專利名稱：陶瓷薄壁長管件自為基準的定位夾緊裝置及磨削方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及薄壁管件精密加工領(lǐng)域，特別是涉及一種陶瓷薄壁長管件自為基準的定位夾緊裝置及磨削方法。
背景技術(shù)：
薄壁管件是指管件壁厚與徑向尺寸懸殊(通常，壁厚與內(nèi)外管徑尺寸之比小于1:10或更小)，長管件是指管件的長徑比尺寸懸殊的管件(通常，長度與內(nèi)外管徑之比大于10或更大)。隨著社會的發(fā)展，薄壁管件越來越多的用于各種領(lǐng)域，如新能源裝備、燃汽輪機、電機集電環(huán)及核反應(yīng)堆容器環(huán)件等。傳統(tǒng)的加工方法如鑄造、拉拔、沖壓等通用的方法已經(jīng)不能滿足社會的需求。尤其是陶瓷、玻璃等脆性難加工材料，不僅加工難，而且定位夾緊也難，任何過大的加工余量、或過大的夾緊力，都將降低加工質(zhì)量、加工效率和過多的生產(chǎn)成本。近年來，高速磨削方法正在成為加工此類材料和零件最有效的加工工藝之一。但是，采用傳統(tǒng)的互為基準的加工方法，或采用毛坯面定位夾緊，磨削支撐軸頸的傳統(tǒng)工件安裝方法，仍然不能從根本上解決磨削余量大，效率低的技術(shù)瓶頸，同時，傳統(tǒng)的外圓磨床的頂尖安裝方式也不能滿足薄壁長管件的快速安裝和高質(zhì)量磨削要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種陶瓷薄壁長管件自為基準的定位夾緊裝置及磨削方法，從根本上解決磨削薄壁長管件支撐軸頸的磨削質(zhì)量和磨削效率的技術(shù)瓶頸，避免薄壁長管件支撐軸頸及其它部位毛坯同軸度誤差所需要增加的磨削余量，實現(xiàn)對陶瓷等脆性材料薄壁長管件的高質(zhì)量高效磨削。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是提供一種陶瓷薄壁長管件自為基準的定位夾緊裝置，包括氣壓式支撐軸頸自為基準的定位裝置、氣壓自適應(yīng)夾緊裝置和安裝在機床床身上的導(dǎo)軌裝置，所述氣壓自適應(yīng)夾緊裝置固定在機床的工件主軸上，所述氣壓式支撐軸頸自為基準的定位裝置安裝在導(dǎo)軌裝置上并能沿導(dǎo)軌裝置滑動；所述氣壓式支撐軸頸自為基準的定位裝置的中軸線與氣壓自適應(yīng)夾緊裝置的中軸線重合；所述氣壓式支撐軸頸自為基準的定位裝置包括自定心爪、支撐殼體、端蓋、活塞體和基座；所述基座和所述支撐殼體相互配合組成圓筒狀結(jié)構(gòu)，所述圓筒狀結(jié)構(gòu)的開口端設(shè)有所述端蓋；所述基座與支撐殼體之間有導(dǎo)向T型口，所述自定心爪部分位于圓筒狀結(jié)構(gòu)內(nèi)，另一部分穿過所述導(dǎo)向T型口與所述端蓋間隙配合，所述圓筒狀結(jié)構(gòu)內(nèi)安裝有活塞體，所述活塞體的側(cè)面與所述自定心爪的側(cè)面相配，所述基座上設(shè)有氣體入口，所述氣體入口通入壓力氣體推動所述活塞體移動，所述活塞體再通過推動自定心爪向所述氣壓式支撐軸頸自為基準的定位裝置的中軸線做徑向移動；所述氣壓自適應(yīng)夾緊裝置包括動靜接頭、聯(lián)接盤、密封端蓋和夾緊活塞頭；所述聯(lián)接盤固定在所述機床的工件主軸上，所述聯(lián)接盤固定在工件主軸上的一側(cè)設(shè)置有動靜接頭，所述聯(lián)接盤的另一側(cè)設(shè)有密封端蓋，所述動靜接頭通過軸承實現(xiàn)工件加工狀態(tài)下的動靜接頭的靜止與聯(lián)接盤的轉(zhuǎn)動；所述聯(lián)接盤的盤體內(nèi)設(shè)有夾緊活塞頭，所述聯(lián)接盤的盤體內(nèi)還設(shè)有油路，所述油路的一端通向夾緊活塞頭，另一端通向動靜接頭；所述動靜接頭的接氣管通入氣體使得夾緊活塞頭對工件進行夾緊。