CN115741389A - 一种半球谐振子超精密磨削加工装置及加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种半球谐振子超精密磨削加工装置及加工方法，装置采用三轴立式或卧式磨床，包括进行成型加工的三种砂轮和进行切断的切断砂轮；进行成型加工的三种砂轮包括对工件内球面和唇沿进行加工的外凸砂轮、对工件的内圆柱和内圆角进行加工的内凹筒状砂轮及对工件的外球面、外圆角和外圆柱进行加工的外凹砂轮；所述外凸砂轮包括外凸粗磨砂轮、外凸半精磨砂轮和外凸精磨砂轮；内凹筒状砂轮包括内凹筒状粗磨砂轮、内凹筒状半精磨砂轮和内凹筒状精磨砂轮；外凹砂轮包括外凹粗磨砂轮、外凹状半精磨砂轮、外凹精磨砂轮。本发明一次装夹可完成石英半球谐振子所有关键部位磨削加工，大幅度提高了加工效率和加工质量。
Description
技术领域
本发明属于半球谐振子的精密磨削加工技术领域，特别涉及一种半球谐振子超精密磨削加工装置及加工方法。
背景技术
石英半球谐振陀螺仪的工作原理是基于处在四波腹驻波振动状态下的半球谐振子绕自身轴线旋转时所产生的哥氏效应，通过测量谐振子振型进动角来实现陀螺仪测量转角和角速度的功能，在惯导、制导、惯性测量等领域中得到广泛应用，因此半球谐振子是半球谐振陀螺仪的核心部件，其加工质量直接影响半球谐振陀螺仪的工作性能。
石英半球谐振子形状为带有中心圆柱的半球形薄壁壳体，壁厚一般为0.3～1mm。由于石英半球谐振子内、外球面和内圆柱的形状精度和位置精度要求较高，并且石英属于硬脆难加工材料，机械加工过程中易出现崩边、裂纹、碎裂，加工难度非常大，废品率高，效率低，成本高，为进一步提高半球谐振子的加工精度，同时满足对高精度半球谐振陀螺的性能要求，本发明预设计专用磨削砂轮刀具，根据加工需求，设计一种石英材料的磨削加工工艺方法，以实现石英玻璃谐振子的成功加工。
发明内容
本发明的目的是在于克服现有技术的不足之处，提供一种半球谐振子超精密磨削加工装置及加工方法。
本发明的上述目的之一通过如下技术方案来实现：
一种半球谐振子超精密磨削加工装置，其特征在于：该装置采用三轴立式或卧式磨床，包括进行成型加工的三种砂轮和进行切断的切断砂轮；
所述进行成型加工的三种砂轮包括对工件内球面和唇沿进行加工的外凸砂轮、对工件的内圆柱和内圆角进行加工的内凹筒状砂轮及对工件的外球面、外圆角和外圆柱进行加工的外凹砂轮；
所述外凸砂轮包括外凸粗磨砂轮、外凸半精磨砂轮和外凸精磨砂轮；三种外凸砂轮均由刀杆及同轴固定连接的砂轮磨削部分构成，外凸砂轮的砂轮磨削部分由圆柱部分及小于圆柱外径的球头部分构成，球头部分构成工件内球面的磨削作用面，圆柱部分与球头部分连接的外围平台构成工件唇沿的磨削作用面，在外凸砂轮的砂轮磨削部分上设置有中心让位；
所述内凹筒状砂轮包括内凹筒状粗磨砂轮、内凹筒状半精磨砂轮和内凹筒状精磨砂轮；三种内凹筒状砂轮均由刀杆及同轴固定连接的砂轮磨削部分构成，内凹筒状砂轮的砂轮磨削部分采用设置有中心孔的圆柱体结构，并在中心孔的端部设置有圆角面；该中心孔构成工件内柱面磨削作用面，该圆角面构成工件内圆角磨削作用面；
