Google Patents

Abstract

一种珩磨头涨开机构及珩磨孔加工装置，包括珩磨头，所述珩磨头插入待加工直孔，在珩磨头轴心处设有第一空腔，在珩磨头中还设有第二、第三空腔，还包括离心重块、磨具和交叉铰杆，交叉铰杆是由彼此铰接的两个杆件组成的剪刀叉状体，两相同质量的离心重块分别通过连接铰杆连接到交叉铰杆的上端两侧，两质量相同的磨具分别通过连接铰杆连接到交叉铰杆下端两侧，所述交叉铰杆、离心重块和磨具分别滑动的置于第一、第二、第三空腔中；当所述珩磨头旋转时，磨具直接与待磨孔壁接触，离心重块与待磨孔壁不接触。本发明结构简单、安装调整方便，能够实现高倍增力功能，并且制造成本较低，技术经济指标要显著高于其他珩磨装置。

Description

一种珩磨头涨开机构及珩磨孔加工装置

技术领域

该方案主要应用于高精度孔系的大批量加工，例如发动机缸孔、连杆孔、齿轮内孔以及各种液压装置中的精密孔等加工，具体地说是一种基于离心增力的珩磨孔加工装置。

背景技术

珩磨是磨削加工中的一种特殊形式，是利用安装在珩磨头上的磨料对工件表面施加一定压力，同时珩磨工具或工件做相对旋转和直线往复运动，从而实现对工件的加工。珩磨加工不仅能够去除大量的加工余量，还可以提高工件的尺寸精度和几何形状精度，降低工件表面粗糙度，是一种高效率的精加工方法。

目前，珩磨加工工艺被广泛地应用于各种形状孔的精加工和光整加工，加工孔径的直径范围为5～500mm，孔深与孔径之比可达到10或更大。珩磨内孔时，大多数情况下珩磨头与机床主轴之间或珩磨头与工件之间是浮动的，通过珩磨头中的涨开机构控制磨料均匀外涨，对被加工的孔壁作径向进给，使其压向工件孔壁，以便产生较大的接触面积。常用的珩磨头涨开机构有机械加压式、气压或液压自动调压式等多种，在中国专利文献CN202412035U中公开的一中方案就是一种液压自动调压式方案。

随着机械制造业的不断发展，机械零件的制造精度要求也越来越高。由于珩磨具有较好的适应能力，成为当前最具发展潜能的孔件加工手段之一，未来精加工孔系领域中，珩磨必将广泛应用。[1]徐华鸣，张凤鸣，张静.珩磨技术在高精度孔系加工中的应用[J].超硬材料工程.2011.1O:35-36。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明提供一种珩磨头涨开机构及珩磨孔加工装置，是一种机械加压式的主体结构，利用离心增力的原理提高磨削的效率，用于实现磨削效率倍增，同时结构设计巧妙，结构简单。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案为：

一种珩磨头涨开机构，其特征在于，

包括离心重块、磨具和交叉铰杆，所述交叉铰杆是由彼此铰接的两个杆件组成的剪刀叉状体，且交叉铰杆的铰接点为固定点或浮动点，在所述交叉铰杆的顶部和底部位置分别设有彼此平行且静置的第一轨道和第二轨道，两相同质量的离心重块通过连接铰杆连接到交叉铰杆的上端两侧，两质量相同的磨具通过连接铰杆连接到交叉铰杆的下端两侧，所述离心重块和磨具分别滑动的置于第一、第二轨道中；当所述珩磨头涨开机构做整体旋转时，所述磨具直接与待磨削面接触，离心重块与待磨削面不接触，

则单个磨具与待磨削面的正压力为： $F=\frac{l_1}{l_2}{F}_1+F_2=\frac{l_1}{l_2}{m}_1{r}_1{\mathrm{\ω}}^2+m_2{r}_2{\mathrm{\ω}}^2;$

