轴类零件外圆柱面加工设备的制作方法

本实用新型涉及轴类零件的超精密加工技术领域，尤其涉及一种轴类零件外圆柱面加工设备。

背景技术：

轴类零件被广泛用于各类机械设备，自20世纪以来，随着工业的高速发展，高精度轴类零件被广泛用于超精密机床、精密仪器、航天工业、高端光学制造等领域。以超精密机床的气浮主轴为例，目前超精密机床的主轴回转精度可达50nm，最高可达25nm。影响其回转精度的主要因素有轴颈处的圆度和圆柱度，由于误差均化机理，气浮主轴的回转精度可达其轴芯圆度的1/4-1/10.

目前通用的主轴加工工艺包括车削，磨削，中间含有各类处理，如渗氮、深冷等。常规的机械加工方式存在“误差复映”现象，在车削中机床主轴的回转误差会显著影响被加工轴的圆度，主轴回转误差占圆度的40-60％。以直径100mm，长150mm的轴类工件为例，经过一般的精密车削后可以达到圆度1.5-2μm，圆柱度5-10μm。对于外圆磨床，由于使用了精度更高的死顶尖(非回转顶尖)，使得被加工轴的圆度更好，但是这对轴上顶尖孔的精度提出了更高要求，顶尖孔的精度需要手工修磨或者专门的超精密顶尖孔修磨机保证，降低了生产效率的同时提高了设备成本。虽然有研究采用双回转顶尖、球形顶尖等方法改善磨削圆度，但是最高精度仍在0.2μm左右，无法达到0.1μm水平。

对于普通精密机床，机床主轴经过精密外圆磨削后可以满足使用。但是随着光学加工等领域的精度不断提升，对机床主轴的精度要求更高，在外圆磨削无法满足要求的情况下，更高精度往往只能用手工研磨实现。手工研磨的质量不稳定，精度非常依赖工人的经验，难以进行批量高效的生产。

传统的轴类零件抛光机以改善轴类零件表面粗糙度为主要目的，推移气缸直接和接触轮相连接，在砂带张紧力的绷紧下，实际接触面上的法向力等于推移气缸弹出力减去作用在接触轮上的砂带张紧力，这造成了压力控制的不准确；同时负责推移气缸弹出的滑动副与接触轮安装在一起，使得接触轮在振动时会产生小幅度的偏摆，影响去除函数的稳定性，从而影响加工精度和加工效率，增加加工成本。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种加工精度高、加工效率高以及加工成本低的轴类零件外圆柱面加工设备。

为解决上述技术问题，本实用新型采用以下技术方案：

一种轴类零件外圆柱面加工设备，包括机身以及设于机身上的外圆研抛机构和用于夹紧轴类零件并驱动轴类零件旋转的旋转驱动机构和尾部抵紧机构，所述外圆研抛机构包括第一滑移底座、第二滑移底座和机箱，所述第一滑移底座能沿第一方向滑动地设于机身，所述第一方向为与旋转驱动机构的旋转中心轴平行的方向，所述第二滑移底座能沿第二方向滑动地设于第一滑移底座上，所述机箱能沿第二方向滑动地设于第二滑移底座上，所述第二方向与第一方向垂直，所述机箱上设有砂带轮、卷带轮、接触轮和砂带，所述砂带绕设于砂带轮、卷带轮和接触轮上，所述第二滑移底座上设有用于推移机箱以使接触轮上砂带抵紧于轴类零件上的推移气缸。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述旋转驱动机构包括固定底座、液体静压电主轴和主轴夹具，所述固定底座固定在机身上，所述液体静压电主轴安装在固定底座，所述主轴夹具设于液体静压电主轴的输出端。

所述尾部抵紧机构包括第三滑移底座和液体静压尾座，所述第三滑移底座能沿第三方向滑动地设于机身上，所述第三方向为旋转驱动机构的旋转中心轴的延伸方向，所述液体静压尾座安装在第三滑移底座上。

