CN111266933A - 薄壁硬脆复杂形状整流罩的超精密加工方法及加工装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于机械加工技术领域，涉及一种薄壁硬脆复杂形状整流罩的超精密加工方法及加工装置。该加工装置为多轴联动数控机床，包括XYZ运动平台和AB旋转轴、磨头主轴系统、数控系统、冷却系统、抛光液系统、在线检测系统、机床基体、机床装夹系统、专用夹具和磨头。该加工方法：采用专用夹具固定成型整流罩毛坯，依次进行粗磨、精磨和抛光，其次通过在线检测装置对抛光表面进行形面检测，并将检测数据点位传给数控系统，经数控系统计算，对不满足加工精度要求的点位进行自动修抛，直至满足要求；采用上述加工步骤先后完成工件内外表面的超精密加工。本发明可以一次装夹可完成粗、精、抛及检测一体化，效率高，精度好。
Description
技术领域
本发明属于机械加工技术领域，涉及一种薄壁硬脆复杂形状整流罩的超精密加工方法及加工装置。
背景技术
蓝宝石、阿隆等材质的整流罩高性能零件，具高强度、高热导率和高光学通过率等优良的理化性能，应用于航空、航天、军工、国防等领域。高性能整流罩形状复杂，包括球面、非球面等，要求纳米级的形位精度、表面粗糙度和超低损伤表面，对超精密加工领域提出了严峻的挑战。薄壁硬脆复杂形状的整流罩，当深径比大于1时，采用机械应力去除的精密和超精密研磨和抛光，刀具的轻微振动就会使整流罩破碎，导致难以加工。异形蓝宝石整流罩，莫氏硬度为9，为超硬材料，脆性极大。
目前国内外主要采用高端的数控机床先采用“捞球法”加工出整流罩毛坯，再采用其他高端装备分别进行粗、精机械加工，该加工方式存在：工序分散，单纯的机械去除容易导致崩边、破碎、表面损伤层大、成品率低，加工效率低以及加工成本高等问题。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种一次装夹粗磨、精磨、抛光及检测一体化的工艺方法，以及对应的加工装置，可提高加工效率，缩短加工周期，降低加工成本，同时实现薄壁硬脆复杂形状整流罩的超低损伤、高形面精度的超精密加工。
本发明的技术方案：
一种薄壁硬脆复杂形状整流罩的超精密加工装置，为多轴联动数控机床，包括运动平台、旋转系统、磨头主轴系统4、数控系统3、冷却系统7、抛光液系统16、在线检测系统2、机床基体1、机床装夹系统9、专用夹具和磨头15；所述的运动平台包括X轴系统11、Y轴系统5和Z轴系统6；所述的旋转系统包括A轴系统17和B轴系统10；
Y轴系统5和Z轴系统6为“十字交叉”的直线运动平台模组，安装在机床基体1的侧壁上，Y轴系统5定义为被加工的整流罩工件12的轴线方向，整流罩工件12为卧式装夹，Z轴系统6定义为竖直上下移动方向；
X轴系统11根据右手坐标系原则确定，在水平面内与Y轴系统5垂直，X轴系统11安装在机床基体1的水平台上，用于移动机床装夹系统9；
A轴系统17为绕X轴系统11旋转的轴，连接在Z轴系统6外壳末端；
磨头主轴系统4的基体与A轴系统17的基体相互垂直连接，可驱动磨头15旋转，使磨头15具有切削力，将整流罩工件12表面余量去除；
B轴系统10为绕Y轴系统5旋转的轴，与机床装夹系统9连接，驱动整流罩工件12旋转；
机床装夹系统9可由三爪卡盘组成，水平安装在X轴系统11上，卡盘位于竖直方向上，用于定位专用夹具的夹具体，即内凹夹具体8或外凸夹具体18，整流罩工件12固定在专用夹具上，间接实现对整流罩工件12的定位夹紧；
