轴类齿轮快速定位装夹装置及定位装夹方法
【专利摘要】本发明提供了一种轴类齿轮快速定位装夹装置，包括底座和胎具，所述底座的中心设有顶尖，所述胎具的上方设有压紧模组，所述压紧模组包括基座，所述基座至少包括一个U型部，有一转轴穿过所述U型部，位于U型部内腔中的部分转轴为矩形花键结构，套接有一凸轮，位于U型部外的两段转轴分别为螺纹段和第二矩形花键结构，其中螺纹段与一防松螺母配接，第二矩形花键结构与一手柄配接，所述凸轮的凸轮面抵接于一T型滑动杆，其杆部前端为弧形压板，所述T型滑动杆和基座的U型部底部之间还设有复位弹簧。本发明的有益效果为：通过顶尖实现轴类齿轮的快速自定心，大大提高了人工找正效率，另外可以更换不同的顶尖，适用于不同中心孔轴类齿轮。
【专利说明】轴类齿轮快速定位装夹装置及定位装夹方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种齿轮的定位装夹装置，尤其涉及长轴类齿轮磨齿的快速定位装夹 装置及定位装夹方法。
【背景技术】
[0002] 高精度的轴类齿轮工件在轮齿成型磨齿加工时，通常是利用工件上预设的高精度 中心孔与机床上的顶尖接触定位作为工件的定位基准，成型磨齿机床的操作者首先要通过 百分表找正磨齿机工作台上的可调下顶尖，使得机床下顶尖的回转中心与机床工作台的回 转中心保持在同样的精度范围内，然后吊装工件使其下端中心孔与机床下顶尖初步完成接 触定位，再操作磨齿机的上顶尖向下压紧工件的上端中心孔，完成上下两中心孔同时与上 下顶尖接触定位，实现工件的快速自定心，保证齿轮在机床中的定位精度。
[0003] 由于成型磨齿机床和工件自身的结构原因，这种定位方式在实际加工中存在着两 种缺陷：第一，自带上下两顶尖的成型磨齿机，其上下顶尖之间的行程对于被加工工件的高 度是有限制的，高度超过机床上下顶尖最大行程的工件是无法通过机床两顶尖来完成装夹 的，因而超过一定长度的轴类齿轮并无法使用两顶尖定位的方法进行磨齿加工，另外没有 中心孔的轴类齿轮工件更无法使用成型磨齿机磨齿；第二，对于中心孔被损坏的工件，利用 两顶尖定位时，会因为中心孔的异常使得工件的真实回转轴线远远偏离机床的基准轴线， 这时中心孔定位已经不能保证工件的定位精度。
[0004] 对于上述的两点缺陷，目前最常见的解决方案是通过两种临时且不太专业的辅助 工装来克服，一种是在工件的端面加工出4-6只均布的螺纹孔，并用螺栓和一个简单的中 间胎具将工件坚直固定在机床工作台上，再利用各螺栓的微量旋动（利用螺纹连接存在的 微小间隙，螺栓带动工件发生少量位移）将工件慢慢找正，因螺纹连接的间隙随机性很大， 工件在加工时容易松动，同时加工螺纹孔会破坏工件使得成品难以满足设计图纸要求。另 一种是通过上下两组四爪卡盘，将工件坚直固定于两卡盘的内孔间，通过调节上下卡盘将 工件找正，此装置存在上下共八个找正可调点，调节找正时牵一发而动全身，找正没有任何 规律可循，只能依靠长时间不断的尝试来完成找正。利用这两种辅助装置，操作者装夹找 正的难度大大增加，利用两中心孔定位十几分钟就能完成装夹找正的齿轮轴，此时装夹找 正往往需要花费六、七个小时来完成，极大地降低了生产效率，根本不能满足批量生产的需 要。不仅如此，由于目前的辅助装置的稳定性较差，在加工过程中还存在工件定位精度逐渐 丧失甚至工件滑落等风险，很容易造成砂轮扎刀、工件报废甚至是工件滑落造成机床和操 作人员的伤害，安全生产风险极大。
[0005] 因此发明一种能适用所有轴类齿轮包括超长尺寸轴身、中心孔损坏及无中心孔等 轴类齿轮磨齿的快速定位装夹装置十分有必要。
