CN110666600A - 变轨外花键加工装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机械加工领域，尤其涉及一种变轨外花键加工装置及方法。装置包括，工作台、伸长装置、驱动机构、卡盘、转向装置、砂轮以及超声振动装置；其中，伸长装置与工作台相邻且其上表面与工作台的上表面等高，形成一个水平加工面；伸长装置与工作台的上表面各自安装有一个卡盘，卡盘连接驱动机构；超声振动装置的一端连接转向装置，另一端安装有砂轮。本发明实施例提供的变轨外花键加工装置及方法，实现了对车轴上大尺寸变轨外花键的加工，满足了大尺寸变轨外花键的加工需求；实现了超声振动磨削，提高了磨削效率。

Description

变轨外花键加工装置及方法

技术领域

本发明涉及机械加工领域，尤其涉及一种变轨外花键加工装置及方法。

背景技术

目前，由于轨道承受载荷及不同国家的铁路间标准不一致，导致铁路轨道的间距不一致，现有的列车难以同时满足不同铁路轨道间距的要求，即同一列车难以在不同间距的铁轨上运输。

解决这个问题的一个重要方法就是采用变轨技术来改变列车轮间的间距。但若具有变轨能力的列车的车轴较长(如超过2.6米)，则车轴上的变轨外花键的尺寸相对较大，且要求能在重载下运动。这就对变轨外花键的加工精度提出了较高的要求，现有加工装置与加工方法难以满足对变轨外花键加工精度与加工效率的要求。

发明内容

本发明实施例提供一种变轨外花键加工装置及方法，用以解决现有技术中对大尺寸车轴上的变轨外花键加工困难，无法满足加工精度与加工效率的缺陷。

本发明实施例提供一种变轨外花键加工装置，包括：工作台1、机床主轴4、伸长装置11、驱动机构12、卡盘13、机床夹具14、转向装置6、砂轮3以及超声振动装置；其中，

所述伸长装置11与所述工作台1相邻且其上表面与工作台1的上表面等高，形成一个水平加工面；所述伸长装置11与所述工作台1的上表面各自安装有一个卡盘13，所述卡盘13连接驱动机构12；

所述转向装置6的一端连接机床主轴4，另一端连接所述超声振动装置的一端，所述超声振动装置的另一端安装有所述砂轮3。

上述技术方案中，还包括传感器，所述传感器至少有一对，至少一个所述传感器布置在所述工作台1上，至少一个所述传感器布置在机床的刀具中心。

上述技术方案中，所述转向装置6包括第一转向部件、第二转向部件；其中，所述第一转向部件垂直设置且与所述机床主轴4连接，所述第二转向部件水平设置且与所述第一转向部件传动啮合；

所述第一转向部件、第二转向部件62为锥齿轮或者螺旋面齿轮。

上述技术方案中，所述超声振动装置包括振动变幅杆7和压电致动器，所述压电致动器安装在振动变幅杆7上。

上述技术方案中，所述卡盘13的外侧具有标准键槽。

本发明还提供了基于所述的变轨外花键加工装置所实现的变轨外花键加工方法，包括：

车轴与部件安装步骤，将待加工的车轴2安放在所述伸长装置11的上表面与所述工作台1的上表面所形成的水平加工面上，所述车轴2与所述卡盘13传动连接，机床夹具14夹持所述车轴2的两端；

机床误差影响量测量步骤，通过传感器测试得出在安装车轴2、机床夹具14和超声振动装置前后的位置差别，以此得出机床误差影响量；

磨削加工参数设置步骤，先确定砂轮与工件不会发生干涉的最大直径r_s，然后通过超声振动辅助加工试验分别获得粗磨削加工砂轮和精磨削加工砂轮加工后的变轨花键的磨削面的表面粗糙度、表面硬度和残余应力与加工参数之间的关系，根据对磨削面的表面粗糙度、表面硬度和残余应力的约束以及材料去除效率最高的条件下获得粗磨削加工的加工参数和精磨削加工的加工参数；