数控系统3用于控制机床各轴间的联动，其中：通过控制Y轴系统5和Z轴系统6的移动，可使磨头15的运动轨迹为整流罩工件12的母线，同时通过B轴系统10的旋转，最终加工出整流罩工件12的凹表面12-1或凸表面12-2的型面；
磨头15安装在磨头主轴系统4上，磨削刃部分15-1为半球形，其材质为金刚石；
在线检测系统2具备自动扫描、数据传输的功能，可以是集成在机床装置中的一个模块，或是独立的一套检测系统；
所述的冷却系统7和抛光液系统16安装在A轴系统17的基体上，分别向被加工表面喷射冷却液和抛光液。
所述专用夹具包括内凹夹具体8、外凸夹具体18和夹紧环13；
内凹夹具体8的一端设有凹型腔8-1，凹型腔8-1尺寸形状与整流罩工件12的凸表面12-2一致，且该端面设有至少4个螺纹孔8-2，另一端设有内凹夹具体圆柱凸台8-3，用于与机床装夹系统9定位连接；
夹紧环13为圆环形，内径尺寸介于整流罩工件12的内径与外径之间，且夹紧环13上设有与内凹夹具体8上的螺纹孔8-2对应的通孔，整流罩工件12置于夹紧环13与内凹夹具体8间，螺栓14通过通孔将夹紧环13与内凹夹具体8连接固定，实现整流罩工件12定位夹紧；
外凸夹具体18一端设有与整流罩工件12的凹表面12-1尺寸形状一致的凸台型腔18-1，另一端设有外凸夹具体圆柱凸台18-3，用于与机床装夹系统9定位连接，凸台型腔18-1与外凸夹具体圆柱凸台18-3之间设有一轴肩18-2，轴肩18-2直径介于整流罩工件12内外径之间。
进一步，采用上述所述的加工装置及所述的夹具，一种薄壁硬脆复杂形状整流罩的超精密加工方法，先加工整流罩工件12的凹表面12-1，再加工凸表面12-2，具体如下：
(一)凹表面12-1加工步骤：
步骤一，装夹固定整流罩工件12：使凸表面12-2与内凹夹具体8的凹型腔8-1贴紧配合，再通过夹紧环13和螺栓14将整流罩工件12的端面12-3夹紧固定在内凹夹具体8上；
步骤二，内凹夹具体8固定安装在机床上：通过机床装夹系统9的三爪卡盘夹紧内凹夹具体圆柱凸台8-3，完成内凹夹具体8的定位和装夹；
步骤三，对刀：通过X轴系统11、Y轴系统5和Z轴系统6的移动以及A轴系统17的旋转，使磨头15的磨削刃部分15-1与凹表面12-1接触，且磨头15轴线与整流罩工件12回转中心线间夹角β介于30°～60°；
步骤四，粗磨：采用粒度为60#～120#的金刚石磨头15，磨头主轴系统4驱动磨头15旋转切削，在数控系统3的控制下，使磨头15沿整流罩工件12的YZ方向的母线轨迹运动，同时控制B轴系统10旋转，从而实现凹表面12-1的加工；磨削过程中同时开启冷却系统7喷射冷却液，磨削结束关闭；
步骤五，精磨：将磨头15换成粒度为200#～W1的金刚石磨头，继续对工件凹表面12-1进行精密磨削，磨削运动过程同粗磨；磨削过程中同时喷射冷却液，磨削结束关闭；
步骤六，化学机械抛光：将磨削刃部分15-1贴上带开槽的抛光垫20，磨头主轴系统4驱动磨头15旋转抛光，抛光运动过程同粗磨；抛光过程中开启抛光液系统16喷射抛光液，抛光结束时关闭抛光液系统16；
步骤七，在线检测：采用在线检测系统2均匀的采集抛光后凹表面12-1的点位数据，再将点位数据传输给数控系统3；
步骤八，修抛：数控系统3根据接收到的检测数据，与凹表面12-1理论数据进行对比，对不满足加工要求的点位进行修抛，修抛后重新进行检测、修抛，直至抛光至满足加工要求；
