CN1200795C - 夹紧工件的装置 - Google Patents

Abstract

装置包括装在机床工作区域的卡盘构件和置于卡盘构件上并被夹紧的工件支架。卡盘构件上的第一定位件和工件支架上的第二定位件互相配合以便沿分别相互垂直延伸的三个坐标轴线以及关于角度方向限定工件支架位置。夹紧机构在上述限定的位置将工件支架固定到卡盘构件。为了保证增强抵抗加工工件时产生的倾斜和扭转现象的能力，第一定位件由锥形同心销构成而第二定位件由具有两个台肩部的双台阶槽。突出于上述双台阶槽内部的台肩部的边缘其彼此间的距离略微小于上述锥形同心销装置的宽度，上述工件支架装置夹紧到上述卡盘装置时，上述宽度在接触上述边缘的那些位置之间测量。

Description

夹紧工件的装置

                         技术领域

本发明涉及在机床工作区域内将工件夹紧在准确位置的装置，包括卡盘构件，它适于被固定在机床工作区域，工件支架，它适于被固定到卡盘构件并被夹紧在其上，夹紧机构用于将工件支架夹紧到卡盘构件。

                         背景技术

在现有技术中已知的这种装置主要用于高精度地将待加工工件夹紧在机床的工作区域中。特别重要的是还可保持重复精度。换句话说，工件支架上接纳的工件必须顺序地多次夹紧在工件支架的卡盘构件上，由此，在这样的情况下，例如，承载待加工工件的工件支架必须夹紧在不同的机床上，不同的机床顺序地执行不同的加工操作并分别配备相同的卡盘构件，或者，工件支架夹紧在配备相同的卡盘构件的测量和检测工位上，工件应总是具有在X方向，Y方向和围绕Z方向的角度方向上准确的定位。

例如，在欧洲专利Nr.0,255,042中公开了这样的装置。该装置包括两对定位带状件，其高于卡盘构件的表面，并具有用于在X方向和Y方向使工件支架定向的接触面。另外，设置四个高于卡盘构件表面的销。这些销用于限定工件支架的Z向位置。配合的工件支架包括一平面，其适于靠在卡盘构件上设置的上述销上。另外，工件支架表面有两对对应上述定位带状件之一定位的槽。槽有柔性的唇部，该唇部往往靠在上述卡盘构件带状件的接触面上。最后，工件支架具有接纳拉紧螺栓件的中心孔，借助该拉紧螺栓件，传递在工件支架和卡盘构件之间保持限定位置所需的夹紧力。由此，卡盘构件包括中心定位的球锁紧机构，它与拉紧螺栓件互相配合。

可以看出已知装置的缺点是它较为不稳定，特别是需加工较大和较重工件时。因此，它不能克服较高的倾斜现象或扭力，其基本上在切削加工或待加工工件较大的情况下产生。因为可获得有限的空间，在许多情况下不希望增加该装置尺寸来增加增加稳定性。

                         发明内容

因此，本发明的目的是提供在机床工作区域内将工件夹紧在准确位置的装置，其中，工件支架夹紧到卡盘构件上，由此，待加工工件具有增强的抗倾斜现象的能力和抗扭力的能力，同时避免工件支架和工件相对卡盘构件位移的危险，所有这些都有关于保持所需较小尺寸和较高高精度，相对于卡盘构件定位工件支架，特别是在重复夹紧的情况下，如上述说明那样。

为了实现这些和其它的目的，本发明提供在机床工作区域内将工件夹紧在准确位置的装置，其包括一适于固定在机床工作区域的卡盘构件，一适于固定到上述卡盘构件并被夹紧在其上的工件支架，夹紧机构，用于将上述工件支架夹紧到上述卡盘构件并适于从释放状态转换到夹紧状态，反之亦然。

上述卡盘构件包括第一定位件，上述工件支架包括第二定位件。第一和第二定位件适于相互配合以便相对上述卡盘构件沿相互垂直延伸的三个坐标轴线，即，X轴线，Y轴线和Z轴线，以及关于围绕Z轴线的角度方向限定上述工件支架的位置。

一旦上述工件支架转换到上述夹紧状态以保持限定的位置，夹紧机构把上述工件支架固定到卡盘构件上。

第一定位件由锥形同心销构成，而第二定位件由双台阶槽形的凹槽构成。双台阶槽有两个台肩部，其边缘突出于双台阶槽的内部。这些边缘的彼此距离略微小于锥形同心销的宽度，该宽度在工件支架夹紧到卡盘构件时接触这些边缘的那些位置之间测量。

