CN108356622B - 一种安装于铣床主轴的可变径内孔磨削装置及加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明为一种安装于铣床主轴的可变径内孔磨削装置及加工方法，属于磨削加工技术领域，涉及一种针对碳化硅等硬脆难加工材料的内孔磨削装置及加工方法，由砂轮自转机构、公转机构、偏心量调节机构、主轴减速机构、夹紧机构组成，自转机构由多级齿轮机构组成，公转机构由齿轮机构和调节偏心量调节结构组成，偏心量调节机构由蜗轮蜗杆机构实现，通过改变偏心量可调整螺旋磨削加工的公转半径，减速机构由一级行星齿轮减速和二级摆线针轮减速组成。本发明可实现圆柱形和圆锥形内孔的高效磨削。

Description

一种安装于铣床主轴的可变径内孔磨削装置及加工方法

技术领域

本发明属于内孔螺旋磨削加工技术领域，涉及一种针对新型材料如碳化硅等难加工材料的内孔磨削装置及加工方法。

背景技术

碳化硅是上个世纪70年代发展起来的新型光学镜面材料，由于碳化硅材料具有比刚度高、导热快、热性能和机械性能各向同性等优点，在空间、天文光学其他光学领域都有重要的应用前景。目前我国已经具备碳化硅反射镜镜坯的生产能力，但将镜坯加工至符合技术要求的碳化硅反射镜的生产周期过长，难以满足我国航空航天领域的要求，因此提高碳化硅等难加工材料反射镜的加工效率具备重要的意义。

目前大型反射镜的各种安装孔的加工多在龙门铣床上进行。大尺寸反射镜上分布的安装孔数量多，而一般大型龙门铣床主轴自身进给速度低，依靠机床插补运动对安装孔进行铣磨加工将占用大量机床时间；不同反射镜的安装孔尺寸差别较大，频繁更换磨头成本高、加工辅助时间长。以上原因使得整个反射镜的加工周期被严重拖后。目前国内的内孔螺旋磨削研究基本处于起步阶段，成果较少。

发明内容

为了解决现有技术中存在的技术问题，本发明公开了一种安装于铣床主轴的可变径内孔磨削装置及加工方法；螺旋磨孔过程由砂轮的“自转”和砂轮绕孔中心的“公转”2个运动复合而成，这种运动方式决定了螺旋磨孔的优势，无需换砂轮即可加工不同直径的内孔；无需换机床就可由铣削变成磨削；同时铣床主轴的转速高，比机床插补运动实现的圆周运动快得多，能够大幅缩短天文望远镜的制造周期；除此之外，该装置能够随主轴的轴向进给同步的改变砂轮偏心量，实现对于圆锥孔和异形孔的加工。

本发明采用的技术方案如下：

一种安装于铣床主轴的可变径内孔磨削装置,包括中心线相互平行的轴I、轴II和砂轮轴，轴I的动力来自铣床主轴,轴Ⅱ通过传动装置I与轴Ⅰ尾端相连,砂轮轴通过传动装置II与轴Ⅱ尾部相连，砂轮轴底部外接砂轮，最终实现砂轮的自转机构；

所述的砂轮轴固定在一个壳体II上，所述的轴I通过一套传动装置驱动所述的壳体II旋转，实现砂轮轴绕轴I的公转,进而实现砂轮的公转；

所述的轴I与砂轮轴偏心设置，同时所述砂轮轴偏心的设置在一个套筒上，所述的套筒偏心设置在所述的壳体II上；且所述的套筒通过驱动装置驱动其旋转；实现砂轮轴公转半径的调整。

进一步的，所述的轴Ⅱ通过齿轮啮合和行星架I与轴Ⅰ尾端相连，所述砂轮轴通过齿轮啮合和行星架II与轴Ⅱ相连，所述的砂轮轴底部外接砂轮，轴Ⅰ尾端通过轴肩与外壳Ⅱ接触；整个自转机构位于外壳Ⅱ内。