步骤九，拆卸整流罩工件12，并清洗；
(二)凸表面12-2加工步骤：
步骤一，整流罩工件12的装夹定位：将外凸夹具体18的凸台型腔18-1与凹表面12-1完全贴合，且整流罩工件12的端面12-3与轴肩18-2端面贴合，贴合面通过加热融化的石蜡19粘贴，待冷却后，整流罩工件12即可完全固定在外凸夹具体18上；
其余步骤，即步骤二至步骤九同凹表面12-1加工一致。
所述的抛光垫20的材质为聚氨酯。
所述的抛光液成分包括磨粒和与溶液部分；溶液的溶剂为去离子水，溶质为氢氧化钠、氨甲基丙醇、山梨醇、十二烷基硫酸钠中的一种或多种混合；磨粒的材质为碳化硅、氧化硅或氧化铝。
本发明的有益效果：
本发明通过设计多轴联动数控机床、专用夹具，采用不同粒度的金刚石磨头，配制专用的化学机械抛光液，对整流罩内外表面一次装夹完成粗、精、抛加工，同时采用在线测量技术，对加工表面进行在线检测，实现其加工检测一体化，提高加工效率、缩短加工周期，降低加工综合成本，提高加工精度。
附图说明
图1为整流罩凹表面加工示意图；
图2为整流罩凸表面装夹定位示意图；
图3为磨头与工件间位置关系局部示意图；
图4为内凹夹具体零件全剖视图。
图中：1机床基体；2在线检测系统；3数控系统；4磨头主轴系统；5Y轴系统；6Z轴系统；7冷却系统；8内凹夹具体；9机床装夹系统；10B轴系统；11X轴系统；12整流罩工件；13夹紧环；14螺栓；15磨头；16抛光液系统；17A轴系统；18外凸夹具体；19石蜡；20抛光垫；
8-1凹型腔；8-2螺纹孔；8-3内凹夹具体圆柱凸台；12-1凹表面；12-2凸表面；12-3端面；15-1磨削刃部分；18-1凸台型腔；18-3外凸夹具体圆柱凸台；18-2轴肩。
具体实施方式
下面结合图1～4和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
本实施例以一种蓝宝石非球形面整流罩为例，加工该零件的装置为五轴联动数控机床，包括运动平台的X轴系统11、Y轴系统5、Z轴系统6和旋转系统的A轴系统17、B轴系统10，磨头主轴系统4、数控系统3、冷却系统7、抛光液系统16、在线检测系统2、机床基体1、机床装夹系统9、专用夹具和磨头15；
其中，Y轴系统5和Z轴系统6选用“十字交叉”的直线运动平台模组，安装在机床基体1的侧壁上，Y轴系统5定义为被加整流罩工件12的轴线(深度)方向，整流罩工件12为卧式装夹，Z轴系统6定义为竖直上下移动方向；
X轴系统11根据右手坐标系原则确定，安装在机床基体1水平台上，用于移动机床工作平台，即机床装夹系统9；
A轴系统17为绕X轴系统11旋转的轴，连接在Z轴系统6外壳末端；
磨头主轴系统4的基体与A轴系统17的基体垂直连接，可驱动磨头15旋转，使其具有一定的切削力，可将整流罩工件12表面余量去除；
B轴系统10为绕Y轴系统5旋转的轴，与机床装夹系统9连接，驱动整流罩工件12旋转；
机床装夹系统9由三爪卡盘组成，水平安装在X轴系统11上，用于定位夹紧专用夹具的内凹夹具体8或外凸夹具体18，间接实现对整流罩工件12的定位夹紧；
数控系统3用于控制机床各轴间的联动，其中：通过控制Y轴系统5和Z轴系统6的移动，可使磨头15的运动轨迹为整流罩工件12的母线，同时通过B轴系统10的旋转，最终加工出整流罩工件12的凹表面12-1或凸表面12-2；
磨头15安装在磨头主轴系统4上，磨头15的磨削刃部分15-1为半球形，其材质为金刚石；
