一种薄壁件加工夹具、薄壁件加工设备及加工方法与流程

1.本发明涉及机械加工设备技术领域，更具体地说，涉及一种薄壁件加工夹具。此外，本发明还涉及一种包括上述薄壁件加工夹具的薄壁件加工设备以及一种薄壁件加工方法。


背景技术：

2.薄壁件加工历来是金属加工的难题，加工时工件容易振动，装夹时容易发生变形或损坏工件表面。
3.波纹管压板是动车组高压箱内真空断路器的关键零件，其薄壁厚度通常只有4mm，属于薄壁圆环件。其作用是压紧真空断路器波纹管，保持密闭的状态，形成密封性良好的真空环境，因此波纹管压板铣削加工的质量关系到真空断路器的正常工作，其要保证良好的密封性能，产品对尺寸公差和形位公差要求相当高，给铣削加工增加了难度。
4.波纹管压板通常使用三爪卡盘反爪夹持进行加工，但卡盘卡爪夹持工件时与工件的接触的夹持面小，近似三个点受力，极易压伤工件表面产生夹痕；薄壁件所受夹紧力不均匀造成加工过程切削力不均匀，不受力的悬空位置会出现震动而产生振纹；夹紧力集中向工件中心，爪心与工件之间是悬空状态，会造成工件变形，向上凸或向下凹变形，导致加工厚度尺寸难以保证。
5.综上所述，如何提供一种避免夹具与工件接触的夹持面太小的薄壁件加工夹具，是目前本领域技术人员亟待解决的问题。


技术实现要素：

6.有鉴于此，本发明的目的是提供一种薄壁件加工夹具，夹具与被装夹的工件面面接触有利于工件的加工质量。
7.本发明的另一目的是提供一种包括上述薄壁件加工夹具的薄壁件加工设备。
8.为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
9.一种薄壁件加工夹具，包括：
10.基座，设有用于连接于旋转件的连接部，至少两个所述基座用于绕所述旋转件的中心均匀设置；
11.夹持部，所述夹持部连接于对应的所述基座，所述夹持部设有第一表面和第二表面，所述第一表面与所述第二表面垂直连接，所述第一表面为弧形，用于与工件的外周面实现面面贴合设置以夹持所述工件，所述第二表面用于与工件的一侧端面贴合，以便支撑所述工件，且所述第一表面沿与所述第二表面垂直的方向的宽度小于或等于1mm。
12.优选的，所述基座和所述夹持部通过两个键与两个键槽配合定位。
13.优选的，所述基座和所述夹持部通过至少两个螺栓固定。
14.优选的，所述键包括第一键和第二键，所述键槽包括第一键槽和第二键槽，两个所述螺栓的连线与所述第一键槽的长度方向具有非零夹角。
15.优选的，所述夹持部为扇形结构，两个所述螺栓沿所述扇形结构的径向设置。
16.优选的，所述第一表面为弧形曲面，所述弧形曲面对应的圆心角至少为30度。
17.优选的，所述第二表面设有用于卡接所述工件端面的凸起定位结构的卡接凹槽。
18.优选的，所述连接部为螺旋凸起连接部，用于连接所述旋转件的旋转凹槽，以使基座绕所述旋转件的中心设置。
19.此外，本发明还提供一种包括上述薄壁件加工夹具的薄壁件加工设备，薄壁件加工设备包括旋转件，薄壁件加工夹具设于所述旋转件。
20.再者，本发明还提供一种薄壁件加工方法，该薄壁件为半径为r的薄壁圆环件，且其一侧端面有条形凸起，该方法包括如下步骤：
21.获取用于所述薄壁件的加工夹具，所述加工夹具包括基座和夹持部，所述基座设有用于连接于旋转件的连接部，且至少两个所述基座用于绕所述旋转件的中心均匀设置，所述夹持部连接于对应的所述基座，所述夹持部设有第一表面和第二表面，所述第一表面与所述第二表面垂直，所述第一表面为半径为r的弧形，用于与工件的外周面实现面面贴合设置以夹持所述工件，所述第二表面用于与工件的一侧端面贴合，以便支撑所述工件，且所述第一表面沿与所述第二表面垂直的方向的宽度小于等于1mm；
22.对所述工件的薄壁面进行粗加工，铣削凸起定位结构的上平面0.5mm和毛坯外圆周面，并以上平面定位，夹持外圆周面加工下平面，留薄壁1mm厚度的加工余量，自然状态下时效5天；
23.对所述工件的薄壁面进行半精加工，加工上平面和两条形凸起到第一预设尺寸，加工内环的内圆加工到第二预定尺寸；加工下平面的内外圆，加工薄壁面，薄壁厚度留余量0.15mm；自然状态下时效5天；
