一種盤類零件外圓柱面精密研拋加工裝置及其錐度誤差調整方法與流程

本發明屬于精密加工技術領域，涉及一種盤類零件外圓柱面的精密研拋加工裝置及其錐度誤差調整方法。

背景技術：

盤類零件是機械零件中較常見的一類典型零件，其徑向尺寸一般大于軸向尺寸，且具較高精度的端面跳動、內孔圓柱度和外圓柱面的圓跳和全跳精度要求。盤類零件的軸向基準為兩側端面，徑向基準為由內孔的圓柱面確定的軸線。在以內孔為基準加工外圓柱面時，由于所用加工芯軸存在加工誤差(包括芯軸中心孔的加工誤差和芯軸基準圓柱面的加工誤差等)和安裝偏心誤差，很難保證盤類零件外圓柱面和內孔基準圓柱面的同軸度，即便外圓柱面的圓度誤差較小，但由于內外圓柱面面同軸度誤差的存在，也會使盤類零件產生較大的圓跳和全跳誤差。

盤類零件典型的產品有軸承的內外圈、摩擦驅動中的摩擦輪、基準級漸開線檢查儀中的基圓盤類零件、圓度儀中的基準圓盤類零件等。尤其是在測量領域，對用作圓度基準的盤類零件提出了亞微米量級，甚至納米量級的精度要求。現有精加工設備及超精密磨削工藝無法滿足此類盤類零件的加工要求。研磨加工是一種超精密加工工藝，主要用于加工平面、圓柱面和球面等由簡單幾何元素構成的面形的超精密加工。目前，平面研磨的平面度一般能達到0.2～0.5μm；圓柱面研磨的圓度一般能達到0.2～0.5μm，圓柱度一般能達到0.5～1μm。采用超精密研拋工藝加工直徑為150mm的1級標準平晶，平面度可達到50nm以下。但目前的研拋加工工藝及裝置僅適用于平面和圓球零件的超精密加工。

技術實現要素：

為解決盤類零件亞微米甚至納米量級的外圓柱面超精密加工的難題，本發明提供了一種采用研拋加工工藝的盤類零件外圓柱面精密加裝置，通過利用母線繞固定軸線回轉形成圓柱面工作原理，實現了圓盤類零件外圓柱面的超精密加工。

具體技術方案為，一種采用研拋加工工藝的盤類零件外圓柱面精密加工裝置，包括圓底板、斜導軌、擋塊、壓板、銅壓塊、密珠軸系、氈板、摩擦驅動輪、直流電機、移動電源、ied燈、罩體；

圓底板采用球磨鑄鐵材料，厚度與直徑比為0.1～0.3，中間位置設有寬度大于被加工圓盤類零件厚度的倒梯形槽孔，被加工圓盤類零件置于倒梯形槽中間，圓盤類零件固定后其圓柱面與圓底板的底面同向相切；倒梯形槽孔垂直于圓盤類零件母線方向的一側設有與圓底板底面相交并垂直、高度為3～6mm的平面，其上貼有led貼片，為采用光隙法測量提供光源；與平面相對的另一側開有高度2～4mm、寬度大于被加工圓盤類零件母線長度的觀察槽，便于人眼通過光隙法判斷圓盤類零件母線的安裝精度與加工精度；圓底板上設有固定斜導軌和摩擦驅動輪支架的沉頭孔；圓底板可實現：①支撐整個精密加工裝置，②修整研拋平臺，③利用其厚度的減薄實現母線與其底面同向相切的盤類零件徑向連續自動微量進刀，④通過光隙法判斷圓盤類零件母線的安裝精度與加工精度；

兩套斜導軌與圓底板通過螺釘連接，導軌工作面與圓底板的底面成60°～75°傾角；每個斜導軌中間設有t型槽，用于擋塊和壓板的固定；與圓底板安裝后兩套斜導軌工作面共面；斜導軌用于實現：①一定直徑范圍內的盤類零件的定位與支撐，②擋塊和壓板的連接，③盤類零件軸向錐度誤差的調整。

