CN110757293B - 一种碳纤维复合材料抛物面天线的磨削加工方法及装备 - Google Patents
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Abstract
本发明属于机械制造技术领域，提供一种碳纤维复合材料抛物面天线的磨削加工方法及装备，包括装夹部分、砂轮及砂轮进给部分。装夹部分包括电机、带轮、旋转轴、传动箱、夹具体、压板组件、定位销；砂轮进给部分包括电机、带轮、旋转轴、刀轴固定座、XY两轴运动平台、仿形板、弹性元件、肋板。本发明通过砂轮进给机构使砂轮沿着仿形板轨迹进行磨削运动，装夹机构驱动碳纤维复合材料抛物面天线绕其回转中心进行旋转，完成工件的磨削加工。本发明仿形磨削加工碳纤维复合材料抛物面天线，加工形面精度高，表面光滑，可显著提高产品加工质量；本发明磨削加工装备结构简单，装夹定位快速准确、可靠稳定，操作方便，缩短了加工时间，节约了加工成本。
Description
技术领域
本发明属于机械制造技术领域，具体涉及一种碳纤维复合材料抛物面天线的磨削加工方法及装备。
背景技术
碳纤维复合材料具有强度高、耐高温、比重小、抗腐蚀与辐射性能优等优点，被广泛应用于医疗器械、航空航天等领域，比如卫星、雷达天线。然而，随着近年来探测、通信技术的迅猛发展，对抛物面天线的反射面精度要求越来越高。
碳纤维复合材料抛物面天线最常用的成型工艺为热压罐制造工艺，该成型方法对模具的精度要求非常高，凸模表面精度直接决定了产品抛物面的精度。另外，热压罐工艺能耗高、效率低，制造的天线抛物面精度波动较大 (0.15～0.3RMS)，一般成品表面光洁度Ra>1.6μm；故上述方法只能用于碳纤维复合材料抛物面天线精度要求不高的场合下，对于高精度的抛物面天线，通常还需对天线毛坯进行后续的精加工。目前，碳纤维复合材料抛物面天线精加工的方法主要包括：数控铣和研磨抛光。数控铣需要先半精铣，最后精铣，该精加工方式容易造成工件38表面材料撕裂，还会现材料粘在刀刃上的现象，数控铣削后工件38表面会出现微小台阶，整体加工质量不理想；而研磨抛光主要依靠人工，人工研抛不仅效率低，而且无法保证研抛工件38表面质量的一致性，另外该抛光方式对操作者身体健康有一定的危害。
发明内容
本发明目的：为解决碳纤维复合材料抛物面天线上述精加工时，存在的铣削易造成材料撕裂、粘刀、铣削型面精度不高，人工研抛效率低、质量无法保证等问题，本发明提出了一种仿形磨削加工的方法，同时设计了磨削加工的装备。
本发明的技术方案：
一种碳纤维复合材料抛物面天线的磨削加工装备，包括夹具底座1、第一电机2、第一皮带3、第一皮带轮4、夹具传动箱体5、夹具体6、夹紧压板组件7、砂轮8、第二转轴9、刀轴固定座10、第一肋板11、第二电机12、第一支撑板 13、第二肋板14、第三支撑板15、第一固定座16、第三电机17、第四支撑板 18、第一滚珠丝杆19、长条形板20、弹簧片21、第二支撑板22、第二滚珠丝杆23、第四电机24、第二固定座25、第二皮带26、定位销27、第二皮带轮28、第一转轴29、“L”型支板30和仿形板31；
