机床及其夹持治具的制作方法

本发明涉及机械加工领域，具体而言，涉及用于加工精密工件的机床，还涉及所述机床的夹持治具。

背景技术：

夹持治具作为数控机床用于控制工件位置和动作的精密专业工具，其自身设计的优劣程度和加工精度直接决定了待加工工件的质量。随着工业4.0技术的高速发展，对精密零件尤其是对外径极小的精密薄壁管零件的加工能力和生产需求也逐步提高。常规的夹持方法和加工艺已经不能满足诸如外径0.5mm以下精密薄壁管等细小工件的装夹和加工，超微加工技术领域越来越成为精密制造领域研究的重点和难点。

传统夹持精密薄壁管的机床旋转轴主要有两种：一种是采用弹簧夹头夹紧结构形式的旋转轴，一种是采用气控三爪卡盘夹持方式的旋转轴。对于外径小于0.5mm的管件而言，气动三爪卡盘结构的旋转轴由于夹爪夹持管件时的接触面非常小，重复定位精度低，所以一般很少采用；采用弹簧夹头结构的旋转轴来夹持和加工超小外径的精密薄壁管除夹紧外都必须采用辅助支撑治具，即工件一端被弹簧夹头夹持，另外一端采用和薄壁管外径相同的衬套进行辅助支撑，但是由于外径0.5mm以下的管件刚性很低，在加工过程中夹持端和支撑端之间的管件在自由状态下无法保持绷紧状态而是发生凹陷，从而导致旋转轴在加工进给的过程中轴向尺寸发生严重的偏差，严重影响加工精度和质量。

技术实现要素：

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种机床。

本发明的另一个目的在于提出一种夹持治具。

根据本发明第一方面实施例的机床包括：床体，所述床体上设有X轴运动平台；旋转轴，所述旋转轴沿X方向可往复移动地设在所述X轴运动平台上，其中所述旋转轴具有用于夹持工件的夹头柄；过渡底座，所述过渡底座设在所述旋转轴上；二维调整装置，所述二维调整装置设在所述X轴运动平台上；安装座，所述安装座设在所述二维调整装置上，所述安装座上设有用于支撑工件的辅助支撑衬套和用于夹持工件的气缸；旋转连接座，所述旋转连接座可旋转地设在所述安装座上；中空弹性管，所述中空弹性管的第一端设在所述过渡底座上，所述中空弹性管的第二端设在所述旋转连接座上；和多个弹性件，多个所述弹性件绕所述中空弹性管设置，其中每个所述弹性件的第一端设在所述过渡底座上，每个所述弹性件的第二端设在所述旋转连接座上。

根据本发明实施例的机床10具有夹持牢靠、定位精准、稳定可靠的优点，完全避免了现有的机床治具夹持细长工件存在工件中部凹陷、连续加工出现对接错位等缺陷。

另外，根据本发明实施例的机床还可以具有如下附加的技术特征：

根据本发明的一个实施例，所述机床进一步包括夹头柄，所述夹头柄上设有第一过孔，其中所述过渡底座上设有第二过孔，所述过渡底座通过穿过所述第一过孔和所述第二过孔的紧固件安装在所述旋转轴上。

根据本发明的一个实施例，所述弹性件为拉簧，所述弹性件的变形后的长度与所述弹性件的变形前的长度之比大于等于10。

根据本发明的一个实施例，多个所述弹性件的第一端沿所述旋转轴的周向等间距地设置，多个所述弹性件的第二端沿所述旋转连接座的周向等间距地设置。

根据本发明的一个实施例，所述安装座为U型且具有第一臂和第二臂，所述第一臂与所述第二臂之间形成容纳槽，其中所述旋转连接座通过轴承可旋转地设在所述第一臂上，所述辅助支撑衬套设在所述第二臂上，所述旋转连接座与所述辅助支撑衬套在X方向上间隔开，所述气缸的至少一部分容纳在所述容纳槽内。

根据本发明的一个实施例，所述第一臂的长度大于所述第二臂的长度，所述机床进一步包括气缸连接板，所述气缸连接板设在所述第二臂上，所述气缸设在所述气缸连接板上，所述气缸的一部分容纳在所述容纳槽内。

