一种基于磁力研磨实现盘形凸轮工作面磨削的装置及方法

技术领域

本发明涉及不规则表面磨削技术领域，尤其涉及一种基于磁力研磨实现盘形凸轮工作面磨削的装置及方法。

背景技术

随着我国工业经济的发展和科学技术的进步，航空航天、船舶、汽车和自动化机床等产业得到了迅猛发展，对于机械零件表面质量的要求也越来越高。通过光整加工可以减小和细化零件的表面粗糙度，去除划痕、微观裂痕等表面缺陷，提高和改善零件表面质量，提高零件表面力学性能，改善应力分布状态；去除棱边毛刺，保证表面之间平滑过渡，提高零件的装配工艺性；提高零件表面光泽度和光亮程度等。而凸轮作为精密机械中的一种常用零件，其外轮廓面的磨削精度直接关系到整个装置的使用性能，因此对凸轮表面粗糙度的要求十分严格。

传统的凸轮磨削加工采用的是靠模仿形的加工方式，该方式对于靠模的加工精度要求较高，而且磨削过程中靠模本身容易磨损；另外，形状不同的凸轮要使用形状相匹配的靠模，并且靠模加工一般采用砂轮磨削，加工效率低，且材料损耗严重。随着数控技术的崛起，高速数控磨床得到广泛应用，可以实现凸轮的精确磨削，但其设备昂贵，工艺成本较高，对操作人员的技术要求较高。并且高速数控磨床也采用砂轮磨削方式，在对经过表面硬化处理的零件进行磨削时，由于磨削速度高，磨削区域产生瞬时高温，零件会出现表面烧伤现象。

授权公告号为CN 214135375 U的中国实用新型专利公开了一种“汽车凸轮轴的加工打磨装置，包括机台，机台上安装有轮轴转台，轮轴转台两侧设有立柱，立柱的内侧上下滑动连接有安装座，安装座上左右滑动连接有打磨电机，打磨电机的输出轴固定有抛光砂轮，安装座上设有测距传感器，两个立柱的顶端连接有锁定支架，所述锁定支架上设有轮轴锁定件。通过转动电机带动抛光砂轮沿着凸轮轴上下移动，从而实现了多个凸轮面连续自动的完成磨削加工，在移动过程中，通过测距传感器感应凸轮轴的凸轮面的距离，进而控制器驱动电动推杆带动抛光砂轮配合凸轮轴左右调整，实现对凸轮轴的来回打磨抛光操作。该装置采用测距传感器实现磨削过程的控制，但其磨削采用的仍是砂轮。

传统的复杂曲面光整加工方法存在诸多弊端，而近年来发展迅速的磁力研磨方法将磁场应用于研磨技术中，具有自锐性能好、磨削能力强、加工效率高、研磨温升小等优点，适合于平面、球面、圆柱面和其它复杂形状零件的加工，并且利用实现光整加工的自动化很好的解决了传统磨削方法存在的问题。如申请公布号为CN 110000621 A的中国专利申请公开的“一种用于大平面抛光的磁力研磨装置及磁力研磨方法”、申请公布号为CN 109015280A的中国专利申请公开的一种“空间任意轴线变径复杂弯管内外表面磁力研磨装置及方法”等，但是，对于盘状凸轮这一特殊零件的加工目前还没有可以适用的磁力研磨装置。

发明内容

本发明提供了一种基于磁力研磨实现盘形凸轮工作面磨削的装置及方法，采用磁力研磨方式，有效避免了砂轮研磨容易造成凸轮工件表面烧伤的问题；采用测距传感器控制工件进给，有效避免了因磨削机构进给精度不高对凸轮工件表面造成划痕、毛刺和凹坑的问题，实现了凸轮不规则工作面的精准磨削，保证了加工精度。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