24.对所述工件的薄壁面进行精加工，使用上述加工夹具来夹持工件，采用扭力扳手施加15n.m的夹紧力，铣削加工至薄壁面精度要求；
25.所述粗加工、所述半精加工和所述精加工进行的同时，控制冷却液对所述工件进行冷却、润滑和清洗，其中所述薄壁件加工设备的主轴中心设有第一出水孔，刀具的刀柄中心设有第二出水孔，且所述第二出水孔与所述刀具的刀尖切削部分互通形成通道，所述冷却液通过所述第一出水孔和所述通道流向所述工件。
26.本发明提供的薄壁件加工夹具包括基座和夹持部，其通过基座安装于现有机床；各夹持部与各基座一一对应连接，各夹持部随其对应的基座移动而移动，使用时，将工件放在夹具的中间，移动基座使夹持部的第一表面与工件的外周面贴合，进而夹紧工件，实现工件的嵌入式装夹。夹具与工件由原来的点接触变为面接触，工件所受的夹紧力均匀，提高刚性，工件未被夹持的部位不会因震动而产生振纹；且工件被夹持的部位单位面积受力小，不会压伤工件表面。
附图说明
27.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
28.图1为波纹管压板工件的示意图；
29.图2为图1的剖视图；
30.图3为本发明所提供具体实施例的基座的主视图；
31.图4为本发明所提供具体实施例的基座的俯视图；
32.图5为本发明所提供具体实施例的夹持部的主视图；
33.图6为本发明所提供具体实施例的夹持部的侧视图；
34.图7为本发明所提供具体实施例的夹持部的安装示意图；
35.图8为本发明所提供具体实施例的夹持工件的装夹示意图。
36.图1-图8中，附图标记包括：
37.1为基座、1-1为连接部、1-2为第一螺纹孔、2为夹持部、2-1为第一表面、2-2为第二表面、2-3为第二螺纹孔、3为工件、3-1为凸起定位结构、4为键、4-1为第一键、4-2为第二键、5为键槽、5-1为第一键槽、5-2为第二键槽。
具体实施方式
38.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、完整地描述，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。基于本发明中的实施例，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。
39.本发明的核心是提供一种薄壁件加工夹具。本发明的另一核心是提供一种包括上述薄壁件加工夹具的薄壁件加工设备以及一种薄壁件加工方法。
40.需要说明的是，下文所述的“端部、外部、内部”以及方位词“上、下、左、右”都是基于说明书附图所定义的。
41.请参考图1和图2，图1为波纹管压板工件的示意图；图2为图1的剖视图。请参考图3至图8，一种薄壁件加工夹具，包括基座1和夹持部2；基座1设有用于连接于旋转件的连接部1-1，至少两个基座1用于绕旋转件的中心均匀设置；夹持部2连接于对应的基座1，夹持部2设有第一表面2-1，第一表面2-1与工件3的外周面实现面面贴合设置以夹持工件3。
42.夹持部2设有第二表面2-2，第一表面2-1与第二表面2-2垂直连接，第一表面2-1为弧形，用于与工件的外周面实现面面贴合设置以夹持工件3，第二表面2-2用于与工件3的一侧端面贴合，以便支撑工件3，且第一表面2-1沿与第二表面2-2垂直的方向的宽度小于或等于1mm。
43.具体的，本实施例所公开的夹具的具体结构适用于图1所示的波纹管压板工件3，夹持部2的第一表面2-1和工件3的外周面实现面面贴合设置，而夹持部2固定于基座1，其是随基座1的移动而移动的，使用时，先向外部移动基座1以让出足够的中心空间放置工件3，然后向内部移动基座1使夹持部2的第一表面2-1与工件3的外周面贴合，进而夹紧工件3，所以，夹持部2的第一表面2-1的具体形状和尺寸可以根据需要装夹的工件3的具体形状和尺寸设计制造，以适用于不同形状和尺寸的工件3；此外，夹具的材质选择其所要装夹的薄壁工件3的材质，以形成有机统一体，有效消除加工中不同材质之间的受力变化、夹持部2与工件3之间的应力变化、切削力不均匀变化等产生的震动，有效提高整体刚性来减振、抗振，提高加工质量。