其中，离心重块所产生的离心力：F₁＝m₁r₁ω²；

磨具所产生的离心力：F₂＝m₂r₂ω²；

式中m₁、m₂——离心重块、磨具的质量，

r₁、r₂——离心重块、磨具的质心至旋转中心的距离，

l₁、l₂——交叉铰杆上下段的长度。

一种珩磨孔加工装置，包括珩磨头，所述珩磨头插入待加工直孔且在机床主轴的驱动下可沿孔壁上下做直线往复运动或者旋转运动，其特征在于，

在所述珩磨头轴心处设有第一空腔，在所述珩磨头中还设有径向布置且彼此平行的第二、第三空腔，所述第一至第三空腔形成彼此贯通的“工”字形腔体；

还包括离心重块、磨具和交叉铰杆，所述交叉铰杆是由彼此铰接的两个杆件组成的剪刀叉状体，两相同质量的离心重块分别通过连接铰杆连接到交叉铰杆的上端两侧，两质量相同的磨具分别通过连接铰杆连接到交叉铰杆下端两侧，所述交叉铰杆、离心重块和磨具分别滑2动的置于第一、第二、第三空腔中；当所述珩磨头旋转时，所述磨具直接与待磨孔壁接触，离心重块与待磨孔壁不接触，

则单个磨具与待磨削面的正压力为： $F=\frac{l_1}{l_2}{F}_1+F_2=\frac{l_1}{l_2}{m}_1{r}_1{\mathrm{\ω}}^2+m_2{r}_2{\mathrm{\ω}}^2;$

其中，离心重块所产生的离心力：F₁＝m₁r₁ω²；

磨具所产生的离心力：F₂＝m₂r₂ω²；

式中m₁、m₂——离心重块、磨具的质量，

r₁、r₂——离心重块、磨具的质心至旋转中心的距离，

l₁、l₂——交叉铰杆上下段的长度。

进一步地，所述交叉铰杆与珩磨头之间无直接接触点，所述交叉铰杆为浮动状态。

进一步地，在所述第一空腔中设有一固定杆件，所述交叉铰杆的回转中心通过圆销铰接在固定杆件上，形成一个有效的支撑点，所述交叉铰杆与珩磨头之间形成活结点。

进一步地，在所述珩磨头的侧壁上还设有辅助安装孔，用于连接铰杆和交叉铰杆连接点的安装。

本发明的有益效果是：本发明设计的基于离心增力的珩磨孔加工装置，结构简单、安装调整方便，能够实现高倍增力功能，并且制造成本较低，技术经济指标要显著高于其他珩磨装置，有利于珩磨工艺在孔精加工领域的进一步推广。通过对增力重块的材料、铰杆的尺寸、主运动的角速度等因素的深入分析和研究，可以进一步提高本装置的技术经济指标。

附图说明

图1为本发明的全剖视图；

图2为珩磨头的立体图；

图3为图2的全剖视图；

图4为固定杆件的立体图；

图5为工作状态示意图；

图6为受力分析图：

图7为实施例二的工作状态示意图；

具体实施方式

参考图1至图6，下面从具体结构方面举一个实例进行说明：

（1）珩磨头

珩磨头1外形结构和内部剖视如图2、图3所示。珩磨头1整体为圆柱状，珩磨头插入待加工直孔且在机床主轴的驱动下可沿孔壁上下做直线往复运动或者旋转运动，在珩磨头1轴心处设有第一空腔11是安装交叉铰杆的部位，在珩磨头中还设有与轴心垂直布置的第二、第三空腔，其中的第二空腔12为安装磨具的空腔，第三空腔13为安装离心重块的空腔，所述第一至第三空腔形成彼此贯通的“工”字形腔体，第二和第三空腔在加工过程中起到导向作用，使得磨具和离心重块的运行具有方向性。

