CN104209784A - 在工件圆锥面上加工均布螺纹孔的方法及夹具 - Google Patents

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Abstract

一种在工件圆锥面上加工均布螺纹孔的方法及夹具。本发明通过采用支撑架将工件圆锥面上均布的螺纹孔中心线转换为与机床主轴平行的状态，利用机床分度盘实现圆周上均布螺纹孔一次装夹，依次加工的目的。通过三角函数计算，计算出芯棒顶端圆球的中心距所述底板上表面的距离，同时计算出芯棒顶端圆球的中心距螺纹孔中心线距离。同时，在底盘上有与芯棒同轴的定位止口，实现了工件的快速定位、找正。最后采用压板压紧方式装夹工件，工件不受径向装夹外力，能有效减小薄壁件由于装夹引起的变形，提高了产品合格率，并提高了加工效率，降低了加工成本。

Description

在工件圆锥面上加工均布螺纹孔的方法及夹具
技术领域
本发明涉及机械加工行业，具体是一种在简易数控铣床上装夹、找正，实现在工件圆锥面上加工均布螺纹孔尺寸、形位公差的装夹夹具及其加工方法。
背景技术
工件圆锥面上的均布螺纹孔所在表面为圆弧面，螺纹孔中心线与圆锥面中心线成一定夹角。加工该类结构，一般采用五轴数控铣床，例如五轴车铣加工中心，但是这类机床一般价格都比较昂贵。我国机加的现状是，有一些高精尖的数控铣床，但是简易的数控铣床在国内企业仍占有相对大的比例，例如三轴数控铣床就是最常用的数控铣床。因此利用简易数控铣床加工均布于工件圆锥面上的螺纹孔，主要存在①三轴铣床如何拓宽为多轴铣床；②设计合理的专用夹具；③加工时，如何装夹、找正等问题。
对于在简易数控数控铣床加工均布于工件圆锥面上的螺纹孔，选择合理的装夹、找正方式并设计合理的夹具是首先要解决的问题。因为设计合理的夹具，可以将三轴拓宽为五轴；而设计合理的装夹、找正方式可以实现快速定位，减少找正次数，充分挖掘简易数控铣床的加工能力，拓宽该类机床的加工范围，特别是对于大批量生产的零件，优势更加明显。
现有的加工技术中，对于加工均布于工件圆锥面上的螺纹孔一般采用五轴数控加工中心，而在简易数控数控铣床上加工也可采用翻转夹具，通过翻转夹具将螺纹孔端面调整到与主轴垂直的方向进行铣加工。这种翻转夹具存在加工周期长、夹具设计复杂、经费高、使用范围小等不足；同时对于在圆周上均布的螺孔，必须每加工一个螺纹孔都找正、装夹一次，对于大批量生产的零件来说，效率低、加工难度大、人为出错率高。
发明内容
为克服现有技术中存在的效率低、加工难度大、加工质量差的不足，本发明提出了一种在工件圆锥面上加工均布螺纹孔的方法及夹具。
本发明的具体过程是：
步骤1：装夹工件。
装夹工件时，将夹具中的支撑架固定在铣床工作台上。将机床分度盘固定在所述支撑架的工作面板上。将夹具中的底盘放置在机床分度盘的上表面，并使该底盘上的芯棒的中心线垂直于支撑架的工作面板，使芯棒中心线的下端与与分度盘上表面的中心点重合；将底盘紧固在机床分度盘上表面。
将支撑螺栓装在装夹压板的下表面。将连接螺栓从装夹压板的上表面装入该装夹压板上的条形安装孔中。将工件下表面的凹槽的与所述底盘定位止口中定位台嵌合，实现对工件的定位。将装夹压板安放在工件下端的装夹面上，旋紧装夹压板条形安装孔中的连接螺栓，即将工件紧固于底盘上；至此完成工件的装夹和定位。
步骤2：工件找正
工件找正时，包括以下过程：
