CN105269456A - 一种碳化硼气浮轴承的磨削装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于具体涉及一种碳化硼气浮轴承的精密磨削装置及方法。该装置包括定位座、压紧螺母、定位环以及弹性挡圈；定位座外壁上设置有用于卡装在磨床卡盘上的限位凸起以及用于连接压紧螺母的外螺纹；定位座的内孔用于安装定位环轴承组件；定位座内孔设置有圆形凹槽；圆形凹槽内安装弹性挡圈；定位环的内壁用于安装待加工的碳化硼气浮轴承，定位环的两个端面分别与弹簧挡圈以及压紧螺母紧密贴合。该装置的方法包括：1、安装；2、待加工零件的内孔磨削；3、内孔磨金刚石砂轮的在线修复；4、待加工零件的端面磨削；5、端面磨金刚石砂轮的在线修复；6、加工完零件后的拆卸；通过使用该装置和方法加工碳化硼材料，不仅加工精度高，并且便于操作。

Description

一种碳化硼气浮轴承的磨削装置及方法

技术领域

本发明属于精密机械加工技术领域，具体涉及一种碳化硼气浮轴承的精密磨削装置及方法。

背景技术

碳化硼气浮轴承零件为空心圆柱体结构，材料为碳化硼陶瓷，其轴承气浮工作面是内孔和两个端面，要求内孔与外圆的同轴度Φ0.0015mm，两端面分别对内孔的垂直度Φ0.0005mm，轴向和径向尺寸精度0.001mm，表面粗糙度值Ra0.05μm。由于碳化硼材料的超高硬度仅次于金刚石和立方氮化硼，主要加工方法是采用金刚石磨料进行磨削和研磨加工，且由于碳化硼材料具有断裂韧性值低即脆性大的特点，在磨削时必须采用较小的切削用量，故加工效率低。

通常该碳化硼气浮轴承的磨削工艺方法是：直接用磨床的卡盘或采用弹性夹头装卡碳化硼气浮轴承的外圆，然后磨削加工内孔和两端面，由于磨削另一端面或取下零件测量轴向尺寸，需要多次重新装夹，但是这种装夹方式的重复定位精度不高，所以难以通过磨削达到以上要求的精度指标，需要再通过手工研磨达到精度。

而且碳化硼气浮轴承零件在内孔和端面磨削过程中由于金刚石砂轮无法进行在线修整，需要将金刚石砂轮从磨床上拆卸之后再进行修整，再次将金刚石砂轮安装至磨床后，会由于安装误差使得碳化硼材料轴承零件的加工精度和表面粗糙度都达不到使用要求，影响零件加工精度和效率。

由此可见，采用通常的装夹定位方法进行碳化硼气浮轴承零件内孔和两端面的磨削加工，因磨削加工过程需要多次装夹碳化硼气浮轴承，以及多次装卸和修整金刚石砂轮，这样加工难以达到所要求的尺寸和形位精度。

发明内容

为了解决背景技术中的问题，本发明提出了一种结构简单、适宜于碳化硼材料气浮轴承磨削的精密定位装夹装置；并通过该装置提出一种可以提高碳化硼气浮轴承零件磨削加工精度、加工效率，并可实现金刚石砂轮在线修整的精密磨削方法。

本发明的具体技术方案是：

本发明提供了一种碳化硼气浮轴承的磨削装置，其改进之处是：包括定位座、压紧螺母、定位环以及弹性挡圈；所述定位座为筒状结构；定位座外壁上设置有用于卡装在磨床卡盘上的限位凸起以及用于连接压紧螺母的外螺纹；所述定位座的内孔用于安装定位环轴承组件；定位座内孔设置有圆形凹槽；所述圆形凹槽内安装弹性挡圈；定位环的内壁用于安装待加工的碳化硼气浮轴承，定位环的两个端面分别与弹簧挡圈以及压紧螺母紧密贴合。

上述定位环的端面开设有便于拆装定位环的小孔；所述小孔至少为一个。

上述定位环外圆两端均加工有锥面，锥面的斜角角度为1°

上述定位座内孔与定位环外圆的配合间隙不大于0.001mm。

定位环内壁与待加工碳化硼气浮轴承外圆之间为过盈配合，过盈量为0.003-0.005mm；定位环的内孔与定位环的外圆同轴度不大于0.001mm。

上述定位环和定位座均采用轴承钢制成。

基于上述的碳化硼气浮轴承的磨削装置，现提出使用该装置的磨削方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)安装；

