一種用于天然金剛石刀具刃磨的復雜軌跡研拋設備的制作方法
【專利摘要】一種用于天然金剛石刀具刃磨的復雜軌跡研拋設備，它涉及精密和超精密加工【技術領域】。該設備解決目前金剛石刀具刃磨設備運行軌跡單一、操控復雜、設備易老化、加工穩定性不夠理想的問題。所述床身上安裝有止推氣浮軸承，止推氣浮軸承內部安裝有氣浮主軸軸系，主軸上部安裝主軸上托板，主軸上托板通過精密導軌副與止推氣浮軸承安裝在一起，所述止推氣浮軸承安裝有第二定位鎖緊螺釘；偏心輪與連桿旋轉連接，鎖緊支座固裝在偏心輪的底部，調心絲杠安裝在鎖緊支座上，驅動軸與調心絲杠螺紋連接，驅動軸利用導向槽與偏心輪接觸，第一鎖緊螺釘將主軸下托板、偏心輪和連桿連接在一起。本發明用于天然金剛石刀具的復雜軌跡研拋加工。
【專利說明】-種用于天然金剛石刀具刃磨的復雜軌跡研拋設備
【技術領域】
[0001] 本發明涉及精密和超精密加工【技術領域】，更具體的涉及一種天用于天然金剛石刀 具刃磨的復雜軌跡研拋設備。
【背景技術】
[0002] 精密和超精密加工技術是機械制造業中最重要的部分之一，這是因為精密和超 精密加工技術不僅直接影響著尖端技術和國防工業的發展，而且還影響著民用機械產品 的精度和表面質量，影響著產品的國際競爭力。近年來各種新技術，例如微電子技術、計 算機技術、自動控制技術、激光技術等在精密加工中得到廣泛應用，使得精密和超精密加 工技術產生了飛躍式的發展，大大改進了它的技術面貌。各類產品要求的精度不斷提高， 促使精密加工技術水平迅速發展，精密和超精密加工的精度也在不斷提高。在20世紀50 年代，精密加工能達到的精度水平為3-5 μ m，超精密加工能達到的加工精度是1 μ m。到 20世紀70年代后期，精密加工能達到的精度水平為1 μ m，超精密加工能達到的加工精度 是0. 1 μ m ;而現在精密加工能達到的精度水平為0. 1 μ m，超精密加工能達到的加工精度是 0. 01-0. 001 μ m。世界各國都非常重視發展精密和超精密加工技術，把它作為發展先進制造 技術中的優先發展內容。
[0003] 隨著超精密加工技術的應用與推廣，在近幾十年的時間里，機械加工精度被提高 了 1-3個數量級，并正向更高的納米級精度發展。由于超精密加工技術在國防領域占據十 分重要的地位，美國、日本、英國、德國和俄羅斯等西方工業發達國家都將超精密和納米加 工技術列入了 21世紀優先發展的工業計劃，使之不僅成為學術研究的熱點，而且一旦突破 形成核心技術又上升為國家制造業最高水平的重要標志，并為國民經濟的發展帶來新的增 長點。由于超精密加工技術涉及到國防尖端科技和巨大的經濟利益，西方工業發達國家都 是獨自開發且相互技術保密，對中國更是技術封鎖。因此，我國也必須自行研究和開發超精 密加工的關鍵技術。
[0004] 對于超精密切削加工工藝來說，要獲得零件形狀尺寸的高精度和加工表面的超光 滑，除了必須擁有超精密的機床、高分辨率的檢測儀器和超穩定的加工環境條件以外，還須 具備進行切削加工的高精度天然金剛石刀具，尤其是高精度的圓弧刃金剛石刀具。因為圓 弧刃金剛石刀具的切削刃曲率半徑保持不變，刃上各切削點都可參與切削，這對于加工高 精度的球面或非球曲面零件至關重要。根據參閱相關文獻可知，采用切削刃鈍圓半徑為 60-70nm的圓弧刃金剛石刀具可使小件KDP晶體的切削加工表面粗糙度Ra降到5nm以下。 由此可見，刀具刃磨質量對加工零件的表面粗糙度具有至關重要的影響。
