CN111112662B - 一种薄壁工件加工用外夹紧装置 - Google Patents

一种薄壁工件加工用外夹紧装置 Download PDF

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Abstract

一种薄壁工件加工用外夹紧装置,涉及机械加工技术领域,包括动力卡盘,在每个卡爪的端面上固定连接有定位销轴,在定位销轴的轴肩与卡爪之间安装有调心板,调心板设置有定位孔与定位销轴转动配合安装。在径向中分线两侧设置有相同条数、不同形状的分隔切缝,从而将调心板内圆弧分隔出多个用于夹持薄壁工件外圆柱面的夹持弹爪。夹持弹爪包括形变臂和夹持臂,夹持臂位于形变臂的悬臂端,夹持臂在相同的径向力作用下形变臂的形变位移相同。本发明能够对薄壁工件自动调心,且可降低夹紧形变,提高薄壁轴套类工件机加工的内外圆度和同心度。

Description

一种薄壁工件加工用外夹紧装置
技术领域
本发明涉及机械加工技术领域,尤其是涉及一种薄壁工件加工用外夹紧装置。
背景技术
薄壁轴套类工件(下文简称薄壁工件)在粗加工后、精加工前会出现各种形变,尤其是在热处理后会出现较大的不圆形变。通常的加工工艺是在粗加工后,以薄壁工件的内圈或外圈为定位基准,采用精车、磨削等方式加工相对的圆面,然后再以相对的已加工圆面为定位基准,加工原定位面,加工后要求保证内外圈的圆度、同心度不超差。公知的夹紧装置如三爪卡盘、四爪卡盘,无论以薄壁工件的内圈或外圈为定位基准,都存在下面的问题:
1、粗加工或热处理后,薄壁工件会有较大的不圆形变,因为形变是不规则形的,因此每件薄壁工件的几何轴心都不一样,如果用公知的夹紧装置,则不能保证夹紧装置的轴心就是工件的几何轴心。因为工件在精加工前通常留有较小的加工余量,如果夹紧装置的轴心与工件的几何轴心偏差较大,则会造成工件因切削面不完整而报废,即便工件的切削面完整,也会因刀具在工件各部位切削量的不同,而使薄壁工件产生加工形变。
2、公知的夹紧装置在夹紧薄壁工件时,夹紧力小时则夹不紧薄壁工件,夹紧力大时则会在薄壁工件夹紧处产生较大形变,去掉夹紧力后该夹紧部位会产生回弹,使加工面圆度超差。如果再以这个加工面为定位基准加工相对圆面,则会造成薄壁工件壁厚不均,内外圆不同心。
现有技术对要求精度较高的薄壁工件通常采取增强薄壁工件刚度的方式,规避薄壁工件在夹紧过程中发生的形变。例如在薄壁工件端部加装工艺盖板,增强薄壁工件刚性,加工后去掉工艺盖板;再例如某薄壁关节轴承套圈在内圈内设计工艺筋以增加刚性,保证在公知夹紧装置的夹紧下不发生较大形变,套圈加工完成后,再车削掉工艺筋。显然,这种规避薄壁工件夹紧形变的方式、方法都有一定的局限性。
发明内容
解决背景技术问题的关键,一是要解决薄壁工件几何轴心与机床主轴中心同轴问题。夹紧装置的轴心、包括动力卡盘的轴心,都比较容易通过调整保证与机床主轴轴心同轴,关键问题是保证薄壁工件几何轴心与夹紧装置轴心同轴; 二是要解决夹紧形变造成的薄壁工件壁厚不均,内外圆不同心问题。对于薄壁工件来说,就是要保证最大的夹持接触面,以及保证所有夹持接触面上施加的力尽可能的相同、而且尽可能的小。
为解决上述技术问题,本发明以薄壁工件的外圈为定位基准,并以实现外圈自调心、防夹紧形变的夹紧装置为目标对象,公开一种薄壁工件加工用外夹紧装置。
为实现上述发明目的,本发明采用如下技术方案:
