CN1319699C - 一种轴对称回转曲面的精密加工装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种用于轴对称回转曲面的加工装置及方法。本发明的加工装置中，具有轴对称回转曲面的工件装夹在作旋转进给运动的回转驱动主轴上，磨削部分断面形状为圆弧的弧形砂轮安装于作高速旋转的砂轮回转驱动主轴的轴端，砂轮回转驱动主轴通过砂轮回转主轴安装基座安装于包括有与工件回转驱动主轴相垂直/平行的A轴向工作台及与A轴向垂直的B轴向的二轴移动工作台上，且A轴向工作台及B轴向工作台通过由二轴联动数控装置控制的A轴向伺服电机及B轴向伺服电机驱动其运动。本发明加工装置结构简单，加工编程方便。本发明加工方法可省去曲面手工研磨抛光或减少手工研磨抛光的加工量，提高成型曲面的形状精度及降低其表面粗糙度，大大提高加工效率。

Description

一种轴对称回转曲面的精密加工装置及其方法

1、技术领域：

本发明是一种精密加工轴对称回转曲面的装置及其方法，用于子午线轮胎活络模具胎侧板轴对称成型曲面及具有轴对称凹凸回转曲面及其组合曲面的加工，属于轴对称回转曲面精密加工装置及其方法的创新技术。

2、背景技术：

随着我国国民经济和交通事业的发展，高速公路通车里程的增加，汽车的社会保有量迅速增加，在各种运输方式的总量中，我国公路客运量超过90％，公路货运量超过75％，公路运输业的发展对汽车及其轮胎性能提出了越来越高的要求。轮胎是汽车的重要组成部件，需要具有负荷能力、附着能力、缓冲能力和耐磨性等性能来满足汽车的使用要求，轮胎的回转精度直接影响车辆的乘坐舒适性、操纵灵活性和安全性。轮胎帘布的子午线化是减少轮胎使用过程中的内摩擦提高轮胎性能的重要途径，欧美发达国家汽车轮胎的子午线化率超过90％，我国目前只达到50％，汽车轮胎子午线化是一个发展趋势。轮胎的批量化生产是胎胚在轮胎模具内加热硫化成型的，因而轮胎模具的制造精度对轮胎制品的性能有决定性影响。

制造子午线轮胎使用的模具是子午线活络模具，其结构如图1所示，主要由上钢圈22、胎侧板1、8-10个活络花纹块23、花纹块滑块24、模具套圈25、减模板26、下钢圈27等部分组成，子午线活络模具主体部分在模具套圈轴向移动时使活络花纹块沿径向贴合成型或分离脱模，其中活络花纹块、曲面成型胎侧板是子午线轮胎模具的主要组成零件，其精度对轮胎制品性能有决定性影响。子午线轮胎活络模具胎侧板成型曲面具有轴对称结构环形形状并且曲面面积大，胎侧板成型曲面的形状精度和表面粗糙度直接影响到子午线活络模具本身的质量和所加工轮胎制品的回转精度(偏心量)及外观质量。

目前子午线轮胎活络模具胎侧板曲面的加工工艺为用数控车床车削加工曲面之后再用手工研磨抛光以达到光滑程度，其存在的问题如下：

1)数控车床车削加工胎侧板成形曲面的形状精度较低，通过手工研磨抛光加工曲面降低加工表面粗糙度时又一定程度上破坏了曲面数控车削加工原有的形状精度，最终影响子午线轮胎制品的挺度和偏心量；

2)胎侧板成型曲面的加工表面精度满足不了较高要求，人工研磨抛光加工如此大面积曲面，加工效率低，质量不稳定，曲面只能达到光滑程度，影响子午线轮胎制品的光整度和偏心量。

3、发明内容：

本发明的目的在于克服上述缺点而提供一种结构简单，方便加工编程的轴对称回转曲面的精密加工装置。本发明的另一目的在于提供一种既可大幅降低工件被加工曲面的表面粗糙度，又可提高工件被加工曲面的形状精度，并可降低加工成本的轴对称回转曲面的精密加工方法。