44.基座1设有可与旋转件连接的连接部1-1，所以，本发明所提供的薄壁件加工夹具通过基座1安装于现有机床即可使用。各夹持部2与各基座1一一对应连接，各夹持部2随其对应的基座1移动而移动，使用时，工件3使用嵌入式装夹方式。夹具与工件3由原来的点接触变为面接触，工件3所受的夹紧力均匀，提高刚性，工件3未被夹持的部位不会因震动而产生振纹；且工件3被夹持的部位单位面积受力小，不会压伤工件3的表面。
45.在上述实施例的基础之上，基座1和夹持部2通过两个键4与两个键槽5配合定位。
46.优选的，如图3和图6所示，基座1设有一个键4和一个键槽5，夹持部2设有一个键4和一个键槽5，键4与对应的键槽5配合，实现对基座1与夹持部2的相对位置限定。使用时，将夹持部2的键4和键槽5对准基座1的键槽5和键4，将夹持部2按下，键4被按进键槽5，两对键4与键槽5的配合，可以提高重复定位精度，即多次安装夹持部2，每次的定位相同更精准。也可以与基座1设置两个键4，于夹持部2设置两个键槽5，当然这里还可以采用其他任意的定位方式，只要可以实现定位且可以实现夹具功能即可。
47.在上述实施例的基础之上，基座1和夹持部2通过至少两个螺栓固定。
48.具体的，如图2至图6所示，本实施例于基座1上设有两个第一螺纹孔1-2，且两个第一螺纹孔1-2有一定的距离，夹持部2对应基座1的两个第一螺纹孔1-2的位置设置有第二螺纹孔2-3，上述第一螺纹孔1-2和第二螺纹孔2-3为通孔，使用两个螺栓即可实现对夹持部2的固定，避免重复定位，且螺栓连接方便经常拆卸。当然，上述第一螺纹孔1-2和第二螺纹孔2-3还可以是盲孔，通过螺钉进行固定，还可以使用更多个螺栓或其他任意方式对夹持部2进行固定，只要保证夹具的功能即可。
49.在上述实施例的基础之上，键4包括第一键4-1和第二键4-2，键槽5包括第一键槽5-1和第二键槽5-2，两个螺栓的连线与第一键槽5-1的长度方向具有非零夹角。
50.于基座1设置第二键4-2和第一键槽5-1、于夹持部2设置第一键4-1和第二键槽5-2，优选的，如图3和图4所示第一键槽5-1、第二键槽5-2均为通槽，且键槽5的长度方向与长条状的基座1的长度方向呈90度夹角，第二键4-2的长度方向与长条状的基座1的长度方向平行；如图5和图6所示，夹持部2为扇形结构时，第一键4-1设置在夹持部2的角平分线所在半径上，以使定位更准确。
51.上述使用螺栓进行固定的方式中，优选的，两个螺栓的连线与第一键槽5-1的长度方向具有非零夹角、与第二键槽5-2的长度方向夹角为零，这样设置不仅可以实现固定的作用，也使得固定后的夹具结构更稳定，在使用过程中不易产生晃动，从而不会影响工件3的加工质量。
52.在上述实施例的基础之上，夹持部2为扇形结构，两个螺栓沿扇形结构的径向设置。
53.具体的，如图5和图6所示，夹持部2为扇形结构，更适用于现有的大部分机床的旋转件，且在轴转动时离心力很小；两个螺栓将基座1和夹持部2夹紧，使两者不能相对移动，且两个螺栓沿扇形的径向设置，与第一键槽5-1的长度方向形成的夹角为90度，与第二键槽5-2的长度方向平行，相较于其的角度定位更精确、连接的夹具结构更加稳固，在使用过程中更不容易产生晃动。
54.在本技术的一个实施例中，第一表面2-1为弧形曲面，弧形曲面对应的圆心角至少为30度。
55.具体的，第一表面2-1为弧形曲面适用于加工外周面为弧形曲面的工件3，弧形曲面对应的圆心角至少为30度，以保证工件3的加工质量，在允许的情况下使第一表面2-1对应的圆心角最大，以使得工件3所受的夹紧力均匀，工件3被夹持的部位单位面积受力小，避免压伤工件3的表面。
