CN110280958B - 一种零件倾角大范围无级调节夹具 - Google Patents

一种零件倾角大范围无级调节夹具 Download PDF

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Abstract

本发明一种零件倾角大范围无级调节夹具属于机械加工夹具领域，涉及一种用于激光加工的零件倾角大范围无级调节夹具。该夹具由定位夹紧单元、倾角调节单元、丝杠固定单元和示数单元组成。可通过丝杠带动滑动块移动与支撑板转动，调节工作平台倾斜角度，实现对激光加工用平板零件倾斜角度大范围无级调节，并通过凸轮固定倾斜调节单元位置。通过定位夹紧单元，对平板零件定位夹紧。基于工作平台倾斜角度与手轮旋转圈数、丝杠螺距、倾斜调节单元各零件几何尺寸关系，通过示数单元准确读取工作平台倾斜角度。本发明基于严格的几何关系计算和巧妙的结构设计，功能全面，结构紧凑，精确可靠。

Description

一种零件倾角大范围无级调节夹具
技术领域
本发明属于机械加工夹具领域，涉及一种用于激光加工的零件倾角大范围无级调节夹具。
背景技术
高性能复杂曲面宽频天线是航空航天领域高速飞行器中的关键零件，多为深腔结构且内外壁带线结构复杂。该类零件带线边缘质量要求高、内外壁带线位置对应关系要求严格，必须保证工艺参数间具有良好设计匹配性和工艺一致性。然而，该类零件激光加工中，因空间受限极易导致光路干涉，激光倾斜入射加工工艺参数影响规律不清致使热影响区域增大、烧蚀截面质量降低、材料去除量难以保证。因此，激光束倾斜入射加工工艺规律逐渐成为国内外研究热点。然而，直接采用成型深腔复杂零件作为研究对象极易引入激光扫描路径差异、曲面曲率急变等多变量扰动误差，可大范围调节倾斜角度的平板零件成为探明激光束倾斜入射加工工艺规律的理想零件。然而，工程常用倾角调节夹具多存在调节范围受限、定位精度不足、倾角跳跃调节等局限。因此，用于激光加工的平板零件倾角大范围无级调节夹具的设计成为探明激光束倾斜入射加工工艺规律必要环节，对提高航空航天领域高性能复杂曲面宽频天线服役性能具有重要实际应用意义。
现有技术文献1“Nanosecond pulsed laser irradiation of sapphire fordeveloping microstructures with deep V-shaped grooves”，Nozomi Takayama等，Precision Engineering，2018，52：440–450，该文献通过改变激光束入射角度改变激光能量分布大小，进而影响激光烧蚀轮廓截面特征，作者在文中并未提及零件倾角调节方法或夹具。现有技术文献2王福吉等人专利公开号CN107414552A的“一种用于铣削加工碳纤维复合材料的可调式吸附夹具”，设计一种针对碳纤维复合材料可以调整倾斜角度的专用吸附夹具，然而该夹具存在吸盘倾角调节范围小、手动调节倾角难度大、倾角大小测量精度低等缺陷，无法直接应用于探明激光束倾斜入射加工工艺规律研究中。
发明内容
本发明为克服现有技术的不足，发明了一种用于激光加工的零件倾角大范围无级调节夹具。该夹具可通过由夹紧装置和定位块组成的定位夹紧单元，实现对平板零件的定位和夹紧；通过调整由丝杠、支撑板、齿轮、滑动块与丝杠套筒等组成的倾角调节单元和由紧固块、手柄、手柄套筒组成的丝杠固定单元，实现对平板零件倾斜角度的大范围无级调整和位置稳固。通过由角度标尺和读数板组成的示数单元，实现对平板零件倾斜角度的准确读取。
本发明采用的技术方案是一种零件倾角大范围无级调节夹具，其特征是，该夹具由定位夹紧单元、倾角调节单元、丝杠固定单元和示数单元四部分组成；
所述定位夹紧单元中，定位块1通过定位销2和定位螺栓3安装固定在工作平台6上；两个夹紧装置4分别通过固定螺栓5成对角安装在工作平台6的左上角和右下角；夹紧装置4的支撑座4d中加工有两个凹槽，两个夹紧弹簧4c分别安装在凹槽中；夹紧块4a为“大”字形，头部与被加工的平板零件接触，尾部与夹紧弹簧4c相触，压块4e由紧固螺钉4b固定在支撑座4d上，保证夹紧块4a在凹槽内前后伸缩夹紧平板零件；
