CN112873039A - 一种针对半圆柱面工件的修研工装及修研方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种针对半圆柱面工件的修研工装，包括轴向弹性元件和径向弹性元件、修研座、修研杆；待修研件位于修研座内；轴向弹性元件和径向弹性元件对待修研件进行弹性力约束，调整轴向弹性元件和径向弹性元件的弹性力分配；待修研件与修研杆之间产生相对运动使修研杆对待修研件产生修研作用。本发明可用于半圆柱面的高精度位置公差和形状公差修研，采用可调的柔性固定工装，约束待修研件和修研工具之间的正压力分布，并进行不同方向正压力的分解计算，从而在修研过程中，完成半圆柱面的形状公差、位置公差的调正，可用其将修研量和修研参数对应并固化，形成可靠的修研工艺控制。本发明还涉及一种针对半圆柱面工件的修研方法。

Description

一种针对半圆柱面工件的修研工装及修研方法

技术领域

本发明属于半圆柱面修研技术领域，具体涉及一种针对半圆柱面工件的修研工装及修研方法。

背景技术

目前具有微米级位置和形状尺寸的内圆柱面加工，普通加工机床已无法满足要求，需使用高精度坐标镗床等设备。而目前精度较高的坐标镗床，其加工系统精度大约在2-6微米之间。目前文献中给出的国内高精度坐标镗床，主轴锥孔径向跳动≤2μm，定位精度≤3μm，重复定位精度≤1.5μm。而随着国内精密装备、精密仪器制造业水平的提高，对于内圆柱面微米级、亚微米级精度要求也日趋广泛。对于亚微米级内圆柱面加工，目前成熟化商用机床还很难满足加工精度要求。

以单四极杆质谱仪、液质联用仪、气质联用仪中常用的四极杆组件为例，其固定极杆的半圆柱面极座(图1)属于典型的半圆柱面精密修研零件，其半内圆柱面需要达到精确地微米亚微米级加工精度，例如极座安装孔位置精度需要小于0.002mm,安装孔圆柱度更是达到亚微米级要求，普通加工机床很难满足此类精度的加工要求，多靠后期工人师傅根据装配结果对陶瓷极座半圆柱面的尺寸位置、形状精度进行精密修研得到。

另外，如电主轴轴承座等对于机床加工精度有重要影响的精加工件，其圆度和圆柱度形状公差要求也在2μm以内。对于以上微米级亚微米级加工件，除了投入巨资采购高精度设备并严格控制材料、加工环境等方法外，一种便于普通加工单位采用的小型修研设备无疑是一种更低成本的解决方案，并且可以更好的适应亚微米级高精度修研要求。

现有技术中一些修研工装，例如，申请号201810395167.0的专利采用车床车刀对航天发动机输出轴的中心孔进行修研；申请号201410582852.6专利采用旋转螺钉带动前后顶塞挤压研磨剂，研磨剂通过芯棒上溢出孔溢出填充研具与工件之间间隙，提高长衬套内孔研磨的加工质量。目前的修研工装集中于管类零件等全圆柱面零件内壁修研和抛光，且从修研精度上，属于普通加工精度的外表抛光，或形状公差控制，从修研角度上，属于硬性控制工装精度的修研约束，并不适用于半圆柱面工件的修研，无法进行微米亚微米级精度修研。

因此，需要设计出一种新型工装针对半圆柱面工件进行修研解决上述问题。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的第一个目的是提供一种针对半圆柱面工件的修研工装。

一种针对半圆柱面工件的修研工装，包括：用于弹性支撑待修研件的轴向弹性元件和径向弹性元件；用于支撑所述轴向弹性元件和径向弹性元件的修研座；与待修研件产生相对运动的修研杆；待修研件位于所述修研座内，待修研件上的待修研半圆柱面紧靠在所述修研杆上；轴向弹性元件和径向弹性元件对待修研件进行弹性力约束，可调整所述轴向弹性元件和径向弹性元件的弹性力分配；所述径向弹性元件分布在待修研件的径向，待修研件与所述修研杆之间产生相对运动，以使所述修研杆对待修研件产生修研作用，实现待修研件的待修研半圆柱面在径向上的修研；所述轴向弹性元件分布在待修研件的轴向，改变待修研件与所述修研杆之间的正压力分布。

