CN109128237A - 一种车削加工薄壁圆筒件外壁装夹系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于机械加工领域，提供了一种车削加工薄壁圆筒件外壁装夹系统及方法。装夹系统包括中心轴、固定挡板、压缩弹簧、双头螺柱、垫片、调节螺母、连杆、弹性体、活动挡板、定位螺母、锁紧螺母和连接螺栓等构件组成。本发明适用于多种内径尺寸的薄壁圆筒件装夹系统,装夹系统分成径向辅助支撑结构和轴向定位夹紧结构，有效地减少了薄壁圆筒件的装夹变形。该装夹系统可以根据工件轴向、径向刚度不同，分别调整轴向夹紧力/径向支撑力大小；可以测量轴向夹紧力/径向支撑力的大小以及工件变形量。本发明结构简单、定位可靠、适用范围广，支撑力、夹紧力和工件变形量可控可测，为中小型薄壁圆筒构件的加工装夹提供了有效的解决方法。

Description

一种车削加工薄壁圆筒件外壁装夹系统及方法

技术领域

本发明属于切削加工技术领域，涉及一种车削加工薄壁圆筒件外壁装夹系统及方法。

背景技术

随着我国航空、航天以及航海事业的发展，目前在大型飞机、大型舰船和航天飞行器等重大国防装备的研制过程中，薄壁圆筒构件应用越来越广泛，比如航空发动机机匣以及鼓筒等构件均是薄壁圆筒类构件。可见，薄壁圆筒类整体结构件可以更好地满足现代先进航天飞行器设计和制造要求。因此，随着现代航天飞行器性能要求的不断提高，薄壁圆筒类构件的尺寸也大幅度增加，并采用整体结构，壁厚也逐渐变薄，对于薄壁圆筒整体构件高质高效的加工技术也提出迫切需求。

现有针对加工圆筒类工件的夹具种类较多，首先，应用较广泛的是内胀式夹具，即利用胀套径向的移动对工件进行胀紧。但是该夹具在定位夹紧的过程中，会对圆筒工件同时产生轴向力和径向力，圆筒类工件轴向和径向的刚度不同会造成工件的轴向夹紧力以及径向支撑力大小不同，并且内胀式夹具轴向夹紧力和支撑力的大小不易控制和测量。内胀式夹具胀套的大小要和工件内径搭配，这样针对不同内径的圆筒工件，夹具的数量也要相应增加，大大增加了经济成本。其次，胀胎式夹具应用也较为广泛，该类夹具依靠可变形的弹性体发生形变，对圆筒类工件内壁实现胀紧。但是该夹具结构内壁支撑力分布不均匀，可能造成局部应力过大，超过材料屈服强度，产生塑性变形。此外，也有采用填充式的方法对工件进行支撑，该方法是在圆筒类工件内部充入发泡剂或者石膏，进而夹紧工件。但是工件加工温度过大时，填充物可能软化或者挥发，影响支撑效果，污染环境，甚至危害操作工人身体健康。另外，也有利用液压装置推动弹性支撑件夹紧工件的夹具，但该夹具存在成本高、污染大的问题。

对于薄壁圆筒构件的装夹，如果采用一般的三爪卡盘夹紧工件，夹紧力大小仅凭借操作工人的经验设定，夹紧力偏大会出现较大的夹紧变形；而夹紧力偏小可能造成在加工过程中工件出现窜动，加工变形和尺寸精度均难以控制。采用顶尖顶紧工件的端面定位方式，会造成夹紧力过大，薄壁圆筒件的圆柱度超差。