【发明内容】
[0006] 针对很多长轴类齿轮无法使用两中心孔定位、现有辅助装置稳定性不好、定位精 度差、加工效率低的问题，本发明的目的是提出一种操作方便，安全可靠的长轴类齿轮磨齿 的快速定位装夹装置及定位装夹方法。
[0007] 本发明的目的将通过以下技术方案得以实现：
[0008] -种轴类齿轮快速定位装夹装置，包括相互固定的底座和胎具，所述底座的中心 设有顶尖，所述胎具的上方设有压紧模组，所述压紧模组包括用于与所述胎具固接的基座， 所述基座至少包括一个U型部，有一转轴穿过所述U型部，位于U型部内腔中的部分转轴为 第一矩形花键结构，其上套接有一凸轮，位于U型部外的两段转轴分别为螺纹段和第二矩 形花键结构，其中螺纹段与一防松螺母配接，第二矩形花键结构与一手柄配接，所述凸轮的 凸轮面抵接于一 T型滑动杆，所述T型滑动杆的杆部前端为螺纹段，其上配接有加长杆，所 述加长杆的端面设有弧形压板，所述T型滑动杆和基座的U型部底部之间还设有复位弹簧。 [0009] 优选的，所述胎具包括紧贴于所述底座的底板，垂直于所述底板的立板和圆筒，所 述立板发散设于所述圆筒的外周，所在压紧模组固定于所述立板和圆筒上。
[0010] 优选的，所述立板为四组，有四个压紧模组分别固定在该四组立板和圆筒上。
[0011] 优选的，所述基座的顶部还开设有一注油孔。
[0012] 优选的，所述复位弹簧为两个，分别位于所述T型滑动杆轴线两侧相隔一定距离 的U型部底部凹槽内。
[0013] 优选的，所述凸轮的平面投影曲线通过以下方程式（I )、（ II )、（III)得到，
[0014] Θ e [0, 240° ]时，凸轮曲面的平面投影方程：
[0015] Y = ( Θ+240/s*R)*sin( Θ V(240/s) (I)
[0016] X = ( Θ +240/s*R) *cos ( θ ) / (240/s)
[0017] Θ e [240° ,300° ]时，凸轮曲面的平面投影方程：
[0018] Y = (s+R) *sin ( Θ ) ( II )
[0019] X = (s+R) *cos ( Θ )
[0020] 式中 α = arctan (s/2 π R) (III)
[0021] 式中R为凸轮基圆半径，θ为凸轮工作转角，α为凸轮推程压力角，S为T型滑动 杆最大推程距离。
[0022] 优选的，所述转轴的螺纹段的螺纹摩擦力矩T>n*Mf，式中η为安全系数，取1. 5-3， Mf为反作用力矩。
[0023] 优选的，所述转轴的螺纹段的螺纹结构通过以下方程式（IV)、（ V )、（VI)得到，
[0024] 工件对滑动杆的水平反作用力：Ff = G*tan ( β ) ( IV )
[0025] 反作用力矩：
[0026] Mf = Ff* (R+s) *tan ( a ) = G* (R+s) *tan ( a ) *tan ( β ) (V)
[0027] 螺纹摩擦力矩：Τ = 0· 5*Fb*tan ( P - λ ) *d2 ( VI )
[0028] 其中：
[0029] t,an(/?) = μΛ /cos({5 / 2)
[0030] tan (δ' / 2) = tan (5 / 2) * cns (A)
[0031] 式中Fb为预紧弹簧产生的轴向预紧力，λ为螺纹导程角，3为螺纹牙型角，μ s为 摩擦系数，d2为螺纹中径，G为工件重力，β为工件倾斜角度，R为凸轮基圆半径，s为T型 滑动杆最大推程距离，P为当量摩擦角，，为法向螺纹牙角。