进一步的，用外壳Ⅱ端盖通过螺钉连接将外壳Ⅱ封闭。

进一步的，所述的驱动装置包括蜗轮和蜗杆，套筒的底部安装所述的蜗轮，所述的蜗轮随套筒安装在砂轮轴上，蜗杆固定在前端盖和后端盖之间，通过蜗杆轴连接的外部电机提供动力，套筒的转动由蜗轮蜗杆实现。

进一步的，所述的套筒圆锥面上安装有指针，与外壳断面上的刻度盘配合，可以直观的读取套筒的角度进而得到偏心量的大小。

所述蜗杆的转动靠外部电机连接的蜗杆轴提供动力，外部电机通过导电滑环导电和接收数据。

进一步的，所述的外部电机通过导电滑环导电和接收数据，所述导电滑环包括定子部分、转子部分、止转片和螺栓；所述的转子部分通过螺栓固定在所述的壳体II上，所述的定子部分固定在所述的壳体I上，所述转子部分随着所述壳体II旋转。

进一步的，轴Ⅱ是轴Ⅰ尾端和砂轮轴的过渡轴，调节偏心量时，轴Ⅱ的位置随之改变，即通过改变轴II、轴I和砂轮轴的轴线相互位置关系，可实现公转的半径的调整。

进一步的，轴Ⅱ是轴Ⅰ尾端和砂轮轴的过渡轴，轴II与轴I、砂轮轴相互平行，都是通过齿轮啮合实现传动，轴Ⅱ是连接传动装置Ⅰ和传动装置Ⅱ的连接轴，调节偏心量可改变轴Ⅱ的位置，即改变三轴轴线的相互位置关系，当三轴轴线不共面时，处于偏心量可调节区域，当三轴轴线共面，偏心量达到最大。

进一步的，所述主轴的减速机构由一级行星齿轮和二级摆线针轮减速组成；所述一级行星齿轮减速由太阳轮、行星架、行星轮、齿圈所组成；所述的太阳轮7安装在所述的主轴I上，与行星轮外啮合，且行星轮与齿圈内啮合，齿圈5固定在外壳I上；所述的行星轮连接行星架，行星架套装在主轴I上；

所述二级摆线针轮减速器由摆线轮Ⅰ、曲柄轴、圆柱滚子轴承、针齿销和针齿套、摆线轮Ⅱ、输出轴组成；所述摆线轮Ⅰ通过圆柱滚子轴承连接在行星架上，并通过行星架传递动力，摆线轮Ⅰ与固定的针齿销针齿套相啮合，在其轴线绕针销轴线公转同时，还将反方向自转，摆线轮Ⅱ连接在曲柄轴上，并与固定的针齿销针齿套相啮合，输出轴由装在其上的曲柄轴支撑，输出轴与外壳Ⅱ通过联轴器连接，并输出经过减速机构减速后的动力，把摆线针轮上的自转以一定速比传递出来，实现外壳II的转动。

进一步的，本发明还包括夹紧装置，所述的夹紧装置由小锥齿轮、大锥齿轮、卡爪组成；其中大锥齿轮的背面有平面螺纹；连接卡爪，且大锥齿轮与小锥齿轮啮合。

所述的一种安装于铣床主轴的可变径内孔磨削加工方法，使用该装置进行内孔磨削的具体加工步骤如下：

步骤一：通过调节夹紧机构将本装置夹紧固定在铣床主轴端部；

步骤二：将金刚石砂轮夹紧到本装置砂轮轴的端部；

步骤三：当被加工内孔为圆柱面时，根据待加工的内孔尺寸调整公转机构的公转半径和偏心量，通过旋转蜗杆调整砂轮轴和套筒的偏心量，套筒圆柱面上安装有指针，与外壳断面上的刻度盘配合，可以直观的读取套筒的角度进而得到偏心量的大小；

