CN107253102A - 一种异形薄壁复杂结构工件的超精密磨削加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种降低因二次装夹所带来的装夹误差，保证工件加工的面形精度及球头砂轮杆与工件间不会相互干涉的异形薄壁复杂结构工件的超精密磨削加工方法，涉及一种加工工艺。本发明首先要获得工件在精密加工后的准确尺寸，然后装夹工件内杆的前端以互为基准的方式对工件装夹部位进行超精密磨削；安装超精密磨削用的细微粒金属基金刚石球头砂轮，并将球头砂轮的球心调整到精密转台的旋转轴线上。通过弹簧夹头将工件安装于工件主轴上，在安装过程中要保证工件的径向跳动量小于5μm。采用CCD对刀系统对工件进行对刀，并获得加工原点，以保证工件加工后具有较高的面形精度。规划球头砂轮的运动轨迹实现异型薄壁复杂结构件的超精密磨削加工。
Description
技术领域
本发明涉及一种加工工艺，特别涉及一种异形薄壁复杂结构工件的加工方法。
背景技术
随着航空航天、电子工业及光学研究的快速发展，对于异型复杂结构零件的面型精度和表面粗糙度的加工要求也越来越高，同时该类零件也向小型化和异形化方向发展。而一种航空航天领域中的Ψ形零件，其总体尺寸小于50mm，半球口径小于30mm，壁厚小于1mm，并且其内、外球壳与内、外杆相联接处的倒角的曲率半径小于2mm，而且该零件由熔融石英加工而成，是一种典型的难加工的异型薄壁复杂结构件。同时该类零件的加工质量将会影响整个系统的工作质量，为了实现该类零件的高质量加工，超精密磨削和抛光相结合是一种很有发展前景的加工技术方案。为了减少后续抛光时间并达到最终零件加工的质量要求，超精密磨削后零件的面形精度和表面粗糙度值应优于0.4μm和50nm。由于该零件的最小曲率半径为2mm，传统的圆盘形砂轮无法实现其磨削加工，因此需采用直径较小的金属基金刚石球头砂轮。为了避免在加工过程中球头砂轮与工件产生干涉并导致工件破损，需要对超精密磨削过程中球头砂轮杆的空间轨迹进行规划。同时需要减小精密及超精密加工过程中转置转换时因二次装夹而引入的装夹误差，并对球头砂轮进行准确的对刀，以满足该零件较高的加工质量要求，同时减少加工时间。
所以现有技术中存在：异形薄壁复杂结构工件在超精密磨削加工前由于加工装置转换而引入的装夹误差、准确而快速的对刀、在加工过程中内外球壳根部圆角加工困难和加工过程中球头砂轮杆与工件间相互干涉等问题。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种降低因二次装夹所带来的装夹误差，保证工件加工的面形精度及球头砂轮杆与工件间不会相互干涉的异形薄壁复杂结构工件的超精密磨削加工方法。
本发明的一种异形薄壁复杂结构工件的超精密磨削加工方法，所述方法基于超精密磨削用机床实现，所述机床包括工作台2、C轴转台3、位移平台4、U轴定位平台5、X轴运动平台、Y轴运动平台、Z轴运动平台、球头砂轮6、砂轮主轴7、工件主轴8和CCD对刀系统1；
工件主轴8和CCD对刀系统1相对设置在工作台2上，工件主轴8的轴线方向为X轴方向；异形薄壁复杂结构工件的内杆前端或外杆后端安装在工件主轴8上；球头砂轮6安装在砂轮主轴7上；
C轴转台3的下端与位移平台4连接，U轴定位平台5的上端安装在位移平台4的运动部件上，U轴定位平台5的下端与砂轮主轴7中段固定连接，砂轮主轴7呈倾斜状，以实现砂轮主轴7夹持的球头砂轮6对工件9进行磨削加工；
X轴运动平台和Y轴运动平台通过“十字”堆叠形式安装在工作台2上，用于控制工件主轴8在X轴方向和Y轴方向运动；
Z轴运动平台，用于带动C轴转台3上下运动，进而带动砂轮主轴7上下运动；