Ⅰ作工件圆锥面上的螺纹孔靠近工件外侧的孔口处的延长线，并且该延长线平行于支撑架工作面板；在工件下表面凹槽槽底宽度方向中心处作垂直于该槽底的直线，并使所述直线与所述延长线垂直相交于b点处，所述b点至该工件下表面凹槽槽底宽度方向中心处的直线距离为h。
Ⅱ平行移动芯棒1的中心线，使该中心线的下端与所述工件下表面凹槽外侧壁槽口d点处重合。取所述芯棒1中心线上端圆球的圆心0点处至该工件下表面凹槽外侧壁槽口d点处的直线距离为H。为防止找正芯棒上端圆球时，杠杆指示表与工件发生干涉，H应大于h。
Ⅲ作芯棒中心线的延长线，并且该延长线平行于支撑架工作面板；作垂直于工件圆锥面上的螺纹孔孔口中心O1点处的直线，并使所述直线与所述延长线垂直相交于a点处，所述芯棒中心线的延长线上自芯棒中心线至所述a点处的直线距离为r。
Ⅳ确定加工工件表面与水平面之间的夹角为α1。所述α1与工件圆锥面的角度α相同。
V作工件圆锥面上的螺纹孔孔口中心01点处的延长线，并且该延长线垂直于该螺纹孔所处的工件圆锥面。所述延长线的顶端与芯棒上端圆球的圆心0点处于同一水平面时，该延长线顶端距芯棒上端圆球的圆心0点处的直线距离为X1。
通过杠杆指示表，采用常规方法找正芯棒1上端圆球的圆心0，即确定了芯棒上端圆球的圆心0点为铣床坐标系中X轴、Y轴的坐标原点。
利用三角函数公式(1)
X1＝[(H-h)tgα1+r]COSα1  (1)
即可得到工件圆锥面上的螺纹孔孔口中心01点距芯棒上端圆球的圆心0点的直线距离X1。
以工件圆锥面的最高点为所加工螺纹孔中心O1点在铣床坐标系中Z轴的坐标原点。
至此工件圆锥面上螺纹孔的坐标原点找正完成。
步骤3：加工
当工件找正后，通过常规的机械加工方法在工件圆锥面上加工第一个螺纹孔。顺时针转动机床分度盘45°，依次完成其余各处螺纹孔。至此该工件圆锥面上均匀分布的螺纹孔加工完成。
本发明提出的用于在工件圆锥面上加工均布螺纹孔的夹具，包括支撑架、底盘和装夹压板，其中：支撑架的安装板固定在铣床的工作台上。机床分度盘安装在支撑架的工作面板的上表面。底盘固定安装在所述机床分度盘的上表面。在该底盘上表面的中心有轴向凸出的芯棒，该芯棒的顶端为圆球，并且该圆球须满足以下条件：圆球的圆心与芯棒的中心线重合、圆球的圆心位于三轴数控铣床主轴中心线上。该芯棒顶端圆球的圆心至该工件下表面凹槽外侧壁槽口处的直线距离为H，工件圆锥面上的螺纹孔靠近工件外侧的孔口处的延长线与工件下表面凹槽槽底宽度方向中心处的垂直线交点之间的距离为h。H应大于h。
所述支撑架由安装板和工作面板焊接而成，并且所述安装板的上表面为水平面，工作面板与安装板的上表面之间有夹角α，所述夹角α的角度与所加工工件表面的角度一致。
所述工作面板上表面中部，沿该工作面板的长度方向加工有通槽，通过该通槽减小安装在工作面板上的机床分度盘与该工作面板的接触面；在所述通槽两侧一端的工作面板的上表面有凸出的限位台。所述通槽两侧的工作面板的上表面分别加工有一对用于固定该机床分度盘“U”形槽。
在所述底盘上表面有安装工件的环形凹槽状定位止口，该定位止口的外侧壁上端面凸出底盘的上表面，形成了工件的定位台，并且该定位台的上表面与两侧表面均为工件的定位面，通过该定位台与工件下表面凹槽之间的配合实现对工件的定位。
在底盘上表面分布有安装装夹压板的固定螺栓孔。在底盘上表面外缘处均布有与机床分度盘上的T形槽配合的通孔。
本发明的目的是通过专用夹具利用机床分度盘，在简易数控数控铣床上一次装夹产品，精加工在工件圆锥面上均布的螺纹孔。避免多次找正，控制装夹变形，以拓宽简易数控铣床的加工范围。