56.如图7和图8所示，三个扇形的夹持部2绕旋转件的中心均匀设置，夹持部2的第一表面2-1为弧形曲面，且三个弧形曲面对应的圆心角之和近似180度，几乎将工件3的整个外周面覆盖住，使工件3所受的夹紧力很均匀，工件3未被夹持的部位是很小的一部分，工件3被夹持的部位单位面积受力小，不会压伤工件3的表面。
57.在一个具体的实施例中，夹持部2设有与第一表面2-1连接的第二表面2-2，第二表面2-2用于贴合并支撑工件3的端面；第二表面2-2与第一表面2-1垂直设置。
58.具体的，如图5和图6所示，夹持部2为阶梯结构，第一表面2-1为上层阶梯的竖直侧面，第二表面2-2为下层阶梯的上表面，第一表面2-1与第二表面2-2连接，且垂直设置，第一表面沿与所述第二表面垂直的方向的宽度小于等于1mm。
59.使用时，如图8所示，工件3倒装，其圆周面与第一表面2-1贴合，其上端面与第二表面2-2贴合，受到夹具的支撑，所以，工件3被装夹以后不是悬空状态，不会产生向上凸或向下凹变形，加工出的工件3尺寸标准，形状合格。
60.在上述实施例的基础之上，第二表面2-2设有用于卡接工件3端面的凸起定位结构3-1的卡接凹槽。
61.具体的，如图1所示，工件3上表面有凸起定位结构3-1，在第二表面2-2加工卡接凹槽以容纳凸起定位结构3-1，使工件3在倒装时，其上表面可以与第二表面2-2贴合设置。实际设计时，根据夹具实际要装夹的工件3的凸起定位结构3-1的尺寸和位置，确定卡接凹槽具体的尺寸和位置。
62.在上述任意一个实施例的基础之上，连接部1-1为螺旋凸起连接部，用于连接旋转件的旋转凹槽，以使基座1绕旋转件的中心设置，基座1可以自动定心定位。
63.具体的，如图3和图4所示，基座1设置的连接部1-1为螺旋凸起连接部，绕旋转件中心设置的各基座1通过与同一个旋转凹槽连接，在使用时，使旋转凹槽转动，带动各基座1一起向内或向外移动，各基座1带动其所连接的夹持部2一起向内或向外运动，实现自动定心定位功能。
64.除了上述薄壁件加工夹具，本发明还提供一种包括上述实施例公开的薄壁件加工夹具的薄壁件加工设备，薄壁件加工设备包括旋转件，薄壁件加工夹具设于所述旋转件，旋转件可以为卡盘基座，用于固定基座1，以便带动基座进行转动。薄壁件为半径为r的薄壁圆环件，且其一侧端面有条形凸起。
65.该薄壁件加工设备的其他各部分的结构请参考现有技术，本文不再赘述。
66.本发明还提供一种用于上述薄壁件加工设备的薄壁件加工方法，具体包括如下步骤：
67.步骤s1、获取用于薄壁件的加工夹具，加工夹具包括基座1和夹持部2，基座1设有用于连接于旋转件的连接部1-1，且至少两个基座1用于绕旋转件的中心均匀设置，夹持部2连接于对应的基座1，夹持部2设有第一表面2-1和第二表面2-2，第一表面2-1与第二表面2-2垂直，第一表面2-1为半径为r的弧形，用于与工件3的外周面实现面面贴合设置以夹持工
件，第二表面2-2用于与工件3的一侧端面贴合，以便支撑工件3，且第一表面2-1沿与第二表面2-2垂直的方向的宽度小于等于1mm；
68.步骤s2、对工件的薄壁面进行粗加工，铣削凸起定位结构的上平面0.5mm和毛坯外圆周面，并以上平面定位，夹持外圆周面加工下平面，留薄壁1mm厚度的加工余量，自然状态下时效5天；
69.步骤s3、对工件的薄壁面进行半精加工，加工上平面和两条形凸起到第一预设尺寸，加工内环的内圆加工到第二预设尺寸；加工下平面的内外圆，加工薄壁面，薄壁厚度留余量0.15mm；自然状态下时效5天；
70.步骤s4、对工件的薄壁面进行精加工，使用上述加工夹具来夹持工件，采用扭力扳手施加15n.m的夹紧力，铣削加工至薄壁面精度要求；
71.其中，粗加工、半精加工和精加工进行的同时，控制冷却液对工件3进行冷却、润滑和清洗，其中薄壁件加工设备的主轴中心设有第一出水孔，刀具的刀柄中心设有第二出水孔，且第二出水孔与刀具的刀尖切削部分互通形成通道，冷却液通过第一出水孔和通道流向工件3。
72.需要说明的是，本技术提供的薄壁件加工设备的薄壁件加工方法可以为对上述任意一个实施例中的薄壁件加工夹具和薄壁件加工设备的应用。