误差补偿步骤，将磨削加工参数设置步骤获得的粗磨削加工的加工参数加上机床误差影响量测量步骤获得的机床误差影响量，得到误差补偿后的粗磨削加工的加工参数；将磨削加工参数设置步骤获得的精磨削加工的加工参数加上机床误差影响量测量步骤获得的机床误差影响量，得到误差补偿后的精磨削加工的加工参数；

加工步骤，根据误差补偿后的粗磨削加工的加工参数，使用粗磨削加工砂轮进行粗磨削，然后根据误差补偿后的精磨削加工的加工参数，使用精磨削加工砂轮进行精加工。

上述技术方案中，所述机床误差影响量测量步骤具体包括：

测得车轴2安装前刀具与工件的相对x、y、z位置l_x1、l_y1、l_z1，机床主轴在x-z平面内偏转运动的角度θ_xz1，用于连接工件的卡盘的转动角度θ_xzd1，以及安装车轴2后刀具与工件的相对x、y、z位置为l_x2、l_y2、l_z2，机床主轴在x-z平面内偏转运动的角度θ_xz2，用于连接工件的卡盘的转动角度θ_xzd2；测得机床误差影响量为：

ξ_x＝l_x1-l_x2；

ξ_y＝l_y1-l_y2；

ξ_z＝l_z1-l_z2；

ζ_xz＝θ_xz1-θ_xz2；

ζ_xzd＝θ_xzd1-θ_xzd2；

其中，ξ_x为x方向位移误差；ξ_y为y方向位移误差；ξ_z为z方向位移误差；ζ_xz为机床主轴在x-z平面内偏转运动的角度误差；ζ_xzd为卡盘的转动角度误差。

上述技术方案中，所述磨削加工参数设置步骤中，所述确定砂轮与工件不会发生干涉的最大直径r_s包括：

选定一个较小的砂轮直径，确保砂轮与工件最容易发生干涉的位置不发生干涉，然后逐渐增加尺寸，直至发生干涉前的最后一个直径，即为r_s。

上述技术方案中，所述磨削加工参数设置步骤中，所述粗磨削加工砂轮和精磨削加工砂轮加工后的变轨花键的磨削面的表面粗糙度、表面硬度和残余应力与加工参数之间的关系包括：

R₁、R₂分别为粗磨削加工砂轮和精磨削加工砂轮加工工件后的磨削面的表面粗糙度；H₁、H₂分别为粗磨削加工砂轮和精磨削加工砂轮加工工件后的磨削面的表面硬度；σ₁、σ₂分别为粗磨削加工砂轮和精磨削加工砂轮加工工件后的磨削面的表面残余应力；c₁、λ₁、a₁、β₁、γ₁，c₂、λ₂、a₂、β₂、γ₂，c₃、λ₃、a₃、β₃、γ₃，c₄、λ₄、a₄、β₄、γ₄，c₅、λ₅、a₅、β₅、γ₅，c₆、λ₆、a₆、β₆、γ₆，分别为粗磨削加工和精磨削加工后工件的表面粗糙度、表面硬度和表面残余应力与加工参数之间的影响指数；a为砂轮的粒度尺寸，a_p为砂轮的切削深度，v_s为砂轮的线速度，f_z为砂轮的进给速度；其中，v_s＝ωr_s，ω为砂轮的角速度，r_s为砂轮半径。

上述技术方案中，所述磨削加工参数设置步骤中，粗磨削加工砂轮对应的磨削面的表面粗糙度、表面硬度和残余应力的约束条件为：

R_1min≤R₁(r_a1，a_p1，v_s1，f_z1)≤R_1ma；

H_1min≤H₁(r_a1，a_p1，v_s1，f_z1)≤H_1max；

σ₁(r_a1，a_p1，v_s1，f_z1)＝σ_1s；

r_a1＝r_s；

v_s1＝w₁r_s；

V_max1＝Max(V＝a_p1v_sf_z)；

其中，a_p1为粗磨削加工砂轮磨削加工的深度；H_1mi-H_1ma和R_1mi-R_1max是精磨削加工磨损较少的工件表面参数范围；V_max1为在满足其余约束条件下的粗磨削加工的最大材料去除效率，并依此确定粗磨削加工的加工参数为w₁、r_a1、a_p1、v_s1、f_z1；