所述外凹砂轮包括外凹粗磨砂轮、外凹状半精磨砂轮、外凹精磨砂轮；三种外凹砂轮均由刀杆及同轴固定连接的砂轮磨削部分构成，外凹砂轮的砂轮磨削部分为设置有中心通孔并设置有内凹的外环球面的回转体结构，外环球面两端与外柱面通过圆角面连接；所述外环球面构成工件外球面的磨削作用面；外凹砂轮的砂轮磨削部分远离刀杆一端的圆角面构成工件外圆角的磨削作用面，砂轮磨削部分远离刀杆一端外圆柱面构成工件外柱面的磨削作用面；
所述切断砂轮由刀杆及同轴固定连接的砂轮磨削部分构成，切断砂轮的砂轮磨削部分采用片状砂轮结构。
进一步的：外凸砂轮、内凹筒状砂轮、外凹砂轮及切断砂轮的刀杆坯体材料均为硬质合金钢，砂轮磨削部分均以黄铜为基体金刚石颗粒为磨料烧结而成。
进一步的：外凸粗磨砂轮、内凹筒状粗磨砂轮及外凹粗磨砂轮三者的金刚石磨料的颗粒度均为#400-#1000；外凸半精磨砂轮、内凹筒状半精磨砂轮及外凹半精磨砂轮三者的金刚石磨料的颗粒度均为#2500-3500；外凸精磨砂轮、内凹筒状精磨砂轮及外凹精磨砂轮三者的金刚石磨料的颗粒度均为#5000-#6000；切断砂轮的砂轮磨削部分的厚度为1.5mm，且其金刚石磨料的粒度为#2000。
本发明的上述目的之二通过如下技术方案来实现：
一种基于上述半球谐振子超精密磨削加工装置的加工方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、选择石英毛坯棒料，将毛坯棒料通过圆形开口铜套包裹后装夹在三轴立式或卧式磨床的三爪卡盘上，并对毛坯棒料进行找正，使工件的回转中心与机床主轴的回转中心重合；
步骤2、采用烧结金刚石砂轮磨头，磨削石英棒料的外端面和圆柱面，形成光整表面，将磨削后的上端面和圆柱面，作为磨削石英半球谐振子基准面；
步骤3、先后采用外凸粗磨砂轮、外凸半精磨砂轮和外凸精磨砂轮，分别粗磨、半精磨和精磨石英半球谐振子的内球面和唇沿；
步骤4、先后采用内凹筒状粗磨砂轮、内凹筒状半精磨砂轮和内凹筒状精磨砂轮，分别粗磨、半精磨和精磨石英半球谐振子的内圆柱和内圆角；
步骤5、先后采用外凹粗磨砂轮、外凹状半精磨砂轮和外凹精磨砂轮，分别粗磨、半精磨和精磨石英半球谐振子的外球面、外圆角和外圆柱；
步骤6、完成石英半球谐振子各部分加工后，将三爪卡盘慢慢松开，取下工件，反转工件，将石英半球谐振子内圆柱通过圆形开口铜套包裹后装夹在三轴立式或卧式磨床的三爪卡盘上，并使工件的回转中心和主轴回转中心重合；
步骤7、采用切断砂轮沿着石英半球谐振子的外圆柱端面切下剩余的棒料，直至将剩余棒料切掉，切割完成后，慢慢松开三爪卡盘，取下石英半球谐振子，完成石英半球谐振子磨削加工。
进一步的：步骤3、步骤4和步骤5中，粗磨时砂轮的转速为3000-3500rpm，工件转速300-400rpm，砂轮的进给速速为0.3-0.5mm/min，加工余量为0.2mm；半精磨时砂轮的转速为3500-4000rpm，工件转速200-300rpm，砂轮的进给速速为100-120μm/min，加工余量为0.02mm；精磨时砂轮的转速为4000-4500rpm，工件转速100-200rpm，砂轮的进给速速为5-10μm/min，加工至设计尺寸。
进一步的：步骤7中，切断砂轮的转速为5000-5500rpm，工件转速50-100rpm，砂轮的进给速速为5-10μm/min。
