CN116038508A - 适用于石英玻璃薄壁零件精密磨削的工艺装备及磨削方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于石英玻璃薄壁零件精密磨削的工艺装备及磨削方法，装备包括包括工件定位工装及可拆卸组合式砂轮；工件定位工装包括基座、套固在基座上的安装环、设置于安装环内的径向找正盘、轴向找正盘、工件压紧块；轴向找正盘的中心设有零件安装孔；在零件安装孔一侧连通设有安装槽，在安装槽外侧设有顶紧螺钉安装孔；工件压紧块为内端设有圆弧面的长方块，圆弧面的形状与轴向找正盘上的零件安装孔的形状匹配；工件压紧块嵌装于安装槽内，并通过安装于顶紧螺钉安装孔内的紧定螺钉使插装于零件安装孔内的零件工艺柄固定；可拆卸组合式砂轮由球头砂轮和杯形砂轮通过螺纹杆和螺纹孔的配合连接构成。本发明实现了零件的高效和高精度加工。

Description

适用于石英玻璃薄壁零件精密磨削的工艺装备及磨削方法

技术领域

本发明属于硬脆材料低刚度零件的精密加工技术领域，尤其是一种适用于石英玻璃薄壁零件精密磨削的工艺装备及磨削方法。

背景技术

半球谐振子是半球谐振陀螺的核心元器件。研制高精度陀螺时谐振子必须采用熔融石英玻璃，由于壁厚很小及硬脆材料的难加工性，半球陀螺谐振子的精密成型加工工艺一直是制约其发展的瓶颈，

图1所示为半球谐振子1立体结构示意图，包括球面部分1.2、内圆柱部分1.3及工艺柄部分1.1。目前半球谐振子的成型工艺方法一般采用铣磨或者旋转超声加工方法，由于该类设备可以同时安装多把刀具进行粗精加工，因此基本可以一次装卡实现半球谐振子的精密成型加工。但是对于传统磨削加工设备而言，其一次最多只能安装2-3只砂轮，而加工该材料零件时砂轮存在一定的磨损，因此只能进行谐振子的半精加工，难以一次装夹实现石英玻璃半球谐振子的精密磨削加工。目前采用粗精磨分开的加工方案虽然可以实现谐振子内外球面的精密磨削，但是只能采用弹簧卡头装夹工艺柄，此时无法保证工艺柄在弹簧卡头上的位置精度，需要反复对谐振子进行调整以保证其装夹精度，不仅效率低下，且仍存在位置精度无法保证的问题，因此需设计开发一种适用于石英玻璃半球谐振子磨削的兼具装夹及精密找正的装置。

通过专利检索，可检索到专利“一种兼具快速密轴向、径向找正及夹紧功能的装置，201821006631.4”，该装置可以实现高精度零件的精密找正和夹紧，但是在实际使用过程中存在以下缺点：

a)该找正装置初始径向对中精度不高，每次装卡前需要进行粗找正；

b)上述工装整体刚度较差，且装夹部位只适合直径15以上内孔，对于石英玻璃半球谐振子的精加工时的小直径工艺柄装夹不适用。

针对目前上述加工方案存在的缺点，需要设计发明一种适用于石英玻璃薄壁零件的精密装夹找正方法。除此之外，目前半球谐振子内球面和内圆柱精磨时均采用小直径球头砂轮进行插补磨削，不仅磨削效率低，并且砂轮磨损较快，谐振子内球面表面质量也不易保证，因此为了提高谐振子精磨效率和质量，在设计精密找正工装的同时，还需设计一种适用于石英玻璃半球谐振子内球面精密磨削的砂轮和加工方法。

