CN113103022A - 加工深u型零件的变形装置及基于变形装置的定向定位方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于机械制造技术领域，具体涉及一种加工深U型零件的变形装置及基于变形装置的定向定位方法。装置包括：基座、旋转座、装夹板；基座为一楔形部件，其下端面水平设置于机床工作台面上，其上端面设置为相对水平面呈一定角度的斜面；旋转座为一楔形部件，设置于基座上方，其上下端面均设置为可与基座上端面进行配合，旋转座上下端面的其中一个端面为水平面，另一个端面设置为相对水平面呈一定角度的斜面；装夹板设置于旋转座上端面上方，其上端面用于直接连接典型零件；装夹板下端面设置为均可与旋转座的上下端面进行配合。本发明创新性地应用了楔块的正反累加原理，设置专用装置，实现了深腔零件内腔的成形加工。

Description

加工深U型零件的变形装置及基于变形装置的定向定位方法
技术领域
本发明属于机械制造技术领域，具体涉及一种加工深U型零件的变形装置及基于变形装置的定向定位方法。
背景技术
在机械加工中，对于大型深腔零件侧壁的加工一直是行业难点。最传统的方法是零件拆分，减小深腔尺寸，或采用定制超长刀具进行加工。在数控机床特别是多轴加工中心普及后，常规方法是采用数控机床的多轴联动加工功能，以克服超长刀具带来的刚性问题和让刀问题。图1一为“中部壳体”零件，即是这类零件的典型，该零件结构为U型。为满足精度及减重要求，该零件内腔两侧面及内球面要实现全部成形加工。
为了实现零件深腔的成形加工，现有通用先进方法是采用多轴数控机床进行定向或联动加工。该工艺技术实现方式如图2所示：利用大型五轴设备的空间旋转倾斜功能，比如其A、B、C旋转轴，多方向地对零件内腔进行区域加工。
该工艺方法只能在大型五轴加工中心机床上进行，因为五轴加工中心设备价格高昂，导致该工艺方法加工成本高，而且加剧了瓶颈工序的任务压力。
为了实现控制成本并优化工艺的目的，最直接有效的方式是在三轴加工中心设备上实现深U型腔的加工。但三轴加工中心设备上的单向加工，存在以下问题：
①刀柄系统长径比超过25倍，刚性严重不足；
②因为振颤，存在让刀和过切的问题；
③铸件上有工艺台，三轴单向加工过程中存在闭角或干涉，不能完全成形。
为了用三轴设备取代五轴加工中心的旋转倾斜功能，需要设计专用装置。该装置需要能进行姿态变化实现多向定位、需要具有简单可靠的结构以保证刚性。作者以“多工位”、“定向”、“装置”等关键词在《中国实用新型专利数据库》、《中国发明专利数据库》、《中国知网中文科技期刊数据库》平台查询到以下相关专利或文献：
专利“一种支臂零件用多工位车床夹具
申请号：201621358071.X
申请人：贵州风雷航空军械有限责任公司”
专利“汽车空调涡旋压缩机动盘多工位背面加工工装
申请号：201820989368.9
申请人：常州纺织服装职业技术学院”
以上专利主要原理是同一基体上用不同的定位元件和位置实现不同的装夹定位，均未涉及同位置多角度精确定向定位技术。存在以下缺点：
①需要多次装夹。因为零件在夹具中需要换位，所以必须重新装夹；
②结构复杂。因为每个工位都需要不同的定位面和定位元件、加紧机构，所以整体复杂；
③体积大。因为是换位装夹，所以有几次装夹，就需要几倍于零件尺寸的有效面，导致夹具体积过大。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是：对于深腔零件侧壁的加工，如果应用大型五轴加工中心的空间旋转倾斜功能，进行区域加工。存在费用高昂的问题，如果应用普通三轴加工中心设备，能大幅度降低加工费用，但必须进行专用夹具设计。而已有相似的夹具体很难适配这种深腔U型零件，方便可靠地实现姿态变化和多向定位。需要设计专用装置，方便可靠地实现定向、定位的功能。
(二)技术方案
为解决上述技术问题，本发明提供一种用于加工深U型零件的变形装置，所述变形装置包括：基座1、旋转座2、装夹板3；
所述基座1为一楔形部件，其下端面水平设置于机床工作台面上，其上端面设置为相对水平面呈一定角度的斜面；
所述旋转座2为一楔形部件，设置于所述基座1上方，其上下端面均设置为可与所述基座1上端面进行配合，所述旋转座2上下端面的其中一个端面为水平面，另一个端面设置为相对水平面呈一定角度的斜面；