进一步地，所述修研座有两个，两个所述修研座连接后，两个所述修研座之间形成容纳待修研件的容纳腔。

进一步地，所述轴向弹性元件和径向弹性元件均有两组；两组轴向弹性元件对待修研件的弹性力方向相反；两组径向弹性元件对待修研件的弹性力叠加。

进一步地，每组轴向弹性元件包括三个所述轴向弹性元件，每组径向弹性元件包括三个所述径向弹性元件；每组轴向弹性元件中的三个所述轴向弹性元件分布在待修研件的轴向一侧面；每组径向弹性元件中的三个所述径向弹性元件分布在待修研件的径向外表面。

进一步地，待修研件与所述修研杆之间的正压力与径向弹性元件在三个方向上的力Fr1、Fr2和Fr3之间存在关系模型；基于关系模型，根据所需的正压力获取径向弹性元件在三个方向上的力Fr1、Fr2、Fr3；径向弹性元件在三个方向上按Fr1、Fr2、Fr3施加弹性力，控制待修研件的半圆柱面在径向上的修研移动时的正压力大小。

进一步地，还包括导向杆，所述导向杆对所述修研杆与待修研件之间的相对运动起导向作用。

进一步地，所述导向杆至少有两个，所述导向杆穿过所述修研座。

进一步地，还包括侧面固定板，所述导向杆及所述修研杆的两端安装在所述侧面固定板。

进一步地，还包括用于工装定位的底座，所述侧面固定板安装在所述底座上。

第二个目的是提供针对半圆柱面工件的修研方法，采用如上任一项所述的针对半圆柱面工件的修研工装进行修研，包括以下步骤：

将待修研件装入所述修研座内，待修研件中的待修研的半圆柱面紧靠在所述修研杆上；

根据所需的正压力获取径向弹性元件的弹性力，实现待修研件的半圆柱面在径向上的修研；

通过轴向弹性元件改变待修研件与所述修研杆之间的正压力分布。

相比现有技术，本发明的有益效果在于：本发明可用于半圆柱面的高精度位置公差和形状公差修研，多用于微米亚微米级等常规机床难以达到的精度方面，且采用可调的柔性固定工装，约束待修研件和修研工具之间的正压力分布，并进行不同方向正压力的分解计算，从而在修研过程中，完成半圆柱面的形状公差、位置公差的调正，相对于传统手工修研，可用其将修研量和修研参数对应并固化，形成可靠的修研工艺控制。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明中的待修研的半圆柱面工件的示意图；

图2为本发明中的一种针对半圆柱面工件的修研工装的立体图；

图3为本发明中的一种针对半圆柱面工件的修研工装的一剖面图；

图4为图3中B-B的剖面图；

图5为图3中C-C的剖面图；

图6为本发明中的径向弹性元件的力学示意图；

图7为图3中D-D的剖面图；

图8为本发明中的轴向弹性元件的一力学示意图；

图9为本发明中的轴向弹性元件的另一力学示意图。

图中所示：

1、待修研件；111、待修研半圆柱面；2、轴向弹性元件；3、径向弹性元件；4、修研座；5、修研杆；6、导向杆；7、侧面固定板；8、底座；9、第一螺钉；10、第一螺母；11、第二螺钉；12、第三螺钉；13、第四螺钉。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，本发明的前述和其它目的、特征、方面和优点将变得更加明显，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。在附图中，为清晰起见，可对形状和尺寸进行放大，并将在所有图中使用相同的附图标记来指示相同或相似的部件。在下列描述中，诸如中心、厚度、高度、长度、前部、背部、后部、左边、右边、顶部、底部、上部、下部等用词为基于附图所示的方位或位置关系。特别地，“高度”相当于从顶部到底部的尺寸，“宽度”相当于从左边到右边的尺寸，“深度”相当于从前到后的尺寸。这些相对术语是为了说明方便起见并且通常并不旨在需要具体取向。涉及附接、联接等的术语(例如，“连接”和“附接”)是指这些结构通过中间结构彼此直接或间接固定或附接的关系、以及可动或刚性附接或关系，除非以其他方式明确地说明。

接下来，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。

如图1-9所示，一种针对半圆柱面工件的修研工装，用于对四极杆极座进行修研，包括：用于弹性支撑待修研件1的轴向弹性元件2和径向弹性元件3；用于支撑轴向弹性元件2和径向弹性元件3的修研座4；与待修研件1产生相对运动的修研杆5，修研杆5的两端固定，待修研件1位于修研座4内，待修研件1上的待修研半圆柱面111紧靠在所述修研杆5上。