球头砂轮6半径小于4mm；
所述方法包括如下步骤：
步骤一：测量工件精密磨削后的尺寸参数和球头砂轮6半径尺寸参数；
步骤二：通过工件主轴8的弹簧夹头夹持工件内杆前端，并以互为基准的方式利用所述机床对工件外杆后端进行超精密磨削加工；
步骤三：通过U轴定位平台5的移动将球头砂轮6的球心调整到C轴转台3的旋转轴线上；
步骤四：将工件从工件主轴8上拆卸下来，利用工件主轴8的弹簧夹头夹持加工后的工件外杆后端；
步骤五：利用CCD对刀系统1对工件进行对刀；
步骤六：根据步骤一测量的尺寸参数规划球头砂轮6的运动轨迹和相应的C轴转台3旋转角度；
步骤七：根据规划出的球头砂轮6的运动轨迹和砂轮杆的空间角度，对工件进行超精密磨削加工，且在加工工件外球壳前改变工件主轴8的旋转方向，获得尽可能大的相对磨削线速度。
优选的是，所述步骤二包括如下步骤：
步骤二一：通过弹簧夹头将工件的内杆前端装夹于工件主轴8上；
步骤二二：通过千分表测量工件外球壳尺寸最大处的径向跳动，判断所述径向跳动是否小于5μm，若是，执行步骤二三，若否，重新调整装夹位置，执行步骤二一；
步骤二三：以互为基准的方式利用所述机床对工件外杆后端进行超精密磨削加工，作为后续装夹部位。
优选的是，所述步骤三包括如下步骤：通过U轴定位平台5的移动将球头砂轮6的球心调整到C轴转台3的旋转轴线上；
步骤三一：将CCD对刀系统1的相机轴线方向沿X轴方向，通过旋转C轴转台3使U轴定位平台5的运动方向调整到X轴方向，利用CCD对刀系统1获得此时球头砂轮6的图像，获取图像中的球心坐标，并在图像中标注过球心的C轴转台3的旋转轴线；
步骤三二：旋转C轴转台3使U轴定位平台5的运动方向调整到与X轴方向垂直，利用CCD对刀系统1获得此时球头砂轮6的图像，获取图像中的球心坐标，并在图像中标注C轴转台3的旋转轴线，获得球心与C轴转台3的旋转轴线的位置偏差δ；
步骤三三：根据步骤三二的位置偏差δ，调整U轴定位平台5，即完成球头砂轮6的球心调整到C轴转台3的旋转轴线上。
优选的是，所述步骤四包括如下步骤：
步骤四一：将工件的内杆前端从工件主轴8上拆卸下来；
步骤四二：利用工件主轴8的弹簧夹头装夹加工后的工件外杆后端；
步骤四三：采用千分表测量工件球壳外表面上距装夹位置最远处的点的径向跳动，判断该径向跳动是否小于2.5μm，若是，完成装夹，若否，重新调整装夹位置，执行步骤四二。
优选的是，所述步骤五包括如下步骤：
步骤五一：将CCD对刀系统1的相机轴线方向沿X轴方向，旋转C轴转台3使U轴定位平台5的运动方向与Y轴方向一致，得到球头砂轮6和工件内杆前端面的图像，获得球头砂轮6的球心坐标和工件内杆的前端面圆心坐标，计算球心与工件内杆前端面圆心在Y轴方向的坐标差值δy；
步骤五二：根据步骤五一的差值δy，控制Y轴运动平台移动，使球头砂轮6的球心在工件内杆前端面圆心的延伸线上，完成Y轴方向的对刀工作；
步骤五三：将CCD对刀系统1的相机轴线方向沿Y轴方向，旋转C轴转台3使U轴定位平台5的运动方向与X轴方向一致，得到球头砂轮6和工件内杆前端面的图像，获得球头砂轮6的球心坐标和工件内杆的前端面圆心的坐标，计算球头砂轮6球心与工件内杆前端面圆心在X轴方向的坐标差值δx；
步骤五四：根据步骤五三的差值δx，控制X轴运动平台移动，调整X轴运动平台使球头砂轮6球心与工件内杆前端面圆心在X轴方向上重合，完成X轴方向的对刀工作；
步骤五五：CCD对刀系统1的位置及相机轴线方向保持不变，得到球头砂轮6和工件内杆前端面的图像，获得球头砂轮6的球心坐标和工件内杆的前端面圆心的坐标，计算球头砂轮6球心与工件内杆前端面圆心在Z轴方向的坐标差值δz；
