CN112621608B - 用于轴类零件加工和检测的高精度可调定位装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于精密加工技术与测量技术领域，涉及用于轴类零件加工和检测的高精度可调定位装置及方法。装置包括：两个非对称块V型块，两个垫块、两个固定架、两个铜压块、两个轴承外环、两个密珠轴套。通过组合使用作用于非对称块V型块工作面、调整面、定位面上的三种方式，实现轴类零件水平方向平移及旋转与竖直方向平移的多自由度调整。该装置可通过光隙法判断轴类零件母线的安装精度。具有操作简便，调整方便，成本低等优点，具有重要的推广应用价值。

Description

用于轴类零件加工和检测的高精度可调定位装置及方法

技术领域

本发明属于精密加工和测量技术领域，涉及一种用于轴类零件的加工和检测的高精度可调定位装置及其调整方法。

背景技术

轴是组成机械的典型零件，它支撑着其它转动件回转并传递扭矩，同时又通过轴承与机器的机架连接。轴类零件作为测量工件时的测量基准，对轴类零件的加工精度和定位精度有很高要求，轴类零件的误差会带入圆柱类零件的测量结果，影响其径向圆跳动误差和径向全跳动误差以及齿轮齿圈径向跳动误差。大多数轴类零件都带有中心孔，其主要作用有两点：一是加工时作为工件的定位基准；二是承受工件的自重和切削力。轴类零件定位精度是零件加工精度得以保证的前提。目前对轴类零件定位精度提出了亚微米量级甚至纳米量级的精度要求。

现有轴类零件的定位方式大都采用双顶尖和中心孔定位，但采用此种定位方式轴的姿态不可调且误差源多。轴类零件顶尖的加工误差、中心孔的加工误差、顶尖和中心孔定位面的锥度误差、动顶尖的运动误差等都会影响定位精度的提高。顶尖和中心孔的定位方式难以达到0.5μm以下的定位要求。

由于V型块结构简单，对中性好，定位可靠，方便使用，故在机械精加工过程中常作为定位元件，但V型块高度及位置不能根据工件变化而相应调整。

发明专利[201610153944.1]公开了一种用于直齿标准齿轮螺旋线测量的高精度定位装置，采用一面固定，一面可调的双V型块定位方式，满足1级精度直齿标准齿轮螺旋线测量装置对定位精度的要求。但是该装置所应用的工件尺寸范围有限，只能用于特定小尺寸工件；由于该装置采用整体式固定支撑，其支撑点位置不可调。

发明专利[201410786345.4]公开了一种可调高度的V型块工装，采用正反向螺纹控制左右非对称V型块相向运动，实现定位轴心高度方向的变化。由于该装置采用螺栓驱动，不具备高精度的调节和精确定位的能力。

发明内容

为解决轴类零件亚微米甚至纳米量级的高精度定位并可调的难题，本发明提供了一种用于轴类零件加工和检测的高精度可调定位装置及其调整方法。该定位装置由两个非对称V型块、两个垫块、两个固定架、两个铜压块、两个外环、两个密珠轴套组成。

其中非对称V型块包括：工作面A、工作面B、调整面、矩形槽、连接螺钉、连接面、定位面。两个非对称V型块采用分离式结构且具有对偶特征，其中一个非对称V型块的连接面上设有沉头孔，另一个非对称V型块的连接面上设有螺纹孔；工作面A和工作面B互相垂直且与水平面夹角不相等，工作面A与工作面B的交线与定位面平行；外环与工作面A、工作面B以及铜压块分别相切；固定架上的压紧螺钉作用在铜压块顶部的中间部分；调整面与水平面呈一大于45°的锐角，固定架上的水平调整螺钉作用在非对称V型块调整面的中间部分；装配后非对称块V型块和固定架的内侧面留有调整间隙；定位面上开有砂轮越程槽；固定架通过螺钉与垫块连接；矩形槽上贴有变波长LED灯，为光隙法观测提供光源；非对称V型块、固定架、铜压块、垫块宽度相等且略小于外环的宽度。

所述的用于轴类零件的加工和检测的高精度可调定位装置的装配方法，包括如下步骤：

1)在装配前采用经过对研的高精度研磨平板对刀口尺进行精化，将刀口尺的精度提高一倍以上；利用上述高精度研磨平板对非对称块V型块的连接面、定位面、垫块的上下面和固定架的底面进行精化；