轴向弹性元件2和径向弹性元件3对待修研件1进行弹性力约束，可调整所述轴向弹性元件2和径向弹性元件3的弹性力分配；径向弹性元件3分布在待修研件1的径向，待修研件1与所述修研杆5之间产生相对运动，以使所述修研杆5对待修研件1产生修研作用，实现待修研件1的待修研半圆柱面111在径向上的修研；所述轴向弹性元件2分布在待修研件1的轴向，改变待修研件1与所述修研杆5之间的正压力分布。

修研工装还包括导向杆6、侧面固定板7及用于工装定位的底座8。

导向杆6对修研杆5与待修研件1之间的相对运动起导向作用。导向杆6至少有两个，导向杆6穿过修研座4。

侧面固定板7固定导向杆6及修研杆5，即侧面固定板7有两个，导向杆6及修研杆5的两端安装在侧面固定板7上，具体地，参考图2和图4，在待修研件1安装在修研座4后，通过第一螺钉9及第一螺母10将两个修研座4连接起来，之后将修研座4套装在导向杆6上，同时待修研半圆柱面111贴靠修研杆5之后，通过第二螺钉11将导向杆6的两端安装在侧面固定板7上，通过第三螺钉12将修研杆5两端安装在侧面固定板7上，之后，将侧面固定板7通过第四螺钉13安装在底座8上。

参考图1，待修研件1为半圆柱面工件，半圆柱面工件具有待修研半圆柱面111，待修研半圆柱面111用于固定四个极杆，因此精度要求极高，现有的修研方法根据经验进行为手工修研。

本发明采用轴向弹性元件2和径向弹性元件3，将待修研件1的空间位置用弹性力进行约束，使其紧靠在修研杆5上。传统修研工装中，纯机械约束的硬性修研限制，修研工装的加工装配误差会直接在修研过程中，传递给待修研件，导致产生偏差。这就要求工装的加工装配精度极高，从而提升的工装的研制难度，而弹性力施加的约束则属于软约束，可在修研过程中极大缓解工装误差带来的传递误差。

参考图3，本发明中的修研座4有两个，两个修研座4连接后，两个修研座4之间形成容纳待修研件1的容纳腔。

轴向弹性元件2和径向弹性元件3均有两组；两组轴向弹性元件2分布在待修研件1两侧端面上，两组轴向弹性元件2对待修研件1的弹性力方向相反，合力相互抵消，但可产生弯矩，以改变待修研件1与修研杆5之间的正压力分布，对偏转修研量控制，以实现对半圆柱面形状修形；两组径向弹性元件3对待修研件1的弹性力叠加，可通过施加弹性力控制待修研件1与修研杆5之间的正压力大小和方向，即可控制待修研半圆柱面111在径向上的修研移动位置。

每组轴向弹性元件2包括三个轴向弹性元件2，每组径向弹性元件3包括三个径向弹性元件3；每组轴向弹性元件2中的三个轴向弹性元件2分布在待修研件1的轴向一侧面；每组径向弹性元件3中的三个径向弹性元件3分布在待修研件1的径向外表面。优选地，每组轴向弹性元件2中的三个轴向弹性元件2均匀分布在待修研件1的轴向一侧面；每组径向弹性元件3中的三个径向弹性元件3均匀分布在待修研件1的径向外表面。

具体地，参考图2至图9，每个修研座4上均设有三个轴向弹性元件2和三个径向弹性元件3，轴向弹性元件2对修研座4内的待修研件1施加轴向上的弹性力，径向弹性元件3对修研座4内的待修研件1施加径向上的弹性力。优选地，弹性元件为弹性柱销。

一修研座4上的三个轴向弹性元件2与另一修研座4上的三个轴向弹性元件2方向相反，一修研座4上的三个径向弹性元件3与另一修研座4上的三个径向弹性元件3方向相同，可合并为三个方向的合力，标记为Fr1、Fr2和Fr3。

在修研过程中，可以通过调整装置中六个轴向弹性元件和六个径向弹性元件的弹性力分配，从而改变待修研件1在图2中Y、Z方向的修研力，即用于Y、Z修研量控制，以及绕Y轴和绕Z轴修研力分布，即用于绕Y轴和绕Z轴的偏转修研量控制。从而实现对修研速度、圆柱面位置(朝两个方向的修研分量)、圆柱面的倾斜、偏摆等修研参数的调控。

