CN110103052A - 一种用于薄壁套筒类零件内切削加工的液性塑料夹具及设计方法 - Google Patents

一种用于薄壁套筒类零件内切削加工的液性塑料夹具及设计方法 Download PDF

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Abstract

一种用于薄壁套筒类零件内切削加工的液性塑料夹具及设计方法，属于机械通用技术领域，由固定底盘、夹具座、夹紧筒体和加压螺杆连接构成，结构新颖，设计原理清晰，通过加压螺杆旋进，内腔的液性进入外腔，外腔的液体总量增多，外腔壁内侧的非等厚筒壁结构产生变形，受力时两边变形较大而中间较小，工件外壁各部位都受到非等厚筒壁传递过来的相同载荷从而减小了由车刀切削而产生的挠度，能夹紧工件且保持较高的位置精度要求，提高工件的加工精度。

Description

一种用于薄壁套筒类零件内切削加工的液性塑料夹具及设计 方法
技术领域
本发明属于机械通用技术领域，涉及一种液性塑料夹具及设计方法，特别是涉及一种用于薄壁套筒类零件内切削加工的液性塑料夹具及设计方法。
背景技术
目前，无论是传统制造工业还是现在的柔性制造系统，大量的零件需要粗、精加工，这就决定了夹具的市场需求，而其中的套筒类零件加工很麻烦，尤其是薄壁套筒零件。由于零件壁较薄，加工时极易产生变形，因此如何保证薄壁套筒零件的加工精度是面临的最大问题。市场上多改进加工工艺来提高加工质量，不过这对于操作者的技术要求较高，且不容易保证大批次的加工质量。另外现在的薄壁套筒零件加工时，夹具在夹紧力上无法精确控制、极易使零件产生变形，从而影响工件的尺寸和精度。
发明内容
本发明的目的是针对现有加工套筒类零件的夹具的劣势，高精度的薄壁套筒装夹、加工时易产生变形，形状、尺寸精度和同轴度精度要求度高的问题，提出一种用于薄壁套筒类零件内切削加工的液性塑料夹具及设计方法，通过该设计方法制备的夹具，可使非等厚筒壁发生变形，为工件的整个外壁提供相同的载荷并夹紧工件，可减小由车刀切削而产生的挠度，保证加工后的同轴度精度。
本发明的技术方案是：一种用于薄壁套筒类零件内切削加工的液性塑料夹具装置，其特征在于：所述液性塑料夹具装置由固定底盘、夹具座、夹紧筒体和加压螺杆连接构成；所述夹具座通过固定螺钉固定在所述固定底盘上，所述夹紧筒体固定设置在所述夹具座上，所述夹紧筒体由外筒壁和内筒壁构成，所述外筒壁与内筒壁之间形成一外腔，所述夹紧筒体内底面处设有隔断，所述隔断与夹具座侧面及内筒壁形成一内腔，所述内腔的腔壁上设有若干个通孔，所述内腔与外腔通过所述通孔相连通，所述内腔和外腔中填充设有液性塑料，所述加压螺杆连接设置在所述固定底盘和夹具座的中心处，所述加压螺杆在所述内腔中作加压直线运动。
所述内筒壁的外表面为平面，内表面为中间厚两边薄的半椭圆结构。
所述夹紧筒体焊接固定在夹具座侧面上。
所述通孔是均布设置在内腔腔壁上的圆形通孔，通孔的数量不少于3个。
所述加压螺杆为带有细牙管螺纹结构的螺杆，加压螺杆与固定底盘及夹具座之间设有密封圈。
一种用于薄壁套筒类零件内切削加工的液性塑料夹具的设计方法如下：
(1)当刀具内切削薄壁套筒类零件时，根据梁的弯曲定理，可以将工件简化为简支梁，且工件会因受力而产生挠度；其次将套筒简化为简支梁，套筒壁为梁，夹紧装置筒壁两端为支点；接着当有集中力作用于简支梁时，梁会发生弯曲即直梁受到垂直于轴线的横向力作用时，梁的轴线由直变弯，同理车刀在车套筒时，也会发生弯曲现象，导致工件同轴度精度降低；
(2)为解决上述问题，一种设计是等壁厚的夹具，当等壁厚筒壁的夹具简化成等截面简支梁后受到液性塑料的均匀载荷的作用力，因此会产生挠度来减小工件加工时发生的弯曲现象；
