锥形薄壁回转件测量加工一体化装夹装置的制作方法

本发明属于机械加工领域，涉及一种具有特殊加工要求的锥形薄壁回转体覆层零件的精密装夹装置，该装置可在二维回转工作台或者机械臂法兰盘上进行可靠夹紧及精密定位。

背景技术：

在航空航天领域存在一类内外表面金属覆层均需激光加工的锥形薄壁回转体覆层零件，为保证该零件的高性能要求，要求在加工中保证工件内外表面加工图案具有严格的位置对应关系。目前主要采用五轴联动数控加工装备加工锥形薄壁回转体覆层零件，但由于工作台运动空间约束及普通工装结构限制，难以实现一次装夹下完成薄壁覆层零件的内外表面精密加工，导致加工过程中难以保证工件内外表面金属覆层加工图案严格的位置对应关系。同时由于零件本身具有低刚度的特点，装夹过程中极易产生非规则的装夹变形。据此，需设计合理的工装方法保证一次装夹下完成工件内外表面金属覆层的精密加工，其中若选用工件内表面作为定位基准面，夹具本身会对工件内表面金属覆层加工造成极大的干涉，故只能选用外表面中不需要加工的表面作为定位基准面进行工件的定位和夹持。综上所述需要设计可在二维回转工作台或机械臂法兰盘上使用的具有稳定装夹和定心能力的专用夹具，以实现零件一次安装下内外表面金属覆层的精密加工。

对于这类薄壁回转体零件，常规装夹方法是以工件外表面或内表面为定位基准面，利用带定心功能的三爪卡盘或弹性胀套对工件进行定位夹紧并依次进行两次安装实现零件内外表面加工。但该方法应用到有特殊加工要求的锥形薄壁回转体覆层零件时，无法实现一次安装下精密加工内外表面，导致零件内外表面图案严格的位置对应关系难以得到保证。发明人阎秋生等人的专利：“一种u形薄壁回转件快速定心定位夹紧装置”，专利公告号为cn105382692的专利中，通过径向移动楔块与轴向移动楔块的相互配合实现薄壁回转件的自动定心定位，但这种装夹方法仅适合工件底面为平面的柱状回转类薄壁件的单面加工，故该方法具有很大的局限性，无法实现锥形薄壁回转体零件的表面加工。发明人赵凯等人专利：“低硬度薄壁回转体覆层零件精密装夹装置”，公告号为cn103273346的专利中，提供了一种可在二维回转工作台上对一种带内边沿低刚度薄壁回转体覆层零件进行可靠夹紧及精密定位的装夹方法，通过弹性胀套定位零件内表面，利用连杆进行机械压紧，但这种装夹方法只能用来加工特殊零件的外表面，因而不能很好地解决锥形薄壁回转体零件的装夹问题。

技术实现要素：

本发明要解决的技术难题是克服现有装夹方案的缺陷，针对锥形薄壁回转体覆层零件一次安装下精密加工内外表面的问题，发明了锥形薄壁回转件测量加工一体化装夹装置，该装置由初步定位部件，定位夹紧部件，安装部件三部分组成。通过四个定位夹紧构件中的传感器分别测量工件接触反力大小和夹紧力大小，利用四个定位夹紧构件的相互配合对工件进行完全定位与可靠夹紧。该装置可在二维回转工作台或者机械臂法兰盘上实现工件的精确定位及可靠装夹，保证工件在一次装夹下完成夹紧力与支撑反力的测量以及零件内外表面的高精加工。

本发明所采取的技术方案是锥形薄壁回转件测量加工一体化装夹装置，其特征是，该装置由初步定位部件ⅰ，定位夹紧部件ⅱ，安装部件ⅲ三部分组成；

所述初步定位部件ⅰ是由托盘1、辅定位元件7和安装块紧固螺栓14组成；托盘1中心贯通以加工工件内表面，托盘1正面存在径向厚度为s的窄边定位环形凸台1a，背面存在径向厚度为k的宽边定位环形凸台1b；窄边定位环形凸台1a与定位夹紧部件ⅱ中的安装块4接触，保证定位夹紧部件ⅱ的安装精度；窄边定位环形凸台1a、宽边定位环形凸台1b的外轮廓与安装部件ⅲ精确配合确定工件在机床上的位置；在托盘1的外环面上均布四个环形滑槽1c和四个定位通孔1d，环形滑槽1c可灵活改变定位夹紧部件ⅱ的位置以寻找夹紧状态下工件变形均匀的装夹布局，均布的定位通孔1d是为了将初步定位部件ⅰ固定在安装部件ⅲ上；在托盘1的中部位置存在两个对称的辅定位通槽1e，用于正确安装辅定位元件7，辅定位元件7插入辅定位通槽1e中，用于精确确定工件在托盘1中的位置；