[0032] 本发明还揭示了一种采用上述轴类齿轮快速定位装夹装置的定位装夹方法，包括 如下步骤：
[0033] 首先找正顶尖，用以保证顶尖与机床工作台同心；
[0034] 然后通过底座的U型槽将底座固定在工作台上；
[0035] 将胎具和压紧模组放在底座上，并固定在工作台上；
[0036] 将轴类齿轮一端放入胎具的圆筒内，使轴类齿轮的中心孔对准顶尖，完成轴类齿 轮的定心；
[0037] 用百分表检测轴类齿轮上部外圆基准带的跳动，根据跳动结果调整相应位置的压 紧模块，转动手柄，凸轮推动滑动杆和弧形压板，夹紧并调节工件在垂直方向的角度，直到 轴类齿轮上部基准带跳动符合技术要求后，拧紧防松螺母，完成了磨齿前的找正定位装夹。
[0038] 本发明的有益效果为：
[0039] 1、本装置通过顶尖实现轴类齿轮的快速自定心，大大提高了人工找正效率，另外 可以更换不同的顶尖，适用于不同中心孔轴类齿轮。
[0040] 2、通过加长杆与滑动杆之间的螺纹调节、压紧模块与胎具之间的安装位置调节、 凸轮转动产生的位移调节以及更换弧形压板，本装置可适用于绝大多数直径的轴类齿轮的 找正装夹。
[0041] 3、凸轮的凸轮面的特殊设计，确保滑动杆获得平稳均匀的调节进给量。
[0042] 4、通过手柄和凸轮的配合的力学原理，使用者以较小的力即可使压板产生很大的 压力，校直和夹紧过程简单快捷。
[0043] 5、转轴一端与基座为螺纹连接，本身具有一定的自锁性，加上防松螺母，保证了加 工过程中的稳定性。
[0044] 6、螺纹结构的选择，保证其摩擦力矩大于夹紧工件过程中工件对凸轮产生的反作 用力矩，确保凸轮在工作过程不会在反作用力矩发生下退滑现象。
[0045] 以下便结合实施例附图，对本发明的【具体实施方式】作进一步的详述，以使本发明 技术方案更易于理解、掌握。
【专利附图】
【附图说明】
[0046] 图1为本发明装置的结构示意图；
[0047] 图2为本发明压紧模组的结构示意图；
[0048] 图3为本发明压紧模组的运动原理示意图；
[0049] 图4为本发明凸轮的转动角度与滑动杆行程的关系图；
[0050] 图5为本发明凸轮的结构示意图；
[0051] 图6为本发明装置的受力分析示意图；
[0052] 图7为本发明装置的工作原理示意图。
【具体实施方式】
[0053] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完 整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于 本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实 施例，都属于本发明保护的范围。
[0054] 如图1至图3所示，本发明揭示了一种轴类齿轮快速定位装夹装置，包括相互固定 的底座1和胎具2,所述胎具2的上方设有压紧模组，所述压紧模组包括用于与所述胎具2 固接的基座4,所述基座4至少包括一个U型部，有一转轴5穿过所述U型部，位于U型部 内腔中的部分转轴5为第一矩形花键结构，其上套接有一凸轮6,位于U型部外的两段转轴 5分别为螺纹段和第二矩形花键结构，其中螺纹段与一防松螺母8配接，第二矩形花键结构 与一手柄7配接，所述凸轮6的凸轮面抵接于一 T型滑动杆11，所述T型滑动杆11的杆部 前端为螺纹段，其上配接有加长杆9,所述加长杆9是内孔为螺纹的空心圆柱，其端面设有 弧形压板10,所述弧形压板10与齿轮工件定位外圆面相同直径。