(2-1)等厚筒壁液性塑料夹具，夹紧装置简化为简支梁，等厚的筒壁为梁，夹紧装置筒壁两端为支点；在受到液性塑料均匀载荷作用下时，也会产生一定的挠度，其结果是中间弯曲大两边变形小；
(2-2)另一种是非等厚筒壁的夹具设计，非等厚筒壁的结构设计为中间厚，两边薄。因此均匀载荷作用时两边变形较大而中间较小，与工件的变形方向相反，从而对减小甚至抵消工件在切削时受力变形，进而达到套筒类零件的形状精度、尺寸精度和表面粗糙度的要求，而且能完成较高的位置精度要求；
(3)结合以上的两个现象，选择设计半椭圆式非等厚筒壁，通过液性塑料的作用使筒壁产生的变形来减少工件的挠度；半椭圆式外腔非等厚筒壁，可以通过筒壁受力变形来抵消工件所受到车刀的横向作用而产生的弯曲；另外根据资料可推导到半椭圆式曲线非等厚筒壁在受到液性塑料的均布力作用时，由于中间厚两边薄的结构可以得出产生应力沿着外壁逐渐变化，椭圆长轴处的两个端点应力最大，短轴处的应力最小，所以中间受力比两边小且变形小，由此可得：无论中间还是两边能给套筒提供相同大小的支撑力；
(4)设计工件、等壁厚筒壁、非等厚筒壁在力的作用下各自发生的变形及相应的挠曲线方程：
(5)设计工件的挠曲线方程，受到车刀集中力在l/2处时：
工件的最大挠度
(6)设计集中力在其他位置时工件的挠曲线方程：
此时，工件的最大挠度：
设a﹥b,在处
在处,
(7)设计等壁厚筒壁挠曲线方程，在受到液性塑性的压力作用下：
此时，工件的最大挠度：
(8)设计非等厚筒壁挠曲线微分方程，在受到液性塑性的压力作用下：：
EI(x)ω"(x)＝M(x) (9)
其中：C1、C2为积分常数，根据边界条件来确定；
将q、l等值具体代入，得如下方程：
代入(12)并进行积分计算求得
利用边界条件ω'(x)|x＝1＝0，ω(x)|x＝1＝0，代入上式求得C1、C2，进而求出ω(x)；
由(4)、(5)、(6)、(7)、(8)的公式推导，可以得出以下结论：通过工件、等厚壁筒和非等厚壁筒的ω(x)的计算对比，可以知道在液性塑料均布载荷的作用下等壁厚筒壁和非等壁厚的变形曲线，证明非等厚壁筒的对于工件的作用优于等厚壁筒。
本发明的有益效果为：本发明提供的一种用于薄壁套筒类零件内切削加工的液性塑料夹具装置及设计方法，结构上由固定底盘、夹具座、夹紧筒体和加压螺杆连接构成，结构新颖，设计原理清晰，通过加压螺杆旋进，内腔的液性进入外腔，外腔的液体总量增多，外腔壁内侧的非等厚筒壁结构产生变形，受力时两边变形较大而中间较小，工件外壁各部位都受到非等厚筒壁传递过来的相同载荷从而减小了由车刀切削而产生的挠度，能夹紧工件且保持较高的位置精度要求，提高工件的加工精度。
附图说明
图1为本发明外部结构示意图。
图2为图1中A-A方向的剖视结构示意图。
图3为本发明中液性塑料在夹具中受力结构示意图。
图4为本发明中工件在车刀切削时受到集中力作用发生的变形示意图。
图5为本发明中工件在车刀切削时受到集中力处于其他位置发生的变形示意图。
图6为等壁厚筒壁在受到液性塑料压力作用发生的变形示意图。
图7为本发明中非等厚筒壁在受到液性塑料压力作用发生的变形示意图。
图中：固定底盘1、夹具座2、加压螺杆3、固定螺钉4、夹紧筒体5、外筒壁6、内筒壁7、隔断8、通孔9、内腔10、外腔11、液性塑料12、工件13、密封圈14。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