所述倾角调节单元中，左支撑板30的结构：左支撑板30的上端加工有带键轴孔30b，下端加工有销轴孔30d，左端中间开有左下端槽30e，右端中间开有右上端槽30f；在左支撑板30上表面的中部开有圆角矩形通孔30a，侧面开有通孔30c；用销轴15通过销轴孔30d将左支撑板30和左滑动块18固连；
连接平台24的结构：连接平台24由上平板24a和中板24e构成，中板24a和中板24e相垂直；上平板24a上加工有上螺纹孔24a，连接平台24通过螺钉25与工作平台6固连；中板24e的中部有定位面24c，中板24e上加工有下螺纹孔24d；中板24e***左支撑板30的圆角矩形通孔30a中，并通过定位面24c与左支撑板30上表面接触以限定位置，用螺钉31穿过通孔30c和连接平台24的下螺纹孔24d，将连接平台24固定在左支撑板30上；
右支撑板7的结构：右支撑板7的上端加工有带键轴孔7c，下端加工有销轴孔7b，右端中间开有右端槽7d，左端中间开有左端槽7e，右支撑板7的上表面加工有螺纹孔7a；用销轴15通过销轴孔7b将右支撑板7和右滑动块14固连；并由弹性挡圈A16限定轴向位置；
右支撑板7、左支撑板30上端用两个键槽轴27分别通过带键轴孔7c、带键轴孔30b，再穿过两个齿轮29的中心孔和连杆28两端的通孔，使两个齿轮正确啮合，并用弹性挡圈26限定轴向位置，保证齿轮与两支撑板间无相对运动；
所述丝杠固定单元中，右套筒座11和左套筒座19上加工有螺栓孔，分别通过套筒座螺栓13固定在底座20的左、右端部；将安装了右滑动块14与左滑动块18的丝杠17安装在右套筒座11和左套筒座19中心孔中，手轮12安装在丝杠17的右端，由手轮12驱动丝杠17转动；丝杠17转动同时移动右滑动块14与左滑动块18，进而带动右支撑板7与左支撑板30旋转，实现工作平台6的倾斜；
手柄套筒座21上加工有螺纹孔21b、销孔21c和通孔21d，并安装有两个导向柱21a；手柄21穿过手柄套筒座21的通孔21d与凸轮32连接；紧固块23安装在凸轮32上面，紧固块23上通孔与导向柱21a间隙配合，紧固块23上表面加工有半圆形凹槽与丝杠17间隙配合；当工件倾角调节单元作业结束后，转动手柄22，凸轮32推动紧固块23上移锁死丝杠17，固定倾斜调节单元位置；
所述示数单元中，读数板9上加工有读数孔，通过螺栓8安装在右支撑板7上；角度标尺10通过螺栓安装在右滑动块14上；
标尺上标注角度刻度，角度标注范围和间隔由手轮12旋转圈数n、丝杠17螺距p、倾斜调节单元各零件几何尺寸确定，取右支撑板7两端销轴孔7b与带键轴孔7c中心距为l，当工作平台6处于水平状态时，取右支撑板7的销轴孔7b与带键轴孔7c中心在竖直方向的距离为h0，则工作平台6处于水平状态时，右支撑板7与水平方向的夹角θ0为：
Figure GDA0002389092050000051
将手轮12转动n圈后，右支撑板7与水平方向的夹角θ为：
Figure GDA0002389092050000052
由于左支撑板30与右支撑板7为对称结构，二者转动角度大小相等，工作平台6固定在板板平台33与左支撑板30上，故工作平台6与水平方向的夹角等于左支撑板30转过的角度，即工作平台6的倾斜角α为：
α＝θ-θ0 (3)
将式(1)、式(2)带入式(3)，得到工作平台6的倾斜角α与各参数间关系为：
Figure GDA0002389092050000053
当右滑动块14与左滑动块18移动至丝杠中心时，工作平台6的倾斜角达到最大值，此时，左支撑板30与右支撑板7上端带键轴孔中心距为d1，下端销轴孔中心距为d2，右支撑板7与水平方向的夹角最大值θmax为：
Figure GDA0002389092050000054
则工作平台6的最大倾斜角αmax为：
αmax＝θmax-θ0 (6)
因此，该夹具实现的倾角调节区间α为：
α＝[0,αmax] (7)
