CN113953905B - 一种基于球头砂轮的变磨削深度和磨削转角的复杂薄壁零件磨削加工工艺方法 - Google Patents

一种基于球头砂轮的变磨削深度和磨削转角的复杂薄壁零件磨削加工工艺方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于球头砂轮的变磨削深度和磨削转角的复杂薄壁零件磨削加工工艺方法，涉及复杂薄壁零件磨削加工工艺的技术领域，解决了小型复杂薄壁零件超精密磨削加工过程中，磨削质量与效率难以兼顾、磨削过程易产生干涉的问题，本发明采用小尺寸球头砂轮，能够对工件表面上曲率半径为2～2.5mm处的面型位置进行有效磨削，具有较强的适用性，在不同加工轨迹阶段分别设定C轴转台角度为‑8度、+8度、‑80度，能够防止球头砂轮与工件发生干涉，提高工件在加工过程中的安全性，设定的C轴转台角度，能够使球头砂轮不同位置与工件表面相接触，球头砂轮磨损更加均匀，能够更好地保持球头砂轮的球度，减小因球头砂轮磨损造成的加工误差，保证了磨削的高精度。

Description

一种基于球头砂轮的变磨削深度和磨削转角的复杂薄壁零件 磨削加工工艺方法
技术领域
本发明涉及复杂薄壁零件磨削加工工艺的技术领域，尤其涉及一种基于球头砂轮的变磨削深度和磨削转角的复杂薄壁零件磨削加工工艺方法。
背景技术
在航空航天、光学、微电子等领域中的核心器件呈现出结构复杂化、小型化、高加工要求化等发展趋势以增强其功能特性并减小特征尺寸，这些器件多采用难以加工的硬脆材料，这也增加了其制备难度，目前，超精密磨削是其有效的加工方式，其加工质量直接决定了器件的工作精度和使用寿命。但超精密磨削过程中，磨削深度选择过大，会超过硬脆材料的临界切削深度，无法实现塑性域磨削，加剧工件亚表面损伤，甚至使工件破碎；磨削深度选择过小，会增加磨削时间，降低加工效率，提高工件加工成本；此外，工件与球头砂轮之间极易产生干涉，导致薄壁构件的破碎进而影响加工效率。因此需要制定一种兼顾磨削质量与效率，并防止磨削干涉的加工工艺方法。
发明内容
针对小型复杂薄壁零件超精密磨削加工过程中，磨削质量与效率难以兼顾、磨削过程易产生干涉的问题，本发明的目的在于提供一种基于球头砂轮的变磨削深度和磨削转角的复杂薄壁零件磨削加工工艺方法。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种基于球头砂轮的变磨削深度和磨削转角的复杂薄壁零件磨削加工工艺方法，其中，适用于磨削加工机床，所述磨削加工机床上设有用于夹持球头砂轮6的工具主轴5和用于夹持工件9的工件主轴10，所述工具主轴5安装在磨削加工机床的C轴转台1上；
所述基于球头砂轮的变磨削深度和磨削转角的复杂薄壁零件磨削加工工艺方法包括：
S1：对工件9和球头砂轮6进行装夹，调节球头砂轮6相对于C轴转台1的位置，使得球头砂轮6球心位于C轴转台1的中心轴线，操作机床控制系统使磨削加工机床回零；
S2：通过CCD相机和放大镜头监控工件9轮廓特征点，依据工件9轮廓特征点的空间位置调整球头砂轮6的空间位置以实现球头砂轮6与工件9之间的对刀操作，根据多个工件9轮廓特征点的空间位置绘制工件9的实际轮廓线，依据工件9的实际轮廓线的尺寸参数设计工件9的实际加工轨迹14并编写数控加工程序；
S3：依据工件9的实际加工轨迹14的起始点在工件9轮廓线上选取加工的起始点，将球头砂轮6移动至实际加工轨迹14的起始点；
S4：对工件9的加工区域喷射磨削液；
S5：通过机床运动系统分别控制工具主轴5与工件主轴10旋转；
S6：运行数控加工程序，机床运动系统控制球头砂轮6依照实际加工轨迹14对工件9进行初次磨削操作；
S7：球头砂轮6重新回到加工的起始点，完成初次磨削操作后，调整球头砂轮6的砂轮进给量增加第一设定值，机床运动系统控制球头砂轮6依照实际加工轨迹14对工件9进行二次磨削操作；
S8：二次磨削操作时，无磨削声音，待本次磨削操作完成后，需重复步骤S7，直至二次磨削操作时，出现周期性磨削声音，待本次磨削操作完成后，二次磨削操作完成；
S9：调整砂轮进给量增加第二设定值，机床运动系统控制球头砂轮6依照实际加工轨迹14对工件9进行三次磨削操作；
S10：待本次磨削操作完成后，重复步骤S9，直至二次磨削操作和三次磨削操作中砂轮进给量的增加总量达到三次磨削设定进给总量，待本次磨削操作完成后，三次磨削操作完成；
S11：调整砂轮进给量增加第三设定值，机床运动系统控制球头砂轮6依照实际加工轨迹14对工件9进行四次磨削操作；
S12：待本次磨削操作完成后，重复步骤S11，直至二次磨削操作、三次磨削操作和四次磨削操作中砂轮进给量的增加总量达到四次磨削设定进给总量，待本次磨削操作完成后，四次磨削操作完成；
S13：调整砂轮进给量增加第四设定值，机床运动系统控制球头砂轮6依照实际加工轨迹14对工件9进行五次磨削操作；
S14：待本次磨削操作完成后，重复步骤S13，直至二次磨削操作、三次磨削操作、四次磨削操作和五次磨削操作中砂轮进给量的增加总量达到五次磨削设定进给总量，待本次磨削操作完成后，五次磨削操作完成；