如图1-3所示，一种用于薄壁套筒类零件内切削加工的液性塑料夹具，液性塑料夹具装置由固定底盘1、夹具座2、夹紧筒体5和加压螺杆3连接构成；夹具座2通过固定螺钉4固定在固定底盘1上，夹紧筒体5固定设置在夹具座2上，夹紧筒体5由外筒壁6和内筒壁7构成，外筒壁6与内筒壁7之间形成一外腔11，夹紧筒体5内底面处设有隔断8，隔断8与夹具座2侧面及内筒壁7形成一内腔10，内腔10的腔壁上设有若干个通孔9，内腔10与外腔11通过通孔9相连通，内腔10和外腔11中填充设有液性塑料12，加压螺杆3连接设置在固定底盘1和夹具座2的中心处，加压螺杆3在内腔10中作加压直线运动；内筒壁7的外表面为平面，内表面为中间厚两边薄的半椭圆结构；夹紧筒体5焊接固定在夹具座2侧面上；通孔9是均布设置在内腔10腔壁上的圆形通孔，通孔9的数量不少于3个；加压螺杆3为带有细牙管螺纹结构的螺杆，加压螺杆3与固定底盘1及夹具座2之间设有密封圈14。
如图1-7所示，一种用于薄壁套筒类零件内切削加工的液性塑料夹具的设计方法如下：
(1)当刀具内切削薄壁套筒类零件时，根据梁的弯曲定理，可以将工件简化为简支梁，且工件会因受力而产生挠度；其次将套筒简化为简支梁，套筒壁为梁，夹紧装置筒壁两端为支点；接着当有集中力作用于简支梁时，梁会发生弯曲即直梁受到垂直于轴线的横向力作用时，梁的轴线由直变弯，同理车刀在车套筒时，也会发生弯曲现象，导致工件同轴度精度降低；
(2)为解决上述问题，一种设计是等壁厚的夹具，当等壁厚筒壁的夹具简化成等截面简支梁后受到液性塑料的均匀载荷的作用力，因此会产生挠度来减小工件加工时发生的弯曲现象；
(2-1)等厚筒壁液性塑料夹具，夹紧装置简化为简支梁，等厚的筒壁为梁，夹紧装置筒壁两端为支点；在受到液性塑料均匀载荷作用下时，也会产生一定的挠度，其结果是中间弯曲大两边变形小；
(2-2)另一种是非等厚筒壁的夹具设计，非等厚筒壁的结构设计为中间厚，两边薄。因此均匀载荷作用时两边变形较大而中间较小，与工件的变形方向相反，从而对减小甚至抵消工件在切削时受力变形，进而达到套筒类零件的形状精度、尺寸精度和表面粗糙度的要求，而且能完成较高的位置精度要求；
(3)结合以上的两个现象，选择设计半椭圆式非等厚筒壁，通过液性塑料的作用使筒壁产生的变形来减少工件的挠度；半椭圆式外腔非等厚筒壁，可以通过筒壁受力变形来抵消工件所受到车刀的横向作用而产生的弯曲；另外根据资料可推导到半椭圆式曲线非等厚筒壁在受到液性塑料的均布力作用时，由于中间厚两边薄的结构可以得出产生应力沿着外壁逐渐变化，椭圆长轴处的两个端点应力最大，短轴处的应力最小，所以中间受力比两边小且变形小，由此可得：无论中间还是两边能给套筒提供相同大小的支撑力；
(4)设计工件、等壁厚筒壁、非等厚筒壁在力的作用下各自发生的变形及相应的挠曲线方程：
(5)设计工件的挠曲线方程，受到车刀集中力在l/2处时：
工件的最大挠度
(6)设计集中力在其他位置时工件的挠曲线方程：
此时，工件的最大挠度：
设a﹥b,在处
在处,
(7)设计等壁厚筒壁挠曲线方程，在受到液性塑性的压力作用下：
此时，工件的最大挠度：
(8)设计非等厚筒壁挠曲线微分方程，在受到液性塑性的压力作用下：：
EI(x)ω"(x)＝M(x) (9)
其中：C1、C2为积分常数，根据边界条件来确定；
将q、l等值具体代入，得如下方程：
代入(12)并进行积分计算求得
利用边界条件ω'(x)|x＝1＝0，ω(x)|x＝1＝0，代入上式求得C1、C2，进而求出ω(x)；
由(4)、(5)、(6)、(7)、(8)的公式推导，可以得出以下结论：通过工件、等厚壁筒和非等厚壁筒的ω(x)的计算对比，可以知道在液性塑料均布载荷的作用下等壁厚筒壁和非等壁厚的变形曲线，证明非等厚壁筒的对于工件的作用优于等厚壁筒。

