CN113290465A - 一种曲面磨削加工装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种曲面磨削加工装置及方法，属于磨削设备技术领域。曲面磨削加工装置包括安装轴和砂轮，所述安装轴内部设置有中空腔，所述中空腔的顶部贯穿至所述安装轴的顶端，所述安装轴的侧壁开设有贯穿至所述中空腔的第一导流孔，所述砂轮适于套设在所述安装轴上并随所述安装轴同步转动，所述砂轮表面开设有纹理槽，所述纹理槽中开设有第二导流孔，所述纹理槽适于通过所述第二导流孔和所述第一导流孔与所述中空腔连通。提高了磨削加工精度和产品质量。

Description

一种曲面磨削加工装置及方法

技术领域

本发明涉及磨削设备技术领域，具体而言，涉及一种曲面磨削加工装置及方法。

背景技术

目前，像榫齿这样的曲面结构是涡轮发动机叶片的重要组成部分，这些曲面结构与叶片的使用性能密切相关。同时，像航空发动机这样的大型器械，可能包含有成千上万的叶片，这些叶片的榫齿部分具有复杂的结构，并且与榫齿沟槽部分精密配合，通常需要通过精密磨削才能满足严苛的精加工要求。

在众多加工方式中，由于成型磨削具有较高的廓形保持精度，在大批量生产中成本也较低，继而被广泛应用，然而，传统的成型模具经常出现与热损伤密切相关的问题，如残余拉应力、金属相变、磨削硬化层，以及热因素引起的表面亚表面微裂纹等。这一方面可能是由于更多的热量在他们的接触线上产生，随着磨具与工件接触区域的增大导致热量增多，另一方面在磨削区产生的热量很难消散，尤其是在磨具和工件接触的凸起与凹陷的部分更容易热聚集。此外，在接触区凸起与凹陷部分的线速度不同所产生的热量差，也可能导致工件热变形的发生和残余应力的形成。

发明内容

本发明旨在提高磨削加工精度和产品质量。

为解决上述问题，本发明提供了一种曲面磨削加工装置，包括安装轴和砂轮，所述安装轴内部设置有中空腔，所述中空腔的顶部贯穿至所述安装轴的顶端，所述安装轴的侧壁开设有贯穿至所述中空腔的第一导流孔，所述砂轮适于套设在所述安装轴上并随所述安装轴同步转动，所述砂轮表面开设有纹理槽，所述纹理槽中开设有第二导流孔，所述纹理槽适于通过所述第二导流孔和所述第一导流孔与所述中空腔连通。

进一步地，该装置还包括托架和导轨，所述托架适于沿所述导轨的长度方向移动，所述托架上设置有驱动机构，所述驱动机构适于驱动所述安装轴转动，待磨削的曲面工件适于相对所述砂轮沿垂直于所述导轨的长度方向移动。

进一步地，所述驱动机构为电机，所述电机的电机轴开设有凹腔，所述安装轴的顶端与所述凹腔的内壁螺纹连接，所述电机轴的中心设置有内流道，所述内流道的顶端贯穿所述电机，所述内流道的底端适于与所述中空腔连通，所述内流道用于将冷却液输送至所述中空腔内。

进一步地，所述中空腔的底部贯穿至所述安装轴的底端，所述中空腔的底部适于通过挡块封闭。

进一步地，所述安装轴上部设置有定位台阶，所述安装轴的下部螺纹连接有螺母，所述螺母适于将所述砂轮锁紧固定在所述定位台阶下侧，所述第一导流孔位于所述定位台阶和所述螺母之间。

进一步地，所述纹理槽为螺旋槽，所述螺旋槽的两端分别位于所述砂轮的顶部和底部。

进一步地，所述砂轮包括凸起部和凹陷部，位于所述凸起部的所述螺旋槽的螺距大于位于所述凹陷部的所述螺旋槽的螺距。

进一步地，所述安装轴的侧壁开设有多个环形槽，所述第一导流孔设置于所述环形槽中，所述第一导流孔的内径和所述第二导流孔的内径均小于所述环形槽的宽度。

另外，本发明还提供一种曲面磨削加工方法，所述曲面磨削加工方法基于如上所述的曲面磨削加工装置，包括：

通过旋转的砂轮于加工方向的运动和曲面工件于进给方向的运动的配合，以使所述砂轮对所述曲面工件进行磨削，其中，所述加工方向为所述曲面工件的长度方向，所述进给方向与所述加工方向垂直；