所述定位夹紧部件ⅱ具有四个组成完全相同的定位夹紧构件：第一定位夹紧构件a、第二定位夹紧构件b、第三定位夹紧构件c、第四定位夹紧构件d；每一个定位夹紧构件由球头微型测力传感器2、法兰盘3、安装块4、夹紧螺栓5和螺钉6组成；组装定位夹紧构件时，先将夹紧螺栓5穿过安装块4的表面螺纹孔，再将球头微型测力传感器2和法兰盘3用螺钉6固结，最后将夹紧螺栓5与法兰盘3配合拧紧；然后将组装好的第一定位夹紧构件a、第二定位夹紧构件b、第三定位夹紧构件c、第四定位夹紧构件d分别通过安装块紧固螺栓14安装到托盘1的外环上均布的四个环形滑槽1c中固定；

所述安装部件ⅲ是由支架紧固螺栓8、支架紧固螺母9、支架10、t型槽螺栓11和t型槽螺栓紧固螺母12组成，用来安装初步定位部件ⅰ和定位夹紧部件ⅱ的组合体；安装时，将定位部件ⅰ安装到支架10的安装槽10c内，支架10上端的定位斜角10a与托盘1的窄边定位环形凸台1a、宽边定位环形凸台1b的外轮廓接触以定位托盘1；支架紧固螺栓8通过托盘1上的两个定位通孔1d，由支架紧固螺母9将托盘1固定在支架10上；10底部的柱状凸台10b与机床工作台中心孔配合，并通过t型槽螺栓11与t型槽螺栓紧固螺母12将支架10紧固在工作台13的t型槽内。

本发明的有益效果是采用精密制造的辅定位元件与可灵活滑动的定位夹紧部件配合定位夹紧工件，解决了锥形薄壁回转件的定心问题，通过传感器的球型头实时测量夹紧力与支撑反力的大小，同时利用工作台的旋转带动夹具实现工件内外表面加工。该装置能有效保证锥形薄壁回转体零件的定位与夹紧，并能够实现工件在一次装夹下完成夹紧力与支撑反力的测量以及零件内外表面的精密加工，整体装置操作简单，性能可靠。

附图说明

图1是夹具正面外观轴测图，图2是夹具背面外观轴测图，图3是托盘的侧视图，图4是支架的轴测图。图中：1-托盘，1a-窄边定位环形凸台，1b-宽边定位环形凸台，1c-环形滑槽，1d-定位通孔，1e-辅定位通槽，2-球头微型测力传感器，3-法兰盘，4-安装块，5-夹紧螺栓，6-螺钉，7-辅定位元件，8-支架紧固螺栓，9-支架紧固螺母，10-支架，10a-定位斜角，10b-柱状凸台，10c-安装槽，11-t型槽螺栓，12-t型槽螺栓紧固螺母，13-工作台，14-安装块紧固螺栓。ⅰ-初步定位部件，ⅱ-定位夹紧部件，ⅲ-安装部件。a-第一定位夹紧机构，b-第二定位夹紧机构，c-第三定位夹紧机构，d-第四定位夹紧机构。

具体实施方式

下面结合附图和技术方案详细说明本发明的具体实施。附图1、2、3、4是本发明的一个实施例，该装夹装置由初步定位部件ⅰ、定位夹紧部件ⅱ和安装部件ⅲ组成。定位夹紧部件ⅱ由第一定位夹紧机构a、第二定位夹紧机构b、第三定位夹紧机构c、第四定位夹紧机构d构成。其中，初步定位部件ⅰ可对工件进行初步定位确定工件位置，限制工件一个位移自由度和两个转动自由度；定位夹紧部件ⅱ与工件为点接触，利用确定定位长度后的第二定位夹紧构件b、第三定位夹紧构件c对工件进行定位，其组合定位效果与一个短v形块的定位效果近似，限制工件两个位移自由度。最后，通过第一定位夹紧构件a、第四定位夹紧构件d夹紧工件，利用摩擦力限制工件的一个旋转自由度，至此，实现了工件的完全定位及可靠夹紧。