2)两个非对称块V型块连接到一起进行精化，以高精度平台和精化后的刀口尺为基准进行装配，保证两非对称块V型块的工作面A、工作面B以及定位面分别共面；工作面A与工作面B的交线和定位面平行；并通过研磨工作面A、工作面B以及定位面使工作面A与工作面B的内切圆柱轴线到定位面的距离满足轴上零件需求；在其上放置3级以上标准球体，通过测量标准球顶部到定位面的距离进而换算作面A与工作面B的内切圆柱轴线到定位面的距离；

3)两个非对称块V型块精化完成后，将两个非对称块V型块拆开；同样以高精度平台和精化后的刀口尺为基准进行装配，保证安装后的芯轴母线水平；通过调整作用于调整面的水平调整螺钉对两非对称块V型块进行调整，水平分力抵消，竖直分力使其固定，调整两非对称块V型块水平方向的位置与角度确保互相平行；将密珠轴套与外环装在轴类零件定位轴段；轴类零件组件安装完成后，将其整体放到非对称块V型块工作面上，确保外环与工作面A、工作面B分别相切；再用压紧螺钉将铜压块贴紧于外环上，确保外环与铜压块相切。

上述用于轴类零件加工及检测的高精度可调定位装置的调整方法，包括：通过在非对称V型块的工作面A、工作面B上加高精度垫片实现轴类零件竖直方向位置定量微调，在非对称V型块工作面A、工作面B上加垫片可同时实现轴类零件轴向锥度误差的定量调整；通过作用在调整面上的调整螺钉的配合使用实现非对称V型块水平方向位置微调及角度微调，水平分力抵消，竖直分力使其固定；定位面是非对称V型块与垫块的连接面，通过添加或更换垫块实现轴类零件竖直方向位置粗调，通过对定位面精密研磨也可实现轴类零件竖直方向位置微调。由于两非对称V型块采用分离式结构，可同时实现轴类零件两端径向与轴向的独立调整，适用于各类光轴与台阶轴的高精度定位与支撑。使用时组合使用作用于工作面、调整面、定位面上的三种方法，最终实现轴类零件水平方向平移及旋转与竖直方向平移的多自由度调整。

进一步地，非对称V型块采用分离式结构且具有对偶特征，先精加工两块非对称V型块的连接面，通过连接螺钉将两非对称V型块连到一起，然后对与连接面有垂直度要求的工作面A、工作面B、定位面和调整面统一慢丝线割加工多次、研磨、时效处理。非对称V型块的工作面A、工作面B、定位面有高的平面度要求；工作面A与工作面B的交线与定位面有高的平行度要求。

进一步地，两高精度垫块选用GCr15材料同步加工，厚度差和上下两工作面的平行度误差有严格要求。

进一步地，密珠轴套采用G5级及以上精度的球形滚动体，密珠轴套中滚动体与外环和轴类零件的单边过盈量为1～3μm。

本发明的有益效果为：本发明提供了一种用于轴类零件加工和检测的高精度可调定位装置及方法。通过组合使用作用于非对称V型块工作面、调整面、定位面上的三种方式，实现轴类零件水平方向平移及旋转与竖直方向平移的多自由度调整。通过在非对称V型块两工作面上加垫片或者在定位面加垫块的方法实现轴类零件竖直方向位置和轴向锥度误差的调整。通过作用在调整面上的调整螺钉的配合使用实现非对称V型块水平方向位置微调及角度微调，水平分力抵消，重力方向上的分力使其固定在工作台上。该装置可通过光隙法判断轴类零件母线的安装精度。具有操作简便，调整方便，成本低等优点，具有重要的推广应用价值。

附图说明

图1轴类零件可调定位装置。

图2两非对称V型块。

图3两非对称V型块连接示意图。

图4轴类零件安装示意图。

图中：1非对称V型块；1-1工作面A；1-2工作面B；1-3调整面；1-4矩形槽；1-5连接螺钉；1-6连接面；1-7定位面；2外环；3固定架；4压紧螺钉；5铜压块；6密珠轴套；7水平调整螺钉；8垫块；9轴类零件。

具体实施方式

所述的一种用于轴类零件的加工和检测的高精度可调定位装置的装配及使用方法，包括如下步骤：

1)在装配前采用经过对研的高精度研磨平板对刀口尺进行精化，将刀口尺的精度提高一倍以上；利用上述高精度研磨平板对非对称V型块1的连接面1-6、定位面1-7、垫块8的上下面和固定架3的底面进行精化；