S15：运行数控加工程序，机床运动系统控制球头砂轮6依照实际加工轨迹14对工件9进行六次磨削操作，待本次磨削操作完成后，通过机床运动系统停止砂轮主轴与工件主轴10的旋转，停止对工件9的加工区域喷射磨削液，同时使球头砂轮6远离工件9，完成对工件9的磨削。
上述的基于球头砂轮的变磨削深度和磨削转角的复杂薄壁零件磨削加工工艺方法，其中，步骤S2中工件9的实际加工轨迹14的设计方法包括以下步骤：
A1：依据工件9的尺寸参数，在软件中绘制工件9的三维模型；
A2：沿三维模型的中心轴线建立水平切面，得到三维模型位于水平切面的轮廓线；
A3：对位于中心轴线一侧的轮廓线向工件9的实体外部方向偏移，得到球头砂轮6的理想加工轨迹13，理想偏移距离为球头砂轮6的半径，依据理想加工轨迹13并依据工件的实际轮廓线的尺寸参数对工件9和球头砂轮6进行装夹，得到实际加工轨迹14，实际偏移距离为球头砂轮6的半径与对刀误差的总和；
A4：依据球头砂轮6的实际加工轨迹14确定加工的起始点和终止点的位置；
A5：对球头砂轮6的实际加工轨迹14进行分段，球头砂轮6运动到不同轨迹阶段时，改变C轴转台1旋转角度以避免球头砂轮6与工件9在加工过程中发生干涉；
A6：磨削操作开始时，球头砂轮6沿实际加工轨迹14由起始点运行至终止点后，按照实际加工轨迹14原路返回至起始点位置，完成一次对工件9的磨削操作过程。
上述的基于球头砂轮的变磨削深度和磨削转角的复杂薄壁零件磨削加工工艺方法，其中，所述磨削加工机床包括：U轴连接架2、V轴3、U轴12和U轴保护罩11，所述U轴连接架2和C轴转台1的转动端连接，V轴3的一端安装在所述U轴连接架2上，V轴3的另一端和所述U轴12连接，所述U轴12上安装有所述U轴保护罩11。
上述的基于球头砂轮的变磨削深度和磨削转角的复杂薄壁零件磨削加工工艺方法，其中，所述磨削加工机床还包括：工具主轴固定架4和球头砂轮6，工具主轴固定架4的一端安装在所述U轴12上，所述工具主轴5安装在所述工具主轴固定架4上，所述球头砂轮6安装在所述工具主轴5上。
上述的基于球头砂轮的变磨削深度和磨削转角的复杂薄壁零件磨削加工工艺方法，其中，所述磨削加工机床还包括：监控装置15、水平工作台7和工件主轴保护罩8，所述水平工作台7设于所述球头砂轮6的下方，所述工件主轴保护罩8安装在所述水平工作台7上，所述工件主轴10安装在所述工件主轴保护罩8内，所述水平工作台7安装在二维移动平台上，所述水平工作台7在所述二维移动平台上可操作地分别沿磨削加工机床的X轴方向和Y轴方向运动，所述监控装置15安装在所述水平工作台7上，所述监控装置15包括：CCD相机和放大镜头，所述CCD相机安装在所述水平工作台7上，所述放大镜头安装在所述CCD相机上。
上述的基于球头砂轮的变磨削深度和磨削转角的复杂薄壁零件磨削加工工艺方法，其中，所述水平工作台7水平设置，工件主轴10的中心轴线和所述水平工作台7平行，所述工件9装夹在工件主轴10的端部。
上述的基于球头砂轮的变磨削深度和磨削转角的复杂薄壁零件磨削加工工艺方法，其中，所述C轴转台1的中心轴线沿竖直方向设置，所述U轴连接架2可操作地绕所述C轴转台1的中心轴线转动。
上述的基于球头砂轮的变磨削深度和磨削转角的复杂薄壁零件磨削加工工艺方法，其中，所述V轴3上设有V轴滑道，所述V轴滑道水平设置，所述V轴滑道与磨削加工机床的X轴平行，所述U轴12可操作地沿所述V轴滑道滑动。
上述的基于球头砂轮的变磨削深度和磨削转角的复杂薄壁零件磨削加工工艺方法，其中，所述U轴12上设有U轴滑道，所述U轴滑道水平设置，所述U轴滑道与磨削加工机床的Y轴平行，所述工具主轴固定架4带动球头砂轮6可操作地沿所述U轴滑道滑动。
上述的基于球头砂轮的变磨削深度和磨削转角的复杂薄壁零件磨削加工工艺方法，其中，步骤S7中所述第一设定值为5μm，步骤S9中所述第二设定值为2μm，步骤S11中所述第三设定值为1μm，步骤S13中所述第四设定值为0.5μm，步骤S10中三次磨削设定进给总量为100μm，步骤S12中四次磨削设定进给总量为140μm，步骤S14中五次磨削设定进给总量为150μm。
本发明由于采用了上述技术，使之与现有技术相比具有的积极效果是：
(1)本发明采用直径3.8mm小尺寸球头砂轮，能够对工件表面上曲率半径为2～2.5mm处的面型位置进行有效磨削，对具有小曲率半径复杂表面形貌的φ20～φ50mm的小口径回转体工件的磨削具有较强的适用性；
(2)本发明在不同加工轨迹阶段分别设定C轴转台角度为-8度、+8度、-80度，能够防止球头砂轮与工件发生干涉，提高工件在加工过程中的安全性；
(3)本发明设定的C轴转台角度，能够使球头砂轮不同位置与工件表面相接触，球头砂轮磨削位置角的范围能够达到30～70度，参与磨削的球头砂轮6的表面面积增大，球头砂轮不同表面角度位置处的砂轮磨损量为7mm·G～27mm·G，球头砂轮磨损更加均匀，能够更好地保持球头砂轮的球度，减小因球头砂轮磨损造成的加工误差，加工后工件的面形精度(PV)由4.5904μm提升至0.3374μm，保证了磨削的高精度；