步骤四：若同一工件上需要该装置所磨削的内孔尺寸不变，则加工完一个孔后，继续加工即可，直至加工完；当需该装置所磨削的内孔尺寸改变时重复步骤三，调节偏心量和公转机构的公转半径，直至加工完毕；

步骤五：若加工的内孔为锥形孔，则在机床主轴向下进给的同时，使用带有编码器的外部电机驱动的蜗杆轴旋转，机床主轴下降速度与蜗杆轴带动蜗杆旋转改变公转半径的速度的比值即为锥孔的锥度。

本发明的有益效果如下：

本发明中的可变径的内孔磨削装置及加工方法，本装置中砂轮轴绕轴Ⅰ作自转和公转运动，根据所加工内孔的尺寸，转动蜗杆驱动蜗轮转动，公转机构中的过渡齿轮轴Ⅱ的位置随之改变，转动蜗杆驱动蜗轮转动，公转机构中的过渡齿轮轴Ⅱ是连接传动装置Ⅰ和传动装置Ⅱ的连接轴，轴Ⅱ与轴Ⅰ、砂轮轴是平行关系，调节偏心量可改变三轴位置关系，从而改变轴Ⅰ和砂轮轴的距离，即通过改变偏心量调节机构的偏心量来改变公转半径，进而改变可加工的内孔半径。

本发明要解决的技术难题是弥补现有的技术的缺陷，利用一种可变径内孔磨削装置及加工方法使得加工效率提高，螺旋磨孔过程由砂轮的“自转”和砂轮绕孔中心的“公转”2个运动复合而成，这种运动方式决定了螺旋磨孔的优势，无需换砂轮即可加工不同直径的内孔，无需换机床就可由铣削变成磨削。

本发明在调整偏心量时，蜗轮随套筒安装在砂轮轴上，蜗杆固定在前端盖和后端盖之间，通过蜗杆轴连接外部电机提供动力，套筒的转动由蜗轮蜗杆实现，套筒圆锥面上安装有指针，与外壳断面上的刻度盘配合，可以直观的读取套筒的角度进而得到偏心量的大小。

附图说明

图1为本发明的一种安装于铣床主轴的可变径内孔磨削装置及加工方法的结构示意图；

图2为本发明的套筒外壳中心线O2、砂轮轴轴线中心O1和轴I的轴线中心O的配合关系示意图；

图3为本发明的偏心量调节结构剖面示意图；

其中，1、卡爪，2、大锥齿轮，3、小锥齿轮，4、外壳Ⅰ5、齿圈，6、行星轮，7、太阳轮，8、行星架，9、摆线轮Ⅰ，10、曲柄轴，11、滚动轴承，12、联轴器与联轴器紧固螺栓，13、外壳Ⅱ,14齿轮，15、套筒，16、蜗轮，17、滚动轴承，18、螺钉，19、蜗杆，20、砂轮轴，21、螺母与垫圈，22、行星架，23、轴承，24、轴Ⅱ,25、过渡齿轮，26、螺母与垫圈，27、轴Ⅰ尾端,28、行星架，29、轴承，30、螺钉，31、螺栓，32、转子部分，33、定子部分，34、止转片，35、输出轴，36、摆线轮Ⅱ，37、针齿销针齿套，38、圆柱滚子轴承，39、轴Ⅰ，40、前端盖，41、后端盖，42、套筒圆锥面，43、外壳断面，44、蜗杆轴，45、外壳Ⅱ端盖。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，目前大型反射镜的各种安装孔的加工多在龙门铣床上进行。大尺寸反射镜上分布的安装孔数量多，而一般大型龙门铣床主轴自身进给速度低，依靠机床插补运动对安装孔进行铣磨加工将占用大量机床时间；不同反射镜的安装孔尺寸差别较大，频繁更换磨头成本高、加工辅助时间长。以上原因使得整个反射镜的加工周期被严重拖后。目前国内的内孔螺旋磨削研究基本处于起步阶段，成果较少，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种安装于铣床主轴的可变径内孔磨削装置及加工方法。