所述自定心爪和支撐殼體之間設(shè)有第一彈簧，所述自定心爪在圓周方向均勻布置3個。所述端蓋的內(nèi)側(cè)凸出，所述端蓋與所述基座和支撐殼體的接觸面間均有密封圈。所述支撐殼體上開一安全氣孔。所述活塞體與所述基座和支撐殼體的接觸面間均裝有雙層密封圈。所述聯(lián)接盤的盤體圓周方向均勻開有3條油路。所述夾緊活塞頭與聯(lián)接盤之間安裝密封環(huán)，所述夾緊活塞頭與聯(lián)接盤之間還設(shè)有用于在斷開壓力氣體下的復(fù)位的第二彈簧。所述動靜接頭與聯(lián)接盤之間安裝第三彈簧。所述活塞體的行程L與自定心爪的徑向工作行程K的關(guān)系應(yīng)滿足公式:K =L*tanC>,其中，Φ為活塞體與自定心爪的接觸面與氣壓式支撐軸頸自為基準的定位裝置中軸線的夾角，其中，Φ〈arctan(Ι/f), f為自定心爪與支撐殼體之間的摩擦系數(shù)。本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:提供一種陶瓷薄壁長管件磨削方法，采用砂輪線速度為80-120m/s的高速磨削工藝，使用上述的裝置對長管件毛坯進行定位，在長管件毛坯上直接磨削支撐軸頸，并以支撐軸頸為磨削工序作為定位基準。有益效果由于采用了上述的技術(shù)方案，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下的優(yōu)點和積極效果:本發(fā)明采用砂輪線速度為80_120m/s的高速磨削方法，一方面，可以加速材料應(yīng)變，提高材料應(yīng)變率及其斷裂韌性，促進脆性材料的延性磨削條件，另一方面，增加了磨削功率和磨削熱，磨削熱的增加將大大降低脆性材料的彎曲強度，由此提高了脆性材料延性磨削的臨界磨削深度，提高磨削效率；在長管件毛坯上直接磨削支撐軸頸，并以支撐軸頸為磨削工序的定位基準，以避免長管件支撐軸頸和其它部位毛坯同軸度誤差所需要增加的磨削余量，從根本上提高磨削效率。本發(fā)明主要針對薄壁環(huán)件，其工作原理為:自定心自為基準定位裝置在待加工面處夾持工件定位，電機驅(qū)動絲桿帶動自位定位裝置及其夾持的工件移動，直至氣壓自夾緊裝置夾緊范圍內(nèi)，自適應(yīng)夾緊工件，進而對工件進行加工。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)緊湊、安裝調(diào)整與裝夾方便等特點。通過本發(fā)明只需調(diào)節(jié)氣壓大小就可方便地進行夾緊放松，與傳統(tǒng)夾具相比，裝夾效率明顯提高。另外，本發(fā)明的夾具適用于目前比較難加工的薄壁環(huán)件，具有很強的適應(yīng)性和柔性，從根本上解決了要求較高配合面的難加工薄壁環(huán)件加工均勻性的難題。同時，本裝置適用于高速磨削加工中，大大提高了加工效率，節(jié)約了成本，使得產(chǎn)品合格率明顯增加，為薄壁環(huán)件高速、高效、高質(zhì)量加工提供了技術(shù)支撐，填補了該領(lǐng)域的空白。本發(fā)明采用砂輪線速度為80_120m/s的高速磨削方法，其中，粗磨時的工件線速度為0.15m/s、磨削深度為8μ m ;精磨時的工件線速度為0.15m/s、磨削深度為8 μ m，由此獲得的材料去除率分別為1.2mm3/mms和0.5mm3/mmS、工件磨削表面溫度分別為307°C和284。。。