当所述砂轮旋转时，通过向安装轴的中空腔内注入冷却液，以使所述冷却液在离心力下依次通过第一导流孔和第二导流孔后进入纹理槽中而完成对所述曲面工件的冷却。

进一步地，所述通过旋转的砂轮于加工方向的运动和曲面工件于进给方向的运动的配合，以使所述砂轮对所述曲面工件进行磨削包括：

将所述砂轮置于所述曲面工件的长条槽中，在所述进给方向上，通过改变所述长条槽的一侧曲面与所述砂轮的相对距离确定所述长条槽的一侧曲面的磨削厚度，之后在所述加工方向上，通过改变所述长条槽与所述砂轮的相对位置完成所述长条槽的一侧曲面的磨削；

将所述砂轮置于所述长条槽中，在所述进给方向上，通过改变所述长条槽的另一侧曲面与所述砂轮的相对距离确定所述长条槽的另一侧曲面的磨削厚度，之后在所述加工方向上，通过改变所述长条槽与所述砂轮的相对位置完成所述长条槽的另一侧曲面的磨削。

与现有技术相比，本发明提供的一种曲面磨削加工装置及方法，具有但不局限于以下技术效果：

砂轮套设在安装轴上，以和待磨削的曲面工件接触，可通过安装轴与驱动装置连接，进而驱动砂轮高速旋转，实现磨削。通过在安装轴的内部设置有中空腔，在安装轴的周面设置有连通中空腔的第一导流孔，且通过在砂轮的周面开设有纹理槽和位于纹理槽中的第二导流孔，如此使得砂轮和安装轴高速旋转时，可从安装轴顶部向中空腔内部注入冷却液，并在离心力作用下，使冷却液快速通过第一导流孔和第二导流孔进入纹理槽，进入纹理槽的冷却液实现对曲面工件的磨削区相应位置的冷却，大大避免了出现热损伤相关问题，提高了磨削加工精度和产品的质量。

另外，由于冷却液是由离心力被甩出至纹理槽，与曲面工件的磨削区接触时有一定的冲击力，随着砂轮的旋转，可以将磨削区处产生的磨屑一部分容置纹理槽中，一部分直接冲刷走，实现了在降温的同时清洗净化磨削区的磨屑的作用，避免磨屑破坏曲面工件表面质量。

再者，由于安装轴高速旋转所产生的离心力，冷却液流出后在中空腔中留下负压力，会持续带动外部冷却液的进入中空腔，如此，在向中空腔中注入冷却液时，可以不用泵提供注入动力或者使用小功率泵即可。

附图说明

图1为本发明实施例的安装轴的示意性结构图；

图2为图1中C-C面的示意性剖视图；

图3为本发明实施例的安装轴与砂轮配合的示意性结构图；

图4为本发明实施例的安装轴与砂轮配合的示意性俯视图；

图5为本发明实施例的曲面磨削加工装置使用时的示意性结构图；

图6为本发明实施例的曲面磨削加工装置使用时的局部示意图；

图7为图5的A-A面的示意性剖视图。

标记说明：

1-曲面工件，2-砂轮，21-纹理槽，22-第二导流孔，3-安装轴，31-第一螺纹结构，32-锥面结构，33-中空腔，34-定位台阶，35-环形槽，36-第一导流孔，37-第二螺纹结构，38-挡块，39-螺母，4-托架，42-轴承，5-导轨，6-驱动机构，61-电机轴，7-内流道。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

