一种用于中空铸铁涡旋盘终磨削的工装及加工方法与流程

本发明涉及涡旋压缩机精密零部件加工工装，尤其涉及一种用于中空铸铁涡旋盘终磨削的工装及加工方法。

背景技术：

1、铸铁涡旋盘为压缩机核心密封零件，整体上厚下薄、中部设置中空空腔，属于易变形精密铸件。行业标准化加工流程分为三道工序： 第一步：采用双端面磨床双面同时精磨涡旋顶平面、工件底平面，保证两端面平行度； 第二步：采用钻铰一体成型专用铰刀精加工涡旋顶平面两处 φ6h6 基准定位孔； 第三步：成品终加工工序，使用高精度三轴立式加工中心搭载砂轮数控轨迹插补磨削涡旋型线、涡旋底面，本工序加工完成即为成品，无后续修磨工序。

2、现有传统工装存在多重无法调和的技术矛盾：

3、1.常规工装选用工件底平面作为定位基准，加工便捷，但涡旋型线图纸设计基准为涡旋顶平面加顶面基准孔，造成定位基准与设计基准不重合，磨削后型线轮廓度大批量超差报废；

4、2.若改为顶面一面两销定位消除基准误差，涡旋盘中空腔体在中心顶撑力作用下极易出现挤压翘曲、型线偏移；

5、3.前置工序已将涡旋底面精密磨削，传统工装内腔全部为 42crmo 金属结构，人工放置工件时精加工底面直接与金属硬接触，极易产生划痕、磕碰缺陷，工件报废率高；

6、4.传统预定位结构采用气缸驱动，启停冲击大，长期高频往复作业使用寿命短；

7、5.工装基座、定位支承板多选用铸铁或普通 45# 钢材，长期砂轮高频磨削振动下基准面易发生平面度漂移；传统基座普遍增设加厚加强筋，框架结构臃肿，极易遮挡砂轮360° 全方位插补轨迹，产生刀具干涉；

8、6.工装仅设置单点、两点夹持，磨削抗振性能差，砂轮往复冲击会在涡旋齿表面形成振纹，批量尺寸离散度大。

9、综上，现有加工工装无法同时兼顾基准重合、中空工件防变形、精磨底面防磕碰、工装高刚性、无刀具干涉、自动化生产等多重需求，存在明显技术缺陷。

10、因此，需要提供一种用于中空铸铁涡旋盘终磨削的工装及加工方法，在保护工件精加工表面的同时，实现工件的低压预导向、一面两销精确定位、周向多点夹紧以及油气动作的时序联动，以提高涡旋盘终磨削过程中的定位精度、夹持刚性和自动化程度。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种用于中空铸铁涡旋盘终磨削的工装及加工方法，定位支承板、圆柱定位销和菱形定位销共同构成一面两销定位结构，能够实现涡旋盘六个自由度的完整定位，使工件加工基准与其基准孔及涡旋顶平面所构成的设计基准相对应，减少基准转换造成的累计误差。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：本发明公开了一种用于中空铸铁涡旋盘终磨削的工装，包括工装基座、定位支承单元、预导向送料单元和周向夹持单元；所述工装基座为顶端和前端开口的中空方形结构，所述工装基座的内腔底部中间设有用于安装所述预导向送料单元的安装腔；所述定位支承单元设置于所述工装基座的顶部，包括定位支承板、圆柱定位销和菱形定位销，所述定位支承板用于承托涡旋盘的涡旋顶平面，所述定位支承板的中部设有用于供砂轮通过的砂轮避让通孔，所述圆柱定位销和所述菱形定位销设置于砂轮避让通孔的内壁底部，且所述圆柱定位销和所述菱形定位销分别与涡旋盘顶部的两个基准孔配合，以限制涡旋盘在水平面内的平移和转动，并与所述定位支承板共同限制涡旋盘的六个自由度；所述预导向送料单元包括设置于安装腔内的液压油缸以及与所述液压油缸输出端连接的锥面导向推杆，所述锥面导向推杆与涡旋盘底部的偏心定位孔相匹配，用于在涡旋盘放置到位后对涡旋盘进行中心纠偏和预导向；所述周向夹持单元包括沿所述工装基座周向间隔设置的至少三组夹持气缸，各所述夹持气缸的活塞杆均朝向工装顶部设置，所述活塞杆端部设有用于抵压涡旋盘外缘底部的压头。