所述装夹板3设置于所述旋转座2上端面上方，其上端面用于直接连接典型零件11；所述装夹板3下端面设置为均可与所述旋转座2的上下端面进行配合。
其中，所述基座1上端面为与旋转座2的连接斜面，在连接斜面法向方向上设有基座转轴4，通过所述基座转轴4可旋转地连接所述基座1与旋转座2。
其中，所述旋转座2的上下端面均设置为可连接基座1或装夹板3；即旋转座2处于基座1与装夹板3之间；旋转座2水平面连接装夹板3时，其斜面连接基座1，此时旋转座2水平面为上端面、斜面为下端面；旋转座2斜面连接装夹板3时，其水平面连接基座1，此时旋转座2斜面为上端面、水平面为下端面。
其中，所述旋转座2的中央部位处设有装夹板转轴5，通过所述装夹板转轴5可旋转地连接所述旋转座2与装夹板3。
其中，所述基座1上端面相对水平面所呈的一定角度，与所述旋转座2斜面相对水平面所呈的一定角度，两者相等。
其中，所述一定角度为10°。
其中，所述基座1的垂直方向投影为一圆盘面；所述旋转座2的垂直方向投影为一与所述基座1完全等尺寸的圆盘面。
此外，本发明还提供一种基于所述变形装置的定向定位方法，所述方法为：将基座1用大压板6固定在机床工作台面上，在固定前，使用通用定位块在机床工作台面上T形槽定位，或通过打表找正基座1直线侧边的方式，实现基座1的定位找正；然后逐次安装连接旋转座2和装夹板3，同时装入基座转轴4及装夹板转轴5，连接方式为螺钉螺母副、定位方式为定位销柱；
此时，在基座1上安装旋转座2时，旋转座2的斜面为下端面，从而基座1和旋转座2为楔角抵消状态，装夹板3在旋转座2水平面上端定位连接装夹典型零件11后即可实现第一工位的定向加工。
然后去掉侧面定位销柱，松开基座1和旋转座2间的连接，将旋转座2绕基座转轴4旋转180度，重新定位、连接；此时楔角累加为20度，可实现第二工位的倾斜定向加工。
然后去掉侧面定位销柱，松开旋转座2和装夹板3间的连接，将装夹板3绕装夹板转轴5旋转180度，重新定位、连接；
此时楔角仍然为累加20度状态，但典型零件11却已跟随装夹板3旋转换位，可实现第三工位的反向倾斜定向加工。
(三)有益效果
与现有技术相比较，本发明变形装置，改变了U型深腔零件内腔必须应用五轴加工中心设备，价格费用高昂的现状。创新性地应用了楔块的正反累加原理，设置专用装置，实现了深腔零件内腔的成形加工。
与现有使用大型五轴加工中心设备进行旋转倾斜加工方式相比，有显著降低加工费用的有益效果。
与其它现有相似装置相比，有以下有益效果：
(1)使用方便：该装置直接装夹在机床工作台上，因为有定位槽，所以和机床T型槽可直接定位，三个工位直接旋转180度，插入侧面定位柱即可。组合装置各单体件有固定的旋转定位轴，不用每次进行找正和原点设置。
(2)定位简单：装置和机床、装置单体之间、装置和零件都有定位元件。
(3)稳定可靠：结构简单实用，可靠性非常高。
(4)适应性强：该装置可在行程足够Z向行程的任意三轴加工中心上使用，CAM设计时也不需要重置环境。
附图说明
图1为典型零件示意图。
图2为五轴设备多向加工示意图。其中，01：机床主轴，02：典型零件，03：机床工作台面。
图3、图4为本发明变形装置原理图。其中，1：基座，2：旋转座，3：装夹板。
图5为本发明变形装置结构示意图。其中，1、基座，2、旋转座，3、装夹板，4、基座转轴，5、装夹板转轴，6、大压板，7、大垫片，8、小压板，9、小垫片，10、定位柱，11、典型零件。其中三个功能件从下到上分别为1基座、2旋转座、3装夹板，其他3-10为定位、连接和夹紧零件，11为典型零件。
图6为本发明变形装置连接关系示意图。其中，1、基座，2、旋转座，3、装夹板，11、典型零件。
图7为本发明变形装置姿态图。其中，001、机床主轴，11、典型零件，003、变形装置，004、机床工作台面。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
为解决上述技术问题，本发明提供一种用于加工深U型零件的变形装置，所述变形装置包括：基座1、旋转座2、装夹板3；
所述基座1为一楔形部件，其下端面水平设置于机床工作台面上，其上端面设置为相对水平面呈一定角度的斜面；
所述旋转座2为一楔形部件，设置于所述基座1上方，其上下端面均设置为可与所述基座1上端面进行配合，所述旋转座2上下端面的其中一个端面为水平面，另一个端面设置为相对水平面呈一定角度的斜面；
