CN111702402B - 一种可调式管件工装夹具 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可调式管件工装夹具，包括上夹持件和下夹持件，其中，下夹持件上开设有横穿下夹持件上表面的第一凹槽，第一凹槽内沿延伸方向设置有多个滚珠；下夹持件的内部包括气路通道，气路通道包括进气口和多个出气口，多个出气口均位于第一凹槽的底部，且滚珠对应设置在出气口的上方以使得气路通道通气时将滚珠向上顶起预设距离；上夹持件固定在下夹持件上方，且上夹持件的下表面沿第一凹槽延伸方向开设有开口用以容纳待夹持的管件，多个滚珠均位于开口的下方。该可调式管件工装夹具结构紧凑，能够快速实现对需要旋转和移动的管件的装夹，并且可以有效减小夹持过程及后续加工过程中管件表面的磨损和划伤。

Description

一种可调式管件工装夹具

技术领域

本发明属于激光加工技术领域，具体涉及一种可调式管件工装夹具。

背景技术

激光加工可以用来制造微米级或更小的微型结构，通常对精度要求比较高。在激光加工过程中，通常会涉及一些易损伤、易变形的微型管件类工件的加工。在对这类微型管件类工件进行装夹时，必须保证工件不会发生损伤变形，特别是要保证管件在后续激光加工中进行周向旋转和轴向移动时不会发生形变和表面划伤。

目前，对于微型管件类工件的装夹大部分采用机械装夹的方式，比如压板、张紧等方式，例如三抓卡盘。一方面，此类装夹工具由于施加的外力不能精确控制，容易导致管件的变形；另一方面，此类装夹工具通常装夹贴合面较为粗糙，装夹时与管件表面直接接触，容易使管件表面出现划痕，影响管件的表面质量。

此外，在管件夹持之后的激光加工过程中，管件通常要进行轴向移动和周向旋转运动，管件与夹具之间存在滚动摩擦和滑动摩擦，摩擦力的大小取决于夹具与管件接触时的摩擦系数以及施加的外力，当摩擦力过大时，管件表面也会出现划伤现象，导致加工达不到要求。

发明内容

为了减小管件夹持和后续加工过程中表面的变形和划伤，本发明提供了一种可调式管件工装夹具。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

本发明提供了一种可调式管件工装夹具，包括上夹持件和下夹持件，其中，所述下夹持件上开设有横穿所述下夹持件上表面的第一凹槽，所述第一凹槽内沿延伸方向设置有多个滚珠；

所述下夹持件的内部包括气路通道，所述气路通道包括进气口和多个出气口，所述多个出气口均位于所述第一凹槽的底部，且所述滚珠对应设置在所述出气口的上方以使得所述气路通道通气时将所述滚珠向上顶起预设距离；

所述上夹持件固定在所述下夹持件上方，且所述上夹持件的下表面沿所述第一凹槽的延伸方向开设有开口用以容纳待夹持的管件，所述多个滚珠均位于所述开口的下方。

在本发明的一个实施例中，所述可调式管件工装夹具还包括设置在所述第一凹槽内的滚珠固定座，其中，所述滚珠固定座的上表面开设有用于容纳所述滚珠的滚珠容纳槽，所述气路通道的出气口穿过所述滚珠固定座的下表面与所述滚珠容纳槽连通。

在本发明的一个实施例中，所述滚珠容纳槽的高度大于所述滚珠的直径。

在本发明的一个实施例中，所述滚珠和所述滚珠固定座的数量相同，多个所述滚珠固定座沿所述第一凹槽的延伸方向均匀设置，每个所述滚珠固定座内设置有一个所述滚珠。

在本发明的一个实施例中，所述可调式管件工装夹具还包括底座和连接支架，其中，所述下夹持件设置在所述底座上；所述连接支架为L型支架，包括相互垂直的第一连接部和第二连接部，所述第一连接部通过紧固件连接至所述下夹持件，所述第二连接部通过紧固件连接至所述底座。