一种基于磁力研磨实现盘形凸轮工作面磨削的装置，包括工作台、往复移动机构、凸轮夹持机构、研磨机构、测距机构以及控制系统；所述往复移动机构设于工作台上，用于带动凸轮夹持机构沿工作台纵向往复移动；所述凸轮夹持机构用于安装并带动凸轮工件绕自身轴线转动；所述研磨机构包括圆柱形永磁铁及磁性研磨介质，圆柱形永磁铁设于往复移动机构的一端并能够绕自身轴线转动，圆柱形永磁铁的外侧吸附磁性研磨介质；所述测距机构中设红外测距传感器用于实时检测到凸轮工件待加工面的距离；所述往复移动机构中的往复移动驱动装置、凸轮夹持机构中的凸轮转动驱动装置、研磨机构中的圆柱形永磁铁旋转驱动装置的驱动端，以及测距机构中的红外测距传感器的信号输出端分别连接控制系统。

所述往复移动机构包括主动滑台及从动滑台；主动滑台由移动电机、丝杠、丝杠支撑块及主动滑块组成；丝杠的两端由丝杠支撑块支撑，丝杠与丝杠支撑块之间可转动地连接；丝杠远离研磨机构的一端通过联轴器与移动电机的电机轴相连，主动滑块与丝杠通过螺纹传动连接；在移动电机的作用下，主动滑块沿丝杠往复移动；从动滑台由光轴、光轴支撑块及从动滑块组成；光轴与丝杠平行设置，光轴的两端由光轴支撑块支撑，光轴与光轴支撑块之间固定连接，从动滑块与光轴滑动连接；主动滑块与从动滑块分别连接凸轮夹持机构，主动滑块带动凸轮夹持机构移动时，从动滑块同步沿光轴移动。

所述凸轮夹持机构由支撑架一、支撑架二、轴承座、安装轴、定位轴套、锁紧轴套、大锥齿轮、小锥齿轮及凸轮转动电机组成；支撑架一与支撑架二对称设置，支撑架一的底部与主动滑块相连，支撑架二的底部与从动滑块相连；支撑架一的顶部与支撑架二的顶部分别设轴承座，安装轴水平设置，安装轴的两端与对应端的轴承座转动连接；凸轮工件与安装轴之间通过键传动，定位轴套、锁紧轴套分别设于凸轮工件两侧的安装轴上，并且定位轴套、锁紧轴套与安装轴之间均通过螺纹连接，通过定位轴套调节凸轮工件在安装轴上的位置后通过锁紧轴套锁紧固定；安装轴的一端伸出轴承座外，且伸出端设有大锥齿轮，大锥齿轮与小锥齿轮啮合传动，小锥齿轮设于凸轮转动电机的电机轴上；在凸轮转动电机的作用下，安装轴带动凸轮工件绕自身轴线转动。

所述研磨机构由支撑架、圆柱形永磁铁、磁性研磨介质、带传动机构及永磁铁旋转电机组成；支撑架设于往复移动机构一端的工作台上，支撑架的顶部两端分别设轴承座，圆柱形永磁铁设于水平的中心轴上，中心轴的两端与对应端的轴承座转动连接，磁性研磨介质吸附在圆柱形永磁铁的外表面；中心轴与圆柱形永磁铁同轴设置，中心轴的一端从对应轴承座伸出，且伸出端设带轮一；永磁铁旋转电机设于工作台上，电机轴上设带轮二，带轮一与带轮二通过传动带连接组成带传动机构；在永磁铁旋转电机的作用下，圆柱形永磁铁绕自中心轴轴线旋转，并且圆柱形永磁铁的转向与凸轮工件的转向相反；圆柱形永磁铁的长度大于凸轮工件的厚度。

所述测距机构由红外测距传感器、支撑柱和横梁组成；红外测距传感器设于圆柱形永磁铁的外上方，红外测距传感器安装在横梁上，横梁的两端由对应端的支撑柱支撑，支撑柱的底部与工作台固定连接。