所述机身上还设有外圆粗削机构。

所述外圆粗削机构包括第四滑移底座、第五滑移底座和刀架，所述第四滑移底座能沿第四方向滑动地设于机身上，所述第四方向与第一方向平行，所述第五滑移底座能沿第五方向滑动地设于第四滑移底座上，所述第五方向与第四方向垂直，所述刀架安装在第五滑移底座上，所述刀架上设有车削刀或者砂轮。

所述机身上设有滑轨，所述旋转驱动机构位于滑轨的一端，所述尾部抵紧机构滑设于滑轨上，所述外圆粗削机构和外圆研抛机构分别位于滑轨的两侧。

所述轴类零件外圆柱面加工设备所述机身还包括数控模块，所述外圆研抛机构和旋转驱动机构均与数控模块电连接。

与现有技术相比，本实用新型的优点在于：

本实用新型的轴类零件外圆柱面加工设备，包括机身以及设于机身上的外圆研抛机构和用于夹紧轴类零件并驱动轴类零件旋转的旋转驱动机构和尾部抵紧机构，外圆研抛机构包括第一滑移底座、第二滑移底座和机箱，第一滑移底座能沿第一方向滑动地设于机身，第一方向为与旋转驱动机构的旋转中心轴平行的方向，第二滑移底座能沿第二方向滑动地设于第一滑移底座上，机箱能沿第二方向滑动地设于第二滑移底座上，第二方向与第一方向垂直，机箱上设有砂带轮、卷带轮、接触轮和砂带，砂带绕设于砂带轮、卷带轮和接触轮上，第二滑移底座上设有用于推移机箱以使接触轮上砂带抵紧于轴类零件上的推移气缸。本加工设备具有外圆研抛机构，使用砂带磨削的方式进行材料去除，其可以保证加工后的低粗糙度，加工过程热变形小，以及整个加工过程中稳定的材料去除率；由于砂带轮、卷带轮和接触轮都是固定在机箱上的，使得绕设于砂带轮、卷带轮和接触轮上的砂带绷紧力不会作用在推移气缸上，在加工过程中，通过推移气缸推动机箱移动，使接触轮上的砂带与轴类零件表面接触，排除了砂带自身绷紧程度的变化对推移气缸的影响，使实际接触压力不再是推移气缸弹出力和砂带张紧力的耦合，提升了推移气缸气压控制的准确性，同时振动的接触轮没有了沿轴径向的自由度，使得接触轮沿轴向方向的刚度得到很大提升，保证了加工去除量的稳定性，从而提高了加工精度和加工效率，并降低了加工成本。

附图说明

图1是本实用新型轴类零件外圆柱面加工设备的立体结构示意图。

图2是本实用新型轴类零件外圆柱面加工设备的外圆研抛机构的立体结构示意图(第一视角)。

图3是本实用新型轴类零件外圆柱面加工设备的外圆研抛机构的主视结构示意图。

图4是本实用新型轴类零件外圆柱面加工设备的外圆研抛机构的立体结构示意图(第二视角)。

图5是本实用新型轴类零件外圆柱面加工设备的外圆粗削机构的立体结构示意图。

图6是本实用新型轴类零件外圆柱面加工设备的旋转驱动机构的立体结构示意图。

图7是本实用新型轴类零件外圆柱面加工设备的尾部抵紧机构的立体结构示意图。

图8是本实用新型轴类零件外圆柱面加工设备的加工起点a的确定图。

图中各标号表示：

1、机身；11、滑轨；2、外圆粗削机构；21、第四滑移底座；22、第五滑移底座；23、刀架；3、外圆研抛机构；31、第一滑移底座；32、第二滑移底座；34、机箱；341、砂带轮；342、卷带轮；343、接触轮；344、砂带；35、推移气缸；4、轴类零件；5、旋转驱动机构；51、固定底座；52、液体静压电主轴；53、主轴夹具；6、尾部抵紧机构；61、第三滑移底座；62、液体静压尾座；7、数控模块。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本实用新型做进一步详细说明。

