CN103659519A - 利用普通外圆磨床加工高精度外球面的磨削加工方法 - Google Patents

Abstract

提供一种利用普通外圆磨床加工高精度外球面的磨削加工方法，首先选择砂轮：砂轮宽度须大于成品球形零件宽度14-16mm，砂轮直径须足够修磨出零件球面，即砂轮外径到安装孔的厚度必须大于球面的深度；然后制作修整砂轮的专用修磨夹具，将磨床端面砂轮修整器安装在磨床上，将专用修磨夹具与磨床端面砂轮修整器固定连接好；修整砂轮至尺寸要求；将待加工零件固定在磨床上与修整好的砂轮对正；开始磨削加工直至得成品球形零件。本发明在不增加设备投资的情况下，利用现有普通精密外圆磨床加工尺寸精度高、表面质量好的外球面，具有较高的实用价值。

Description

利用普通外圆磨床加工高精度外球面的磨削加工方法

技术领域

本发明属机械加工技术领域，具体涉及一种在普通外圆磨床上进行功能拓展加工高精度外球面的磨削加工方法。 

背景技术

一般来说，当需加工零件外球面尺寸精度、形状精度、表面粗糙度要求较低时，一般采用数控车床进行加工，采用数控车床效率高、尺寸易保证，完全可以满足需求。但是，当零件的尺寸精度高于IT6级、形状精度误差值小于0.005mm、表面粗糙度要求Ra值小于0.4um时，采用车削方法就满足不了设计图纸的要求，必须采用更精密的加工方法。现有的加工方法有以下两种：一是先利用数控车床进行粗加工，留余量再在磨加工中心机床进行精加工，此方法加工效率高，精度易保证；二是由于磨加工中心机床价值高，一般企业很少采购，在此情况下，采用的加工方法是：先利用数控车床进行粗加工和半精加工，留很少的余量再进行抛光达到最终设计图纸的要求，此种加工方法对抛光前车工的尺寸加工精度及表面质量要求高，余量也要严格控制，效率低，精度不易保证。上述缺陷，成为加工精密外球面的“瓶颈”，因此有必要提出改进。 

发明内容

本发明解决的技术问题：提供一种利用普通外圆磨床加工高精度外球面的磨削加工方法，在不增加设备投资的情况下，利用现有普通精密外圆磨床加工尺寸精度高、表面质量好的外球面。 

本发明采用的技术方案：利用普通外圆磨床加工高精度外球面的磨削加工方法，包括下述步骤： 

1）选择砂轮：砂轮宽度须大于成品球形零件宽度14-16mm，砂轮直径须足够修磨出零件球面，即砂轮外径到安装孔的厚度必须大于球面的深度； 

2）制作修整砂轮的专用修磨夹具，将磨床端面砂轮修整器安装在磨床上，将专用修磨夹具与磨床端面砂轮修整器固定连接好； 

3）修整砂轮至尺寸要求； 

4）将待加工零件固定在磨床上与修整好的砂轮对正； 

5）开始磨削加工直至得成品球形零件。 

上述步骤2）中，所述专用修磨夹具包括夹具体、手柄、转轴、金刚石安装体和金刚石，连接轴一端与磨床端面砂轮修整器固定连接，所述连接轴另一端与夹具体一端固定连接且夹具体底端面与连接轴轴线垂直，所述夹具体另一端制有转轴过孔，所述转轴一端穿过转轴过孔且插入金刚石安装体内与其固连后用螺母Ⅰ锁紧，转轴另一端设有手柄并用螺母Ⅱ锁紧，所述夹具体和金刚石安装体之间设有衬套，所述金刚石安装在金刚石安装体圆形端面上。 

进一步地，所述金刚石安装体制成圆形并两侧铣扁，铣扁的宽度要小于成品球形零件的宽度以保证金刚石在修整砂轮时金刚石安装体不会碰到砂轮，在金刚石安装体圆形端面的最高点处制作金刚石安装孔安装金刚石。 

进一步地，所述金刚石安装体直径须小于成品球形零件的球面直径在5mm以上，以保证金刚石安装后金刚石的顶尖到转轴的中心线之间的距离为成品 球形零件的球面直径的二分之一。 

进一步地，所述金刚石安装孔的轴线垂直于转轴轴线保证砂轮修整后的精度，紧固螺钉轴线垂直金刚石安装孔轴线并使两轴线相交，确保压紧金刚石。 

上述步骤3）中，在粗磨砂轮去余量时，用卡尺测量金刚石的尖到金刚石安装体外径的距离，再加上金刚石安装体外径的半径值，粗略计算出成型球面的直径；在精修磨前，对金刚石的位置精确固定，金刚石的尖到转轴旋转中心的距离为成型零件球面的半径；在修整砂轮过程中，需不停纵向移动砂轮架的位置，一直到将砂轮刃磨成所需要的球面为止。 