在本发明的一个实施例中，所述进气口通过外接的气体管道连接至气源装置，所述气体管道上设置有流量调节阀以调节施加在所述滚珠上的气压。

在本发明的一个实施例中，所述气压的大小在0.01MPa-0.8MPa的范围内。

在本发明的一个实施例中，所述可调式管件工装夹具还包括压盖，所述压盖固定连接在所述下夹持件的上表面，且所述上夹持件卡接在所述压盖与所述下夹持件之间。

在本发明的一个实施例中，所述压盖的下表面开设有第二凹槽；所述上夹持件为T型结构，并且所述上夹持件的上端容纳在所述第二凹槽中，下端容纳在所述第一凹槽中。

在本发明的一个实施例中，所述上夹持件由PEEK或聚四氟乙烯材料制成。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明的可调式管件工装夹具通过向设置在下夹持件中的气路通道中通入气体，向滚珠施加一定的压力，利用滚珠向上的力将管件夹持在上夹持件与下夹持件之间。该可调式管件工装夹具通过调节气路通道中的气压，可以调节施加在管件上的力，减小夹持过程及后续加工过程中管件表面的磨损和划伤。

2、本发明的可调式管件工装夹具可以根据待装夹的管件的直径和材料选择具有不同开口尺寸和材料的上夹持件，可以实现对不同材料和尺寸的管件的装夹定位。

3、本发明的可调式管件工装夹具，结构紧凑，能够快速地实现对需要旋转和移动的管件类工件的装夹。

以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种可调式管件工装夹具的剖视图；

图2是本发明实施例提供的一种可调式管件工装夹具的立体图；

图3是本发明实施例提供的一种气路通道的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的一种滚珠固定座的剖视图；

图5是本发明实施例提供的一种可调式管件工装夹具的工作原理图。

附图标记说明：

1-上夹持件；11-开口；2-下夹持件；21-第一凹槽；22-气路通道；221-进气口；222-出气口；223-主气路；224-支气路；3-滚珠；4-管件；5-滚珠固定座；51-滚珠容纳槽；52-通孔；6-底座；7-连接支架；71-第一连接部；72-第二连接部；8-压盖；81-第二凹槽。

具体实施方式

为了进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及具体实施方式，对依据本发明提出的一种可调式管件工装夹具进行详细说明。

有关本发明的前述及其他技术内容、特点及功效，在以下配合附图的具体实施方式详细说明中即可清楚地呈现。通过具体实施方式的说明，可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效进行更加深入且具体地了解，然而所附附图仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明的技术方案加以限制。

应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。

请一并参见图1至图3，图1是本发明实施例提供的一种可调式管件工装夹具的剖视图；图2是本发明实施例提供的一种可调式管件工装夹具的立体图；图3是本发明实施例提供的一种气路通道的结构示意图。该可调式管件工装夹具包括上夹持件1和下夹持件2，其中，下夹持件2上开设有横穿下夹持件2上表面的第一凹槽21，第一凹槽21内沿其延伸方向设置有多个滚珠3。下夹持件2的内部包括气路通道22，气路通道22包括进气口221和多个出气口222，多个出气口222均位于第一凹槽21的底部，且滚珠3对应设置在出气口222的上方以使得气路通道22通气时将滚珠3向上顶起一定的距离；上夹持件1固定在下夹持件2上方，且上夹持件1的下表面沿第一凹槽21的延伸方向开设有开口11用以容纳待夹持的管件4，多个滚珠3均位于开口11的下方，以在加紧状态下将待夹持的管件4固定在开口11与滚珠3之间。示例性地，若待夹持的管件4是圆柱形管件，则管件4的顶部与上夹持件1为线接触，管件4的底部与多个滚珠3的顶部形成多点接触，从而能够将管件4稳定地卡在上夹持件1与滚珠3之间。由于管件4的底部与多个滚珠3的顶部为点接触，可以减小管件4与夹具的接触面积，从而能够减小管件表面的磨损和划伤。需要说明的是，本实施例的可调式管件工装夹具也可以用来夹持截面为其他形状的管件，例如截面为矩形、三角形、梯形或不规则形状等，这里不做限制。