本发明通过采用支撑架将工件圆锥面上均布的螺纹孔中心线转换为与机床主轴平行的状态，利用机床分度盘实现圆周上均布螺纹孔一次装夹，依次加工的目的。通过三角函数计算，计算出芯棒顶端圆球的中心距所述底板上表面的距离，同时计算出芯棒顶端圆球的中心距螺纹孔中心线距离。同时，在底盘上有与芯棒同轴的定位止口，实现了工件的快速定位、找正。最后采用压板压紧方式装夹工件，工件不受径向装夹外力，能有效减小薄壁件由于装夹引起的变形。
在使用本夹具前我厂某型号产品上均布在圆锥面上的螺纹孔一直是在普通车床上利用专用夹具车削加工的。该夹具为偏心夹具，车削时经常出现不平衡震颤的现象，造成加工螺纹孔表面粗糙度不合格；同时在加工螺纹孔前必须安排划线工序，夹具画出找正中心线，工件画出每一处螺纹孔的中心线，每加工一处螺纹孔，都要将螺纹孔的中心线与夹具中心线对齐，装夹、找正一次，螺纹孔的分度完全依靠人工对线，加工效率低下，分度精度误差大，产品合格率一般在80％左右，严重影响我厂效益。通过本发明的使用，可以将螺纹孔中心线转换成与机床主轴重合，同时利用机床分度盘分度，实现在普通三轴数控铣床上一次装夹找正，依次加工工件圆锥面上的均布螺纹孔的目的。在首批试件的加工中，优质品率一举达到100％，实现了产品“零缺陷”交付；同时，将单件的加工时间效率由原来的100h/件提高到了50h/件。本发明中夹具的使用拓宽了简易数控铣床的加工范围，为工厂节约了购买机床的成本。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是图1的P向示意图；
图3是支撑架的结构示意图；
图4是图3的A-A剖视示意图；
图5是图3的B向示意图；
图6是图5的C-C剖视示意图；
图7是底盘的结构示意图；
图8是图7的俯视图；
图9是装夹压板的结构示意图，其中，9a是俯视图，9b是主视图；
图10是工件与本发明的配合示意图；
图11是工件找正的示意图。
其中：
1.芯棒；2.通槽；3.限位台；4.支撑架；5.机床分度盘；6.底盘；7.工件；8.装夹压板；9.支撑螺栓；10.机床工作台；11.定位台。
具体实施方式
实施例一
本实施例是一种利用三轴数控铣床加工多个均布于工件圆锥面上的螺纹孔的方法，所加工的工件圆锥面的角度α为0～90°。本实施例中，加工工件表面的角度α为12°，在该圆锥面上均布有8个螺纹孔，并且各螺纹孔的中心与工件的中心等距。
本实施例的具体过程是：
步骤1：装夹工件。
装夹工件时，先将夹具中的支撑架4平放在铣床工作台上，使该支撑架的长边与铣床工作台的长边平行，并通过T型螺栓将支撑架4固定在铣床工作台面上。将机床分度盘5放置在所述支撑架4的工作面板上，用连接螺栓将机床分度盘5紧固于支撑架4上。将夹具中的底盘6放置在机床分度盘5的上表面，并使该底盘6上的芯棒1的中心线垂直于支撑架的工作面板，使芯棒1中心线的下端与与分度盘5上表面的中心点重合；用T型螺栓将底盘6紧固在机床分度盘5上表面。此时夹具装夹完毕。
将支撑螺栓9从装夹压板8的下表面装入该装夹压板上的安装螺纹孔中。将连接螺栓从装夹压板8的上表面装入该装夹压板8上的条形安装孔中。将工件下表面的凹槽的与所述底盘6定位止口中定位台11嵌合，实现对工件的定位。将装夹压板8安放在工件下端的装夹面上，旋紧装夹压板8条形安装孔中的连接螺栓，即将工件紧固于底盘6上，工件装夹、定位完毕。
步骤2：工件找正
工件找正时，包括以下过程：