第一电机2通过螺栓固定在夹具底座1上，通过第一皮带3、第一皮带轮4 与第一转轴29的一端连接；第一转轴29安装在夹具传动箱体5上，保证第一转轴29的平稳转动；夹具体6通过螺栓安装固定于第一转轴29另一端面上，随第一转轴29转动；工件38通过定位销27和夹紧压板组件7配合定位装夹在夹具体6上；第二电机12通过螺栓固定在第一支撑板13上，其通过第二皮带 26、第二皮带轮28与第二转轴9连接；第二转轴9通过刀轴固定座10固定安装，保证第二转轴9平稳转动；刀轴固定座10通过螺栓连接在第一肋板11上，第一肋板11通过螺栓连接固定在第一支撑板13上；砂轮8通过轴肩定位，并由螺母锁紧安装于第二转轴9上；第一支撑板13通过弹簧片21与第二支撑板 22连接，其中弹簧片21通过螺栓和长条形板20固定于第一支撑板13、第二支撑板的两端面；“L”型支板30一面通过螺钉固定于长条形板20上，同时保证另一面与仿形板31接触；仿形板31通过螺钉与第二肋板14连接，第二肋板14 通过螺栓固定于第三支撑板15上；第三支撑板15的上表面设有导轨，导轨方向定义为Y方向；在水平面内，第四支撑板18上设有与Y方向垂直的导轨，定义为X方向；在第二支撑板22和第三支撑板15下表面分别开设有与Y方向导轨和X方向导轨相匹配的凹槽，且凹槽底面均有一螺母，该螺母用于分别连接第一滚珠丝杆19和第二滚珠丝杆23；第一滚珠丝杆19与第三电机17连接，且安装于第一固定座16上，第一固定座16通过螺栓安装在第四支撑板18上；第二滚珠丝杆23与第四电机24连接，且安装于第二固定座25上，第二固定座 25通过螺栓安装在第三支撑板15上；
所述的夹具体6，其表面均匀的分布着3～6个“T”型凹槽，2个定位销孔，其中2个定位销孔中心与夹具体6中心连线形成的小角θ大于0°小于180°。
所述的夹紧压板组件7，包括“T”型螺栓32、调节块33、垫片34、压板 35、螺杆36和螺母37；其中，“T”型螺栓32卡固在夹具体的“T”型凹槽中，“T”型螺栓32上依次连接调节块33、垫片34和压板35，通过调节块33和垫片34调节压板35的位置，再通过螺杆36和螺母37将压板35锁紧，从而完成工件38的装夹。
所述的砂轮8的磨粒为金刚石，采用金属结合剂，粒度为150～240目。
所述的仿形板31外形为抛物面，且与被抛光的碳纤维复合材料抛物面天线形状一致。
一种碳纤维复合材料抛物面天线的磨削加工方法，步骤如下：
步骤1、装夹定位：工件38通过夹具体平面及两个定位销27定位，再由压板组件夹7紧固定；
步骤2、对刀：通过调节刀轴固定座10在第一肋板11上的安装位置，使砂轮8中心高度与工件38中心高度一致；
步骤3、磨削加工：首先，使第一电机2驱动工件38转动，第二电机12驱动砂轮8旋转，其中工件38的转速范围为30～70rpm，砂轮8的线速度范围为 25～40m/s；其次，控制第三电机17驱动第一滚珠丝杆19沿X轴方向运动，使砂轮8切削刃刚好接触到工件38中心表面，再使砂轮8继续沿X轴方向运动，控制其运动距离fa，即控制砂轮8的轴向进给量fa为0.01～0.05mm；最后，控制第四电机24驱动第二滚珠丝杆23带动砂轮8沿Y方向即径向匀速运动，径向移动速度Vr为0.02～0.05mm/r，此时在弹簧片21的弹力作用下，“L”型支板30 始终顶着仿形板31，使砂轮8在Y方向的运动轨迹与仿形板31相同，以保证磨削加工出的工件38型面；
步骤4、检测：运用三坐标测量磨削后的碳纤维复合材料抛物面型面精度。
本发明的有益效果：采用金刚石砂轮进行磨削，磨削表面光洁度高(Ra≤ 0.8μm)；设计了一与工件38型面相同的仿形板，使砂轮沿着仿形板型面进给，完成对工件38的磨削加工，保证了磨削轨迹的连续性与准确性，即仿形磨削出的碳纤维复合材料抛物面天线型面精度高；设计了碳纤维复合材料抛物面天线专用磨床装备，装备整体结构简单，操作简便，运动精度高，成本低。
附图说明
图1是碳纤维复合材料抛物面天线磨削加工示意图。
图2是加工装备俯视图。