本发明具有的优点和积极效果：
本发明采用三轴立式或卧式磨床，配合使用三种形式的成型加工砂轮，一次装夹可完成石英半球谐振子所有关键部位磨削加工，可提高加工效率50％以上；加工后的石英半球谐振子加工质量高：内外球面表面粗糙度Ra≤0.2μm，表面光滑无崩边、裂纹等加工缺陷；加工精度高：内外圆柱同轴度≤1μm，内外球面面形精度≤0.5μm，实现了石英半球谐振子的高效超低损伤超精密加工。
附图说明
图1是本发明涉及的石英半球谐振子的结构示意图；
图2a是本发明外凸砂轮的结构示意图1；
图2b是本发明外凸砂轮的结构示意图2
图3a是本发明内凹筒状砂轮的结构示意图1；
图3b是本发明内凹筒状砂轮的结构示意图2；
图4a是本发明外凹砂轮的结构示意图1；
图4b是本发明外凹砂轮的结构示意图2；
图5a是本发明切割砂轮的结构示意图1；
图5b是本发明切割砂轮的结构示意图2；
图6是本发明进行内球面和唇沿加工的示意图；
图7是本发明进行内圆柱和内圆角加工的示意图；
图8是本发明进行外球面、外圆柱进外圆角加工的示意图；
图9是本发明进行切断加工的示意图。
具体实施方式
以下结合附图并通过实施例对本发明的结构作进一步说明。需要说明的是本实施例是叙述性的，而不是限定性的。
一种半球谐振子超精密磨削加工装置，请参见图1-图9，该装置采用三轴立式或卧式磨床，包括进行基座加工的金刚石砂轮、进行成型加工的三种砂轮和进行切断的切断砂轮；
其中进行成型加工的三种砂轮和进行切断的切断砂轮为本专利申请的发明点，具体的：
三种成型加工的砂轮包括：
1、对工件内球面1.5和唇沿1.4进行成型加工的外凸砂轮2，外凸砂轮包括外凸粗磨砂轮、外凸半精磨砂轮和外凸精磨砂轮，分别粗磨、半精磨和精磨石英半球谐振子工件的内球面和唇沿。
2、对工件的内圆柱1.6和内圆角1.7进行成型加工的内凹筒状砂轮3，包括内凹筒状粗磨砂轮，内凹筒状半精磨砂轮、内凹筒状精磨砂轮，分别粗磨、半精磨和精磨石英半球谐振子的内圆柱和内圆角。
3、对工件的外球面1.3、外圆角1.2和外圆柱1.1进行成型加工的外凹砂轮4，外凹砂轮包括外凹粗磨砂轮、外凹状半精磨砂轮，外凹精磨砂轮，分别粗磨、半精磨和精磨石英半球谐振子的外球面、外圆角和外圆柱。
上述切断砂轮5采用金刚石片状砂轮，用于工件的切断成型。
上述三种成型加工的砂轮和切断砂轮均由刀杆(分别用2.1、3.1、4.1和5.1标注)及砂轮磨削部分构成(分别用2.2、3.2、4.2和5.2标注)。刀杆均采用圆杆结构，其中，外凸砂轮的砂轮磨削部分由圆柱部分2.2.1及小于圆柱外径的球头部分2.2.3构成，圆柱部分与球头部分连接的外围平台2.2.2形成工件唇沿的磨削作用面，在外凸砂轮的砂轮磨削部分上设置有中心让位孔2.2.4，用于在进行内球面及内圆角加工时，对工件的内圆柱进行让位。外凸砂轮的刀杆和砂轮磨削部分焊接在一起。内凹筒状砂轮的砂轮磨削部分采用设置有中心的孔的圆柱体结构，并在中心孔3.2.1的端部设置有圆角面3.2.2。内凹筒状砂轮的刀杆和砂轮磨削部分焊接在一起。所述外凹砂轮的砂轮磨削部分设置有中心通孔并设置有内凹的外环球面4.2.1，外环球面与外柱面4.2.3通过加工圆角面4.2.2连接。外凹砂轮磨头的刀杆与其砂轮磨削部分的中心通孔穿装连接，并通过螺母4.3锁紧。