在线检测系统2具备自动扫描、数据传输的功能，本实例中选用激光跟踪仪；
专用夹具包括：内凹夹具体8、外凸夹具体18、夹紧环13、螺栓14和石蜡19；
内凹夹具体8一端设有凹型腔8-1，凹型腔8-1尺寸形状与整流罩工件12的凸表面12-2一致，且该端面设有4个螺纹孔8-2，另一端设有内凹夹具体圆柱凸台8-3，用于与机床装夹系统9定位连接；
夹紧环13为圆环形，内径尺寸为整流罩工件12内径与外径的平均值，且夹紧环12上设有与内凹夹具体8上螺纹孔8-2对应的通孔，螺栓14穿过该通孔将夹紧环13与内凹夹具体8连接固定，整流罩工件12位于夹紧环13与夹具体8间，实现定位夹紧；
外凸夹具体18一端设有与整流罩工件12的凹表面12-1尺寸形状一致的凸台型腔18-1，另一端设有外凸夹具体圆柱凸台18-3，用于与机床装夹系统9定位连接，凸台型腔18-1和外凸夹具体圆柱凸台18-3纸件还设有一轴肩18-2，轴肩18-2直径为整流罩工件12内外径的平均值，整流罩工件12的端面12-3与轴肩18-2的端面通过石蜡19粘贴；
冷却系统7和抛光液系统16安装在A轴系统17的基体上，分别用于向被加工表面喷射冷却液和抛光液。
该蓝宝石非球形面整流罩加工包括如下具体操作步骤：
(一)整流罩凹表面12-1加工步骤如下：
步骤一，装夹固定整流罩工件12：使凸表面12-2与内凹夹具体8的凹型腔8-1贴紧配合，再通过夹紧环13和螺栓14将端面12-3夹紧固定在内凹夹具体8上；
步骤二，内凹夹具体8固定安装在机床上：通过机床装夹系统9的三爪卡盘夹紧凸台8-3，完成内凹夹具体8的定位和装夹；
步骤三，对刀：通过X轴系统11、Y轴系统5、Z轴系统6的移动以及A轴系统17的旋转，使半球形磨头15的磨削刃部分15-1与被加工的凹表面12-1接触，且磨头15轴线与整流罩工件12回转中心线间夹角β为45°；
步骤四，粗磨：采用粒度为120#的金刚石半球形磨头15，磨头主轴系统4驱动磨头15旋转切削，在数控系统3的控制下，使磨头15沿整流罩工件12的YZ方向的母线轨迹运动，同时控制B轴系统10旋转，从而实现整流罩工件12的凹表面12-1加工；磨削过程中同时开启冷却液系统7喷射冷却液，磨削结束关闭；
步骤五，精磨：将磨头15换成粒度为1200#的金刚石半球形磨头，继续对凹表面12-1进行精密磨削，磨削运动过程同粗磨；磨削过程中同时喷射冷却液，磨削结束关闭；
步骤六，化学机械抛光：采用球头磨削部分15-1贴有带开槽的聚氨酯抛光垫20的半球形磨头，磨头主轴系统4驱动磨头15旋转抛光，抛光运动过程同粗磨；抛光过程中开启抛光液系统16喷射抛光液，抛光液采用配方：粒径为0.5μm的氧化铝磨粒含量为10wt％(质量分数，下同)，含量为0.6wt％的十二烷基硫酸钠的添加剂，用氢氧化钠调节抛光液PH至10左右，其余为离子水，抛光结束时关闭抛光液系统16；
步骤七，在线检测：采用在线检测系统2均匀的采集抛光后凹表面12-1点位数据，再将点位数据传输给数控系统3；
步骤八，修抛：数控系统3根据接收到的检测数据，与凹表面12-1理论数据进行对比，对不满足加工要求的点位进行修抛，修抛后重新进行检测、修抛，直至抛光至满足加工要求；
步骤九，拆卸整流罩工件12，清洗；
(二)凸表面12-2加工步骤：
步骤一，整流罩工件12的装夹定位：通过外凸夹具体18的凸台型腔18-1与凹表面12-1完全贴合，且端面12-3与轴肩18-2端面贴合，贴合面通过加热融化的石蜡19粘贴，待冷却后整流罩工件12即可完全固定在外凸夹具体18上；