子午线轮胎模具胎侧板成型曲面等轴对称凹凸回转曲面在车削加工成形之后可以用本发明进行精密磨削，省去曲面的手工研磨抛光或减少手工研磨抛光加工量，可以大幅提高成型曲面形状精度同时降低其表面粗糙度，达到提高曲面加工精度的目的，且大大提高加工效率。

本发明的结构示意图如附图所示，包括有磨削部分断面形状为圆弧的弧形砂轮(2)、工件回转驱动主轴(3)、砂轮回转驱动主轴(4)、与工件回转驱动主轴相垂直/平行的A轴向伺服电机(7)、与A轴向垂直的B轴向伺服电机(8)、A轴向工作台(9)、B轴向工作台(10)、二轴联动数控装置(11)、砂轮回转主轴安装基座(18)、磨床床身(21)，具有轴对称回转曲面的工件(1)装夹在作旋转进给运动的回转驱动主轴(3)上，弧形砂轮(2)安装于作高速旋转的砂轮回转驱动主轴(4)的轴端，砂轮回转驱动主轴(4)通过砂轮回转主轴安装基座(18)安装于包括有A轴向工作台(9)及B轴向工作台(10)的二轴移动工作台上，二轴移动工作台装设在磨床床身(21)上，且A轴向工作台(9)及B轴向工作台(10)通过由二轴联动数控装置(11)控制的A轴向伺服电机(7)及B轴向伺服电机(8)驱动其运动。

上述A轴向和B轴向之一与轴对称回转曲面工件(1)的回转轴线平行，另一轴向与轴对称回转曲面工件(1)的轴线方向垂直。上述弧形砂轮(2)的磨削部分断面圆弧的半径(Rn)大于或等于砂轮宽度(B)的一半。

上述具有回转曲面的工件(1)为具有轴对称凸曲面的工件，或为具有轴对称凹曲面的工件，或具有轴对称凸凹曲面组合的工件。

上述弧形砂轮(2)的旁侧还设有砂轮修整装置，其包括有砂轮修整工具(5)、砂轮修整工具转动电机(6)、砂轮修整工具回转盘(13)、砂轮修整工具回转盘驱动机构(14)、砂轮修整工具安装座(15)、砂轮修整工具位置调整机构(16)、砂轮修整工具基座(17)，砂轮修整工具(5)安装在可作直线移动的砂轮修整工具位置调整机构(16)上，砂轮修整工具位置调整机构(16)固定于砂轮修整工具回转盘(13)上，砂轮修整工具回转盘(13)置于固定在磨床床身(21)的砂轮修整工具基座(17)上，且砂轮修整工具转动电机(6)通过砂轮修整工具转动盘驱动机构(14)驱动砂轮修整工具回转盘(13)摆动。

上述砂轮修整工具回转盘(13)在砂轮修整工具转动电机(6)及其砂轮修整工具转动盘驱动机构(14)的作用下可以绕固定轴线正反向180°的转动。

本发明轴对称回转曲面的加工方法，使用上述的精密加工装置，弧形砂轮(2)在磨削曲面的过程中磨削点在砂轮圆弧面轮廓上顺次移动。

上述弧形砂轮(2)在曲面磨削过程中其主运动方向与具有回转曲面的工件(1)的旋转进给方向平行。

上述弧形砂轮(2)与具有回转曲面的工件(1)之间的运动通过二轴联动数控装置(11)实现曲线插补。

上述弧形砂轮(2)沿作转动的具有回转曲面的工件(1)的半径方向的曲线运动轨迹形成回转曲面，弧形砂轮(2)的断面圆弧形状复制在具有回转曲面的工件(1)的曲面上。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1)本发明具有圆弧回转面形状的盘形砂轮在磨削曲面的过程中，由于其磨削点在砂轮圆弧回转面轮廓上顺次移动，故采用适当的砂轮宽度参数和断面圆弧的半径参数可以有效利用砂轮的宽度，可减小砂轮的局部磨损，大幅提高砂轮形状保持性和所加工工件曲面形状精度。

2)本发明在曲面磨削过程中，由于其砂轮主运动方向与工件旋转进给方向平行，故具有良好的砂轮磨粒切削刃与工件曲面的干涉接触状态，从而大幅降低工件曲面的加工表面粗糙度。