精磨削加工砂轮对应的磨削面的表面粗糙度、表面硬度和残余应力的约束为：

H₂(r_a2，a_p2，v_s2，f_z2)＝H_2s；

R₂(r_a2，a_p2，v_s2，f_z2)＝R_2s；

σ₂(r_a2，a_p2，v_s2，f_z2)＝σ_2s；

r_a2＝r_S；

v_s2＝w₂r_S；

V_max2＝Max(V＝a_p2v_s2f_z2)；

其中，a_p2为精磨削加工砂轮磨削加工的深度，σ_2s为目标工件设定的残余应力，H_2s为目标工件设定的工件表面硬度，R_2s为目标工件设定的表面粗糙度；V_max2为在满足其余约束条件下的精磨削加工的最大材料去除效率，并依此确定精磨削加工的加工参数为w₂、r_a2、a_p2、v_s2、f_z2。

上述技术方案中，所述误差补偿步骤中，所述误差补偿后的粗磨削加工的加工参数包括：

其中，分别为误差补偿后的粗磨削加工砂轮的切削深度、进给速度；

和

分别为设定输入的卡盘的转动角度以及机床主轴在x-z平面内偏转运动的角度，θ_d、θ_t为在未增加了夹具、超声振动装置及车轴下的机床依据加工工件需要设定的卡盘的转动角度和机床主轴在x-z平面内偏转运动的角度；

所述误差补偿后的精磨削加工的加工参数包括：

其中，

分别为误差补偿后的精磨削加工砂轮的切削深度、进给速度。

本发明实施例提供的变轨外花键加工装置及方法，通过设置一个与工作台相邻的伸长装置，实现了对车轴上大尺寸变轨外花键的加工，满足了大尺寸变轨外花键的加工需求；通过超声振动装置的使用，实现了超声振动磨削，提高了磨削效率。通过对误差的分析测量和补偿，实现了高精度的磨削；根据加工需求，将加工分成粗加工和精加工，并根据粗加工和精加工的要求实现对加工参数的合理设置，在保证精度和工件性能的情况下，尽量提高材料去除效率，提高加工的效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的变轨外花键加工装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的变轨外花键加工方法的流程图。

附图标记

1-工作台 2-车轴

3-砂轮 4-机床主轴

5-机床床身 6-转向装置

61-第一锥齿轮 62-第二锥齿轮

7-振动变幅杆 11-伸长装置

12-驱动机构 13-卡盘

14-机床夹具 21-变轨外花键

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

图1为本发明实施例提供的变轨外花键加工装置的结构示意图，如图1所示，包括：工作台1、机床主轴4、伸长装置11、驱动机构12、卡盘13、机床夹具14、转向装置6、砂轮3以及超声振动装置；其中，所述伸长装置11与所述工作台1相邻且其上表面与工作台1的上表面等高，形成一个水平加工面；所述伸长装置11与所述工作台1的上表面各自安装有一个卡盘13，所述卡盘13连接驱动机构12；所述转向装置6的一端连接机床主轴4，另一端连接所述超声振动装置的一端，所述超声振动装置的另一端安装有所述砂轮3。

转向装置6是一对锥齿轮或者螺旋面齿轮，例如，可进一步包括第一锥齿轮61、第二锥齿轮62；其中，第一锥齿轮61垂直设置且与所述机床主轴4连接，第二锥齿轮62水平设置且与第一锥齿轮61传动啮合。

超声振动装置包括振动变幅杆7和压电致动器，压电致动器安装在振动变幅杆7上。

卡盘13的外侧具有标准键槽。

本发明实施例提供的变轨外花键加工装置通过设置一个与工作台相邻的伸长装置，实现了对车轴上大尺寸变轨外花键的加工，满足了大尺寸变轨外花键的加工需求；通过超声振动装置的使用，实现了超声振动磨削，提高了磨削效率。