(4)本发明能够对小型复杂薄壁零件进行超精密加工，其加工表面产生的亚表面损伤深度在10μm以内，有助于减小后续抛光的工作量，提高工件使用性能和寿命；
(5)本发明具有一定普适性，可推广用于最小面型曲率半径为2mm的φ20-φ50mm的小口径回转体工件的高效、低损伤、高质量超精密磨削；
(6)本发明利用磨削加工机床沿X轴与Y轴的运动，使球头砂轮运动轨迹满足工件轮廓的加工要求，利用C轴转台与倾斜放置的工具主轴，改变磨削过程中球头砂轮的角度，通过逐渐减小磨削深度，在保证磨削质量的同时减少加工时间，最终实现小型复杂薄壁零件的高效、低损伤、高质量超精密磨削加工。
附图说明
图1是本发明的一种基于球头砂轮的变磨削深度和磨削转角的复杂薄壁零件磨削加工工艺方法的磨削加工机床的结构示意图。
图2是本发明的一种基于球头砂轮的变磨削深度和磨削转角的复杂薄壁零件磨削加工工艺方法的工件的加工轨迹示意图。
图3是本发明的一种基于球头砂轮的变磨削深度和磨削转角的复杂薄壁零件磨削加工工艺方法的加工过程的C轴转台角度为-8度的示意图。
图4是本发明的一种基于球头砂轮的变磨削深度和磨削转角的复杂薄壁零件磨削加工工艺方法的加工过程的C轴转台角度为8度的示意图。
图5是本发明的一种基于球头砂轮的变磨削深度和磨削转角的复杂薄壁零件磨削加工工艺方法的加工过程的C轴转台角度为-80度的示意图。
图6是本发明的一种基于球头砂轮的变磨削深度和磨削转角的复杂薄壁零件磨削加工工艺方法的加工过程的实施例示意图。
图7是本发明的一种基于球头砂轮的变磨削深度和磨削转角的复杂薄壁零件磨削加工工艺方法的加工过程的对刀示意图。
图8是本发明的一种基于球头砂轮的变磨削深度和磨削转角的复杂薄壁零件磨削加工工艺方法的砂轮与内杆干涉示意图。
图9是本发明的一种基于球头砂轮的变磨削深度和磨削转角的复杂薄壁零件磨削加工工艺方法的砂轮与球壳口干涉示意图。
图10是本发明的一种基于球头砂轮的变磨削深度和磨削转角的复杂薄壁零件磨削加工工艺方法的砂轮与外球面干涉示意图。
附图中：1、C轴转台；2、U轴连接架；3、V轴；4、工具主轴固定架；5、工具主轴；6、球头砂轮；7、水平工作台；8、工件主轴保护罩；9、工件；10、工件主轴；11、U轴保护罩；12、U轴；13、理想加工轨迹；14、实际加工轨迹；15、监控装置。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
请参照图1至图10所示，示出了一种基于球头砂轮的变磨削深度和磨削转角的复杂薄壁零件磨削加工工艺方法，其中，适用于磨削加工机床，磨削加工机床上设有用于夹持球头砂轮6的工具主轴5和用于夹持工件9的工件主轴10，工具主轴5安装在磨削加工机床的C轴转台1上；
基于球头砂轮的变磨削深度和磨削转角的复杂薄壁零件磨削加工工艺方法包括：
S1：对工件9和球头砂轮6进行装夹，调节球头砂轮6相对于C轴转台1的位置，使得球头砂轮6球心位于C轴转台1的中心轴线，操作机床控制系统使磨削加工机床回零；
S2：通过CCD相机和放大镜头监控工件9轮廓特征点，依据工件9轮廓特征点的空间位置调整球头砂轮6的空间位置以实现球头砂轮6与工件9之间的对刀操作，根据多个工件9轮廓特征点的空间位置绘制工件9的实际轮廓线，依据工件9的实际轮廓线的尺寸参数设计工件9的实际加工轨迹14并编写数控加工程序；
S3：依据工件9的实际加工轨迹14的起始点在工件9轮廓线上选取加工的起始点，将球头砂轮6移动至实际加工轨迹14的起始点；
S4：对工件9的加工区域喷射磨削液；
S5：通过机床运动系统分别控制工具主轴5与工件主轴10旋转，球头砂轮6转速为70000r/min，工件9转速为30r/min；
S6：运行数控加工程序，机床运动系统控制球头砂轮6依照实际加工轨迹14对工件9进行初次磨削操作；
S7：球头砂轮6重新回到加工的起始点，完成初次磨削操作后，调整球头砂轮6的砂轮进给量增加第一设定值，机床运动系统控制球头砂轮6依照实际加工轨迹14对工件9进行二次磨削操作；
S8：二次磨削操作时，无磨削声音，待本次磨削操作完成后，需重复步骤S7，直至二次磨削操作时，出现周期性磨削声音，待本次磨削操作完成后，二次磨削操作完成；
S9：调整砂轮进给量增加第二设定值，机床运动系统控制球头砂轮6依照实际加工轨迹14对工件9进行三次磨削操作；
S10：待本次磨削操作完成后，重复步骤S9，直至二次磨削操作和三次磨削操作中砂轮进给量的增加总量达到三次磨削设定进给总量，待本次磨削操作完成后，三次磨削操作完成；
S11：调整砂轮进给量增加第三设定值，机床运动系统控制球头砂轮6依照实际加工轨迹14对工件9进行四次磨削操作；
S12：待本次磨削操作完成后，重复步骤S11，直至二次磨削操作、三次磨削操作和四次磨削操作中砂轮进给量的增加总量达到四次磨削设定进给总量，待本次磨削操作完成后，四次磨削操作完成；
S13：调整砂轮进给量增加第四设定值，机床运动系统控制球头砂轮6依照实际加工轨迹14对工件9进行五次磨削操作；