其余步骤，即步骤二至步骤九同整流罩凹表面加工一致。
Claims (5)
1.一种薄壁硬脆复杂形状整流罩的超精密加工装置，为多轴联动数控机床，其特征在于，包括运动平台、旋转系统、磨头主轴系统(4)、数控系统(3)、冷却系统(7)、抛光液系统(16)、在线检测系统(2)、机床基体(1)、机床装夹系统(9)、专用夹具和磨头(15)；所述的运动平台包括X轴系统(11)、Y轴系统(5)和Z轴系统(6)；所述的旋转系统包括A轴系统(17)和B轴系统(10)；
Y轴系统(5)和Z轴系统(6)为“十字交叉”的直线运动平台模组，安装在机床基体(1)的侧壁上，Y轴系统(5)定义为被加工的整流罩工件(12)的轴线方向，整流罩工件(12)为卧式装夹，Z轴系统(6)定义为竖直上下移动方向；
X轴系统(11)根据右手坐标系原则确定，在水平面内与Y轴系统(5)垂直，X轴系统(11)安装在机床基体(1)的水平台上，用于移动机床装夹系统(9)；
A轴系统(17)为绕X轴系统(11)旋转的轴，连接在Z轴系统(6)外壳末端；
磨头主轴系统(4)的基体与A轴系统(17)的基体相互垂直连接，可驱动磨头(15)旋转，使磨头(15)具有切削力，将整流罩工件(12)表面余量去除；
B轴系统(10)为绕Y轴系统(5)旋转的轴，与机床装夹系统(9)连接，驱动整流罩工件(12)旋转；
机床装夹系统(9)可由三爪卡盘组成，水平安装在X轴系统(11)上，卡盘位于竖直方向上，用于定位专用夹具的夹具体，即内凹夹具体(8)或外凸夹具体(18)，整流罩工件(12)固定在专用夹具上，间接实现对整流罩工件(12)的定位夹紧；
数控系统(3)用于控制机床各轴间的联动，其中：通过控制Y轴系统(5)和Z轴系统(6)的移动，可使磨头(15)的运动轨迹为整流罩工件(12)的母线，同时通过B轴系统(10)的旋转，最终加工出整流罩工件(12)的凹表面(12-1)或凸表面(12-2)的型面；
磨头(15)安装在磨头主轴系统(4)上，磨削刃部分(15-1)为半球形，其材质为金刚石；
在线检测系统(2)具备自动扫描、数据传输的功能，可以是集成在机床装置中的一个模块，或是独立的一套检测系统；
所述的冷却系统(7)和抛光液系统(16)安装在A轴系统(17)的基体上，分别向被加工表面喷射冷却液和抛光液。
2.根据权利要求1所述的一种薄壁硬脆复杂形状整流罩的超精密加工装置，其特征在于，
所述专用夹具包括内凹夹具体(8)、外凸夹具体(18)和夹紧环(13)；
内凹夹具体(8)的一端设有凹型腔(8-1)，凹型腔(8-1)尺寸形状与整流罩工件(12)的凸表面(12-2)一致，且该端面设有至少4个螺纹孔(8-2)，另一端设有内凹夹具体圆柱凸台(8-3)，用于与机床装夹系统(9)定位连接；
夹紧环(13)为圆环形，内径尺寸介于整流罩工件(12)的内径与外径之间，且夹紧环(13)上设有与内凹夹具体(8)上的螺纹孔(8-2)对应的通孔，整流罩工件(12)置于夹紧环(13)与内凹夹具体(8)间，螺栓(14)通过通孔将夹紧环(13)与内凹夹具体(8)连接固定，实现整流罩工件(12)定位夹紧；