发明内容

本发明的目的是在于克服现有技术的不足之处，提供一种适用于石英玻璃薄壁零件精密磨削的工艺装备及磨削方法。

本发明的上述目的之一通过如下技术方案来实现：

一种适用于石英玻璃薄壁零件精密磨削的工艺装备，其特征在于：包括对工件进行径向和轴向找正的工件定位工装及对工件进行磨削的可拆卸组合式砂轮；

所述工件定位工装连接于机床主轴上，所述可拆卸组合式砂轮安装于砂轮轴上；

所述工件定位工装包括基座、安装环、径向找正盘、轴向找正盘、工件压紧块；基座由同轴设置的安装柄部分及盘体部分构成，安装柄部分用于与机床主轴连接，盘体部分与外套设置的安装环通过多个径向螺钉固定连接；径向找正盘以间隙配合的方式嵌装于安装环内，并与基座远离安装柄的一端通过轴向连接螺钉实现连接；安装环上设置有多个径向调节螺纹孔，每个径向调节螺纹孔内连接有一径向调节螺钉，径向调节螺钉的内端头为球头状，并与径向找正盘的外圆面接触；所述轴向找正盘通过轴向连接螺钉与径向找正盘同轴固定连接，并在轴向找正盘上设置有多个轴向调节螺纹孔，并在多个轴向调节螺纹孔内连接有轴向调节螺钉，轴向调节螺钉的内端头为球头状，并与径向找正盘的外端面压紧接触；

在轴向找正盘的中心设置有零件安装孔，零件安装孔的直径与零件的工艺柄的直径一致；在零件安装孔的一侧沿径向连通设置有安装槽，安装槽的形状与工件压紧块的形状匹配，在安装槽的外侧设置有顶紧螺钉安装孔；

所述工件压紧块为内端设置有圆弧面的长方块，圆弧面的形状与轴向找正盘上的零件安装孔的形状匹配；所述工件压紧块嵌装于轴向找正盘上的安装槽内，并通过安装于顶紧螺钉安装孔内的顶定螺钉使插装于零件安装孔内的零件工艺柄固定；

所述可拆卸组合式砂轮由球头砂轮和杯形砂轮通过螺纹杆和螺纹孔的配合连接构成。

进一步的：所述球头砂轮由依次连接的球头部分、连接杆部分、正多边形的紧固段部分、大直径圆柱部分和小直径外螺纹柱部分构成，所述球头部分为砂轮磨削作用部分；所述杯形砂轮由圆柱形砂轮部分和安装柄部分构成，圆柱形砂轮部分的表面为磨削作用部分，在圆柱形砂轮部分内部同轴设置有让位孔和内螺纹孔，让位孔的孔径大于球头砂轮的大直径圆柱部分的孔径，内螺纹孔与小直径外螺纹柱部分尺寸匹配。

本发明的上述目的之二通过如下技术方案来实现：

一种基于适用于石英玻璃薄壁零件精密磨削的工艺装备的磨削方法，包括如下步骤：

步骤1、采用径向连接螺钉将基座与安装环连接在一起，采用轴向连接螺钉将径向找正盘和基座连接在一起，并将径向找正螺钉安装在安装环上的径向调节螺纹孔内；

步骤2、采用弹簧卡头将基座的安装柄与机床主轴固定连接，并通过径向找正螺钉对径向找正盘上的中心孔进行径向粗调找正；

步骤3、采用轴向连接螺将轴向找正盘和径向找正盘进行连接，并将轴向找正螺钉安装在轴向找正盘上的轴向调节螺纹孔中，然后将工件压紧块嵌装于轴向找正盘上的安装槽内，并在轴向找正盘的顶紧螺钉安装孔内安装顶紧螺钉；

步骤4、将零件的工艺柄插入轴向找正盘上的零件安装孔内，旋紧顶紧螺钉，通过工件压紧块的内端圆弧面压紧零件的工艺柄；

步骤5、对连接径向找正盘和基座的轴向连接螺钉及连接轴向找正盘和径向找正盘的轴向连接螺钉均进行紧固，保证径向安装盘和轴向安装盘不松动；

步骤6、通过调节轴向找正螺钉对工件轴向进行找正，此时利用轴向找正螺钉的弹性变形，保证轴向安装盘处于紧固状态；并通过调节径向找正螺钉对工件径向进行找正，此时利用径向找正螺钉的弹性变形，保证径向安装盘处于紧固状态；

步骤7、将可拆卸组合式砂轮安装在砂轮主轴上，对球头砂轮和杯形砂轮加工部位径向和轴向部位进行对刀，确认相对位置后，通过球头砂轮对零件的内圆柱和圆角的加工；

步骤9、将球头砂轮取下，调整杯型砂轮相对于零件的角度，调整到位后，通过杯型砂轮对零件的内球面进行加工，保证内球面与内柱面的底部圆角处光滑过渡；

步骤10、完成零件的加工，并将零件取下。

本发明具有的优点和积极效果：

1、本发明工件定位工装，在轴向找正盘的中心之间设置零件安装孔，并通过沿径向可移动的工件压紧块实现对工件工艺柄的压紧固定，相比于现有工装在轴向找正件的外侧设置凸起的开口式零件安装孔，并通过径向锁紧环的方式对工件进行压紧固定。一方面找正精度更高，另一方面可缩短工件定位工装的轴向尺寸，提高了工件定位工装的整体刚度，并能实现对小直径的零件工艺柄的定位装夹。