S14：待本次磨削操作完成后，重复步骤S13，直至二次磨削操作、三次磨削操作、四次磨削操作和五次磨削操作中砂轮进给量的增加总量达到五次磨削设定进给总量，待本次磨削操作完成后，五次磨削操作完成；
S15：运行数控加工程序，机床运动系统控制球头砂轮6依照实际加工轨迹14对工件9进行六次磨削操作，待本次磨削操作完成后，通过机床运动系统停止砂轮主轴与工件主轴10的旋转，停止对工件9的加工区域喷射磨削液，同时使球头砂轮6远离工件9，完成对工件9的磨削。
进一步，在一种较佳实施例中，步骤S2中工件9的实际加工轨迹14的设计方法包括以下步骤：
A1：依据工件9的尺寸参数，在软件中绘制工件9的三维模型；
A2：沿三维模型的中心轴线建立水平切面，得到三维模型位于水平切面的轮廓线；
A3：对位于中心轴线一侧的轮廓线向工件9的实体外部方向偏移，得到球头砂轮6的理想加工轨迹13，理想偏移距离为球头砂轮6的半径，依据理想加工轨迹13并依据工件的实际轮廓线的尺寸参数对工件9和球头砂轮6进行装夹，得到实际加工轨迹14，实际偏移距离为球头砂轮6的半径与对刀误差的总和；
A4：依据球头砂轮6的实际加工轨迹14确定加工的起始点和终止点的位置；
A5：对球头砂轮6的实际加工轨迹14进行分段，球头砂轮6运动到不同轨迹阶段时，改变C轴转台1旋转角度以避免球头砂轮6与工件9在加工过程中发生干涉；
A6：磨削操作开始时，球头砂轮6沿实际加工轨迹14由起始点运行至终止点后，按照实际加工轨迹14原路返回至起始点位置，完成一次对工件9的磨削操作过程。
进一步，在一种较佳实施例中，磨削加工机床包括：C轴转台1、U轴连接架2、V轴3、U轴12和U轴保护罩11，U轴连接架2和C轴转台1的转动端连接，V轴3的一端安装在U轴连接架2上，V轴3的另一端和U轴12连接，U轴12上安装有U轴保护罩11。
进一步，在一种较佳实施例中，磨削加工机床还包括：工具主轴固定架4、工具主轴5和球头砂轮6，工具主轴固定架4的一端安装在U轴12上，工具主轴5安装在工具主轴固定架4上，球头砂轮6安装在工具主轴5上。
进一步，在一种较佳实施例中，磨削加工机床还包括：监控装置15、水平工作台7、工件主轴保护罩8和工件主轴10，水平工作台7设于球头砂轮6的下方，工件主轴保护罩8安装在水平工作台7上，工件主轴10安装在工件主轴保护罩8内，水平工作台7安装在二维移动平台上，水平工作台7在二维移动平台上可操作地分别沿磨削加工机床的X轴方向和Y轴方向运动，监控装置15安装在水平工作台7上，监控装置15包括：CCD相机和放大镜头，CCD相机安装在水平工作台7上，放大镜头安装在CCD相机上。
进一步，在一种较佳实施例中，水平工作台7水平设置，工件主轴10的中心轴线和水平工作台7平行，工件9装夹在工件主轴10的端部。
进一步，在一种较佳实施例中，C轴转台1的中心轴线沿竖直方向设置，U轴连接架2可操作地绕C轴转台1的中心轴线转动。
进一步，在一种较佳实施例中，V轴3上设有V轴滑道，V轴滑道水平设置，V轴滑道与磨削加工机床的X轴平行，U轴12可操作地沿V轴滑道滑动。
进一步，在一种较佳实施例中，U轴12上设有U轴滑道，U轴滑道水平设置，U轴滑道与磨削加工机床的Y轴平行，工具主轴固定架4带动球头砂轮6可操作地沿U轴滑道滑动。
进一步，在一种较佳实施例中，步骤S7中所述第一设定值为5μm，步骤S9中所述第二设定值为2μm，步骤S11中所述第三设定值为1μm，步骤S13中所述第四设定值为0.5μm，步骤S10中三次磨削设定进给总量为100μm，步骤S12中四次磨削设定进给总量为140μm，步骤S14中五次磨削设定进给总量为150μm。
以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围。
本发明在上述基础上还具有如下实施方式：
本发明的进一步实施例中，建立磨削加工机床的加工坐标系，如图6所示，位于工件9加工初始位置上绕工件9的圆周位置上任意一点均为加工初始点，在对工件9夹持后，工件9的中心轴线和工件主轴10的中心轴线位于同一直线上，标记穿过工件9中心轴线的水平面与工件9的圆周位置上的两个初始点，位于球头砂轮6加工一侧的初始点作为本次加工过程的初始点，标记的初始点可作为工件9加工的特征点，也可在工件9上任意较明显位置进行标记，以标记位置作为工件9加工的特征点，工件9的特征点用于调整球头砂轮6的位置，完成对刀操作，以两个初始点所在的竖直平面与工件9中心轴线的交点作为加工坐标系的原点，以工件9的中心轴线建立Y坐标轴，以两个初始点连线的方向建立X坐标轴，沿垂直XOY平面且经过坐标原点的竖直方向得到Z轴，建立磨削加工机床的加工坐标系。
本发明的进一步实施例中，通过X、Y轴的水平运动可以实现水平工作台7水平面内的二维运动，利用X轴与Y轴的运动，使球头砂轮6运动轨迹满足工件9轮廓的加工要求；利用C轴转台1与倾斜放置的工具主轴5，改变磨削过程中球头砂轮6的角度；通过逐渐减小磨削深度，在保证磨削质量的同时减少加工时间，最终实现小型复杂薄壁零件的高效、低损伤、高质量超精密磨削加工。