为了进一步增加抵抗意外位置变化的能力，意外的位置变化由重载荷下产生的倾斜和扭转现象引起，在优选实施例中，提供同心销，它们沿卡盘工件的顶面边缘均匀分布，由此，同心销的至少圆周上对置的侧面相对该装置Z轴线倾斜。另外，第一定位件还包括升高的表面部分，它们位于卡盘构件的顶面并延伸到其边缘。

如果凹槽被加工有台肩部，其设置在工件支架的上部，可获得抵抗高扭力的的进一步增加的抵抗能力，由此，台肩部突出于中空的圆柱形工件支架的内部，凹槽的位置对应于在卡盘构件上设置同心销的位置。

                         附图说明

参考附图，下面进一步说明本发明装置的实施例，其中：

图1表示卡盘构件的透视图；

图2表示图1卡盘构件的俯视图；

图3表示工件支架件的透视图；

图4表示图3工件支架件的仰视图；

图5表示沿图4线V-V所截取的图4工件支架件的剖视图；

图6表示同心孔和同心销放大的局部示意剖视图。

图7表示表示沿图2线VII-VII所截取的图1卡盘构件的剖视图；和

图8表示表示沿图2线VIII-VIII所截取的图1卡盘构件的剖视图；

图9表示沿图2线IX-IX所截取的图1卡盘构件的剖视图。

                      具体实施方式

如附图实施例所示，在机床工作区域内将工件夹紧在准确位置的装置包括图1、2和7-9所示的卡盘构件1和图3-5所示的工件支架件25。卡盘工件适于固定在机床的工作区域内(附图中未示出)，而工件支架件25用于接纳和保持待加工工件。应强调的是措词“工件”按一般意义理解，特别是，工件还可以是待加工的工具，例如，电腐蚀加工设备的电极。

特别如图7-9所见，卡盘构件1基本包括三个部分，即，底部或底部构件2，中间部3和头部4。在附图所示实施例中，底部构件2具有圆盘形状，其具有中心孔5，下面将进一步说明该孔的作用。中间部3设有中心孔6，其具有与孔5相同的直径并呈圆柱形或套筒形构件的形状。中间部由螺钉7连接到底部构件2。最后，头部4也有中心孔8并也与中心孔5和6具有相同的直径。头部具有大体筒形或帽子形状，其内径大于中间部3的外径。一方面，头部由螺钉9连接到底部构件2；另一方面，头部由螺钉10连接到中间部3。最后，头部4设有外圆周肩部20。密封件21插入肩部20的顶面。

借助上述设计，可实现极为不易弯曲且具抗弯刚性的卡盘外壳，另外，例如，为了维修其可容易地被拆卸。

头部4的顶面24有四个突出的同心销22，它们大体为棱柱形并均匀地沿头部4的顶面24的边缘区域分布定位。两个对置的同心销22限定X轴线的延伸部分，而其余两个对置的同心销22限定垂直于X轴线延伸的Y轴线的延伸部分。X轴线和Y轴线的交点限定了垂直于X轴线和Y轴线延伸的Z轴线(图7-9)。如下面进一步说明的那样，同心销22的至少两个对置的侧面相对于Z轴线略微倾斜。

另外，头部4的顶面24有四个平面部分23，在本实施例中，每一平面部分在两个相邻的同心销22之间径向延伸。平面部分23略微高于头部4的顶面24。这些平面部分23作为Z向基准，下面进一步说明。

图3-5表示工件支架件25的设计。如图3和5所见，单件工件支架25包括圆周部分26和环形顶部27，圆周部分具有大体圆柱形或筒形。圆周部分的内径大体对应于卡盘构件1的头部4的外径，当然，存在间隙，从而工件支架25可放置在卡盘构件1上。

工件支架25的圆周部分26的内壁有环槽28，从朝向圆周部分26内部的方向看，环槽28两个侧壁相互分离地呈锥形延伸。换句话说，环槽28具有大体V形的截面。环槽28的用途和作用下面将进一步说明。

工件支架25的顶部27有环形肩部29，其突出于圆周部分26的内部。由此，这一肩部29的平均直径大体对应于一圆的直径，卡盘构件1的头部4上设置的四个同心销22沿该圆定位。这一肩部29的前面突出于工件支架25的圆周部分26内部，它们为平滑的平基面并作为工件支架25的Z向基准。其适于与上述卡盘构件1的头部4的上设置的顶面24上设置的平面部分23相互配合。另外，上述前面有四个凹槽30，它们沿前面的圆周均匀地分布。下面进一步说明这些凹槽的准确设计。四个凹槽30适于与上述在卡盘构件1的头部4的顶面24上设置的四个同心销22相互配合。

