一种外圆柱面研抛装置及使用方法
阅读说明：本技术 一种外圆柱面研抛装置及使用方法 (Outer cylindrical surface polishing device and using method ) 是由 凌四营 赵昌明 孔玉梅 凌明 杨洋 于 2021-09-26 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种外圆柱面研抛装置及使用方法,属于精密加工技术领域。本发明结构简单,可配合不同轴系实现轴类零件或盘类零件外圆柱面的精密研抛,可同时加工一个或多个同尺寸工件。符合圆柱表面的成型原理,既：母线绕固定轴线回转。可加工任意尺寸外圆柱面,且加工过程中无需进刀,利用工件的弹性变形实现自动连续的微量进刀,即可完成研抛工艺。该装置仅对精密油石的工作面有直线度要求,夹具体的平面度、垂直度、平行度等对于研抛过程影响不大。油石不与夹具体直接接触,避免因夹紧力过大损坏油石。采用本装置研抛后的工件,圆度误差可达到亚微米量级,粗糙度可达到几十纳米量级,且具有成本低廉,操作简单,调整方便等优点,具有重要的推广应用价值。(The invention provides a grinding and polishing device for an outer cylindrical surface and a using method thereof, belonging to the technical field of precision machining. The invention has simple structure, can be matched with different shafting to realize the precise grinding and polishing of the outer cylindrical surface of the shaft part or the disc part, and can simultaneously process one or more workpieces with the same size. The forming principle of the cylindrical surface is met, namely: the bus bar revolves around a fixed axis. The outer cylindrical surface with any size can be processed, feed is not needed in the processing process, automatic continuous micro feed is realized by utilizing the elastic deformation of a workpiece, and the grinding and polishing process can be completed. The device only has the straightness accuracy requirement to the working face of accurate oilstone, and the flatness, the straightness accuracy, the depth of parallelism etc. of anchor clamps are little to the process of lapping and throwing. The oilstone is not in direct contact with the clamp body, so that damage to the oilstone due to overlarge clamping force is avoided. The roundness error of a workpiece ground and polished by the device can reach submicron level, the roughness can reach dozens of nanometers level, and the device has the advantages of low cost, simple operation, convenient adjustment and the like, and has important popularization and application values.)
技术领域
本发明属于精密加工技术领域，涉及一种零件外圆柱面的研抛加工装置及使用方法。
背景技术
研磨和抛光是经典的超精密加工技术，被广泛应用于金属零部件、光学元件以及工程陶瓷的表面精加工。通过研磨和抛光可以有效去除前道工序造成的加工损伤，并获得超光滑无损伤的工件表面。