1.1)通过选配保证待加工碳化硼气浮轴承外圆与定位环内孔具有0.003-0.005mm的过盈量，然后将定位环加热膨胀使其内孔尺寸大于碳化硼气浮轴承外圆尺寸，然后将碳化硼气浮轴承放入定位环内孔，待定位环冷却后即可牢牢箍紧待加工碳化硼气浮轴承，二者就组合成为一个整体即称为定位环轴承组件；

1.2)将弹性挡圈卡装至定位座内孔的圆形凹槽内；

1.3)将定位环轴承组件安装至定位座内孔；

1.4)安装压紧螺母并旋紧，将定位环轴承组件固定压紧；

1.5)将定位座安装至磨床卡盘上；

2)待加工碳化硼气浮轴承的内孔磨削；

通过圆柱形内孔磨金刚石砂轮对待加工碳化硼气浮轴承的内孔进行磨削，并同时判断圆柱形内孔磨金刚石砂轮的磨削表面是否磨损，若圆柱形内孔磨金刚石砂轮表面磨损，则进行步骤3)，若圆柱形内孔磨金刚石砂轮表面未出现磨损，则继续对待加工碳化硼气浮轴承的内孔进行加工，直至内孔精度达到使用要求后进行步骤4)；

3)圆柱形内孔磨金刚石砂轮的在线修复；

3.1)准备定位环砂轮组件；将修正用金刚石砂轮通过胶粘的方法固定在另一个定位环内孔，组合为一个整体即定位环砂轮组件；所述修正用金刚石砂轮为陶瓷基碳化硅砂轮或陶瓷基金刚石砂轮；

3.2)若圆柱形内孔磨金刚石砂轮表面出现磨损，则松开压紧螺母，将定位环轴承组件由定位座内孔取出，将准备好的定位环砂轮组件安装在定位座内孔中，并旋紧压紧螺母；通过修正用金刚石砂轮的内孔壁对圆柱形内孔磨金刚石砂轮的外圆面进行修整，修整完后，拆下定位环砂轮组件再次装上定位环轴承组件，重复步骤2)；

4)待加工碳化硼气浮轴承的端面磨削；

在完成内孔加工后，将圆柱形内孔磨金刚石砂轮更换为杯形端面磨金刚石砂轮，通过杯形端面磨金刚石砂轮对待加工碳化硼气浮轴承的端面进行磨削，并同时判断杯形端面磨金刚石砂轮的磨削表面是否磨损，若杯形端面磨金刚石砂轮的磨削表面磨损，则进行步骤5)，若杯形端面磨金刚石砂轮的磨削表面未出现磨损，则继续对待加工碳化硼气浮轴承的端面进行加工，直至端面精度达到使用要求；

5)杯形端面磨金刚石砂轮的在线修复；

杯形端面磨金刚石砂轮磨削表面出现磨损，则松开压紧螺母，将定位环轴承组件从定位座内孔中取出，将准备好的定位环砂轮组件安装在定位座内孔中，并旋紧压紧螺母；通过金刚石修整砂轮的端面对杯形端面磨金刚石砂轮的磨削工作面进行修整，修整完后，拆下金刚石修整砂轮再次装上定位环轴承组件，重复步骤4)进行碳化硼气浮轴承端面的磨削加工；

6)碳化硼气浮轴承的内孔和端面磨削加工完成后，将定位环轴承组件加热，定位环内孔膨胀变大，将定位环和碳化硼气浮轴承进行拆解分离。

本发明的优点在于：

1、本发明采用的磨削装置，实现磨削加工、以及形位精度检测的一体化和通用化，加工操作便捷，有效提高零件加工的形位精度和加工效率；优化的磨削加工参数，实现了高硬度碳化硼气浮轴承的精密磨削加工，磨削的轴承的外圆以及内孔圆柱度为小于0.001mm、外圆、内孔与端面的垂直度小于0.001mm，表面粗糙度值小于Ra0.1μm。

2、利用碳化硼膨胀系数远低于钢质定位环的特点，通过热胀冷缩原理，定位环内孔尺寸小于碳化硼气浮轴承外圆尺寸，通过将定位环加热到一定温度，使其内孔膨胀尺寸大于碳化硼气浮轴承外圆尺寸，这时可将碳化硼气浮轴承装入定位环内孔，待冷却后定位环内孔恢复到原有尺寸，就可以将碳化硼气浮轴承牢固抱紧结合为一体。要将两个零件分离，也只要将它们加热，由于定位环材料(钢材)的膨胀系数远大于碳化硼气浮轴承材料(碳化硼陶瓷)，就可以方便将碳化硼气浮轴承从定位环孔中，将实现定位环与碳化硼气浮轴承的无损装配与拆卸，避免对碳化硼气浮轴承和定位环的损伤，定位环可以多次重复使用。

