CN104416180A - 夹具 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于夹持构件、特别是工件或工具的夹具，所述夹具具有多个沿周边分布的夹爪，所述夹爪通过适当的弹性的挠曲连接部(5)连接到主体，其中，所述夹爪(4)能够通过可轴向移动的致动装置(8,12)沿基本径向方向从释放位置调节到保持位置，其特征在于：所述挠曲连接部(5)在它们的释放位置处相对于平行于轴向的方向在它们各自的保持位置的方向上径向倾斜。

Description

夹具

技术领域

本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分的用于夹持和定心构件——特别是工具或待机加工的工件——的夹具。

背景技术

上述类型的夹具可为例如芯轴或卡盘。芯轴用于毂状构件的内部夹持，这是因为沿周边设置的夹爪在所述构件的内孔中展开。相反地，卡盘用于构件的外部夹持，这种因为夹爪围绕构件的外周夹持。在这两种情形下，构件的夹持都通过径向作用的闭合力实现。

膨胀芯轴在市场上是已知的，例如，膨胀芯轴的管状的、带有多个纵向狭槽的膨胀套筒通过内部的、可纵向移动的锥体膨胀以便在构件的孔中对中地夹持所述构件。这种膨胀芯轴的缺点在于芯轴的刚度相对于横向作用的机加工力而言较低。这不能确保构件以限定的方式抵靠在夹具的接触表面上。这些均会导致机加工中的不精确性。

发明内容

因此，本发明的目的是，提出一种在前言中所述类型的夹具，该夹具使得能够实现更高的机加工精确度。

此目的通过权利要求1的技术特征来实现。可于从属权利要求获得有利的改进方案。

根据本发明的夹具具有多个沿周边分布的夹爪，所述夹爪通过适当的弹性的挠曲连接部(flexural web)连接到主体且可通过优选的可移动的致动装置沿基本径向方向从释放位置调节到保持位置，这是由于以下事实实现的：挠曲连接部在它们的释放位置处相对于平行于轴向的方向在它们各自的保持位置的方向上倾斜。

为了帮助待夹持的构件压靠在轴向接触表面上，在夹持操作期间产生了所谓的轴向后退。挠曲连接部在释放位置处的预先存在的倾斜意味着夹爪在膨胀期间不是执行纯径向运动，而是会同步地轴向移动到主体上，在所述主体上存在轴向接触表面。这是由于夹爪在膨胀过程中绕它们在主体上结束的区域进行近似圆形运动。由于在芯轴中该圆弧的中心位于比夹爪的直径小的直径上，因此夹爪在径向膨胀运动期间同时沿主体的方向轴向移动且因而将待夹持的构件压靠在所述轴向接触表面上。因此，可清楚地限定所述构件的位置，并且以较高的精确度实现夹持。

挠曲连接部在释放位置处相对于平行于轴向的方向倾斜的角度为3°到12°，更优选为5°到10°，最优选为6°。

在本发明的一个改进实施方案中，可不考虑挠曲连接部的倾斜度，在将夹爪连接到夹具主体的挠曲连接部的延伸部上设置有延伸连接部，所述延伸连接部从夹爪突出出来且在其端部通过环形端部部分刚性地彼此连接。由于这些措施，提高了所述夹具的横向刚度。在包括有在其两端处均连接的挠曲连接部的结构中，对夹具的横向刚度来说至关重要的面积惯性矩(areal moment of inertia)比未在前端连接的各挠曲连接部的面积惯性矩的总和高好几倍。

在完成夹持操作之后，在夹爪和被夹持的构件之间存在摩擦接合。夹爪因而以轴向不移动的方式保持，这将产生与由环形端部部分所实现的加强效果相同的效果。然而，令人惊讶的是，申请人所做的试验揭示了：借助于通过环形端部部分而刚性地彼此连接的延伸连接部，可得到比已知的膨胀芯轴更高的夹持精确度。特别是，在申请人所做的试验中，可获得仅为几微米的同心度误差，这对于先前采用的膨胀芯轴而言是不可能做到的。为了解释这一结果，申请人最终发现其原因可能仅仅在于夹具的横向刚度，夹具在夹持操作过程中——即夹持操作期间——迫使夹爪执行在周边上均匀的且各夹持操作之间完全相等的径向膨胀。

在一个优选实施例中，延伸连接部在释放位置处相对于挠曲连接部相反地倾斜。特别是，挠曲连接部和延伸连接部可设置成关于沿径向穿过夹爪的镜像平面大致镜像对称。由此可防止夹爪的夹持表面在膨胀状态下具有锥度。