[0005] 但金剛石晶體以其獨有的高硬度、耐磨損、難焊接等特點，使得金剛石刀具的制備 比較困難。就目前我國還沒有成型的圓弧刃金剛石刀具刃磨設備及相關檢測設備的情況 下，對圓弧刃金剛石刀具刃磨工藝和刃磨機理的研究只能停留在相對粗淺的水平。隨著民 用產品使用性能和國防武器型號精度、可靠性、命中率以及使用壽命等指標的不斷提高，我 國基本靠進口國外的圓弧刃金剛石刀具來滿足和支撐軍民產品急需的超精密切削加工技 術，進口刀具不但價格昂貴，其刃磨質量也未達到最高水平。切削刃鈍圓半徑小于50nm的 高精度圓弧刃金剛石刀具，國外一直禁運。另外，對于金剛石刀具切削刃的修整與重磨，我 國也基本上依靠國外的技術，刀具的重復利用率極低。因此，依靠自身的技術力量研究高 精度圓弧刃金剛石刀具的刃磨機理與刃磨工藝、相關的刀具設計準則和刀具切削性能優化 等，對于提高我國超精密切削加工技術的整體水平和滿足軍、民產品超精密切削加工用高 精度圓弧刃金剛石刀具的市場需求具有重要的理論意義和實用價值。
[0006] 據有關文獻報道，日本大阪大學與美國LLL國家實驗室（Lawrence Livermore National Laboratory)進行合作，在1986年研究了關于有色金屬超精密車削加工的最小 切削厚度，他們在超精密車削機床上實現了最小切削厚度為lnm的單點金剛石切削，并通 過理論計算指出，要實現最小切削厚度為lnm的連續切削，金剛石刀具的切削刃鈍圓半徑 必須保持在3-5nm。上述研究成果一方面把超精密切削加工的技術水平推向了極限，另一方 面則充分顯示出了國外在高精度金剛石刀具制備方面已處于絕對領先的地位。概括地說， 國外對金剛石刀具刃磨技術的研究和應用都已相當成熟。
[0007] 另外，國外成熟應用金剛石刀具刃磨技術的另一標志是金剛石刀具刃磨機床的商 業化生產。英國Coborn公司最近推出的PG3B型天然金剛石刀具刃磨機床，主要用于刀具 后刀面的成型加工。PG3B機床采用臥式操作平臺，其主軸采用空氣靜壓軸承并附水冷系統， 轉速可高達12000r/min，而且金剛石刀具的圓弧可實現在線監控，其理論圓弧輪廓精度可 達150nm以內。此外，英國Contour Fine Tooling公司和荷蘭Techno Diamant公司自制 精密金剛石刀具磨床也可使金剛石刀具的圓弧輪廓精度達到50nm。
[0008] 國內對金剛石刀具刃磨技術的研究起步較晚，對圓弧刃金剛石刀具的刃磨機理、 刃磨工藝和檢測技術的研究相對比較粗淺，對直線刃金剛石刀具刃磨技術的研究雖然稍早 一些，但還不能穩定達到高精度金剛石刀具的技術指標。如在刀具刃磨工藝方面，航天工業 總公司第一研究院303所、上海儀表廠、中國運載火箭技術研究院230廠、中非人工晶體研 究院、北京天地東方超硬材料股份有限公司和上海舒伯哈特工具有限公司等科研院所或單 位對直線刃金剛石刀具的刃磨工藝做了較多的研究工作，但他們只能將直線刃金剛石刀具 的切削刃鈍圓半徑刃磨到l〇〇nm左右，對于高精度圓弧刃金剛石刀具還不能刃磨。地方院 校如哈爾濱工業大學、中國科技大學和長春理工大學（原長春光學精密機械學院）等單位 在金剛石刀具刃磨技術和金剛石晶體理論方面也做了較多的工作，并受到國家科研項目的 支持。
[0009] 然而，由于金剛石晶體具有很強的各向異性，不同的晶面上乃至同一晶面不同方 向上的機械性能差異明顯，使得在金剛石刀具刃磨過程中，出現刀具材料去除率呈現方向 性。同時，對研磨盤的不同圓周上的磨損情況也各不相同，要保證刃磨質量和加工效率，就 必須要定期對研磨盤進行修整，十分麻煩。此外，相關報道表明，進行復雜刃磨軌跡的刀具 刃磨工藝具有改善加工質量、提升加工效率等優點。所以，目前開發制造一臺能夠提供盡量 復雜刃磨軌跡且軌跡、可控性良好的金剛石刀具平面研磨拋光機床是十分迫切和意義重大 的。但目前國外高端刃磨機床對我們禁運，而國內亦無相關成型設備的深入研究案例。此 夕卜，目前國內研制的金剛石刀具刃磨設備存在諸多問題，如運行軌跡單一、操控復雜、設備 易老化、加工穩定性不夠理想等，因此不能滿足相應科研與生產需求。