3、所述砂轮避让通孔与所述涡旋盘的外径相匹配，所述砂轮避让通孔的内壁呈环形阵列有三个支撑块，两个所述支撑块的底部分别设有朝向涡旋盘伸出的圆柱定位销和菱形定位销。

4、所述工装基座的内腔底部设有用于安装承托防护板的防护板槽，所述承托防护板的中部设有与所述安装腔内径相匹配的推杆避让孔，所述承托防护板的顶部后端设有限位柱。

5、所述工装基座为整体加工成型的42crmo合金钢基座；所述承托防护板采用pa66工程塑料制成。

6、所述砂轮避让通孔的内壁后侧设有与涡旋盘外壁的夹持槽和定位槽相匹配的夹持块和定位块。

7、所述锥面导向推杆的顶部设有锥形导向面，所述锥形导向面的锥角为20°，所述锥形导向面经抛光处理，用于与涡旋盘底部偏心定位孔的孔沿接触并对涡旋盘进行径向纠偏。

8、所述夹持气缸设置为三组，三组所述夹持气缸沿工装基座周向以120°间隔均匀布置；所述压头采用聚氨酯材料制成，所述压头与涡旋盘外缘底部的压头槽相配合。

9、所述液压油缸和所述夹持气缸分别与油气时序联动控制系统连接，用于按照预设时序控制涡旋盘的到位检测、预导向、定位、夹紧、磨削完成后的松夹和取件；所述油气时序联动控制系统与机床数控系统连接，并配置有工件到位检测信号、夹紧压力检测信号以及砂轮安全位置检测信号；在未检测到工件到位或夹紧压力未达到设定值时，所述机床数控系统禁止启动磨削程序。

10、本发明公开了一种利用工装对中空铸铁涡旋盘进行终磨削的加工方法，包括以下步骤：

11、s1、使液压油缸完全缩回，并将承托防护板保持在固定状态，将待加工涡旋盘放置于所述承托防护板上；

12、s2、检测涡旋盘放置到位后，启动液压油缸，使锥面导向推杆低速上升，使涡旋盘在锥形导向面的作用下进行径向纠偏，并沿轴向上升至定位支承单元的定位位置；

13、s3、继续使锥面导向推杆低速上升，使圆柱定位销和菱形定位销分别进入涡旋盘的两个基准孔，并使涡旋盘的涡旋顶平面与三个支撑块的定位支承面贴合，完成一面两销定位；

14、s4、启动三组夹持气缸，使压头同步抵压涡旋盘外缘底部的压头槽，完成涡旋盘的周向夹紧；

15、s5、在确认定位完成及夹紧压力达到设定值后，启动三轴立式加工中心，利用砂轮穿过砂轮避让通孔，对涡旋盘的涡旋型线和/或涡旋底面进行数控轨迹磨削；

16、s6、磨削完成后，使砂轮退回安全位置，控制三组夹持气缸同步回缩，解除对涡旋盘的夹紧，并由操作人员从承托防护板上取下加工完成的涡旋盘。

17、在步骤s2和步骤s3中，液压油缸施加于涡旋盘的推力不大于120 n；在步骤s4完成夹紧后，锥面导向推杆缩回，或者仅与涡旋盘保持非承载接触状态，以降低涡旋盘的中空腔体因持续集中受力而发生变形的风险。

18、本发明的有益效果在于：

19、1.实现工件的低冲击预导向

20、预导向送料单元采用液压油缸驱动锥面导向推杆低速上升，锥形导向面与涡旋盘底部的偏心定位孔孔沿接触，利用锥面的分力对工件进行渐进式纠偏。

21、与普通气缸快速顶升或刚性推杆直接顶压相比，液压油缸的速度和输出推力能够进行独立调节，动作平稳、冲击较小，有利于防止中空涡旋盘因瞬时顶压力过大而发生局部变形。

22、2.提高工件定位精度

23、定位支承板、圆柱定位销和菱形定位销共同构成一面两销定位结构。其中，定位支承板或者设置在砂轮避让通孔内壁上的支撑块与涡旋盘的涡旋顶平面接触，用于确定涡旋盘的轴向位置，并限制其绕两个水平轴线的转动；圆柱定位销和菱形定位销分别与两个基准孔配合，用于限制涡旋盘在水平面内的移动以及绕竖直轴线的转动。