兩套擋塊和壓板分別通過螺釘和t型螺母固定到斜導軌上，實現盤類零件芯軸的固定與調整；擋塊成l型，兩工作面垂直，有沉頭孔的定位面與斜導軌的工作面接觸，另一工作面與芯軸相切；壓板成反z字型，有沉頭孔的定位面與斜導軌接觸，壓板的壓面與壓板定位面的夾角不大于斜導軌工作面傾角的余角；壓板的壓面內側通過螺紋固定銅壓塊與芯軸壓緊接觸，以提高芯軸的定位剛度與穩定性；

密珠軸系包括芯軸、兩套環形平密珠板、徑向密珠軸套、墊圈支架、十字墊圈和鎖緊螺母；芯軸上設有三個軸段和一個端面垂直于軸線的軸肩，軸肩端面是盤類零件的軸向定位基準，其相對于盤類零件定位軸段的偏擺不大于1μm；兩端定位軸段直徑差不大于2μm，圓柱度不大于1μm，作為芯軸在斜導軌上的定位基準；徑向密珠軸套與環形平密珠板均采用球形滾動體；通過鎖緊螺母的預緊力控制環形平密珠板中的滾動體與芯軸軸肩和墊圈支架剛好接觸；墊圈支架為長條板型，厚度2～3mm，位于環形平密珠板和十字墊圈之間，中間徑向開孔，孔的尺寸大于芯軸螺紋公稱直徑0.5～1mm，通過十字墊圈和鎖緊螺母固定到芯軸上，支架沿芯軸徑向向兩側對稱延伸，支架長度大于盤類零件的最大直徑，但不超出罩體的內徑；墊圈支架兩側延伸段中間開槽，通過螺釘固定連接l型氈板；氈片長度大于盤類零件待加工圓柱面的軸向寬度3～10mm，用膠粘到l型氈板上；氈片的作用：①及時清除盤類零件上的拋光液，防止盤類零件與摩擦驅動輪打滑，②拋光盤類零件外圓柱面，提高其光潔度。

移動電源固定在圓底板上，直流電機和摩擦驅動輪通過電機支架連接到圓底板上，摩擦驅動輪的寬度大于盤類零件待加工圓柱面的軸向寬度；摩擦驅動輪由與鋼摩擦系數較大的硅膠或橡膠材料制成，通過過盈連接套在鋼軸上；透明的罩體外罩于裝置外部，通過定位銷固定在圓底板上。

進一步地，所述圓底板底面、兩套斜導軌工作面和兩套擋塊工作面的平面度均不大于1μm；兩套壓板與斜導軌接觸的定位面的平面度不大于2μm；兩套斜導軌工作面和兩套擋塊工作面的洛氏硬度不低于hrc60。

進一步地，所述銅壓塊的長度小于芯軸定位軸段2～5mm，銅壓塊與芯軸的接觸面為圓弧直徑大于芯軸定位軸段直徑的1～3mm的圓弧面。該結構可減小銅塊與芯軸定位軸段的壓強，保護芯軸的定位軸段免于破壞。

進一步地，所述徑向密珠軸套與環形平密珠板均采用g5級及以上精度的球形滾動體；徑向密珠軸套中滾動體的其直徑與盤類零件內孔和芯軸的單邊過盈量為1～3μm。

進一步地，所述罩體為塑料材質，靠近底部周邊均布加工有直徑2～3mm的通氣孔，內壁設有灰塵過濾網；便攜式溫濕度儀的探頭通過罩體頂部的小孔置于盤類零件上方1～5mm的位置，以便采集加工過程中盤類零件周圍溫濕度的數據；罩體頂部中間位置開孔安裝轉速可調式微型風扇，用以調節盤類零件加工環境的溫度；當加工室內相對濕度大于60％時，通過在罩體內放置硅膠等干燥劑進行降濕。

