CN103894800B - 十字万向节叉头的加工方法及其夹具 - Google Patents

Abstract

本发明公开了十字万向节叉头的加工方法，其具体步骤是：（1）将夹具固定在工作台面上，待加工叉头放置在夹具上，通过夹具对叉头进行定位、夹紧；（2）实现对主旋转面D的加工；（3）实现对横旋转面E的加工。本发明还公开了十字万向节叉头的夹具。本发明加工方法根据叉头的结构特点，夹具以叉头的内腔非加工面进行对称定位，使夹具与机床刀具互相支持、互相避让，使工件在一次装夹中，实现叉头的各功能面的加工，从而消除了多工序加工工序间的定位误差和找正误差，将定位引起的工件各机加工结构之间位置误差降为零，从而克服了现有技术中叉头机加工多序带来的功能面间位置误差大的缺点。

Description

十字万向节叉头的加工方法及其夹具

技术领域

本发明涉及机械制造领域，特别涉及十字万向节叉头的加工方法及其夹具。

背景技术

十字万向节是一种普遍使用的机械动力传动关节，因其工作时是旋转的，所以只有各零件的对称度好才能保证万向节的静平衡和动平衡好。然而，万向节的叉头机加工目前普遍采用多道工序加工完成：最少二道工序，多的五、六道工序甚至更多。由于每次加工定位、找正及安装位置不可能一样，故多道工序不可避免地会造成定位或找正误差，一般地说工序越多，累积误差也越大。目前，一般叉头规格小的批量大，多采用流水线上夹具定位；叉头规格大的批量小，多采用划线找正，间或采用夹具定位。万向节装配中，叉头上与相关零件直接配合、连接或关系密切的结构表面（这里称为功能面，见图1中D、E、F、G），其尺寸和位置精度直接影响万向节的性能，功能面包括法兰、轴承孔、法兰孔以及法兰端面齿槽或键槽等。各功能面相互间位置度要求高，如轴承孔与法兰止口对称度、与法兰端面的平行度、两轴承孔的同轴度，轴承孔内挡圈槽与法兰止口的对称度及对轴承孔的跳动度，法兰端面齿槽中心与法兰止口中心的同轴度或端面键槽与法兰止口的对称度、法兰孔与法兰止口及轴承孔的位置度等8个位置公差一般要求都在7级或8级，有些场合要求会更高。而加工时如果工件即叉头经多次装夹，这些精度难以同时保证。目前在机械制造行业，还没有任何一种加工方法，能够实现在同一次装夹中加工完成叉头上所有的功能面。

发明内容

本发明所要解决的问题是提供十字万向节叉头的加工方法及其夹具，本加工方法根据叉头的结构特点，夹具以叉头的内腔非加工面进行对称定位，使夹具与机床刀具互相支持、互相避让，使工件在一次装夹中，实现叉头的各功能面的加工，从而消除了多工序加工工序间的定位误差和找正误差，将定位引起的工件各机加工结构之间位置误差降为零，从而克服了现有技术中叉头机加工多序带来的功能面间位置误差大的缺点。本发明加工方法保证了叉头的加工质量，有利于保证十字万向节装配质量，同时也提高了叉头的加工效率。

本发明十字万向节叉头的加工方法，其具体步骤是：

（1）将夹具固定在五轴数控车铣复合机床的工作台面上，待加工叉头放置在夹具上，通过夹具对叉头进行定位、夹紧；

（2）机床回转工作台通过夹具带动工件绕轴Z做旋转主运动，机床的主轴沿刀具轴B旋转至某一适宜的角度后沿轴Z、轴X单独运动或者联动，使主轴上的刀具实现轴向f1、径向f2进给运动，此时机床工作台可以同时沿Y向作联动，分段实现对叉头的止口沉台面、止口圆柱面、法兰端面、法兰外圆柱面、法兰圆环面、颈部外圆柱面以及倒角和过渡圆角的加工；倒角和圆角也可由成形刀具完成；止口沉台面、止口圆柱面、法兰端面、法兰外圆面、法兰圆环面和颈部外圆柱面合称为主旋转面D；

（3）转动机床回转工作台使叉头的X1方向与机床的轴Y方向一致并锁定，机床的主轴沿刀具轴B转动至水平方向，刀具绕X1轴做旋转主运动，机床工作台沿轴Y做进给运动，从而实现对轴承孔的加工；选用T形铣刀使之绕轴X1做旋转主运动，机床工作台沿Y轴、Z轴联动进给，从而实现对挡圈槽的加工；左右两个轴承孔的同轴度及挡圈槽的对称度是通过机床的回转工作台180°的间歇分度运动实现；轴承孔和挡圈槽合称为横旋转面E。