其中外凸砂轮、内凹筒状砂轮、外凹砂轮及切断砂轮的刀杆坯体材料为硬质合金钢，砂轮的磨削部分均以黄铜为基体金刚石颗粒为磨料烧结而成，以上砂轮均自主设计，专用于石英半球谐振子磨削加工。
对于外凸砂轮：外凸粗磨砂轮、外凸半精磨砂轮和外凸精磨砂轮三者的金刚石磨料的颗粒度分别为#400-#1000、#2500-3500和#5000-#6000，外凸粗磨砂轮、外凸半精磨砂轮和外凸精磨砂轮的内孔部分均大于石英半球谐振子内柱直径及孔长2mm；外凸粗磨砂轮,外凸半精磨砂轮和外凸精磨砂轮的平台12部分均大于石英半球谐振子唇沿的厚度；外凸粗磨砂轮和外凸半精磨砂轮的球面部分均小于石英半球谐振子内球面直径，砂轮的外凸精磨砂轮的球面部分等于石英半球谐振子内球面直径。
对于内凹筒状砂轮：内凹筒状粗磨砂轮和内凹筒状半精磨砂轮的内孔和圆角面均大于石英半球谐振子内柱直径和内圆角；内凹筒状精磨砂轮的内孔和圆角面均等于石英半球谐振子内柱直径和内圆角。内凹筒状粗磨砂轮、内凹筒状半精磨砂轮及内凹筒状精磨砂轮的金刚石磨料的颗粒度分别参考上述外凸粗磨砂轮、外凸半精磨砂轮和外凸精磨砂轮三者的金刚石磨料的颗粒度。
对于外凹砂轮，外凹粗磨砂轮和外凹状半精磨砂轮的外环球面、圆角面和外圆柱面分别均大于石英半球谐振子的外球面直径、外圆角和外圆柱直径；外凹状精磨砂轮的外环球面、圆角面和外圆柱面均等于石英半球谐振子的外球直径、外圆角和外圆柱直径。外凹粗磨砂轮、外凹状半精磨砂轮及外凹状精磨砂轮金刚石磨料的颗粒度分别参考上述外凸粗磨砂轮、外凸半精磨砂轮和外凸精磨砂轮三者的金刚石磨料的颗粒度。
对于切断砂轮，其砂轮磨削部分呈片状结构，砂轮片的厚度仅1.5mm，砂轮片采用的金刚石磨料的粒度为#2000。
一种采用上述半球谐振子超精密磨削加工装置的加工方法，包括如下步骤：
步骤1、选择石英毛坯棒料(比如Φ35×50mm)，将毛坯棒料装夹在三轴立式或卧式磨床的三爪卡盘上，并且毛坯棒料的装夹部位采用圆形开口铜套进行包裹，因石英玻璃属于硬脆材料，利用铜套防止三爪卡盘夹紧力过大对工件造成损伤，并对毛坯棒料进行找正，使工件的回转中心与机床主轴的回转中心重合；
步骤2、采用烧结金刚石砂轮磨头，磨削石英棒料的外端面和圆柱面，形成光整表面，将磨削后的上端面和圆柱面，作为磨削石英半球谐振子基准面；
步骤3、先后采用外凸粗磨砂轮、外凸半精磨砂轮和外凸精磨砂轮，分别粗磨、半精磨和精磨石英半球谐振子的内球面和唇沿，粗磨时砂轮的转速为3000-3500rpm，工件转速300-400rpm，砂轮的进给速速为0.3-0.5mm/min，加工余量为0.2mm；半精磨时砂轮的转速为3500-4000rpm，工件转速200-300rpm，砂轮的进给速速为100-120μm/min，加工余量为0.02mm；精磨时砂轮的转速为4000-4500rpm，工件转速100-200rpm，砂轮的进给速速为5-10μm/min，加工至设计尺寸；
步骤4、先后采用内凹筒状粗磨砂轮、内凹筒状半精磨砂轮和内凹筒状精磨砂轮，分别粗磨、半精磨和精磨石英半球谐振子的内圆柱和内圆角，加工工艺参数与加工石英半球谐振子内球面的工艺参数相同，再次不再赘述。