【發明內容】
[0010] 本發明的目的是提供一種用于天然金剛石刀具刃磨的復雜軌跡研拋設備，以解決 目前金剛石刀具刃磨設備運行軌跡單一、操控復雜、設備易老化、加工穩定性不夠理想的問 題。
[0011] 本發明為解決上述技術問題采取的技術方案是：設備包括床身、氣浮主軸軸系、 精密導軌副、止推氣浮軸承和機構控制部件,所述氣浮主軸軸系包括主軸上托板、主軸下托 板、第一定位鎖緊螺釘和主軸，所述機構控制部件包括驅動軸、調心絲杠、鎖緊支座、連桿和 偏心輪；
[0012] 所述床身上安裝有止推氣浮軸承，止推氣浮軸承內部安裝有氣浮主軸軸系，主軸 上部安裝主軸上托板，主軸上托板通過精密導軌副與止推氣浮軸承安裝在一起，所述止推 氣浮軸承安裝有第二定位鎖緊螺釘；
[0013] 偏心輪與連桿旋轉連接，鎖緊支座固裝在偏心輪的底部，調心絲杠安裝在鎖緊支 座上，驅動軸與調心絲杠螺紋連接，驅動軸利用導向槽與偏心輪接觸，第一鎖緊螺釘將主軸 下托板、偏心輪和連桿連接在一起，連桿通過定位第一鎖緊螺釘實現其與主軸底部安裝的 主軸下托板的鎖緊與分離。
[0014] 本發明具有以下有益效果：本發明能夠滿足各類超硬材料刀具的刃磨加工工藝要 求；尤其適合于天然單晶金剛石刀具的高精度刃磨加工；因為其具有研磨軌跡可控、研磨 狀態復雜多變的加工特征，能夠依據刀具材料的各向異性特征，進行軌跡雜化刃磨加工，提 高整體刃磨質量；通過調節不同的加工模式，實現耦合機構的功能分離，即由偏心輪機構控 制實現研磨盤的定向往復運動，由回轉導桿機構控制實現研磨盤的正弦與圓周疊加運動， 再輔之研磨盤自身的變速運動，進而達到多種復雜刃磨狀態的耦合加工，且各加工模式的 運動軌跡振幅可調，研拋速率可控，機構平穩性良好，這就使得該設備十分利于進行天然金 剛石刀具的復雜軌跡刃磨加工工藝研究；而此種刀具刃磨工藝具有改善加工質量、提升加 工效率、降低加工成本及減小研磨盤局部磨損等優點，不僅能夠研拋出高精度的鋒利金剛 石刀具，而且對開辟新的刀具刃磨工藝、研磨盤的磨損量均化控制以及優化刀具刃磨軌跡 的研究等問題都十分有益。此外，本發明還具有結構簡單、操控方便、系統穩定性和經濟實 用性良好等優點。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015] 圖1是本發明整體結構示意圖。
[0016] 圖2是本發明整體裝配主視圖。
[0017] 圖3是本發明機構控制部件等軸測視圖。
[0018] 圖4是本發明機構控制部件仰視圖。
[0019] 圖中：1、床身；1-1、定位安裝板；2、氣浮主軸軸系；2-1、主軸上托板；2-2、主軸下 托板；2-3、第一定位鎖緊螺釘；2-4、研拋盤；2-5、主軸；3、精密導軌副；4、止推氣浮軸承； 4- 1、第二定位鎖緊螺釘；5、機構控制部件；5-1、驅動軸；5-2、調心絲杠；5-3、鎖緊支座； 5- 4、連桿；5-5、偏心輪。
【具體實施方式】
【具體實施方式】 [0020] 一：結合圖1-圖4說明本實施方式，本實施方式的設備包括床身1、 氣浮主軸軸系2、精密導軌副3、止推氣浮軸承4和機構控制部件5,所述氣浮主軸軸系2包 括主軸上托板2-1、主軸下托板2-2、第一定位鎖緊螺釘2-3和主軸2-5,所述機構控制部件 5包括驅動軸5-1、調心絲杠5-2、鎖緊支座5-3、連桿5-4和偏心輪5-5 ;
[0021] 所述床身1上安裝有止推氣浮軸承4,止推氣浮軸承4內部安裝有氣浮主軸軸系 2,主軸2-5上部安裝主軸上托板2-1，主軸上托板2-1通過精密導軌副3與止推氣浮軸承4 安裝在一起，所述止推氣浮軸承4安裝有第二定位鎖緊螺釘4-1 ;