步骤五六：根据步骤五五的差值δz，控制Z轴运动平台移动，使球头砂轮6的球心与工件内杆的前端面圆心在Z轴方向重合，完成Z轴方向的对刀工作。
优选的是，所述步骤六包括如下步骤：
步骤六一：根据步骤一中测量的尺寸参数，绘制工件的三维模型；
步骤六二：建立工件加工坐标系，坐标系的X、Y、Z轴的方向与机床的坐标系保持一致，其工件加工坐标系的坐标原点为O；
该坐标原点O在机床的坐标系中，Oz＝0，Ox为工件内球面球心沿X轴正向偏移Rg+Rs，Oy与工件内球面球心的Y轴坐标一致；Rg为测量的工件内杆和外杆的半径，Rs为测量的的球头砂轮6的半径；
步骤六三：将工件分段，设定在加工工件各段时C轴转台3的旋转角度，避免工件与球头砂轮6间干涉的产生；
步骤六四：将建立的模型中的工件内杆、内球面、外球面和外杆的轮廓线在工件加工坐标系中分别向实体外部方向偏移Rs+a，其中，a为加工前对刀误差的预留值，偏移后形成连续的加工曲线，该加工曲线为球头砂轮6在加工过程中的运动轨迹；
步骤六五：根据步骤六四中的加工曲线的起始点，在工件中找到对应点，旋转C轴转台3及控制X轴运动平台和Y轴运动平台运动，将该对应点作为机床加工的起始点；
根据步骤六三中设定的C轴转台3的旋转角度和步骤六四中的加工曲线利用球头砂轮6对工件进行加工。
优选的是，所述步骤六三中，将工件分段：A段是内杆部分；
B段为内球面和内杆的过渡圆角；
C段为过渡圆角边界为起始点的内球面过渡段6mm；
D段为内球面除去C段部分；
E段为内外球面连接部分；
F段为外球面；
G段为外球面和外杆连接过渡圆角；
H段为外杆加工部分；
所述设定在加工工件各段时C轴转台沿Z轴的旋转角度为：
加工A段、B段和C段时，C轴转台旋转-8度；
加工D段和E段时，C轴转台旋转+8度；
加工F段、G段和H段时，C轴转台旋转-80度；
顺时针为正，逆时针为负。
上述技术特征可以各种适合的方式组合或由等效的技术特征来替代，只要能够达到本发明的目的。
本发明的有益效果在于，(1)本发明可以实现一种小尺寸的异型薄壁复杂结构件的超精密磨削加工，其加工后的表面粗糙度Ra和面形精度PV值分别优于50nm和0.4μm；
(2)本发明通过互为基准的方式对装夹部位进行超精密磨削可以将工件二次装夹带来的误差限制在2.5μm以内，提高复杂结构类零件的超精密磨削面形精度；
(3)本发明通过规划磨削加工路径和倾斜主轴随精密转台在不同磨削轨迹处旋转不同角度以改变球头砂轮6杆的空间方向，从而可以成功避免加工小口径复杂结构件的过程中砂轮与工件间干涉的产生；
(4)本发明采用小直径球头砂轮6对复杂结构件进行超精密磨削时，可以实现内外球壳根部2mm及以上尺寸的圆角的磨削加工，以实现清根；
(5)本发明在超精密磨削加工的准备过程中，采用的对刀方法可以在保证对刀精度优于2.5μm并将对刀的时间限制在1h，保证了磨削质量并减少了磨削工时。
附图说明
图1为具体实施方式中超精密磨削用机床的结构示意图；
图2为步骤二中工件装夹位置进行超精密磨削时工件安装示意图；
图3(a)至图3(d)为小直径球头砂轮球心位置调整过程示意图；
图4为工件装夹及其径向跳动测量示意图；
图5(a)至图5(e)为异形薄壁复杂结构工件在超精密磨削加工前的对刀过程示意图；
图6为异型薄壁复杂结构件加工路径分段示意图；
图7(a)为采用轮廓仪对加工后的异型薄壁复杂结构件测量面形精度PV值的曲线示意图，图中横坐标为毫米，纵坐标为微米；
图7(b)为采用轮廓仪对加工后的异型薄壁复杂结构件测量表面粗糙度Ra的曲线示意图，图中横坐标为毫米，纵坐标为微米。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