图3是装备局部放大图。
图4是对刀示意图。
图5是定位销间夹角示意图。
图6是压板组件示意图。
图中：1夹具底座；2第一电机；3第一皮带；4第一皮带轮；5夹具传动箱体；6夹具体；7夹紧压板组件；8砂轮；9第二转轴；10刀轴固定座；11 第一肋板；12第二电机；13第一支撑板；14第二肋板；15第三支撑板；16 第一固定座；17第三电机；18第四支撑板；19第一滚珠丝杆；20长条形板；21弹簧片；22第二支撑板；23第二滚珠丝杆；24第四电机；25第二固定座；26第二皮带；27定位销；28第二皮带轮；29第一转轴；30“L”型支板； 31仿形板；32“T”型螺栓；33调节块；34垫片；35压板；36螺杆；37螺母； 38工件。
具体实施方案
下面结合附图1～6，以抛物面方程为Z2+X2＝4600Y，直径为
深度为34.78mm的碳纤维复合材料抛物面天线磨削加工为例，对本发明的具体实施方式进行详细说明。
一种碳纤维复合材料抛物面天线磨削加工装备具体结构形式如下：
第一电机2通过螺栓与夹具底座1固定，通过第一皮带3、第一皮带轮4与第一转轴29连接；第一转轴29安装于夹具传动箱体5上，可保证转轴29平稳转动；夹具体6通过螺栓安装固定于第一转轴29端面上，可随第一转轴29一起转动；工件38通过定位销27和压板组件7定位装夹在夹具体6上；第二电机12通过螺栓固定在第一支撑板13上，通过第二皮带26、第二皮带轮28与第二转轴9连接；第二转轴9安装于刀轴固定座10上，可保证第二转轴9平稳转动；刀轴固定座10通过螺栓连接在第一肋板11上，第一肋板11通过螺栓连接固定在第一支撑板13上；砂轮8通过轴肩定位，并由螺母锁紧安装于第二转轴 9上；第一支撑板13通过弹簧片21与第二支撑板22连接，其中弹簧片21通过螺栓和长条形板20固定于第一支撑板13、第二支撑板22的两端面；“L”型支板30一面通过螺钉固定于长条形板20上，需保证另一面能与仿形板31接触；仿形板31通过螺钉与第二肋板14连接，第二肋板14则通过螺栓将其固定于第三支撑板15上；第三支撑板15的上表面设有导轨，导轨方向定义为Y方向；在水平面内，第四支撑板18上设有与Y方向垂直的导轨，定义为X方向；在第二支撑板22和第三支撑板15下表面分别开设有与Y方向导轨和X方向导轨相匹配的凹槽，且凹槽底面均有一螺母，该螺母用于连接丝杆；第一滚珠丝杆 19与第三电机17连接，且安装于第一固定座16上，第一固定座16通过螺栓安装在第四支撑板18上；第二滚珠丝杆23与第四电机24连接，且安装于第二固定座25上，第二固定座25通过螺栓安装在第三支撑板15上。
所描述的夹具体6，其表面均匀的分布着6个“T”型凹槽，2个定位销孔，其中两销孔中心与夹具体中心连线形成的小角θ为60°。
所描述的夹紧压板组件7，包括：“T”型螺栓32、调节块33、垫片34、压板35、螺杆36和螺母37。
所描述的砂轮8，采用金刚石磨粒、金属结合剂，粒度为180目。
所描述的仿形板31型面是按照抛物面方程Z2+X2＝4600Y来设计的。
一种碳纤维复合材料抛物面天线磨削加工方法，具体步骤如下：
首先对工件38进行装夹，具体操作为：工件38通过夹具体6的端面及两个定位销27定位，再将“T”型螺栓32与夹具体6上的“T”型凹槽连接，通过调节块33和垫片34调节压板35与工件38的位置，最后用螺杆36和螺母37 将工件38的夹紧固定。即用压板组件7(包括调节块33、垫片34、压板35、螺杆36螺母37)固定工件38，其中包括3组均匀分布的压板组件7。