基于上述任一实施例，本发明实施例提供的变轨外花键加工装置还包括有传感器，所述传感器至少有一对，至少一个传感器布置在工作台1上，用于检测待加工工件的实际位置，至少一个传感器布置在机床的刀具中心，用于检测刀具的实际位置。通过这一对传感器之间的配合，可检测工件与刀具中心的相对位置。

本发明实施例提供的变轨外花键加工装置通过设置传感器能精确地检测工件与刀具中心的相对位置，从而测量机床误差，实现了机床误差的有效控制。

基于上述任一实施例，图2为本发明实施例提供的变轨外花键加工方法的流程图，本发明实施例所提供的变轨外花键加工方法是基于变轨外花键加工装置实现的，如图2所示，该方法包括：

S1、通过夹具14装夹车轴2两端，车轴2中间与卡盘13传动连接，卡盘13连接有驱动其绕车轴2轴线旋转的驱动机构12，砂轮3与机床主轴4传动连接，机床主轴4外端连接有超声振动装置，超声振动装置在压电致动器的作用下实现弯曲振动，实现了砂轮切削深度方向的振动。特定卡盘13外侧是具有标准键槽的结构，其与步进电机12连接，载荷均由机床夹具14承受。这是为了保证车轴2上变轨外花键21与标准花键分度尺寸的一致性。原工作台1长度不够，增加了伸长装置11(加长平台)，增加工作台1长度以满足加工车轴2的要求。超声振动装置包括振动变幅杆7和压电致动器，如图1所示，主轴4连接在床身5上，主轴4以z轴为轴心，在x-y平面内旋转，主轴外端连接转向装置6，转向装置6为一对锥齿轮或者螺旋面齿轮，其中一个锥齿轮61竖直设置与主轴4连接，另一个锥齿轮62水平设置与竖直锥齿轮传动啮合，用于将主轴在x-y平面内的旋转运动转化为在x-z平面内的旋转运动。振动变幅杆7水平一端与水平锥齿轮62水平连接，另一端与砂轮3连接，振动变幅杆7轴线与X方向平行，即砂轮3在y-z平面内旋转，振动变幅杆上安装有压电致动器，在压电致动器的作用下实现振动变幅杆的弯曲振动，进而实现了切削深度方向的振动，用于实现间隔砂轮与工件接触的加工周期，提高切削效率与刀具寿命。开展不同超声振动振幅及频率下超声振动辅助加工的磨削试验，获得在切削参数一定时，磨削力最小的超声振动频率及振幅，该超声振动频率和振幅作为后续加工和试验的超声振动辅助加工参数。机床控制主轴上下运动，实现了在z方向(车轴的径向)运动，即磨削加工的切削深度方向运动，以加工花键的底面；电机控制车轮轴的旋转运动，使得砂轮能够磨削加工变轨花键的侧面。

S2、机床误差影响量测量，通过传感器测试得出安装车轴、夹具和超声振动装置前后的位置差别，以此得出安装车轴的机床误差影响量。在装载车轴、超声振动装置及夹具后，其对机床的加工运动误差及静态误差均有影响，由于机床增加了夹具、超声振动装置和装载了车轴，其工作台上的质量显著增加，为提高加工进度，需分析其对机床的静态误差的影响。位移误差可以在机床之前已经调试的基础上进行识别，机床控制系统内部已经识别，并做了补偿，现在机床增加了结构后，只需要考虑在增加之后的造成的误差。刀具与工件之间的实际位置由非接触式的一对传感器检测，一个传感器布置在工作台上，另一个传感器布置在刀具中心，用于检测工件与刀具中心的相对位置，其静态误差可以通过在增加了夹具及装载了车轴等前后位置差进行识别测量；测得安装前刀具与工件的相对x、y、z位置、机床主轴在x-z平面内偏转运动的角度、用于连接工件的卡盘的转动角度分别为l_x1、l_y1、l₂₁、θ_xz1、θ_xzd1以及安装车轴后刀具与工件的相对x、y、z位置、机床主轴在x-z平面内偏转运动的角度、用于连接工件的卡盘的转动角度分别为l_x2、l_y2、l₂₂、θ_xz2、θ_xzd2；可得误差影响量为：