由于该装置中离心重块、磨具与各铰杆的安装和调整均在珩磨头内部进行，所以整体上比较紧凑和精致。为了便于安装、调整，在珩磨头上开有上下两处安装口14，在珩磨头1轴心处向下延伸一固定杆件15（与珩磨头为一体），参考图4，固定杆件上端与珩磨头直接固定连接，在固定杆件的下端设有一个缺口16，两交叉铰杆的转动中心通过销子铰接在固定杆件的下端，形成一个转动的回转中心17，并可限制交叉铰杆的相对转动角度，固定杆件下端如图4所示。

（2）离心重块2

两离心重块2尺寸、质量相同，可采用铸铁材料，并在内部嵌入密度较大的材料，如重金属铅等，用于增大离心力。两离心重块对称安装在第三空腔13中。

（3）磨具

两磨具3的尺寸、质量相同，根据待加工孔的材料可以选择金刚石或立方氮化硼材料。两磨具对称安装在第二空腔12中。

（4）交叉铰杆4和连接铰杆5

交叉铰杆4是由彼此铰接的两个杆件组成的剪刀叉状体，两个杆件在珩磨头回转中心处的固定杆件下端上进行铰接，即两交叉铰杆的回转中心17也是固定点。连接铰杆5将交叉铰杆的两端分别与离心重块2和磨具3相连接，用于传递运动和力。

安装调整

先将连接铰杆5安装到离心重块和磨具上，形成一体，然后分别将磨具和离心重块从珩磨头外部推入图2中的第二空腔12和第三空腔13中。将两交叉铰杆4由珩磨头底部装入第一空腔中11，通过珩磨头上的安装口14，将交叉铰杆4分别与珩磨头内部的固定杆件15和上下两连接铰杆5连接。通过固定杆件5可以限制各部件的初始位置，安装后的位置如图5细线型所示，此时离心重块和磨具均完全处于珩磨头内部，结构紧凑。

基于离心增力的珩磨孔加工装置的工作原理如图5所示，细线型为初始状态，粗线型所示为加工过程中的平衡状态。

如图5中所示，加工时，珩磨头随机床主轴旋转并沿孔壁6上下做直线往复运动。珩磨头与孔壁之间是浮动的，当珩磨头进入待加工的孔内后，以角速度ω随机床主轴旋转，离心重块2和磨具3便分别产生离心力F₁和F₂。在离心力的作用下，离心重块和磨具将沿各自的离心方向向外运动，同时通过连接铰杆带动交叉铰杆发生转动，两交叉铰杆绕回转中心17转过一定角度（该角度一般应小于10°）。当磨具压紧孔壁6后，磨具位置不再发生变化从而使整个机构进入平衡状态，并在此状态下进行磨削加工。

加工过程中，磨具与孔壁在离心力作用下会一直保持紧密接触和压紧，而增力重块与孔壁始终是不接触的。当珩磨头以角速度ω旋转时，装置的受力情况分析如图6所示，忽略力传递过程中的摩擦损失，所产生的压紧力F的计算如下：

离心重块所产生的离心力：F₁＝m₁r₁ω²

磨具所产生的离心力：F₂＝m₂r₂ω²

压紧力计算公式为： $F=\frac{l_1}{l_2}{F}_1+F_2=\frac{l_1}{l_2}{m}_1{r}_1{\mathrm{\ω}}^2+m_2{r}_2{\mathrm{\ω}}^2$

式中m₁、m₂——离心重块、磨具的质量，kg

r₁、r₂——离心重块、磨具的质心至机床主轴中心的距离，m

l₁、l₂——交叉铰杆上下段的长度，m

压紧力公式中的

就是离心重块产生的离心力经过交叉铰杆增力后作用在磨具上的力。由此可见，主轴角速度、离心重块质量、离心重块距机床主轴中心距离和交叉铰杆上下段的长度比都会影响增力的大小。例如，当主轴角速度、离心重块质量、离心重块距机床主轴中心距离确定的情况下，增力的大小取决于交叉铰杆上下段的长度比值，该值越大，增力越显著。