本发明十字万向节叉头的夹具，它包括卡盘、固定在卡盘上的Z向定位装置、X向和Y向的定位和夹紧装置、压紧装置；Z向定位装置包括两块V形块，两块V形块对称地固定在卡盘上；X向定位和夹紧装置包括X向对称联动两爪、X向联动两爪锁，X向对称联动两爪设置在两块V形块之间，并与卡盘中心对称，X向联动两爪锁从一个V形块的外侧穿入，穿过X向联动两爪后从另一V形块的外侧穿出；Y向定位和夹紧装置包括Y向对称联动两爪、Y向联动两爪锁、两个心轴、两个自位压板，Y向对称联动两爪对称地固定在卡盘滑座上，每个联动爪均通过其上的心轴连接自位压板，两个自位压板的相对面上设置有小支撑，Y向联动两爪锁设置在卡盘上；压紧装置包括盖板、压紧紧固件；盖板连接在V形块上，压紧紧固件连在盖板上；盖板上开有测量孔。

本发明的有益效果：1、夹具抓住了叉头的构成和结构特点，以内腔非加工面对称定位，在保证关节夹角和强度的前提下，采用与结构和要求相适应的定位夹紧机构和装置；2、在加工过程中，夹具与机床刀具互相支持、互相避让，实现加工各功能面的切削运动；3、一次装夹能够完成所有功能面的加工，从而消除了多工序加工工序间的定位误差和找正误差，使由定位引起的工件各机加工结构之间位置误差降为零，位置误差只剩下机床工艺系统引起的部分，达到最低值，这个最低值是由工艺系统的精度和刚度决定且不可避免的。

本发明方法最大限度地减小了工件的位置误差，省去了多次装夹的时间，降低了操作难度，发挥了多轴数控机床的优势与潜能，大大提高了产品的静平衡和动平衡性能。因此，本发明加工方法保证了叉头的加工质量，有利于保证十字万向节装配质量，同时也提高了叉头的加工效率。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：

图1是叉头的功能面及其分类与定位原理图；

图2是叉头的工艺结构及叉头与机床的位置关系图；

图3是本发明夹具的结构示意图。

具体实施方式

现有的十字万向节主要由两叉头、十字轴、轴承和挡圈等零件组成，同一规格关节在有限的空间中必须保证对中。叉头的轴承孔与叉部外侧及法兰外圆，法兰外圆与叉部内侧及轴承孔中挡圈槽均需对称。叉头一般由精铸或精锻而成，除工作转速高、精度要求高以外，其外圆、叉体内侧及两叉体间凹部无需机加工，对称而不机加工，因而必须以其非加工面为基准实施定位。

以带端面齿的法兰叉为例，从图1可知，叉头的功能面包括法兰表面、轴承孔及挡圈槽、法兰孔及螺孔、法兰端面齿槽或端面键槽等，具体如下①主旋转面D：止口沉台面D-1、止口圆柱面D-2、法兰端面D-3、法兰外圆柱面D-4、法兰圆环面D-5和颈部外圆柱面D-6；②横旋转面E：轴承孔E-1和挡圈槽E-2；③纵旋转面及螺旋面F：法兰孔F-1与螺孔部分F-2；④端面齿槽或键槽G。

以带端面齿的法兰叉为例，从图1和图2可知，叉头的功能面及其相应的加工的工艺结构如下：①主旋转面D：主旋转面的截面线绕轴Z旋转而形成，截面线一般由直线l(形成止口沉台面）、直线m(形成止口圆柱面）、直线n(形成法兰端面，有平面和锥面两种）、直线p(形成法兰外圆柱面）、直线k（形成法兰圆环面）、直线s（形成颈部外圆柱面），另有相关的倒角及过渡圆角；②横旋转面：其截面线绕与轴Z相垂直的轴X1旋转而形成，母线t形成轴承孔面（内圆柱面）、矩形v形成挡圈槽；③纵旋转面及螺旋面F：其母线w绕与工件主轴Z相平行的轴Z1旋转而形成内圆柱面即法兰孔（圆孔）、刀具走螺旋线s1形成螺纹孔：④端面齿槽或键槽G。