本发明的进一步实施例中，基于球头砂轮6的变磨削深度和磨削转角的复杂薄壁零件磨削加工工艺方法所适用的加工设备为龙门结构的四轴三联动机床，如图1所示，其包含三个直线运动轴X、Y、Z轴，一个C轴转台1、两个精密微调直线进给轴U轴12、V轴3，以及一个工具主轴5和一个工件主轴10。水平工作台7安装在二维移动平台上，通过控制系统控制水平工作台7在二维移动平台上沿X和Y轴进行水平运动，可以实现水平工作台7水平面内的二维运动；工件主轴10安装在水平工作台上，其轴线方向平行于Y轴运动方向；工具主轴5斜挂于C轴转台1下方，其轴线与水平面夹角为40°；C轴转台1中心轴线与Z轴平行，通过其沿Z轴的垂直方向运动可以改变C轴转台1和工具主轴5的高度。在磨削该薄壁复杂构件的过程中，球头砂轮6将沿着工件9轮廓线运动，其运动轨迹为图2中的虚线。将砂轮运动轨迹划分为A-B、B-C、C-D、D-E、E-F、F-G、G-H、H-I共8段，根据每段不同的工件面型，改变每段的砂轮转角，防止工件9与球头砂轮6产生干涉，如图3至图5所示。
本发明的进一步实施例中，变磨削深度和磨削转角指的是，在使用球头砂轮6对小型复杂薄壁零件进行磨削加工的过程中，为了能够使球头砂轮6在加工过程中能包络出小型复杂薄壁零件的轮廓，同时避免工件9与工具之间的干涉，需要根据球头砂轮6在不同磨削阶段的运动轨迹对砂轮转角进行调整。为了避免由于磨削深度过大而导致工件发生磨碎、由于磨削深度过小而导致磨削效率低下，需要采用变磨削深度对小型复杂薄壁零件进行加工，实现小型复杂薄壁零件的高效、低损伤、高质量磨削。
本发明的进一步实施例中，一种基于球头砂轮6的变磨削深度和磨削转角的复杂薄壁零件磨削加工工艺方法，包括的具体步骤如下：
步骤一：机床运动系统控制U轴、V轴移动使得球头砂轮6球心与C轴转台1回转轴线重合。利用球头砂轮6对工件9上的特征点进行对刀，根据特征点坐标获得工件9的实际尺寸参数，在软件中绘制工件9的三维模型。
步骤二：建立工件9加工坐标系(XYZO)，坐标系的X、Y、Z轴的方向与机床的坐标系保(XbYbZbOb)持一致，其工件9加工坐标系的坐标原点为O；该坐标原点O在机床的坐标系中，Oz＝0，Ox为工件9内球面球心沿X轴正向偏移Rg+Rs，Oy与工件9内球面球心的Y轴坐标一致；Rg为测量的工件9内杆和外杆的半径，Rs为测量的的球头砂轮6的半径；
步骤三：将建立的模型中的工件9内杆、内球面、外球面和外杆的轮廓线在工件9加工坐标系中分别向实体外部方向偏移Rs+a，其中，a为加工前对刀误差的预留值，Rs为测量的球头砂轮6的半径。偏移后形成连续的加工曲线，该加工曲线为球头砂轮6的球心在加工过程中的运动轨迹，即实际加工轨迹14，如图6所示；
步骤四：将步骤三中的加工轨迹进行分段，球头砂轮6运动到不同轨迹阶段时，改变C轴转台1旋转角度以避免球头砂轮6与工件9在加工过程中发生干涉。
加工轨迹分为：
球头砂轮6从A点位置出发，AB段为内杆加工轨迹；
BC段为内杆与内球面过渡圆角的加工轨迹；
CD段为以过渡圆角边界为起始点、长度为6mm的内球面加工轨迹；
DE段为内球面除去CD段部分的加工轨迹；
EF段为内外球面连接部分的加工轨迹；
FG段为外球面的加工轨迹；
GH段为外球面与外杆过渡圆角的加工轨迹；
HI段为外杆的加工轨迹；
当球头砂轮6球心运动至I点位置时，按照轨迹原路返回至A点位置，完成一次磨削过程；
步骤五：按照步骤四中的加工轨迹编写数控加工程序，程序除了控制X轴运动平台和Y轴运动平台的运动，还控制C轴转台1在加工过程中的旋转角度。
每段加工轨迹所对应C轴转台1的旋转角度为：
在A点位置，C轴转台1逆时针旋转8度，使得C轴转台1相对于C轴零点旋转-8度，对AB段、BC段和CD段进行加工；
在D点位置，C轴转台1在A点位置的旋转角度基础上顺时针旋转16度，使得C轴转台1相对于C轴零点旋转+8度，对DE段和EF段进行加工；
在F点位置，C轴转台1在D点位置的旋转角度基础上逆时针旋转88度，使得C轴转台1相对于C轴零点旋转-80度，对FG段、GH段和HI段进行加工；
步骤六：开启机床，连接机床运动系统，将各运动导轨和转台回零，装卡工件9和砂轮。
步骤七：根据工件9轮廓的特征点，借助CCD相机，进行工件9和砂轮的对刀，确定砂轮在工件9坐标系中的相对位置。
步骤八：根据步骤四中的加工曲线起始点A点的位置，控制X轴运动平台和Y轴运动平台运动，将该对应点作为机床加工的起始点；
步骤九：开启磨削液泵，使磨削液喷向加工区域；
步骤十：开启工具主轴5与工件主轴10，球头砂轮6转速为70000r/min，工件9转速为30r/min；
步骤十一：运行数控加工程序，机床按设定程序运转，球头砂轮6从A点位置出发，按加工轨迹运动；
步骤十二：球头砂轮6返回A点位置，完成一次磨削过程后，将砂轮进给量设定为5μm，再次运行数控加工程序，进行下一次磨削；
步骤十三：通过加工过程中的声音变化判断砂轮是否与工件9相接触。若加工过程无磨削声音，则重复步骤十二，若加工过程中首次出现周期性磨削声音，则执行步骤十四；