进一步地，该可调式管件工装夹具还包括设置在第一凹槽21内的多个滚珠固定座5，所述多个滚珠固定座5沿第一凹槽21的延伸方向均匀设置且均固定在第一凹槽21的下表面上。更进一步地，滚珠3和滚珠固定座5的数量相同，请参见图4，图4是本发明实施例提供的一种滚珠固定座的剖视图。本实施例的滚珠固定座5的上表面开设有用于容纳滚珠3的滚珠容纳槽51，每个滚珠固定座5用于容纳一个滚珠3，以限制滚珠3水平方向上的运动。在本实施例中，滚珠容纳槽51为立方体结构，其边长略大于滚珠3的直径，以保证滚珠3能够在滚珠容纳槽51内部进行原地滚动同时不会进行较大程度地水平运动。在其他实施例中，滚珠容纳槽51也可以是上半部分为立方体，下半部分为半球形的结构等。在滚珠固定座5的限制和下方气体的作用下，滚珠3仅能在竖直方向运动以及在滚珠固定座5内部原地滚动。优选地，滚珠固定座5的上表面与上夹持件1的下表面接触，此外，滚珠容纳槽51的高度略大于滚珠3的直径，以使管件能够在装夹时顺利安装。

进一步地，气路通道22的出气口222穿过滚珠固定座5的下表面与滚珠容纳槽51连通。具体地，如图4所示，在滚珠固定座5的下表面开设有通孔52，通孔52连通滚珠容纳槽51与出气口222，以使来自出气口222的气体能够均匀地吹向滚珠3的下表面。

请参见图5，图5是本发明实施例提供的一种可调式管件工装夹具的工作原理图。在实际装夹过程中，管件4位于上夹持件1的开口11与滚珠3之间，进气口221通过外接的气体管道(附图中未示出)连接至气源装置，打开气源装置，将具有一定压力的压缩气体通过进气口221通入气路通道22中，再通过气路通道22的多个出气口222吹向各个滚珠3的底部，使得滚珠3受到压缩空气施加的力而向上运动一定的距离与管件4的底部接触，多个滚珠3将同时向管件4施加向上的力，使得管件4加紧定位在开口11中。

需要说明的是，为了实现精度较高的装夹，开口11的深度或角度与管件4直径相关。开口11的角度过大或者深度不匹配，容易使管件4发生弯曲，这样会在加工时产生新的误差。一般情况下，开口11的宽度和管件4的直径相等，或者根据具体的情况确定。原则上是既要保证安装管件4时所需的间隙，还要保证管件4在夹持时不发生弯曲。在本实施例中，开口11可以是从小向上宽度逐渐缩小的V形槽，或者可以是截面尺寸略大于管件4的直径的矩形槽或圆柱形槽，从而将管件4固定在开口11与滚珠3之间，同时保证管件4能灵活地进行轴向移动和周向旋转。

在加工薄壁类管件或微型管件时，管件受到外力极易发生变形。因此优选地，在所述外接气体管道上设置有流量调节阀，用于调节通入气路通道22内的气压，以调节施加在滚珠3上的气压，进而调节管件4所承受的夹持力。所述流量调节阀可以是手动流量调节阀或者电磁阀等，这里不做限制。优选地，对于薄壁类管件或微型管件，施加在滚珠3上的气压可在0.01MPa-0.8MPa范围内调节。在本实施例中，滚珠3和滚珠固定座5的数量均为三个，每个滚珠固定座5内设置有一个滚珠3。三个滚珠的尺寸相同，三个滚珠固定座5的结构和尺寸也完全相同。相应地，请参见图3，气路通道22包括主气路223和与主气路223连通的三个支气路224，来自气源装置的气体由进气口221进入下夹持件2内部的气路通道22，随后由主气路223分成三路气体分别经过三个支气路224通向相应位置的滚珠3。在本实施例中，主气路223和支气路224具有相同的直径，以保证施加在每个滚珠3上的力是相同的。在其他实施例中，也可以设计成三个支气路224具有相同且较小的直径，而主气路223具有较大的直径。此外，外接的气体管道与进气口221以气密性密封的方式连接，防止漏气，以保证气体向滚珠3施加足够的压力，同时保证该夹具不漏气。此外，由于下夹持件2体积较小，内部气路排布较难，可通过机加实现。

在管件4夹持之后的加工过程中，由于管件4需要进行轴向移动和周向旋转运动，管件4与上夹持件1之间存在滚动和滑动摩擦，摩擦力的大小取决于管件4与上夹持件1的摩擦系数以及施加的外力，当摩擦力过大时，管件4表面容易划伤，使得加工达不到要求。鉴于此，所选上夹持件1的材料具有的特点是：该材料与管件4接触时摩擦系数较小，且易通过机械加工成型。在本实施例中，如果管件4为金属材料管，则上夹持件1的材料可以选择PEEK(poly-ether-ether-ketone，聚醚醚酮)或聚四氟乙烯等。此类材料的特征是与金属材料管件做相对运动时摩擦系数较低，对管件的表面损伤较小，另外，机械加工性能较好，易于加工。另外，根据管件4的表面要求和材料，上夹持件1的材料还可以选择铜合金和铝合金等。