ξ_x＝l_x1-l_x2；

ξ_y＝l_y1-l_y2；

ξ_z＝l₂₁-l₂₂；

ζ_xz＝θ_xz1-θ_xz2；

ζ_xzd＝θ_xzd1-θ_xzd2。

其中，ξ_x为x方向位移误差；ξ_y为y方向位移误差；ξ_z为z方向位移误差；ζ_xz为机床主轴在x-z平面内偏转运动的角度误差；ζ_xzd为卡盘的转动角度误差。

S3、磨削参数设置，先确定砂轮与工件不会发生干涉的最大直径r_s，然后通过超声振动辅助加工试验分别获得粗磨削加工砂轮和精磨削加工砂轮加工后的变轨花键的磨削面的表面粗糙度、表面硬度和残余应力与加工参数之间的关系，根据对磨削面的表面粗糙度、表面硬度和残余应力的约束以及材料去除效率最高的条件下获得粗磨削加工和精磨削加工的加工参数。本实施例中，粗磨削加工砂轮采用氧化铝碟行砂轮，精磨削加工砂轮采用CBN斜边砂轮。砂轮与工件不会发生干涉的最大直径为r_s的确定过程如下：选定一个较小的砂轮直径，确保砂轮与工件最容易发生干涉的位置不发生干涉，然后逐渐增加尺寸，直至发生干涉前的最后一个直径，即为r_s。对多组加工参数进行正交分组实验，例如，各参数取值为砂轮的粒度尺寸r_a(20、40、60、80、100um)，砂轮的切削深度a_p(5um、15、25、35、45um)，砂轮的线速度v_s＝wr_s(10、20、30m/s)，砂轮的进给速度f_z(50、100、150、200、250、300mm/min)，各组试验数据以最小二乘法拟合获得粗磨削加工砂轮和精磨削加工砂轮加工后的变轨花键的磨削面的表面粗糙度、表面硬度和残余应力与加工参数之间的关系如下：

R₁、R₂分别为粗磨削加工砂轮和精磨削加工砂轮加工工件后的磨削面的表面粗糙度；H₁、H₂分别为粗磨削加工砂轮和精磨削加工砂轮加工工件后的磨削面的表面硬度；σ₁、σ₂分别为粗磨削加工砂轮和精磨削加工砂轮加工工件后的磨削面的表面残余应力；c₁、λ₁、a₁、β₁、γ₁，c₂、λ₂、a₂、β₂、γ₂，c₃、λ₃、a₃、β₃、γ₃，c₄、λ₄、α₄、β₄、γ₄，c₅、λ₅、a₅、β₅、γ₅，c₆、λ₆、a₆、β₆、γ₆，分别为两种砂轮加工后工件的表面粗糙度、表面硬度和表面残余应力与加工参数之间的影响指数，并通过试验数据经过最小二乘法拟合而得；r_a为砂轮的粒度尺寸，a_p为砂轮的切削深度，v_s为砂轮的线速度，f_z为砂轮的进给速度；其中，v_s＝wr_s，w为砂轮的角速度，r_s为砂轮半径。在加工硬度较高的工件时(超过50HRC)，采用依据CBN蝶形砂轮进行精磨削，氧化铝斜边砂轮进行粗磨及半精磨削。设定加工余量为u₀,采用氧化铝斜边砂轮进行粗加工时，设定其加工磨削深度为a_p1,采用CBN蝶形砂轮进行精加工，设定其加工磨削深度为a_p2,则u₀＝a_p1+a_p2，由于工件硬度高，采用氧化铝斜边砂轮粗磨采用较大磨削深度时会在工件表面造成较大的拉应力，较小的压应力，有利于采用CBN蝶形砂轮进行精加工，但是不利于工件的性能，损害工件的表面性能。需要确保粗加工造成工件的断面以较少的拉应力，较大压应力，即拉应力接近于0。通过实验确定当粗加工的拉应力为0时，a_p2的具体值以及粗加工后的工件表面的残余应力为σ_1s。根据实验可以确定当工件表面硬度范围为H_1min-H_1max,工件表面粗糙度为R_1min-R_1max时，采用CBN砂轮进行磨削加工，能够减少CBN的磨损，降低加工成本，CBN砂轮的价格超过10倍的氧化铝砂轮。设定材料去除率为V，则V＝a_pv_sf_z,在加工中以材料去除效率最高为目标确定加工参数。粗磨削加工的目标函数为V_max1＝Max(V＝a_p1v_sf_z)，粗磨削加工砂轮对应的磨削面的表面粗糙度、表面硬度和残余应力的约束条件为：