[0022] 偏心輪5-5與連桿5-4旋轉連接，鎖緊支座5-3固裝在偏心輪5-5的底部，調心絲 杠5-2安裝在鎖緊支座5-3上，驅動軸5-1與調心絲杠5-2螺紋連接，驅動軸5-1利用導向 槽與偏心輪5-5接觸，第一鎖緊螺釘2-3將主軸下托板2-2、偏心輪5-5和連桿5-4連接在 一起，連桿5-4通過定位第一鎖緊螺釘2-3實現其與主軸2-5底部安裝的主軸下托板2-2 的鎖緊與分離。
[0023]
【具體實施方式】二：結合圖1說明本實施方式，本實施方式的設備還包括研拋盤 2-4,所述主軸2-5的頂端安裝研拋盤2-4。其它實施方式與【具體實施方式】一相同。
[0024] 工作原理：當第一定位鎖緊螺釘2-3將偏心輪5-5與連桿5-4固定為一體且第二 定位鎖緊螺釘4-1松開時，由于驅動軸5-1與安裝有精密導軌副3的止推氣浮軸承4具有 一定的偏心量，通過精密導軌副3的直線運動與止推氣浮軸承4的圓周運動的耦合，從而構 成回轉導桿機構，實現氣浮主軸軸系2在止推氣浮軸承4內部空間的正弦與圓周疊加的復 合運動形式，而且可以通過旋轉調心絲杠5-2進而改變驅動軸5-1與止推氣浮軸承4之間 的偏心量來進行調節振動幅度和往復軌跡形式的控制。當第一定位鎖緊螺釘2-3將偏心輪 5-5與連桿5-4松開時，且任意選定第二定位鎖緊螺釘4-1的鎖緊方位后，通過精密導軌副 3的直線運動與連桿5-4和偏心輪5-5之間的旋轉運動的耦合，從而構成偏心輪機構，達到 氣浮主軸軸系2在止推氣浮軸承4內部空間進行直線往復運動的形式，而且可以通過旋轉 調心絲杠5-2進而改變驅動軸5-1與偏心輪5-5之間的偏心量來調節往復運動的擺幅和運 動速度。最終實現，所述機構控制部件5通過改變第一定位鎖緊螺釘2-3及第二定位鎖緊 螺釘4-1的狀態，與精密導軌副3和止推氣浮軸承4 一起實現氣浮主軸軸系2的復雜軌跡 控制與調節功能。
【權利要求】
1. 一種用于天然金剛石刀具刃磨的復雜軌跡研拋設備，其特征在于所述設備包括床身 (1)、氣浮主軸軸系（2)、精密導軌副（3)、止推氣浮軸承（4)和機構控制部件（5)，所述氣浮 主軸軸系（2)包括主軸上托板（2-1)、主軸下托板（2-2)、第一定位鎖緊螺釘（2-3)和主軸 (2-5)，所述機構控制部件（5)包括驅動軸（5-1)、調心絲杠（5-2)、鎖緊支座（5-3)、連桿 (5-4)和偏心輪（5-5); 所述床身（1)上安裝有止推氣浮軸承（4)，止推氣浮軸承（4)內部安裝有氣浮主軸軸 系（2)，主軸（2-5)上部安裝主軸上托板（2-1)，主軸上托板（2-1)通過精密導軌副（3)與 止推氣浮軸承（4)安裝在一起，所述止推氣浮軸承（4)安裝有第二定位鎖緊螺釘（4-1); 偏心輪（5-5)與連桿（5-4)旋轉連接，鎖緊支座（5-3)固裝在偏心輪（5-5)的底部，調 心絲杠（5-2)安裝在鎖緊支座（5-3)上，驅動軸（5-1)與調心絲杠（5-2)螺紋連接，驅動軸 (5-1)與偏心輪（5-5)接觸，第一鎖緊螺釘（2-3)將主軸下托板（2-2)、偏心輪（5-5)和連 桿（5-4)連接在一起，連桿（5-4)通過定位第一鎖緊螺釘（2-3)實現其與主軸（2-5)底部 安裝的主軸下托板（2-2)的鎖緊與分離。
2. 根據權利要求1所述的一種用于天然金剛石刀具刃磨的復雜軌跡研拋設備，其特征 在于所述設備還包括研拋盤（2-4)，所述主軸（2-5)的頂端安裝研拋盤（2-4)。
【文檔編號】B24B3/60GK104084853SQ201410342210
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年7月18日 優先權日:2014年7月18日
【發明者】宗文俊, 李增強, 曹志民, 孫濤 申請人:哈爾濱工業大學