虽然在本实施例中说明和显示四个同心销22和四个凹槽30相互配合，但是，应理解，还可以提供三个，六个，八个或更大量数量，其是同心销22和凹槽30海斯(Hirth)啮合的数学子集，以便相对卡盘构件1在X方向和Y方向以及关于角度方向保证构件支架25定位。

图6表示同心的凹槽30和同心销22的放大，示意局部剖视图。凹槽30设计成双台阶槽，其包括两个台肩31a和31b。如上述，同心销22略微呈锥形，因为同心销22的至少两个圆周对置的侧面相对于Z轴线稍微倾斜。在实践中，倾斜角度可在3°-9°范围。突出于凹槽30内部的台肩31a和31b的边缘32a和32b是可靠的基础以便在X方向和Y方向以及关于角度方向相对于卡盘构件1限定工件支架25的位置。因此，边缘32a和32b间的距离略微小于与凹槽30配合的锥形同心销的宽度，当工件支架25牢固地夹紧在卡盘构件1上时，上述宽度在销22的两个对置侧面的接触点或接触线之间测量。

选择工件支架25和卡盘构件1的相互尺寸，从而导致下面结果：

如果工件支架25松动地安置在卡盘构件1上，同心销22与相应的同心凹槽30配合，由此，同心销22的侧面22a分别与台肩31a和31b的对应边缘32a和32b线性接触。在这种条件下，工件支架25的肩部29的平的基础端面-其作为卡盘构件1的Z向基准，还未贴靠在卡盘构件1的头部4上设置的平面部分23上，平面部分23略微高于头部顶面并作为卡盘构件1的Z向基准。反之，在这种情况下，肩部29的端面和平面部分23的表面之间有大约1/100毫米宽度的间隙。另一方面，必须强调的是，相对卡盘构件1工件支架25在X方向和Y方向以及关于角度方向的位置被最终确定。

一旦工件支架25松动地安置在卡盘构件1并最终相对于X方向和Y方向以及关于角度方向定位，下面说明的夹紧机构以这样的方式工作，在实践中，以范围在2000-3000牛顿的力将工件支架25拉向卡盘构件1。在作用在Z方向这一夹紧力的影响下，台肩31a和31b分别在边缘32a和32b的范围内弹性变形，特别是达到这样的程度，直到工件支架25的肩部29的端面贴靠在卡盘构件1的头部4的略微高起的平面部分23上。结果是工件支架25相对于卡盘构件1在Z方向也被准确地定位。

将工件支架25夹紧靠在卡盘构件1所需要的夹紧力在本实施例中产生如下：

由于上述事实，头部4的内径大于中间部3的外径，在两部分3和4之间形成环形腔11。环形腔11由图(如图7-9)中所示但没有详细表示的适当密封件密封。环形活塞12以这样的方式容纳在环形腔11的内部，环形活塞可沿卡盘构件1的中心轴线Z移动。环形活塞12设有多个盲孔13，它们均匀地沿圆周分布并且适于分别接纳张紧或夹紧弹簧14。弹簧14靠在头部4的底面上并偏压环形活塞12以使其向下移动。另外，环形活塞12设有外周槽15。槽15的下侧壁向下朝外倾斜。该槽用于部分地接纳多个夹紧球构件18。

在环形活塞12之下，设有空的环形腔16，其与底部构件2上设置的连接孔17连通。通过连接孔17，压力空气充入环形腔16，压力空气作用环形活塞12并克服弹簧14的压力使其向上移动。

头部4设有多个径向延伸的孔，孔的直径基本上对应于夹紧球构件18的直径并用于接纳这些夹紧球构件18。这些孔的高度和上述外周槽15的高度处于这样的关系，在环形腔16中的压力空气作用下，环形活塞12克服弹簧14的压力被移动到其最高位置时，插入孔的夹紧球构件18能够进入外周槽15。由此，夹紧球18可进入外周槽15达到这样的程度，夹紧球18不再高于头部4的外圆周。最后，头部4设有外圆周肩部20。密封件21插入肩部20的顶面。