需要说明的是，对于不同规格的管件4可以选择不同规格的滚珠3，类似地，不同规格的滚珠3可以选择不同规格的滚珠固定座5。

现以待夹持的管件是即将进行激光加工的微型管件为例进行说明，假设该微型管件的支撑筋和连接筋的径宽一致性范围要求在±5μm之内，管件外环半径R＝0.9mm，壁厚＝0.14mm，剪切弹性模量G＝80GPa、材料为不锈钢、从夹具中伸出的长度l＝0.1m，角度误差为

其中，角度误差

可以通过管件的径宽一致性要求进行计算。

该微型管件的抗扭惯性矩公式为：

其中，D为该微型管件的外环直径(mm)，d为该微型管件的内环直径(mm)，M_τ为扭矩(N·m)。

根据上式得出扭矩M_τ＝5×10^-4N·m，接着根据扭矩M_τ可以获得抗扭截面模数W_τ：

其中，τ_max表示扭矩作用下的最大切应力(Pa)，W_τ表示抗扭截面模数(m³)，τ_ρ表示材料许用切应力(Pa)。

根据上式可以得出最大切应力τ_max＝1.8MPa小于材料许用切应力τ_p。

由于扭矩主要由摩擦力产生，因此摩擦力F可以表示为：

可以得出摩擦力F为0.06N，假设管件与夹具之间的摩擦系数μ为0.3，则得出正压力M＝f/μ＝0.2N，随后可以将该正压力M换算为气压值。假设滚珠半径γ为2mm(滚珠重力可忽略不计)，则：

滚珠的截面积为:S＝πγ²＝1.2×10^-6m²，

气压值

在本实施例中，由于滚珠的数量为三个，因此施加在每个滚珠上的气压大小为

也就是说，当在该微型管件表面施加0.16Mpa向上的力时，在后续的激光加工过程中，即可保证该微型管件正常旋转、轴向移动而不发生明显形变。根据实际情况，外直径1.8mm的管件若使用直径为5mm左右的滚珠，则施加在每个滚珠上的气压则为0.063Mpa。也就是说，可以根据微型管件的尺寸和表面质量要求，灵活地更换不同规格的滚珠、不同开口尺寸的上夹持件以及调节施加在滚珠上的气压值，可以实现对不同材料和尺寸的管件的装夹定位。

进一步地，继续参见图1和图2，该可调式管件工装夹具还包括底座6和连接支架7。底座6固定安装在水平平台上，例如可以通过紧固件紧固在水平平台上，以保持在管件加工过程中该夹具的水平和稳定。下夹持件2通过紧固件或者其他紧固方式固定安装在底座6上。如图2所示，本实施例的连接支架7为L型支架，包括相互垂直的第一连接部71和第二连接部72，第一连接部71通过紧固件连接至下夹持件2，第二连接部72通过紧固件连接至底座6，从而将下夹持件2和底座6紧固在一起。优选地，本实施例包括两个连接支架7，具体地，本实施例的底座6的宽度大于下夹持件2的宽度，当下夹持件2设置在底座6上时，在下夹持件2的左右两侧各形成一个台阶，则在所述台阶处各设置有一个连接支架7，通过两个连接支架7以将下夹持件2牢固地固定在底座6的上表面。

进一步地，本实施例的可调式管件工装夹具还包括压盖8，压盖8固定连接在下夹持件2的上表面，且上夹持件1卡接在压盖8与下夹持件2之间。压盖8的下表面开设有第二凹槽81；上夹持件1为T型结构，其上端容纳在第二凹槽81中，下端容纳在第一凹槽21中。

在本实施例中，上夹持件1的下表面与滚珠固定座5接触，滚珠固定座5的底部受到气压作用，会导致滚珠固定座5产生微小晃动。为防止其晃动，上夹持件1小表面顶在滚珠固定座5的上端面，并用压盖8压紧。同时，下夹持件2通过连接支架7固定在底座6上，进一步防止其在工作时产生明显振动。底座6上端面需具有一定的平面度，例如装夹长度为20mm，径宽一致性要求为±5微米，则平面度为0.02微米即可满足要求。平面度的主要决定参数为管件的加工精度，保证下夹持件2水平安装。

