CN113198697B - 一种用于工件定位的夹具及方法及光学元件的加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光学技术领域，公开了一种用于工件定位的夹具及方法及光学元件的加工方法，用于工件定位的夹具包括：胶合区、隔离区、基准定位区，胶合区与基准定位区之间被所述隔离区隔开，基准定位区上设置有用于定位的基准平面，胶合区设置有用于容纳热熔胶的凹槽；隔离区设有用于容纳从胶合区溢出的热熔胶的隔离槽；工件上设置的待胶合平面与基准定位区上的基准平面配合方式为面接触，胶合区与工件上设置待胶合平面通过热熔胶胶合连接。基准平面与工件待胶合平面紧密贴合，防止胶合时胶层厚度不均匀导致的装夹不等厚误差，隔离区防止热熔胶污染到基准定位区；由于胶层较厚，固化所需的时间长，有效的避免了夹具形变传递给工件。
Description
技术领域
本发明属于光学技术领域，涉及一种工件定位夹具及定位方法。
背景技术
光学加工的材料中应用最广泛的是玻璃材料，此类型材料具有脆性易断裂的特点。在机械加工玻璃材料时采用三爪、自定心卡盘之类的机械硬装夹方式装夹容易导致玻璃破裂，且在夹持时容易导致玻璃材料内部应力形变。
针对玻璃材料脆性易断裂问题现有技术在装夹时广泛采用平行金属板保护，将玻璃胶合在平行金属板上，在装夹时夹持底部的金属板从而实现对工件的装夹。装夹时装夹力导致金属板的形变传递给玻璃工件。
传统胶合方式是在基准面和工件之间涂敷热熔胶，胶合后，待工件冷却后基准面恢复形变会给工件内带来应力形变；在基准面上涂胶实际上是用融化的胶层覆盖了基准面，工件放置在基准平面定位时并不能做到基准平面与工件直接接触，而是填充了一层热熔胶层；胶层难以做到非常均匀，即使存在微米量级的不均匀性就会导致工件定位基准变化，热熔胶在胶合过程中冷却很快，越厚的胶层冷却过程中变得越粘稠，因此现有技术中的胶层越薄越有利于提高胶层均匀性。胶层薄容易提高胶层均匀性更有利于使工件基准面与平行金属板平行，但代价是牺牲部分胶合力。
发明内容
解决的技术问题是：胶层厚度不均匀会导致工件基准面与加工主轴不垂直；装夹夹持力导致工件内部产生应力导致形变。
一种用于工件定位的夹具，待定位工件上设置有待胶合平面，包括：胶合区、隔离区、基准定位区，所述的胶合区与基准定位区之间被所述隔离区隔开，基准定位区上设置有用于定位的基准平面，胶合区设置有用于容纳热熔胶的凹槽；隔离区设有用于容纳从胶合区溢出的热熔胶的隔离槽；工件上设置的待胶合平面与基准定位区上的基准平面配合方式为面接触，胶合区与工件上设置待胶合平面通过热熔胶胶合连接。优选胶合区水平面高于隔离区水平面至少0.5mm，基准定位区的基准平面高于胶合区水平面0.3~0.4mm。
上述用于工件定位的夹具在使用时，S1.将该夹具安装固定在机床工作台上，用光刀工艺将基准定位区的基准平面光平，被光平的基准平面与机床的主轴垂直；S2. 加热用于工件定位的夹具，并将加热融化的热熔胶涂敷在胶合区的凹槽中，将加热的待定位工件放置在用于工件定位的夹具上，给待定位工件施加压力，使得基准定位区上设置的基准平面与待定位工件上的待胶合平面贴合接触；胶合区中融化的热熔胶黏附于待定位工件上，在定位时多余热熔胶流进隔离区的隔离槽中，待冷却后，即可实现工件的装夹；S3加工完后，加热胶合区，只取下工件，夹具依然保持安装固定在机床工作台上；如果需要重复定位，重复S2步骤即可实现对工件的装夹。