根据本发明的一个实施例，所述机床进一步包括调整支架，所述调整支架设在所述二维调整装置上，所述安装座设在所述调整支架上。

根据本发明的一个实施例，所述机床进一步包括固定支座，所述固定支座固定在所述X轴运动平台的端面上，所述二维调整装置设在所述固定支座上。

根据本发明的一个实施例，所述气缸为手指气缸。

根据本发明第二方面实施例的夹持治具包括：过渡底座；安装座，所述安装座上设有用于支撑工件的辅助支撑衬套和用于夹持工件的气缸；旋转连接座，所述旋转连接座可旋转地设在所述安装座上；中空弹性管，所述中空弹性管的一端设在所述旋转轴上，所述中空弹性管的另一端设在所述旋转连接座上；和多个弹性件，多个所述弹性件绕所述中空弹性管设置，其中每个所述弹性件的一端设在所述旋转轴上，每个所述弹性件的另一端设在所述旋转连接座上。

根据本发明实施例的夹持治具具有夹持牢靠、定位精准、稳定可靠的优点，完全避免了现有的机床治具夹持细长工件存在工件中部凹陷、连续加工出现对接错位等缺陷。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本发明实施例的机床的结构示意图；

图2是图1的A区域的放大图；

图3是图1的B区域的放大图；

图4是根据本发明实施例的机床的结构示意图；

图5是根据本发明实施例的机床的过渡底座的结构示意图；

图6是根据本发明实施例的机床的旋转连接座的结构示意图；

图7是根据本发明实施例的机床的安装座的结构示意图；

图8是根据本发明实施例的机床的夹头柄的结构示意图；

图9是根据本发明实施例的机床的弹簧夹头的结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面参考图1-图8描述根据本发明实施例的机床10。如图1-图8所示，根据本发明实施例的机床10包括床体110、旋转轴120、过渡底座130、二维调整装置140、安装座150、旋转连接座161、中空弹性管171和多个弹性件172。

床体110上设有X轴运动平台111，旋转轴120沿X方向可往复移动地设在X轴运动平台111上，旋转轴120具有用于夹持工件20的夹头柄180。过渡底座130设在旋转轴120上，二维调整装置140设在X轴运动平台111上，安装座150设在二维调整装置140上，安装座150上设有用于支撑工件20的辅助支撑衬套151和用于夹持工件20的气缸152，旋转连接座161可旋转地设在安装座150上。中空弹性管171的第一端设在过渡底座130上，中空弹性管171的第二端设在旋转连接座161上。多个弹性件172绕中空弹性管171设置，每个弹性件172的第一端设在旋转轴120上，每个弹性件172的第二端设在旋转连接座161上。

下面参考图1-图8描述根据本发明实施例的机床10的工作过程。

加工前，先将待加工的工件20通过旋转轴120的中心，穿过中空弹性管171后与辅助支撑衬套151滑动配合。也就是说，工件20的右端依次穿过旋转轴120、夹头柄180、过渡底座130、中空弹性管171、旋转连接座161和辅助支撑衬套151。其中，工件20的右端向右伸出辅助支撑衬套151。有利地，工件20的向右伸出辅助支撑衬套151的部分的长度为5毫米-10毫米。

工件20安装完毕后，气缸152夹持工件20，机床10的弹簧夹头190松开工件20，即弹簧夹头190不夹持工件20，旋转轴120快速向X轴运动平台111的左侧运动至加工定长位置，即旋转轴120快速向左（远离激光切割头193）运动至加工定长位置。然后，弹簧夹头190夹持工件20，气缸152松开工件20，即气缸152不夹持工件20。此时，中空弹性管171发生弹性变形被拉长，即中空弹性管171的内径减小，直至中空弹性管171的内径等于工件20的外径，由此可以使工件20沿着X方向被中空弹性管171夹紧和绷直。

然后，对工件20进行加工，在加工工件20的过程中，旋转轴120一边旋转一边向右进给（左右方向如图4的箭头C所示），且气缸152松开工件20。旋转轴120带动过渡底座130旋转，与过渡底座130相连的多个弹性件172同步传递旋转轴120的扭矩，使中空弹性管171和多个弹性件172随工件20同步旋转和运动。

具体而言，在旋转轴120旋转时，旋转轴120带着工件20和过渡底座130做旋转运动，进而过渡底座130带着中空弹性管171和多个弹性件172做旋转运动，即过渡底座130、中空弹性管171和多个弹性件172的旋转运动都是同步的，不存在相位角的偏差。多个弹性件172的作用为：一方面与中空弹性管171同步伸缩运动，另一方面将过渡底座130的旋转运动同步传递到远端的旋转连接座161上，以确保工件20和中空弹性管171的旋转同步。如果没有多个弹性件172来传递扭矩，那么过渡底座130与旋转连接座161之间的同步旋转运动必须由中空弹性管171来传递，由于中空弹性管171没有刚性或刚性很小，传递扭矩时中空弹性管171必然发生扭转变形，不但影响对工件20的抱紧夹持作用，而且在旋转方向上与工件20也无法同步。