而且，附图中Z轴表示竖向，也就是上下位置，并且Z轴的正向(也就是Z轴的箭头指向)表示上，Z轴的负向(也就是与Z轴的正向相反的方向)表示下。附图中Y轴表示水平方向，并指定为左右位置，并且Y轴的正向(也就是Y轴的箭头指向)表示左侧，Y轴的负向(也就是与Y轴的正向相反的方向)表示右侧；附图中X轴表示前后位置，并且X轴的正向(也就是X轴的箭头指向)表示前侧，X轴的负向(也就是与X轴的正向相反的方向)表示后侧；同时需要说明的是，前述Z轴、Y轴及X轴的表示含义仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

参见图1至图4，本发明实施例提供了一种曲面磨削加工装置，包括安装轴3和砂轮2，所述安装轴3内部设置有中空腔33，所述中空腔33的顶部贯穿至所述安装轴3的顶端，所述安装轴3的侧壁开设有贯穿至所述中空腔33的第一导流孔36，所述砂轮2的外轮廓与待磨削的曲面工件1的曲面轮廓相匹配，所述砂轮2适于套设在所述安装轴3上并随所述安装轴3同步转动，所述砂轮2表面开设有纹理槽21，所述纹理槽21中开设有第二导流孔22，所述纹理槽21适于通过所述第二导流孔22和所述第一导流孔36与所述中空腔33连通。

这里，砂轮2套设在安装轴3上，可通过安装轴3与外部的驱动装置连接，进而驱动砂轮2高速旋转，实现磨削。通过在安装轴3的内部设置有中空腔33，在安装轴3的周面设置有连通中空腔33的第一导流孔36，且通过在砂轮2的周面开设有纹理槽21和位于纹理槽21中的第二导流孔22，如此使得砂轮2和安装轴3高速旋转时，可从安装轴3顶部向中空腔33内部注入冷却液，并在离心力作用下，冷却液快速通过第一导流孔36和第二导流孔22进入纹理槽21，进入纹理槽21的冷却液实现对曲面工件1的磨削区相应位置的冷却，大大避免了出现热损伤相关问题，提高了磨削加工精度和产品的质量。

另外，由于冷却液是由离心力被甩出至纹理槽，与曲面工件1的磨削区接触时有一定的冲击力，随着砂轮2的旋转，可以将磨削区处产生的磨屑一部分容置纹理槽21中，一部分直接冲刷走，实现了在降温的同时清洗净化磨削区的磨屑的作用，避免磨屑破坏曲面工件表面质量。

另外，由于安装轴3高速旋转所产生的离心力，冷却液流出后在中空腔33中留下负压力，会持续带动外部冷却液的进入中空腔33，如此，在向中空腔33中注入冷却液时，可以不用泵提供注入动力或者使用小功率泵即可。

可以理解的是，在砂轮2套设安装在安装轴3上后，砂轮中的第二导流孔22与安装轴3中的第一导流孔36一一对应接通。

可选地，曲面磨削加工装置还包括托架4和导轨5，所述托架4适于沿所述导轨5的长度方向(X轴方向)移动，所述托架4上设置有驱动机构6，所述驱动机构6适于驱动安装轴3转动，待磨削的曲面工件1适于相对所述砂轮2沿垂直于所述导轨5的长度方向移动，具体地，所述曲面工件1适于夹装在工作台上，且所述曲面工件1适于在所述工作台的带动下沿垂直于所述导轨5的长度方向移动。

这里，通过设置托架4和导轨5，如此，通过托架4沿着导轨5的滑动，使砂轮2也沿着导轨5移动，在通过工作台对曲面工件1的进给运动，两者移动配合下，完成曲面工件的磨削区的磨削(曲面工件1的长度方向事先与导轨5平行)。

参见图5至图7，可选地，所述驱动机构6为电机，所述电机的电机轴61开设有凹腔，所述安装轴3的顶端与所述凹腔的内壁螺纹连接，所述电机轴61的中心设置有内流道7，所述内流道7的顶端贯穿所述电机，所述内流道7的底端适于与所述中空腔33连通，所述内流道7用于将冷却液输送至所述中空腔33内。

这里，通过电机直接驱动安装轴3转动，可以是电机通过中间的传动机构间接驱动安装轴3转动。在电机直接驱动安装轴3转动时，在电机轴61底部设置有凹腔，安装轴3的顶端设置有第一螺纹结构31，进而通过第一螺纹结构31实现安装轴3的顶端与凹腔螺纹连接，可以理解的是，凹腔的内壁也设置有与第一螺纹结构31相匹配的螺纹。

