CN110480453A - 一种大深径比薄壁管元件的超精密表面加工装夹装置及装夹方法 - Google Patents

Abstract

一种大深径比薄壁管元件的超精密表面加工装夹装置及装夹方法，它涉及一种装夹装置及装夹方法，具体涉及一种大深径比薄壁管元件的超精密表面加工装夹装置及装夹方法。本发明为了解决大深径比薄壁管状结构元件超精密加工时装夹装置对加工质量影响的问题。本发明包括外表面加工夹具体和内面表面加工夹具体。本发明属于机械加工领域。

Description

一种大深径比薄壁管元件的超精密表面加工装夹装置及装夹 方法

技术领域

本发明涉及一种装夹装置及装夹方法，具体涉及一种大深径比薄壁管元件的超精密表面加工装夹装置及装夹方法，属于机械加工领域。

背景技术

高能激光领域中，如激光核聚变，激光雷达等，要求激光具有高功率，由于提高激光器的输出光路和其他指标如光束发散角、单色性、脉宽、调制性能等要求是相互矛盾的，因此但获得高能激光仅靠激光器来获取很困难，激光传输中要保持激光束良性的特性，其工作物质的口径和长度都不宜过大。同时，激光器外的激光束要多次往返通过工作物质，因此当激光器输出功率很高时，工作物质就有被破坏的可能，因此需要激光增益部分来提高激光的功率，作为激光增益部分，薄壁结构光学元件能够实现激光的有效增益传输，特殊材料的薄壁结构光学元件还可以提高激光功率，因此超精密薄壁结构的管状元件在大型高功率固体激光装置中起非常重要的作用。在航空航天、医疗、机械加工制造、军事等领域有着非常重要的应用价值。

硬脆材料薄壁管状结构光学元件通常采用磨削加工进行超精密制造，由于薄壁管状结构光学元件的在装夹时存在变形，因此装夹工艺和装夹方法影响最终的加工精度和产品获得最终性能。同时，硬脆材料的薄壁管状元件不同于传统的金属材料，装夹过程中单位面积的承载力不宜过大，否则极易出现裂纹，甚至是断裂性破坏，因此装夹时工件和夹具之间的接触面积尽量要大。同时装夹过程中的应力过大也会导致管状元件出现装夹变形，加工完成应力释放后变形恢复，影响工件的圆度。然而，装夹力过小时，磨削过程中砂轮和工件的相互作用容易导致工件发生窜动，导致直线度不佳。同时，装夹应力过小不足以抵消来自不同方向的磨削力，工件容易出震颤现象，这对管状元件的面型精度和表面质量也会带来极大的影响。同时，对于大深径比的硬脆管状元件在超精密加工制造时以上现象更加明显，工件的圆度和直线度更加难以保证，因此制定相应的装夹装置尤为重要。

大长深径比硬脆光学元件的加工需要夹具具有于良好的刚度，在外力作用下变形小。因此夹具要具有一定的刚度，选用钢制夹具，钢材料具有良好的刚度，因外力产生的变形量小，且具有相对易加工的特点。夹具的设计要具有较低的制造成本，结构应尽量简单，造价要低廉，提高夹具设计质量和降低夹具制造成本。

基于以上技术背景分析，因此针对硬脆薄壁光学元件在超精密加工时装夹装置及装夹方法对最终加工质量的影响，急需一种新的适用于硬脆薄壁结构的光学元件的超精密加工的装夹装置及装夹方法。

发明内容

本发明为解决大深径比薄壁管状结构元件超精密加工时装夹装置对加工质量影响的问题，进而提出一种大深径比薄壁管元件的超精密表面加工装夹装置及装夹方法。

本发明为解决上述问题采取的技术方案是：本发明所述装夹装置包括外表面加工夹具体和内面表面加工夹具体，

所述外表面加工夹具体包括基体、第一法兰和多个亚克力条，基体是圆柱体，基体竖直设置在第一法兰的上表面，基体的下端与第一法兰上表面的中部固定连接，多个亚克力条沿圆周方向均布固定安装在基体的外壁上，且每个亚克力条沿长度方向的中心线均与基体的轴线平行，每个亚克力条上沿其长度方向开有多个存胶槽；