初步定位部件ⅰ是由托盘1、辅定位元件7和安装块紧固螺栓14组成，参见图1、2、3。其中，托盘1正面存在径向厚度为2mm的窄边定位环形凸台1a，背面存在径向厚度为10mm的宽边定位环形凸台1b。装夹工件时，先将托盘1正面朝上放置在工作台上，随后将两个辅定位元件7分别插入两个辅定位通槽1e中，然后将锥形薄壁回转体零件放置在托盘中心贯通孔的上方并抵靠在两辅定位元件7上，至此，确定了工件在初步定位阶段中的位置。安装块紧固螺栓14的作用是将定位夹紧部件ⅱ固定在托盘1上；每个定位夹紧构件是由球头微型测力传感器2、法兰盘3、安装块4、夹紧螺栓5、和螺钉6组成。四个组成完全相同的定位夹紧构件在装夹装置中的作用不尽相同，利用第二定位夹紧构件b、第三定位夹紧部件c代替初步定位部件ⅰ中的辅定位元件7来精确定位工件中心位置；通过手动调节第一定位夹紧构件a、第四定位夹紧构件d中夹紧螺栓5的旋进长度控制夹紧力的大小；安装部件ⅲ由支架紧固螺栓8、支架紧固螺母9、支架10、t型槽螺栓11和t型槽螺栓紧固螺母12组成。支架10的底部为直径60mm的柱状凸台10b，柱状凸台10b与工作台中心孔配合确定支架10位置，参见图1、2、4。同时，通过t型槽螺栓11和t型槽螺栓紧固螺母12将支架10固定在工作台13上。

具体的实施中，先通过支架10的底部柱状凸台10b与机床工作台中心孔间隙配合确定支架10位置，再通过t型槽螺栓11与t型槽螺栓紧固螺母12将支架10紧固在工作台13的t型槽内。在初步定位阶段，先将托盘1正面朝上放置在工作台上，随后将两个辅定位元件7分别插入两个辅定位通槽1e中，然后将锥形薄壁回转体零件放置在托盘中心贯通孔的上方，并抵靠在两个辅定位元件7上，至此，确定了工件在初步定位阶段中的位置。在定位夹紧阶段，先组装四个定位夹紧构件。将夹紧螺栓5穿过安装块4的螺纹孔，再将球头微型测力传感器2和法兰盘3用螺钉6固结，最后将夹紧螺栓5与法兰盘3配合拧紧，完成一个定位夹紧构件的组装。在完成了四个定位夹紧构件的组装后，将四个定位夹紧构件分别放置在托盘1上均布的四个环形滑槽1c上，通过安装块4与窄边定位环形凸台1a的直接接触来保证各个定位夹紧构件的安装精度，且四个定位夹紧构件可以沿窄边定位环形凸台1a在环形槽内自由移动，并可在合适的位置用安装块紧固螺栓14将该定位夹紧构件固定在托盘1上。然后将定位部件ⅰ安装到支架10的安装槽10c内，这时支架10上端的定位斜角10a与托盘1的窄边定位环形凸台1a、宽边定位环形凸台1b的外轮廓接触，从而定位托盘1位置。

在初步定位阶段已经定位锥形薄壁回转体零件的位置后，通过手动调节第一定位夹紧构件a和第四定位夹紧构件d中的夹紧螺栓5的旋进长度，施加较小的预紧力，确保锥形薄壁回转体零件的底面能够与两辅定位元件7紧密贴合，且不会使工件产生影响后续定位的变形，第一定位夹紧构件a和第四定位夹紧构件d施加的预紧力可由球头微型测力传感器2测出。然后手动调节第二定位夹紧构件b、第三定位夹紧构件c中夹紧螺栓5的旋进长度，使第二定位夹紧构件b、第三定位夹紧构件c中球头微型测力传感器2恰好接触该锥形薄壁回转体零件。此时，第二定位夹紧部件b、第三定位夹紧部件c中夹紧螺栓5的旋进长度为定位锥形薄壁件的有效长度，从而确定该锥形薄壁回转件在夹具中的位置。在确定了第二定位夹紧构件b、第三定位夹紧构件c中夹紧螺栓5的旋进长度后，结束第一定位夹紧构件a和第四定位夹紧构件d的预紧力施加状态，将两个辅定位元件7从两个辅定位通槽1e中拔出。然后将工件抵靠在第二定位夹紧构件b、第三定位夹紧构件c的球头微型测力传感器2上，第二定位夹紧构件b、第三定位夹紧构件c组合限制工件x和y的位移自由度，定位效果与短v形块近似。通过手动调节第一定位夹紧构件a、第四定位夹紧构件d中夹紧螺栓5的旋进长度控制夹紧力的大小，并夹紧薄壁回转件。第一定位夹紧构件a、第四定位夹紧构件d在此工作状态下类似浮动短v形块，对工件进行可靠压紧，夹紧产生的摩擦力限制工件的最后一个转动自由度，同时考虑到激光加工过程中无切削力，产生的摩擦力可以限定最后一个自由度。

实施中，可以通过第二定位夹紧构件b、第三定位夹紧构件c传感器可以测得接触反力大小，通过第一定位夹紧构件a、第四定位夹紧构件d传感器可以测得夹紧力大小。

本发明能有效保证低刚度锥形薄壁回转体覆层零件的定位与夹紧，并能够实现工件在一次装夹下完成夹紧力与支撑反力的测量以及零件内外表面的精密加工，整体装置操作简单，性能可靠，对零件的高质、高精加工起到关键作用。