结合图1说明本实施方式，本实施方式所述的一种异形薄壁复杂结构工件的超精密磨削加工方法，本实施方式的方法基于超精密磨削用机床实现，如图1所示，该机床包括工作台2、C轴转台3、位移平台4、U轴定位平台5、X轴运动平台、Y轴运动平台、Z轴运动平台、球头砂轮6、砂轮主轴7、工件主轴8和CCD对刀系统1；
工件主轴8和CCD对刀系统1相对设置在工作台2上，工件主轴8的轴线方向为X轴方向；异形薄壁复杂结构工件9的内杆前端或外杆后端安装在工件主轴8上；球头砂轮6安装在砂轮主轴7上；
C轴转台3的下端与位移平台4连接，U轴定位平台5的上端安装在位移平台4的运动部件上，U轴定位平台5的下端与砂轮主轴7中段固定连接，砂轮主轴7呈倾斜状，以实现砂轮主轴7夹持的球头砂轮6对工件9进行磨削加工；
X轴运动平台和Y轴运动平台通过“十字”堆叠形式安装在工作台2上，用于控制工件主轴8在X轴方向和Y轴方向运动；
Z轴运动平台，用于带动C轴转台3上下运动，进而带动砂轮主轴7上下运动；
球头砂轮6半径小于4mm；
本实施方式的加工方法包括如下步骤：
步骤一：测量工件精密磨削后的尺寸参数和球头砂轮6半径尺寸参数；
该步骤中精密磨削后工件9的精确测量是为了方便后续的对刀工作和加工程序代码的编写，并以此为依据建立工件9和加工机床之间精确的坐标关系。
步骤二：通过工件主轴8的弹簧夹头夹持工件9内杆前端，并以互为基准的方式利用所述机床对工件9外杆后端进行超精密磨削加工；
该步骤中通过装夹工件9内杆前端以互为基准的方式对工件9装夹部位进行超精密磨削是为了尽可能的降低因二次装夹所带来的装夹误差，保证工件9的超精密磨削精度。
步骤三：通过U轴定位平台5的移动将球头砂轮6的球心调整到C轴转台3的旋转轴线上；
该步骤中将小直径球头砂轮6的球心调整到C轴转台3的回转轴线上其目的是为了保证在加工过程中球头砂轮6随着C轴转台3旋转时其球心空间位置不发生改变。同时由于在砂轮安装过程中砂轮轴线在Y方向是不变的，所以在磨削装置安装调试过程中Y方向的对心工作已经通过调节手动位移平台4完成，在此只需要完成X方向的对心工作。
步骤四：将工件9从工件主轴8上拆卸下来，利用工件主轴8的弹簧夹头夹持加工后的工件9外杆后端；
该步骤中工件9通过弹簧夹头安装于工件主轴8上，在安装过程中为了减小工件9的二次装夹误差，需要采用千分表对工件9进行径向跳动测量，以保证工件9的加工面形精度。
步骤五：利用CCD对刀系统1对工件9进行对刀；
该步骤中的工件9加工前的对刀，即通过对刀的形式快速而准确地获得球头砂轮6球心与工件9内球壳球心的相对位置，得到机床坐标系和工件9加工程序坐标系的相对关系，以保证工件9加工的面形精度。
步骤六：根据步骤一测量的尺寸参数规划球头砂轮6的运动轨迹和相应的C轴转台3旋转角度；
该步骤中的球头砂轮6的运动轨迹和相应的C轴转台3旋转角度的规划目的是避免加工过程中砂轮杆与工件9间干涉的产生，同时采用UG软件获得加工G代码实现工件9内外杆、内外球壳及根部圆角处的超精密磨削加工。
步骤七：根据规划出的球头砂轮6的运动轨迹和砂轮杆的空间角度，对工件9进行超精密磨削加工，且在加工工件9外球壳前改变工件主轴8的旋转方向，获得尽可能大的相对磨削线速度；
该步骤中的在完成内球壳加工时需要更换工件9的旋转方向、然后进行外球面的超精密磨削加工，因为在超精密磨削过程中内、外球面的旋转方向相对球头砂轮6不同，为了获得较大的工件9和砂轮间的相对线速度，需要更换工件9的旋转方向。
优选实施例中，本实施方式的步骤一包括