一种薄壁工件加工用外夹紧装置,包括动力卡盘,所述动力卡盘具有至少三个卡爪,在每个卡爪上均设置有定位销轴,所述定位销轴的轴线平行于动力卡盘的轴线,且关于动力卡盘的轴线等间距圆周分布;在定位销轴上安装有绕定位销轴摇摆的调心板,所述调心板上设有多个不同形状的分隔切缝,将调心板分隔出多个用于夹持薄壁工件外圆柱面的夹持弹爪;所述夹持弹爪包括非径向延伸的形变臂和沿径向向薄壁工件延伸的夹持臂,夹持臂位于形变臂的悬臂端;在相同的径向力作用下,各夹持弹爪夹持臂的径向形变位移量相同。
优选的,所述调心板为内外圆弧同心的扇形板,在扇形板板面内圆弧的径向中分线上设置有定位孔,所述调心板通过定位孔与定位销轴摇摆转动配合。
优选的,所述定位销轴远离动力卡盘的一端设置有用于对调心板进行轴向限位的轴肩,扇形板的内板面与卡爪贴合,外板面与轴肩贴合。
优选的,在调心板的扇形板面上、位于内圆弧的中间部位设有槽型缺口,在径向中分线的两侧设有相同条数、不同形状的分隔切缝,所述分隔切缝的一端设在调心板内,另一端开口于内圆弧侧。
优选的,所述分隔切缝包括周向分隔段和径向分隔段,周向分隔段从靠近径向中分线的一端沿调心板的周向朝远离径向中分线的一端延伸,径向分隔段的一端与对应周向分隔段的末端衔接,另一端沿调心板的径向延伸并开口于调心板的内圆弧面;分隔切缝为多条,多条分隔切缝的周向分隔段从内圆弧侧到外圆弧侧同心排列。
优选的,所述周向分隔段远离径向中分线一端的限位段切缝宽度小于周向分隔段的其余部分。
优选的,所述周向分隔段靠近径向中分线的一端设有工艺圆孔。
优选的,所述调心板在板面的两侧部位各设有一个止退切缝,止退切缝沿着调心板的周向设置,开口端远离径向中分线,且两止退切缝关于径向中分线对称。
优选的,所述夹持弹爪的内圆弧面上设置有摩擦材料。
优选的,所述调心板材质为弹簧钢。
由于采用如上所述技术方案,本发明具有如下有益效果:
有益效果一:多个调心板可绕各自的定位销轴摆动,并通过各自夹持弹爪多点摇摆接触薄壁工件,使薄壁工件自身的几何轴心与本发明的夹紧装置轴心相重合,实现薄壁工件的自调心功能,从而克服薄壁工件自身不圆度造成的薄壁工件几何轴心与机床主轴轴心不重合问题(本发明在安装到机床上时已经调整夹紧装置轴心与机床主轴心相重合);
有益效果二:每一个形变臂形状之所以不同,是因为通过对形变臂受力形变计算,使每个夹持弹爪在相同的径向力作用下,夹持臂径向形变量在一定范围内相同而设计的。这样,一方面通过夹持弹爪与薄壁工件的接触形变,使每个夹持弹爪都能充分接触薄壁工件的夹持面,成倍增大了接触面积,也成倍降低了薄壁工件单位接触面积上的夹紧力;另一方面,径向形变量在一定范围内相同,各夹持弹爪施加的夹紧力也基本相同,所以可以保证薄壁工件单位接触面积上的夹紧力也基本相同。通过这两方面措施的实施,可成倍降低薄壁工件夹持面因受力不均而造成的夹紧形变。
附图说明
图1为本发明的主视结构示意图(图中仅示意出动力卡盘的卡爪,未示意出动力卡盘的其余部分)。
图2为图1的轴侧视结构示意图。
图3为本发明中调心板的结构示意图。
图中:1、卡爪;2、定位销轴;2.1、轴肩;3、调心板;3.1A、周向分隔段;3.1B、径向分隔段;3.1C、限位段;3.2、夹持弹爪;3.21、形变臂;3.22、夹持臂;3.3、止退切缝;3.4、工艺圆孔;3.5、定位孔;3.6、槽型缺口;4、薄壁工件;5、径向中分线。
具体实施方式
通过下面的实施例,结合附图可以详细的解释本发明,公开本发明的目的旨在保护本发明范围内的一切技术改进。