挠曲连接部可由例如从紧固端开始开槽的膨胀套筒或夹持套筒的分段式条形件(segmented strip)形成。由此可获得从生产工程学的角度来说容易实现且达到高抗弯刚度的结构。

夹爪可借助于致动装置移动至保持位置，该致动装置优选包括致动元件，所述致动元件在力的作用下沿轴向致动方向移动时向夹爪施加夹持力。可通过弹性元件来施加这种径向夹持力，所述弹性元件在受到所述致动元件的轴向压缩时发生尺寸的径向改变。优选地，这种弹性元件由多个由弹簧钢制成的且具有由在环形件的外径和内径上交替分布的狭槽形成的特有开槽的扁平的锥形弹簧(flatly conical ring)构成，特别是由多个盘构成。

或者，所述致动元件还可具有锥形滑动表面，所述锥形滑动表面与夹爪的具有相应形状的接触表面协作，以便向夹爪施加径向夹持力。

事实表明，如果环形端部部分相对于致动元件滑动地安装，则是特别有利的。在存在横向作用的负载的情形下，由于环形端部部分以及通过延伸连接部与该环形端部部分连接的夹爪通过所述安装而支承在所述致动元件上，因此可进一步提高抵抗横向作用的机加工力的刚度。

所述夹具可构造为用于在构件的适当孔中的内部夹持的芯轴或者构造为用于在构件的适当的外周上外部夹持的卡盘。

根据本发明的夹具特别是具有轴向接触表面，该轴向接触表面相对于主体固定且构件在被夹持时被轴向压靠在所述轴向接触表面。被夹持的构件通过摩擦接合承靠在其上的所述接触表面限定精确的夹持位置。

此外，本发明涉及具有根据本发明的夹具的机床。根据本发明的高精确度夹具优选应用于工件的磨削期间。

附图说明

可从下面对示例性实施例的描述以及附图中发现本发明的其它特征和优点，其中：

图1示出根据本发明的芯轴的第一示例性实施例沿纵轴线的轴向截面；

图2示出图1中的芯轴的等轴测图；

图3示出根据本发明的芯轴的第二示例性实施例的轴向截面；

图4示出根据本发明的芯轴的第三示例性实施例的轴向截面；

图5示出本发明的卡盘的轴向截面；

图6示出图5中的卡盘(沿垂直于图5中轴线的纵轴线截取)的等轴测图。

具体实施方式

在图1中示出了根据本发明的芯轴1的第一示例性实施例，所述芯轴1可用于例如将工件14(以虚线示出)夹持和定心(center)在机床的工作主轴上。所述芯轴1具有主体2，所述芯轴1可通过主体2由紧固螺纹件旋拧到机床的工作主轴上。带纵向狭槽的膨胀套筒3一体地连接到主体2。膨胀套筒3具有位于中间区域的环形突起，该环形突起用作夹持表面。膨胀套筒3通过纵向狭槽划分成多个分段式条形件；在该示例性实施例中，存在十个分段式条形件。

用作夹持表面的环形突起的那个分段部分形成各夹爪4。在夹爪4和主体2之间的分段区域构成弹性的挠曲连接部5，该挠曲连接部5将夹爪4弹性地连接到主体2。在该区域中，膨胀套筒3从夹爪4向主体2呈锥形地逐渐变细，使得在松弛位置(释放位置)挠曲连接部从主体2开始径向向外倾斜，准确地说，在所述示例性实施例中，挠曲连接部相对于芯轴的轴线以大约6°的角度径向向外倾斜。

在膨胀套筒3的远离主体2的另一侧上，挠曲连接部5继续向前形成分段划分的延伸连接部6，该延伸连接部6同样地可挠曲变形。延伸连接部6在环形端部部分7处结束，在环形端部部分7的区域中，膨胀套筒3上未开槽。因此，膨胀套筒3的分段式条形件在环形端部部分7处彼此刚性连接。由于分段式条形件在两端处的刚性连接，带狭槽的膨胀套筒3获得了近似于未开槽的管的横向刚度。

膨胀套筒3为中空的。在膨胀套筒3内安装有致动元件8，所述致动元件8还继续通过主体2的轴向孔。致动元件8构造为带内钻孔的夹持螺栓，该夹持螺栓可通过张紧螺纹件9夹靠在位于主体2的后侧的反支承座(counter bearing)10上。夹持螺栓8在膨胀套筒3的内部承载套管11，该套管11承靠在主体2上且用作一个或多个盘12的间隔元件，盘12在夹持螺栓8上与夹爪4位于同一基准面上。在盘12的另一侧，夹持螺栓8承载同样用作间隔元件的环13。在背对盘的那端处，环13沿轴向承靠在夹持螺栓8的肩部8a上。