步骤一一：采用三坐标测量仪对经过精密磨削加工的异型薄壁复杂结构件进行精确的尺寸测量，主要为了获得的参数包括：内球壳半径Rn和外球壳半径Rw及其球心坐标On和Ow，内外球壳球心的高度差Δ，内外杆的半径尺寸Rg，以及内杆顶端到内球心的距离d；
步骤一二：测量球头砂轮6精密电火花修整后的半径尺寸Rs。
优选实施例中，本实施方式的步骤二包括如下步骤：
步骤二一：通过弹簧夹头将工件9的内杆前端装夹于工件主轴8上；
步骤二二：通过千分表测量工件外球壳尺寸最大处的径向跳动，判断所述径向跳动是否小于5μm，若是，执行步骤二三，若否，重新调整装夹位置，执行步骤二一；；
步骤二三：以互为基准的方式利用所述机床对工件外杆后端进行超精密磨削加工，作为后续装夹部位，如图2所示。
优选实施例中，本实施方式的步骤三包括如下步骤：通过U轴定位平台5的移动将球头砂轮6的球心调整到C轴转台3的旋转轴线上；
步骤三一在超精密磨削装置搭建过程中通过位移平台4完成了在相应方向上的对心调整并紧固，所以每次砂轮安装时只需要调整U轴定位平台5将球头砂轮6的球心调整到C轴转台3的轴线上即可，所以首先将CCD对刀系统1的相机轴线方向沿X轴方向，通过旋转C轴转台3使U轴定位平台5的运动方向调整到X轴方向，利用CCD对刀系统1获得此时球头砂轮6的图像，获取图像中的球心坐标，并在图像中标注过球心的C轴转台3的旋转轴线，完成球心位置调整的标定工作，如图3(a)所示；
该步骤中，对球头砂轮6的图像进行二值化处理和经典的Hough变换以得到图像中的球心坐标；
步骤三二：CCD对刀系统1的相机位置保持不变，旋转C轴转台3使U轴定位平台5的运动方向调整到与X轴方向垂直，利用CCD对刀系统1获得此时球头砂轮6的图像，获取图像中的球心坐标，并在图像中标注C轴转台3的旋转轴线，获得球心与C轴转台3的旋转轴线的位置偏差δ；
步骤三三：根据位置偏差δ，调整U轴定位平台5，即完成球头砂轮6的球心调整到C轴转台3的旋转轴线上；
完成球心位置调整工作，如图3(b)所示；
图3(c)为未处理的球头砂轮6图像，图3(d)为处理过的球头砂轮6图像。
优选实施例中，本实施方式的步骤四包括如下步骤：步骤四一：将工件的内杆前端从工件主轴8上拆卸下来；
步骤四二：利用工件主轴8的弹簧夹头装夹加工后的工件外杆后端；
步骤四三：采用千分表测量工件球壳外表面上距装夹位置最远处的点的径向跳动，判断该径向跳动是否小于2.5μm，若是，完成装夹，以减小二次装夹带来的误差，如图4所示，若否，重新调整装夹位置，执行步骤四二。
优选实施例中，本实施方式的步骤五包括如下步骤：
步骤五一：将CCD对刀系统1的相机轴线方向沿X轴方向，旋转C轴转台3使U轴定位平台5的运动方向与Y轴方向一致，得到球头砂轮6和工件内杆前端面的图像，获得球头砂轮6的球心坐标和工件内杆的前端面圆心坐标，计算球心与工件内杆前端面圆心在Y轴方向的坐标差值δy；
步骤五二：根据步骤五一的差值δy，控制Y轴运动平台移动，使球头砂轮6的球心在工件内杆前端面圆心的延伸线上，完成Y轴方向的对刀工作，如图5(a)所示；
步骤五三：将CCD对刀系统1的相机轴线方向沿Y轴方向，旋转C轴转台3使U轴定位平台5的运动方向与X轴方向一致，得到球头砂轮6和工件内杆前端面的图像，获得球头砂轮6的球心坐标和工件内杆的前端面圆心的坐标，计算球头砂轮6球心与工件内杆前端面圆心在X轴方向的坐标差值δx；
该步骤中，对球头砂轮6和工件内杆前端面进行二值化处理和经典的Hough变换以得到图像中的球头砂轮6的球心坐标和工件内杆的前端面圆心的坐标；
步骤五四：根据步骤五三的差值δx，控制X轴运动平台移动，调整X轴运动平台使球头砂轮6球心与工件内杆前端面圆心在X轴方向上重合，完成X轴方向的对刀工作，如图5(b)所示；