其次进行对刀，具体操作为：通过调节刀轴固定座10在第一肋板11上的安装位置，使砂轮中心Os高度与工件38中心Ow高度一致，保证砂轮中心与工件38中心的Z轴坐标相同。对于两中心的X、Y轴坐标则可通过后续电机驱动来控制。
对刀结束后开始进行磨削加工，具体操作为：首先，使第一电机2驱动工件38转动，第二电机12驱动砂轮8旋转，其中工件38转速为50rpm，砂轮线速度为32m/s；其次，控制第三电机17驱动第一滚珠丝杆19沿X轴方向运动，使砂轮8切削刃刚好接触到工件38中心表面，再使砂轮8继续沿X轴方向运动，控制其运动距离fa，即控制砂轮轴向进给量fa为0.04mm；最后，控制第四电机 24驱动第二滚珠丝杆23带动砂轮8沿Y方向(径向)匀速运动，径向移动速度为0.05mm/r，此时在弹簧片21的弹力作用下，“L”型支板30始终顶着仿形板31，使砂轮8在Y方向的运动轨迹与仿形板31相同，以保证磨削加工出的工件38型面正确。
磨削加工完后，拆下工件38，并运用三坐标测量抛物面型面精度，经分析知，型面精度RMS为0.023mm。
本发明通过设计一磨削加工装备，装备配有一与被磨削工件38型面相同的仿形板，在伺服电机的驱动下，使金刚石砂轮沿着该仿形板轨迹连续匀速的进给，以完成碳纤维复合材料抛物面天线的精密磨削加工。该磨削方式，可保证工件38型面的一致性、光滑性，解决热压罐工艺成型精度不高，数控铣削加工轨迹的不连续性(型面有台阶、波纹)及人工研抛时研抛质量的一致性差等问题。
Claims (9)
1.一种碳纤维复合材料抛物面天线的磨削加工装备，其特征在于，该磨削加工装备包括夹具底座(1)、第一电机(2)、第一皮带(3)、第一皮带轮(4)、夹具传动箱体(5)、夹具体(6)、夹紧压板组件(7)、砂轮(8)、第二转轴(9)、刀轴固定座(10)、第一肋板(11)、第二电机(12)、第一支撑板(13)、第二肋板(14)、第三支撑板(15)、第一固定座(16)、第三电机(17)、第四支撑板(18)、第一滚珠丝杆(19)、长条形板(20)、弹簧片(21)、第二支撑板(22)、第二滚珠丝杆(23)、第四电机(24)、第二固定座(25)、第二皮带(26)、定位销(27)、第二皮带轮(28)、第一转轴(29)、”L”型支板(30)和仿形板(31)；
第一电机(2)通过螺栓固定在夹具底座(1)上，通过第一皮带(3)、第一皮带轮(4)与第一转轴(29)的一端连接；第一转轴(29)安装在夹具传动箱体(5)上，保证第一转轴(29)的平稳转动；夹具体(6)通过螺栓安装固定于第一转轴(29)另一端面上，随第一转轴(29)转动；工件(38)通过定位销(27)和夹紧压板组件(7)配合定位装夹在夹具体(6)上；第二电机(12)通过螺栓固定在第一支撑板(13)上，其通过第二皮带(26)、第二皮带轮(28)与第二转轴(9)连接；第二转轴(9)通过刀轴固定座(10)固定安装，保证第二转轴(9)平稳转动；刀轴固定座(10)通过螺栓连接在第一肋板(11)上，第一肋板(11)通过螺栓连接固定在第一支撑板(13)上；砂轮(8)通过轴肩定位，并由螺母锁紧安装于第二转轴(9)上；第一支撑板(13)通过弹簧片(21)与第二支撑板(22)连接，其中弹簧片(21)通过螺栓和长条形板(20)固定于第一支撑板(13)、第二支撑板的两端面；”L”型支板(30)一面通过螺钉固定于长条形板(20)上，同时保证另一面与仿形板(31)接触；仿形板(31)通过螺钉与第二肋板(14)连接，第二肋板(14)通过螺栓固定于第三支撑板(15)上；第三支撑板(15)的上表面设有导轨