2)两非对称V型块1选用GCr15材料同步加工，两工作面互相垂直，分别与水平面夹角分别呈70°与20°夹角，调整面1-3与水平面呈75°夹角。为确保其尺寸一致性，两个非对称V型块1研磨前统一慢丝线割加工。线切割完成后依次对两非对称V型块定位面1-7以及连接面1-6粗研、时效处理、精研，并将两非对称V型块连接面1-6对研使其平面度误差不超过0.2μm。以高精度平台和精华后的刀口尺为基准进行装配，保证两非对称V型块1的工作面A1-1、工作面B1-2以及定位面1-7分别共面，工作面A1-1与工作面B1-2的交线和定位面1-7平行。连接到一起的非对称V型块1组件统一时效处理，以减小连接螺钉1-5连接产生的内应力，提高组件整体尺寸稳定性。非对称V型块工作面A1-1与工作面B1-2的垂直度由两夹角互补且相邻三个面精加工的正六面体非对称V型块为基准进行校准。将两非对称V型块1作为一个整体并通过研磨工作面A1-1、工作面B1-2以及定位面1-7使作面A1-1与工作面B1-2的内切圆柱轴线到定位面1-7的距离满足轴上零件需求。使用1级平晶测量平面度，单个工作面莫尔条纹数不超过两条，工作面两端10mm塌边区域不计，平面度达到0.5μm以下。实际两非对称V型块的工作区域为工作面A1-1与工作面B1-2与轴类零件9母线接触的直线段，由于该直线段较短，因此直线度误差更小。在其上放置3级以上标准球体，通过测量标准球顶部到定位面1-7的距离进而换算作面A1-1与工作面B1-2的内切圆柱轴线到定位面1-7的距离。

3)两个非对称V型块1精化完成后，将两个非对称V型块1拆开，分别在矩形槽1-4贴上变波长LED灯片为光隙法观测提供光源。同样以高精度平台和精华后的刀口尺为基准进行装配，保证安装后的芯轴母线水平。通过调整作用于调整面1-3的水平调整螺钉7对两非对称V型块1进行调整，水平分力抵消，竖直分力使其固定，调整两非对称V型块1水平方向的位置与角度确保互相平行。将密珠轴套6与外环2装在轴类零件定位轴段。轴类零件组件安装完成后，将其整体放到非对称V型块1的工作面A1-1与工作面B1-2上，确保外环2与工作面A1-1、工作面B1-2分别相切。再用压紧螺钉4将铜压块5贴紧于外环2上，确保外环2与铜压块5相切。加少许润滑油，防止拧紧压紧螺钉4时改变外环2外圆柱面与非对称工作面A1-1、工作面B1-2的相切状态。

4)通过在工作面A1-1与工作面B1-2上加垫片或者在定位面1-7下加垫块实现轴类零件竖直方向的位置调整，在工作面A1-1与工作面B1-2上加垫片可同时实现轴类零件轴向锥度误差的调整。通过作用在调整面1-3上的调整螺钉的配合使用实现轴类零件水平方向位置微调及角度微调。组合使用作用于非对称V型块工作面A1-1、工作面B1-2、调整面、定位面上的三种方式，实现轴类零件水平方向平移及旋转与竖直方向平移的多自由度调整。

5)所述的轴类零件9两端的定位轴段左右对称轴类零件9有3个圆柱面和一个轴台端面需要精加工。圆柱面的圆柱度要求小于0.5μm，表面粗糙度小于0.2μm。为提高零件的定位精度，轴台端面相对于中间轴段的垂直度可通过研磨减小到0.2μm；密珠轴套选用G5级及以上精度、硬度大于HRC60的钢球或陶瓷球，与外环2和轴类零件9的单边过盈量控制在1～3μm。

Claims (7)

1.一种用于轴类零件的加工和检测的高精度可调定位装置的装配方法，其特征在于，所述的高精度可调定位装置包括：两个非对称块V型块(1)、两个外环(2)、两个固定架(3)、压紧螺钉(4)、两个铜压块(5)、两个密珠轴套(6)、水平调整螺钉(7)、两个垫块(8)；其中非对称块V型块(1)包括：工作面A(1-1)、工作面B(1-2)、调整面(1-3)、矩形槽(1-4)、连接螺钉(1-5)、连接面(1-6)、定位面(1-7)；两非对称块V型块(1)采用分离式结构且具有对偶特征，其中一个非对称块V型块(1)设有沉头孔，另一个非对称块V型块(1)对应位置设有螺纹孔；工作面A(1-1)和工作面B(1-2)互相垂直且与水平面夹角不相等，外环(2)与工作面A(1-1)、工作面B(1-2)以及铜压块(5)分别相切；固定架(3)上的压紧螺钉(4)作用在铜压块(5)顶面的中间部分；调整面(1-3)与水平面不垂直，装配后固定架(3)上的水平调整螺钉(7)作用在调整面(1-3)的中间部分；装配后非对称块V型块(1)和固定架(3)的内侧面留有调整间隙；定位面(1-7)上开有砂轮越程槽；固定架通过螺钉与垫块连接；非对称块V型块(1)、固定架(3)、铜压块(5)、垫块(8)宽度相等且小于外环(2)的宽度；