通过示数单元准确读取工作平台倾斜角度。
本发明的有益效果是调节夹具可通过丝杠带动滑动块移动与支撑板转动，调节工作平台倾斜角度，基于严格的几何关系计算和巧妙的结构设计，实现对激光加工用平板零件倾斜角度大范围无级调节，并通过凸轮固定倾斜调节单元位置；通过定位夹紧单元，对平板零件定位夹紧；基于工作平台倾斜角度与手轮旋转圈数、丝杠螺距、倾斜调节单元各零件几何尺寸关系，通过示数单元准确读取工作平台倾斜角度。该夹具可实现平板零件倾斜角度大范围无级调节，准确读取倾角大小，对探明激光倾斜入射加工工艺规律具有重要的实际应用意义。相比于已有倾角调节夹具而言，该夹具基于严格的几何关系计算和巧妙的结构设计，功能全面，结构紧凑，精确可靠。
附图说明
图1为一种零件倾角大范围无级调节夹具的轴测图，图2为一种零件倾角大范围无级调节夹具的主视图。其中，1-定位块，2-定位销，3-定位螺栓，4-夹紧装置，5-固定螺栓，6-工作平台，7-右支撑板，8-紧固螺栓，9-读数板，10-角度标尺，11-右套筒座，12-手轮，13-套筒座螺栓，14-右滑动块，15-销轴，16-弹性挡圈A，17-丝杠，18-左滑动块，19-左套筒座，20-底座，21-手柄套筒座，22-手柄，23-紧固块，24-连接平台，25-支撑板螺钉，26-弹性挡圈，27-键槽轴，28-连杆，29-齿轮，30-左支撑板，31-连接平台螺钉，32-凸轮。
图3为夹紧装置4结构图，其中，4a-夹紧块，4b-紧固螺钉，4c-夹紧弹簧，4d-支撑座，4e-压块，5-固定螺栓。
图4为右支撑板7结构图，其中，7a-螺纹孔，7b-销轴孔，7c-带键轴孔，7d-左端槽。7e-右端槽。
图5为连接平台24结构图，其中，24a-上平板，24b-上螺纹孔，24c-定位面，24d-下螺纹孔，24e-中板。
图6为左支撑板30结构图，其中，30a-圆角矩形通孔，30b-带键轴孔，30c-通孔，30d-销轴孔，30e-左下端槽。30f-右上端槽。
图7为手柄套筒座21结构图，其中，21a-导向柱，21b-螺纹孔，21c-销孔，21d-通孔。
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。
本实施例的用于激光加工的零件倾角大范围无级调节夹具轴测图如图1所示，图2为用于激光加工的零件倾角大范围无级调节夹具主视图。该夹具可由丝杠带动滑动块移动与支撑板转动，调节工作平台倾斜角度，基于严格的几何关系计算和巧妙的结构设计，实现对激光加工用平板零件倾斜角度大范围无级调节，并通过凸轮固定倾斜调节单元位置；通过定位夹紧单元，对平板零件定位夹紧；基于工作平台倾斜角度与手轮旋转圈数、丝杠螺距、倾斜调节单元各零件几何尺寸关系，通过示数单元准确读取工作平台倾斜角度。
夹具的安装及使用具体操作步骤如下：
一、将底座20使用螺栓螺母固定在基座上，将右套筒座11、左套筒座19使用套筒座螺栓13安装在底座20上。右滑动块14、左滑动块18与底座20导向槽滑动连接，丝杠17连接到手轮12上，与右滑动块14、左滑动块18上螺纹孔啮合，并与右套筒座11、左套筒座19间隙配合。右支撑板7、左支撑板30下端分别通过销轴15安装在右滑动块14、左滑动块18上端，并由弹性挡圈A16限定轴向位置。
二、右支撑板7、左支撑板30的结构如图4、图6所示，右支撑板7、左支撑板30上端用两个键槽轴27分别通过带键轴孔7c、带键轴孔30b，再穿过两个齿轮29的中心孔和连杆28两端的通孔，使两个齿轮正确啮合，并用弹性挡圈26限定轴向位置，保证齿轮与两支撑板间无相对运动；
三、连接平台24的具体结构如图5所示，将连接平台24上圆角矩形板24d***左支撑板30上圆角矩形通孔内，定位面24b保证二者相对位置，并由螺钉31固定。使用螺钉25将工作平台6安装在连接平台24上。由手轮12驱动丝杠17转动，同时移动右滑动块14与左滑动块18，进而带动右支撑板7与左支撑板30旋转，实现工作平台6倾斜。