24、由此能够实现涡旋盘六个自由度的完整定位，使工件加工基准与其基准孔及涡旋顶平面所构成的设计基准相对应，减少基准转换造成的累计误差。

25、3.避免定位结构产生过定位

26、圆柱定位销和菱形定位销分别与涡旋盘的两个基准孔配合。圆柱定位销用于确定工件在两个水平方向的位置，菱形定位销在保证工件转角定位的同时，为两个基准孔之间的孔距误差及热变形提供补偿空间，能够降低双圆柱销定位容易产生的过定位、卡滞及装卸困难问题。

27、4.提高磨削过程中的夹持稳定性

28、周向夹持单元包括三组沿工装基座周向间隔布置的夹持气缸。夹持气缸的活塞杆向上动作，使压头抵压涡旋盘外缘底部的压头槽，从而将涡旋盘压靠在定位支承单元上。

29、三组夹持气缸能够从不同周向位置共同夹紧工件，使工件在磨削过程中保持与定位支承面稳定贴合，并与定位支承单元共同承受砂轮产生的轴向载荷、径向载荷、切削扭矩和高频振动，有利于减少工件的微量位移和磨削振颤。

30、5.降低工件夹伤风险

31、压头采用聚氨酯材料制成，并与涡旋盘外缘底部的压头槽相配合。聚氨酯压头具有一定弹性，能够增大接触面积、分散局部夹紧应力，并避免夹持部件与铸铁工件之间直接发生金属硬接触，从而降低工件外缘产生压痕、磕碰和夹伤的风险。

32、6.保护工件的精加工表面

33、工装基座的内腔底部设置防护板槽，承托防护板固定安装在防护板槽内。承托防护板采用pa66工程塑料制成，人工上下料时，涡旋盘由承托防护板承托，使工件已精加工表面与42crmo金属基座相隔离，能够减少上下料过程中发生划伤和磕碰的可能。

34、承托防护板为固定式结构，不需要设置升降、抽拉或退让机构，因而结构简单、故障点少，磨损后能够单独拆卸更换。

35、7.保证预导向推杆顺利运动

36、承托防护板的中部设置推杆避让孔，锥面导向推杆能够经推杆避让孔向上运动并进入涡旋盘底部的偏心定位孔。推杆避让孔能够避免承托防护板阻挡锥面导向推杆的运动，使承托防护和预导向两个功能互不干涉。

37、8.减少砂轮运动干涉

38、定位支承板的中部设置砂轮避让通孔，砂轮避让通孔的尺寸与涡旋盘的加工区域相适配。磨削时，砂轮能够穿过砂轮避让通孔，沿预设程序对涡旋型线和/或涡旋底面进行轨迹插补磨削。

39、工装基座采用顶端和前端开口的中空结构，液压管路、气动管路及控制接头至少部分布置于隐藏式管线槽内，能够减少工装结构及管路对砂轮和机床运动部件的干涉。

40、9.提高工装基准的长期稳定性

41、工装基座采用整体加工成型的42crmo合金钢制成，并可通过调质和去应力处理提高其抗弯刚度、抗疲劳性能及尺寸稳定性。工装基座在长期承受磨削振动和重复装夹载荷时不易发生基准面偏移或整体翘曲，有利于维持批量加工过程中的重复定位精度。

42、10.防止中空涡旋盘受到持续集中顶压

43、液压油缸主要用于工件的预导向和粗定位，最大推力被限制在不大于120n。在周向夹持单元完成夹紧后，锥面导向推杆缩回或仅与工件保持非承载接触状态，不承担工件的主要支承载荷及磨削载荷，能够避免锥面导向推杆在磨削过程中持续顶压中空腔体。

44、11.提高工装自动化和安全性

45、油气时序联动控制系统分别控制液压油缸和三组夹持气缸，并与机床数控系统连接，根据工件到位检测信号、夹紧压力检测信号及砂轮安全位置检测信号，依次执行置件检测、预导向、定位、夹紧、磨削、松夹和取件动作。

46、当未检测到工件到位或夹紧压力未达到设定值时，机床数控系统禁止启动磨削程序；当砂轮未退回安全位置时，夹持气缸不能执行松夹动作，从而降低误动作及碰撞风险。