薄壁圆筒构件的车削加工过程中，由于工件具有壁薄、刚性差的特点，往往出现工件加工变形以及工件颤振的现象，直接造成工件尺寸超差，不符合制造装配精度要求而报废，造成经济损失。而上述传统的夹具存在无法适用于多种内径尺寸的工件、无法分别调整轴向夹紧力/径向支撑力大小、以及无法测量轴向夹紧力/径向支撑力的大小以及工件变形量等问题，因此传统的夹具极易造成薄壁圆筒件车削加工工序中加工变形以及尺寸精度超差的现象。因此，鉴于传统夹具很难满足薄壁圆筒件制造质量及精度的要求，如何开发一种满足薄壁圆筒件高质高效加工要求的装夹系统具有十分重要的意义。

发明内容

本发明要解决的技术难题是针对现有夹具无法装夹多种内径尺寸的工件、无法分别调整轴向夹紧力/径向支撑力大小、以及无法测量轴向夹紧力/径向支撑力的大小以及工件变形量等问题。本发明克服现有技术的不足，提供一种车削加工薄壁圆筒件外壁装夹系统及其使用方法。

本发明的技术方案：

一种车削加工薄壁圆筒件外壁装夹系统，包括中心轴1、固定挡板2、压缩弹簧3、双头螺柱4、垫片5、调节螺母6、连杆7、弹性体8、工件9、活动挡板10、定位螺母11、锁紧螺母12和连接螺栓13；

中心轴1是一个阶梯轴，从左到右分别是夹持段、台阶段、叶片段、芯部、叶片段和螺纹段；通过三爪卡盘夹紧夹持段，带动中心轴1与车床主轴同步转动；

中心轴1的叶片段设有螺栓通孔和径向螺纹孔，双头螺柱4的一端与螺纹孔配合，压缩弹簧3和连杆7的一端依次套在双头螺柱4上，压缩弹簧3与中心轴1的叶片段接触，通过连杆7将双头螺柱4连为一体，双头螺柱4的另一端通过垫片5和调节螺母6锁紧固定；弹性体8的截面为类“T”型，其下面与连杆7接触，上面与工件9内壁接触；沿圆周方向均匀分布3个弹性体8，使工件9内壁受力均匀，以上部分共同构成薄壁圆筒内壁辅助支撑装置；连杆7和弹性体8的接触面是一个平面，二者间放置压力传感器，沿圆周方向均匀分布3个压力传感器，测量径向辅助支撑力；

中心轴1的台阶段套装有固定挡板2，并与叶片段接触，通过连接螺栓13和锁紧螺母12固定安装在中心轴1的台阶段上，固定挡板2右端面顶住工件9左端面；

活动挡板10设有中心通孔，使其套在中心轴1的螺纹段，可自由移动；活动挡板10左端面与工件9右端面接触后，旋转定位螺母11调节施加在工件9上的轴向力；活动挡板10与工件9间通过定位螺母11定位锁紧接触；

活动挡板10和定位螺母11之间放置压力传感器，沿均匀分布3个压力传感器，测量轴向夹紧力；

双头螺柱4和压缩弹簧3，可以根据不同内径尺寸的薄壁圆筒件，更换不同长度的双头螺柱4和压缩弹簧3，这样减少了夹具数量，降低了经济成本。

固定挡板2和活动挡板10，选择切削性能好的材料比如铝合金，固定挡板2的外径大于工件2-4mm。当车削外圆时，固定挡板2和活动挡板10与工件9一同参与加工，既不影响工件9的外圆切削，又能有效地实现轴向定位。

一种车削加工薄壁圆筒件外壁装夹方法，其特征在于，包括径向辅助支撑和轴向夹紧两部分；

径向辅助支撑的具体步骤如下：

(1)通过旋转调节螺母6，在压缩弹簧3的作用下，连杆7带动弹性体8做径向运动，直至接触工件9内壁并施加一定支撑力，该支撑力的大小通过旋转调节螺母6来实现无级调节，进而实现对工件9内壁径向辅助支撑；