所谓研磨是指将研磨液加到研具上，通过研具与工件的相对运动来进行微量加工的方法。其中研具为具有一定刚性的硬质工具。磨料去除工件表面微量的材料，从而获得尺寸精度良好的、光滑的精加工表面。按研磨时有无研磨液可把研磨工艺分为干研磨和湿研磨。
抛光则一般不以尺寸精度和工件形状精度为加工目的，主要是为了得到平滑的表面以至镜面。抛光的原理与研磨基本相同只是选取的磨粒比较小，一般情况下使用直径小于1μm的微细磨粒。抛光盘一般选择低速旋转的软质弹性或粘弹性材料(包括高分子材料、沥青、石蜡、松香等)，另外高速旋转的低弹性材料(人造革、棉布、毛毡等)也可以作为抛光盘。研磨及抛光作为工件超精密加工的两道工序密不可分,通常将它们总称为研抛。
目前，外圆柱表面的研磨加工多在无心超精研磨机上加工完成。油石装夹在油石架上，由夹持片、顶紧螺钉、锁紧螺钉组成，安装调试油石极不方便；夹持油石时容易夹偏油石，研磨后工件的圆度误差、直线度误差、粗糙度等极大；在装夹油石时，夹紧螺丝夹紧力太大，还会造成油石容易被夹断而浪费油石。此外，无心超精研磨机结构复杂，成本昂贵。
发明内容
为解决现有无心超精研磨机的问题，本发明提供了一种盘类零件外圆柱面研抛装置及使用方法。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种零件外圆柱面研抛装置，所述研抛装置包括夹具体1、精密油石2、垫片3、锁紧螺钉4、调整螺钉5。所述精密油石2置于夹具体1的精密油石矩形槽1-1内，精密油石2与槽面接触处设置垫片3，通过锁紧螺钉4、调整螺钉5锁紧。所述的精密油石2为方形结构，包括定位面A2-1、夹紧面B2-2、调整面C2-3、工作面D2-4，其中，定位面A2-1与夹紧面B2-2相对设置，调整面C2-3、工作面D2-4相对设置。以精密油石为基础，其工作面D2-4表面不粘贴任何材料的，用于研磨工艺；工作面2-3表面粘贴(沥青、松香、人造革、毛毡等)软质弹性或粘弹性材料的，用于抛光工艺。
所述的夹具体1为左右对称结构，包括精密油石矩形槽1-1和夹持端1-2，及设于精密油石矩形槽1-1上的锁紧螺纹孔1-3、调整螺纹孔1-4。具体的：所述的锁紧螺纹孔1-3设于槽室顶面用于油石夹紧，轴线方向并排设置，每侧数量不少于两个；所述的调整螺纹孔1-4设于槽室侧面方向用于姿态调整，调整螺纹孔1-4位于夹具体1靠近两端位置处且关于夹持端1-2对称布置；所述夹具体1尾部设有圆柱形的夹持端1-2，车削加工，用于装配夹持机构。
进一步的，所述的夹具体1顶面和底面可开减重槽，减材去重。
进一步的，所述的精密油石2工作面D2-4直线度误差不大于1μm。
进一步的，所述的夹具体1与精密油石2的尺寸根据被加工工件的尺寸确定。精密油石2的宽度略大于工件的整体宽度10％左右。故而本装置既可用于加工轴类零件，也可用于加工盘类零件，可一次加工一个工件，也可同时加工多个同尺寸工件，加工范围较大。
一种外圆柱面研抛装置的使用方法，使用时，将所述研抛装置两套或多套环形阵列安装在被加工工件周边，多套装置同时工作，使工件受力均匀，不会出现偏心等现象；既可研磨又可抛光，也可研磨与抛光同时进行。具体包括如下步骤：
第一步，对装配外圆柱面研抛
1)在装配前对精密油石2进行预处理。
本装置用于精密加工，故对精密油石2的工作面D2-4精度要求非常高。预处理时，精密油石3套一组，其工作面D2-4相互对研，保证其直线度误差为亚微米量级。精密油石2还需具有表面粗糙度Ra值不小于0.05μm，以保证其研抛效果；
2)利用精化后的精密油石2对夹具体3的精密油石矩形槽1-1底面进行精化处理，保证其具有一定的平面度，即保证夹具体具有一定的定位精度以及刚度；
3)将垫片3、精密油石2依次装入精密油石矩形槽1-1内，确保垫片3与槽室侧面、顶面接触，精密油石定位面A2-1紧贴槽室底面，夹紧面B2-2紧贴顶部垫片，调整面C2-3紧贴侧面垫片；锁紧螺钉4、调整螺钉5分别插入锁紧螺纹孔1-3、调整螺纹孔1-4，锁紧螺钉4用于固定垫片3但不锁紧，保证调整螺钉5具有微调余量。所述精密油石矩形槽1-1室内放入垫片3的目的，用于避免精密油石2与锁紧螺钉4、调整螺钉5的直接接触，损坏精密油石2；
4)将夹具体1尾部夹持端1-2与夹持机构相连，安装在被加工工件附近，调整夹持机构至合适位置使工作面D2-4紧贴被加工工件；
第二步，精密油石2工作面精密调整，微调调整螺钉5至合适位置，压紧锁紧螺钉4。
若被加工工件不存在锥度误差，则以被加工工件母线为基准调整精密油石姿态，利用光隙法判断。粗调夹持机构，保证精密油石2工作面D2-4与工件表面接触。利用变波长LED灯为光隙法观测提供光源，微调夹具体1两侧调整螺钉5，直至精密油石工作面D与工件表面接触处不透光源，则调整完毕，压紧锁紧螺钉4。
若被加工工件存在锥度误差，则以被加工工件中轴线为基准调整精密油石姿态，利用测量法判断。粗调夹持机构，保证精密油石工作面D2-4与工件表面接触。利用精密仪表检测被加工工件锥度，在其锥度高点位置与油石工作面D2-4接触处放置一直角刀口尺，微调夹具体两侧调整螺钉5，直至油石工作面D2-4与被加工工件锥度高点位置处端面垂直，则调整完毕，压紧锁紧螺钉4。