这里，内流道7的顶部外接输送水管时，可以与外部的输送水管转动连接，如此，保证电机转动后，内流道7与外部的输送水管连接处不会打结。

参见图6，可选地，安装轴3周面设置有锥面结构32，第一螺纹结构31设置在所述锥面结构32以上的位置，电机轴61的凹腔形状包括与该锥面结构32相匹配的锥形腔，可通过锥面结构32与锥形腔的配合提供安装轴3的定位作用。

参见图1，可选地，所述中空腔33的底部贯穿至所述安装轴3的底端，所述中空腔33的底部适于通过挡块38封闭。

这里，中空腔33的底端贯穿至所述安装轴3的底端，即中空腔33上下通透，如此设置，可以通过卸掉挡块38，实现对中空腔33的定期或不定期清洗，在磨削使用时，将挡块38封堵在中空腔33的底端即可。

参见图1至图3，可选地，所述安装轴3上部设置有定位台阶34，所述安装轴3的下部螺纹连接有螺母39，所述螺母39适于将所述砂轮2锁紧固定在所述定位台阶34下侧，所述第一导流孔36位于所述定位台阶34和所述螺母39之间。

这里，安装轴3的下部螺纹连接有螺母39，具体是在安装轴3的下部设置有第二螺纹结构37，通过第二螺纹结构37实现与螺母39的连接，安装砂轮2时，先将螺母39卸下，将砂轮2从安装轴3的下端套入，之后通过螺母39连接在第二螺纹结构37上，随着螺母39的向上旋进而将砂轮2定位在定位台阶34的下侧，保证砂轮2安装到位。

参见图3，可选地，所述纹理槽21为一条连续的螺旋槽，所述螺旋槽的两端分别位于所述砂轮2的顶部和底部。

这里，纹理槽21为一个连续的螺旋槽，且螺旋槽的两端位于砂轮2的顶部和底部，如此，容置在螺旋槽中的磨屑在随着冷却液从螺旋槽的两端排出，防止造成堵塞，在重力作用下，主要从螺旋槽的底端排出。

参见图3，可选地，所述砂轮2的外轮廓与待磨削的曲面工件1的曲面轮廓相匹配，砂轮包括凸起部和凹陷部，位于所述凸起部的所述螺旋槽的螺距大于位于所述凹陷部的所述螺旋槽的螺距。

这里，由于砂轮2凸起部位的直径大于凹陷布置的直径，导致砂轮2凸起部位的磨削线速度比砂轮2凹陷部位的磨削线速度要大，进而使得砂轮2凸起部位于曲面工件1接触的位置产生的热量更多，通过在砂轮2凸起部位处的螺旋槽的螺距设置较大，使得有更多的冷却液分布在此处，进而平衡曲面工件1磨削区的热量分布，在降低磨削温度的同时，实现“等温度场”的曲面精密磨削加工。

可选地，所述安装轴3的侧壁开设有多个环形槽35，所述第一导流孔36设置于所述环形槽35中，所述第一导流孔36的内径和所述第二导流孔22的内径均小于所述环形槽35的宽度。

这里，在安装轴3的周面开设有多个环形槽35，通过环形槽35分别连接第一导流孔36和第二导流孔22，由于环形槽35的宽度大于第一导流孔36和第二导流孔22的内径，如此，第一导流孔36流出的冷却液进入环形槽35后再进入第二导流孔22，通过环形槽35这个桥梁，避免第二导流孔22与第一导流孔36发生偏差而对不准。

可选地，导轨5的形状轨迹可以根据曲面工件1整体的延伸方向设计，如曲面工件1的磨削区在水平方向上的走向呈S形，则导轨5在水平方向上的走形也呈S形，如果磨削区呈圆形，则导轨5也呈圆形。