在加工的过程中，工件20一直处于被中空弹性管171夹紧的状态，直到旋转轴120向右运动至行程结束位置，至此为一次加工循环。此时，中空弹性管171和多个弹性件172会回复到一个较小的拉伸位置，但仍然处于拉紧的状态。若要对工件20进行多次的连续加工，只需重复上述循环步骤即可。

工件20每次加工的长度均为一个定长距离，如果工件20需要加工的长度远大于该定长距离，那么就必须对工件20进行多次的加工循环。为了确保加工质量，前一次加工循环结束时工件20上的加工终点与后一次加工循环的开始时的加工起点必须重合，且加工的循环次数越多，需要确保重合的点也就越多，对加工的精度和治具的准确度要求也越高。

在每次进给加工的开始时，工件20的左端部被旋转轴120的夹头柄180夹紧，工件20的右端部则通过辅助支撑衬套151支撑。如果工件20的中间（中部）没有支撑机构，根据简支梁结构分析可知，工件20的中部会因为自重而发生一定的绕度变形，进而导致上次加工的终点位置在工件20的重力作用下向工件20的中部（中间位置）发生偏移，那么下次加工的起点则在偏移后的位置上，必然和上次加工的终点不重合，导致加工后对接处发生偏差。

根据本发明实施例的机床10通过设置中空弹性管171，从而可以保证在每一次进给加工过程中，中空弹性管171始终处于被拉伸的状态，由此可以使穿过中空弹性管171的工件20在加工过程中会一直被中空弹性管171的内壁抱紧，以便工件20始终处于绷直状态，即工件20的中间部分全部被中空弹性管171托住而不会因为工件20的自重发生绕度变形。由此，在每一次进给加工过程中，工件20沿X方向的尺寸不会发生偏移，从而保证多次连续加工中上次进给的终点和下次进给的起点都是重合的。

在整个加工过程中，中空弹性管171不断地被拉长、然后再复原，而且中空弹性管171与工件20同步进行伸缩和旋转运动，因此在加工过程中中空弹性管171与工件20之间没有任何的摩擦和阻力，从而确保了加工的高精度和高稳定性。

因此，根据本发明实施例的机床10具有夹持牢靠、定位精准、稳定可靠等优点，完全避免了现有的机床治具夹持细长工件存在工件中部凹陷、连续加工出现对接错位等缺陷。

如图1-图8所示，根据本发明的一些实施例的机床10包括床体110、旋转轴120、过渡底座130、二维调整装置140、安装座150、旋转连接座161、中空弹性管171、多个弹性件172、夹头柄180、调整支架191和固定支座192。

床体110上设有X轴运动平台111。X轴运动平台111是一个线性运动模组，X轴运动平台111的底座安装在床体110上固定不动。旋转轴120沿X方向可往复移动地设在X轴运动平台111上，旋转轴120具有用于夹持工件20的夹头柄180。具体而言，机床10的直线电机可以驱动旋转轴120沿X方向做精确的往复运动。

如图1和图2所示，在本发明的一个实施例中，夹头柄180上设有第一过孔181，过渡底座130上设有第二过孔131，过渡底座130通过穿过第一过孔181和第二过孔131的紧固件安装在旋转轴120上。也就是说，在X方向上，夹头柄180位于旋转轴120与过渡底座130之间。通过设置夹头柄180，可以更加方便地、稳固地将过渡底座130安装在旋转轴120上。

有利地，第一过孔181为多个，多个第一过孔181沿夹头柄180的周向等间距地分布在夹头柄180上，第二过孔131为多个，多个第二过孔131沿过渡底座130的周向等间距地分布在过渡底座130上。紧固件为多个，多个该紧固件一一对应地穿过第一过孔181和第二过孔131。

弹性件172为拉簧，弹性件172的变形后的长度与弹性件172的变形前的长度之比大于等于10。也就是说，弹性件172不仅具有超长的拉伸比率（可拉伸原长的10倍以上），而且具备一定的刚性可以传递旋转轴120的扭矩，使中空弹性管171与旋转轴120夹持的工件20同步旋转。