由于在装夹过程中仅在胶合区涂敷热熔胶，基准定位区的基准平面可以与待定位工件的待胶合平面紧密贴合，有效的防止胶合时胶层厚度不均匀导致的装夹不等厚误差，且由于隔离区的设置，可以在装夹时有效防止热熔胶污染到基准定位区的基准平面。通过本技术方案装夹后的工件待胶合平面与机床的主轴垂直，这样就极大提高了工件的Z方向（主轴方向）定位精度。此外本夹具在装夹时温度升高，导致基准平面沿着Z方向产生微量膨胀，由于本夹具的基准定位区的基准平面高于胶合区水平面，在受热后基准定位区在Z方向的形变量大于胶合区形变量；在胶合时基准平面与工件接触，待冷却降温后，基准平面收缩恢复初始形态，基准平面与工件接触之间脱离接触；胶合区的与工件之间的胶层在逐步冷却过程中缓慢固化，由于胶层较厚，固化所需的时间长，有效的避免了夹具形变传递给工件。传统胶合方式胶层越后胶层均匀性越难控制，而本技术方案有通过基准定位区的基准平面定位，通过增加胶合区胶层厚度既解决了胶层不均匀导致的工件基准面与加工主轴不垂直问题，还解决了热熔胶合方式夹具受热形变导致工件应力变形的问题。需要重复装夹工件时重复S2步骤即可实现对工件的装夹，由于重复装夹工件时定位的基准面都是基准定位区的基准平面因此Z轴的复位精度高，对于需要精确控制工件厚度的情况可以基准平面的Z坐标为参考零点，通过测量工件端面中心的Z坐标，以其Z坐标与基准平面的Z坐标之间的坐标差获得其中心厚度。本方案的夹具在使用时先固定装夹在机床转台上，在形变后的夹具上胶合区胶合固定工件，并且加工完成后夹具依然固定在机床转台上，因此夹具的装夹力不会传递给工件。
由于在装夹过程中通过定位外锥与辅助定位块配合方式进一步提高了X方向和Y方向的复位定位精度。对于旋转对称工件的光学元件这种方式可以有效的降低工件光轴离心和倾斜带来的偏心差。
附图说明
图1. 用于工件定位的夹具实例1俯视图示意图；
图2. 用于工件定位的夹具实例1剖视图示意图；
图3. 配置加热电路的用于工件定位的夹具剖视图示意图；
图4. 配置导气孔的用于工件定位的夹具俯视图示意图；
图5. 配置热熔胶容器的用于工件定位的夹具胶合待定位工件剖视图示意图；
图6. 用于工件定位的夹具实例2俯视图示意图；
图7. 用于工件定位的夹具实例2胶合待定位工件剖视图示意图；
图8. 配置内锥定位面的用于工件定位的夹具剖视图示意图；
图9. 辅助定位块剖面结构示意图；
图10. 内锥定位面与辅助定位块装配示意图；
图11. 工件与定位外锥胶合体示意图；
图中：1、内胶合区，2、内隔离槽，3、基准定位环，4、外隔离槽，5、外胶合区，6、加热电路，7、导气孔，8、热熔胶，9、待定位工件，10、定位外锥，11定位法兰面，12、内锥定位面，13、辅助定位块，14、锁紧装置，15、热熔胶容器，16、热熔胶导管。
具体实施方式
实施例一
如图1及图2所示，一种用于工件定位的夹具，待定位工件9上设置有待胶合平面，待胶合平面为待定位工件的基准面；该用于工件定位的夹具包括：胶合区、隔离区、基准定位区，所述的胶合区与基准定位区之间被所述隔离区隔开，基准定位区上设置有用于定位的基准平面，胶合区设置有用于容纳热熔胶的凹槽；隔离区设有用于容纳从胶合区溢出的热熔胶的隔离槽；工件上设置的待胶合平面与基准定位区上的基准平面配合方式为面接触，胶合区与工件上设置待胶合平面通过热熔胶8胶合连接；所述胶合区为内胶合区1、所述隔离区为内隔离槽2、所述基准定位区为基准定位环3；基准定位环的端面为环形基准平面，所述的内胶合区设置于所述环形基准平面内部，内胶合区向内凹陷形成用于容纳热熔胶的凹槽；所述的内隔离槽设置于基准定位环与内胶合区之间，且内隔离槽向内凹陷为环形凹槽。