环槽28的轴向位置，即，关于Z轴线的高度这样被限定，当构件支架25松动地安置在卡盘构件1上时，图5示意表示的夹紧球18可进入环槽28。在这样情况下，夹紧球18相对于环槽28的轴向延伸的对称面S-S略微轴向向下偏移。换句话说，工件支架25松动地安置在卡盘构件1上时，上述环槽28的对称面S-S在插入卡盘构件1的中间部3的孔的夹紧球18的中心略微之上定位。工件支架25的顶部27有环形肩部29，其突出于圆周部分26的内部。由此，这一肩部29的平均直径大体对应于一圆的直径，卡盘构件1的头部4上设置的四个同心销22沿该圆定位。肩部29的前面突出于工件支架25的圆周部分26内部，它们为平滑的平基面并作为工件支架25的Z向基准。其适于与上述卡盘构件1的头部4的上设置的顶面24上设置的平面部分23相互配合。另外，上述前面有四个凹槽30，它们沿前面的圆周均匀地分布。下面进一步说明这些凹槽的准确设计。四个凹槽30适于与上述在卡盘构件1的头部4的顶面24上设置的四个同心销22相互配合。

工件支架25上的环槽28的轴向位置以这样的方式定位，当工件支架25松动地安置在卡盘构件上时，卡盘构件1的夹紧球18可进入槽28；由此，环槽28的对称面S-S位于略微高于夹紧球18中心的位置，而夹紧球18插入卡盘构件1的中间部3的径向延伸的孔。另一方面，为了使工件支架25松动地安置在卡盘构件1上，卡盘构件1的夹紧球18必须处于其缩回位置。这可通过将压力空气供给到环形活塞12下面环形腔16中实现(参考图7-9)，结果，克服弹簧14压力迫使环形活塞12向上。因此，环形活塞12上设置的外周槽15移动到对准夹紧球18的位置，并且外周槽15不高于卡盘构件1的中间部3的表面。

工件支架25松动地安置在卡盘构件1并相对于X方向和Y方向以及关于角度方向定位之后，去除环形腔16中的过压，结果，环形活塞12在弹簧14所施加的力的影响下向下移动。因此，夹紧球18被压入工件支架25的环槽28。由于夹紧球18和环槽28之间上述略微不对称的静止位置以及环槽28的V形设计(如剖视图所见)，工件支架25以这样的方式被拉靠向卡盘构件1，肩部29的端面贴靠在卡盘构件1的头部4的略微高起的平面部分23上。结果是工件支架25相对于卡盘构件1在Z方向也被准确地定位，并且完成夹紧操作。

通过这些说明，显然，特别是本实施例中，在沿卡盘构件1的中间部3的圆周均匀分布的十二个位置上，平行于Z方向作用的夹紧力由夹紧球18传递到工件支架25，从而将后者夹紧在卡盘构件1上。换句话说，作用在工件支架25上的整个夹紧力由十二个单独的夹紧力分量合成，每一夹紧力分量由十二个夹紧球18传递。因此，这些夹紧力分量的作用线位于圆柱形表面MF(参考图2-5和7-9)；根据卡盘构件1和工件支架25所选择的尺寸和同心销22，凹槽30和肩部29的端面的位置，该圆柱形表面延伸通过构件22，30和29，即，与这些构件相交，或者，紧贴这些构件延伸，最好，略微向外。因此，可以保证夹紧力准确地作用在这些确实需要的位置，结果，现有技术工件支架中存在的弯曲应力被大大地减少或完全避免。另外，与使用中心夹紧装置的现有技术的工件支架比较，很好地承受了工件加工时所产生的倾斜现象。

可以理解，还可液压操纵环形活塞12，以替换压力空气。

工件支架25的凹槽30的最终成形由塑性变形完成，例如通过冲压。因此，甚至在成批生产时也能够获得非常高的精度。具有略微倾斜侧面的同心销22与凹槽30配合能够保证传递非常高的扭矩。

对于夹紧状态的卡盘构件/工件支架系统的稳定性和刚性，也有所贡献工件支架，包括其在X方向，Y方向，Z方向和角度方向上的同心的构件，其为单件结构。由于工件支架25的大体筒形或帽子形的形状，该系统工作时，卡盘构件1的基本零件和构件被封闭，因此，同心构件22，23和30被很好地保护防止污染。提供密封件21可改善这样的保护，密封件21位于肩部20的顶侧，工件支架25的圆周部分26的下表面靠在密封件上。

在底部构件2，中间部3和头部4上分别提供中心孔5，6和8，它们与工件支架25的一般环形设计相关并且还能够夹紧和加工伸长的工件。例如，上述孔中可接纳涡轮机转子的涡轮叶片以便加工所谓涡轮叶片的“枞树”。