Ⅰ作工件圆锥面上的螺纹孔靠近工件外侧的孔口处的延长线，并且该延长线平行于支撑架工作面板；在工件下表面凹槽槽底宽度方向中心处作垂直于该槽底的直线，并使所述直线与所述延长线垂直相交于b点处，所述b点至该工件下表面凹槽槽底宽度方向中心处的直线距离为h。
Ⅱ平行移动芯棒1的中心线，使该中心线的下端与所述工件下表面凹槽外侧壁槽口d点处重合。取所述芯棒1中心线上端圆球的圆心0点处至该工件下表面凹槽外侧壁槽口d点处的直线距离为H。为防止找正芯棒1上端圆球时，杠杆指示表与工件发生干涉，H应大于h。
Ⅲ作芯棒1中心线的延长线，并且该延长线平行于支撑架工作面板；作垂直于工件圆锥面上的螺纹孔孔口中心O1点处的直线，并使所述直线与所述延长线垂直相交于a点处，所述芯棒1中心线的延长线上自芯棒1中心线至所述a点处的直线距离为r。
Ⅳ确定加工工件表面与水平面之间的夹角为α1。所述α1与工件圆锥面的角度α相同，本实施例中均为12°。
V作工件圆锥面上的螺纹孔孔口中心01点处的延长线，并且该延长线垂直于该螺纹孔所处的工件圆锥面。所述延长线的顶端与芯棒1上端圆球的圆心0点处于同一水平面时，该延长线顶端距芯棒1上端圆球的圆心0点处的直线距离为X1。
根据设计要求，本实施例中，工件圆锥面上的螺纹孔靠近工件外侧的孔口处至该工件下表面凹槽槽底处的距离h＝54.7mm，所述芯棒1中心线的延长线上自芯棒1中心线至所述a点处的直线距离r＝85,所述芯棒1中心线上端圆球的圆心0点处至该工件下表面凹槽外侧壁槽口d点处的直线距离为H＝100mm。
将杠杆指示表装在铣床主轴上，旋转铣床主轴通过杠杆指示表找正芯棒1上端圆球的圆心0，即确定了芯棒1上端圆球的圆心0点为铣床坐标系中X轴、Y轴的坐标原点。
利用三角函数公式(1)
X1＝[(H-h)tgα1+r]COSα1  (1)
即可得到工件圆锥面上的螺纹孔孔口中心01点距芯棒1上端圆球的圆心0点的直线距离X1，本实施例中，X1＝[(100-54.7)tg12°+85]COS12°＝91.94mm。
以工件圆锥面的最高点为所加工螺纹孔中心O1点在铣床坐标系中Z轴的坐标原点。
至此工件圆锥面上螺纹孔的坐标原点找正完成。
步骤3：加工
当工件找正后，通过常规的机械加工方法在工件圆锥面上加工螺纹孔。所述螺纹孔为8×M18×1.5-6H，螺孔深L＝14±0.2，螺纹退刀槽尺寸为3×Φ18.5mm。该螺纹底孔尺寸为Φ16.376+0.30mm。加工完螺纹孔，塞规检测合格。
顺时针转动机床分度盘45°，依次按上述方法完成其余各处螺纹孔。至此该工件圆锥面上均匀分布的螺纹孔加工完成。
本实施例提出的夹具包括支撑架4、底盘6和装夹压板8，其中：
支撑架4的安装板通过螺栓固定在铣床的工作台上。机床分度盘5安装在支撑架4的工作面板的上表面。底盘6固定安装在所述机床分度盘5的上表面。使用时，将工件安装在所述底盘6的上表面，并通过装夹压板8固紧。
所述支撑架4由安装板和工作面板焊接而成，并且所述安装板的上表面为水平面，工作面板与安装板的上表面之间有夹角α，所述夹角α的角度与所加工工件表面的角度一致。本实施例中，所加工工件表面的角度为12°，故工作面板与安装板上表面之间的夹角α为12°。所述工作面板上表面为阶梯状，其中：在所述工作面板上表面中部，沿该工作面板的长度方向加工有通槽2，通过该通槽2减小安装在工作面板上的机床分度盘5与该工作面板的接触面；在所述通槽2两侧一端的工作面板的上表面有凸出的限位台3，当机床分度盘5安放在所述工作面板上表面后，通过该限位台3防止该机床分度盘的滑移。所述通槽2两侧的工作面板的上表面分别加工有一对“U”形槽，该“U”形槽与机床分度盘5上的“U”形槽相配合，用于固定该机床分度盘。