图1至图7示出了本实用新型轴类零件外圆柱面加工设备的一种实施例，本轴类零件外圆柱面加工设备包括机身1以及设于机身1上的外圆研抛机构3和用于夹紧轴类零件4并驱动轴类零件4旋转的旋转驱动机构5和尾部抵紧机构6，外圆研抛机构3包括第一滑移底座31、第二滑移底座32和机箱34，第一滑移底座31能沿第一方向滑动地设于机身1，第一方向为与旋转驱动机构5的旋转中心轴平行的方向(第一方向即为与如图1中x方向平行的方向)，第二滑移底座32能沿第二方向滑动地设于第一滑移底座31上，机箱34能沿第二方向滑动地设于第二滑移底座32上，第二方向与第一方向垂直(第二方向即为与如图1中y方向平行的方向)，机箱34上设有砂带轮341、卷带轮342、接触轮343和砂带344，砂带344绕设于砂带轮341、卷带轮342和接触轮343上，第二滑移底座32上设有用于推移机箱34以使接触轮343上砂带344抵紧于轴类零件4上的推移气缸35。本加工设备具有外圆研抛机构3，使用砂带344磨削的方式进行材料去除，其可以保证加工后的低粗糙度，加工过程热变形小，以及整个加工过程中稳定的材料去除率；由于砂带轮341、卷带轮342和接触轮343都是固定在机箱34上的，使得绕设于砂带轮341、卷带轮342和接触轮343上的砂带344绷紧力不会作用在推移气缸35上，在加工过程中，通过推移气缸35推动机箱34移动，使接触轮343上的砂带344与轴类零件4表面接触，排除了砂带344自身绷紧程度的变化对推移气缸35的影响，使实际接触压力不再是推移气缸35弹出力和砂带344张紧力的耦合，提升了推移气缸35气压控制的准确性，同时振动的接触轮343没有了沿轴径向的自由度，使得接触轮343沿轴向方向的刚度得到很大提升，保证了加工去除量的稳定性，从而提高了加工精度和加工效率，并降低了加工成本。

本实施例中，如图1和图6所示，旋转驱动机构5包括固定底座51、液体静压电主轴52和主轴夹具53，固定底座51固定在机身1上，液体静压电主轴52安装在固定底座51，主轴夹具53设于液体静压电主轴52的输出端。如图1和图7所示，尾部抵紧机构6包括第三滑移底座61和液体静压尾座62，第三滑移底座61能沿第三方向滑动地设于机身1上，第三方向为旋转驱动机构5的旋转中心轴的延伸方向(第三方向即为与如图1中x方向平行的方向)，液体静压尾座62安装在第三滑移底座61上。加工时，轴类零件4夹紧在液体静压尾座62和主轴夹具53之间。

本实施例中，如图1和图5所示，机身1上还设有外圆粗削机构2。外圆粗削机构2包括第四滑移底座21、第五滑移底座22和刀架23，第四滑移底座21能沿第四方向滑动地设于机身1上，第四方向与第一方向平行，第五滑移底座22能沿第五方向滑动地设于第四滑移底座21上，第五方向与第四方向垂直，刀架23安装在第五滑移底座22上，刀架23上设有车削刀或者砂轮。本实用新型能够实现超过机械加工的形状精度，将传统超高精度轴类零件的加工工序整合到了一台设备上，大大降低了设备占地空间和使用维护成本，在提升加工精度的同时提高了加工效率。

本实施例中，如图1和图6所示，机身1上设有滑轨11，旋转驱动机构5位于滑轨11的一端，尾部抵紧机构6滑设于滑轨11上，外圆粗削机构2和外圆研抛机构3分别位于滑轨11的两侧。尾部抵紧机构6能够沿着滑轨11滑动以夹紧或者取放轴类零件4。

本实施例中，如图1所示，轴类零件外圆柱面加工设备机身1还包括外圆研抛机构3，外圆粗削机构2、外圆研抛机构3和旋转驱动机构5均与数控模块7电连接。可以通过数控模块7对外圆粗削机构2、外圆研抛机构3和/或旋转驱动机构5起数控加工作用，以提高智能化程度和加工效率。