所述内表面加工夹具体包括筒体、第二法兰、多个调整垫片和多个调整顶丝，筒体竖直设置在第二法兰的上表面上，且筒体的下端与第二法兰上表面的中部固定连接，多个调整垫片均布设置在筒体的内壁上，筒体的外壁上开有多个螺纹通孔，每个所述螺纹通孔内均插装一个调整顶丝，且调整顶丝的内端与调整垫片的外侧面接触，筒体的外壁上还开有多个涂胶窗。

进一步的，基体的外壁上沿圆周方向均布设有多个亚克力条槽，亚克力条嵌装在亚克力条槽内。

进一步的，每个亚克力条的上端均设有斜面，斜面与水平面之间的夹角为60°。

进一步的，每个亚克力条的外侧面设有外凸的第一圆弧曲面。

进一步的，筒体的内壁上开有多个调整垫片槽，调整垫片嵌装在调整垫片槽内。

进一步的，每个调整垫片的内侧面设有内凹的第二圆弧曲面。

本发明所述装夹方法的具体步骤如下：

加工大深径比薄壁管元件的内表面时：

步骤一、将工件插装在筒体内；

步骤二、通过调整顶丝推动调整垫片对工件进行夹紧；

步骤三、工件固定后，开始对工件的内表面进行加工；

加工大深径比薄壁管元件的外表面时：

步骤一、将外表面加工夹具体的第一法兰安装在超精密机床上进行车削加工；

步骤二、把亚克力条的旋转外径加工到比工件的内径小3-4um；

步骤三、将工件套装在基体上；

步骤四、对工件外表面进行加工。

本发明的有益效果是：本发明通过亚克力条实现刚性夹具和硬脆管状元件的过度非刚性性连接，从而实现大深径比薄壁管状元件的超精密加工；

本发明的亚克力条经过超精密切削加工后，其顶部呈现圆弧形，增大亚克力条和工件的接触面积，降低单位面积的受力，实现管状元件和夹具的极小间隙配合，提高夹具的安装精度；

本发明的亚克力条的旋转外径比管状元件的内径小3-4um，极小的配合间隙给安装带来的困难，为了降低工件安装时的安装难度和避免在安装时候工件被夹具损伤，因此在钢基体和亚克力条的端部需在机床上加工出60^°斜角，降低安装的难度和避免安装时管状元件的端面部分被夹具磕出破碎边缘；本发明可以实现夹具的在位工件安装；夹具经过在超精密机床上加工之后其直线度和圆度都达到亚微米级，夹具在位安装有助于提高工件的安装精密，避免人工装调带来的安装误差；本发明解决了硬脆薄壁管状元件内表面超精密磨削加工时由于装夹应力集中化导致的装夹应变，加工完成应力释放后变形恢复，进而导致加工后的薄壁管状元件的圆度较差，而装夹应力过小，不足以抵消来自不同方向的磨削力，工件容易出震颤现象，难以实现硬脆薄壁管状元件超精密制造的问题；本发明所述装夹方法可实现大深径比薄壁管状元件1-2um的偏心误差，远远大于人工装调的安装精度，该方法通用性强，还可适用于各种轴套类零件在位安装。

附图说明

图1是外表面加工夹具体的主视图；

图2是外表面加工夹具体的俯视图；

图3是内表面加工夹具体的立体结构示意图；

图4是内表面加工夹具体的俯视图；

图5是调整垫片的结构示意图；

图6是调整顶丝的局部放大示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1至图6说明本实施方式，本实施方式所述一种大深径比薄壁管元件的超精密表面加工装夹装置包括外表面加工夹具体和内面表面加工夹具体，

所述外表面加工夹具体包括基体1、第一法兰2和多个亚克力条3，基体1是圆柱体，基体1竖直设置在第一法兰2的上表面，基体1的下端与第一法兰2上表面的中部固定连接，多个亚克力条3沿圆周方向均布固定安装在基体1的外壁上，且每个亚克力条3沿长度方向的中心线均与基体1的轴线平行，每个亚克力条3上沿其长度方向开有多个存胶槽3-1；