所述控制系统由PLC控制器、控制柜及控制面板组成；控制柜设于工作台上，控制器设于控制柜内，控制柜的外侧设控制面板。

一种基于磁力研磨实现盘形凸轮工作面磨削的方法，包括如下步骤：

(1)将凸轮工件安装在凸轮夹持机构中的安装轴上，通过定位轴套和锁紧轴套配合调整、固定凸轮工件在安装轴上的位置，使凸轮工件与圆柱形永磁铁对中；

(2)将磁性磨料与水基研磨液按照1：3～1.5；3的重量比混合、搅拌均匀后，吸附在圆柱形永磁铁的表面；

(3)通过控制面板设定凸轮转动电机、永磁铁旋转电机的转速；启动移动电机，使主动滑台与从动滑台同步移动，将凸轮工件向圆柱形永磁铁一端移动；通过红外测距传感器与移动电机的联锁控制，使凸轮工件上初始待加工面与圆柱形永磁铁之间的间隙为0.5～2mm；启动凸轮转动电机及永磁铁旋转电机，使凸轮工件与圆柱形永磁铁相对转动，通过磁性磨料对凸轮工件的工作面进行研磨；研磨过程中，红外测距传感器与移动电机通过PLC控制器联锁控制，使凸轮工件的实时待加工面与圆柱形永磁铁的间隙始终保持在0.5～2mm；

(4)研磨完成后，凸轮转动电机、永磁铁旋转电机停止转动，移动电机反向转动带动凸轮工件返回初始位置；卸下凸轮工件并进行清洗、烘干，测量凸轮工件工作面的粗糙度；

(5)卸下研磨机构中的圆柱形永磁铁，将其上吸附的磁性磨料进行回收。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明采用工件进给的方式加工，与磨削机构进给的方式相比，有效避免了因磨削机构受力不均而导致的进给精度不高，容易对凸轮工件表面造成划痕、毛刺和凹坑的问题；

(2)本发明将磁性磨料与研磨液混合后作为磁性研磨介质吸附在圆柱形永磁铁上，代替传统的砂轮对凸轮工件进行研磨，有效避免了砂轮研磨时因温升而造成凸轮表面烧伤的问题；

(3)本发明采用磁力研磨代替传动的砂轮研磨，提高了加工效率，并且降低了材料损耗；

(4)本发明通过控制系统将红外测距传感器与往复移动机构中的移动电机进行联锁控制，根据凸轮工件表面形状实时调节凸轮工件与圆柱形永磁铁之间的相对位置，保证了凸轮工件的加工精度。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明所述一种基于磁力研磨实现盘形凸轮工作面磨削的装置的立体结构示意图。

图2是图1的后视图。

图3是本发明所述研磨机构的立体结构示意图。

图4是本发明所述凸轮夹持机构的立体结构示意图。

附图标记说明：

图中：1.移动电机 2.主动滑台 3.支撑架一 4.凸轮工件 5.轴承座 6.定位轴套7.圆柱形永磁铁 8.红外测距传感器 9.横梁 10.支撑柱 11.控制柜 12.启动按键 13.调速旋钮一 14.急停按键 15.调速旋钮二 16.永磁铁旋转电机 17.从动滑台 18.工作台19.大锥齿轮 20.小锥齿轮 21.凸轮转动电机 22.电源线一 23.联轴器 24.电源线二 25.电源线三 26.传感器电缆 27.带轮一 28.传动带 29.带轮二 30.支撑架 31.轴承座 32.轴承 33.安装轴 34.锁紧轴套