如果现在将张紧螺纹件9旋拧入反支承座10中，那么夹持螺栓8的肩部8a将轴向压缩位于间隔元件11和13之间的盘12。这一轴向致动力产生盘的锥体角度以及因此直径的弹性改变。由于盘12的内径承靠在夹持螺栓8的栓杆上，因此其外径使得夹爪4抵抗挠曲连接部5和延伸连接部6的弹力向外扩张和伸展。工件14由此通过它的内径而被夹持并定心到芯轴1的轴线上。

由于挠曲连接部5的长度保持恒定，因此夹爪4到主体2的轴向距离由于挠曲连接部5相对于纵轴线的倾斜角度而变短。由于这一距离的缩短，被夹持的工件14轴向后退或受到抵靠在主体2的轴向接触表面2’上的按压力。此处的轴向后退量大致(不考虑挠曲连接部的下垂)对应于处于释放位置和保持位置的挠曲连接部5的(倾斜)角度的余弦函数之间的差乘以挠曲连接部的长度。因此，挠曲连接部在释放位置处的倾斜角度越大，夹爪在膨胀过程中所经历的或施加到工件上的轴向后退量越大。在释放位置处3°到12°的角度范围已被证实是有利的。

由于夹持螺栓8在夹持操作期间轴向移动，因此环形端部部分7滑动地安装到夹持螺栓8上。该滑动安装通过环形端部部分7的孔和夹持螺栓8的外径的精确尺寸机加工得以实现。此外，在环形端部部分7的内周上的凹槽中插有密封圈7a，该密封圈7a密封夹持螺栓8的外径和环形端部部分7。该密封圈7a可为例如织物圈或由PTFE、橡胶制成的O形圈。

在图2中，示出芯轴1的等轴测图。从图2中可清楚地看到带狭槽的膨胀套筒3，它的环形夹持表面由呈圆形分段设置的夹爪4形成。通过位于膨胀套筒3的内部的夹持螺栓8(通过张紧螺纹件9使该夹持螺栓抵靠着主体2张紧)，膨胀套筒3膨胀，以便夹持工件(未示出)。位于夹持螺栓8的轴向孔的端部区域内的相应的凹槽中的内部锁止环9a确保张紧螺纹件9也可以在旋出操作期间向夹持螺栓8施加拉力，以便抵抗可能的夹持力使夹持螺栓8穿过处于锁止位置的盘而拉回至膨胀套筒3之外并且因而再次释放夹爪4。

在图3中示出根据本发明的芯轴1的第二示例性实施例的纵向截面。在此图中，如也在其它附图中一样，相同的特征以及具有相同效果的特征以相同的附图标记标示。在第二示例性实施例中，单独的环形接触板2a旋拧到主体2上，所述环形接触板2a形成用于待夹持的工件14的接触表面2’。在第二示例性实施例中，膨胀套筒3同样地未一体地连接到主体2上，而是构造为单独的部件并从主体2的后侧旋拧入主体2的圆柱形凹部2”中。

在第二示例性实施例中的膨胀套筒3具有环形脚部5a，挠曲连接部5从该环形脚部5a通向夹爪4。在夹爪4的相反侧上，柔性的延伸连接部6通向膨胀套筒3的环形端部部分7。该设计的优点在于膨胀套筒3可从它的脚部5a到环形端部部分7之前一小段连续地开槽，从生产工程学的角度而言，这比在第一示例性实施例中的仅分段式开槽要更容易实现。由于膨胀套筒3的脚部5a固定在圆柱形凹部2”内并且该脚部5a从主体2的后侧处通过适当的螺纹连接分别旋拧到脚部的各分段，在膨胀套筒3的脚部5a中开槽没有害处。

在该情形中用作用于膨胀夹爪4的致动机构的是呈圆锥形逐渐变细的夹持螺栓8，该夹持螺栓8栓接到机床的动力操纵的夹持装置。夹持螺栓8沿径向在夹爪4内部具有锥形滑动表面8’，该锥形滑动表面8’承靠在夹爪4的具有相应形状的接触表面4’上。由于锥形形状，夹爪4在动力操纵的夹持装置致动时被迫分开且因而在工件14的内孔中夹持工件14。