上述步骤4）中，磨床三爪卡盘卡紧涨力芯轴大头端，待加工零件固定在涨力芯轴小头端并抵靠在台阶端面上，砂轮垂直设置在待加工零件上方且保证砂轮左端面与涨力芯轴大头端之间留有避让砂轮的间隙，垫块抵紧在待加工零件端面上并用磨床尾座顶尖顶紧。 

进一步地，所述间隙的尺寸需大于砂轮的宽度减去球面的宽度的差值除以2。 

上述步骤5）中，所有准备工作做好后，就开始对刀。为了确保砂轮的球面中心与待加工零件的球面中心重合，在加工前，用砂轮的左端面轻碰待加工零件的右端面，然后将砂轮向左移动，移动的的距离为砂轮宽度的一半加上零件宽度的一半，则两球面的中心重合，即可开始加工。 

本发明与现有技术相比的优点： 

1、在不增加设备投资的情况下，利用现有设备，制作专用修磨夹具，对砂轮进行特殊修磨从而保证球面的加工要求，投资小； 

2、砂轮重磨性好，当砂轮磨损时，只需将砂轮进行重新修磨即可再次使用； 

3、砂轮磨削刃尺寸在对刀仪上易于控制； 

4、突破了普通外圆磨床的加工范围和方法； 

5、加工精度及表面质量比采用抛光方法更易于保证； 

6、对粗加工的要求不高，生产效率相比采用抛光方法大幅度提高； 

7、制造简单，成本低。 

附图说明

图1为本发明的成品球形零件结构示意图； 

图2为本发明的专用修磨夹具结构示意图； 

图3为本发明的金刚石安装体仰视图； 

图4为本发明的专用修磨夹具修磨砂轮示意图； 

图5为本发明加工示意图； 

图6为常规直线切削刃砂轮示意图； 

图7为本发明的圆弧刃砂轮示意图。 

具体实施方式

下面举一实例，做进一步详细说明。其中尺寸为建议值，不是严格限制。假设零件尺寸如图1所示： 

第一，选择砂轮。 

砂轮的宽度必须大于零件的宽度（14-16mm）。砂轮的直径必须足够修磨出圆球的球面，即砂轮外径到安装孔的厚度必须大于球面的深度即球面顶点到球面弦长的垂直距离的公式为： 

$\begin{array}{c}({80}_{-0.005}^0\÷2)-\sqrt{{({80}_{-0.005}^0\÷2)}^2-{(56\÷2)}^2}=39.99875-28.56396\\ =11.43479\≈11.435\mathrm{mm}.\end{array}$

考虑到砂轮的修整及重磨，砂轮的宽度及直径应该选择大一些。因此，选择宽度70mm，直径400mm的砂轮，砂轮的材质根据加工零件的材质而定。 

第二步，制作修整砂轮的专用修磨夹具， 

参见图2、图3、图4，制作过程注意以下几点： 

1、夹具体3与磨床端面砂轮修整器1靠连接轴2与磨床端面砂轮修整器1的安装孔配合定位，用连接螺钉进行连接； 

2、在夹具体3的端部加工出转轴过孔12，用于安装转轴5； 

3、手柄4用螺母Ⅱ6固紧在转轴5上，用以带动转轴5旋转； 

4、转轴5上端与夹具体3配合，下端与金刚石安装体9配合，两端均为滑配合，保证转动自如，配合间隙在0.002mm～0.005mm之间； 

5、转轴5的台阶面靠在夹具体3上，限制转轴5下移，衬套8套在转轴5上，用以限制转轴5上移。用螺母Ⅰ7将金刚石安装体9与转轴5连接。上紧程度以转轴5能转动为宜，不可过紧，避免卡死； 

6、金刚石安装体9在安装后其外端部必须伸出夹具体3的外端部，避免修整砂轮时碰撞。 

7、金刚石安装体9的直径必须小于被加工零件的球面直径在5mm以上，如果大于或等于球面直径，则金刚石11安装后金刚石尖到转轴5中心线之间的距离就大于球面的半径，修整出来的砂轮球面直径就大于零件的球面直径，不符合磨削零件球面的要求。因此，金刚石安装体9的直径必须小于被加工零件的球面直径，以保证金刚石11安装后金刚石11的尖到转轴5的中心线 之间的距离为球面直径的二分之一。 