四、手柄套筒座21的结构如图7所示，将有两个导向柱21a的手柄套筒座21使用定位销和螺栓、螺母固定在底座20上，手柄22通过手柄套筒座21上通孔21d连接凸轮32，紧固块23安装在凸轮32上面，紧固块23上通孔与导向柱21a间隙配合，紧固块23上表面加工有半圆形凹槽与丝杠17间隙配合；当工件倾角调节单元作业结束后，转动手柄22，凸轮32推动紧固块23上移锁死丝杠17，固定倾斜调节单元位置；保证在激光加工过程中，夹具倾角角度稳固可靠。
五、将定位块1使用定位销2和沉孔螺栓3安装在工作平台6上，两个夹紧装置4分别通过固定螺栓5成对角安装在工作平台6的左上角和右下角；将夹紧装置4的支撑座4d使用紧固螺栓5和螺母24安装在工作平台6上，将夹紧弹簧4c和夹紧块4a依次放置在支撑座4d槽内，并将压块4e使用紧固螺钉4b安装在支撑座4d上，如图1、3所示，实现激光倾斜加工用平板零件定位夹紧。
六、将读数板9使用紧固螺栓8安装在右支撑板7上，角度标尺10通过紧固螺栓安装在右滑动块14上。根据设计需求，丝杠17螺距p＝1mm，右支撑板7两端销轴孔7b与带键轴孔7c中心距l＝90mm，当工作平台6处于水平状态时，取右支撑板7的销轴孔7b与带键轴孔7c中心在竖直方向的距离为h0＝22mm。由公式(1)可得，工作平台6处于水平状态时，右支撑板7与水平方向的夹角θ0为：
Figure GDA0002389092050000091
由式(2)可得，手轮12转动n圈后，右支撑板7与水平方向的夹角θ为：
Figure GDA0002389092050000092
由式(4)可得，工作平台6的倾斜角α为：
Figure GDA0002389092050000093
当右滑动块14与左滑动块18移动至丝杠中心时，此时，左支撑板30与右支撑板7上端带键轴孔中心距为d1＝20mm，下端销轴孔中心距d2＝60mm，由公式(5)可得，右支撑板7与水平方向的夹角最大值θmax为：
Figure GDA0002389092050000101
由公式(6)得，工作平台6的最大倾斜角αmax为：
αmax＝θmax-θ0＝103.8°-14.1°＝89.7° (12)
因此，由公式(7)得，该夹具可实现倾角调节区间α为：
α＝[0,89.7°] (13)
根据公式(13)求得夹具倾角调节区间，标注标尺显示角度，通过示数单元准确读取工作平台倾斜角度。
本发明基于严格的几何关系计算和巧妙的结构设计，通过简单的操作，可实现激光加工用平板零件激光加工倾斜角度大范围无级调节，并根据夹具零件几何参数准确读取倾角大小，与现有夹具设计方案相比，该夹具基于严格的几何关系计算和巧妙的结构设计，功能全面，结构紧凑，精确可靠，对探明激光倾斜入射加工工艺规律具有重要的实际应用意义。

Claims (1)

1.一种零件倾角大范围无级调节夹具，其特征是，该夹具由定位夹紧单元、倾角调节单元、丝杠固定单元和示数单元四部分组成；
所述定位夹紧单元中，定位块(1)通过定位销(2)和定位螺栓(3)安装固定在工作平台(6)上；两个夹紧装置(4)分别通过固定螺栓(5)成对角安装在工作平台(6)的左上角和右下角；夹紧装置(4)的支撑座(4d)中加工有两个凹槽，两个夹紧弹簧(4c)分别安装在凹槽中；夹紧块(4a)为“大”字形，头部与被加工的平板零件接触，尾部与夹紧弹簧(4c)相触，压块(4e)由紧固螺钉(4b)固定在支撑座(4d)上，保证夹紧块(4a)在凹槽内前后伸缩夹紧平板零件；
所述倾角调节单元中，左支撑板(30)的上端加工有带键轴孔(30b)，下端加工有销轴孔(30d)，左端中间开有左下端槽(30e)，右端中间开有右上端槽(30f)；在左支撑板(30)上表面的中部开有圆角矩形通孔(30a)，侧面开有通孔(30c)；用销轴(15)通过销轴孔(30d)将左支撑板(30)和左滑动块(18)固连；