本申请的一种典型的实施方式中，如图1所示，本发明是一种安装于铣床主轴的可变径内孔磨削装置及加工方法，由砂轮自转机构、公转机构、偏心量调节机构、主轴减速机构、夹紧机构组成，其特征在于，在图1所述的自转机构中，轴Ⅰ39的动力来自铣床主轴，轴Ⅱ24通过齿轮啮合和行星架28与轴Ⅰ尾端27相连，砂轮轴20通过齿轮啮合和行星架22与轴Ⅱ24相连，砂轮轴20底部外接砂轮，轴Ⅰ尾端27通过轴肩与外壳Ⅱ13接触，整个自转机构位于外壳Ⅱ13内，用外壳Ⅱ端盖45通过螺钉连接30将外壳Ⅱ13封闭；

偏心量调节机构中，如图2和图3所示，套筒15固定在砂轮主轴上，机床主轴轴线的中心O2与砂轮轴轴线的中心O1偏置设置，套筒15外壳中心与套筒15内孔轴线中心O偏置，套筒15的底部安装有蜗轮16，蜗轮16随套筒15安装在砂轮轴20上，蜗杆19固定在前端盖40和后端盖41之间，通过蜗杆轴44连接外部电机提供动力，套筒15的转动由蜗轮蜗杆实现，套筒圆锥面42上安装有指针，与外壳断面43上的刻度盘配合，可以直观的读取套筒的角度进而得到偏心量的大小。

蜗杆19的转动靠外部电机连接的蜗杆轴44提供动力，外部电机通过导电滑环导电和接收数据，导电滑环包括定子部分33、转子部分32、止转片34和螺栓31；

公转机构由自转机构的部件和偏心量调节机构共同组成，轴Ⅱ24是轴Ⅰ尾端27和砂轮轴20的过渡轴，调节偏心量时，轴Ⅱ24的位置随之改变，可实现公转的半径的调整。具体的，轴II与轴I、砂轮轴都是通过齿轮啮合实现，轴Ⅱ是连接传动装置Ⅰ和传动装置Ⅱ的连接轴，轴Ⅱ与轴Ⅰ、砂轮轴是平行关系，调节偏心量，可改变轴Ⅱ位置变化，可改变三轴轴线的位置关系，当三轴轴线共面，偏心量达到最大；当三轴轴线不共面，且砂轮轴和轴Ⅰ所连接的齿轮临界齿轮接触的位置时，偏心量最小；三轴其余位置为偏心量可调节区域。

主轴的减速机构由一级行星齿轮和二级摆线针轮减速组成；所述一级行星齿轮减速由太阳轮7、行星架8、行星轮6、齿圈5所组成；所述的太阳轮7安装在所述的主轴I上，与行星轮6外啮合，且行星轮6与齿圈5内啮合，齿圈5固定在外壳I上；所述的行星轮6连接行星架，行星架套装在主轴I上；

二级摆线针轮减速器由摆线轮Ⅰ9、曲柄轴10、圆柱滚子轴承38、针齿销和针齿套37、摆线轮Ⅱ36、输出轴35组成；

摆线轮Ⅰ9通过圆柱滚子轴承38连接在行星架8上，并通过行星架8传递动力，摆线轮Ⅰ与固定的针齿销针齿套37相啮合，在其轴线绕针销轴线公转同时，还将反方向自转，摆线轮Ⅱ36连接在曲柄轴10上，并与固定的针齿销针齿套37相啮合，输出轴35由装在其上的曲柄轴10支撑，输出轴与外壳Ⅱ13通过联轴器12连接，并输出经过减速机构减速后的动力，把摆线针轮上的自转以一定速比传递出来。