在夹持螺栓8的自由端，夹持螺栓8包括用于适当的拧紧工具的齿。如在第一示例性实施例中的一样，环形端部部分7通过密封圈7a滑动安装到夹持螺栓8的外周。

在图4中示出根据本发明的芯轴1的第三示例性实施例。如在第二示例性实施例中的一样，膨胀套筒3为单独的部件并且通过脚部5a旋拧入主体2的圆柱形凹部2”中。然而，此处夹持套筒3的环形脚部5a旋拧入主体2的圆柱形凹部2”中的螺纹连接从前侧实施，从而在工件改变的情形下可在不需要将芯轴的主体2从机床上移除的情况下对夹持套筒3进行更换。

如在第二示例性实施例中的一样，夹爪4的膨胀通过锥形夹持螺栓8实现。用于待夹持工件的接触表面2’由旋拧到主体2上的接触环2a形成。

如在前述示例性实施例中的一样，夹持套筒3的环形端部部分7相对于夹持螺栓8的外周滑动地安装。夹持螺栓8和/或环形端部部分7的端部在此处成形为使得它们不仅能接纳传统的拧紧工具，而且能接纳尾座顶尖15。芯轴1可因而通过尾座夹持和定心，以便进一步增强抵抗横向作用的机加工力的稳定性和定心精确度。

在第三示例性实施例中，膨胀套筒3的挠曲连接部5和延伸连接部6的膨胀过程是更有利的。尽管，根据本发明，处于未扩展的释放位置处的挠曲连接部相对于芯轴1的纵轴线径向向外倾斜大约6°的角度，但是在前两个示例性实施例中的延伸连接部6大致平行于轴线方向延伸。这可能导致夹爪4在膨胀过程中出现轻微的倾斜，并因此导致夹持表面呈锥形。在第三示例性实施例中，这在很大程度得以避免，这是因为延伸连接部6相对于纵轴线与挠曲连接部5相反地倾斜。此处挠曲连接部5和延伸连接部6的膨胀过程相对于通过夹爪4的中心的横向平面镜像对称。由于挠曲连接部5和延伸连接部6的弯曲力因此在大小上大致相等且方向相反，因而夹持表面不发生倾斜或形成锥度。

最后，在图5和6中示出根据本发明的卡盘1’的示例性实施例，工件14通过它的外径被卡盘夹持。同样，卡盘1’具有主体2，该主体2旋拧到机床的工作主轴上。主体2在前侧具有位于中央的圆柱形凹部2”，在该圆柱形凹部2”中插有带纵向狭槽的夹持套筒3’，由于工作原理在运动学上相反，该夹持套筒3’对应于前述的示例性实施例的膨胀套筒3。夹持套筒3’具有环形脚部5a，该夹持套筒3’通过该环形脚部5a旋拧到主体2上。夹爪4通过适当的挠曲连接部5连接到脚部5a。在相反的一侧上，挠曲的延伸连接部6通向环形端部部分7，夹持套筒3’的各延伸连接部6通过该环形端部部分7彼此连接。

夹持套筒3’被外部套筒8包围，该外部套筒8轴向可移动地安装在卡盘1’上。外部套筒8通过横向栓16连接到中央致动元件17，该中央致动元件17连接到机床的动力操纵的夹持装置。借助于由在内径中的阶梯形成的肩部8a，外部套筒8经由用作间隔件13的环压在一个或多个盘12上，盘12向外承靠在外部套筒8上。盘12沿轴向靠在主体2的用作止挡件11的边缘上。如果中央致动元件17被夹持力移动到左侧，那么外部套筒8经由肩部8a将盘压靠在主体2的止挡件11上。由于盘12通过其外径承靠在外部套筒8上，因此这些盘的内径变小并因而将夹爪4压靠在待夹持的工件14上。

用于工件14的轴向接触表面2’形成栓接在夹持套筒3’内部的接触部件2a。如在前述的示例性实施例中的一样，挠曲连接部5和延伸连接部6相对于轴线方向倾斜，其中，由于运动学上相反的夹持方向，此处挠曲连接部5的倾斜方向径向向内延伸到夹爪。由于挠曲连接部5的倾斜，在夹持操作期间夹持套筒的夹爪4和脚部5a之间的距离缩短，使得工件14在被夹持时经历轴向后退且受到作用在接触表面2’上的轴向接触按压力。