2、本发明采用由球头砂轮和杯形砂轮构成的可拆卸式组合砂轮结构，可在砂轮主轴上进行一次安装，通过球头砂轮完成零件内柱、圆角的磨削加工，在球头砂轮拆卸后，通过杯形砂轮完成内球面的磨削加工，由于内球面砂轮磨削时使用的杯形砂轮直径更大，线速度更高，不仅可以提高内球面精密磨削的效率，而且磨损程度更低，其磨削表面质量也更好。

3、本发明方法借助上述工件定位工装和可拆卸组合式砂轮，实现了零件的高效和高精度磨削加工。

附图说明

图1是本发明的加工对象半球谐振子的结构示意图；

图2是本发明工件定位工装的整体结构示意图；

图3a是本发明轴向找正盘的结构示意图1；

图3b是本发明轴向找正盘的结构示意图2；

图4是本发明工件压紧块的结构示意图；

图5是本发明轴向找正盘与工件压紧块配合的结构示意图；

图6是本发明球头砂轮的结构示意图；

图7是本发明杯型砂轮的结构示意图；

图8是本发明球头砂轮和杯形砂轮的组合图；

图9是本发明对零件的内柱面及圆角进行磨削的示意图；

图10是本发明对零件的内球面进行磨削的示意图。

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。

一种适用于石英玻璃薄壁零件精密磨削的工艺装备，请参见图1-图10，其发明点为：包括对工件进行径向和轴向找正的工件定位工装及对工件进行磨削的可拆卸组合式砂轮。所述工件定位工装连接于机床主轴上，所述可拆卸组合式砂轮安装于砂轮轴上。

所述工件定位工装构成为：包括基座2、安装环3、径向找正盘4、轴向找正盘5、工件压紧块6。

所述基座为工件定位工装的基础件，由同轴设置的安装柄部分及盘体部分构成，所述安装柄用于与机床主轴固定连接。所述盘体部分上沿圆周方向均布设置有多个径向螺纹孔，用于与安装环在径向形成固定连接，所述盘体部分远离安装柄的端面的平面度≤0.002mm，在该端面上沿圆周方向均布设置有多个轴向螺纹孔，用于与径向找正盘通过螺钉连接。

所述安装环用于连接基座并对径向找正盘进行径向找正，具体为：在安装环上靠近一端的位置沿圆周方向均布设置有多个螺钉穿装孔，该多个螺钉穿装孔与基座上的多个径向螺纹孔一一对应；在安装环上靠近另一端的位置沿圆周方向均布设置有多个径向调节螺纹孔，附图中为8个，用于安装径向调节螺钉，实现对径向找正盘的径向方向的找正调节，其中，径向调节螺钉的端头采用球头结构，与径向找正盘的外环面形成点接触。

所述径向找整盘起到径向找正及固定轴向找正盘的作用，其与基座接触的一端的端盘的平行度≤0.002mm。在径向找整盘上设置有位于外圈的多个轴向螺钉穿装孔和位于内圈的多个轴向螺纹孔，分别用于与基座和轴向找正盘连接；在径向找整盘上设置有中心孔，用于实现对轴向找正盘的径向对中安装。

所述轴向找正盘主要起到轴向找正的作用，另外，轴向找正盘和工件压紧块配合，用于固定零件。在轴向找正盘上沿圆周方向均布设置有多个轴向螺钉穿装孔，多个轴向螺钉穿装孔与径向找正盘上位于内圈的多个多个轴向螺纹孔一一对应，另外，并沿圆周方向均布设置有多个轴向调节螺纹孔，用于安装轴向调节螺钉，实现轴向找正。在轴向找正盘的中心设置有零件安装孔5.1，零件安装孔的直径与零件的工艺柄的直径一致。在零件安装孔的一侧沿径向连通设置有安装槽5.2，安装槽的形状与工件压紧块的形状匹配，在安装槽的外侧设置有顶紧螺钉安装孔5.3，用于安装顶紧螺钉，为方便加工紧螺钉安装孔，在轴向找正盘上的对应部位加工出一平面5.4。另外，在轴向找正盘的内端面设置与径向找整盘上设置有中心孔能形成插装配合的中心定位套5.5，实现轴向找正盘的径向定位安装。