上述方案基础上的优化方案是：在夹具中配置加热电路，如图3所示的配置加热电路的用于工件定位的夹具剖视图示意图，加热电路6通电后，在胶合区放置适量固体热熔胶颗粒，待充分融化后将待胶合工件按压在基准定位区上，热熔胶与工件底部胶结，多余的胶流进内隔离槽中，避免热熔胶污染基准定位区。断开加热电路，待冷却后工件即可胶合在夹具上。这种方式有效的提高了装夹效率，加热电路通电后几秒钟即可将热熔胶融化，胶合工件后冷却即可将工件固定在夹具上。夹具的基准定位区与机床主轴垂直，工件的底部与基准定位区部分没有热熔胶层，有效解决了胶层厚度不均匀导致的工件定位面倾斜问题，因此加工工件上端面时可以获得较高的定位精度。例如加工工件上下端面平行度时，使用该夹具先任意胶合一个端面，加工另一端面平面，待另一端面平面加工好之后，将加工好的端面平面按压在基准定位区，热熔胶胶合固定后，加工另一端面，这样可以有效减小平行度、垂直度误差。
一种优化方案如图4所示，一种用于工件定位的夹具中还设置有导气孔7，所述导气孔用于平衡隔离区与环境的气压，所述导气孔一端设置于隔离区，另一端连接外界空气。若没有此导气孔在胶合时隔离槽中可能形成封闭空间，不利于热熔胶流动。工件胶合时工件受热隔离区空气稀薄，降温后容易在隔离区气压可能低于外界环境气压导致负压，加工高精度工件时容易在工件内部产生形变，例如加工光学非球面或者球面时，负压容易在工件内产生应力，导致加工完成后，从夹具上取下的工件应力恢复导致加工面形超公差。设置导气孔可有效解决隔离区中负压问题。
另一优化方案，如图5所示，还设置有热熔胶容器15、热熔胶导管16，热熔胶导管一端与热熔胶容器连通，另一端与胶合区连通。设置热熔胶容器，在加热电路通电后，热熔胶容器中热熔胶融化通过热熔胶导管流入胶合区，待加工完成后加热电路通电后胶合区的热熔胶融化，可通过热熔胶导管将热熔胶回收至热熔胶容器。热熔胶容器可配置为金属材质的注射器。
实施例二
实施例一基础上的一种用于工件定位的夹具，如图6所示，还设置有外隔离槽4，外胶合区5；外胶合区设置于所述环形基准平面外部，外胶合区向内凹陷形成用于容纳热熔胶的凹槽；所述的外隔离槽设置于基准定位环与外胶合区之间，且外隔离槽向内凹陷为环形凹槽。
该夹具在使用时如图7所示，对于口径较小的工件可以使用内胶合区完成胶合；但对于大口径的工件可以使用外胶合区完成胶合；对于大口径有需要大胶合力的工件可以内胶合区与外胶合区共同完成胶合固定。
实施例一与实施例二基础上的一种用于工件定位的夹具可用于机床工作台，或者其他需要精确水平（或竖直）定位的设备中。传统机床的工作台多配备为带有多规格T形槽或者螺纹孔或者自定心卡盘结构，通过压板或者夹持工件的方式实现定位，使用本技术方案的基准定位区和工件的用于胶合的基准面之间直接接触，可以获得较高的定位姿态；仅在胶合区涂热熔胶的方式装夹可以有效减小工件的应力。
实施例三