如图3所示，本发明十字万向节叉头的夹具，它包括卡盘6、固定在卡盘6上的Z向定位装置、X向和Y向的定位和夹紧装置、压紧装置；Z向定位装置包括两块V形块3，两块V形块3对称地固定在卡盘6上；X向定位和夹紧装置包括X向对称联动两爪9、X向联动两爪锁8，X向对称联动两爪9设置在两块V形块3之间，并与卡盘6中心对称，X向联动两爪锁8从一个V形块的外侧穿入，穿过X向联动两爪9后从另一V形块的外侧穿出；Y向定位和夹紧装置包括Y向对称联动两爪4、Y向联动两爪锁7、两个心轴1、两个自位压板2，Y向对称联动两爪4对称地固定在卡盘滑座5上，每个联动爪4均通过其上的心轴1连接自位压板2，两个自位压板2的相对面上设置有小支撑12，Y向联动两爪锁7设置在卡盘6上；压紧装置包括盖板10、压紧紧固件13；盖板10连接在V形块3上，压紧紧固件13连在盖板10上；盖板10上开有测量孔11。

本发明夹具的定位原理如图1所示：两V形块通过与叉体侧面斜下方向的四个叉部侧弧点a接触进行定位，限制Z向、Y向、、4个自由度，X向对称联动两爪通过与叉部内侧的两个叉部内档点b接触定位，限制X向自由度，Y向对称联动两爪通过与叉体根部侧面的四个叉部侧面点c接触定位，限制自由度。夹紧原理为：X向对称联动两爪在定位的同时有一定的夹紧功能，Y向对称联动两爪连带自位压板在定位的同时有一定的夹紧功能，主夹紧力为工件上部的螺母压紧，即Z向的夹紧。总之，本发明夹具的定位夹紧是通过叉头上的4个叉部侧弧面点a点、2个叉部内档点b点、4个叉部侧平面点c点对叉头进行定位，其中4个a点限制4个自由度，2个b点对称夹紧限制1个自由度，4个c点对称定位夹紧限制1个自由度；并控制了对称：4个c点定位夹紧采用对称联动两爪机构，并连带自位压板，解决因叉体毛坯误差而引起的过定位问题，并实现对称定位夹紧。本发明夹具能够在一次装夹中完成其功能面的全部机加工内容。

本发明十字万向节叉头的夹具在具体实施时应因工件的使用场合和性能要求的不同、规格不同、机床功能不同而变化：可以是纯机械机构实现定位夹紧，也可采用液压或气动夹紧，或者机械与液压气动相结合的结构，只要采用图1所示的4个a点、2个b点、4个c点定位，其中2个b点与4个c点分别限制1个自由度，就属于本发明的保护范围之内，而不局限于图3所示的纯机械结构。

从图1、图2、图3可知，本发明十字万向节叉头的加工方法，其具体步骤是：（1）将夹具固定在五轴数控车铣复合机床的工作台面上，待加工叉头放置在夹具上，通过夹具对叉头进行定位、夹紧；（2）机床回转工作台14通过夹具带动工件15绕轴Z做旋转主运动，机床的主轴16沿刀具轴B旋转至某一适宜的角度后沿轴Z、轴X单独运动或者联动，使主轴16上的刀具实现轴向f1、径向f2进给运动，此时机床工作台14同时沿Y向作联动，分段实现对叉头的止口沉台面、止口圆柱面、法兰端面、法兰外圆面、法兰圆环面、颈部外圆柱面以及倒角和过渡圆角的加工；倒角和圆角也可由成形刀具完成；止口沉台面、止口圆柱面、法兰端面、法兰外圆柱面、法兰圆环面和颈部外圆柱面合称为主旋转面D；（3）转动机床回转工作台14使叉头的X1方向与机床的轴Y方向一致并锁定，机床的主轴16沿刀具轴B转动至水平方向，刀具绕X1轴做旋转主运动，机床工作台14沿轴Y做进给运动，从而实现对轴承孔的加工；选用T形铣刀使之绕轴X1做旋转主运动，机床工作台14沿Y轴、Z轴联动进给，从而实现对挡圈槽的加工；左右两个轴承孔的同轴度及挡圈槽的对称度是通过机床的回转工作台180°的间歇分度运动实现；轴承孔和挡圈槽合称为横旋转面E。其中，加工方法的步骤（2）中倒角和圆角由成形刀具完成。

本发明叉头的加工方法还包括步骤（4），步骤（4）为：机床的主轴16沿刀具轴B转动至竖直方向，刀具绕平行于轴Z的动轴Z1做旋转主运动，同时沿轴Z方向进给，用钻头和丝攻实现对法兰孔及螺孔的螺旋面的加工。

本发明叉头的加工方法还包括步骤（5），步骤（5）为：机床的主轴16沿刀具轴B转动到竖直方向，成形指状铣刀绕平行于轴Z的动轴Z1做旋转主运动，机床回转工作台14沿轴Y和主轴3沿轴Z方向进行联动，使刀具沿轴向f1及径向f2合成运动f做进给运动，完成对端面齿槽的加工，机床回转工作台14绕轴Z作间歇分度运动。