夹紧装置由小锥齿轮3、大锥齿轮2、卡爪1组成，其中大锥齿轮2的背面有平面螺纹。其中大锥齿轮的背面有平面螺纹；连接卡爪，且大锥齿轮与小锥齿轮啮合。

所述的一种安装于铣床主轴的可变径内孔磨削装置，其特征在于，该装置的具体加工步骤如下：

步骤一：通过调节夹紧机构将本装置夹紧固定在铣床主轴端部；

步骤二：将金刚石砂轮夹紧到本装置砂轮轴20的端部；

步骤三：当被加工内孔为圆柱面时，根据待加工的内孔尺寸调整公转机构的公转半径和偏心量，通过旋转蜗杆调整砂轮轴20和套筒15的偏心量，套筒15圆柱面42上安装有指针，与外壳断面43上的刻度盘配合，可以直观的读取套筒15的角度进而得到偏心量的大小；

步骤四：若同一工件上需要该装置所磨削的内孔尺寸不变，则加工完一个孔后，继续加工即可，直至加工完；当需该装置所磨削的内孔尺寸改变时重复步骤三，调节偏心量和公转机构的公转半径，直至加工完毕；

步骤五：若加工的内孔为锥形孔，则在机床主轴向下进给的同时，使用带有编码器的外部电机驱动的蜗杆轴44旋转，机床主轴下降速度与蜗杆轴带动蜗杆19旋转改变公转半径的速度的比值即为锥孔的锥度。

所述的一种可变径的内孔磨削装置及加工方法，其特征在于，本装置中砂轮轴20绕轴Ⅰ39作自转和公转运动，根据所加工内孔的尺寸，转动蜗杆19驱动蜗轮16转动，公转机构中的过渡齿轮轴Ⅱ24的位置随之改变，即通过改变偏心量调节机构的偏心量来改变公转半径，进而改变可加工的内孔半径。公转机构中的过渡齿轮轴Ⅱ24是连接传动装置Ⅰ和传动装置Ⅱ的连接轴，轴Ⅱ与轴Ⅰ27、砂轮轴20是平行关系，调节偏心量，可改变三轴之间是否共面关系，从而改变轴Ⅰ和砂轮轴的距离，即通过改变偏心量调节机构的偏心量来改变公转半径，进而改变可加工的内孔半径。

当然，以上说明仅仅为本发明的较佳实施例，本发明并不限于列举上述实施例，应当说明的是，任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的指导下，所做出的所有等同替代、明显变形形式，均落在本说明书的实质范围内，理应受到本发明的保护。

Claims (9)

1.一种安装于铣床主轴的可变径内孔磨削装置,其特征在于，包括中心线相互平行的轴I、轴II和砂轮轴，轴I的动力来自铣床主轴,轴Ⅱ通过传动装置I与轴Ⅰ尾端相连,砂轮轴通过传动装置II与轴Ⅱ尾部相连，砂轮轴底部外接砂轮，最终实现砂轮的自转机构；

所述的砂轮轴固定在一个壳体II上，所述的轴I通过一套传动装置驱动所述的壳体II旋转，实现砂轮轴绕轴I的公转,进而实现砂轮的公转；

所述的轴I与砂轮轴偏心设置，同时所述砂轮轴偏心的设置在一个套筒上，所述的套筒偏心设置在所述的壳体II上；且所述的套筒通过驱动装置驱动其旋转；实现砂轮轴公转半径的调整；

所述的轴Ⅱ通过齿轮啮合和行星架I与轴Ⅰ尾端相连，所述砂轮轴通过齿轮啮合和行星架II与轴Ⅱ相连，所述的砂轮轴底部外接砂轮，轴Ⅰ尾端通过轴肩与壳体Ⅱ接触；整个自转机构位于壳体Ⅱ内。

2.如权利要求1所述的一种安装于铣床主轴的可变径内孔磨削装置,其特征在于，所述的驱动装置包括蜗轮和蜗杆，套筒的底部安装所述的蜗轮，所述的蜗轮随套筒安装在砂轮轴上，蜗杆固定在前端盖和后端盖之间，通过蜗杆轴连接的外部电机提供动力，套筒的转动由蜗轮蜗杆实现。