另外，本发明另一实施例还提供一种曲面磨削加工方法，所述曲面磨削加工方法基于所述的曲面磨削加工装置，包括：

通过旋转的砂轮2于加工方向(X轴方向)的运动和曲面工件1于进给方向(Y轴方向)的运动的配合，以使所述砂轮2对所述曲面工件1进行磨削，其中，所述加工方向为所述曲面工件1的长度方向，所述进给方向与所述加工方向垂直；

当所述砂轮2旋转时，通过向安装轴3的中空腔33内注入冷却液，以使所述冷却液在离心力下依次通过第一导流孔36和第二导流孔22后进入纹理槽21中而完成对所述曲面工件1的冷却。

这里，曲面工件为榫齿时，其具有一个长条槽，该长条槽的长度方向(X轴方向)与曲面工件1的长度方向一致，相应地，这里对曲面工件1的磨削指的是对长条槽在其长度方向上的两侧曲面进行磨削。可将曲面工件1固定于工作台上，并使所述曲面工件1长度方向与导轨5的长度方向平行，将砂轮2固定在安装轴3上；通过驱动机构6带动安装轴3和所述砂轮2旋转，并将冷却液注入中空腔33，使所述冷却液在离心力作用下依次经由第一导流孔36和第二导流孔22后进入纹理槽21；沿所述导轨5方向移动托架4以实现砂轮2对所述曲面工件1的磨削区的磨削。

可选地，所述通过旋转的砂轮2于加工方向的运动和曲面工件1于进给方向的运动的配合，以使所述砂轮2对所述曲面工件1进行磨削包括：

将所述砂轮置于所述曲面工件1的长条槽中，在所述进给方向上，通过改变所述长条槽的一侧曲面与所述砂轮2的相对距离确定所述长条槽的一侧曲面的磨削厚度，之后在所述加工方向上，通过改变所述长条槽与所述砂轮2的相对位置完成所述长条槽的一侧曲面的磨削；

将所述砂轮2置于所述长条槽中，在所述进给方向上，通过改变所述长条槽的另一侧曲面与所述砂轮2的相对距离确定所述长条槽的另一侧曲面的磨削厚度，之后在所述加工方向上，通过改变所述长条槽与所述砂轮2的相对位置完成所述长条槽的另一侧曲面的磨削。

这里，磨削厚度的确定可以是：旋转的砂轮2位置先保持不变，通过工作台调节曲面工件1在进给方向上的运动，使长条槽的一侧曲面逐渐靠近旋转的砂轮，随着曲面工件1的继续进给，长条槽的一侧曲面在进给方向上被磨削的厚度逐渐增多，当曲面工件1停止进给时，长条槽的一侧曲面的磨削厚度也就确定了，之后可以在加工方向上改变砂轮2与长条槽的相对位置，进而完成长条槽的一侧曲面的磨削。完成长条槽的一侧曲面磨削后，再完成对长条槽另一侧曲面的磨削。

可选地，所述的曲面磨削加工方法还包括：根据所述曲面工件1的曲面轮廓以及所需加工参数确定纹理槽21的结构，以平衡所述曲面工件1的磨削区的热量分布。

这里，对于磨削过程中所产生的热量，可根据廓形上对应的磨削线速度大小及砂轮2结构等特征，确定热量的产生比例。然后，根据这个比例设计出相应的具有导流功能的纹理槽，将更多的冷却液带入到磨削区中热量产生比例较高的区域，平衡磨削区中的热量分布，降低磨削温度，同时实现“等温度场”的曲面精密磨削加工。

术语“第一”、“第二”、“第三”和“第四”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”和“第四”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。

虽然本发明公开披露如上，但本发明公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本发明公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种曲面磨削加工装置，其特征在于，包括安装轴(3)和砂轮(2)，所述安装轴(3)内部设置有中空腔(33)，所述中空腔(33)的顶部贯穿至所述安装轴(3)的顶端，所述安装轴(3)的侧壁开设有贯穿至所述中空腔(33)的第一导流孔(36)，所述砂轮(2)适于套设在所述安装轴(3)上并随所述安装轴(3)同步转动，所述砂轮(2)表面开设有纹理槽(21)，所述纹理槽(21)中开设有第二导流孔(22)，所述纹理槽(21)适于通过所述第二导流孔(22)和所述第一导流孔(36)与所述中空腔(33)连通。