3、本发明的磨削装置和方法，采用陶瓷基碳化硅砂轮或陶瓷基碳化硅砂轮对磨削中磨损钝化的金刚石砂轮进行在线修整，避免了通常金刚石砂轮修整时重复安装对零件加工精度的不利影响。

4、本发明通过将定位座安装在磨床上以后，再磨削其内孔，以保证其内孔跳动量与磨床主轴的回转精度一致，并且定位座内孔环形槽前半部分加工为微小锥面，这样可以消除或尽可能减小定位环轴承组件安装的定位误差，以保证碳化硼气浮轴承内孔与外圆的形位精度。

5、本发明的定位座和定位环均采用轴承钢等材料，并保持HRC60以上的硬度，使其具有较好的耐磨性，保证其可以多次安装和重复使用。

附图说明

图1为定位环的结构示意图；

图2为定位座的结构示意图；

图3为磨削待加工碳化硼气浮轴承内孔的示意图；

图4为磨削待加工碳化硼气浮轴承端面的示意图；

具体实施方式

现有的碳化硼气浮轴承采用现有磨削加工所能达到的加工精度：轴承外圆圆柱度0.002mm，内孔圆柱度0.005mm，两端面与内孔的垂直度0.002mm，内对外圆的同轴度Φ0.002mm，表面粗糙度Ra0.2μm。而上述精度已经满足不了目前的使用要求。

本发明提出了一种碳化硼气浮轴承的磨削装置，如图1和图2所示，一种碳化硼气浮轴承的磨削装置，包括定位座1、压紧螺母2、定位环3以及弹性挡圈4；定位座1为筒状结构；定位座1外壁上设置有用于卡装在磨床卡盘上的限位凸起5以及用于连接压紧螺母的外螺纹6；定位座的内壁用于安装定位环；定位座1内壁设置有圆形凹槽7；圆形凹槽7内安装弹性挡圈4；定位环3的内壁用于安装待加工碳化硼气浮轴承8，定位环3的两个端面分别与弹簧挡圈4以及压紧螺母2紧密贴合。

通过本发明磨削装置加工出的碳化硼气浮轴承的内孔和端面具有亚微米级的尺寸和形位精度，其中内孔圆柱度，端面对内孔垂直度垂直度和内孔与外圆的同轴度均小于0.001mm，表面粗糙度小于Ra0.1μm。通过本发明加工的碳化硼气浮轴承的精度可以看出，采用本发明的精密磨削装置及方法，可以保证碳化硼气浮轴承的精度指标。

特别之处还有，定位环3的端面开设有便于拆装定位环的小孔9；该小孔9至少为一个。

特别之处还有，为了使定位环能够比较容易的安装至定位座1的内孔中，该装置的定位环外圆两端均加工有锥面，其锥面的斜角角度为1°。

需要说明的是：定位座1内孔与定位环3外圆为过盈配合，最大过盈量为0.001mm。这样其内孔跳动量与磨床主轴的回转精度一致，并可以消除或尽可能减小定位环轴承组件安装的定位误差，以保证磨削加工的碳化硼气浮轴承内孔与外圆的形位精度。

进一步的说，定位环1内孔与待加工碳化硼气浮轴承外圆之间为过盈配合，过盈量为0.003-0.005mm。

进一步的说，定位环3和定位座1均采用轴承钢制成，并保持HRC60以上的硬度，使其具有较好的耐磨性，保证其可以多次安装和重复使用。

下面根据对采用该磨削装置的磨削方法进行说明：

步骤1)安装；

步骤1.1)通过选配保证待加工碳化硼气浮轴承10外圆与定位环3内孔具有0.003-0.005mm的过盈量，然后将定位环3加热膨胀使其内孔尺寸大于待加工碳化硼气浮轴承10外圆尺寸，然后将待加工碳化硼气浮轴承10放入定位环3内孔，待定位环3冷却后即可牢牢箍紧待加工碳化硼气浮轴承10，二者就组合成为一个整体即称为定位环轴承组件；磨削过程定位环轴承组件可多次重复定位装夹，重复装夹的定位精度0.001mm。