第三步，工作过程为：
1)当所有外圆柱面研抛装置中精密油石2的装夹表面均不粘贴任何材料时，完成研磨工作；
2)当所有外圆柱面研抛装置中，即存在不粘贴任何材料的也存在表面粘贴抛光材料的精密油石2时，研磨与抛光同时进行，完成过渡工作：
3)所有外圆柱面研抛装置中，精密油石2的装夹表面均粘贴抛光材料时，完成抛光工作。加工过程中无需进刀，利用工件的弹性变形实现自动连续的微量进刀，即可完成研抛工艺。
进一步地，所述外圆柱面研抛装置为精密加工，被加工工件前一道工序加工后圆度误差、圆跳误差均不大于2μm。
本发明的有益效果在于：本装置结构简单，可配合不同轴系实现轴类零件或盘类零件外圆柱面的精密研抛，可同时加工一个或多个同尺寸工件。符合圆柱表面的成型原理，既：母线绕固定轴线回转。可加工任意尺寸外圆柱面，且加工过程中无需进刀，利用工件的弹性变形实现自动连续的微量进刀，即可完成研抛工艺。该装置仅对精密油石的工作面有直线度要求，夹具体的平面度、垂直度、平行度等对于研抛过程影响不大。油石不与夹具体直接接触，避免因夹紧力过大损坏油石。采用本装置研抛后的工件，圆度误差可达到亚微米量级，粗糙度可达到几十纳米量级，且具有成本低廉，操作简单，调整方便等优点，具有重要的推广应用价值。
附图说明
图1为外圆柱面研抛装置整装示意图。
图2为夹具体示意图。
图3为精密油石示意图。
图4为基圆盘外圆柱面研磨示例。
图5为基圆盘外圆柱面研磨俯视图。
图中：1夹具体；1-1精密油石矩形槽；1-2夹持端；1-3锁紧螺纹孔；1-4调整螺纹孔；2精密油石；2-1定位面A；2-2夹紧面B；2-3调整面C；2-4工作面D；3铜垫片；4锁紧螺钉；5调整螺钉；6万向磁性表座；7铸铁底座；8非对称V型块；9支撑轴系；10基圆盘；11直流电机。
具体实施方式
以研磨Φ240mm基圆盘外圆柱面为例，阐述本发明的具体实施方法。基圆盘用于生成基准级渐开线，所以对其圆度要求非常高，通常希望其达到亚微米甚至纳米量级。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
万向磁性表座具有刚性好，使用方便，任意位置可夹紧，头部可回转带微调装置等优点，故而本例选择万向磁性表座6作为夹具体1的夹持机构。铸铁底板7便于磁性表座的安装，非对称V型块8作为轴系9的支撑，非对称V型块8定位，螺栓夹紧。电机驱动主轴带动零件同步转动。在本例中，精密油石2选择为高精度碳化硅油石，油石表面不粘贴任何材料，加工状态为同时研磨一对基圆盘。
在研磨前，做如下前序处理：
精密油石2预处理。根据基圆盘尺寸设计加工精密油石2，精密油石2的工作面D2-4宽度略大于所要加工基圆盘的轴向总宽度10％。油石工作面D2-4直线度要求非常高，亚微米量级以上。故油石三套一组对研，保证工作面D直线度要求。为了保证精密油石2的研磨效果，还需保证精密油石2的的粗糙度Ra值为0.05μm。
基圆盘预处理。研抛为超精加工，故前道工序需保证为研磨时预留2μm圆度加工余量。基圆盘端面与主轴轴肩定位，保障轴向定位基准。故而基圆盘端面研磨，保证端面平面度误差1μm，两侧端平面平行度误差不大于1μm，端面相对于内孔的偏摆误差0.3μm。
基圆盘内孔放入密珠轴套，装配至主轴轴肩处，密珠轴套保障径向定位基准，依次装配平垫圈、十字垫圈、锁紧螺母，定位夹紧。两侧轴端再装配密珠轴套、轴套，放至非对称V型块8上定位，螺栓夹紧。连接联轴器与直流电机11，为主轴转动提供驱动。
将铜垫片3、精密油石2依次放入精密油石矩形槽1-1内，确保铜垫片3与槽室侧面、顶面接触，精密油石2定位面A2-1紧贴槽室底面，夹紧面B2-2紧贴顶部铜垫片，调整面C2-3紧贴侧面铜垫片。夹持端1-2装配万向磁性表座6的表夹，磁性表座吸附在铸铁底板7上固定，调节万向支臂至合适位置固定，使精密油石2基本贴合基圆盘10。本例采用两套装置，轴系两侧镜像安装，保证基圆盘受力均匀。
精密油石2工作面精密调整：若以基圆盘母线为基准，精密调整油石位置，则采用光隙法判断。利用变波长LED灯作为光源，微调万向磁性表座6支臂表夹旋钮，调整油石俯仰；微调调整螺钉5，调整精密油石2姿态，使得精密油石2工作面D2-4与基圆盘10紧密贴合，不透光线，则认为油石2调整完毕，压紧锁紧螺钉4。若以基圆盘中心轴线为基准，精密调整油石位置，则采用测量法。利用电感测微仪检测基圆盘10锥度，在其锥度高点位置与油石2工作面D接触处放置一直角刀口尺，微调调整螺钉5，直至工作面D与基圆盘10锥度高点位置处端面垂直，则调整完毕，压紧锁紧螺钉4。
调整完毕后驱动电机，轴系带动基圆盘10转动，研磨加工。加工过程中无需进刀，依靠基圆盘的弹性变形即可完成连续研磨。研磨完成后，可将油石工作面D2-4表面粘贴羊毛毡，重复上述步骤，即可完成外圆柱面的抛光。研抛结束，零件的圆度误差可达到亚微米量级，粗糙度可达到几十纳米量级。
以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。
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