進一步地，所述圓底板周邊加工有安裝搬運手柄的孔，方便整個裝置的搬運；圓底板上固定兩個定位柱，用于罩體的定位；所述氈片為羊毛氈片。

上述盤類零件外圓柱面精密研拋加工裝置的錐度誤差調整方法，通過在擋塊工作面上或斜導軌工作面上加墊片的方法進行調整，具體方法如下：

(1)在擋塊與芯軸相切的工作面上加墊片

步驟1，建立在兩側擋塊工作面法向厚度差t1與盤類零件軸向錐度誤差δ之間的映射關系為：t1＝lδ/(lsinθ)；其中，盤類零件的軸向寬度為l，兩斜導軌t型槽的中心跨度為l，斜導軌工作面的傾角為θ；選取三組規格的1級及以上精度的量塊組a1、b1、c1作為調整墊片，其厚度分別為t0sinθ，t0，t0sinθ+t1；

步驟2，將b1組量塊墊在圓盤類零件與高精度平臺中間，a1和c1兩組量塊分別墊在兩側擋塊的工作面上，其中a1組量塊墊在盤類零件錐度誤差大的一端，c1組量塊墊在盤類零件錐度誤差小的一端；將盤類零件安裝在芯軸上，兩側擋塊固定到斜導軌上，確保芯軸定位軸段與斜導軌和a1、c1兩組量塊相切；然后移開芯軸和盤類零件，然后同時去掉a1、b1和c1三組量塊，最后再將盤類零件和芯軸固定到斜導軌上，此時，盤類零件母線與圓底板工作平面之間產生了δ的錐度誤差；隨著研拋的進行，盤類零件母線與圓底板工作平面趨于相切，最終實現盤類零件軸向錐度誤差的精密消除。

(2)在斜導軌工作面上加墊片

步驟1，建立在兩側斜導軌工作面法向厚度差t2與盤類零件軸向錐度誤差δ之間的映射關系為：t2＝lδ/(lcosθ)；選取三組規格的1級及以上精度的量塊組a2、b2、c2作為調整墊片，其厚度分別為t0cosθ，t0，t0cosθ+t2；

步驟2，將b2組量塊墊在盤類零件與高精度平臺中間，a2和c2兩組量塊分別墊在兩側斜導軌的工作面上，其中a2組量塊墊在盤類零件錐度誤差較大的一端，c2組量塊墊在盤類零件錐度誤差較小的一端；將盤類零件安裝在芯軸上，兩側擋塊固定到斜導軌上，確保芯軸定位軸段與擋塊工作面和a2、c2兩組量塊相切；然后移開芯軸和盤類零件，然后同時去掉a2、b2和c2三組量塊，最后再將盤類零件和芯軸固定到斜導軌上，此時，盤類零件母線與圓底板工作平面之間產生了δ的錐度誤差；隨著研拋的進行，盤類零件母線與圓底板工作平面趨于相切，最終實現盤類零件軸向錐度誤差的精密消除。

本發明的有益效果為：本發明提供了一種在研拋機或研磨臺上采用研拋工藝精加工圓盤類零件外圓柱面的裝置；利用母線繞固定軸線回轉形成圓柱面工作原理，實現圓盤類零件外圓柱面的超精密加工。采用該研拋裝置與加工方法，加工過程中無需進刀，利用母線與其底面同向相切的圓底板厚度在研拋過程中的減薄，實現盤類零件徑向連續自動微量進刀；該裝置可通過光隙法判斷圓盤類零件母線的安裝精度與加工精度；該裝置可方便通過在斜導軌或擋板工作面上加墊片的方法實現圓盤類零件軸向錐度誤差的調整。采用該裝置可實現亞微米甚至納米量級圓盤類零件類外圓柱面的超精密加工，具有操作簡便，調整方便，成本低等優點，具有重要的推廣應用價值。