在上述加工方法中，主旋转面D与横旋转面E要在一次装夹中加工完成，即通过步骤（1）中的一次装夹中能够完成所有功能面的全部机加工，但是不一定是在一次装夹中完成所有功能面的全部机加工，根据机床负荷、生产节拍等具体情况，决定一部分功能面不在一道工序中进行加工。也就是说：加工方法中的步骤（3）、步骤（4）和步骤（5）的顺序可以变换。

在步骤（1）中，夹具的定位原理是：通过叉头上的4个叉部侧弧面点a点、2个叉部内档点b点、4个叉部侧平面点c点对叉头进行定位，其中4个a点限制四个自由度，2个b点对称夹紧限制1个自由度；4个c点对称定位夹紧限制1个自由度。在步骤（2）中，刀具具体的运动轨迹是沿l、m、n、p、k、s进行轴向f1、径向f2进给运动；步骤（2）中，刀架轴B的朝向和角度要根据加工面的不同而改变；在步骤（3）中，量具穿过测量孔测量两挡圈槽位置尺寸；在步骤（4）中，光孔用麻花钻头；螺孔在钻孔后用丝锥作螺旋运动，丝锥进给量f1=1导程/圈；在步骤（5）中，当端面为键槽，键槽铣刀只做径向进给f2即可完成加工；步骤（5）中X、Z两轴联动或Y、Z两轴联动，全部齿槽是通过回转工作台1作360°/z间歇的分度运动实现的，即每加工完一齿槽机床回转工作台1作间歇分度运动；z为齿数；在步骤（5）中，回转工作台1不作分度运动，X、Y、Z三轴联动加工；当叉头为端面键槽时，采用键槽铣刀轴Z值不变可铣端面键槽。

本发明中使用的是五轴数控车铣复合机床，机床具有轴X、轴Y、轴Z、刀具轴B及工作台轴C。本发明方法按照步骤1中所述的定位原理，一次装夹中完成其功能面的全部机加工内容，夹具中的定位装置和压紧装置交错布局，关联而不干涉，不影响加工各功能面的切削刀具，从而实现各功能面加工的主运动、进给和联动复合进给运动、工件的旋转主运动及分度运动。

本发明是以叉头中结构最为复杂的法兰叉头作为例子，叙述了在一次装夹就可完成全部功能面加工的方法和夹具。那么工艺结构简单的焊接叉和端面键槽、无齿无键的法兰叉的加工就迎刃而解了。

本发明的夹具以内腔非加工面对称定位，将叉头功能面通常多道工序才能完成的功能面的全部机加工内容，集中在一次装夹中完成，从而消除了多工序加工工序间的定位、找正误差的方法，使得工件机加工结构之间的位置度误差降低到机床精度所能，达到最低，这个最低值是由机床工艺系统决定并不可避免的。

本发明夹具中各机构交错布局，关联而不干涉，并且不影响工件各机加工结构的切削刀具，从而实现主运动、进给运动、工件自身的旋转主运动及分度运动。本发明的加工方法选择五轴数控车铣复合机床，采用本发明的夹具能支持一次装夹完成功能面各机加工结构的加工，加工各结构的刀具与工件、夹具不会发生干涉和碰撞，也不影响排屑、观察和测量。

Claims (11)

1.十字万向节叉头的加工方法，其具体步骤是：

（1）将夹具固定在五轴数控车铣复合机床的工作台面上，待加工叉头放置在夹具上，通过夹具对叉头进行定位、夹紧；

（2）机床回转工作台（14）通过夹具带动工件（15）绕轴Z做旋转主运动，机床的主轴（16）沿刀具轴B旋转至某一适宜的角度后沿轴Z、轴X单独运动或者联动，使主轴（16）上的刀具实现轴向f1、径向f2进给运动，此时机床工作台（14）同时沿Y向作联动，分段实现对叉头的止口沉台面、止口圆柱面、法兰端面、法兰外圆柱面、法兰圆环面、颈部外圆柱面以及倒角和过渡圆角的加工；止口沉台面、止口圆柱面、法兰端面、法兰外圆面、法兰圆环面和颈部外圆柱面合称主旋转面D；