所述机床分度盘5为三轴数控铣床的机床分度盘。
所述底盘6为用45钢制成的圆盘，在该底盘6上表面有安装工件的环形凹槽状定位止口，该定位止口的外侧壁上端面凸出底盘6的上表面，形成了工件的定位台11，并且该定位台的上表面与两侧表面均为工件的定位面，通过该定位台与工件下表面凹槽之间的配合实现对工件的定位。
在该底盘6上表面的中心有轴向凸出的芯棒1。该芯棒的顶端为圆球，并且该圆球须满足以下条件：圆球的圆心与芯棒1的中心线重合、圆球的圆心位于三轴数控铣床主轴中心线上。该芯棒1顶端圆球的圆心至该工件下表面凹槽外侧壁槽口处的直线距离为H，工件圆锥面上的螺纹孔靠近工件外侧的孔口处的延长线与工件下表面凹槽槽底宽度方向中心处的垂直线交点之间的距离为h。H应大于h。
在底盘6上表面分布有安装装夹压板的固定螺栓孔。在底盘6上表面外缘处均布有与机床分度盘上的T形槽配合的通孔，用于将该底盘6与所述机床分度盘固定连接。
所述装夹压板8为矩形板，在该装夹压板的一端有支撑螺杆的安装孔，在该装夹压板的中部有固定螺栓的条形安装孔。使用时，将所述装夹压板8安放在工件下端的装夹面上，通过支撑螺栓将所述装夹压板的一端支撑在底盘6的上表面，将固定螺栓装入所述条形安装孔内并调整位置旋入位于底盘6上表面的固定螺栓孔内，实现对工件的固紧。
本实施例中，支撑架4采用Q235A钢平板根据所加工圆锥面的螺纹孔中心线与工件轴线夹角，由安装板和工作面板及支撑筋板焊接而成。工作面板的厚度35㎜，长度为500㎜，宽度为480㎜。工作面板上表面的一侧限位台的宽度为15㎜、高度为5㎜。工作面板中部的通槽宽280㎜，深2mm。工作面板上表面的U型槽长45㎜，宽14㎜。
底盘6的厚度为31㎜，直径为Φ380㎜。中心焊有45#钢制成的Φ20㎜的芯棒，该芯棒顶端的圆球直径为Φ30㎜。底盘6上表面的定位止口的槽宽11㎜，深7㎜，该定位止口外侧的凸台的宽度为13㎜，高度为5㎜。

Claims (5)

1.一种在工件圆锥面上加工均布螺纹孔的方法，其特征在于，具体过程是：
步骤1：装夹工件：
装夹工件时，将夹具中的支撑架固定在铣床工作台上；将机床分度盘固定在所述支撑架的工作面板上；将夹具中的底盘放置在机床分度盘的上表面，并使该底盘上的芯棒的中心线垂直于支撑架的工作面板，使芯棒中心线的下端与与分度盘上表面的中心点重合；将底盘紧固在机床分度盘上表面；
将支撑螺栓装在装夹压板的下表面；将连接螺栓从装夹压板的上表面装入该装夹压板上的条形安装孔中；将工件下表面的凹槽的与所述底盘定位止口中定位台嵌合，实现对工件的定位；将装夹压板安放在工件下端的装夹面上，旋紧装夹压板条形安装孔中的连接螺栓，即将工件紧固于底盘上；至此完成工件的装夹和定位；
步骤2：工件找正：
工件找正时，包括以下过程：
Ⅰ作工件圆锥面上的螺纹孔靠近工件外侧的孔口处的延长线，并且该延长线平行于支撑架工作面板；在工件下表面凹槽槽底宽度方向中心处作垂直于该槽底的直线，并使所述直线与所述延长线垂直相交于b点处，所述b点至该工件下表面凹槽槽底宽度方向中心处的直线距离为h；
Ⅱ平行移动芯棒1的中心线，使该中心线的下端与所述工件下表面凹槽外侧壁槽口d点处重合；取所述芯棒1中心线上端圆球的圆心0点处至该工件下表面凹槽外侧壁槽口d点处的直线距离为H；为防止找正芯棒上端圆球时，杠杆指示表与工件发生干涉，H应大于h；