附圖說明

圖1圓底板。

圖2雙斜導軌及芯軸定位壓緊裝置。

圖3墊圈支架。

圖4密珠軸系。

圖5圓盤類零件研拋裝置。

圖6塑料罩與底板。

圖7盤類零件環拋加工示意圖。

圖中：1圓底板；1-1塑料罩定位銷；1-2搬運插孔；1-3斜導軌連接沉頭孔；1-4倒梯形槽孔；1-5光隙觀察孔；2led燈；3斜導軌；3-1斜導軌t型槽；3-2斜導軌工作面；4壓板；5壓板固定螺釘；6銅壓塊；7壓塊緊定螺釘；8擋塊；9擋板固定螺釘；10墊圈支架；11氈板連接螺釘；12氈板；13氈片；14芯軸；15環形平密珠板；16徑向密珠軸套；17球形滾動體；18十字墊圈；19鎖緊螺母；20盤類零件；21移動電源；22直流電機；23鋼軸；24摩擦輪；25摩擦輪支架；26支架固定螺釘；27罩體；27-1定位孔；27-2通氣孔；27-3溫濕度儀探頭安裝孔；27-4微型風扇安裝孔。

具體實施方式

(一)盤類零件的安裝

根據被加工盤類零件20的尺寸范圍，確定圓底板1的直徑、倒梯形槽1-4的寬度、斜導軌3的高度。盤類零件20的最大加工寬度小于倒梯形槽1-4的寬度；擋塊8的長度、芯軸14定位軸段的直徑和圓底板1的厚度共同確定了盤類零件20的最小直徑；斜導軌3的高度和圓底板倒梯形槽的長度限定了盤類零件的最大加工直徑。因此，該裝置能夠滿足一定范圍內的盤形零件外圓柱面的精加工要求。

在不與盤類零件20干涉的情況下，兩斜導軌3工作面3-2精研時可剛性連接到一起，整體研磨工作面達到不大于1μm的平面度要求；同時研磨斜導軌1的定位面，使其共面，然后將斜導軌3固定到圓底板1上。由于裝配應力的存在及兩斜導軌與圓底板螺釘連接預緊力的差異，難免會造成斜導軌的工作面發生微量翹曲變形。在應力釋放后，通過對裝配連接后的斜導軌進行整體研磨，進一步提高斜導軌工作面3-2的平面度。

首先將盤類零件20安裝到芯軸14上，安裝方法如下：將芯軸14立放，有軸肩的一端在下邊，依次安裝環形平密珠板15、徑向密珠軸套16和盤類零件20、另一套環形平密珠板15、墊圈支架10、十字墊圈18、鎖緊螺母19。在鎖緊螺母輕觸到十字墊圈18后，擰緊鎖緊螺母上的三個徑向緊定螺釘。兩套環形平密珠板15和徑向密珠軸套16中均填充低粘度的潤滑脂。

然后，將圓底板1置于00級以上高精度平臺或研磨板上，再將安裝好盤類零件20的芯軸14置入圓底板1的倒梯形槽1-4中；接著將并將芯軸14的定位軸段切于斜導軌上，再用擋板固定螺釘9分別將擋塊8切緊于芯軸14上的定位軸段固定到斜導軌t型槽3-1里。為防止擰緊擋板固定螺釘9時改變擋塊8與芯軸定位軸段的相切狀態，擋塊8的沉頭孔的環面內加少許潤滑油。盤類零件20的母線與圓底板1分別與高精度工作臺的工作面對齊，從而確保了盤類零件20的母線與圓底板的工作面1同向相切。

接著將兩套壓板4分別固定到斜導軌3上，調整銅壓塊6的位置，然后擰緊壓塊緊定螺釘7，使芯軸14壓緊斜導軌1和擋塊8，提高芯軸14在斜導軌3上的安裝剛度與穩定性。

最后安裝直流電機22和摩擦驅動輪14，調整摩擦驅動輪24與盤類零件20最大限度相切接觸。調整直流電機支架25在圓底板1上的安裝位置，使彈性摩擦驅動輪24與盤類零件20之間產生一定的正壓力，進而形成摩擦力矩，驅動盤類零件20勻速自轉；控制盤類零件轉速在3～12r/min以獲得較好的研磨和拋光效果。