8、金刚石安装体9制作成圆形并两侧铣扁。铣扁的宽度要小于零件球面的宽度。以保证金刚石在修整砂轮时金刚石安装体9不会碰到砂轮。在圆形的最高点处制作金刚石安装孔21，安装金刚石11。圆形可避免在金刚石11修整砂轮时碰撞，同时便于测量和调整金刚石11伸出的长度尺寸。两侧铣扁的主要目的是为了用紧固螺钉10固紧金刚石11和避免在金刚石修整砂轮时碰撞。 

9、金刚石安装体9上安装金刚石11的金刚石安装孔21必须垂直于转轴5轴线，保证砂轮修整后的精度。 

10、紧固螺钉10垂直于金刚石安装体9上安装金刚石11的安装孔轴线，并且使紧固螺钉10的轴线与安装孔的轴线相交，确保金刚石11被压紧。 

第三步，修整砂轮至尺寸要求。 

将磨床端面砂轮修整器1安装在磨床上，将图2所示砂轮专用修磨夹具安装在磨床端面砂轮修整器1上，安装需修磨的砂轮后对砂轮进行修磨，参见图4，修磨时要注意以下几点： 

1、在精修磨前，对金刚石11的位置要精确固定，为了保证球面的直径尺寸，金刚石尖到转轴5旋转中心的距离必须是球面的半径值即SR400-0.0025mm，这样才能保证修磨出的砂轮球面尺寸符合零件的球面尺寸。在粗磨砂轮去余量时，可以用卡尺测量金刚石尖到金刚石安装体9外径的距离，再加上金刚石安装体9外径的半径值，即可粗略计算出球面的直径。在粗磨砂轮后，砂轮球面的余量已经很少，这时，就要将金刚石尖到转轴5旋转中心的距离精确控制在400-0.0025mm，可以用打表找正或在数显精密对刀仪上进行控制。 

2、为保证砂轮宽度方向的中心与转轴5旋转中心重合（见图4），在修磨前，对砂轮宽度尺寸进行测量为70mm。然后用金刚石尖碰砂轮右端面。用机床工作台移动磨床端面砂轮修整器1带动专用修磨夹具向左移动砂轮宽度的一半即70/2=35mm，使要修整的砂轮球面中心与转轴5旋转中心重合。这样就保证了所修磨的砂轮球面在砂轮宽度的正中，便于加工零件时对刀。 

3、在修整砂轮过程中，要不停纵向移动砂轮架的位置，一直到将砂轮刃磨成所需要的球面为止。即保证修后砂轮的球面最底部到砂轮外径的尺寸为零件球面顶点到零件球面弦长的垂直距离11.435mm。 

4、由于装置简易，砂轮球面的形成是靠砂轮本身的旋转和金刚石11绕转轴5的旋转这两种运动复合而成的。金刚石11绕转轴5的旋转是靠手柄4带动的，手柄4是人手工操作的，手柄4旋转的平稳性直接影响砂轮球面的精度。因此，在手持手柄4转动过程中，一定要控制转动速度，保持匀速性和连续性。 

第四步，将待加工零件固定在机床上准备加工。 

待加工零件15要固定在机床上。根据零件结构特性，必须制作磨床夹具，以待加工零件15的内孔及端面定位,制作涨力心轴14，参见图5。 

用磨床三爪卡盘13将涨力心轴14夹紧，将待加工零件15装在涨力心轴14上，考虑到待加工零件15较大，涨力心轴14夹紧力不是很大，为了使待加工零件15在夹具上定位平稳可靠，将垫块18垫在待加工零件15端面，用磨床尾座顶尖19顶紧，避免待加工零件15松动，同时增加夹具的刚性。 

在夹具制作过程中要注意，图5所示尺寸17及其所在外圆是为了在磨削过程中避让砂轮16。尺寸17要大于砂轮16的宽度减去球面的宽度的差值除以2即（70-56）/2=7mm，即尺寸17必须大于7mm。为安全起见，建议尺寸 17取12mm。 

第五步，开始磨削加工直至得以成品球形零件。 

所有准备工作做好后，就开始对刀。为了确保砂轮16的球面中心与待加工零件15的球面中心重合，在加工前，用砂轮16的左端面轻碰待加工零件15的右端面，记好位置后，将砂轮16向左移动砂轮宽度的一半加上零件宽度的一半即70/2+56/2=63mm，则两球面的中心重合，即可开始加工。 

上述实施例，只是本发明的较佳实施例，并非用来限制本发明实施范围，故凡以本发明权利要求所述内容所做的等效变化，均应包括在本发明权利要求范围之内。 

Claims (9)