R_1min≤R₁(r_a1,a_p1,v_s1,f_z1)≤R_1max；

H_1min≤H₁(r_a1,a_p1,v_s1,f_z1)≤H_1max；

σ₁(r_a1,a_p1,v_s1,f_z1)＝σ_1s；

r_a1＝r_s；

v_s1＝w₁r_s；

根据目标函数处在最大值时，计算出粗磨削加工的加工参数为w₁、r_a1、a_p1、v_s1、f_z1，且加工参数均为正数。

在采用CBN蝶形砂轮进行精密磨削加工时，设定目标工件的残余应力σ_2s，工件表面硬度为H_2s,工件表面粗糙度为K_2s,材料去除效率V_2s。按照以下函数确定精磨加工参数w₂、r_a2、a_p2、v_s2、f_z2，且加工参数均为正数。

H₂(r_a2,a_p2,v_s2,f_z2)＝H_2s；

R₂(r_a2,a_p2,v_s2,f_z2)＝R_2s；

σ₂(r_a2,a_p2,v_s2,f_z2)＝σ_2s；

r_a2＝r_S；

v_s2＝w₂r_S；

V_max2＝Max(V＝a_p2v_s2f_z2)。

S4、误差补偿，将步骤S3获得的加工参数加上步骤S2获得的机床误差影响量，获得误差补偿后的粗磨削加工和精磨削加工的加工参数。误差补偿后的加工参数为：

分别为优化补偿后的粗磨削加工砂轮的切削深度、进给速度；

分别为优化补偿后的精磨削加工砂轮的切削深度、进给速度；

和分别为设定输入的卡盘的转动角度以及机床主轴在x-z平面内偏转运动的角度，θ_d、θ_t为在未增加了夹具、超声振动装置及车轴下的机床依据加工工件需要设定的卡盘的转动角度和机床主轴在x-z平面内偏转运动的角度；另外ξ_x虽然不影响加工参数，但是在实际机床运动过程中，需要通过对砂轮和工件的位置校正对该误差进行补偿。

S5、根据S4获得的加工参数先使用粗磨削加工砂轮进行粗磨削，最后再使用精磨削加工砂轮进行精加工。

本发明实施例提供的变轨外花键加工方法通过对误差的分析测量和补偿，实现了高精度的磨削；根据加工需求，将加工分成粗加工和精加工，并根据粗加工和精加工的要求实现对加工参数的合理设置，在保证精度和工件性能的情况下，尽量提高材料去除效率，提高加工的效率。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (11)

1.一种变轨外花键加工装置，其特征在于，包括：工作台(1)、机床主轴(4)、伸长装置(11)、驱动机构(12)、卡盘(13)、机床夹具(14)、转向装置(6)、砂轮(3)以及超声振动装置；其中，

所述伸长装置(11)与所述工作台(1)相邻且其上表面与工作台(1)的上表面等高，形成一个水平加工面；所述伸长装置(11)与所述工作台(1)的上表面各自安装有一个卡盘(13)，所述卡盘(13)连接驱动机构(12)；

所述转向装置(6)的一端连接机床主轴(4)，另一端连接所述超声振动装置的一端，所述超声振动装置的另一端安装有所述砂轮(3)。

2.根据权利要求1所述的变轨外花键加工装置，其特征在于，还包括传感器，所述传感器至少有一对，至少一个所述传感器布置在所述工作台(1)上，至少一个所述传感器布置在机床的刀具中心。