步骤5、先后采用外凹粗磨砂轮、外凹状半精磨砂轮和外凹精磨砂轮，分别粗磨、半精磨和精磨石英半球谐振子的外球面、外圆角和外圆柱，加工工艺参数与加工石英半球谐振子内球面的工艺参数相同，在此不再赘述。
步骤6、完成石英半球谐振子1-7部分加工后，将三爪卡盘慢慢松开，取下工件，反转工件，装夹石英半球谐振子内圆柱，在装夹内柱时，同样通过圆形开口铜套进行包裹，并使工件的回转中心和主轴回转中心重合；
步骤7、采用切断砂轮沿着石英半球谐振子的外圆柱端面切下剩余的棒料，切断砂轮的转速为5000-5500rpm，工件转速50-100rpm，砂轮的进给速速为5-10μm/min，直至将剩余棒料切掉，切割完成后，慢慢松开三爪卡盘，取下石英半球谐振子，完成石英半球谐振子磨削加工。
尽管为说明目的公开了本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神范围内，各种替换、变化和修改都是可以的，因此，本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。
Claims (6)
1.一种半球谐振子超精密磨削加工装置，其特征在于：该装置采用三轴立式或卧式磨床，包括进行成型加工的三种砂轮和进行切断的切断砂轮；
所述进行成型加工的三种砂轮包括对工件内球面和唇沿进行加工的外凸砂轮、对工件的内圆柱和内圆角进行加工的内凹筒状砂轮及对工件的外球面、外圆角和外圆柱进行加工的外凹砂轮；
所述外凸砂轮包括外凸粗磨砂轮、外凸半精磨砂轮和外凸精磨砂轮；三种外凸砂轮均由刀杆及同轴固定连接的砂轮磨削部分构成，外凸砂轮的砂轮磨削部分由圆柱部分及小于圆柱外径的球头部分构成，球头部分构成工件内球面的磨削作用面，圆柱部分与球头部分连接的外围平台构成工件唇沿的磨削作用面，在外凸砂轮的砂轮磨削部分上设置有中心让位；
所述内凹筒状砂轮包括内凹筒状粗磨砂轮、内凹筒状半精磨砂轮和内凹筒状精磨砂轮；三种内凹筒状砂轮均由刀杆及同轴固定连接的砂轮磨削部分构成，内凹筒状砂轮的砂轮磨削部分采用设置有中心孔的圆柱体结构，并在中心孔的端部设置有圆角面；该中心孔构成工件内柱面磨削作用面，该圆角面构成工件内圆角磨削作用面；
所述外凹砂轮包括外凹粗磨砂轮、外凹状半精磨砂轮、外凹精磨砂轮；三种外凹砂轮均由刀杆及同轴固定连接的砂轮磨削部分构成，外凹砂轮的砂轮磨削部分为设置有中心通孔并设置有内凹的外环球面的回转体结构，外环球面两端与外柱面通过圆角面连接；所述外环球面构成工件外球面的磨削作用面；外凹砂轮的砂轮磨削部分远离刀杆一端的圆角面构成工件外圆角的磨削作用面，砂轮磨削部分远离刀杆一端外圆柱面构成工件外柱面的磨削作用面；
所述切断砂轮由刀杆及同轴固定连接的砂轮磨削部分构成，切断砂轮的砂轮磨削部分采用片状砂轮结构。
2.根据权利要求1所述的半球谐振子超精密磨削加工装置，其特征在于：外凸砂轮、内凹筒状砂轮、外凹砂轮及切断砂轮的刀杆坯体材料均为硬质合金钢，砂轮磨削部分均以黄铜为基体金刚石颗粒为磨料烧结而成。
3.根据权利要求2所述的半球谐振子超精密磨削加工装置，其特征在于：