所述工件压紧块为内端设置有圆弧面6.1的长方块结构，圆弧面的形状与轴向找正盘上的零件安装孔的形状匹配，通过在轴向找正盘的顶紧螺钉安装孔内安装顶紧螺钉，可实现通过该圆弧面压紧零件的工艺柄，实现对零件的固定安装。

上述基座、安装环、径向找正盘的结构及连接参考现有结构，径向找正盘与轴向找正盘的连接方式参考现有技术。

所述可拆卸组合式砂轮由球头砂轮13和杯形砂轮14组成。

所述球头砂轮主要用于加工谐振子内圆柱和内圆角。球头砂轮为五段式结构，由依次连接的球头部分13.1、连接杆部分13.2、正多边形的紧固段部分13.3、大直径圆柱部分13.4和小直径外螺纹柱部分13.5构成。其中球头部分为磨粒，用于直接加工谐振子，紧固段部分作用是：通过扳手将球头砂轮紧固在杯形砂轮上，小直径外螺纹柱部分用于与杯形砂轮相应内螺纹进行配合。

所述杯形砂轮主要用于加工谐振子的内球面，其由圆柱形砂轮部分14.1和安装柄部分14.2构成。圆柱形砂轮部分的为表面为磨粒，用于直接加工谐振子内球面。柱形砂轮部分内部同轴设置有让位孔14.3和内螺纹孔14.4，让位孔的孔径大于球头砂轮的大直径圆柱部分的孔径，内螺纹孔与小直径外螺纹柱部分尺寸匹配，用于安装球头砂轮，安装柄用于直接装卡在砂轮主轴上进行紧固。

一种适用于石英玻璃薄壁零件精密磨削的磨削方法，采用上述的工艺装备，包括如下步骤：

步骤1、采用径向连接螺钉11将基座与安装环连接在一起，采用轴向连接螺钉9将径向找正盘和基座连接在一起，并将径向找正螺钉10安装在安装环上的径向调节螺纹孔内。为保证调节精度，此时需安装8个径向找正螺钉，并保证螺钉头部为球形。

步骤2、采用弹簧卡头将基座的安装柄与机床主轴固定连接，并通过径向找正螺钉对径向找正盘上的中心孔进行径向粗调找正；

步骤3、采用轴向连接螺7将轴向找正盘和径向找正盘进行连接，并将轴向找正螺钉8安装在轴向找正盘上的轴向调节螺纹孔中，然后将工件压紧块嵌装于安装于轴向找正盘上的安装槽内，并在轴向找正盘的顶紧螺钉安装孔内安装顶紧螺钉12；

步骤4、将零件的工艺柄插入轴向找正盘上的零件安装孔内，旋紧顶紧螺钉，通过工件压紧块的内端圆弧面压紧零件的工艺柄；

步骤5、对连接径向找正盘和基座的轴向连接螺钉及连接轴向找正盘和径向找正盘的轴向连接螺钉均进行紧固，保证径向安装盘和轴向安装盘不松动；

步骤6、通过调节轴向找正螺钉对工件轴向进行找正，此时利用轴向找正螺钉的弹性变形，保证轴向安装盘处于紧固状态；并通过调节径向找正螺钉对工件径向进行找正，此时利用径向找正螺钉的弹性变形，保证径向安装盘处于紧固状态；

步骤7、将可拆卸组合式砂轮安装在砂轮主轴上，对球头砂轮和杯形砂轮加工部位径向和轴向部位进行对刀，确认相对位置后，通过球头砂轮对零件的内圆柱和圆角的加工。如图9所示。

步骤9、将球头砂轮取下，调整杯型砂轮相对于零件的角度，调整到位后，通过杯型砂轮对零件的内球面进行加工，保证内球面与内柱面的底部圆角处光滑过渡。如图10所示

步骤10、完成零件的加工，并将零件取下。

重复上述(4)～(10)进行下一个零件的加工。

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 (3)