具体地，参考图6，设所需正压力为Fv，六个径向弹性柱销中，相同角度两个径向弹性柱销上所加的力相同，可合并成一个合力。所以，设六个径向弹性柱销给待修研件1的力可合并为Fr1、Fr2和Fr3，设待修研件本身重为G。对以上力沿Fy和Fz方向进行分解，得到待修研件1与修研杆5之间的正压力Fv与径向弹性元件3在三个方向上的力Fr1、Fr2和Fr3之间存在关系模型，如下：

其中，α为待修研件1与修研杆5之间的所需的正压力Fv的角度，此类方程有无穷组解，选取符合实际，在径向弹性元件弹性力范围内的合适的解即可。即基于关系模型，根据所需的正压力Fv获取径向弹性元件3在三个方向上的力Fr1、Fr2、Fr3；径向弹性元件3在三个方向上按Fr1、Fr2、Fr3施加弹性力，控制待修研件1的半圆柱面在径向上的修研移动时的正压力大小，且以上力产生的绕X轴的合力矩主要通过端面六个轴向弹性元件的正压力产生的摩擦力进行自动平衡。

此外，轴向弹性元件2作用于待修研件1的状态和受力分析，如图8至图9，分布在待修研件1两侧端面的六个轴向弹性元件2，合力相互消除，但产生弯矩My和Mz，对应的，待修研件1和修研杆5之间会产生反作用力矩，从而改变待修研件1和修研杆5之间的正压力分布，可以产生绕Y轴和绕Z轴修研力分布，用于绕Y轴和绕Z轴的偏转修研量控制，从而实现半圆柱面形状修形，即对绕Y轴的偏转和绕Z轴的倾斜误差进行修研。具体修研时需要多大的力比较合适，即图9中的Fa1、Fa2、Fa3、Fa4、Fa5、Fa6，可以通过修研试验获得，一旦参数确定后即可固化修研工艺。

相应地，本发明还提供一种针对半圆柱面工件的修研方法，采用如上任一项的针对半圆柱面工件的修研工装进行修研，包括以下步骤：

检测待修研件，得到待修研半圆柱面的待修研量，其中，待修研件为四极杆极座，待修研半圆柱面111用于固定四极杆；

根据待修研量得到待修研角度及所需的正压力Fv，其中，所需的正压力Fv与待修研量存在对应关系；

将待修研件1装入修研座4内，待修研件1中的待修研的半圆柱面紧靠在修研杆5上；

根据所需的正压力Fv获取径向弹性元件3的弹性力，实现待修研件1的半圆柱面在径向上的修研；其中，径向弹性元件3的弹性力与径向弹性元件3的变形量存在对应关系，根据径向弹性元件3在三个方向上的弹性力，获得三个方向上的径向弹性元件3的变形量；通过改变三个方向上的径向弹性元件3的变形量实现待修研件1的半圆柱面在径向上的修研；

通过轴向弹性元件2改变待修研件1与修研杆5之间的正压力分布。

其中，检测待修研件采用高精度检测仪器，例如高精度三坐标测量机、高精度圆度仪。例如，高精度检测仪器检测到半圆柱面在图6中的Y轴、Z轴待修研量分别为0.1μm、0.1732μm，即可得到tanα等于0.1/0.1732，进而得到α为30°。所需的正压力Fv需要经过一些修研试验，得到待修研量与修研力之间的对应关系。比如，修研力1N，修研100次可得到1μm的修研量。在得到该对应关系公式后，当待修研量为0.3μm，则需要控制Fv等于0.3N，并进行100次修研，即可得到所需的0.3μm待修研量。修研结束后，采用高精度检测仪器，例如高精度三坐标测量机、高精度圆度仪，重新检测待修研件的精度是否达到要求。

现有技术中对四极杆极座的手工修研涉及多次修研装修迭代，中间修研装配过程耗时耗力，且装配精度不稳定，仅能保证6μm的精度。而本发明根据待修研量确定所需的正压力和方向，对待修研件进行定量化修研，修研精度可以达到小于0.01μm的精度要求，对于修研力的控制要显著优于人的手感，且通过试验摸索，便于形成可量化的修研力与修研量之间的对应关系，从而固化工艺参数，形成稳定的修研工艺。本发明可用于半圆柱面的高精度位置公差和形状公差修研，多用于微米亚微米级等常规机床难以达到的精度方面，且采用可调的柔性固定工装，约束待修研件和修研工具之间的正压力分布，并进行不同方向正压力的分解计算，从而在修研过程中，完成半圆柱面的形状公差、位置公差的调正，相对于传统手工修研，可用其将修研量和修研参数对应并固化，形成可靠的修研工艺控制。