所述内表面加工夹具体包括筒体4、第二法兰5、多个调整垫片6和多个调整顶丝7，筒体4竖直设置在第二法兰5的上表面上，且筒体4的下端与第二法兰5上表面的中部固定连接，多个调整垫片6均布设置在筒体4的内壁上，筒体4的外壁上开有多个螺纹通孔，每个所述螺纹通孔内均插装一个调整顶丝7，且调整顶丝7的内端与调整垫片6的外侧面接触，筒体4的外壁上还开有多个涂胶窗4-1。

本实施方式中在工件安装之前，在全部的存胶槽5位置涂抹适量粘稠的AB胶，工件慢慢套进夹具时，四种不同位置的AB胶自动填充在亚克力条3和工件之间3-4um之间的配合间隙中，由于四周均分90°的位置都具有存胶槽且胶水相对粘稠，因此自动填充在亚克力条3和工件之间间隙内的胶水有助于自动校正工件安装偏心误差，该装夹方法可实现大深径比薄壁管状元件1-2um的偏心误差，远远大于人工装调的安装精度，该方法通用性强，还可适用于各种轴套类零件在位安装；

本实施方式中第一法兰2和第二法兰5的直径与基体的长度比例为1:1可有效的增强套筒的刚性等力学特性，避免在磨削过程中由于套筒探出过长刚性不足而产生变形。

具体实施方式二：结合图1至图6说明本实施方式，本实施方式所述一种大深径比薄壁管元件的超精密表面加工装夹装置的基体1的外壁上沿圆周方向均布设有多个亚克力条槽1-1，亚克力条3嵌装在亚克力条槽1-1内。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图1至图6说明本实施方式，本实施方式所述一种大深径比薄壁管元件的超精密表面加工装夹装置的每个亚克力条3的上端均设有斜面3-2，斜面3-2与水平面之间的夹角A为60°。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式四：结合图1至图6说明本实施方式，本实施方式所述一种大深径比薄壁管元件的超精密表面加工装夹装置，其特征在于：每个亚克力条3的外侧面设有外凸的第一圆弧曲面3-3。

具体实施方式五：结合图1至图6说明本实施方式，本实施方式所述一种大深径比薄壁管元件的超精密表面加工装夹装置的筒体4的内壁上开有多个调整垫片槽4-2，调整垫片6嵌装在调整垫片槽4-2内。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式六：结合图1至图6说明本实施方式，本实施方式所述一种大深径比薄壁管元件的超精密表面加工装夹装置的每个调整垫片6的内侧面设有内凹的第二圆弧曲面6-1。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式七：结合图1至图6说明本实施方式，本实施方式所述一种大深径比薄壁管元件的超精密表面装夹方法是通过如下步骤完成的：

加工大深径比薄壁管元件的内表面时：

步骤一、将工件插装在筒体4内；

步骤二、通过调整顶丝7推动调整垫片6对工件进行夹紧；

步骤三、工件固定后，开始对工件的内表面进行加工；

加工大深径比薄壁管元件的外表面时：

步骤一、将外表面加工夹具体的第一法兰2安装在超精密机床上进行车削加工；

步骤二、把亚克力条3的旋转外径加工到比工件的内径小3-4um；

步骤三、将工件套装在基体1上；

步骤四、对工件外表面进行加工。

每个调整垫片上作用两个调整顶丝，用于调整垫片的位置和姿态，进而调整工件的直线度和圆度，涂胶窗为用于工件的直线度和圆度调整到位之后进行涂胶再次固定的涂胶窗口，夹具基体四周90°均布，每个角度竖直方向有两个涂胶窗口，共计八个涂胶窗口；

本实施方式中顶丝7的旋紧采用对称定量圈数的方法，即工件装进夹具后，每个方向的顶丝7不能一次性旋紧，一个方位的顶丝7旋转固定的圈数后，再去旋紧其对称方向的顶丝，依据该方法，经过多次循环，实现对工件的夹紧抱持；