3.如权利要求2所述的一种安装于铣床主轴的可变径内孔磨削装置,其特征在于，所述的套筒的圆柱面上安装有指针，与壳体断面上的刻度盘配合，可以直观的读取套筒的角度进而得到偏心量的大小。

4.如权利要求3所述的一种安装于铣床主轴的可变径内孔磨削装置,其特征在于，所述蜗杆的转动靠外部电机连接的蜗杆轴提供动力，外部电机通过导电滑环导电和接收数据。

5.如权利要求4所述的一种安装于铣床主轴的可变径内孔磨削装置,其特征在于，所述的外部电机通过导电滑环导电和接收数据，所述导电滑环包括定子部分、转子部分、止转片和螺栓；所述的转子部分通过螺栓固定在所述的壳体II上，所述的定子部分固定在壳体I上，所述转子部分随着所述壳体II旋转。

6.如权利要求4所述的一种安装于铣床主轴的可变径内孔磨削装置,其特征在于，当轴II、轴I和砂轮轴的轴线不共面时，处于偏心量可调节区域，当三轴轴线共面，偏心量达到最大。

7.如权利要求1所述的一种安装于铣床主轴的可变径内孔磨削装置,其特征在于，所述主轴的减速机构由一级行星齿轮和二级摆线针轮减速组成；所述一级行星齿轮减速由太阳轮、行星架、行星轮、齿圈所组成；所述的太阳轮安装在所述的主轴I上，与行星轮啮合，且行星轮与齿圈啮合，齿圈固定在壳体I上；所述的行星轮连接行星架，行星架套装在主轴I上；

所述二级摆线针轮减速器由摆线轮Ⅰ、曲柄轴、圆柱滚子轴承、针齿销和针齿套、摆线轮Ⅱ、输出轴组成；所述摆线轮Ⅰ通过圆柱滚子轴承连接在行星架上，并通过行星架传递动力，摆线轮Ⅰ与固定的针齿销针齿套相啮合，在其轴线绕针销轴线公转同时，还将反方向自转，摆线轮Ⅱ连接在曲柄轴上，并与固定的针齿销针齿套相啮合，输出轴由装在其上的曲柄轴支撑，输出轴与壳体Ⅱ通过联轴器连接，并输出经过减速机构减速后的动力，把摆线针轮上的自转以一定速比传递出来，驱动壳体II旋转。

8.如权利要求1所述的一种安装于铣床主轴的可变径内孔磨削装置,其特征在于，还包括夹紧装置，所述的夹紧装置由小锥齿轮、大锥齿轮、卡爪组成；其中大锥齿轮的背面有平面螺纹；连接卡装，且大锥齿轮与小锥齿轮啮合。

9.一种使用权利要求1-8任一所述的装置进行内孔磨削的加工方法，其特征在于，加工步骤如下：

步骤一：通过调节夹紧机构将本装置夹紧固定在铣床主轴端部；

步骤二：将金刚石砂轮夹紧到本装置砂轮轴的端部；

步骤三：当被加工内孔为圆柱面时，根据待加工的内孔尺寸调整公转机构的公转半径和偏心量，通过旋转蜗杆调整砂轮轴和套筒的偏心量，套筒圆柱面上安装有指针，与壳体断面上的刻度盘配合，可以直观的读取套筒的角度进而得到偏心量的大小；

步骤四：若同一工件上需要该装置所磨削的内孔尺寸不变，则加工完一个孔后，继续加工即可，直至加工完；当需该装置所磨削的内孔尺寸改变时重复步骤三，调节偏心量和公转机构的公转半径，直至加工完毕；

步骤五：若加工的内孔为锥形孔，则在机床主轴向下进给的同时，使用带有编码器的外部电机驱动的蜗杆轴旋转，机床主轴下降速度与蜗杆轴带动蜗杆旋转改变公转半径的速度的比值即为锥孔的锥度。

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