（3）转动机床回转工作台（14）使叉头的X1方向与机床的轴Y方向一致并锁定，机床的主轴（16）沿刀具轴B转动至水平方向，刀具绕X1轴做旋转主运动，机床工作台（14）沿轴Y做进给运动，从而实现对轴承孔的加工；选用T形铣刀使之绕轴X1做旋转主运动，机床工作台（14）沿Y轴、Z轴联动进给，从而实现对挡圈槽的加工；左右两个轴承孔的同轴度及挡圈槽的对称度是通过机床的回转工作台180°的间歇分度运动实现；轴承孔和挡圈槽合称为横旋转面E。

2.根据权利要求1所述的加工方法，其特征是：加工方法的步骤（2）中倒角和圆角由成形刀具完成。

3.根据权利要求1所述的加工方法，其特征是：加工方法还包括步骤（4），步骤（4）为：机床的主轴（16）沿刀具轴B转动至竖直方向，刀具绕平行于轴Z的动轴Z1做旋转主运动，同时沿轴Z方向进给，用钻头和丝攻实现对法兰孔及螺孔的螺旋面的加工。

4.根据权利要求3所述的加工方法，其特征是：加工方法还包括步骤（5），步骤（5）为：机床的主轴（16）沿刀具轴B转动到竖直方向，成形指状铣刀绕平行于轴Z的动轴Z1做旋转主运动，机床回转工作台（14）沿轴Y和主轴（16）沿轴Z方向进行联动，使刀具沿轴向f1及径向f2合成运动f做进给运动，完成对端面齿槽的加工，机床回转工作台（14）绕轴Z作间歇分度运动。

5.根据权利要求4所述的加工方法，其特征是：主旋转面D与横旋转面E要在一次装夹中加工完成，即通过步骤（1）中的一次装夹中能够完成所有待加工面的全部机加工，但是不一定是在一次装夹中完成所有待加工面的全部机加工，根据机床负荷、生产节拍等具体情况，决定一部分待加工面不在一道工序中进行加工。

6.根据权利要求1所述的加工方法，其特征是：在步骤（1）中，夹具的定位原理为：通过叉头上的4个叉部侧弧面点a点、2个叉部内档点b点、4个叉部侧平面点c点对叉头进行定位，其中4个a点限制四个自由度，2个b点对称夹紧限制1个自由度；4个c点对称定位夹紧限制1个自由度。

7.根据权利要求6所述的加工方法，其特征是：按照步骤（1）中所述的定位原理，一次装夹中能够完成所有待加工面的全部机加工内容，夹具中的定位装置和压紧装置交错布局，关联而不干涉，不影响加工各功能面的切削刀具，从而实现各待加工面加工的主运动、进给和联动复合进给运动、工件的旋转主运动及分度运动。

8.根据权利要求4所述的加工方法，其特征是：步骤（5）中X、Z两轴联动或Y、Z两轴联动，全部齿槽是通过回转工作台作360°/z间歇的分度运动实现的；z为齿数。

9.根据权利要求4所述的加工方法，其特征是：步骤（5）中回转工作台不作分度运动，X、Y、Z三轴联动加工。

10.根据权利要求1-9任一权利要求中的十字万向节叉头的夹具，其特征是：它包括卡盘（6）、固定在卡盘（6）上的Z向定位装置、X向和Y向的定位和夹紧装置、压紧装置；Z向定位装置包括两块V形块（3），两块V形块（3）对称地固定在卡盘（6）上；X向定位和夹紧装置包括X向对称联动两爪（9）、X向联动两爪锁（8），X向对称联动两爪（9）设置在两块V形块（3）之间，并与卡盘（6）中心对称，X向联动两爪锁（8）从一个V形块的外侧穿入，穿过X向联动两爪（9）后从另一V形块的外侧穿出；Y向定位和夹紧装置包括Y向对称联动两爪（4）、Y向联动两爪锁（7）、两个心轴（1）、两个自位压板（2），Y向对称联动两爪（4）对称地固定在卡盘滑座（5）上，每个联动爪（4）均通过其上的心轴（1）连接自位压板（2），两个自位压板（2）的相对面上设置有小支撑（12），Y向联动两爪锁（7）设置在卡盘（6）上；压紧装置包括盖板（10）、压紧紧固件（13）；盖板（10）连接在V形块（3）上，压紧紧固件（13）连在盖板（10）上；盖板（10）上开有测量孔（11）。

11.根据权利要求10所述的夹具，其特征是：夹具通过叉头上的4个叉部侧弧面点a点、2个叉部内档点b点、4个叉部侧平面点c点对叉头进行定位，其中4个a点限制4个自由度，2个b点对称夹紧限制1个自由度；4个c点对称定位夹紧限制1个自由度，使一次装夹中完成叉头所有功能面的全部机加工内容；本夹具采用机械、机械与液压或机械与气动压紧相结合的结构。