(2)连杆7与弹性体8之间为平面接触，二者之间放置压力传感器获得径向辅助支撑力大小；

(3)通过建立薄壁圆筒件全尺寸有限元模型，采用静态仿真模拟径向支撑过程，将步骤2获得的径向辅助支撑力均布到薄壁圆筒件全尺寸有限元模型内壁，最终获得薄壁圆筒件产生的最大径向变形量，并通过仿真结果得到经验公式，如公式1所示，

Y＝K₁*X 1

其中，K₁为系数，与材料属性有关；X为压强，MPa；Y为工件径向最大变形量，mm；

(4)判断最大变形量是否符合精度要求，如果最大变形量超过精度要求，则适当旋转调节螺母6，进而改变对工件9径向辅助支撑力的大小，继续重复步骤2，直到满足精度要求为止；

轴向夹紧的具体步骤如下：

(5)通过旋转定位螺母11，使活动挡板10和工件9的端面夹紧，实现轴向固定；

(6)通过定位螺母11与活动挡板10之间的压力传感器获得轴向夹紧力大小；

(7)通过建立薄壁圆筒件全尺寸有限元模型，工件9尺寸和材料属性同上；采用静态仿真模拟轴向夹紧过程，将步骤6获得的轴向夹紧力均布到薄壁圆筒件全尺寸有限元模型轴向端面，最终获得轴向弯曲挠度值，通过仿真结果得到经验公式，如方程2所示；

M＝K₂*N 2

其中，K₂为系数，与材料属性有关；N为压力，N；M为形变量，mm；

(8)判断轴向弯曲挠度值是否符合精度要求，旋转定位螺母11，改变轴向夹紧力大小，继续重复步骤6，直到满足精度要求为止；

当工件9径向变形量以及轴向挠度变形量均符合精度要求时，开始加工薄壁圆筒件；当加工结束后，反向旋转定位螺母11和调节螺母6，即将工件9从装夹系统取下。

本发明的有益效果：本发明适用范围广，适用于多种内径尺寸的薄壁圆筒件的装夹和定位；装夹系统分成径向辅助支撑结构和轴向定位夹紧结构，有效地减少了薄壁圆筒件的装夹变形，可以根据工件轴向、径向刚度不同，分别调整轴向夹紧力/径向支撑力大小；可以测量轴向夹紧力/径向支撑力的大小以及工件变形量。

附图说明

图1是装夹系统的结构剖视图。

图2是装夹系统的左视图。

图3是装夹系统沿A-A的剖视图。

图4是装夹系统的内壁支撑原理示意图。

图5是装夹系统中弹性体的剖视图。

图6是弹性体的左视图。

图7是装夹系统的轴向定位原理示意图。

图中：1心轴；2固定挡板；3压缩弹簧；4双头螺柱；5垫片；6调节螺母；7连杆；8弹性体；9工件；10活动挡板；11定位螺母；12锁紧螺母；13连接螺栓。

具体实施方式

以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。

如图1至图7所示，本发明是一种加工薄壁圆筒外壁的装夹系统，包括中心轴1、固定挡板2、压缩弹簧3、双头螺柱4、垫片5、调节螺母6、连杆7、弹性体8、工件9、活动挡板10、定位螺母11、锁紧螺母12和连接螺栓13；

一种车削加工薄壁圆筒件外壁装夹方法，包括径向辅助支撑和轴向夹紧两部分；

径向辅助支撑的具体步骤如下：

(1)通过旋转调节螺母6，在压缩弹簧3的作用下，连杆7带动弹性体8做径向运动，直至接触工件9内壁并施加一定支撑力，该支撑力的大小通过旋转调节螺母6来实现无级调节，进而实现对工件9内壁径向辅助支撑；

(2)连杆7与弹性体8之间为平面接触，二者之间放置压力传感器获得径向辅助支撑力大小；

(3)通过建立薄壁圆筒件全尺寸有限元模型，其中，工件长度150mm，内径100mm，壁厚1mm，材料为TC4(Ti-6Al-4V)，弹性模量和泊松比分别为108GPa和0.33。采用静态仿真模拟径向支撑过程，将步骤2获得的径向辅助支撑力均布到薄壁圆筒件全尺寸有限元模型内壁，最终获得薄壁圆筒件产生的最大径向变形量，并通过仿真结果得到经验公式，如公式1所示，