圖1是陶瓷薄壁長管件支撐軸頸磨削及其自為基準定位夾緊裝置示意圖；圖2是自為基準定位夾緊裝置的結(jié)構(gòu)剖視圖；圖3是氣壓式支撐軸頸自為基準的定位裝置側(cè)視圖；圖4是氣壓式支撐軸頸自為基準的定位裝置主剖視圖；圖5是氣壓自適應(yīng)夾緊裝置剖視圖；圖6是活塞與卡爪相對運動示意圖；圖7是活塞與卡爪運動關(guān)系圖；圖8是活塞與卡爪的受力關(guān)系圖；圖9是薄壁長管件外觀示意圖(省略了內(nèi)孔)。
具體實施例方式下面結(jié)合具體實施例，進一步闡述本發(fā)明。應(yīng)理解，這些實施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應(yīng)理解，在閱讀了本發(fā)明講授的內(nèi)容之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對本發(fā)明作各種改動或修改，這些等價形式同樣落于本申請所附權(quán)利要求書所限定的范圍。

如圖1和圖2所示，一種陶瓷薄壁長管件自為基準的定位夾緊裝置包含一套可于機床床身導(dǎo)軌面移動的用于對工件定位的氣壓式支撐軸頸自為基準定位裝置4，以及一套安裝于主軸用于對工件3的夾緊的氣動自適應(yīng)夾緊裝置5。其中，氣壓式支撐軸頸自為基準定位裝置4通過電機驅(qū)動安裝于機床床身I的燕尾槽導(dǎo)軌裝置2帶動其沿導(dǎo)軌面移動，自適應(yīng)夾緊裝置5夾緊工件3后隨工件主軸6旋轉(zhuǎn)，工件主軸6固定安裝于機床床身導(dǎo)軌面上。圖9所示為適用于本發(fā)明的待加工工件。如圖9所示，B面為其待加工表面，其對應(yīng)自為基準定位中心線為02 ；A面為其裝夾面，其對應(yīng)自適應(yīng)夾緊中心線為01。A面與B面具有一定同軸度誤差。因此，加工中如果采用A面定位夾緊，會使得B面加工余量不均勻，降低磨削加工效率，大大增加加工成本。故采用B面自為基準的方法定位工件。進一步地，圖1所示為該裝置的工作狀態(tài)圖。此處，結(jié)合圖2說明該裝置的工作原理。如圖2所示，首先，待加工工件B面安裝于氣壓式支撐軸頸自為基準定位裝置4上，定位裝置4在壓力氣體作用下自定心定位工件3。定位裝置4夾持住工件3后，由燕尾槽導(dǎo)軌裝置2帶動其向左移動至氣壓自適應(yīng)夾緊裝置5的夾緊活塞頭33內(nèi)部，活塞頭33受壓力氣體作用夾緊工件3，以A面進行夾緊。氣壓自適應(yīng)夾緊裝置5浮動夾緊后工件3，定位裝置斷開壓力氣體，自定心爪15回復(fù)至非工作狀態(tài)。燕尾槽導(dǎo)軌裝置2再帶動氣壓式支撐軸頸自為基準定位裝置4向右移動，遠離加工區(qū)域，避免在磨削過程中與機床部件活工件3發(fā)生干涉。圖1所示為其加工工作狀態(tài)圖。如圖1所示，機床主軸帶動氣壓自適應(yīng)夾緊裝置5轉(zhuǎn)動，氣壓自適應(yīng)夾緊裝置5代替機床原有的雙頂尖定位結(jié)構(gòu)夾緊工件進行磨削加工。該裝置在工作中，其定位以及夾緊力通過氣壓閥調(diào)節(jié)其大小，針對具體工件合理調(diào)節(jié)壓力大小，以免壓碎或者無法夾緊工件。圖3所示為自位定位裝置的燕尾槽導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)。安放于機床床身上的燕尾槽底座11與燕尾槽蓋板13配合，通過手搖絲桿12帶動燕尾槽蓋板13在燕尾槽底座11上移動，從而帶動自位定位裝置沿機床導(dǎo)軌移動。