如果这一装置没有上述本发明夹紧系统的中心孔也行的话，可提供附加的中心夹紧机构以便进一步增加施加到工件支架的夹紧力，或者，提供在现有技术中已知的另外的独立夹紧系统，例如夹紧较小的工件。

Claims (14)

1、在机床工作区域内将工件夹紧在准确位置的装置，其包括一适于固定在机床工作区域的卡盘装置，一适于固定到上述卡盘装置并被夹紧在其上的工件支架装置，夹紧装置，其用于将上述工件支架装置夹紧到上述卡盘装置并适于从释放状态转换到夹紧状态，反之亦然，上述卡盘装置包括第一定位装置，上述工件支架装置包括第二定位装置，上述第一和第二定位装置适于相互配合以便相对上述卡盘装置沿相互垂直延伸的三个坐标轴线以及关于角度方向限定上述工件支架装置的位置，而一旦上述工件支架装置转换到上述夹紧状态以保持上述限定的位置，上述夹紧装置把上述工件支架装置固定到上述卡盘装置上，其特征在于，上述第一定位装置包括锥形同心销装置，上述第二定位装置包括凹槽装置，该凹槽装置呈具有两个台肩部的双台阶槽装置的形状，上述台肩部的边缘突出于上述双台阶槽装置的内部，其彼此间的距离略微小于上述锥形同心销装置的宽度，上述工件支架装置夹紧到上述卡盘装置时，上述宽度在接触上述边缘的那些位置之间测量。

2、按权利要求1的装置，其特征在于，上述同心销装置沿上述卡盘装置的顶面的边缘均匀分布，因此，至少上述同心销装置的圆周上对置的侧面相对该装置的Z轴线倾斜。

3、按权利要求2的装置，其特征在于，上述同心销装置的侧面倾斜角度在3°-9°之间的范围。

4、按权利要求1的装置，其特征在于，上述第一定位装置还包括升高的表面部分，其位于上述卡盘装置的项面上并延伸到其边缘。

5、按权利要求1的装置，其特征在于，上述卡盘装置为大体圆柱形，上述工件支架装置为由大体环形板件在一端覆盖的大体中空圆柱形，从而该装置处在夹紧状态时上述工件支架装置封闭上述卡盘装置。

6、按权利要求1的装置，其特征在于，上述凹槽装置加工成在上述工件支架装置上部设置的台肩部，上述台肩部突出于上述中空圆柱形工件支架装置，由此，上述凹槽的位置对应于上述卡盘装置上设置的同心销装置的位置。

7、按权利要求1的装置，其特征在于，上述第二定位装置还包括在上述工件支架装置上设置的台肩部的加工平面部分，上述平面部分适于靠在上述升高的表面部分，其设置在上述卡盘装置的顶面上。

8、按权利要求1的装置，其特征在于，上述卡盘装置和工件支架装置有接纳伸长工件的中心孔。

9、按权利要求1的装置，其特征在于，上述夹紧装置包括圆周上作用的夹持装置，其具有多个沿上述卡盘装置的圆周均匀分布的夹紧球，上述工件支架装置包括位于其内圆柱形表面的环槽，上述夹紧球适于与上述环槽配合。

10、按权利要求9的装置，其特征在于，上述卡盘装置包括环形腔，上述夹紧装置包括环形活塞装置，它由弹簧装置偏压并轴向可移动地装在上述环形腔内，上述夹紧球靠在上述环形活塞装置上，由此，一旦上述环形活塞装置轴向移动，上述环形活塞装置适于将上述夹紧球压入在上述工件支架装置上设置的环槽内。

11、按权利要求9的装置，其特征在于，上述夹紧球容纳在径向延伸孔中，该些径向延伸孔设置在上述卡盘装置内并沿其圆周均匀分布。

12、按权利要求9的装置，其特征在于，上述夹持装置包括十二个夹紧球。

13、按权利要求9的装置，其特征在于，在上述工件支架装置上设置的环槽为大体V形截面。

14、按权利要求9的装置，其特征在于，在上述工件支架装置上设置的环槽的轴向位置这样限定，当上述加工支架装置松动地安置在上述卡盘装置上时，上述夹紧球进入在上述工件支架装置上设置的环槽，由此，在上述工件支架装置上设置的环槽的对称面位于在插入径向延伸孔的夹紧球的中心略微之上。

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