3)本发明采用具有圆弧回转面形状的盘形砂轮磨削曲面使控制砂轮磨削点轨迹数控插补运动的轴数降低到二轴，简化了加工装置的结构，方便加工编程，降低成本。

4)本发明的方法和装置可以用于子午线轮胎活络模具胎侧板轴对称成型曲面及具有轴对称凹凸回转曲面及其组合曲面的加工，子午线轮胎模具胎侧板成型曲面及具有轴对称凹凸回转曲面及其组合曲面在车削加工成形之后可以进行精密磨削，省去曲面的手工研磨抛光或减少手工研磨抛光加工量，可以大幅提高成型曲面形状精度同时降低其表面粗糙度，达到提高曲面加工精度的目的，且可提高加工效率。

本发明是一种设计巧妙，结构简单，使用方便，加工精度及加工效率均较高的回转曲面的精密加工装置及方法。

4、附图说明：

下面结合附图详细说明本发明的具体结构：

图1是子午线轮胎活络模具的结构示意图；

图2是本发明实施例1用于胎侧板成型曲面的磨削装置的结构示意图；

图3是本发明磨削曲面过程中磨削点在工件曲面和弧形砂轮轮廓表面移动的示意图；

图4是本发明的砂轮修整装置安装在磨床床身的结构示意图；

图5是图4的俯视图；

图6是本发明的砂轮修整装置在修整弧形砂轮轮廓表面时的一个极限位置的示意图；

图7是本发明的砂轮修整装置在修整弧形砂轮轮廓表面时的另一个极限位置示意图；

图8是本发明实施例2磨削具有轴对称凸曲面的结构示意图；

图9是本发明实施例3磨削具有凸凹组合轴对称曲面的结构示意图。

5、具体实施方式：

实施例1：

本发明用于具有回转曲面的工件1为子午线轮胎活络模具胎侧板轴对称成型曲面的加工，其加工装置如图2、3所示，其包括有弧形砂轮2、工件回转驱动主轴3、砂轮回转驱动主轴4、与工件回转驱动主轴相垂直/平行的A轴向伺服电机7、与A轴向垂直的B轴向伺服电机8、A轴向工作台9、B轴向工作台10、二轴联动数控装置11、砂轮回转主轴安装基座18、磨床床身21，具有回转曲面的工件1装夹在作旋转进给运动的回转驱动主轴3上，弧形砂轮2安装于作高速旋转的砂轮回转驱动主轴4的轴端，砂轮回转驱动主轴4通过砂轮回转主轴安装基座18安装于包括有A轴向工作台9及B轴向工作台10的二轴移动工作台上，该工作台装设在磨床床身21上，且A轴向工作台9及B轴向工作台10通过由二轴联动数控装置11控制的A轴向伺服电机7及B轴向伺服电机8驱动。用本发明的加工装置进行磨削时，上述弧形砂轮2在磨削曲面的过程中磨削点在砂轮圆弧面轮廓上顺次移动，且弧形砂轮2在曲面磨削过程中其主运动方向与具有回转曲面的工件1的旋转进给方向平行，弧形砂轮2与具有回转曲面的工件1之间的运动通过二轴联动数控装置11实现曲线插补，弧形砂轮2沿作转动的具有回转曲面的工件1的半径方向的曲线运动轨迹形成回转曲面，弧形砂轮2的断面圆弧形状复制在具有回转曲面的工件1的曲面上。