一种轴类零件外圆柱面加工设备的加工方法，包括如下步骤：

s1：安装轴类零件4：将轴类零件4夹紧在旋转驱动机构5和尾部抵紧机构6之间；

s2：确定加工起点：移动第一滑移底座31，使接触轮343与轴类零件4一端边缘对准；移动第二滑移底座32，将接触轮343上的砂带344靠近于轴类零件4外圆表面的边缘，再锁定第二滑移底座32；转动轴类零件4到指定位置；启动推移气缸35推动机箱34，使接触轮343上的砂带344与轴类零件4抵接，此时，砂带344与轴类零件4的接触点a即为加工起点(如图8所示)；

s3：确定性去除修正：根据轴类零件4表面形状进行确定性去除修正，推移气缸35使砂带344与轴类零件4表面保持恒定的压强接触。

该轴类零件外圆柱面加工设备的加工方法，操作简易，且对轴类零件4表面形状进行确定性去除修正，提高了轴类零件4表面的加工精度。

具体地，可以通过数控模块7控制液体静压电主轴52和第一滑移底座31的联动，实现对轴类零件4的表面的确定性研抛，以提高加工精度和加工效率。

本实施例中，确定性去除修正基于ccos原理进行，在加工过程中，增加砂带344在误差高点的驻留时间，并调节旋转驱动机构5的转速至指定值，以增加去除量，反之，减少砂带344在误差低点的驻留时间，并调节旋转驱动机构5的转速至指定值，以减少去除量。

通过恒压接触的振动接触轮343，在液体静压电主轴52和第一滑移底座31的联动下，可以使外圆研抛机构3的接触轮343接触到轴类零件4外圆表面的每一处位置。数控模块7可以使外圆研抛机构3使用精准的压力、振动频率和时间，即可以精确地控制单位时间内通过砂带344去除的材料量(即去除函数)，在轴类零件4表面的误差高点多停留，造成更多去除量，在误差低点少停留，造成更少去除量，从而确定性地修正轴类零件4表面的误差。

本实施例中，确定性去除修正原理为，在测量得到准确的初始面形误差并获得具有时间线性和长时间稳定性的去除函数后，通过驻留时间算法解算出去除函数在轴类零件4外圆表面各个位置的驻留时间，最终的去除量可以由如下方程得到：e(x，y)＝r(x，y)*t(x，y)，其中，x为轴类零件4外圆表面离加工起点a的轴向位移，y为轴类零件4外圆表面离加工起点a的周向位移，e(x，y)为轴类零件4外圆表面每一处的实际去除量矩阵，r(x，y)为去除函数，t(x，y)为驻留时间矩阵；轴类零件4的转速ω＝ddtθ，其中dθ为去除量矩阵e(x，y)中沿圆周方向角度的离散间隔，dt为驻留时间矩阵t(x，y)中在该角度的驻留时间。通过上式可以求得在dθ角度范围内液体静压电主轴52的转速。可通过将转速信息写入加工代码，通过数控模块7准确地控制加工设备的动力即可实现第一滑移底座31在指定位置停留指定的时间。如图8所示，初始的被加工轴类零件4是一个圆柱面，当沿着圆柱面的一条母线将这个圆柱面剪开后展开，就可以得到一个矩形表面，其中的矩形的两个方向定义为x和y，用(x,y)坐标即可表示整个柱面上的每一处位置。

进一步，确定性去除的去除量可通过更改砂带344接触轮343的振动频率f、接触压强p和砂带344更新速度v进行调整；而传统车削磨削成形主要有三个切削参数：切深ap，进给速度f和切削速度v，其中切深ap正是影响当前传统机床加工精度提升的主要因素，以外圆磨床为例，轴向导轨的直线度、砂轮主轴的回转误差、主轴尾座顶尖的同轴度，都会直接影响切深ap，以“误差复映”的形式体现在被加工工件上。相比于传统车床磨床加工方法，使用本加工方法的主要优点在于，确定性修形不再需要切深ap，取而代之的是更容易控制的压强p和驻留时间t。因为砂带344始终以恒压接触在轴类零件4表面，即使外圆研抛机构3安装有直线度误差、安装工件的主轴存在回转误差，恒压接触可以抵消这些影响，因此对于机床的直线运动精度要求降低；相比于手工抛光，该加工设备可以节省大量人力劳动成本，对于定点的微量去除量也可以把控更稳定准确。

虽然本实用新型已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本实用新型。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本实用新型技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本实用新型技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本实用新型技术方案保护的范围内。

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