此外，本实施例的压盖8的两侧通过螺钉固定在下夹持件2上，内部凹槽可实现对上夹持件1的固定，防止滚珠固定座5或滚珠3向上运动将上夹持件1顶歪，影响加工精度。

本实施例的可调式管件工装夹具通过向设置在下夹持件中的气路通道中通入气体，向滚珠施加一定的压力，利用滚珠的上顶力将管件夹持在上夹持件与下夹持件之间，管件既能轴向移动也能周向旋转。该可调式管件工装夹具通过调节气路通道中的气压，可以调节施加在管件上的力，减小夹持过程及后续加工过程中管件表面的磨损和划伤。该可调式管件工装夹具可以根据待装夹的管件的直径和材料选择具有不同开口尺寸和材料的上夹持件，可以实现对不同材料和尺寸的管件的装夹定位。此外，该可调式管件工装夹具结构紧凑，能够快速地实现对需要旋转和移动的管件类工件的装夹。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种可调式管件工装夹具，其特征在于，包括上夹持件(1)和下夹持件(2)，其中，所述下夹持件(2)上开设有横穿所述下夹持件(2)上表面的第一凹槽(21)，所述第一凹槽(21)内沿延伸方向设置有多个滚珠(3)；

所述下夹持件(2)的内部包括气路通道(22)，所述气路通道(22)包括进气口(221)和多个出气口(222)，所述多个出气口(222)均位于所述第一凹槽(21)的底部，且所述滚珠(3)对应设置在所述出气口(222)的上方以使得所述气路通道(22)通气时将所述滚珠(3)向上顶起预设距离；

所述上夹持件(1)固定在所述下夹持件(2)上方，且所述上夹持件(1)的下表面沿所述第一凹槽(21)的延伸方向开设有开口(11)用以容纳待夹持的管件(4)，所述多个滚珠(3)均位于所述开口(11)的下方；

所述可调式管件工装夹具还包括设置在所述第一凹槽(21)内的滚珠固定座(5)，其中，所述滚珠固定座(5)的上表面开设有用于容纳所述滚珠(3)的滚珠容纳槽(51)，所述气路通道(22)的出气口(222)穿过所述滚珠固定座(5)的下表面与所述滚珠容纳槽(51)连通，所述滚珠容纳槽(51)的高度大于所述滚珠(3)的直径。

2.根据权利要求1所述的可调式管件工装夹具，其特征在于，所述滚珠(3)和所述滚珠固定座(5)的数量相同，多个所述滚珠固定座(5)沿所述第一凹槽(21)的延伸方向均匀设置，每个所述滚珠固定座(5)内设置有一个所述滚珠(3)。

3.根据权利要求1所述的可调式管件工装夹具，其特征在于，还包括底座(6)和连接支架(7)，其中，所述下夹持件(2)设置在所述底座(6)上；所述连接支架(7)为L型支架，包括相互垂直的第一连接部(71)和第二连接部(72)，所述第一连接部(71)通过紧固件连接至所述下夹持件(2)，所述第二连接部(72)通过紧固件连接至所述底座(6)。

4.根据权利要求1所述的可调式管件工装夹具，其特征在于，所述进气口(221)通过气体管道连接至气源装置，所述气体管道上设置有流量调节阀以调节施加在所述滚珠(3)上的气压。

5.根据权利要求4所述的可调式管件工装夹具，其特征在于，所述气压的大小在0.01MPa-0.8MPa的范围内。

6.根据权利要求1所述的可调式管件工装夹具，其特征在于，还包括压盖(8)，所述压盖(8)固定连接在所述下夹持件(2)的上表面，且所述上夹持件(1)卡接在所述压盖(8)与所述下夹持件(2)之间。

7.根据权利要求6所述的可调式管件工装夹具，其特征在于，所述压盖(8)的下表面开设有第二凹槽(81)；所述上夹持件(1)为T型结构，并且所述上夹持件(1)的上端容纳在所述第二凹槽(81)中，下端容纳在所述第一凹槽(21)中。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的可调式管件工装夹具，其特征在于，所述上夹持件(1)由PEEK或聚四氟乙烯材料制成。

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