所述装夹板3设置于所述旋转座2上端面上方，其上端面用于直接连接典型零件11；所述装夹板3下端面设置为均可与所述旋转座2的上下端面进行配合。
其中，所述基座1上端面为与旋转座2的连接斜面，在连接斜面法向方向上设有基座转轴4，通过所述基座转轴4可旋转地连接所述基座1与旋转座2。
其中，所述旋转座2的上下端面均设置为可连接基座1或装夹板3；即旋转座2处于基座1与装夹板3之间；旋转座2水平面连接装夹板3时，其斜面连接基座1，此时旋转座2水平面为上端面、斜面为下端面；旋转座2斜面连接装夹板3时，其水平面连接基座1，此时旋转座2斜面为上端面、水平面为下端面。
其中，所述旋转座2的中央部位处设有装夹板转轴5，通过所述装夹板转轴5可旋转地连接所述旋转座2与装夹板3。
其中，所述基座1上端面相对水平面所呈的一定角度，与所述旋转座2斜面相对水平面所呈的一定角度，两者相等。
其中，所述一定角度为10°。
其中，所述基座1的垂直方向投影为一圆盘面；所述旋转座2的垂直方向投影为一与所述基座1完全等尺寸的圆盘面。
此外，本发明还提供一种基于所述变形装置的定向定位方法，所述方法为：将基座1用大压板6固定在机床工作台面上，在固定前，使用通用定位块在机床工作台面上T形槽定位，或通过打表找正基座1直线侧边的方式，实现基座1的定位找正；然后逐次安装连接旋转座2和装夹板3，同时装入基座转轴4及装夹板转轴5，连接方式为螺钉螺母副、定位方式为定位销柱；
此时，在基座1上安装旋转座2时，旋转座2的斜面为下端面，从而基座1和旋转座2为楔角抵消状态，装夹板3在旋转座2水平面上端定位连接装夹典型零件11后即可实现第一工位的定向加工。
然后去掉侧面定位销柱，松开基座1和旋转座2间的连接，将旋转座2绕基座转轴4旋转180度，重新定位、连接；此时楔角累加为20度，可实现第二工位的倾斜定向加工。
然后去掉侧面定位销柱，松开旋转座2和装夹板3间的连接，将装夹板3绕装夹板转轴5旋转180度，重新定位、连接；
此时楔角仍然为累加20度状态，但典型零件11却已跟随装夹板3旋转换位，可实现第三工位的反向倾斜定向加工。
实施例1
本实施例为解决上述问题，提供一种专用变形装置如图3所示。装置以极简的结构方便地进行姿态变形，实现零件在空间的竖直、倾斜、反向倾斜的多角度定向加工。
①特殊形状
本实施例所提供的装置的形状结构为楔形组合。应用的基本原理是：相等角度楔块可实现叠加或抵消。图4为装置的三种变形姿态下夹持典型零件的示意图。
本实施例之所以应用楔形组合形状，正是因为楔形的特性。例如一个楔块角度为10度，那么两个同样楔块组合起来的角度可以是20°，也可以是0°。图3即为楔角抵消为0°时的状态。本实施例采用上述形状结构后，可以在不增减零件的基础上方便地实现快速变形，对零件进行多向定位，解决三轴设备难以分解加工U形典型零件的问题。
本实施例所提供装置结构如图5所示，主要由以下零件构成(图中省略了连接螺钉、螺母、垫片)：1、基座，2、旋转座，3、装夹板，4、基座转轴，5、装夹板转轴，6、大压板，7、大垫片，8、小压板，9、小垫片，10、定位柱，11、典型零件。其中三个功能件从下到上分别为1基座、2旋转座、3装夹板，其他3-10为定位、连接和夹紧零件，11为典型零件。
①连接关系
装置连接关系结合图5和图6所示，基座1可通过大压板6固定在机床工作台上；旋转座2和基座1通过螺钉螺母固定连接，在连接斜面法向有基座转轴4；装夹板3和旋转座2通过螺钉螺母固定连接，同样在连接端面法向有装夹板转轴5。装夹板3直接连接所加工零件11，其上有可调定位槽和连接孔。基座1、旋转座2、装夹板3侧面都有定位槽，方便旋转定位。其他定位块、定位柱、锁紧件等辅助连接定位或动作实现。
②操作步骤
安装与连接：将基座1用大压板6固定在机床台面上，在固定前，可以使用通用定位块在机床T形槽定位，或通过打表找正基座1直线侧边的方式，实现基座1的定位找正；然后逐次安装连接旋转座2和装夹板3，同时装入两组旋转轴，连接方式为螺钉螺母副、定位方式为定位销柱。
工位一：此时基座1和旋转座2为楔角抵消状态，装夹板3定位连接装夹零件11后即可实现第一工位的定向加工，见图7工位一。
工位二：去掉侧面定位销柱，松开基座1和旋转座2间的连接，将旋转座2绕旋转轴旋转180度，重新定位、连接。此时楔角累加为20度，可实现第二工位的倾斜定向加工，见图7工位二。