步骤十四：球头砂轮6返回A点位置，完成一次磨削过程后，将砂轮进给量设定为2μm，再次运行数控加工程序，进行下一次磨削；
步骤十五：当砂轮总进给量达到100μm时，执行步骤十六，否则重复步骤十四；
步骤十六：球头砂轮6返回A点位置，完成一次磨削过程后，将砂轮进给量设定为1μm，再次运行数控加工程序，进行下一次磨削；
步骤十七：当砂轮总进给量达到140μm时，执行步骤十八，否则重复步骤十六；
步骤十八：球头砂轮6返回A点位置，完成一次磨削过程后，将砂轮进给量设定为0.5μm，再次运行数控加工程序，进行下一次磨削；
步骤十九：当砂轮总进给量达到150μm时，执行步骤二十，否则重复步骤十八；
步骤二十：球头砂轮6返回A点位置，完成一次磨削过程后，将砂轮进给量设定为0μm，再次运行数控加工程序，进行下一次磨削；
步骤二十一：球头砂轮6再次返回A点位置后，停止工具主轴5与工件主轴10的运转，关闭磨削液泵，操作机床，使球头砂轮6远离工件9，完成超精密磨削。
本发明的进一步实施例中，根据此磨削加工工艺方法，采用直径3.8mm小尺寸球头砂轮6，能够对工件表面上曲率半径为2～2.5mm处的面型位置进行有效磨削，对具有小曲率半径复杂表面形貌的小口径(φ20～φ50mm)回转体工件的磨削具有较强的适用性；
本发明的进一步实施例中，此工艺方法中设定的在不同加工轨迹阶段分别设定C轴转台1角度为-8度、+8度、-80度，能够防止球头砂轮6与工件9发生干涉，提高工件9在加工过程中的安全性；
本发明的进一步实施例中，根据此工艺方法设定的C轴转台1角度，能够使球头砂轮6不同位置与工件9表面相接触，球头砂轮6磨削位置角的范围能够达到30～70度，参与磨削的球头砂轮6的表面面积增大，球头砂轮6不同表面角度位置处的砂轮磨损量为7mm·G～27mm·G，球头砂轮6磨损更加均匀，能够更好地保持球头砂轮6的球度，减小因球头砂轮6磨损造成的加工误差，加工后工件9的面形精度(PV)由4.5904μm提升至0.3374μm，保证了磨削的高精度；
本发明的进一步实施例中，采用此工艺方法对小型复杂薄壁零件进行超精密加工，其加工表面产生的亚表面损伤深度在10μm以内，有助于减小后续抛光的工作量，提高工件9的使用性能和寿命。
本发明的进一步实施例中，该方法具有一定普适性，可推广用于最小面型曲率半径为2mm的小口径(φ20-φ50mm)回转体工件的高效、低损伤、高质量超精密磨削。
本发明的进一步实施例中，加工区域为工件9与球头砂轮6的接触位置，CCD相机和放大镜头对加工区域全程监控。
本发明的进一步实施例中，输入数控加工程序的过程中同时编写并输入球头砂轮6进给时的加工轨迹。
本发明的进一步实施例中，工具主轴5与工件主轴10均通过电机驱动，通过机床控制系统内输入的数控加工程序控制加工动作。
本发明的进一步实施例中，CCD相机和放大镜头均安装在水平工作台7上。
本发明的进一步实施例中，在对刀过程中，将CCD相机和放大镜头分别垂直放置于工件9的正前方和左侧位置，如图7所示，使得工件9的左视图和正视图位于CCD相机采集图像的中央。通过CCD相机和放大镜头监控工件9轮廓的特征点，通过机床运动系统移动水平工作台7调整工件9相对于球头砂轮6的位置；
本发明的进一步实施例中，根据工件9的轮廓特征，选取足够数量、能够完全描述轮廓线的特征点进行对刀，记录下球头砂轮6与工件9轮廓刚接触时的机床位置坐标，并绘制工件9的实际轮廓线，根据工件9的实际轮廓线对其进行加工。
本发明的进一步实施例中，水平工作台7安装于二维移动平台上，通过水平工作台7带动工件9实现水平工作台7沿X和Y轴方向的二维运动，从而实现球头砂轮6相对于工件9的进给运动。
本发明的进一步实施例中，机床运动系统通过控制刀具半径补偿值的大小，完成球头砂轮6进给运动，实现磨削深度的调整，对于不同加工阶段，采用不同的刀具半径补偿值，实现工件9的变磨削深度加工。
本发明的进一步实施例中，对于圆弧加工轮廓的进给，将未偏移的圆弧加工轮廓轨迹沿圆弧圆心点与该圆弧段上所有点的连线方向偏移刀具补偿值大小；对于直线加工轮廓的进给，将未偏移的直线加工轮廓轨迹沿靠近工件实体方向偏移刀具补偿值大小。机床运动系统控制水平工作台7沿机床X轴和Y轴方向运动，通过改变工件9相对于球头砂轮6的位置，实现球头砂轮6的进给。
本发明的进一步实施例中，规定C轴转台1俯视图逆时针旋转方向为正向，球头砂轮6回转轴线朝向工件9回转轴线且与工件9回转轴线平行的位置设定为C轴转台1的零点。机床运动系统控制C轴转台1绕自身轴线进行旋转，通过工具主轴固定架4带动球头砂轮旋转6，C轴转台1相对于零点的转动角度即加工过程中设定的磨削转角。
本发明的进一步实施例中，对工件9的加工轨迹进行分段，不同加工轨迹段调整C轴转台1的旋转角度，即采用不同的磨削转角对工件9进行加工。球头砂轮6沿加工轨迹完成一次磨削加工后，按照固定进给量进给，当球头砂轮6的总进给量达到设定值，改变固定进给量大小，实现对工件9变磨削深度和磨削转角加工。