1.一种适用于石英玻璃薄壁零件精密磨削的工艺装备，其特征在于：包括对工件进行径向和轴向找正的工件定位工装及对工件进行磨削的可拆卸组合式砂轮；

所述工件定位工装连接于机床主轴上，所述可拆卸组合式砂轮安装于砂轮轴上；

所述工件定位工装包括基座、安装环、径向找正盘、轴向找正盘、工件压紧块；基座由同轴设置的安装柄部分及盘体部分构成，安装柄部分用于与机床主轴连接，盘体部分与外套设置的安装环通过多个径向螺钉固定连接；径向找正盘以间隙配合的方式嵌装于安装环内，并与基座远离安装柄的一端通过轴向连接螺钉实现连接；安装环上设置有多个径向调节螺纹孔，每个径向调节螺纹孔内连接有一径向调节螺钉，径向调节螺钉的内端头为球头状，并与径向找正盘的外圆面接触；所述轴向找正盘通过轴向连接螺钉与径向找正盘同轴固定连接，并在轴向找正盘上设置有多个轴向调节螺纹孔，并在多个轴向调节螺纹孔内连接有轴向调节螺钉，轴向调节螺钉的内端头为球头状，并与径向找正盘的外端面压紧接触；

在轴向找正盘的中心设置有零件安装孔，零件安装孔的直径与零件的工艺柄的直径一致；在零件安装孔的一侧沿径向连通设置有安装槽，安装槽的形状与工件压紧块的形状匹配，在安装槽的外侧设置有顶紧螺钉安装孔；

所述工件压紧块为内端设置有圆弧面的长方块，圆弧面的形状与轴向找正盘上的零件安装孔的形状匹配；所述工件压紧块嵌装于轴向找正盘上的安装槽内，并通过安装于顶紧螺钉安装孔内的顶定螺钉使插装于零件安装孔内的零件工艺柄固定；

所述可拆卸组合式砂轮由球头砂轮和杯形砂轮通过螺纹杆和螺纹孔的配合连接构成。

2.根据权利要求1所述的适用于石英玻璃薄壁零件精密磨削的工艺装备，其特征在于：所述球头砂轮由依次连接的球头部分、连接杆部分、正多边形的紧固段部分、大直径圆柱部分和小直径外螺纹柱部分构成，所述球头部分为砂轮磨削作用部分；所述杯形砂轮由圆柱形砂轮部分和安装柄部分构成，圆柱形砂轮部分的表面为磨削作用部分，在圆柱形砂轮部分内部同轴设置有让位孔和内螺纹孔，让位孔的孔径大于球头砂轮的大直径圆柱部分的孔径，内螺纹孔与小直径外螺纹柱部分尺寸匹配。

3.一种基于权利要求1或2所述的适用于石英玻璃薄壁零件精密磨削的工艺装备的磨削方法，包括如下步骤：

步骤1、采用径向连接螺钉将基座与安装环连接在一起，采用轴向连接螺钉将径向找正盘和基座连接在一起，并将径向找正螺钉安装在安装环上的径向调节螺纹孔内；

步骤2、采用弹簧卡头将基座的安装柄与机床主轴固定连接，并通过径向找正螺钉对径向找正盘上的中心孔进行径向粗调找正；

步骤3、采用轴向连接螺将轴向找正盘和径向找正盘进行连接，并将轴向找正螺钉安装在轴向找正盘上的轴向调节螺纹孔中，然后将工件压紧块嵌装于轴向找正盘上的安装槽内，并在轴向找正盘的顶紧螺钉安装孔内安装顶紧螺钉；

步骤4、将零件的工艺柄插入轴向找正盘上的零件安装孔内，旋紧顶紧螺钉，通过工件压紧块的内端圆弧面压紧零件的工艺柄；

步骤5、对连接径向找正盘和基座的轴向连接螺钉及连接轴向找正盘和径向找正盘的轴向连接螺钉均进行紧固，保证径向安装盘和轴向安装盘不松动；

步骤6、通过调节轴向找正螺钉对工件轴向进行找正，此时利用轴向找正螺钉的弹性变形，保证轴向安装盘处于紧固状态；并通过调节径向找正螺钉对工件径向进行找正，此时利用径向找正螺钉的弹性变形，保证径向安装盘处于紧固状态；

步骤7、将可拆卸组合式砂轮安装在砂轮主轴上，对球头砂轮和杯形砂轮加工部位径向和轴向部位进行对刀，确认相对位置后，通过球头砂轮对零件的内圆柱和圆角的加工；

步骤9、将球头砂轮取下，调整杯型砂轮相对于零件的角度，调整到位后，通过杯型砂轮对零件的内球面进行加工，保证内球面与内柱面的底部圆角处光滑过渡；

步骤10、完成零件的加工，并将零件取下。

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