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：

如图1、图2所示，本发明所述一种基于磁力研磨实现盘形凸轮工作面磨削的装置，包括工作台18、往复移动机构、凸轮夹持机构、研磨机构、测距机构以及控制系统；所述往复移动机构设于工作台18上，用于带动凸轮夹持机构沿工作台18纵向往复移动；所述凸轮夹持机构用于安装并带动凸轮工件4绕自身轴线转动；所述研磨机构包括圆柱形永磁铁7及磁性研磨介质，圆柱形永磁铁7设于往复移动机构的一端并能够绕自身轴线转动，圆柱形永磁铁7的外侧吸附磁性研磨介质；所述测距机构中设红外测距传感器8用于实时检测到凸轮工件待加工面的距离；所述往复移动机构中的往复移动驱动装置、凸轮夹持机构中的凸轮转动驱动装置、研磨机构中的圆柱形永磁铁旋转驱动装置的驱动端，以及测距机构中的红外测距传感器的信号输出端分别连接控制系统。

所述往复移动机构包括主动滑台2及从动滑台17；主动滑台2由移动电机1、丝杠、丝杠支撑块及主动滑块组成；丝杠的两端由丝杠支撑块支撑，丝杠与丝杠支撑块之间可转动地连接；丝杠远离研磨机构的一端通过联轴器23与移动电机1的电机轴相连，主动滑块与丝杠通过螺纹传动连接；在移动电机1的作用下，主动滑块沿丝杠往复移动；从动滑台17由光轴、光轴支撑块及从动滑块组成；光轴与丝杠平行设置，光轴的两端由光轴支撑块支撑，光轴与光轴支撑块之间固定连接，从动滑块与光轴滑动连接；主动滑块与从动滑块分别连接凸轮夹持机构，主动滑块带动凸轮夹持机构移动时，从动滑块同步沿光轴移动。

如图1、图2及图4所示，所述凸轮夹持机构由支撑架一3、支撑架二、轴承座5、安装轴33、定位轴套6、锁紧轴套34、大锥齿轮19、小锥齿轮20及凸轮转动电机21组成；支撑架一3与支撑架二对称设置，支撑架一3的底部与主动滑块相连，支撑架二的底部与从动滑块相连；支撑架一3的顶部与支撑架二的顶部分别设轴承座5，安装轴33水平设置，安装轴33的两端与对应端的轴承座5转动连接；凸轮工件4与安装轴33之间通过键传动，定位轴套6、锁紧轴套34分别设于凸轮工件4两侧的安装轴33上，并且定位轴套6、锁紧轴套34与安装轴33之间均通过螺纹连接，通过定位轴套6调节凸轮工件4在安装轴33上的位置后通过锁紧轴套34锁紧固定；安装轴33的一端伸出轴承座5外，且伸出端设有大锥齿轮19，大锥齿轮19与小锥齿轮20啮合传动，小锥齿轮20设于凸轮转动电机21的电机轴上；在凸轮转动电机21的作用下，安装轴33带动凸轮工件4绕自身轴线转动。

如图3所示，所述研磨机构由支撑架30、圆柱形永磁铁7、磁性研磨介质、带传动机构及永磁铁旋转电机16组成；支撑架30设于往复移动机构一端的工作台18上，支撑架30的顶部两端分别设轴承座31，圆柱形永磁铁7设于水平的中心轴上，中心轴的两端与对应端的轴承座31转动连接，磁性研磨介质吸附在圆柱形永磁铁7的外表面；中心轴与圆柱形永磁铁7同轴设置，中心轴的一端从对应轴承座31伸出，且伸出端设带轮一27；永磁铁旋转电机16设于工作台18上，电机轴上设带轮二29，带轮一27与带轮二29通过传动带28连接组成带传动机构；在永磁铁旋转电机16的作用下，圆柱形永磁铁7绕自中心轴轴线旋转，并且圆柱形永磁铁7的转向与凸轮工件4的转向相反；圆柱形永磁铁7的长度大于凸轮工件4的厚度。

所述测距机构由红外测距传感器8、支撑柱10和横梁9组成；红外测距传感器8设于圆柱形永磁铁7的外上方，红外测距传感器8安装在横梁9上，横梁9的两端由对应端的支撑柱10支撑，支撑柱10的底部与工作台18固定连接。