本发明的进一步实施例中，球头砂轮6绕球头球心转动角度的限定值为：AB段、BC段和CD段加工，C轴转台1转动范围为-11度～0度；DE段加工，C轴转台1转动范围为8.8度～0度；FG段、GH段和HI段，C轴转台1转动范围为-80度～-68.8度，在C轴转台1转动过程中，当球头砂轮6绕球头球心转动角度超过限定值，砂轮杆会和工件9的球壳口、中心杆以及外球面发生干涉，造成工件9破碎，如图8～10所示，因此需要限定球头砂轮6在不同磨削轨迹段中的磨削转角。
本发明的进一步实施例中，假设球头砂轮6在装卡的过程中，球头砂轮6的球心与C轴转台1的轴线不共线，通过调节U轴12和V轴3，让球头砂轮6沿着X轴和Y轴方向移动，使得球头砂轮6的球心与C轴转台1的轴线共线，当C轴转台1转动过程中，能够使得球头砂轮6在旋转的过程中球心的位置保持不变，即球头砂轮6沿着球心旋转。通过调整U轴12和V轴3使得球头砂轮6的球心与C轴转台1的轴线共线后，在后续加工过程中不再调节U轴12和V轴3，即球头砂轮6不再进行二维水平方向的运动，后续球头砂轮6的进给运动是通过改变工件9相对于球头砂轮6的位置，从而实现球头砂轮6的进给运动。
本发明的进一步实施例中，机床运动系统控制C轴转台1绕自身轴线进行旋转，C轴转台1在转动的过程中通过工具主轴固定架4带动球头砂轮旋转6，从而改变磨削转角，C轴转台1相对于C轴零点的旋转角度即球头砂轮6在磨削过程中的磨削转角。C轴转台1相对于C轴零点为顺时针旋转时，磨削转角为正值，C轴转台1相对于C轴零点为逆时针旋转时，磨削转角为负值。
本发明的进一步实施例中，定义砂轮轴线朝向工件轴线且与工件轴线平行的位置为C轴转台零点位置，即机床回零时，C轴的初始位置为C轴转台零点位置。
本发明的进一步实施例中，由于工件9、球头砂轮6、工件主轴10和工具主轴5的跳动误差，使得工件9在回转的过程中与砂轮的接触是周期性的，即工件9在回转时，与球头砂轮6接触点的位置存在高点和低点，只有当工件9的高点与球头砂轮6接触时，才会产生磨削声音，因此在工件9加工初期会出现周期性的磨削声音。
本发明的进一步实施例中，还包括：磨削液喷射装置，磨削液喷射装置的喷头朝向工件9的加工区域，通过磨削液喷射装置将磨削液喷向工件9的加工区域，以降低磨削过程中产生的磨削热，对工件9和球头砂轮6降温。
本发明的进一步实施例中，磨削液喷射装置在磨削液的过程中，磨削液经过喷头的流量大小可调。
本发明的进一步实施例中，磨削液喷射装置在磨削液的过程中，磨削液经过喷头的流量大小不发生改变，磨削液保持匀速喷射。
本发明的进一步实施例中，对刀过程中，通过机床运动系统控制球头砂轮6沿V轴滑道和U轴滑道运动，使球头砂轮6到达对刀位置，即球头砂轮6的球心位于工件主轴10的中心轴线上，沿Y轴方向移动水平工作台7，使工件9到达对刀位置，加工过程中，球头砂轮6的位置不发生变化，水平工作台7安装在二维移动平台上，水平工作台7沿X轴方向和Y轴方向移动，使工件9相对于球头砂轮6移动，保证球头砂轮6相对于工件9在工件9的实际加工轨迹14上并进行往复运动，即两个物体间的相对运动，可以最大化提高工件9加工的精度。
本发明的进一步实施例中，X轴和Y轴是机床坐标系上的坐标方向，Y轴与工件主轴10平行。
本发明的进一步实施例中，加工过程中，当水平工作台7沿X轴方向和Y轴方向移动至分段位置时，机床运动系统控制C轴转台1转动，从而控制球头砂轮6转动，转动角度需要根据实际情况设定，优选角度为球头砂轮6相对于零点位置的-8度、+8度和-80度。
以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种基于球头砂轮的变磨削深度和磨削转角的复杂薄壁零件磨削加工工艺方法，其特征在于，适用于磨削加工机床，所述磨削加工机床上设有用于夹持球头砂轮的工具主轴和用于夹持工件的工件主轴，所述工具主轴安装在磨削加工机床的C轴转台上；
所述基于球头砂轮的变磨削深度和磨削转角的复杂薄壁零件磨削加工工艺方法包括：
S1：对工件和球头砂轮进行装夹，调节球头砂轮相对于C轴转台的位置，使得球头砂轮球心位于C轴转台的中心轴线，操作机床控制系统使磨削加工机床回零；
S2：通过CCD相机和放大镜头监控工件轮廓特征点，依据工件轮廓特征点的空间位置调整球头砂轮的空间位置以实现球头砂轮与工件之间的对刀操作，根据多个工件轮廓特征点的空间位置绘制工件的实际轮廓线，依据工件的实际轮廓线的尺寸参数设计工件的实际加工轨迹并编写数控加工程序；
S3：依据工件的加工轨迹的起始点在工件轮廓线上选取加工的起始点，将球头砂轮移动至实际加工轨迹的起始点；
S4：对工件的加工区域喷射磨削液；
S5：通过机床运动系统分别控制工具主轴与工件主轴旋转；
S6：运行数控加工程序，机床运动系统控制球头砂轮依照实际加工轨迹对工件进行初次磨削操作；
S7：球头砂轮重新回到加工的起始点，完成初次磨削操作后，调整球头砂轮的砂轮进给量增加第一设定值，机床运动系统控制球头砂轮依照实际加工轨迹对工件进行二次磨削操作；
S8：二次磨削操作时，无磨削声音，待本次磨削操作完成后，需重复步骤S7，直至二次磨削操作时，出现周期性磨削声音，待本次磨削操作完成后，二次磨削操作完成；