如圖4所示，氣壓式支撐軸頸自為基準定位裝置4包括:自定心爪15、第一彈簧16、支撐殼體17、圓柱頭螺釘18、端蓋20、活塞體21等。如圖4所示，該氣動定位裝置從空氣進入口 P通入氣體推動活塞體21向左移動，活塞體21再通過其與自定心爪15的錐面接觸推動自定心爪向中心移動，進而夾緊工件3。為了使工件3能夠放置于氣壓式支撐軸頸自為基準定位裝置4中以便定位，其活塞體21呈環(huán)形，且與基座14以及支撐殼體17的接觸面間皆裝雙層密封圈19，以防止壓力氣體泄漏，壓力不足。為確保定心精度，基座14與支撐殼體17間有導(dǎo)向T型口。同時，端蓋20內(nèi)側(cè)凸出以限制活塞體右向行程，自定心爪15在圓周方向均勻布置3個，以實現(xiàn)均勻自定心定位。另外，支撐殼體17上開一安全氣孔R以免活塞過體行程。本發(fā)明所提供的氣壓式支撐軸頸自為基準定位裝置4，在其對工件3實現(xiàn)定位的過程中，P 口通入壓力氣體推動活塞體21移動，通過控制壓力大小調(diào)整活塞體21移動速度，使其推動自定位爪15均勻向中心移動，從而定位工件3，自定位爪15夾緊工件3的力通過氣體壓力的調(diào)節(jié)進行調(diào)整。進一步地，如圖7所示，氣壓式支撐軸頸自為基準定位裝置4的活塞體21受壓力氣體作用向左行程L與自定心爪徑向工作行程K的關(guān)系為:K=L^tanO(I)其中，Φ為圖6所示活塞體21與自定心爪15接觸面與自定心裝置中心線的夾角。更進一步地，圖8所示是活塞體21與自定心爪15之間的受力關(guān)系。為避免其行程自鎖，其接觸面與軸線夾角應(yīng)滿足:Φ〈arctan (1/f)(2)其中，f為自定心爪15與支撐殼體17之間的摩擦系數(shù)。在氣壓式支撐軸頸自為基準定位裝置4的設(shè)計中可以根據(jù)具體加工對象要求設(shè)計該定位裝置滿足式(I)和式(2)。如圖5所示，本發(fā)明所提供的氣壓自適應(yīng)夾緊裝置5包括:動靜接頭23、第三彈簧24、卡環(huán)27、軸承26、聯(lián)接盤28、圓柱頭定位螺釘29、密封端蓋31、夾緊活塞頭33、螺釘34和第二彈簧35。聯(lián)接盤28的K處通過定位螺釘聯(lián)接至主軸6上，主軸帶動聯(lián)接盤28旋轉(zhuǎn)。為了防止氣管線路隨著主軸6旋轉(zhuǎn)纏繞，設(shè)計一動靜接頭23。其左側(cè)接氣管通入氣體實現(xiàn)夾緊活塞頭對工件的夾緊，動靜接頭23通過軸承26實現(xiàn)主軸6轉(zhuǎn)動下的連接盤28的轉(zhuǎn)動以及動靜接頭23的靜止。動靜接頭23與聯(lián)接盤28之間安裝第三彈簧24以及密封環(huán)32，聯(lián)接盤28盤體圓周方向均勻開3路油路，實現(xiàn)對工件3的三爪自適應(yīng)夾緊。為保證活塞夾緊的運動精度，夾緊活塞頭33與聯(lián)接盤28之間存在導(dǎo)向塊。夾緊力的大小通過調(diào)整氣壓大小進行控制，以實現(xiàn)高精度夾緊工件。放松時，斷開壓力氣體，第二彈簧35推動夾緊活塞頭33回復(fù)至非工作狀態(tài)。在加工SiC陶瓷薄壁長管件時，采用砂輪線速度為80-120m/s的高速磨削方法，其中，粗磨時的工件線速度為0.15m/s、磨削深度為8μπι;精磨時的工件線速度為0.15m/s、磨削深度為8 μ m,由此獲得的材料去除率分別為1.2mm3/mms和0.5mm3/_s、工件磨削表面溫度分別為307°C和284°C，使用上述裝置對長管件毛坯進行定位，在長管件毛坯上直接磨削支撐軸頸，并以支撐軸 頸為磨削工序作為定位基準。