如图1-3所示,一种薄壁工件加工用外夹紧装置,包括具有三个卡爪1的动力卡盘。在每个卡爪1的轴向端面上均设有定位螺纹孔,在每个定位螺纹孔内螺接有定位销轴2,在定位销轴2的轴肩2.1与卡爪1之间安装有调心板3。薄壁工件4为薄壁轴承的内外套圈,热处理后发生较大的形变。
调心板3为内外圆弧同心的扇形板,在板面上的内圆弧径向中分线5上设有定位孔3.5与定位销轴2摇摆转动配合,定位销轴2的轴线平行于动力卡盘轴线,且关于动力卡盘的轴心同径等间距分布,实现了本夹紧装置轴心与动力卡盘轴心的同轴。
扇形板的内板面与卡爪1贴合,外板面与轴肩2.1贴合,实现了对调心板3的轴向限位。调心板3上的定位孔3.5与定位销轴2摇摆转动配合,使多个调心板3可绕各自的定位销轴2摆动,并通过各自夹持弹爪3.2多点摇摆接触薄壁工件4,使薄壁工件4自身的几何轴心与本夹紧装置的轴心相重合,实现薄壁工件4的自调心功能。
在调心板3的板面上、位于内圆弧中间部位设置有槽型缺口3.6,在径向中分线5两侧设置有相同条数、不同形状的分隔切缝3.1,分隔切缝3.1的一端设在调心板3内,另一端开口于扇形内圆弧侧,从而将调心板3分隔出多个用于夹持薄壁工件4外圆柱面的夹持弹爪3.2。夹持弹爪3.2包括沿调心板3周向向外延伸的形变臂3.21和沿径向向内圆弧延伸的夹持臂3.22,夹持臂3.22位于形变臂3.21的悬臂端,夹持臂3.22的内圆弧面与薄壁工件4外圆柱面同轴同径设置。夹持弹爪3.2的夹持臂3.22在相同的径向力作用下,夹持臂3.22的径向形变位移量相同。槽型缺口3.6、夹持弹爪3.2关于径向中分线5对称设置。
所述分隔切缝3.1具体形状不限定,只要满足能够将调心板3分隔出多个用于夹持薄壁工件4外圆柱面的夹持弹爪3.2,且所述夹持弹爪3.2满足以下条件,即可达到相同技术效果:
条件一、每一个夹持弹爪3.2包括沿调心板3周向延伸的形变臂3.21和位于形变臂3.21的悬臂端、沿径向向内圆弧延伸的夹持臂3.22;夹持臂3.22的内圆弧面与薄壁工件4外圆柱面同轴同径设置。
条件二、每一个夹持弹爪3.2的夹持臂3.22在相同的径向力作用下,夹持臂3.22的径向形变位移量相同。
本实施例中,调心板3的材质为回火65Mn,通过公知的应力分析软件设计出各分隔切缝3.1的切缝形状,使分隔切缝3.1分割出来的每个夹持弹爪3.2在相同力作用下,在径向方向的形变量在一定范围内基本相同。具体到本实施例中,运用solidworks自带的simulationxpress应力分析模块设计出的分隔切缝3.1形状如下:分隔切缝3.1包括周向分隔段3.1A和径向分隔段3.1B,周向分隔段3.1A从靠近径向中分线5的一端沿调心板3周向朝远离径向中分线5的一端延伸设置,径向分隔段3.1B与相应的周向分隔段3.1A末端相衔接,沿调心板3的径向延伸并开口于调心板3的扇形内弧面。本实施例在每个调心板3的夹爪部上设有两个不同的分隔切缝3.1,从而将每个夹爪部隔成三个夹持弹爪3.2,两条分隔切缝3.1的周向分隔段3.1A从内圆弧侧到外圆弧侧同心排列,依次变远,每条分隔切缝3.1整体大致为L形。
上述实施例实施后可产生以下两个优点:一是当薄壁工件4有不圆形变时,每个夹持弹爪3.2在夹紧过程中,夹持弹爪3.2通过弹性形变可保证其接触面与薄壁工件4外圆柱面充分接触,接触面积比公知的动力卡盘增大数倍;二是在夹持弹爪3.2夹紧薄壁工件4后,各夹持弹爪3.2在受力下会发生一定范围内的形变,因为夹持弹爪3.2在相同的径向力作用下,夹持臂3.22径向形变量在一定范围内相同,那么反过来说,径向形变量在一定范围内相同,各夹持弹爪3.2施加的夹紧力也基本相同,这样可以保证薄壁工件4单位接触面积上的夹紧力基本相同。通过这两方面措施的实施,可成数倍地降低薄壁工件4单位接触面积上的夹紧力,同时也避免了各接触面因受力不均而对薄壁工件4造成的夹紧形变。