工件装夹直线度对加工完成后的工件质量具有非常大的影响，为了保证装夹后的工件具有良好的直线度，调整垫片和工件实现环抱夹紧之后通过调节90°均布四个方位且分成两层调整顶丝7来调节工件直线度水平，调节时通过机床自带的电感测微仪实时监测直线度偏差；

磨削过程中工件和砂轮相互接触导致件发生窜动造成直线度不佳，调整顶丝7对工件进行夹紧固定后，通过基体四周90°均布的八个涂胶窗口对工件粘涂AB胶进行二次固定，涂AB胶一方面加固工件和夹具基体链接的牢固性，其次也有助于吸收磨削加工过程中砂轮和工件接触的导致的震动。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种大深径比薄壁管元件的超精密表面加工装夹装置，其特征在于：所述一种大深径比薄壁管元件的超精密表面加工装夹装置包括外表面加工夹具体和内面表面加工夹具体，

所述外表面加工夹具体包括基体(1)、第一法兰(2)和多个亚克力条(3)，基体(1)是圆柱体，基体(1)竖直设置在第一法兰(2)的上表面，基体(1)的下端与第一法兰(2)上表面的中部固定连接，多个亚克力条(3)沿圆周方向均布固定安装在基体(1)的外壁上，且每个亚克力条(3)沿长度方向的中心线均与基体(1)的轴线平行，每个亚克力条(3)上沿其长度方向开有多个存胶槽(3-1)；

所述内表面加工夹具体包括筒体(4)、第二法兰(5)、多个调整垫片(6)和多个调整顶丝(7)，筒体(4)竖直设置在第二法兰(5)的上表面上，且筒体(4)的下端与第二法兰(5)上表面的中部固定连接，多个调整垫片(6)均布设置在筒体(4)的内壁上，筒体(4)的外壁上开有多个螺纹通孔，每个所述螺纹通孔内均插装一个调整顶丝(7)，且调整顶丝(7)的内端与调整垫片(6)的外侧面接触，筒体(4)的外壁上还开有多个涂胶窗(4-1)。

2.根据权利要求1所述一种大深径比薄壁管元件的超精密表面加工装夹装置，其特征在于：基体(1)的外壁上沿圆周方向均布设有多个亚克力条槽(1-1)，亚克力条(3)嵌装在亚克力条槽(1-1)内。

3.根据权利要求1所述一种大深径比薄壁管元件的超精密表面加工装夹装置，其特征在于：每个亚克力条(3)的上端均设有斜面(3-2)，斜面(3-2)与水平面之间的夹角(A)为60°。

4.根据权利要求1所述一种大深径比薄壁管元件的超精密表面加工装夹装置，其特征在于：每个亚克力条(3)的外侧面设有外凸的第一圆弧曲面(3-3)。

5.根据权利要求1所述一种大深径比薄壁管元件的超精密表面加工装夹装置，其特征在于：筒体(4)的内壁上开有多个调整垫片槽(4-2)，调整垫片(6)嵌装在调整垫片槽(4-2)内。

6.根据权利要求1所述一种大深径比薄壁管元件的超精密表面加工装夹装置，其特征在于：每个调整垫片(6)的内侧面设有内凹的第二圆弧曲面(6-1)。

7.一种大深径比薄壁管元件的超精密表面装夹方法，其特征在于：所述一种大深径比薄壁管元件的超精密表面装夹方法是通过如下步骤完成的：

加工大深径比薄壁管元件的内表面时：

步骤一、将工件插装在筒体(4)内；

步骤二、通过调整顶丝(7)推动调整垫片(6)对工件进行夹紧；

步骤三、工件固定后，开始对工件的内表面进行加工；

加工大深径比薄壁管元件的外表面时：

步骤一、将外表面加工夹具体的第一法兰(2)安装在超精密机床上进行车削加工；

步骤二、把亚克力条(3)的旋转外径加工到比工件的内径小3-4um；

步骤三、将工件套装在基体(1)上；

步骤四、对工件外表面进行加工。