1.利用普通外圆磨床加工高精度外球面的磨削加工方法，其特征在于包括下述步骤：

1）选择砂轮：砂轮宽度须大于成品球形零件宽度14-16mm，砂轮直径须足够修磨出零件球面，即砂轮外径到安装孔的厚度必须大于球面的深度；

2）制作修整砂轮的专用修磨夹具，将磨床端面砂轮修整器（1）安装在磨床上，将专用修磨夹具与磨床端面砂轮修整器（1）固定连接好；

3）修整砂轮至尺寸要求；

4）将待加工零件（15）固定在磨床上与修整好的砂轮（16）对正；

5）开始磨削加工直至得成品球形零件。

2.根据权利要求1所述的利用普通外圆磨床加工高精度外球面的磨削加工方法，其特征在于：上述步骤2）中，所述专用修磨夹具包括夹具体（3）、手柄（4）、转轴（5）、金刚石安装体（9）和金刚石（11），连接轴（2）一端与磨床端面砂轮修整器（1）固定连接，所述连接轴（2）另一端与夹具体（3）一端固定连接且夹具体（3）底端面与连接轴（2）轴线垂直，所述夹具体（3）另一端制有转轴过孔（12），所述转轴（5）一端穿过转轴过孔（12）且插入金刚石安装体（9）内与其固连后用螺母Ⅰ（7）锁紧，转轴（5）另一端设有手柄（4）并用螺母Ⅱ（6）锁紧，所述夹具体（5）和金刚石安装体（9）之间设有衬套（8），所述金刚石（11）安装在金刚石安装体（9）圆形端面上。

3.根据权利要求2所述的利用普通外圆磨床加工高精度外球面的磨削加工方法，其特征在于：所述金刚石安装体（9）制成圆形并两侧铣扁，铣扁的宽度要小于成品球形零件的宽度以保证金刚石（11）在修整砂轮（16）时金刚石安装体（9）不会碰到砂轮（16），在金刚石安装体（9）圆形端面的最高点处制作金刚石安装孔（21）安装金刚石（11）。

4.根据权利要求2所述的利用普通外圆磨床加工高精度外球面的磨削加工方法，其特征在于：所述金刚石安装体（9）直径须小于成品球形零件的球面直径在5mm以上，以保证金刚石（11）安装后金刚石（11）的顶尖到转轴（5）的中心线之间的距离为成品球形零件的球面直径的二分之一。

5.根据权利要求3所述的利用普通外圆磨床加工高精度外球面的磨削加工方法，其特征在于：所述金刚石安装孔（21）的轴线垂直于转轴（5）轴线保证砂轮（16）修整后的精度，紧固螺钉（10）轴线垂直金刚石安装孔（21）轴线并使两轴线相交，确保压紧金刚石（11）。

6.根据权利要求1所述的利用普通外圆磨床加工高精度外球面的磨削加工方法，其特征在于：上述步骤3）中，在粗磨砂轮去余量时，用卡尺测量金刚石（11）的尖到金刚石安装体（9）外径的距离，再加上金刚石安装体（9）外径的半径值，粗略计算出成型球面的直径；在精修磨前，对金刚石（11）的位置精确固定，金刚石（11）的尖到转轴（5）旋转中心的距离为成型零件球面的半径；在修整砂轮过程中，需不停纵向移动砂轮架的位置，一直到将砂轮刃磨成所需要的球面为止。

7.根据权利要求1所述的利用普通外圆磨床加工高精度外球面的磨削加工方法，其特征在于：上述步骤4）中，磨床三爪卡盘（13）卡紧涨力芯轴（14）大头端，待加工零件（15）固定在涨力芯轴（14）小头端并抵靠在台阶（20）端面上，砂轮（16）垂直设置在待加工零件（15）上方且保证砂轮（16）左端面与涨力芯轴（14）大头端之间留有避让砂轮（16）的间隙（17），垫块（18）抵紧在待加工零件（15）端面上并用磨床尾座顶尖（19）顶紧。

8.根据权利要求7所述的利用普通外圆磨床加工高精度外球面的磨削加工方法，其特征在于：所述间隙（17）的尺寸需大于砂轮的宽度减去待加工零件的宽度的差值除以2。

9.根据权利要求1所述的利用普通外圆磨床加工高精度外球面的磨削加工方法，其特征在于：上述步骤5）中，所有准备工作做好后，就开始对刀。为了确保砂轮（16）的球面中心与待加工零件（15）的球面中心重合，在加工前，用砂轮（16）的左端面轻碰待加工零件（15）的右端面，然后将砂轮（16）向左移动的距离为砂轮宽度的一半加上零件宽度的一半，则两球面的中心重合，即可开始加工。

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