Ⅲ作芯棒中心线的延长线，并且该延长线平行于支撑架工作面板；作垂直于工件圆锥面上的螺纹孔孔口中心O1点处的直线，并使所述直线与所述延长线垂直相交于a点处，所述芯棒中心线的延长线上自芯棒中心线至所述a点处的直线距离为r；Ⅳ确定加工工件表面与水平面之间的夹角为α1；所述α1与工件圆锥面的角度α相同；
V作工件圆锥面上的螺纹孔孔口中心01点处的延长线，并且该延长线垂直于该螺纹孔所处的工件圆锥面；所述延长线的顶端与芯棒上端圆球的圆心0点处于同一水平面时，该延长线顶端距芯棒上端圆球的圆心0点处的直线距离为X1；
通过杠杆指示表，采用常规方法找正芯棒1上端圆球的圆心0，即确定了芯棒上端圆球的圆心0点为铣床坐标系中X轴、Y轴的坐标原点；
利用三角函数公式(1)
X1＝[(H-h)tgα1+r]COSα1  (1)
即可得到工件圆锥面上的螺纹孔孔口中心01点距芯棒上端圆球的圆心0点的直线距离X1；
以工件圆锥面的最高点为所加工螺纹孔中心O1点在铣床坐标系中Z轴的坐标原点；
至此工件圆锥面上螺纹孔的坐标原点找正完成；
步骤3：加工：
当工件找正后，通过常规的机械加工方法在工件圆锥面上加工第一个螺纹孔；顺时针转动机床分度盘45°，依次完成其余各处螺纹孔；至此该工件圆锥面上均匀分布的螺纹孔加工完成。
2.如权利要求1所述在工件圆锥面上加工均布螺纹孔的方法，其特征在于，包括支撑架、底盘和装夹压板，其中：支撑架的安装板固定在铣床的工作台上；机床分度盘安装在支撑架的工作面板的上表面；底盘固定安装在所述机床分度盘的上表面；在该底盘上表面的中心有轴向凸出的芯棒，该芯棒的顶端为圆球，并且该圆球须满足以下条件：圆球的圆心与芯棒的中心线重合、圆球的圆心位于三轴数控铣床主轴中心线上；该芯棒顶端圆球的圆心至该工件下表面凹槽外侧壁槽口处的直线距离为H，工件圆锥面上的螺纹孔靠近工件外侧的孔口处的延长线与工件下表面凹槽槽底宽度方向中心处的垂直线交点之间的距离为h；H应大于h；
所述支撑架由安装板和工作面板焊接而成，并且所述安装板的上表面为水平面，工作面板与安装板的上表面之间有夹角α，所述夹角α的角度与所加工工件表面的角度一致。
3.如权利要求1所述在工件圆锥面上加工均布螺纹孔的方法，其特征在于，所述工作面板上表面中部，沿该工作面板的长度方向加工有通槽，通过该通槽减小安装在工作面板上的机床分度盘与该工作面板的接触面；在所述通槽两侧一端的工作面板的上表面有凸出的限位台；所述通槽两侧的工作面板的上表面分别加工有一对用于固定该机床分度盘“U”形槽。
4.如权利要求1所述在工件圆锥面上加工均布螺纹孔的方法，其特征在于，在所述底盘上表面有安装工件的环形凹槽状定位止口，该定位止口的外侧壁上端面凸出底盘的上表面，形成了工件的定位台，并且该定位台的上表面与两侧表面均为工件的定位面，通过该定位台与工件下表面凹槽之间的配合实现对工件的定位。
5.如权利要求4所述在工件圆锥面上加工均布螺纹孔的方法，其特征在于，在底盘上表面分布有安装装夹压板的固定螺栓孔；在底盘上表面外缘处均布有与机床分度盘上的T形槽配合的通孔。
CN201410319886.6A 2014-07-07 2014-07-07 在工件圆锥面上加工均布螺纹孔的方法及夹具 Active CN104209784B (zh)

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