所述的装配方法，包括如下步骤：

1）在装配前采用经过对研的高精度研磨平板对刀口尺进行精化，将刀口尺的精度提高一倍以上；利用上述高精度研磨平板对非对称块V型块(1)的连接面(1-6)、定位面(1-7)、垫块(8)的上下面和固定架(3)的底面进行精化；

2）两个非对称块V型块(1)连接到一起进行精化，以高精度平台和精化后的刀口尺为基准进行装配，保证两非对称块V型块(1)的工作面A(1-1)、工作面B(1-2)以及定位面(1-7)分别共面；工作面A(1-1)与工作面B(1-2)的交线和定位面(1-7)平行；并通过研磨工作面A(1-1)、工作面B(1-2)以及定位面(1-7)使工作面A(1-1)与工作面B(1-2)的内切圆柱轴线到定位面(1-7)的距离满足轴上零件需求；在其上放置3级以上标准球体，通过测量标准球顶部到定位面(1-7)的距离进而换算作面A(1-1)与工作面B(1-2)的内切圆柱轴线到定位面(1-7)的距离；

3）两个非对称块V型块(1)精化完成后，将两个非对称块V型块(1)拆开；同样以高精度平台和精化后的刀口尺为基准进行装配，保证安装后的芯轴母线水平；通过调整作用于调整面(1-3)的水平调整螺钉(7)对两非对称块V型块(1)进行调整，水平分力抵消，竖直分力使其固定，调整两非对称块V型块(1)水平方向的位置与角度确保互相平行；将密珠轴套(6)与外环(2)装在轴类零件定位轴段；轴类零件组件安装完成后，将其整体放到非对称块V型块(1)工作面上，确保外环(2)与工作面A(1-1)、工作面B(1-2)分别相切；再用压紧螺钉(4)将铜压块(5)贴紧于外环(2)上，确保外环(2)与铜压块(5)相切。

2.根据权利要求1所述的一种用于轴类零件的加工和检测的高精度可调定位装置的装配方法，其特征在于，所述非对称块V型块(1)的工作面A(1-1)、工作面B(1-2)、定位面(1-7)的平面度误差不大于1µm；调整面(1-3)、连接面(1-6)的平面度误差不大于3μm；工作面A(1-1)与工作面B(1-2)的交线与定位面(1-7)的平行度误差不大于1µm。

3.根据权利要求1所述的一种用于轴类零件的加工和检测的高精度可调定位装置的装配方法，其特征在于，所述垫块(8)上下两面平行度误差不大于1μm。

4.根据权利要求1所述的一种用于轴类零件的加工和检测的高精度可调定位装置的装配方法，其特征在于，所述密珠轴套(6)采用G5级及以上精度的球形滚动体，密珠轴套(6)中滚动体与外环(2)和轴类零件的单边过盈量为1~3μm。

5.根据权利要求1所述的一种用于轴类零件的加工和检测的高精度可调定位装置的装配方法，其特征在于，所述调整面与水平面呈大于45°的锐角。

6.根据权利要求1所述的一种用于轴类零件的加工和检测的高精度可调定位装置的装配方法，其特征在于，外环与铜压块(5)间加润滑油，防止拧紧压紧螺钉(4)时改变外环(2)外圆柱面与非对称块工作面A(1-1)、工作面B(1-2)的相切状态。

7.一种用于轴类零件的加工和检测的高精度可调定位装置的使用方法，该高精度可调定位装置采用如权利要求1所述的装配方法进行装配，其特征在于，该装置通过光隙法判断轴类零件母线的安装精度；矩形槽上贴有变波长LED灯，为光隙法观测提供光源；通过在非对称V型块的工作面A、工作面B上加垫片实现轴类零件竖直方向位置定量微调，在非对称V型块工作面A、工作面B上加垫片同时实现轴类零件轴向锥度误差的定量调整；通过作用在调整面上的调整螺钉的配合使用实现非对称V型块水平方向位置微调及角度微调，水平分力抵消，竖直分力使其固定；定位面是非对称V型块与垫块的连接面，通过添加或更换垫块实现轴类零件竖直方向位置粗调，通过对定位面精密研磨实现轴类零件竖直方向位置微调；使用时组合使用作用于工作面、调整面、定位面上的三种方法，最终实现轴类零件水平方向平移及旋转与竖直方向平移的多自由度调整。

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