73.在一个具体的实施例中，对工件3的薄壁面进行粗加工，粗加工完成后对工件3做自然时效处理；
74.对工件3的薄壁面进行半精加工，半精加工完成后对工件3做自然时效处理；
75.对工件3的薄壁面进行精加工；粗加工、半精加工和精加工进行的同时，控制冷却液对工件3进行冷却、润滑和清洗，其中薄壁件加工设备的主轴中心设有第一出水孔，刀具的刀柄中心设有第二出水孔，且第二出水孔与刀具的刀尖切削部分互通形成通道，冷却液通过第一出水孔和通道流向工件3。
76.具体的，加工工件3时，随着切削加工的进行，工件3由厚变薄的过程中，工件3本身的内应力会发生变化，对薄壁面加工分为粗加工、半精加工、精加工，上述分层加工有利于减小变形量。
77.但分层加工的过程中，切削去除一层后与进行下一层加工前的尺寸精度和形位精度不一致，为了纠正形状变化采取的措施为分阶段做自然时效处理，即上述粗加工、半精加工这些加工过程，每完成一步都对工件3做自然时效处理，从而均匀释放工件3的材料内应力，来减小变形。需要说明的是，做自然时效处理的时间，不同的工件3所需的时间不同，可做实验确定。
78.使用冷却液对工件3和刀具进行降温，可以有效减小薄壁件切削热变形；其次，冷却液可以起润滑作用，有效防止粘刀来提高工件3的表面光洁度；再者，冷却液流动可以冲洗掉加工时产生的切屑，有效防止切屑划伤已加工表面。更进一步，经过实践经验得出，加工铝合金材质时，冷却液配比为1∶7，最为合适兼备以上三种功能。
79.上述加工方法适用于图1所示的波纹管压板工件，波纹管压板工件的尺寸和公差要求为外圆直径为230mm，内圆孔的直径为140mm，上下两个薄壁面的尺寸为4mm、尺寸公差为
±
0.05，表面光洁度为1.6，两薄壁面平面度0.02、平行度0.03。
80.加工波纹管压板工件前，需要提供厚12mm、外圆周直径稍大于230mm、内圆孔直径
稍小于140mm的毛坯。
81.加工工艺流程如下：首先，夹持毛坯，铣削凸起定位结构的上平面0.5mm和毛坯外圆周面；以上平面定位，夹持外圆周面加工下平面，留薄壁5mm厚度；自然状态下时效5天，让其自然变形成稳定状态，变形量在0.2mm—0.3mm之间。然后，加工上平面和两筋板到尺寸，内环r5的内圆加工到尺寸；加工下平面r5的内外圆，加工薄壁面，薄壁厚度留余量0.15mm；自然状态下时效5天，让其自然变形成稳定状态，变形量在0.06mm—0.1mm之间。最后，以两筋板面定位，两薄壁面加工到图纸要求。
82.进一步，加工工件3之前，需要进行装夹，使用本发明所提供的夹具，可以给工件3提供均匀的夹紧力，加工时有效平稳保证加工所要达到的薄壁面精度要求；增加夹持部2的厚度，从而全面包裹工件3的外周面，可以提高整体工件夹持的刚性。需要说明的是，加工波纹管压板工件时，经过百分表打表的方式，测得扭力扳手夹紧力大小对变形大小的控制，经过检测采用扭力扳手校正夹紧力为15n.m，既能保证加工夹紧力需求，又能使波纹管压板工件加工前后加工薄壁面不变形。
83.更进一步，选用与工件3的材质相同的刀具和夹具，强度一致，切削加工时切削性能一致性较好，更好的保证加工质量。
84.再者，依据实践加工得出，铣削加工波纹管压板工件时，切削用量如下时：主轴转速为6000rpm、背吃刀量为0.2mm、进给量为5000mm/min，高转速和高进给既可以提高加工薄壁面的效率，且切削力对薄壁面加工变形较小，对加工薄壁面越平稳，不会因为切削力产生高频震动。
85.有关切削温度的控制，冷却液在常温的环境是28
°
，也是夏季的室温。自然时效的温度是25
°
到35
°
，夏季加工的温度控制和时效温度差，和冬季加工的温度差会有微小的变化，可以根据实际情况进行调整。
86.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
87.以上对本发明所提供的薄壁件加工夹具、薄壁件加工设备、薄壁件加工方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。