[0055] 所述T型滑动杆11和基座4的U型部底部之间还设有复位弹簧12。所述复位弹 簧12为两个，分别位于所述T型滑动杆11轴线两侧相隔一定距离的U型部底部凹槽内。
[0056] 所述胎具2包括紧贴于所述底座1的底板21，垂直于所述底板21的立板22和圆 筒23,所述立板22发散设于所述圆筒23的外周，所在压紧模组固定于所述立板22和圆筒 23上。
[0057] 本优选实施例中，所述立板22为四组，有四个压紧模组分别通过螺栓固定在该四 组立板22和圆筒23上，用于调节齿轮在垂直方向的角度并夹紧齿轮。
[0058] 底座1和胎具2的底板上均匀开有六个U型槽，用于将整个装置固定在磨齿机工 作台上；底座1中心有一莫氏锥度内孔，用于安装顶尖3 ;所述基座4的顶部还开设有一注 油孔13,用于为T型滑动杆11 (以下简称滑动杆）的滑动提供润滑油。
[0059] 结合图3、4、5所示，压紧模块利用平底凸轮机构将凸轮转动转化为滑动杆的水平 移动，手柄在0-240°工作区域内转动时，凸轮推动滑动杆上的平板，完成滑动杆的夹紧动 作。在成型磨加工时，为满足轮齿的磨削精度，对于长轴类零件通常希望工件回转轴线相对 于机床回转工作台轴线的跳动要控制在0.01mm以内，所以要求该装置在夹紧找正时可以 在0· Olmm步长内进行微调。
[0060] 为获得平稳均匀的调节进给量，凸轮需要特定的轮廓规律曲线，使转动手柄在工 作区域内任意位置转动角度Θ时，滑动杆的位移恒为t，即要求滑动杆在转动手柄工作区 域内（0-240° )，其运动规律为等速运动。在240° -300°时，设定滑动杆处于最大推程 5mm，工作区域（0-240° )内转动手柄每转动Γ，滑动杆将产生0.02mm的位移，通过转动 手柄来调节时，转动手柄长度设计为300mm，当转动手柄顶端在圆周方向移动I. 67mm时，便 可以实现滑动杆0.01mm的位移，人工操作（手旋转动手柄及铜棒轻击转动手柄顶端）的精 度可以轻松满足工件找正要求。
[0061] 根据滑动杆运动规律设计凸轮的凸轮面工作轮廓平面投影曲线方程：
[0062] Θ e [0, 240° ]时凸轮曲面的平面的投影方程：
[0063] Y = (Θ +240/s*R)*sin(θ)/ (240/s)
[0064] X = (Θ +240/s*R)*cos(θ)/(240/s)
[0065] Θ e [240°，300° ]时凸轮曲面的平面的投影方程：
[0066] Y = (s+R) *sin ( Θ )
[0067] X = (s+R) *cos ( Θ )
[0068] 式中 α = arctan (s/2 π R)
[0069] 式中R为凸轮基圆半径，Θ为凸轮工作转角，α为凸轮推程压力角，s为T型滑动 杆最大推程距离（即本例中的5mm)。
[0070] 本发明另一特点在于夹紧过程中止退功能的实现。通过螺纹结构的选择，保证其 摩擦力矩大于夹紧工件过程中工件对凸轮产生的反作用力矩，确保凸轮在工作过程不会在 反作用力矩发生下退滑现象。
[0071] 本发明压紧模块中的转动轴与基座间为三角形螺纹连接，预紧弹簧安装在转动轴 与基座之间，预紧弹簧始终处于压缩状态并对转动轴产生一定的轴向推力，螺纹副处于预 紧状并产生一定的摩擦力矩，通过对弹簧参数及螺纹参数的选择，保证该摩擦力矩大于夹 紧工件过程中工件对凸轮产生的反作用力矩，凸轮在工作过程不会在反作用力矩发生下退 滑现象。设计过程如下：