连接平台(24)由上平板(24a)和中板(24e)构成，上平板(24a)和中板(24e)相垂直；上平板(24a)上加工有上螺纹孔(24a)，连接平台(24)通过螺钉(25)与工作平台(6)固连；中板(24e)的中部有定位面(24c)，中板(24e)上加工有下螺纹孔(24d)；中板(24e)***左支撑板(30)的圆角矩形通孔(30a)中，并通过定位面(24c)与左支撑板(30)上表面接触，以限定位置；用螺钉(31)穿过通孔(30c)和连接平台(24)的下螺纹孔(24d)，将连接平台(24)固定在左支撑板(30)上；
右支撑板(7)的上端加工有带键轴孔(7c)，下端加工有销轴孔(7b)，右端中间开有右端槽(7d)，左端中间开有左端槽(7e)，右支撑板(7)的上表面加工有螺纹孔(7a)；用销轴(15)通过销轴孔(7b)将右支撑板(7)和右滑动块(14)固连；并由弹性挡圈A(16)限定轴向位置；
右支撑板(7)、左支撑板(30)上端用两个键槽轴(27)分别通过带键轴孔(7c)、带键轴孔(30b)，再穿过两个齿轮(29)的中心孔和连杆(28)两端的通孔，使两个齿轮正确啮合，并用弹性挡圈(26)限定轴向位置，保证齿轮与两支撑板间无相对运动；
所述丝杠固定单元中，右套筒座(11)和左套筒座(19)上加工有螺栓孔，分别通过套筒座螺栓(13)固定在底座(20)的左、右端部；将安装了右滑动块(14)与左滑动块(18)的丝杠(17)安装在右套筒座(11)和左套筒座(19)中心孔中；手轮(12)安装在丝杠(17)的右端，由手轮(12)驱动丝杠(17)转动；丝杠(17)转动同时移动右滑动块(14)与左滑动块(18)，进而带动右支撑板(7)与左支撑板(30)旋转，实现工作平台(6)的倾斜；
手柄套筒座(21)上加工有螺纹孔(21b)、销孔(21c)和通孔(21d)，并安装有两个导向柱(21a)；手柄(21)穿过手柄套筒座(21)的通孔(21d)与凸轮(32)连接；紧固块(23)安装在凸轮(32)上面，紧固块(23)上通孔与导向柱(21a)间隙配合，紧固块(23)上表面加工有半圆形凹槽与丝杠(17)间隙配合，当工件倾角调节单元作业结束后，转动手柄(22)，凸轮(32)推动紧固块(23)上移锁死丝杠(17)，固定倾斜调节单元位置；
所述示数单元中，读数板(9)上加工有读数孔，通过螺栓(8)安装在右支撑板(7)上；角度标尺(10)通过螺栓安装在右滑动块(14)上；
标尺上标注角度刻度，角度标注范围和间隔由手轮(12)旋转圈数n、丝杠(17)螺距p、倾斜调节单元各零件几何尺寸确定，取右支撑板(7)两端销轴孔(7b)与带键轴孔(7c)中心距为l，当工作平台(6)处于水平状态时，取右支撑板(7)的销轴孔(7b)与带键轴孔(7c)中心在竖直方向的距离为h0，则工作平台(6)处于水平状态时，右支撑板(7)与水平方向的夹角θ0为：
Figure FDA0002389092040000031
将手轮(12)转动n圈后，右支撑板(7)与水平方向的夹角θ为：
Figure FDA0002389092040000032
由于左支撑板(30)与右支撑板(7)为左右对称结构，二者转动角度大小相等，工作平台(6)固定在连接平台(24)与左支撑板(30)上，故工作平台(6)与水平方向的夹角等于左支撑板(30)转过的角度，即工作平台(6)的倾斜角α为：
α＝θ-θ0 (3)
将式(1)、式(2)带入式(3)，得到工作平台(6)的倾斜角α与各参数间关系为：
Figure FDA0002389092040000041
当右滑动块(14)与左滑动块(18)移动至丝杠中心时，工作平台(6)的倾斜角达到最大值；此时，左支撑板(30)与右支撑板(7)上端带键轴孔中心距为d1，下端销轴孔中心距为d2，右支撑板(7)与水平方向的夹角最大值θmax为：
Figure FDA0002389092040000042
则工作平台(6)的最大倾斜角αmax为：
αmax＝θmax-θ0 (6)
因此，该夹具实现倾角调节区间α为：
α＝[0,αmax] (7)
根据式(7)求得夹具倾角调节区间，标注标尺显示角度，通过示数单元准确读取工作平台倾斜角度。
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