S9：调整砂轮进给量增加第二设定值，机床运动系统控制球头砂轮依照实际加工轨迹对工件进行三次磨削操作；
S10：待本次磨削操作完成后，重复步骤S9，直至二次磨削操作和三次磨削操作中砂轮进给量的增加总量达到三次磨削设定进给总量，待本次磨削操作完成后，三次磨削操作完成；
S11：调整砂轮进给量增加第三设定值，机床运动系统控制球头砂轮依照实际加工轨迹对工件进行四次磨削操作；
S12：待本次磨削操作完成后，重复步骤S11，直至二次磨削操作、三次磨削操作和四次磨削操作中砂轮进给量的增加总量达到四次磨削设定进给总量，待本次磨削操作完成后，四次磨削操作完成；
S13：调整砂轮进给量增加第四设定值，机床运动系统控制球头砂轮依照实际加工轨迹对工件进行五次磨削操作；
S14：待本次磨削操作完成后，重复步骤S13，直至二次磨削操作、三次磨削操作、四次磨削操作和五次磨削操作中砂轮进给量的增加总量达到五次磨削设定进给总量，待本次磨削操作完成后，五次磨削操作完成；
S15：运行数控加工程序，机床运动系统控制球头砂轮依照实际加工轨迹对工件进行六次磨削操作，待本次磨削操作完成后，通过机床运动系统停止砂轮主轴与工件主轴的旋转，停止对工件9的加工区域喷射磨削液，同时使球头砂轮远离工件，完成对工件的磨削；
步骤S2中工件的实际加工轨迹的设计方法包括以下步骤：
A1：依据工件的尺寸参数，在软件中绘制工件的三维模型；
A2：沿三维模型的中心轴线建立水平切面，得到三维模型位于水平切面的轮廓线；
A3：对位于中心轴线一侧的轮廓线向工件的实体外部方向偏移，得到球头砂轮的理想加工轨迹，理想偏移距离为球头砂轮的半径，依据理想加工轨迹并依据工件的实际轮廓线的尺寸参数对工件和球头砂轮进行装夹，得到实际加工轨迹，实际偏移距离为球头砂轮的半径与对刀误差的总和；
A4：依据球头砂轮的实际加工轨迹确定加工的起始点和终止点的位置；
A5：对球头砂轮的实际加工轨迹进行分段，球头砂轮运动到不同轨迹阶段时，改变C轴转台旋转角度以避免球头砂轮与工件在加工过程中发生干涉；
A6：磨削操作开始时，球头砂轮沿实际加工轨迹由起始点运行至终止点后，按照实际加工轨迹原路返回至起始点位置，完成一次对工件的磨削操作过程；
步骤S7中所述第一设定值为5μm，步骤S9中所述第二设定值为2μm，步骤S11中所述第三设定值为1μm，步骤S13中所述第四设定值为0.5μm，步骤S10中三次磨削设定进给总量为100μm，步骤S12中四次磨削设定进给总量为140μm，步骤S14中五次磨削设定进给总量为150μm。
2.根据权利要求1所述的基于球头砂轮的变磨削深度和磨削转角的复杂薄壁零件磨削加工工艺方法，其特征在于，所述磨削加工机床包括：U轴连接架、V轴、U轴和U轴保护罩，所述U轴连接架和C轴转台的转动端连接，V轴的一端安装在所述U轴连接架上，V轴的另一端和所述U轴连接，所述U轴上安装有所述U轴保护罩。
3.根据权利要求2所述的基于球头砂轮的变磨削深度和磨削转角的复杂薄壁零件磨削加工工艺方法，其特征在于，所述磨削加工机床还包括：工具主轴固定架和球头砂轮，工具主轴固定架的一端安装在所述U轴上，所述工具主轴安装在所述工具主轴固定架上，所述球头砂轮安装在所述工具主轴上。
4.根据权利要求3所述的基于球头砂轮的变磨削深度和磨削转角的复杂薄壁零件磨削加工工艺方法，其特征在于，所述磨削加工机床还包括：监控装置、水平工作台和工件主轴保护罩，所述水平工作台设于所述球头砂轮的下方，所述工件主轴保护罩安装在所述水平工作台上，所述工件主轴安装在所述工件主轴保护罩内，所述水平工作台安装在二维移动平台上，所述水平工作台在所述二维移动平台上可操作地分别沿磨削加工机床的X轴方向和Y轴方向运动，所述监控装置安装在所述水平工作台上，所述监控装置包括：CCD相机和放大镜头，所述CCD相机安装在所述水平工作台上，所述放大镜头安装在所述CCD相机上。
5.根据权利要求4所述的基于球头砂轮的变磨削深度和磨削转角的复杂薄壁零件磨削加工工艺方法，其特征在于，所述水平工作台水平设置，工件主轴的中心轴线和所述水平工作台平行，所述工件装夹在工件主轴的端部。
6.根据权利要求5所述的基于球头砂轮的变磨削深度和磨削转角的复杂薄壁零件磨削加工工艺方法，其特征在于，所述C轴转台的中心轴线沿竖直方向设置，所述U轴连接架可操作地绕所述C轴转台的中心轴线转动。
7.根据权利要求6所述的基于球头砂轮的变磨削深度和磨削转角的复杂薄壁零件磨削加工工艺方法，其特征在于，所述V轴上设有V轴滑道，所述V轴滑道水平设置，所述V轴滑道与磨削加工机床的X轴平行，所述U轴可操作地沿所述V轴滑道滑动。
8.根据权利要求7所述的基于球头砂轮的变磨削深度和磨削转角的复杂薄壁零件磨削加工工艺方法，其特征在于，所述U轴上设有U轴滑道，所述U轴滑道水平设置，所述U轴滑道与磨削加工机床的Y轴平行，所述工具主轴固定架带动球头砂轮可操作地沿所述U轴滑道滑动。
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