所述控制系统由PLC控制器、控制柜11及控制面板组成；控制柜11设于工作台18上，控制器设于控制柜11内，控制柜11的外侧设控制面板。

一种基于磁力研磨实现盘形凸轮工作面磨削的方法，包括如下步骤：

(1)将凸轮工件4安装在凸轮夹持机构中的安装轴33上，通过定位轴套6和锁紧轴套34配合调整、固定凸轮工件4在安装轴33上的位置，使凸轮工件4与圆柱形永磁铁7对中；

(2)将磁性磨料与水基研磨液按照1：3～1.5；3的重量比混合、搅拌均匀后，吸附在圆柱形永磁铁7的表面；

(3)通过控制面板设定凸轮转动电机21、永磁铁旋转电机16的转速；启动移动电机1，使主动滑台2与从动滑台17同步移动，将凸轮工件4向圆柱形永磁铁7一端移动；通过红外测距传感器8与移动电机1的联锁控制，使凸轮工件4上初始待加工面与圆柱形永磁铁7之间的间隙为0.5～2mm；启动凸轮转动电机21及永磁铁旋转电机16，使凸轮工件4与圆柱形永磁铁7相对转动，通过磁性磨料对凸轮工件4的工作面进行研磨；研磨过程中，红外测距传感器8与移动电机1通过PLC控制器联锁控制，使凸轮工件4的实时待加工面与圆柱形永磁铁7的间隙始终保持在0.5～2mm；

(4)研磨完成后，凸轮转动电机21、永磁铁旋转电机16停止转动，移动电机1反向转动带动凸轮工件4返回初始位置；卸下凸轮工件4并进行清洗、烘干，测量凸轮工件4工作面的粗糙度；

(5)卸下研磨机构中的圆柱形永磁铁7，将其上吸附的磁性磨料进行回收。

本发明所述一种基于磁力研磨实现盘形凸轮工作面磨削的装置的工作原理是：通过往复移动机构中的移动电机带动主动滑台中的丝杠正向或反向旋转，使主动滑块沿丝杠往复移动，并与从动滑台一起使凸轮夹持机构沿工作台纵向平稳移动；凸轮夹持机构设凸轮转动电机，用于带动凸轮工件转动；研磨机构中设圆柱形永磁铁，通过永磁铁旋转电机带动圆柱形永磁铁旋转，通过圆柱形永磁铁与凸轮工件之间的相对运动实现对凸轮工件工作面的磨削加工。测距机构中设红外测距传感器，用于实时测量其到凸轮工件待加工面之间的距离，并将数据传输到控制系统中，控制系统经分析计算后控制移动电机动作，实时调整凸轮工件的位置，保证凸轮工件待加工的工作面与圆柱形永磁铁的工作间隙不变，从而实现精密研磨。

为使本发明实施例的目的、技术方案和技术效果更加清楚，现对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。但以下所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。结合本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

【实施例】

如图1、图2所示，本实施例中，基于磁力研磨实现盘形凸轮工作面磨削的装置包括工作台18、往复移动机构、凸轮夹持机构、研磨机构、测距机构以及控制系统，往复移动机构、研磨机构及测距机构均设于工作台18上。

本实施例中，往复移动机构包括主动滑台2及从动滑台17；主动滑台2由移动电机、丝杠、丝杠支撑块及主动滑块组成；从动滑台17由光轴、光轴支撑块及从动滑块组成；从动滑台跟随主动滑台移动实现随动，两者的同步动作保证了凸轮夹持机构的平稳移动。通过移动电机1的正反转动作，实现凸轮夹持机构上凸轮工件4相对于圆柱形永磁铁7水平方向距离的调节。