(二)盤類零件錐度誤差的調整

(1)調整方法一：在擋塊工作面上加墊片

設盤類零件的軸向寬度為l，兩斜導軌t型槽的跨度為l，斜導軌的傾角為θ，圓盤類零件的軸向錐度誤差為δ，建立在兩側擋板工作面法向厚度差t1與盤類零件軸向錐度誤差δ之間的映射關系為：t1＝lδ/(lsinθ)；

選取三組規格的1級及以上精度的量塊組a1、b1、c1作為調整墊片，其單塊或組合厚度分別為t0sinθ，t0，t0sinθ+t1。將b1組量塊墊在圓盤類零件20與高精度平臺中間，a1和c1兩組量塊分別墊在兩側擋塊8的工作面上，其中a1組量塊墊在盤類零件錐度誤差較大的一端，c1組量塊墊在盤類零件錐度誤差較小的一端；按照上述(1)盤類零件的安裝方法，將兩側擋塊8固定到斜導軌上，確保芯軸定位軸段與斜導軌和a1、c1兩組量塊相切。然后移開芯軸和盤類零件，然后同時去掉a1、b1和c1三組量塊，最后再按照上述(1)盤類零件安裝方法將芯軸及盤類零件固定到斜導軌上。此時，盤類零件母線與圓底板工作平面之間產生了δ的錐度誤差。隨著研拋的進行，盤類零件母線與圓底板工作平面趨于相切，最終實現了盤類零件軸向錐度誤差的精密消除；

進一步舉例說明如下：取l/l＝4，θ＝75°，選取最小厚度為0.01mm商品不銹鋼薄片墊在對應最大錐度誤差的一側擋板工作面上(即上式中的t0＝0)，則可產生最小錐度誤差δ≈2.41μm。一組0級量塊的厚度誤差不超過1μm，采用該調整方法該誤差對盤類工件錐形誤差的影響不到0.24μm。可見，采用在擋板工作面上加量塊墊片的調整方法可實現亞微米盤類零件錐度誤差的調整。

(2)調整方法二：在斜導軌工作面上加墊片

設盤類零件的軸向寬度為l，兩斜導軌t型槽的跨度為l，斜導軌的傾角為θ，圓盤類零件的軸向錐度誤差為δ，建立在兩側斜導軌工作面法向厚度差t2與盤類零件軸向錐度誤差δ之間的映射關系為：t2＝lδ/(lcosθ)；

選取三組規格的1級及以上精度的量塊組a2、b2、c2作為調整墊片，其單塊或組合厚度分別為t0cosθ，t0，t0cosθ+t2，將b2組量塊墊在盤類零件20與高精度平臺中間，a2和c2兩組量塊分別墊在兩側斜導軌的工作面上，其中a2組量塊墊在盤類零件錐度誤差較大的一端，c2組量塊墊在盤類零件錐度誤差較小的一端；按照上述(1)盤類零件的安裝方法，將盤類零件安裝在芯軸上，兩側擋塊8固定到斜導軌上，確保芯軸定位軸段與擋塊工作面和a2、c2兩組量塊相切；然后移開芯軸和盤類零件，然后同時去掉a2、b2和c2三組量塊，最后再按照上述(1)盤類零件安裝方法再將盤類零件和芯軸固定到斜導軌上，此時，盤類零件母線與圓底板工作平面之間產生了δ的錐度誤差；隨著研拋的進行，盤類零件母線與圓底板工作平面趨于相切，最終實現盤類零件軸向錐度誤差的精密消除。

進一步舉例說明如下：取l/l＝4，θ＝75°，選取最小厚度為0.01mm商品不銹鋼薄片墊在對應最大錐度誤差的一側斜導軌工作面上(即上式中的t0＝0)，則可產生最小錐度誤差δ≈0.64μm。一組0級量塊的厚度誤差不超過1μm，該誤差對盤類工件錐形誤差的影響不到0.07μm。可見，采用在斜導軌工作面上加量塊墊片的調整方法可實現亞微米量級甚至納米量級盤類零件錐度誤差的調整。