外凸夹具体(18)一端设有与整流罩工件(12)的凹表面(12-1)尺寸形状一致的凸台型腔(18-1)，另一端设有外凸夹具体圆柱凸台(18-3)，用于与机床装夹系统(9)定位连接，凸台型腔(18-1)与外凸夹具体圆柱凸台(18-3)之间设有一轴肩(18-2)，轴肩(18-2)直径介于整流罩工件(12)内外径之间，整流罩工件(12)的端面(12-3)与轴肩(18-2)的端面通过石蜡(19)粘贴。
3.一种薄壁硬脆复杂形状整流罩的超精密加工方法，采用权利要求1或2所述的装置进行加工，先加工整流罩工件(12)的凹表面(12-1)，再加工凸表面(12-2)，其特征在于，具体如下：
(一)凹表面(12-1)加工步骤：
步骤一，装夹固定整流罩工件(12)：使凸表面(12-2)与内凹夹具体(8)的凹型腔(8-1)贴紧配合，再通过夹紧环(13)和螺栓(14)将整流罩工件(12)的端面(12-3)夹紧固定在内凹夹具体(8)上；
步骤二，内凹夹具体(8)固定安装在机床上：通过机床装夹系统(9)的三爪卡盘夹紧内凹夹具体圆柱凸台(8-3)，完成内凹夹具体(8)的定位和装夹；
步骤三，对刀：通过X轴系统(11)、Y轴系统(5)和Z轴系统(6)的移动以及A轴系统(17)的旋转，使磨头(15)的磨削刃部分(15-1)与凹表面(12-1)接触，且磨头(15)轴线与整流罩工件(12)回转中心线间夹角β介于30°～60°；
步骤四，粗磨：采用粒度为60#～120#的金刚石磨头(15)，磨头主轴系统(4)驱动磨头(15)旋转切削，在数控系统(3)的控制下，使磨头(15)沿整流罩工件(12)的YZ方向的母线轨迹运动，同时控制B轴系统(10)旋转，从而实现凹表面(12-1)的加工；磨削过程中同时开启冷却系统(7)喷射冷却液，磨削结束关闭；
步骤五，精磨：将磨头(15)换成粒度为200#～W1的金刚石磨头，继续对工件凹表面(12-1)进行精密磨削，磨削运动过程同粗磨；磨削过程中同时喷射冷却液，磨削结束关闭；
步骤六，化学机械抛光：将磨削刃部分(15-1)贴上带开槽的抛光垫(20)，磨头主轴系统(4)驱动磨头(15)旋转抛光，抛光运动过程同粗磨；抛光过程中开启抛光液系统(16)喷射抛光液，抛光结束时关闭抛光液系统(16)；
步骤七，在线检测：采用在线检测系统(2)均匀的采集抛光后凹表面(12-1)的点位数据，再将点位数据传输给数控系统(3)；
步骤八，修抛：数控系统(3)根据接收到的检测数据，与凹表面(12-1)理论数据进行对比，对不满足加工要求的点位进行修抛，修抛后重新进行检测、修抛，直至抛光至满足加工要求；
步骤九，拆卸整流罩工件(12)，并清洗；
(二)凸表面(12-2)加工步骤：
步骤一，整流罩工件(12)的装夹定位：将外凸夹具体(18)的凸台型腔(18-1)与凹表面(12-1)完全贴合，且整流罩工件(12)的端面12-3与轴肩(18-2)端面贴合，贴合面通过加热融化的石蜡(19)粘贴，待冷却后，整流罩工件(12)即可完全固定在外凸夹具体(18)上；
其余步骤，即步骤二至步骤九同凹表面(12-1)加工一致。
4.根据权利要求3所述的一种薄壁硬脆复杂形状整流罩的超精密加工方法，其特征在于，所述的抛光垫(20)的材质为聚氨酯。
5.根据权利要求3或4所述的一种薄壁硬脆复杂形状整流罩的超精密加工方法，其特征在于，所述的抛光液成分包括磨粒和与溶液部分；溶液的溶剂为去离子水，溶质为氢氧化钠、氨甲基丙醇、山梨醇、十二烷基硫酸钠中的一种或多种混合；磨粒的材质为碳化硅、氧化硅或氧化铝。
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