[0072] 如附图6所示，装夹工件时，装置中的顶尖为主要支撑部件，压紧模块的作用是微 调扶正工件，使工件轴线与机床底座轴线一致，受力情况分析为工件轴线倾斜时重力产生 的分力以及夹紧工件时的夹紧力。
[0073] 工件对滑动杆的水平反作用力：Ff = G*tan ( β )
[0074] 反作用力矩：Mf = Ff* (R+s) *tan ( α ) = G* (R+s) *tan ( α ) *tan ( β )
[0075] 螺纹摩擦力矩：T = 0· 5*Fb*tan ( P - λ ) *d2
[0076] 其中：
[0077] tan(p) = μ^ / cos (ο /2)
[0078] lan(c / 2) = tan(c / 2) * cos (2)
[0079] 式中Fb为预紧弹簧产生的轴向预紧力，λ为螺纹导程角，S为螺纹牙型角，μ s为 摩擦系数，d2为螺纹中径，G为工件重力，β为工件倾斜角度，R为凸轮基圆半径，s为T型 滑动杆最大推程距离，P为当量摩擦角，，为法向螺纹牙角。
[0080] 通过设计合理的参数，使得螺纹拧松力矩T>n*Mf (反作用力矩），就可以保证在压 紧模块在扶正工件过程中不会回滑，式中η为安全系数，可取1. 5-3。
[0081] 下面简单介绍采用上述轴类齿轮快速定位装夹装置的定位装夹方法，包括如下步骤：
[0082] 首先找正顶尖3,用以保证顶尖3与机床工作台同心；
[0083] 然后通过底座1的U型槽将底座1固定在工作台上；
[0084] 将胎具2和压紧模组放在底座1上，并固定在工作台上；
[0085] 将轴类齿轮14 一端放入胎具2的圆筒23内，使轴类齿轮14的中心孔对准顶尖3， 完成轴类齿轮的定心；
[0086] 用百分表检测轴类齿轮14上部外圆基准带的跳动，根据跳动结果调整相应位置 的压紧模块，转动手柄7,凸轮6推动滑动杆11和弧形压板10,夹紧并调节工件在垂直方向 的角度，直到轴类齿轮14上部基准带跳动符合技术要求后，拧紧防松螺母8,完成了磨齿前 的找正定位装夹。
[0087] 本发明并不限于前述实施方式，本领域技术人员在本发明技术精髓的启示下，还 可能做出其他变更，但只要其实现的功能与本发明相同或相似，均应属于本发明的保护范 围。
【权利要求】
1. 一种轴类齿轮快速定位装夹装置，其特征在于：包括相互固定的底座（1)和胎具 (2)，所述底座（1)的中心设有顶尖（3)，所述胎具（2)的上方设有压紧模组，所述压紧模组 包括用于与所述胎具（2)固接的基座（4)，所述基座（4)至少包括一个U型部，有一转轴（5) 穿过所述U型部，位于U型部内腔中的部分转轴（5)为第一矩形花键结构，其上套接有一凸 轮（6)，位于U型部外的两段转轴（5)分别为螺纹段和第二矩形花键结构，其中螺纹段与一 防松螺母（8)配接，第二矩形花键结构与一手柄（7)配接，所述凸轮￠)的凸轮面抵接于一 T型滑动杆（11)，所述T型滑动杆（11)的杆部前端为螺纹段，其上配接有加长杆（9)，所述 加长杆（9)的端面设有弧形压板（10)，所述T型滑动杆（11)和基座（4)的U型部底部之间 还设有复位弹簧（12)。
2. 根据权利要求1所述的轴类齿轮快速定位装夹装置，其特征在于：所述胎具（2)包 括紧贴于所述底座（1)的底板（21)，垂直于所述底板（21)的立板（22)和圆筒（23)，所述 立板（22)发散设于所述圆筒（23)的外周，所在压紧模组固定于所述立板（22)和圆筒（23) 上。
3. 根据权利要求2所述的轴类齿轮快速定位装夹装置，其特征在于：所述立板（22)为 四组，有四个压紧模组分别固定在该四组立板（22)和圆筒（23)上。