步骤五五：CCD对刀系统1的位置及相机轴线方向保持不变，得到球头砂轮6和工件内杆前端面的图像，获得球头砂轮6的球心坐标和工件内杆的前端面圆心的坐标，计算球头砂轮6球心与工件内杆前端面圆心在Z轴方向的坐标差值δz；
步骤五六：根据步骤五五的差值δz，控制Z轴运动平台移动，使球头砂轮6的球心与工件内杆的前端面圆心在Z轴方向重合，完成Z轴方向的对刀工作，如图5(c)所示。
图5(d)和图5(e)分别为Z方向对刀时未处理的图像和经过处理的图像。至此完成整个的对刀工作。
优选实施例中，本实施方式的所述步骤六包括如下步骤：
步骤六一：根据步骤一中测量的尺寸参数，在UG软件中绘制工件的三维模型，以方便利用UG软件生成加工G代码；
步骤六二：建立工件加工坐标系，坐标系的X、Y、Z轴的方向与机床的坐标系保持一致，其工件加工坐标系的坐标原点为O；
该坐标原点O在机床的坐标系中，Oz＝0，Ox为工件内球面球心沿X轴正向偏移Rg+Rs，Oy与工件内球面球心的Y轴坐标一致；Rg为测量的工件内杆和外杆的半径，Rs为测量的的球头砂轮6的半径；
步骤六三：分析加工过程中，球头砂轮6可能与工件产生干涉的情况：在加工内杆时，砂轮杆容易与球壳干涉，在加工内部圆角和内球面时砂轮杆容易与球壳或内杆产生干涉，在加工外球面时，砂轮容易与球壳产生干涉，加工外杆时砂轮杆容易与球壳或工件主轴8产生干涉；通过实际分析，将工件加工路径分为几个部分如图6所示：
A段是内杆部分；
B段为内球面和内杆的过渡圆角；
C段为过渡圆角边界为起始点的内球面过渡段6mm；
D段为内球面除去C段部分；
E段为内外球面连接部分；
F段为外球面；
G段为外球面和外杆连接过渡圆角；
H段为外杆加工部分；
所述设定在加工工件各段时C轴转台沿Z轴的旋转角度为：
加工A段、B段和C段时，C轴转台旋转-8度；
加工D段和E段时，C轴转台旋转+8度；
加工F段、G段和H段时，C轴转台旋转-80度；
顺时针为正，逆时针为负。
步骤六四：将建立的模型中的工件内杆、内球面、外球面和外杆的轮廓线在工件加工坐标系中分别向实体外部方向偏移Rs+a，其中，a为加工前对刀误差的预留值，偏移后形成连续的加工曲线，该加工曲线为球头砂轮6在加工过程中的运动轨迹；生产复杂结构件在超精密磨削加工时的G代码。对生成的G代码修改开始和结束的处理命令使其能够适应超精密磨削装置控制系统的要求；
步骤六五：根据步骤六四中的加工曲线的起始点，在工件中找到对应点，旋转C轴转台3及控制X轴运动平台和Y轴运动平台运动，将该对应点作为机床加工的起始点；
该步骤中C轴转台3旋转-8度，其次将步骤五四中获得的X方向对刀坐标值减去Rg+Rs，并将X轴运动平台移动到该位置，然后将步骤五一中获得的Y方向对刀坐标值减去步骤五一中测得的内杆顶端到内球心的距离d，并将Y轴运动平台移动到新的坐标位置，利用开发的控制系统软件分别将X、Y、Z的坐标清零，完成机床加工原点设置，以使其与程序代码中的加工原点相重合；
根据步骤六三中设定的C轴转台3的旋转角度和步骤六四中的加工曲线利用球头砂轮6对工件进行加工。
本实施方式的步骤七是对复杂结构件进行超精密磨削加工，加工外球壳前改变工件主轴8的旋转方向，以获得尽可能大的相对磨削线速度，从而提高工件的磨削质量，包括：
步骤七一：将程序导入到加工装置的控制系统中，对异型结构件进行磨削加工，加工参数为砂轮转速为76000rpm，工件转速为1000rpm，切深为1μm，进给速度为30μm/s，加工内球面时设置工件主轴8旋转方向与砂轮的旋转方向相反；
步骤七二：在加工过程中，在E段时不对工件进行磨削，作用是将内外加工曲线连接起来，利用这段时间，改变工件主轴8的旋转方向，从而保证较大的工件和球头砂轮6间的相对线速度，保证加工表面质量。