，导轨方向定义为Y方向；在水平面内，第四支撑板(18)上设有与Y方向垂直的导轨，定义为X方向；在第二支撑板(22)和第三支撑板(15)下表面分别开设有与Y方向导轨和X方向导轨相匹配的凹槽，且凹槽底面均有一螺母，该螺母用于分别连接第一滚珠丝杆(19)和第二滚珠丝杆(23)；第一滚珠丝杆(19)与第三电机(17)连接，且安装于第一固定座(16)上，第一固定座(16)通过螺栓安装在第四支撑板(18)上；第二滚珠丝杆(23)与第四电机(24)连接，且安装于第二固定座(25)上，第二固定座(25)通过螺栓安装在第三支撑板(15)上。
2.根据权利要求1所述的磨削加工装备，其特征在于，所述的夹具体(6)，其表面均匀的分布着3～6个“T”型凹槽，2个定位销孔，其中2个定位销孔中心与夹具体(6)中心连线形成的小角θ大于0°小于180°。
3.根据权利要求1或2所述的磨削加工装备，其特征在于，所述的夹紧压板组件(7)，包括”T”型螺栓(32)、调节块(33)、垫片(34)、压板(35)、螺杆(36)和螺母(37)；其中，”T”型螺栓(32)卡固在夹具体的“T”型凹槽中，”T”型螺栓(32)上依次连接调节块(33)、垫片(34)和压板(35)，通过调节块(33)和垫片(34)调节压板(35)的位置，再通过螺杆(36)和螺母(37)将压板(35)锁紧，从而完成工件(38)的装夹。
4.根据权利要求1或2所述的磨削加工装备，其特征在于，所述的砂轮(8)的磨粒为金刚石，采用金属结合剂，粒度为150～240目。
5.根据权利要求3所述的磨削加工装备，其特征在于，所述的砂轮(8)的磨粒为金刚石，采用金属结合剂，粒度为150～240目。
6.根据权利要求1、2或5所述的磨削加工装备，其特征在于，所述的仿形板(31)外形为抛物面，且与被抛光的碳纤维复合材料抛物面天线形状一致。
7.根据权利要求3所述的磨削加工装备，其特征在于，所述的仿形板(31)外形为抛物面，且与被抛光的碳纤维复合材料抛物面天线形状一致。
8.根据权利要求4所述的磨削加工装备，其特征在于，所述的仿形板(31)外形为抛物面，且与被抛光的碳纤维复合材料抛物面天线形状一致。
9.一种碳纤维复合材料抛物面天线的磨削加工方法，其特征在于，步骤如下：
步骤1、装夹定位：工件(38)通过夹具体平面及两个定位销(27)定位，再由压板组件夹7紧固定；
步骤2、对刀：通过调节刀轴固定座(10)在第一肋板(11)上的安装位置，使砂轮(8)中心高度与工件(38)中心高度一致；
步骤3、磨削加工：首先，使第一电机(2)驱动工件(38)转动，第二电机(12)驱动砂轮(8)旋转，其中工件(38)的转速范围为30～70rpm，砂轮(8)的线速度范围为25～40m/s；其次，控制第三电机(17)驱动第一滚珠丝杆(19)沿X轴方向运动，使砂轮(8)切削刃刚好接触到工件(38)中心表面，再使砂轮(8)继续沿X轴方向运动，控制其运动距离fa，即控制砂轮(8)的轴向进给量fa为0.01～0.05mm；最后，控制第四电机(24)驱动第二滚珠丝杆(23)带动砂轮(8)沿Y方向即径向匀速运动，径向移动速度Vr为0.02～0.05mm/r，此时在弹簧片(21)的弹力作用下，”L”型支板(30)始终顶着仿形板(31)，使砂轮(8)在Y方向的运动轨迹与仿形板(31)相同，以保证磨削加工出的工件(38)型面；
步骤4、检测：运用三坐标测量磨削后的碳纤维复合材料抛物面型面精度。
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