不難發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明采用砂輪線速度為80-120m/s的高速磨削方法，一方面，可以加速材料應(yīng)變，提高材料應(yīng)變率及其斷裂韌性，促進脆性材料的延性磨削條件，另一方面，增加了磨削功率和磨削熱，磨削熱的增加將大大降低脆性材料的彎曲強度，由此提高了脆性材料延性磨削的臨界磨削深度，提高磨削效率；在長管件毛坯上直接磨削支撐軸頸，并以支撐軸頸為磨削工序的定位基準，以避免長管件支撐軸頸和其它部位毛坯同軸度誤差所需要增加的磨削余量，從根本上提高磨削效率。
權(quán)利要求
1.一種陶瓷薄壁長管件自為基準的定位夾緊裝置，包括氣壓式支撐軸頸自為基準的定位裝置(4)、氣壓自適應(yīng)夾緊裝置(6)和安裝在機床床身(I)上的導(dǎo)軌裝置(2)，其特征在于，所述氣壓自適應(yīng)夾緊裝置(6 )固定在機床的工件主軸(6 )上，所述氣壓式支撐軸頸自為基準的定位裝置(4)安裝在導(dǎo)軌裝置(2)上并能沿導(dǎo)軌裝置(2)滑動；所述氣壓式支撐軸頸自為基準的定位裝置(4)的中軸線與氣壓自適應(yīng)夾緊裝置(5)的中軸線重合；所述氣壓式支撐軸頸自為基準的定位裝置(4 )包括自定心爪(15 )、支撐殼體(17 )、端蓋(20 )、活塞體(21)和基座(14);所述基座(14)和所述支撐殼體(17)相互配合組成圓筒狀結(jié)構(gòu)，所述圓筒狀結(jié)構(gòu)的開口端設(shè)有所述端蓋(20);所述基座(14)與支撐殼體(17)之間有導(dǎo)向T型口，所述自定心爪(15)部分位于圓筒狀結(jié)構(gòu)內(nèi)，另一部分穿過所述導(dǎo)向T型口與所述端蓋(20)間隙配合，所述圓筒狀結(jié)構(gòu)內(nèi)安裝有活塞體(21)，所述活塞體(21)的側(cè)面與所述自定心爪(15)的側(cè)面相配，所述基座(14)上設(shè)有氣體入口(P)，所述氣體入口(P)通入壓力氣體推動所述活塞體(21)移動，所述活塞體(21)再通過推動自定心爪(15)向所述氣壓式支撐軸頸自為基準的定位裝置(4)的中軸線做徑向移動；所述氣壓自適應(yīng)夾緊裝置(5)包括動靜接頭(23)、聯(lián)接盤(28)、密封端蓋(31)和夾緊活塞頭(33);所述聯(lián)接盤(28)固定在所述機床的工件主軸(6 )上，所述聯(lián)接盤(28 )固定在工件主軸(6 )上的一側(cè)設(shè)置有動靜接頭(23 )，所述聯(lián)接盤(28)的另一側(cè)設(shè)有密封端蓋(31)，所述動靜接頭(23)通過軸承(26)實現(xiàn)工件加工狀態(tài)下的動靜接頭(23)的靜止與聯(lián)接盤(28)的轉(zhuǎn)動；所述聯(lián)接盤(28)的盤體內(nèi)設(shè)有夾緊活塞頭(33)，所述聯(lián)接盤(28)的盤體內(nèi)還設(shè)有油路，所述油路的一端通向夾緊活塞頭(33)，另一端通向動靜接頭(23);所述動靜接頭(23)的接氣管通入氣體使得夾緊活塞頭(33)對工件(3)進行夾緊。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陶瓷薄壁長管件自為基準的定位夾緊裝置，其特征在于，所述自定心爪(15)和支撐殼體(17)之間設(shè)有第一彈簧(16),所述自定心爪(15)在圓周方向均勻布置3個。