2.根据权利要求1所述的曲面磨削加工装置，其特征在于，还包括托架(4)和导轨(5)，所述托架(4)适于沿所述导轨(5)的长度方向移动，所述托架(4)上设置有驱动机构(6)，所述驱动机构(6)适于驱动所述安装轴(3)转动，待磨削的曲面工件(1)适于相对所述砂轮(2)沿垂直于所述导轨(5)的长度方向移动。

3.根据权利要求2所述的曲面磨削加工装置，其特征在于，所述驱动机构(6)为电机，所述电机的电机轴(61)开设有凹腔，所述安装轴(3)的顶端与所述凹腔的内壁螺纹连接，所述电机轴(61)的中心设置有内流道(7)，所述内流道(7)的顶端贯穿所述电机，所述内流道(7)的底端适于与所述中空腔(33)连通，所述内流道(7)用于将冷却液输送至所述中空腔(33)内。

4.根据权利要求1所述的曲面磨削加工装置，其特征在于，所述中空腔(33)的底部贯穿至所述安装轴(3)的底端，所述中空腔(33)的底部适于通过挡块(38)封闭。

5.根据权利要求1所述的曲面磨削加工装置，其特征在于，所述安装轴(3)上部设置有定位台阶(34)，所述安装轴(3)的下部螺纹连接有螺母(39)，所述螺母(39)适于将所述砂轮(2)锁紧固定在所述定位台阶(34)下侧，所述第一导流孔(36)位于所述定位台阶(34)和所述螺母(39)之间。

6.根据权利要求1所述的曲面磨削加工装置，其特征在于，所述纹理槽(21)为螺旋槽，所述螺旋槽的两端分别位于所述砂轮(2)的顶部和底部。

7.根据权利要求6所述的曲面磨削加工装置，其特征在于，所述砂轮(2)包括凸起部和凹陷部，位于所述凸起部的所述螺旋槽的螺距大于位于所述凹陷部的所述螺旋槽的螺距。

8.根据权利要求1所述的曲面磨削加工装置，其特征在于，所述安装轴(3)的侧壁开设有多个环形槽(35)，所述第一导流孔(36)设置于所述环形槽(35)中，所述第一导流孔(36)的内径和所述第二导流孔(22)的内径均小于所述环形槽(35)的宽度。

9.一种曲面磨削加工方法，基于权利要求1至8中任一项所述的曲面磨削加工装置，其特征在于，包括：

通过旋转的砂轮(2)于加工方向的运动和曲面工件(1)于进给方向的运动的配合，以使所述砂轮(2)对所述曲面工件(1)进行磨削，其中，所述加工方向为所述曲面工件(1)的长度方向，所述进给方向与所述加工方向垂直；

当所述砂轮(2)旋转时，通过向安装轴(3)的中空腔(33)内注入冷却液，以使所述冷却液在离心力下依次通过第一导流孔(36)和第二导流孔(22)后进入纹理槽(21)中而完成对所述曲面工件(1)的冷却。

10.根据权利要求9所述的曲面磨削加工方法，其特征在于，所述通过旋转的砂轮(2)于加工方向的运动和曲面工件(1)于进给方向的运动的配合，以使所述砂轮(2)对所述曲面工件(1)进行磨削包括：

将所述砂轮(2)置于所述曲面工件(1)的长条槽中，在所述进给方向上，通过改变所述长条槽的一侧曲面与所述砂轮(2)的相对距离确定所述长条槽的一侧曲面的磨削厚度，之后在所述加工方向上，通过改变所述长条槽与所述砂轮(2)的相对位置完成所述长条槽的一侧曲面的磨削；

将所述砂轮(2)置于所述长条槽中，在所述进给方向上，通过改变所述长条槽的另一侧曲面与所述砂轮(2)的相对距离确定所述长条槽的另一侧曲面的磨削厚度，之后在所述加工方向上，通过改变所述长条槽与所述砂轮(2)的相对位置完成所述长条槽的另一侧曲面的磨削。

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