本实施例中，凸轮夹持机构包括支撑架一3、支撑架二、轴承座5、安装轴33、定位轴套6及锁紧轴套34。支撑架一3和支撑架二分别固定在往复移动机构中对应的主动滑台2、从动滑台17上，支撑架一3和支撑架二的顶部用螺栓固定轴承座5。安装轴33的两端由轴承座5支撑，安装轴33与轴承座5之间设轴承32；凸轮工件4在安装轴33上的轴向位置由定位轴套6及锁紧轴套34调整后锁紧固定，安装轴33通过键带动凸轮工件4转动。凸轮转动电机21通过锥齿轮传动机构带动安装轴33旋转，进而带动凸轮工件4旋转。

本实施例中，测距机构包括红外测距传感器8、支撑柱10和横梁9。支撑柱10的下端固定于工作台18上，上端通过横梁9连接，横梁9的中间位置安装红外测距传感器8，用于测量其到凸轮工件4实时待加工面的距离，并将数据传输到控制系统。

本实施例中，研磨装置包括支撑架30、轴承座31、圆柱形永磁铁7、带传动机构和永磁铁旋转电机16。支撑架30由2个L形的支架组成，2个支架相对固定在工作台18上，通过螺栓将2个轴承座31分别固定在2个支架的顶部。圆柱形永磁铁7通过中心轴支撑在2个轴承座31之间。中心轴的一端伸出轴承座31连接带轮一27。永磁铁旋转电机16安装在工作台18上，电机轴上安装带轮二29，带轮一27和带轮二29均为V形带轮，通过V形的传动带28连接传动，通过永磁铁旋转电机16带动圆柱形永磁铁7旋转。

本实施例中，控制系统用于实时收集红外测距传感器8检测的数据并进行分析计算，进而控制移动电机1的旋转方向及转速，实时调整凸轮工件4的位置，使凸轮工件4上待加工面与圆柱形永磁铁7之间保持合适的加工间隙。本实施例中，该加工间隙为1.5mm。同时，在控制面板的显示屏上实时显示移动电机1的转向及转速。控制面板上还设置2个调节旋钮即调速旋钮一13和调速旋钮二15，分别用于调节凸轮转动电机21的输出转速、永磁铁旋转电机16的输出转速，对应的转速数据均显示在显示屏上。另外，控制面板上还设有启动按键12及急停按键14。移动电机1通过电源线二24连接电源，凸轮转动电机21通过电源线一22连接电源，永磁铁旋转电机16通过电源线三25连接电源。红外测距传感器8通过传感器电缆连接控制系统。

本实施例中，基于磁力研磨实现盘形凸轮工作面磨削的方法，具体包括如下步骤：

(1)将凸轮工件4安装在安装轴33上，通过定位轴套6和锁紧轴套34调整凸轮工件4的轴向位置，使其与圆柱形永磁铁7对中。

(2)将磁性磨粒、水基研磨液按照2：3的重量比混合，搅拌均匀后吸附在圆柱形永磁铁7上。

(3)接通各部电源后，通过控制面板设定凸轮转动电机21、永磁铁旋转电机16的转速。移动电机1通过控制系统实时调节转速及转向，移动凸轮工件4，使其初始待加工面与圆柱形永磁铁7之间的工作间隙为1.5mm，并在后续的研磨加工过程中时刻保证两者的工作间隙。先启动永磁铁旋转电机16带动圆柱形永磁铁7旋转，再启动凸轮转动电机21带动凸轮工件4缓慢旋转，并且圆柱形永磁铁7的旋转方向与凸轮工件4的旋转方向相反，通过红外测距传感器8与移动电机1联锁调节凸轮工件4与圆柱形永磁铁7的相对位置，使凸轮工件4的工作面实现有效研磨。

(4)磨削完成后，凸轮夹持机构返回初始位置，关闭电源，卸下凸轮工件4，清洗表面、烘干，测量表面粗糙度。

(5)卸下研磨机构上的圆柱形永磁铁7，将磁性磨料进行回收。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。