1.2)将弹性挡圈4卡装至定位座1内孔的圆形凹槽7内；

1.3)将定位环轴承组件安装至定位座1内孔；

1.4)安装压紧螺母2并旋紧，将定位环轴承组件固定压紧；

1.5)将定位座安装至磨床卡盘上；

步骤2)待加工碳化硼气浮轴承的内孔磨削；

通过圆柱形内孔磨金刚石砂轮11对待加工碳化硼气浮轴承10的内孔进行磨削，并同时判断圆柱形内孔磨金刚石砂轮11的磨削表面是否磨损，若圆柱形内孔磨金刚石砂轮11表面磨损，则进行步骤3)，若圆柱形内孔磨金刚石砂轮11表面未出现磨损，则继续对待加工碳化硼气浮轴承10的内孔进行加工，直至内孔精度达到使用要求后进行步骤4)；

步骤3)圆柱形内孔磨金刚石砂轮11的在线修复；

3.1)准备定位环砂轮组件；将修正用金刚石砂轮通过胶粘的方法固定在另一个定位环内孔，组合为一个整体即定位环砂轮组件；所述修正用金刚石砂轮为陶瓷基碳化硅砂轮或陶瓷基金刚石砂轮；其中；

此处需要说明的是：定位环砂轮组件中使用的定位环与定位环轴承组件中的定位环同一批次生产，其外圆尺寸差值控制在0.001mm以内，以确保具有互换性。

3.2)若圆柱形内孔磨金刚石砂轮11表面出现磨损，则松开压紧螺母，将定位环轴承组件由定位座内孔取出，将准备好的定位环砂轮组件安装在定位座内孔中，并旋紧压紧螺母4；通过修正用金刚石砂轮的内孔壁对圆柱形内孔磨金刚石砂轮11的外圆面进行修整，修整完后，拆下定位环砂轮组件再次装上定位环轴承组件，重复步骤2)；

步骤4)待加工碳化硼气浮轴承10的端面磨削；

在完成内孔加工后，将圆柱形内孔磨金刚石砂轮11更换为杯形端面磨金刚石砂轮12，通过杯形端面磨金刚石砂轮12对待加工碳化硼气浮轴承10的端面进行磨削，并同时判断杯形端面磨金刚石砂轮12的磨削表面是否磨损，若杯形端面磨金刚石砂轮12的磨削表面磨损，则进行步骤5)，若杯形端面磨金刚石砂轮12的磨削表面未出现磨损，则继续对待加工碳化硼气浮轴承10的端面进行加工，直至端面精度达到使用要求；

另外，待加工碳化硼气浮轴承端面有两个，当加工其中一个端面后，将压紧螺母松开，将定位环轴承组件整体从定位座内孔中取出来，然后将定位环轴承组件翻转180°后再装入定位座内孔中，用压紧螺母压紧，进行另外一个端面的磨削加工。

步骤5)杯形端面磨金刚石砂轮12的在线修复；

杯形端面磨金刚石砂轮12磨削表面出现磨损，则松开压紧螺母4，将定位环轴承组件从定位座内孔中取出，将准备好的定位环砂轮组件安装在定位座内孔中，并旋紧压紧螺母4；通过金刚石修整砂轮的端面对杯形端面磨金刚石砂轮12的磨削工作面进行修整，修整完后，拆下金刚石修整砂轮再次装上定位环轴承组件，重复步骤4)进行碳化硼气浮轴承端面的磨削加工；

步骤6)待加工碳化硼气浮轴承10的内孔和端面磨削加工完成后，将定位环轴承组件加热，定位环内孔膨胀变大，将定位环3和碳化硼气浮轴承进行拆解分离。

这样可以保证碳化硼气浮轴承和定位环都完好无损的，定位环可以继续重复使用。

需要补充说明的是：本发明采用的陶瓷结合剂碳化硅砂轮或陶瓷结合剂金刚石砂轮，其磨料粒度较被修整金刚石砂轮的磨料粒度粗2级左右，修整砂轮的转速为50-100r/min，被修整金刚石砂轮的转速为18-25m/s；吃刀深度一般粗修为0.02-0.04mm/行程，精修为0.01-0.005mm/行程，同时进行充分冷却。

Claims (7)

1.一种碳化硼气浮轴承的磨削装置，其特征在于：包括定位座、压紧螺母、定位环以及弹性挡圈；所述定位座为筒状结构；定位座外壁上设置有用于卡装在磨床卡盘上的限位凸起以及用于连接压紧螺母的外螺纹；所述定位座的内孔用于安装定位环轴承组件；定位座内孔设置有圆形凹槽；所述圆形凹槽内安装弹性挡圈；定位环的内壁用于安装待加工的碳化硼气浮轴承，定位环的两个端面分别与弹簧挡圈以及压紧螺母紧密贴合。