夹持套筒3’的环形端部部分7的外周滑动地安装在外部套筒8内，使得获得了抵抗横向力的高刚度。

在图6中，示出未带有待夹持工件的卡盘1’的透视剖视图。从图6中可清楚看到夹持套筒3’的开槽以及夹持套筒3’和止挡部件2a通过适当的连接螺纹件到主体2的紧固。

除了在示例性实施例中示出的用于借助于盘或锥形接触表面来移动夹爪4的致动机构以外，可设想用于夹爪的膨胀或夹持的其它机构，例如液压致动机构。

此外，在所描述的示例性实施例中，膨胀套筒3或夹持套筒3’的纵向狭槽可填充有诸如橡胶的弹性化合物，以避免灰尘和碎屑的侵入。

在所示出的芯轴中，可通过以旋转地固定但轴向可移动的方式连接到端部环形件7和主体2的夹持螺栓实现更进一步的改进。这可以通过一方面诸如夹持螺栓8的纵向齿圈或舌形件和槽形件几何形状的适当的抗扭保护件以及另一方面端部环形件和主体来实现。由此，可实现工件或工具在圆周方向上具有更大的保持抗扭刚度。

Claims (17)

1.一种用于夹持构件、特别是工件(14)或工具的夹具(1,1’)，所述夹具具有多个沿周边分布的夹爪(4)，所述夹爪(4)通过适当的弹性的挠曲连接部(5)连接到主体(2)，其中，所述夹爪(4)能够通过可轴向移动的致动装置(8,12)沿基本径向方向从释放位置调节到保持位置，其特征在于：所述挠曲连接部(5)在释放位置处相对于平行于轴向的方向在它们各自的保持位置的方向上径向倾斜。

2.根据权利要求1所述的夹具，其中，所述挠曲连接部(5)在释放位置处相对于平行于轴向的方向倾斜的角度为3°到12°，优选为大约5°到大约10°，最优选为大约6°。

3.根据权利要求1所述的夹具，其中，在所述挠曲连接部(5)的延伸部上设置有延伸连接部(6)，所述延伸连接部(6)从所述夹爪(4)突出出来且在其端部通过环形端部部分(7)刚性地彼此连接。

4.根据权利要求3所述的夹具，其中，所述延伸连接部(6)在释放位置处相对于所述挠曲连接部(5)相反地倾斜。

5.根据权利要求4所述的夹具，其中，所述挠曲连接部(5)和所述延伸连接部(6)设置成关于沿径向穿过所述夹爪(4)的镜像平面大致镜像对称。

6.根据前述权利要求中的任一项所述的夹具，其中，所述挠曲连接部(5)由开有狭槽的膨胀套筒(3)或夹持套筒(3’)的分段式条形件形成。

7.根据前述权利要求中的任一项所述的夹具，其中，所述致动装置包括致动元件(8)，所述致动元件(8)当在轴向致动方向上移动时向所述夹爪(4)施加径向夹持力。

8.根据权利要求7所述的夹具，其中，所述致动装置包括弹性元件(12)，所述弹性元件(12)在受到所述致动元件(8)的轴向压缩时发生尺寸的径向改变且由此向所述夹爪(4)施加径向夹持力。

9.根据权利要求8所述的夹具，其中，所述弹性元件(12)由内部及外部都开有狭槽的扁平的锥形弹簧垫圈形成，特别是由盘(12)形成。

10.根据权利要求7所述的夹具，其中，所述致动元件(8)具有锥形滑动表面(8’)，所述锥形滑动表面(8’)与所述夹爪(4)的具有相应形状的接触表面(4’)协作，以便向所述夹爪施加径向夹持力(4)。

11.根据权利要求3和权利要求8到10中的任一项所述的夹具，其中，所述环形端部部分(7)以轴向滑动的方式安装在所述致动元件(8)上。

12.根据权利要求11所述的夹具，其中，所述端部部分(7)以旋转固定但轴向可移动的方式连接到所述主体(2)。

13.根据前述权利要求中的任一项所述的夹具，其中，该夹具构造为用于构件(14)的内部夹持的芯轴(1)。

14.根据权利要求1到12中的任一项所述的夹具，其中，该夹具构造为用于构件(14)的外部夹持的卡盘(1’)。

15.根据前述权利要求中的任一项所述的夹具，所述夹具具有轴向接触表面(2’)，所述轴向接触表面(2’)相对于所述主体(2)固定且所述构件(14)在被夹持时受到抵靠着所述轴向接触表面(2’)施加的轴向接触按压力。

16.根据前述权利要求中的任一项所述的夹具，所述夹具在自由端、特别是在夹持螺栓(8)的端部和/或环形端部部分(7)的端部处成形为用于接纳尾座顶尖。

17.一种具有根据前述权利要求中的任一项所述的夹具(1,1’)的机床。