Claims (6)

1.一种用于薄壁套筒类零件内切削加工的液性塑料夹具，其特征在于：所述液性塑料夹具装置由固定底盘(1)、夹具座(2)、夹紧筒体(5)和加压螺杆(3)连接构成；所述夹具座(2)通过固定螺钉(4)固定在所述固定底盘(1)上，所述夹紧筒体(5)固定设置在所述夹具座(2)上，所述夹紧筒体(5)由外筒壁(6)和内筒壁(7)构成，所述外筒壁(6)与内筒壁(7)之间形成一个外腔(11)，所述夹紧筒体(5)内底面处设有隔断(8)，所述隔断(8)与夹具座(2)侧面及内筒壁(7)形成一内腔(10)，所述内腔(10)的腔壁上设有若干个通孔(9)，所述内腔(10)与外腔(11)通过所述通孔(9)相连通，所述内腔(10)和外腔(11)中填充设有液性塑料(12)，所述加压螺杆(3)连接设置在所述固定底盘(1)和夹具座(2)的中心处，所述加压螺杆(3)在所述内腔(10)中作加压直线运动。
2.根据权利要求1所述的一种用于薄壁套筒类零件内切削加工的液性塑料夹具，其特征在于：所述内筒壁(7)的外表面为平面，内表面为中间厚两边薄的半椭圆结构。
3.根据权利要求1所述的一种用于薄壁套筒类零件内切削加工的液性塑料夹具，其特征在于：所述夹紧筒体(5)焊接固定在夹具座(2)侧面上。
4.根据权利要求1所述的一种用于薄壁套筒类零件内切削加工的液性塑料夹具，其特征在于：所述通孔(9)是均布设置在内腔(10)腔壁上的圆形通孔，通孔(9)的数量不少于3个。
5.根据权利要求1所述的一种用于薄壁套筒类零件内切削加工的液性塑料夹具，其特征在于：所述加压螺杆(3)为带有细牙管螺纹结构的螺杆，加压螺杆(3)与固定底盘(1)及夹具座(2)之间设有密封圈(14)。
6.一种用于薄壁套筒类零件内切削加工的液性塑料夹具的设计方法，其特征在于，设计权利要求1-5任一项所述的液性塑料夹具，设计方法如下：
(1)当刀具内切削薄壁套筒类零件时，根据梁的弯曲定理，可以将工件简化为简支梁，且工件会因受力而产生挠度；其次将套筒简化为简支梁，套筒壁为梁，夹紧装置筒壁两端为支点；接着当有集中力作用于简支梁时，梁会发生弯曲即直梁受到垂直于轴线的横向力作用时，梁的轴线由直变弯，同理车刀在车套筒时，也会发生弯曲现象，导致工件同轴度精度降低；
(2)为解决上述问题，一种设计是等壁厚的夹具，当等壁厚筒壁的夹具简化成等截面简支梁后受到液性塑料的均匀载荷的作用力，因此会产生挠度来减小工件加工时发生的弯曲现象；
(2-1)等厚筒壁液性塑料夹具，夹紧装置简化为简支梁，等厚的筒壁为梁，夹紧装置筒壁两端为支点；在受到液性塑料均匀载荷作用下时，也会产生一定的挠度，其结果是中间弯曲大两边变形小；
(2-2)另一种是非等厚筒壁的夹具设计，非等厚筒壁的结构设计为中间厚，两边薄。因此均匀载荷作用时两边变形较大而中间较小，与工件的变形方向相反，从而对减小甚至抵消工件在切削时受力变形，进而达到套筒类零件的形状精度、尺寸精度和表面粗糙度的要求，而且能完成较高的位置精度要求；
(3)结合以上的两个现象，选择设计半椭圆式非等厚筒壁，通过液性塑料的作用使筒壁产生的变形来减少工件的挠度；半椭圆式外腔非等厚筒壁，可以通过筒壁受力变形来抵消工件所受到车刀的横向作用而产生的弯曲；另外根据资料可推导到半椭圆式曲线非等厚筒壁在受到液性塑料的均布力作用时，由于中间厚两边薄的结构可以得出产生应力沿着外壁逐渐变化，椭圆长轴处的两个端点应力最大，短轴处的应力最小，所以中间受力比两边小且变形小，由此可得：无论中间还是两边能给套筒提供相同大小的支撑力；
(4)设计工件、等壁厚筒壁、非等厚筒壁在力的作用下各自发生的变形及相应的挠曲线方程：
(5)设计工件的挠曲线方程，受到车刀集中力在l/2处时：
工件的最大挠度
(6)设计集中力在其他位置时工件的挠曲线方程：
此时，工件的最大挠度：
设a﹥b,在处
在处,
(7)设计等壁厚筒壁挠曲线方程，在受到液性塑性的压力作用下：
此时，工件的最大挠度：
(8)设计非等厚筒壁挠曲线微分方程，在受到液性塑性的压力作用下：：
EI(x)ω"(x)＝M(x) (9)
其中：C1、C2为积分常数，根据边界条件来确定；
将q、l等值具体代入，得如下方程：
代入(12)并进行积分计算求得
利用边界条件ω'(x)|x＝1＝0，ω(x)|x＝1＝0，代入上式求得C1、C2，进而求出ω(x)；
由(4)、(5)、(6)、(7)、(8)的公式推导，可以得出以下结论：通过工件、等厚壁筒和非等厚壁筒的ω(x)的计算对比，可以知道在液性塑料均布载荷的作用下等壁厚筒壁和非等壁厚的变形曲线，证明非等厚壁筒的对于工件的作用优于等厚壁筒。
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