上述A轴向和B轴向之一与轴对称回转曲面工件1的回转轴线平行，另一轴向与轴对称回转曲面工件1的轴线方向垂直。本实施例中，A轴向为X轴向，B轴向为Z轴向。

为了提高砂轮表面磨粒的有效作用，弧形砂轮2断面圆弧半径Rn大于或等于其宽度B的一半。

为降低砂轮磨削过程的温度，上述弧形砂轮2的旁侧还设有冷却液及其供给系统12。

为保持砂轮的形状精度和磨粒切削刃锋锐，上述弧形砂轮2的旁侧还设有砂轮修整装置，其包括有砂轮修整工具5、砂轮修整工具转动电机6、砂轮修整工具回转盘13、砂轮修整工具回转盘驱动机构14、砂轮修整工具安装座15、砂轮修整工具位置调整机构16、砂轮修整工具基座17，砂轮修整工具5安装在可作直线移动的砂轮修整工具位置调整机构16上，砂轮修整工具位置调整机构16固定于砂轮修整工具回转盘13上，砂轮修整工具回转盘13置于固定在磨床床身21的砂轮修整工具基座17上，且砂轮修整工具转动电机6通过砂轮修整工具转动盘驱动机构14驱动砂轮修整工具回转盘13运动，从而使砂轮修整工具5沿固定点作圆弧摆动，并且可使砂轮修整工具5沿固定点半径方向移动，其摆动的半径可调，摆动的圆心位置可变，如图4、图5、图6、图7所示。

为方便地实现弧形砂轮2圆弧面的修整，上述砂轮修整工具回转盘13在砂轮修整工具转动电机6及其砂轮修整工具转动盘驱动机构14的作用下可以绕固定轴线正反向180°的转动。

上述具有回转曲面的工件1的材料可以是金属，也可以是工程陶瓷等非金属；弧形砂轮2的磨料可以是普通的氧化铝、碳化硅磨料，也可以是超硬材料立方氮化硼磨料或金刚石磨料，其轴向截面砂轮磨削部分具有圆弧形状；砂轮修整工具5可以是单点金刚石修整笔也可以是旋转金刚石修整轮或其他修整工具。

本发明使用时，具有回转曲面的工件1(子午线轮胎活络模具胎侧板)在回转驱动主轴3的带动下作旋转进给运动，弧形砂轮2在砂轮回转驱动主轴4的带动下作高速旋转，二轴联动数控系统11控制X向伺服电机7和Z向伺服电机8的运动，使弧形砂轮2与子午线轮胎活络模具胎侧板1之间形成曲线插补运动关系，并且弧形砂轮2的圆弧面始终保持与子午线轮胎活络模具胎侧板1所加工成型曲面相切关系，弧形砂轮2的端部形状残留于子午线轮胎活络模具胎侧板1成型曲面上，最终实现对成型曲面的精密磨削加工，由于弧形砂轮2的圆弧面曲率半径小于子午线轮胎活络模具胎侧板1成型曲面的曲率半径，弧形砂轮2表面的磨削点在圆弧面上是移动的，弧形砂轮2表面的磨削点a，b，c分别对应胎侧板1成型曲面表面的a1，b1，c1点，这样可以充分利用弧形砂轮2宽度不同位置的磨粒，减少砂轮的局部磨损，保持弧形砂轮2的端部形状精度，达到提高所加工成型曲面形状精度的目的，由于弧形砂轮2断面圆弧半径Rn大于或等于其宽度B的一半，故可提高砂轮表面磨粒的有效作用范围，弧形砂轮2的半径应尽可能大，以免发生砂轮回转驱动主轴4与子午线轮胎活络模具胎侧板1的几何干涉。

砂轮修整过程和砂轮磨削过程交替进行，以保持砂轮的形状精度和磨粒切削刃锋锐。弧形砂轮2与砂轮修整工具回转盘13之间的位置，即断面圆弧圆心位置由X-Z工作台确定，砂轮修整工具修整座15在砂轮修整工具位置调整机构16上移动确定弧形砂轮2的断面圆弧半径Rn，从而得到所需要的弧形砂轮2。

实施例2：

本发明用于对具有轴对称凸曲面形状的工件1进行加工，其结构如图8所示，其磨削过程和砂轮修整过程与实施例1相同，只需对数控加工程序进行适当改变，就可以实现对具有轴对称凸曲面的工件进行磨削。

实施例3：

本发明用于对具有轴对称凸凹曲面组合形状的工件1进行加工，其结构如图9所示，工件1具有轴对称凸凹曲面时，或凹曲面深度较大时，或采用较小直径弧形砂轮2时，用实施例1或实施例2的安装结构会产生砂轮回转驱动主轴4与工件1发生碰撞干涉，为此，需将弧形砂轮2和砂轮回转驱动主轴4的轴线倾斜一定角度，砂轮修整工具回转盘13同时同方向倾斜同样角度，就可以实现对具有轴对称凸凹组合曲面或较大深度轴对称凹曲面的工件进行磨削，其磨削过程和砂轮修整过程均与实施例1相同。