Y＝0.0493X (1)

其中，X为压强，MPa；Y为工件径向最大变形量，mm；

有限元模拟结果可知，当0＜X≤8时，工件9处于弹性变形阶段，当径向载荷卸载后，工件可恢复原形；当X＞8时，工件9发生塑性变形；因此径向辅助支撑力大小应小于8；

(4)判断最大变形量是否符合精度要求，如果最大变形量超过精度要求，则适当旋转调节螺母6，进而改变对工件9径向辅助支撑力的大小，继续重复步骤2，直到满足精度要求为止；

轴向夹紧的具体步骤如下：

(5)通过旋转定位螺母11，使活动挡板10和工件9的端面夹紧，实现轴向固定；

(6)通过定位螺母11与活动挡板10之间的压力传感器获得轴向夹紧力大小；

(7)通过建立薄壁圆筒件全尺寸有限元模型，工件9尺寸和材料属性同上；采用静态仿真模拟轴向夹紧过程，将步骤6获得的轴向夹紧力均布到薄壁圆筒件全尺寸有限元模型轴向端面，最终获得轴向弯曲挠度值，通过仿真结果得到经验公式，如方程2所示；

M＝N (2)

其中，N为压力，N；M为形变量，mm；

有限元模拟结果可知，当0＜N≤1700时，工件9处于弹性变形阶段，当径向载荷卸载后，工件可恢复原形；当N＞1700时，工件9发生塑性变形，因此轴向夹紧力应小于1700N；

(8)判断轴向弯曲挠度值是否符合精度要求，旋转定位螺母11，改变轴向夹紧力大小，继续重复步骤6，直到满足精度要求为止；

当工件9径向变形量以及轴向挠度变形量均符合精度要求时，开始加工薄壁圆筒件；当加工结束后，反向旋转定位螺母11和调节螺母6，即将工件9从装夹系统取下。

以上介绍了本发明装置的基本原理、主要特征和优点。上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种车削加工薄壁圆筒件外壁装夹系统，其特征在于，所述的车削加工薄壁圆筒件外壁装夹系统包括中心轴(1)、固定挡板(2)、压缩弹簧(3)、双头螺柱(4)、垫片(5)、调节螺母(6)、连杆(7)、弹性体(8)、工件(9)、活动挡板(10)、定位螺母(11)、锁紧螺母(12)和连接螺栓(13)；

中心轴(1)是一个阶梯轴，从左到右分别是夹持段、台阶段、叶片段、芯部、叶片段和螺纹段；通过三爪卡盘夹紧夹持段，带动中心轴(1)与车床主轴同步转动；

中心轴(1)的叶片段设有螺栓通孔和径向螺纹孔，双头螺柱(4)的一端与螺纹孔配合，压缩弹簧(3)和连杆(7)的一端依次套在双头螺柱(4)上，压缩弹簧(3)与中心轴(1)的叶片段接触，通过连杆(7)将双头螺柱(4)连为一体，双头螺柱(4)的另一端通过垫片(5)和调节螺母(6)锁紧固定；弹性体(8)的截面为类“T”型，其下面与连杆(7)接触，上面与工件(9)内壁接触；沿圆周方向均匀分布3个弹性体(8)，使工件(9)内壁受力均匀，以上部分共同构成薄壁圆筒内壁辅助支撑装置；连杆(7)和弹性体(8)的接触面是一个平面，二者间放置压力传感器，沿圆周方向均匀分布3个压力传感器，测量径向辅助支撑力；