3.根据权利要求1或2所述的变轨外花键加工装置，其特征在于，所述转向装置(6)包括第一转向部件、第二转向部件；其中，所述第一转向部件垂直设置且与所述机床主轴(4)连接，所述第二转向部件水平设置且与所述第一转向部件传动啮合；

所述第一转向部件、第二转向部件(62)为锥齿轮或者螺旋面齿轮。

4.根据权利要求1或2所述的变轨外花键加工装置，其特征在于，所述超声振动装置包括振动变幅杆(7)和压电致动器，所述压电致动器安装在振动变幅杆(7)上。

5.根据权利要求1或2所述的变轨外花键加工装置，其特征在于，所述卡盘(13)的外侧具有标准键槽。

6.基于权利要求1-5任一项所述的变轨外花键加工装置所实现的变轨外花键加工方法，其特征在于，包括：

车轴与部件安装步骤，将待加工的车轴(2)安放在所述伸长装置(11)的上表面与所述工作台(1)的上表面所形成的水平加工面上，所述车轴(2)与所述卡盘(13)传动连接，机床夹具(14)夹持所述车轴(2)的两端；

机床误差影响量测量步骤，通过传感器测试得出在安装车轴(2)、机床夹具(14)和超声振动装置前后的位置差别，以此得出机床误差影响量；

磨削加工参数设置步骤，先确定砂轮与工件不会发生干涉的最大直径r_s，然后通过超声振动辅助加工试验分别获得粗磨削加工砂轮和精磨削加工砂轮加工后的变轨花键的磨削面的表面粗糙度、表面硬度和残余应力与加工参数之间的关系，根据对磨削面的表面粗糙度、表面硬度和残余应力的约束以及材料去除效率最高的条件下获得粗磨削加工的加工参数和精磨削加工的加工参数；

误差补偿步骤，将磨削加工参数设置步骤获得的粗磨削加工的加工参数加上机床误差影响量测量步骤获得的机床误差影响量，得到误差补偿后的粗磨削加工的加工参数；将磨削加工参数设置步骤获得的精磨削加工的加工参数加上机床误差影响量测量步骤获得的机床误差影响量，得到误差补偿后的精磨削加工的加工参数；

加工步骤，根据误差补偿后的粗磨削加工的加工参数，使用粗磨削加工砂轮进行粗磨削，然后根据误差补偿后的精磨削加工的加工参数，使用精磨削加工砂轮进行精加工。

7.根据权利要求6所述的变轨外花键加工方法，其特征在于，所述机床误差影响量测量步骤具体包括：

测得车轴(2)安装前刀具与工件的相对x、y、z位置l_x1、l_y1、l_z1，机床主轴在x-z平面内偏转运动的角度θ_xz1，用于连接工件的卡盘的转动角度θ_xzd1，以及安装车轴(2)后刀具与工件的相对x、y、z位置为l_x2、l_y2、l_z2，机床主轴在x-z平面内偏转运动的角度θ_xz2，用于连接工件的卡盘的转动角度θ_xzd2；测得机床误差影响量为：

ξ_x＝l_x1-l_x2；

ξ_y＝l_y1-l_y2；

ξ_z＝l_z1-l_z2；

ζ_xz＝θ_xz1-θ_xz2；

ζ_xzd＝θ_xzd1-θ_xzd2；

其中，ξ_x为x方向位移误差；ξ_y为y方向位移误差；ξ_z为z方向位移误差；ζ_xz为机床主轴在x-z平面内偏转运动的角度误差；ζ_xzd为卡盘的转动角度误差。