Claims (10)

1、一种轴对称回转曲面的精密加工装置，其特征在于包括有磨削部分断面形状为圆弧的弧形砂轮(2)、工件回转驱动主轴(3)、砂轮回转驱动主轴(4)、与工件回转驱动主轴相垂直/平行的A轴向伺服电机(7)、与A轴向垂直的B轴向伺服电机(8)、A轴向工作台(9)、B轴向工作台(10)、二轴联动数控装置(11)、砂轮回转主轴安装基座(18)、磨床床身(21)，具有轴对称回转曲面的工件(1)装夹在作旋转进给运动的回转驱动主轴(3)上，弧形砂轮(2)安装于作高速旋转的砂轮回转驱动主轴(4)的轴端，砂轮回转驱动主轴(4)通过砂轮回转主轴安装基座(18)安装于包括有A轴向工作台(9)及B轴向工作台(10)的二轴移动工作台上，二轴移动工作台装设在磨床床身(21)上，且A轴向工作台(9)及B轴向工作台(10)通过由二轴联动数控装置(11)控制的A轴向伺服电机(7)及B轴向伺服电机(8)驱动其运动。

2、根据权利要求1所述的轴对称回转曲面的精密加工装置，其特征在于上述A轴向和B轴向之一与轴对称回转曲面工件(1)的回转轴线平行，另一轴向与轴对称回转曲面工件(1)的轴线方向垂直。

3、根据权利要求1所述的轴对称回转曲面的精密加工装置，其特征在于上述弧形砂轮(2)的磨削部分断面圆弧的半径(Rn)大于或等于砂轮宽度(B)的一半。

4、根据权利要求1所述的轴对称回转曲面的精密加工装置，其特征在于上述具有回转曲面的工件(1)为具有轴对称凸曲面的工件，或为具有轴对称凹曲面的工件，或具有轴对称凸凹曲面组合的工件。

5、根据权利要求1所述的轴对称回转曲面的精密加工装置，其特征在于上述弧形砂轮(2)的旁侧还设有砂轮修整装置，其包括有砂轮修整工具(5)、砂轮修整工具转动电机(6)、砂轮修整工具回转盘(13)、砂轮修整工具回转盘驱动机构(14)、砂轮修整工具安装座(15)、砂轮修整工具位置调整机构(16)、砂轮修整工具基座(17)，砂轮修整工具(5)安装在可作直线移动的砂轮修整工具位置调整机构(16)上，砂轮修整工具位置调整机构(16)固定于砂轮修整工具回转盘(13)上，砂轮修整工具回转盘(13)置于固定在磨床床身(21)的砂轮修整工具基座(17)上，且砂轮修整工具转动电机(6)通过砂轮修整工具转动盘驱动机构(14)驱动砂轮修整工具回转盘(13)摆动。

6、根据权利要求1所述的轴对称回转曲面的精密加工装置，其特征在于上述砂轮修整工具回转盘(13)在砂轮修整工具转动电机(6)及其砂轮修整工具转动盘驱动机构(14)的作用下可以绕固定轴线正反向180°的转动。

7、一种轴对称回转曲面的加工方法，其特征在于使用权利要求1所述的精密加工装置，弧形砂轮(2)在磨削曲面的过程中磨削点在砂轮圆弧面轮廓上顺次移动。

8、根据权利要求7所述的轴对称回转曲面的加工方法，其特征在于上述弧形砂轮(2)在曲面磨削过程中其主运动方向与具有回转曲面的工件(1)的旋转进给方向平行。

9、根据权利要求7或8所述的轴对称回转曲面的加工方法，其特征在于上述弧形砂轮(2)与具有回转曲面的工件(1)之间的运动通过二轴联动数控装置(11)实现曲线插补。

10、根据权利要求9所述的轴对称回转曲面的加工方法，其特征在于上述弧形砂轮(2)沿作转动的具有回转曲面的工件(1)的半径方向的曲线运动轨迹形成回转曲面，弧形砂轮(2)的断面圆弧形状复制在具有回转曲面的工件(1)的曲面上。

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