至此完成异型薄壁复杂结构件的超精密磨削加工，加工完成后采用轮廓仪对加工后工件的面形精度PV值和表面粗糙度Ra进行测量，测量结果分别如图7(a)和图7(b)所示，PV值为0.328μm，表面粗糙度为50.2nm。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。
Claims (7)
1.一种异形薄壁复杂结构工件的超精密磨削加工方法，所述方法基于超精密磨削用机床实现，所述机床包括工作台、C轴转台、位移平台、U轴定位平台、X轴运动平台、Y轴运动平台、Z轴运动平台、球头砂轮、砂轮主轴、工件主轴和CCD对刀系统；
工件主轴和CCD对刀系统相对设置在工作台上，工件主轴的轴线方向为X轴方向；异形薄壁复杂结构工件的内杆前端或外杆后端安装在工件主轴上；球头砂轮安装在砂轮主轴上；
C轴转台的下端与位移平台连接，U轴定位平台的上端安装在位移平台的运动部件上，U轴定位平台的下端与砂轮主轴中段固定连接，砂轮主轴呈倾斜状，以实现砂轮主轴夹持的球头砂轮对工件进行磨削加工；
X轴运动平台和Y轴运动平台通过“十字”堆叠形式安装在工作台上，用于控制工件主轴在X轴方向和Y轴方向运动；
Z轴运动平台，用于带动C轴转台上下运动，进而带动砂轮主轴上下运动；
球头砂轮半径小于4mm；
其特征在于，所述方法包括如下步骤：
步骤一：测量工件精密磨削后的尺寸参数和球头砂轮半径尺寸参数；
步骤二：通过工件主轴的弹簧夹头夹持工件内杆前端，并以互为基准的方式利用所述机床对工件外杆后端进行超精密磨削加工；
步骤三：通过U轴定位平台的移动将球头砂轮的球心调整到C轴转台的旋转轴线上；
步骤四：将工件从工件主轴上拆卸下来，利用工件主轴的弹簧夹头夹持加工后的工件外杆后端；
步骤五：利用CCD对刀系统对工件进行对刀；
步骤六：根据步骤一测量的尺寸参数规划球头砂轮的运动轨迹和相应的C轴转台旋转角度；
步骤七：根据规划出的球头砂轮的运动轨迹和砂轮杆的空间角度，对工件进行超精密磨削加工，且在加工工件外球壳前改变工件主轴的旋转方向，获得尽可能大的相对磨削线速度。
2.根据权利要求1所述的一种异形薄壁复杂结构工件的超精密磨削加工方法，其特征在于，所述步骤二包括如下步骤：
步骤二一：通过弹簧夹头将工件的内杆前端装夹于工件主轴上；
步骤二二：通过千分表测量工件外球壳尺寸最大处的径向跳动，判断所述径向跳动是否小于5μm，若是，执行步骤二三，若否，重新调整装夹位置，执行步骤二一；
步骤二三：以互为基准的方式利用所述机床对工件外杆后端进行超精密磨削加工，作为后续装夹部位。
3.根据权利要求1所述的一种异形薄壁复杂结构工件的超精密磨削加工方法，其特征在于，所述步骤三包括如下步骤：通过U轴定位平台的移动将球头砂轮的球心调整到C轴转台的旋转轴线上；
步骤三一：将CCD对刀系统的相机轴线方向沿X轴方向，通过旋转C轴转台使U轴定位平台的运动方向调整到X轴方向，利用CCD对刀系统获得此时球头砂轮的图像，获取图像中的球心坐标，并在图像中标注过球心的C轴转台的旋转轴线；
步骤三二：旋转C轴转台使U轴定位平台的运动方向调整到与X轴方向垂直，利用CCD对刀系统获得此时球头砂轮的图像，获取图像中的球心坐标，并在图像中标注C轴转台的旋转轴线，获得球心与C轴转台的旋转轴线的位置偏差δ；
步骤三三：根据步骤三二的位置偏差δ，调整U轴定位平台，即完成球头砂轮的球心调整到C轴转台的旋转轴线上。
4.根据权利要求1所述的一种异形薄壁复杂结构工件的超精密磨削加工方法，其特征在于，所述步骤四包括如下步骤：
步骤四一：将工件的内杆前端从工件主轴上拆卸下来；
步骤四二：利用工件主轴的弹簧夹头装夹加工后的工件外杆后端；