4. 根据权利要求1所述的轴类齿轮快速定位装夹装置，其特征在于：所述基座（4)的 顶部还开设有一注油孔（13)。
5. 根据权利要求1所述的轴类齿轮快速定位装夹装置，其特征在于：所述复位弹簧 (12)为两个，分别位于所述T型滑动杆（11)轴线两侧相隔一定距离的U型部底部凹槽内。
6. 根据权利要求1所述的轴类齿轮快速定位装夹装置，其特征在于：所述凸轮的平面 投影曲线通过以下方程式（I )、（ II )、（III)得到， Θ e[0,240° ]时，凸轮曲面的平面投影方程： Y = ( Θ +240/s*R)*sin( Θ )/(240/s) (I) X = (Θ +240/s*R)*cos(Θ)/ (240/s) Θ e [240° ,300° ]时，凸轮曲面的平面投影方程： Y = (s+R)*sin( Θ) (II) X = (s+R)*cos ( θ) 式中 α = arctan (s/2 π R) (III) 式中R为凸轮基圆半径，Θ为凸轮工作转角，α为凸轮推程压力角，s为T型滑动杆最 大推程距离。
7. 根据权利要求1所述的轴类齿轮快速定位装夹装置，其特征在于：所述转轴（5)的 螺纹段的螺纹摩擦力矩T>n*Mf，式中η为安全系数，取1. 5-3, Mf为反作用力矩。
8. 根据权利要求7所述的轴类齿轮快速定位装夹装置，其特征在于：所述转轴（5)的 螺纹段的螺纹结构通过以下方程式（IV )、（ V )、（ VI)得到， 工件对滑动杆的水平反作用力：Ff = G*tan ( β ) (IV) 反作用力矩： Mf = Ff* (R+s) *tan ( a ) = G* (R+s) *tan ( a ) *tan ( β ) (V) 螺纹摩擦力矩：Τ = 0· 5*Fb*tan ( P - λ ) *d2 ( VI) 其中： Ian (p) = //s / cos (c / 2) tan(o / 2) = tav.ic / 2) * cos (I) 式中Fb为预紧弹簧产生的轴向预紧力，λ为螺纹导程角，d为螺纹牙型角，μ s为摩擦 系数，d2为螺纹中径，G为工件重力，β为工件倾斜角度，R为凸轮基圆半径，S为T型滑动 杆最大推程距离，P为当量摩擦角，^为法向螺纹牙角。
9. 一种采用权利要求1的轴类齿轮快速定位装夹装置的定位装夹方法，其特征在于： 包括如下步骤， 首先找正顶尖（3)，用以保证顶尖（3)与机床工作台同心； 然后通过底座（1)的U型槽将底座（1)固定在工作台上； 将胎具（2)和压紧模组放在底座（1)上，并固定在工作台上； 将轴类齿轮（14) 一端放入胎具（2)的圆筒（23)内，使轴类齿轮（14)的中心孔对准顶 尖（3)，完成轴类齿轮的定心； 用百分表检测轴类齿轮（14)上部外圆基准带的跳动，根据跳动结果调整相应位置的 压紧模块，转动手柄（7)，凸轮（6)推动滑动杆（11)和弧形压板（10)，夹紧并调节工件在垂 直方向的角度，直到轴类齿轮（14)上部基准带跳动符合技术要求后，拧紧防松螺母（8)，完 成了磨齿前的找正定位装夹。
【文档编号】B23F23/06GK104227149SQ201410520729
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年9月30日 优先权日:2014年9月30日
【发明者】徐瀚, 冉雄涛, 吴冬, 董婷 申请人:南车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司