2.根据权利要求1所述的碳化硼气浮轴承的磨削装置，其特征在于：所述定位环的端面开设有便于拆装定位环的小孔；所述小孔至少为一个。

3.根据权利要求1或2所述的碳化硼气浮轴承的磨削装置，其特征在于：所述定位环外圆两端均加工有锥面，锥面的斜角角度为1°。

4.根据权利要求3所述的碳化硼气浮轴承的磨削装置，其特征在于：所述定位座内孔与定位环外圆的配合间隙不大于0.001mm。

5.根据权利要求4所述的碳化硼气浮轴承的磨削装置，其特征在于：定位环内壁与待加工碳化硼气浮轴承外圆之间为过盈配合，过盈量为0.003-0.005mm；定位环的内孔与定位环的外圆同轴度不大于0.001mm。

6.根据权利要求5所述的碳化硼气浮轴承的磨削装置，其特征在于：所述定位环和定位座均采用轴承钢制成。

7.基于权利要求1的碳化硼气浮轴承的磨削装置的磨削方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)安装；

1.1)通过选配保证待加工碳化硼气浮轴承外圆与定位环内孔具有0.003-0.005mm的过盈量，然后将定位环加热膨胀使其内孔尺寸大于碳化硼气浮轴承外圆尺寸，然后将碳化硼气浮轴承放入定位环内孔，待定位环冷却后即可牢牢箍紧待加工碳化硼气浮轴承，二者就组合成为一个整体即称为定位环轴承组件；

1.2)将弹性挡圈卡装至定位座内孔的圆形凹槽内；

1.3)将定位环轴承组件安装至定位座内孔；

1.4)安装压紧螺母并旋紧，将定位环轴承组件固定压紧；

1.5)将定位座安装至磨床卡盘上；

2)待加工碳化硼气浮轴承的内孔磨削；

通过圆柱形内孔磨金刚石砂轮对待加工碳化硼气浮轴承的内孔进行磨削，并同时判断圆柱形内孔磨金刚石砂轮的磨削表面是否磨损，若圆柱形内孔磨金刚石砂轮表面磨损，则进行步骤3)，若圆柱形内孔磨金刚石砂轮表面未出现磨损，则继续对待加工碳化硼气浮轴承的内孔进行加工，直至内孔精度达到使用要求后进行步骤4)；

3)圆柱形内孔磨金刚石砂轮的在线修复；

3.1)准备定位环砂轮组件；将修正用金刚石砂轮通过胶粘的方法固定在另一个定位环内孔，组合为一个整体即定位环砂轮组件；所述修正用金刚石砂轮为陶瓷基碳化硅砂轮或陶瓷基金刚石砂轮；

3.2)若圆柱形内孔磨金刚石砂轮表面出现磨损，则松开压紧螺母，将定位环轴承组件由定位座内孔取出，将准备好的定位环砂轮组件安装在定位座内孔中，并旋紧压紧螺母；通过修正用金刚石砂轮的内孔壁对圆柱形内孔磨金刚石砂轮的外圆面进行修整，修整完后，拆下定位环砂轮组件再次装上定位环轴承组件，重复步骤2)；

4)待加工碳化硼气浮轴承的端面磨削；

在完成内孔加工后，将圆柱形内孔磨金刚石砂轮更换为杯形端面磨金刚石砂轮，通过杯形端面磨金刚石砂轮对待加工碳化硼气浮轴承的端面进行磨削，并同时判断杯形端面磨金刚石砂轮的磨削表面是否磨损，若杯形端面磨金刚石砂轮的磨削表面磨损，则进行步骤5)，若杯形端面磨金刚石砂轮的磨削表面未出现磨损，则继续对待加工碳化硼气浮轴承的端面进行加工，直至端面精度达到使用要求；

5)杯形端面磨金刚石砂轮的在线修复；

杯形端面磨金刚石砂轮磨削表面出现磨损，则松开压紧螺母，将定位环轴承组件从定位座内孔中取出，将准备好的定位环砂轮组件安装在定位座内孔中，并旋紧压紧螺母；通过金刚石修整砂轮的端面对杯形端面磨金刚石砂轮的磨削工作面进行修整，修整完后，拆下金刚石修整砂轮再次装上定位环轴承组件，重复步骤4)进行碳化硼气浮轴承端面的磨削加工；

6)碳化硼气浮轴承的内孔和端面磨削加工完成后，将定位环轴承组件加热，定位环内孔膨胀变大，将定位环和碳化硼气浮轴承进行拆解分离。