步骤四三：采用千分表测量工件球壳外表面上距装夹位置最远处的点的径向跳动，判断该径向跳动是否小于2.5μm，若是，完成装夹，若否，重新调整装夹位置，执行步骤四二。
5.根据权利要求1所述的一种异形薄壁复杂结构工件的超精密磨削加工方法，其特征在于，所述步骤五包括如下步骤：
步骤五一：将CCD对刀系统的相机轴线方向沿X轴方向，旋转C轴转台使U轴定位平台的运动方向与Y轴方向一致，得到球头砂轮和工件内杆前端面的图像，获得球头砂轮的球心坐标和工件内杆的前端面圆心坐标，计算球心与工件内杆前端面圆心在Y轴方向的坐标差值δy；
步骤五二：根据步骤五一的差值δy，控制Y轴运动平台移动，使球头砂轮的球心在工件内杆前端面圆心的延伸线上，完成Y轴方向的对刀工作；
步骤五三：将CCD对刀系统的相机轴线方向沿Y轴方向，旋转C轴转台使U轴定位平台的运动方向与X轴方向一致，得到球头砂轮和工件内杆前端面的图像，获得球头砂轮的球心坐标和工件内杆的前端面圆心的坐标，计算球头砂轮球心与工件内杆前端面圆心在X轴方向的坐标差值δx；
步骤五四：根据步骤五三的差值δx，控制X轴运动平台移动，调整X轴运动平台使球头砂轮球心与工件内杆前端面圆心在X轴方向上重合，完成X轴方向的对刀工作；
步骤五五：CCD对刀系统的位置及相机轴线方向保持不变，得到球头砂轮和工件内杆前端面的图像，获得球头砂轮的球心坐标和工件内杆的前端面圆心的坐标，计算球头砂轮球心与工件内杆前端面圆心在Z轴方向的坐标差值δz；
步骤五六：根据步骤五五的差值δz，控制Z轴运动平台移动，使球头砂轮的球心与工件内杆的前端面圆心在Z轴方向重合，完成Z轴方向的对刀工作。
6.根据权利要求1所述的一种异形薄壁复杂结构工件的超精密磨削加工方法，其特征在于，所述步骤六包括如下步骤：
步骤六一：根据步骤一中测量的尺寸参数，绘制工件的三维模型；
步骤六二：建立工件加工坐标系，坐标系的X、Y、Z轴的方向与机床的坐标系保持一致，其工件加工坐标系的坐标原点为O；
该坐标原点O在机床的坐标系中，Oz＝0，Ox为工件内球面球心沿X轴正向偏移Rg+Rs，Oy与工件内球面球心的Y轴坐标一致；Rg为测量的工件内杆和外杆的半径，Rs为测量的的球头砂轮的半径；
步骤六三：将工件分段，设定在加工工件各段时C轴转台的旋转角度，避免工件与球头砂轮间干涉的产生；
步骤六四：将建立的模型中的工件内杆、内球面、外球面和外杆的轮廓线在工件加工坐标系中分别向实体外部方向偏移Rs+a，其中，a为加工前对刀误差的预留值，偏移后形成连续的加工曲线，该加工曲线为球头砂轮在加工过程中的运动轨迹；
步骤六五：根据步骤六四中的加工曲线的起始点，在工件中找到对应点，旋转C轴转台及控制X轴运动平台和Y轴运动平台运动，将该对应点作为机床加工的起始点；
根据步骤六三中设定的C轴转台的旋转角度和步骤六四中的加工曲线利用球头砂轮对工件进行加工。
7.根据权利要求6所述的一种异形薄壁复杂结构工件的超精密磨削加工方法，其特征在于，所述步骤六三中，将工件分段：A段是内杆部分；
B段为内球面和内杆的过渡圆角；
C段为过渡圆角边界为起始点的内球面过渡段6mm；
D段为内球面除去C段部分；
E段为内外球面连接部分；
F段为外球面；
G段为外球面和外杆连接过渡圆角；
H段为外杆加工部分；
所述设定在加工工件各段时C轴转台沿Z轴的旋转角度为：
加工A段、B段和C段时，C轴转台旋转-8度；
加工D段和E段时，C轴转台旋转+8度；
加工F段、G段和H段时，C轴转台旋转-80度；
顺时针为正，逆时针为负。
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