薄壁工件4在加工过程中会出现刀具切削到材质中的硬点,这时会造成径向切削力突然增大,如果径向切削力大于夹持弹爪3.2向薄壁工件4施加的夹紧力时,夹持弹爪3.2就会发生径向后退,以致夹不紧薄壁工件4。为防止这种情况发生,本具体实施方式中,采取周向分隔段3.1A远离径向中分线5端的限位段3.1C切缝宽度小于周向分隔段3.1A的其余部分,在每个调心板3上靠近扇形外圆弧的部位还设有止退切缝3.3,止退切缝3.3沿着调心板3的周向设置,开口端远离径向中分线5的技术方案。在该技术方案中,限位段3.1C的切缝宽度控制在夹持弹爪3.2合理的弹性形变区间内,当上述情况发生时,夹持弹爪3.2发生径向后退,贴合在相邻夹持弹爪3.2的限位段3.1C,会成倍地增加夹持弹爪3.2的刚性。当贴合在一起的触弹爪3.2还发生径向后退,则会贴合到止退切缝3.3,再次增加对薄壁工件4的夹持刚度,从而保证薄壁工件4遇到加工硬点时,合理避让而不脱离夹持。
为了增强本发明的使用可靠性,避免应力集中对调心板3造成的损坏,在每个周向分隔段3.1A靠近径向中分线5的一端设有工艺圆孔3.4。
为了保证薄壁工件4最终加工后,各形位公差不超差,对薄壁工件4的夹紧力是控制在一定范围内的。刀具切削薄壁工件4会产生一个径向切削力和一个切向切削力,不同的切削参数产生不同的径向切削力和切向切削力。本实施例中,各调心板3是安装在液压动力卡盘的卡爪上的,调整液压缸控制参数,使各夹持弹爪3.2对薄壁工件4的夹紧力控制在薄壁工件4最终加工后各形位公差不超差的范围内,然后通过调整切削参数,使刀具对薄壁工件4的径向切削力小于各夹持弹爪3.2对薄壁工件4的夹紧力。为了保证薄壁工件4在切向切削力作用下不发生打滑、旋转,在不增大对薄壁工件4径向夹紧力的前提下,可通过增大摩擦系数,增加对薄壁工件4的切向夹持力。增大夹持弹爪3.2与薄壁工件4之间摩擦系数的方式有很多种,为了防止薄壁工件4表面压伤,本实施例中,在每个夹持弹爪3.2的内圆弧面上均粘接有石棉纤维摩阻材料,以增大对薄壁工件4的夹持摩擦力。作为备用方案,也可通过调整切削参数来降低刀具对薄壁工件4的切向切削力。
采用本发明装夹薄壁工件4的工作过程如下:
放入薄壁工件4,通过卡爪1的轴向端面对薄壁工件4进行端面定位,液压动力盘的卡爪1收缩,通过定位销轴2带动调心板3与薄壁工件4外径接触,将薄壁工件4夹持在三个调心板3之间,并夹紧薄壁工件4。
在上述过程中,由于调心板3的特殊结构,多个调心板3可绕各自的定位销轴2摆动,通过各自夹持弹爪3.2多点摇摆接触,使薄壁工件4自身的几何轴心与本发明的夹紧装置轴心相重合,实现薄壁工件4的自调心功能,从而克服薄壁工件4自身不圆度造成的薄壁工件4轴心与机床主轴轴心不重合问题。
另外,每一个夹持弹爪3.2的切缝形状之所以不同,是因为通过受力形变计算,使每个夹持弹爪3.2在相同的夹紧力下,径向形变量相同而设计的。这样可在保证较小夹紧力夹紧薄壁工件4的前提下,通过夹持弹爪3.2的弹性形变增大接触面积,分散压强,还可保证薄壁工件4受到的夹紧力均匀,避免薄壁工件4在夹紧时发生夹紧形变。