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陶瓷薄壁長管件自為基準的定位夾緊裝置，其特征在于，所述端蓋(20)的內(nèi)側(cè)凸出，所述端蓋(20)與所述基座(14)和支撐殼體(17)的接觸面間均有密封圈(19)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陶瓷薄壁長管件自為基準的定位夾緊裝置，其特征在于，所述支撐殼體(17)上開一安全氣孔(R)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陶瓷薄壁長管件自為基準的定位夾緊裝置，其特征在于，所述活塞體(21)與所述基座(14)和支撐殼體(17)的接觸面間均裝有雙層密封圈(19)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陶瓷薄壁長管件自為基準的定位夾緊裝置，其特征在于，所述聯(lián)接盤(28)的盤體圓周方向均勻開有3條油路。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陶瓷薄壁長管件自為基準的定位夾緊裝置，其特征在于，所述夾緊活塞頭(33)與聯(lián)接盤(28)之間安裝密封環(huán)(32)，所述夾緊活塞頭(33)與聯(lián)接盤(28)之間還設(shè)有用于在斷開壓力氣體下的復(fù)位的第二彈簧(35)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陶瓷薄壁長管件自為基準的定位夾緊裝置，其特征在于，所述動靜接頭(23)與聯(lián)接盤(28)之間安裝第三彈簧(24)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的陶瓷薄壁長管件自為基準的定位夾緊裝置，其特征在于，所述活塞體(21)的行程L與自定心爪(15)的徑向工作行程K的關(guān)系應(yīng)滿足公式:K=L*tanc5，其中，Φ為活塞體(21)與自定心爪(15)的接觸面與氣壓式支撐軸頸自為基準的定位裝置(4)中軸線的夾角，其中，Φ〈arctan (1/f)，f為自定心爪(15)與支撐殼體(17)之間的摩擦系數(shù)。
10.一種陶瓷薄壁長管件的磨削方法，其特征在于，采用砂輪線速度為80-120m/s的高速磨削工藝，使用權(quán)利要求1-9中任一權(quán)利要求所述的裝置對長管件毛坯進行定位，在長管件毛坯上直接磨 削支撐軸頸，并以支撐軸頸為磨削工序作為定位基準。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種陶瓷薄壁長管件自為基準的定位夾緊裝置及磨削方法。定位夾緊裝置包括氣壓式支撐軸頸自為基準的定位裝置、氣壓自適應(yīng)夾緊裝置和導(dǎo)軌裝置。磨削方法采用砂輪線速度為80-120m/s的高速磨削工藝，使用上述的裝置對長管件毛坯進行定位，在長管件毛坯上直接磨削支撐軸頸，并以支撐軸頸作為磨削工序的定位基準。本發(fā)明從根本上解決磨削薄壁長管件支撐軸頸的磨削質(zhì)量和磨削效率的技術(shù)瓶頸，避免薄壁長管件支撐軸頸及其它部位毛坯同軸度誤差所需要增加的磨削余量，實現(xiàn)對陶瓷等脆性材料薄壁長管件的高質(zhì)量高效磨削。
文檔編號B24B5/36GK103072081SQ20131004910
公開日2013年5月1日 申請日期2013年2月7日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月7日
發(fā)明者李蓓智, 吳重軍, 楊建國, 龐靜珠 申請人:東華大學(xué)