实施例二

容易理解的，固定杆件15的存在在于为交叉铰杆提供一个固定点，在理论上，当固定杆件不存在时，所述的交叉铰杆处于浮动状态，在外力的带动下，珩磨头转动时，其中的交叉铰杆处于浮动状态，处于动态平衡，这种结构对各个构件的精度要求较高，且需要通过一定方案调节平衡，也可以实现离心增力的目的。参考图7。

上面所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域相关技术人员对本发明的各种变形和改进，均应扩如本发明权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种珩磨头涨开机构，其特征在于，

包括离心重块、磨具和交叉铰杆，所述交叉铰杆是由彼此铰接的两个杆件组成的剪刀叉状体，在所述交叉铰杆的顶部和底部位置分别设有彼此平行且静置的第一轨道和第二轨道，两相同质量的离心重块通过连接铰杆连接在交叉铰杆的上端两侧，两质量相同的磨具通过连接铰杆连接在交叉铰杆的下端两侧，所述离心重块和磨具分别滑动的置于第一、第二轨道中；当所述珩磨头涨开机构做整体旋转时，所述磨具直接与待磨削面接触，离心重块与待磨削面不接触，

则单个磨具与待磨削面的正压力为： $F=\frac{l_1}{l_2}{F}_1+F_2=\frac{l_1}{l_2}{m}_1{r}_1{\mathrm{\ω}}^2+m_2{r}_2{\mathrm{\ω}}^2;$

其中，离心重块所产生的离心力：F₁＝m₁r₁ω²；

磨具所产生的离心力：F₂＝m₂r₂ω²；

式中m₁、m₂——离心重块、磨具的质量，

r₁、r₂——离心重块、磨具的质心至旋转中心的距离，

l₁、l₂——交叉铰杆上下段的长度。

2.根据权利要求1所述的一种珩磨头涨开机构，其特征在于，所述交叉铰杆的铰接点为固定点。

3.根据权利要求1所述的一种珩磨头涨开机构，其特征在于，所述交叉铰杆的铰接点为浮动点。

4.一种珩磨孔加工装置，包括珩磨头，所述珩磨头插入待加工直孔且在机床主轴的驱动下可沿孔壁上下做直线往复运动或者旋转运动，其特征在于，

在所述珩磨头轴心处设有第一空腔，在所述珩磨头中还设有径向布置且彼此平行的第二、第三空腔，所述第一至第三空腔形成彼此贯通的“工”字形腔体；

还包括离心重块、磨具和交叉铰杆，所述交叉铰杆是由彼此铰接的两个杆件组成的剪刀叉状体，两相同质量的离心重块分别通过连接铰杆连接到交叉铰杆的上端两侧，两质量相同的磨具分别通过连接铰杆连接到交叉铰杆的下端两侧，所述交叉铰杆、离心重块和磨具分别滑动的置于第一、第二、第三空腔中；当所述珩磨头旋转时，所述磨具直接与待磨孔壁接触，离心重块与待磨孔壁不接触，

则单个磨具与待磨削面的正压力为： $F=\frac{l_1}{l_2}{F}_1+F_2=\frac{l_1}{l_2}{m}_1{r}_1{\mathrm{\ω}}^2+m_2{r}_2{\mathrm{\ω}}^2;$

其中，离心重块所产生的离心力：F₁＝m₁r₁ω²；

磨具所产生的离心力：F₂＝m₂r₂ω²；

式中m₁、m₂——离心重块、磨具的质量，

r₁、r₂——离心重块、磨具的质心至旋转中心的距离，

l₁、l₂——交叉铰杆上下段的长度。

5.根据权利要求4所述的一种珩磨孔加工装置，其特征在于，所述交叉铰杆与珩磨头之间无直接接触点，所述交叉铰杆为浮动状态。

6.根据权利要求4所述的一种珩磨孔加工装置，其特征在于，在所述第一空腔中设有一固定杆件，所述交叉铰杆的回转中心通过圆销铰接在固定杆件上，所述交叉铰杆与珩磨头之间形成活结点。

7.根据权利要求6所述的一种珩磨孔加工装置，其特征在于，在所述珩磨头的侧壁上还设有辅助安装孔。

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