8.根据权利要求6所述的变轨外花键加工方法，其特征在于，所述磨削加工参数设置步骤中，所述确定砂轮与工件不会发生干涉的最大直径r_a包括：

选定一个较小的砂轮直径，确保砂轮与工件最容易发生干涉的位置不发生干涉，然后逐渐增加尺寸，直至发生干涉前的最后一个直径，即为r_a。

9.根据权利要求6所述的变轨外花键加工方法，其特征在于，所述磨削加工参数设置步骤中，所述粗磨削加工砂轮和精磨削加工砂轮加工后的变轨花键的磨削面的表面粗糙度、表面硬度和残余应力与加工参数之间的关系包括：

R₁、R₂分别为粗磨削加工砂轮和精磨削加工砂轮加工工件后的磨削面的表面粗糙度；H₁、H₂分别为粗磨削加工砂轮和精磨削加工砂轮加工工件后的磨削面的表面硬度；σ₁、σ₂分别为粗磨削加工砂轮和精磨削加工砂轮加工工件后的磨削面的表面残余应力；c₁、λ₁、a₁、β₁、γ₁，c₂、λ₂、a₂、β₂、γ₂，c₃、λ₃、a₃、β₃、γ₃，c₄、λ₄、a₄、β₄、γ₄，c₅、λ₅、a₅、β₅、γ₅，c₆、λ₆、a₆、β₆、γ₆，分别为粗磨削加工和精磨削加工后工件的表面粗糙度、表面硬度和表面残余应力与加工参数之间的影响指数；r_a为砂轮的粒度尺寸，a_p为砂轮的切削深度，v_s为砂轮的线速度，f_z为砂轮的进给速度；其中，v_s＝ωr_s，ω为砂轮的角速度，r_s为砂轮半径。

10.根据权利要求6所述的变轨外花键加工方法，其特征在于，所述磨削加工参数设置步骤中，粗磨削加工砂轮对应的磨削面的表面粗糙度、表面硬度和残余应力的约束条件为：

R_1mi≤R₁(r_a1,a_p1,v_s1,f_z1)≤R_1max；

H_1min≤H₁(r_a1,a_p1,v_s1,f_z1)≤H_1max；

σ₁(r_a1,a_p1,v_s1,f_z1)＝σ_1s；

r_a1＝r_s；

v_s1＝w₁r_s；

V_max1＝Max(V＝a_p1v_sf_z)；

其中，a_p1为粗磨削加工砂轮磨削加工的深度；H_1min—H_1max和R_1mim—R_1max是精磨削加工磨损较少的工件表面参数范围；V_max1为在满足其余约束条件下的粗磨削加工的最大材料去除效率，并依此确定粗磨削加工的加工参数为w₁、r_a1、a_p1、v_s1、f_z1；

精磨削加工砂轮对应的磨削面的表面粗糙度、表面硬度和残余应力的约束为：

H₂(r_a2,a_p2,v_s2,f_z2)＝H_2s；

R₂(r_a2,a_p2,v_s2,f_z2)＝R_2s；

σ₂(r_a2,a_p2,v_s2,f_z2)＝σ_2s；

r_a2＝r_S；

v_s2＝w₂r_S；

V_max2＝Max(V＝a_p2v_s2f_z2)；

其中，a_p2为精磨削加工砂轮磨削加工的深度，σ_2s为目标工件设定的残余应力，H_2s为目标工件设定的工件表面硬度，R_2s为目标工件设定的表面粗糙度；V_max2为在满足其余约束条件下的精磨削加工的最大材料去除效率，并依此确定精磨削加工的加工参数为w₂、r_a2、a_p2、v_s2、f_z2。

11.根据权利要求6所述的变轨外花键加工方法，其特征在于，所述误差补偿步骤中，所述误差补偿后的粗磨削加工的加工参数包括：

其中，

分别为误差补偿后的粗磨削加工砂轮的切削深度、进给速度；

和

分别为设定输入的卡盘的转动角度以及机床主轴在x-z平面内偏转运动的角度，θ_d、θ_t为在未增加了夹具、超声振动装置及车轴下的机床依据加工工件需要设定的卡盘的转动角度和机床主轴在x-z平面内偏转运动的角度；

所述误差补偿后的精磨削加工的加工参数包括：

其中，

分别为误差补偿后的精磨削加工砂轮的切削深度、进给速度。

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