工位三：去掉侧面定位销柱，松开旋转座2和装夹板3间的连接，将装夹板3绕旋转轴旋转180度，重新定位、连接。此时楔角仍然为累加20度状态，但零件却已跟随装夹板3旋转换位，可实现第三工位的反向倾斜定向加工，见图7工位三。
本实施例的可替代情况包括：
A)楔角可替代：可根据实际需求，计算楔角值；
B)楔块数量可替代：根据工位数量需求，可增加楔块数量，以组合出更多定向角度；
C)定位方式可替代：定位销、定位快、定位柱及其位置可根据实际进行修改，
D)连接方式可替代：现有螺钉螺母副可变为其他方式，如铰链机构。或者加装真空泵及密封设计后可实现真空吸盘式连接锁紧方式。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于加工深U型零件的变形装置，其特征在于，所述变形装置包括：基座(1)、旋转座(2)、装夹板(3)；
所述基座(1)为一楔形部件，其下端面水平设置于机床工作台面上，其上端面设置为相对水平面呈一定角度的斜面；
所述旋转座(2)为一楔形部件，设置于所述基座(1)上方，其上下端面均设置为可与所述基座(1)上端面进行配合，所述旋转座(2)上下端面的其中一个端面为水平面，另一个端面设置为相对水平面呈一定角度的斜面；
所述装夹板(3)设置于所述旋转座(2)上端面上方，其上端面用于直接连接典型零件(11)；所述装夹板(3)下端面设置为均可与所述旋转座(2)的上下端面进行配合。
2.如权利要求1所述的用于加工深U型零件的变形装置，其特征在于，所述基座(1)上端面为与旋转座(2)的连接斜面，在连接斜面法向方向上设有基座转轴(4)，通过所述基座转轴(4)可旋转地连接所述基座(1)与旋转座(2)。
3.如权利要求1所述的用于加工深U型零件的变形装置，其特征在于，所述旋转座(2)的上下端面均设置为可连接基座(1)或装夹板(3)；即旋转座(2)处于基座(1)与装夹板(3)之间；旋转座(2)水平面连接装夹板(3)时，其斜面连接基座(1)，此时旋转座(2)水平面为上端面、斜面为下端面；旋转座(2)斜面连接装夹板(3)时，其水平面连接基座(1)，此时旋转座(2)斜面为上端面、水平面为下端面。
4.如权利要求3所述的用于加工深U型零件的变形装置，其特征在于，所述旋转座(2)的中央部位处设有装夹板转轴(5)，通过所述装夹板转轴(5)可旋转地连接所述旋转座(2)与装夹板(3)。
5.如权利要求3所述的用于加工深U型零件的变形装置，其特征在于，所述基座(1)上端面相对水平面所呈的一定角度，与所述旋转座(2)斜面相对水平面所呈的一定角度，两者相等。
6.如权利要求5所述的用于加工深U型零件的变形装置，其特征在于，所述一定角度为10°。
7.如权利要求1所述的用于加工深U型零件的变形装置，其特征在于，所述基座(1)的垂直方向投影为一圆盘面；所述旋转座(2)的垂直方向投影为一与所述基座(1)完全等尺寸的圆盘面。
8.一种基于权利要求6所述变形装置的定向定位方法，其特征在于，所述方法为：将基座(1)用大压板(6)固定在机床工作台面上，在固定前，使用通用定位块在机床工作台面上T形槽定位，或通过打表找正基座(1)直线侧边的方式，实现基座(1)的定位找正；然后逐次安装连接旋转座(2)和装夹板(3)，同时装入基座转轴(4)及装夹板转轴(5)，连接方式为螺钉螺母副、定位方式为定位销柱；
此时，在基座(1)上安装旋转座(2)时，旋转座(2)的斜面为下端面，从而基座(1)和旋转座(2)为楔角抵消状态，装夹板(3)在旋转座(2)水平面上端定位连接装夹典型零件(11)后即可实现第一工位的定向加工。
9.如权利要求8所述的定向定位方法，其特征在于，然后去掉侧面定位销柱，松开基座(1)和旋转座(2)间的连接，将旋转座(2)绕基座转轴(4)旋转180度，重新定位、连接；此时楔角累加为20度，可实现第二工位的倾斜定向加工。
10.如权利要求9所述的定向定位方法，其特征在于，然后去掉侧面定位销柱，松开旋转座(2)和装夹板(3)间的连接，将装夹板(3)绕装夹板转轴(5)旋转180度，重新定位、连接；
此时楔角仍然为累加20度状态，但典型零件(11)却已跟随装夹板(3)旋转换位，可实现第三工位的反向倾斜定向加工。
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