外凸粗磨砂轮、内凹筒状粗磨砂轮及外凹粗磨砂轮三者的金刚石磨料的颗粒度均为#400-#1000；外凸半精磨砂轮、内凹筒状半精磨砂轮及外凹半精磨砂轮三者的金刚石磨料的颗粒度均为#2500-3500；外凸精磨砂轮、内凹筒状精磨砂轮及外凹精磨砂轮三者的金刚石磨料的颗粒度均为#5000-#6000；切断砂轮的砂轮磨削部分的厚度为1.5mm，且其金刚石磨料的粒度为#2000。
4.一种基于权利要求1-3任一所述的半球谐振子超精密磨削加工装置的加工方法,包括如下步骤：
步骤1、选择石英毛坯棒料，将毛坯棒料通过圆形开口铜套包裹后装夹在三轴立式或卧式磨床的三爪卡盘上，并对毛坯棒料进行找正，使工件的回转中心与机床主轴的回转中心重合；
步骤2、采用烧结金刚石砂轮磨头，磨削石英棒料的外端面和圆柱面，形成光整表面，将磨削后的上端面和圆柱面，作为磨削石英半球谐振子基准面；
步骤3、先后采用外凸粗磨砂轮、外凸半精磨砂轮和外凸精磨砂轮，分别粗磨、半精磨和精磨石英半球谐振子的内球面和唇沿；
步骤4、先后采用内凹筒状粗磨砂轮、内凹筒状半精磨砂轮和内凹筒状精磨砂轮，分别粗磨、半精磨和精磨石英半球谐振子的内圆柱和内圆角；
步骤5、先后采用外凹粗磨砂轮、外凹状半精磨砂轮和外凹精磨砂轮，分别粗磨、半精磨和精磨石英半球谐振子的外球面、外圆角和外圆柱；
步骤6、完成石英半球谐振子各部分加工后，将三爪卡盘慢慢松开，取下工件，反转工件，将石英半球谐振子内圆柱通过圆形开口铜套包裹后装夹在三轴立式或卧式磨床的三爪卡盘上，并使工件的回转中心和主轴回转中心重合；
步骤7、采用切断砂轮沿着石英半球谐振子的外圆柱端面切下剩余的棒料，直至将剩余棒料切掉，切割完成后，慢慢松开三爪卡盘，取下石英半球谐振子，完成石英半球谐振子磨削加工。
5.根据权利要求4所述的基于权利要求1-3任一所述的半球谐振子超精密磨削加工装置的加工方法，其特征在于：
步骤3、步骤4和步骤5中，粗磨时砂轮的转速为3000-3500rpm，工件转速300-400rpm，砂轮的进给速速为0.3-0.5mm/min，加工余量为0.2mm；半精磨时砂轮的转速为3500-4000rpm，工件转速200-300rpm，砂轮的进给速速为100-120μm/min，加工余量为0.02mm；精磨时砂轮的转速为4000-4500rpm，工件转速100-200rpm，砂轮的进给速速为5-10μm/min，加工至设计尺寸。
6.根据权利要求4所述的基于权利要求1-3任一所述的半球谐振子超精密磨削加工装置的加工方法，其特征在于：步骤7中，切断砂轮的转速为5000-5500rpm，工件转速50-100rpm，砂轮的进给速速为5-10μm/min。
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| CN117182720A (zh) * | 2023-11-06 | 2023-12-08 | 四川图林科技有限责任公司 | 一种半球谐振陀螺谐振子的精密加工设备及其加工方法 |
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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