需要说明的是,上述实施方式仅用来说明本发明 ,但本发明并不局限于上述实施方式,凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所作的任何简单修改、等同变化与修饰,均落入本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种薄壁工件加工用外夹紧装置,包括动力卡盘,所述动力卡盘具有至少三个卡爪(1),其特征是:在每个卡爪(1)上均设置有定位销轴(2),所述定位销轴(2)的轴线平行于动力卡盘的轴线,且关于动力卡盘的轴线等间距圆周分布;在定位销轴(2)上安装有绕定位销轴(2)摇摆的调心板(3),所述调心板(3)上设有多个不同形状的分隔切缝(3.1),将调心板(3)分隔出多个用于夹持薄壁工件(4)外圆柱面的夹持弹爪(3.2);所述夹持弹爪(3.2)包括非径向延伸的形变臂(3.21)和沿径向向薄壁工件(4)延伸的夹持臂(3.22),夹持臂(3.22)位于形变臂(3.21)的悬臂端;在相同的径向力作用下,各夹持弹爪(3.2)夹持臂(3.22)的径向形变位移量相同。
2.如权利要求1所述一种薄壁工件加工用外夹紧装置,其特征是:所述调心板(3)为内外圆弧同心的扇形板,在扇形板板面内圆弧的径向中分线(5)上设置有定位孔(3.5),所述调心板(3)通过定位孔(3.5)与定位销轴(2)摇摆转动配合。
3.如权利要求2所述一种薄壁工件加工用外夹紧装置,其特征是:所述定位销轴(2)远离动力卡盘的一端设置有用于对调心板(3)进行轴向限位的轴肩(2.1),扇形板的内板面与卡爪(1)贴合,外板面与轴肩(2.1)贴合。
4.如权利要求2所述一种薄壁工件加工用外夹紧装置,其特征是:在调心板(3)的扇形板面上、位于内圆弧的中间部位设有槽型缺口(3.6),在径向中分线(5)的两侧对称地设有相同条数、不同形状的分隔切缝(3.1),所述分隔切缝(3.1)的一端设在调心板(3)内,另一端开口于内圆弧侧。
5.如权利要求4所述一种薄壁工件加工用外夹紧装置,其特征是:所述分隔切缝(3.1)包括周向分隔段(3.1A)和径向分隔段(3.1B),周向分隔段(3.1A)从靠近径向中分线(5)的一端沿调心板(3)的周向朝远离径向中分线(5)的一端延伸,径向分隔段(3.1B)的一端与对应周向分隔段(3.1A)的末端衔接,另一端沿调心板(3)的径向延伸并开口于调心板(3)的内圆弧面;分隔切缝(3.1)为多条,多条分隔切缝(3.1)的周向分隔段(3.1A)从内圆弧侧到外圆弧侧同心排列。
6.如权利要求5所述一种薄壁工件加工用外夹紧装置,其特征是:所述周向分隔段(3.1A)远离径向中分线(5)一端的限位段(3.1C)切缝宽度小于周向分隔段(3.1A)的其余部分。
7.如权利要求5或6中任一权利要求所述一种薄壁工件加工用外夹紧装置,其特征是:所述周向分隔段(3.1A)靠近径向中分线(5)的一端设有工艺圆孔(3.4)。
8.如权利要求4或5或6中任一权利要求所述一种薄壁工件加工用外夹紧装置,其特征是:所述调心板(3)在板面的两侧部位各设有一个止退切缝(3.3),止退切缝(3.3)沿着调心板(3)的周向设置,开口端远离径向中分线(5),且两止退切缝(3.3)关于径向中分线(5)对称。
9.如权利要求1所述一种薄壁工件加工用外夹紧装置,其特征是:所述夹持弹爪(3.2)的夹持面上设置有摩擦材料。
10.如权利要求1所述一种薄壁工件加工用外夹紧装置,其特征是:所述调心板(3)材质为弹簧钢。
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