中心轴(1)的台阶段装有固定挡板(2)，并与叶片段接触，通过连接螺栓(13)和锁紧螺母(12)固定安装在中心轴(1)的台阶段上，固定挡板(2)右端面顶住工件(9)左端面；

活动挡板(10)设有中心通孔，使其套在中心轴(1)的螺纹段，可自由移动；活动挡板(10)左端面与工件(9)右端面接触后，旋转定位螺母(11)调节施加在工件(9)上的轴向力；活动挡板(10)与工件(9)间通过定位螺母(11)定位锁紧接触；

活动挡板(10)和定位螺母(11)之间放置压力传感器，沿均匀分布3个压力传感器，测量轴向夹紧力。

2.根据权利要求1所述的车削加工薄壁圆筒件外壁装夹系统，其特征在于，所述的双头螺柱(4)和压缩弹簧(3)，根据不同内径尺寸的薄壁圆筒件，更换不同长度的双头螺柱(4)和压缩弹簧(3)。

3.根据权利要求1或2所述的车削加工薄壁圆筒件外壁装夹系统，其特征在于，所述的固定挡板(2)和活动挡板(10)，选择切削性能好的铝合金，固定挡板(2)的外径大于工件(9)2-4mm；当车削外圆时，固定挡板(2)和活动挡板(10)与工件(9)一同参与加工，既不影响工件的外圆切削，又能有效地实现轴向定位。

4.一种车削加工薄壁圆筒件外壁装夹方法，其特征在于，包括径向辅助支撑和轴向夹紧两部分；

径向辅助支撑的具体步骤如下：

(1)通过旋转调节螺母(6)，在压缩弹簧(3)的作用下，连杆(7)带动弹性体(8)做径向运动，直至接触工件(9)内壁并施加一定支撑力，该支撑力的大小通过旋转调节螺母(6)来实现无级调节，进而实现对工件(9)内壁径向辅助支撑；

(2)连杆(7)与弹性体(8)之间为平面接触，二者之间放置压力传感器获得径向辅助支撑力大小；

(3)通过建立薄壁圆筒件全尺寸有限元模型，采用静态仿真模拟径向支撑过程，将步骤(2)获得的径向辅助支撑力均布到薄壁圆筒件全尺寸有限元模型内壁，最终获得薄壁圆筒件产生的最大径向变形量，并通过仿真结果得到经验公式，如公式(1)所示，

Y＝K₁*X (1)

其中，K₁为系数，与材料属性有关；X为压强，MPa；Y为工件径向最大变形量，mm；

(4)判断最大变形量是否符合精度要求，如果最大变形量超过精度要求，则适当旋转调节螺母(6)，进而改变对工件(9)径向辅助支撑力的大小，继续重复步骤(2)，直到满足精度要求为止；

轴向夹紧的具体步骤如下：

(5)通过旋转定位螺母(11)，使活动挡板(10)和工件(9)的端面夹紧，实现轴向固定；

(6)通过定位螺母(11)与活动挡板(10)之间的压力传感器获得轴向夹紧力大小；

(7)通过建立薄壁圆筒件全尺寸有限元模型，工件(9)尺寸和材料属性同上；采用静态仿真模拟轴向夹紧过程，将步骤(6)获得的轴向夹紧力均布到薄壁圆筒件全尺寸有限元模型轴向端面，最终获得轴向弯曲挠度值，通过仿真结果得到经验公式，如方程(2)所示；

M＝K₂*N (2)

其中，K₂为系数，与材料属性有关；N为压力，N；M为形变量，mm；

(8)判断轴向弯曲挠度值是否符合精度要求，旋转定位螺母(11)，改变轴向夹紧力大小，继续重复步骤(6)，直到满足精度要求为止；

当工件(9)径向变形量以及轴向挠度变形量均符合精度要求时，开始加工薄壁圆筒件；当加工结束后，反向旋转定位螺母(11)和调节螺母(6)，即将工件(9)从装夹系统取下。