以上，仅为本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制；凡本行业的普通技术人员均可按说明书附图所示和以上而顺畅地实施本发明；但是,凡熟悉本专业的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时,凡依据本发明的实质技术对以上实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变等，均仍属于本发明的技术方案的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种针对半圆柱面工件的修研工装，其特征在于，包括：

用于弹性支撑待修研件(1)的轴向弹性元件(2)和径向弹性元件(3)；

用于支撑所述轴向弹性元件(2)和径向弹性元件(3)的修研座(4)；

与待修研件(1)产生相对运动的修研杆(5)；

待修研件(1)位于所述修研座(4)内，待修研件(1)上的待修研半圆柱面(111)紧靠在所述修研杆(5)上；

所述轴向弹性元件(2)和径向弹性元件(3)对待修研件(1)进行弹性力约束，可调整所述轴向弹性元件(2)和径向弹性元件(3)的弹性力分配；所述径向弹性元件(3)分布在待修研件(1)的径向，待修研件(1)与所述修研杆(5)之间产生相对运动，以使所述修研杆(5)对待修研件(1)产生修研作用，实现待修研件(1)的待修研半圆柱面(111)在径向上的修研；所述轴向弹性元件(2)分布在待修研件(1)的轴向，改变待修研件(1)与所述修研杆(5)之间的正压力分布。

2.如权利要求1所述的针对半圆柱面工件的修研工装，其特征在于，所述修研座(4)有两个，两个所述修研座(4)连接后，两个所述修研座(4)之间形成容纳待修研件(1)的容纳腔。

3.如权利要求1所述的针对半圆柱面工件的修研工装，其特征在于，所述轴向弹性元件(2)和径向弹性元件(3)均有两组；

两组轴向弹性元件(2)对待修研件(1)的弹性力方向相反；

两组径向弹性元件(3)对待修研件(1)的弹性力叠加。

4.如权利要求3所述的针对半圆柱面工件的修研工装，其特征在于，每组轴向弹性元件(2)包括三个所述轴向弹性元件(2)，每组径向弹性元件(3)包括三个所述径向弹性元件(3)；

每组轴向弹性元件(2)中的三个所述轴向弹性元件(2)分布在待修研件(1)的轴向一侧面；

每组径向弹性元件(3)中的三个所述径向弹性元件(3)分布在待修研件(1)的径向外表面。

5.如权利要求4所述的针对半圆柱面工件的修研工装，其特征在于，待修研件(1)与所述修研杆(5)之间的正压力与径向弹性元件(3)在三个方向上的力Fr1、Fr2和Fr3之间存在关系模型；

基于关系模型，根据所需的正压力获取径向弹性元件(3)在三个方向上的力Fr1、Fr2、Fr3；

径向弹性元件(3)在三个方向上按Fr1、Fr2、Fr3施加弹性力，控制待修研件(1)的半圆柱面在径向上的修研移动时的正压力大小。

6.如权利要求1所述的针对半圆柱面工件的修研工装，其特征在于，还包括导向杆(6)，所述导向杆(6)对所述修研杆(5)与待修研件(1)之间的相对运动起导向作用。

7.如权利要求6所述的针对半圆柱面工件的修研工装，其特征在于，所述导向杆(6)至少有两个，所述导向杆(6)穿过所述修研座(4)。

8.如权利要求6所述的针对半圆柱面工件的修研工装，其特征在于，还包括侧面固定板(7)，所述导向杆(6)及所述修研杆(5)的两端安装在所述侧面固定板(7)。

9.如权利要求8所述的针对半圆柱面工件的修研工装，其特征在于，还包括用于工装定位的底座(8)，所述侧面固定板(7)安装在所述底座(8)上。

10.一种针对半圆柱面工件的修研方法，其特征在于，采用如权利要求1-9任一项所述的针对半圆柱面工件的修研工装进行修研，包括以下步骤：

将待修研件(1)装入所述修研座(4)内，待修研件(1)中的待修研的半圆柱面紧靠在所述修研杆(5)上；

根据所需的正压力获取径向弹性元件(3)的弹性力，实现待修研件(1)的半圆柱面在径向上的修研；

通过轴向弹性元件(2)改变待修研件(1)与所述修研杆(5)之间的正压力分布。

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