多个弹性件172绕中空弹性管171设置。有利地，多个弹性件172的第一端沿旋转轴120的周向等间距地设置（分布），多个弹性件172的第二端沿旋转连接座161的周向等间距地设置（分布）。例如，弹性件172可以是三个。旋转连接座161在多个弹性件172的作用下与过渡底座130同步旋转。

中空弹性管171的第一端设在过渡底座130上，中空弹性管171的第二端设在旋转连接座161上。有利地，旋转轴120的中心轴线、夹头柄180的中心轴线、过渡底座130的中心轴线、中空弹性管171的中心轴线、旋转连接座161的中心轴线和辅助支撑衬套151的中心轴线彼此重合。

如图3和图7所示，在本发明的一些示例中，安装座150为U型，安装座150具有第一臂153和第二臂154，第一臂153与第二臂154之间形成容纳槽155。其中，旋转连接座161通过轴承162可旋转地设在第一臂153上，辅助支撑衬套151设在第二臂154上，旋转连接座161与辅助支撑衬套151在X方向上间隔开，气缸152的至少一部分容纳在容纳槽155内。由此可以使机床10的结构更加合理。

在本发明的一个示例中，第一臂153的长度大于第二臂154的长度，机床10进一步包括气缸连接板156，气缸连接板156设在第二臂154上，气缸152设在气缸连接板156上，气缸152的一部分容纳在容纳槽155内。

气缸152用于夹紧工件20的位于旋转连接座161与辅助支撑衬套151之间的部分。有利地，气缸152在X方向上位于旋转连接座161与辅助支撑衬套151之间。其中，气缸152为手指气缸。

如图1和图3所示，调整支架191设在二维调整装置140上，安装座150设在调整支架191上。固定支座192固定在X轴运动平台111的端面上，二维调整装置140设在固定支座192上。

也就是说，安装座150通过调整支架191和二维调整装置140相连，二维调整装置140通过固定支座192固定在X轴运动平台111的端面上。在安装夹持治具时，通过二维调整装置140在Y方向和Z方向上对安装座150进行调节，使旋转轴120的中心和辅助支撑衬套151的中心重合。

工件20可以是外径小于等于0.5毫米的管件。具体地，工件20可以是外径小于等于0.5毫米的精密薄壁管，例如工件20可以是外径在0.15毫米-0.5毫米范围内的精密薄壁管。也就是说，根据本发明实施例的机床10尤其适用于加工外径在0.15毫米-0.5毫米范围内的精密薄壁管。

根据本发明实施例的机床10可以对工件20进行多种加工，例如利用激光切割头193对工件20进行切割。本领域技术人员可以理解的是，对工件20进行何种加工不是本申请的发明点，因此没有进行详细的描述。

根据本发明实施例的机床10用于加工外径0.5mm以下精密薄壁管，利用柔性夹持原理，待加工的工件（0.5mm以下精密薄壁管）通过旋转轴120，穿过夹持治具上的中空弹性管171和辅助支撑衬套151，旋转轴向工件定长方向运动使得中空弹性管171发生弹性变形被拉长，其中的工件20则会沿着轴向被中空弹性管171夹紧和绷直，工件20在加工的过程中，中空弹性管171也会随着工件20一同旋转和收缩，但其间工件20一直处于夹紧的状态，这样在整个加工过程中工件20都不会因为自重而发生凹陷，特别是在连续进给的情况下，也不会导致同一个位置的加工点发生错位和偏移。在整个加工过程中，中空弹性管171不断的被拉长然后再复原，而且与工件20是同步进行的伸缩和旋转运动，所以加工过程中没有任何的摩擦和阻力，确保了加工的高精度和高稳定性。由于中空弹性管171被拉长后内径自动收缩夹紧的特性，各种0.5mm以下的精密薄壁管都能适用。通过上述方式，实现了工件20的自动夹紧、松开和连续加工动作，由于在加工过程中工件20和中空弹性管171没有任何的摩擦和阻力，所以可以确保整个加工过程的精确性和稳定性。

本发明公开的机床10确保在加工外径0.5mm以下精密薄壁管过程中夹持牢靠、定位精准、稳定可靠，完全避免了常规定位夹持中发生工件中部凹陷、连续加工出现对接错位等问题，解决了以往在机床旋转轴上不能精确定位和加工外径0.5mm以下精密薄壁管的难题，为0.5mm以下精密薄壁管的夹持和加工提供了一种综合优化的可行性解决方案，也为其他类似的细长回转类零件加工提供了一种参考和借鉴方法。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。