一种用于工件定位的夹具，如图8及图9所示，还设置有定位外锥10、定位法兰面11、辅助定位块13、内锥定位面12、锁紧装置14；所述定位外锥设置于所述用于工件定位的夹具的底部，且定位外锥的中轴线与基准定位区的基准平面垂直；定位法兰面位于所述用于工件定位的夹具的底部，定位法兰面与所述定位外锥的中轴线垂直；所述辅助定位块上设置有与所述定位外锥配合的内锥定位面，辅助定位块的端面与内锥定位面的中轴线垂直；定位外锥与辅助定位块配合后如图10所示，内锥定位面与定位外锥相切，定位法兰面与辅助定位块的端面相切；锁紧装置设置于辅助定位块上，用于锁止定位外锥与辅助定位块。
该夹具在定位时使用步骤为：S1.将所述的用于工件定位的夹具安装在机床工作台上，定位外锥与辅助定位块配合后，锁紧装置锁止定位外锥与辅助定位块；用光刀工艺将基准定位区的基准平面光平，被光平的基准平面与机床的主轴垂直；S2.将加热融化的热熔胶涂敷在胶合区的凹槽中，将加热的待定位工件放置在用于工件定位的夹具上，给待定位工件施加压力，使得基准定位区上设置的基准平面与待定位工件上的待胶合平面贴合接触；胶合区中融化的热熔胶黏附于待定位工件上，多余的热熔胶流进隔离区的隔离槽中，待冷却后，待定位工件上设置的待胶合平面与胶合区之间通过热熔胶固定连接；S3.加工完后，松开锁紧装置解锁定位外锥与辅助定位块，取下如图11所示的工件与定位外锥胶合体；如果需要重复定位，将工件与定位外锥胶合体与辅助定位块配合后，锁紧装置锁止定位外锥与辅助定位块即可实现对工件的复位装夹。使用定位外锥10、定位法兰面11、辅助定位块13、内锥定位面12相互配合可以实现高精度的重复定位精度，不但可以复原Z轴的定位坐标，还可以复原X、Y轴的坐标，实现了复原时自定心。
例如用此夹具加工光学元件的方法如下：
根据上述夹具使用方式的一种光学元件的加工方法，所述的光学元件第一端面为基准平面，第二端面为平面、凸面、凹面之一，先将光学元件毛坯任意一端面装夹在所述的用于工件定位的夹具的基准定位区，装夹后将光学元件另一端面铣磨加工为平面，加热胶合区取下光学元件；平面面形符合要求以后，以加工好的平面为光学元件的基准平面与胶合区胶合，加工完第二端面后，使用磨边工艺加工光学元件外形；外形加工好之后取下光学元件与定位外锥胶合体，并对光学元件第二端面面形进行测量，如果面形符合要求则加热光学元件与定位外锥胶合体取下工件，获得光学元件镜体；如果经检测发现第二端面面形误差超出公差，则将光学元件与定位外锥胶合体再次装配于辅助定位块上，进行补偿加工，直到检测面形符合要求取下光学元件。这种加工方式可以有效的解决工件基准面不水平导致的偏心误差，也可以有效解决工件光轴偏离几何中心的偏心误差。还可以以基准平面为参考零点精确的控制工件中心厚度。
Claims (1)
1.一种机床工作台，其特征在于包括：用于工件定位的夹具、定位外锥、定位法兰面、辅助定位块、内锥定位面、锁紧装置；
其中：用于工件定位的夹具由胶合区、隔离区、基准定位区、加热电路组成；
所述的胶合区与基准定位区之间被所述隔离区隔开，基准定位区上设置有用于定位的基准平面，胶合区设置有用于容纳热熔胶的凹槽；
胶合区水平面高于隔离区水平面至少0.5mm，基准定位区的基准平面高于胶合区水平面0.3~0.4mm；
隔离区设有用于容纳从胶合区溢出的热熔胶的隔离槽；工件上设置的待胶合平面与基准定位区上的基准平面配合方式为面接触，胶合区与工件上设置待胶合平面通过热熔胶胶合连接，所述加热电路用于加热胶合区；
所述胶合区为：内胶合区、外胶合区；所述隔离区为：内隔离槽、外隔离槽；所述基准定位区为基准定位环；基准定位环的端面为环形基准平面，所述的内胶合区设置于所述环形基准平面内部，内胶合区向内凹陷形成用于容纳热熔胶的凹槽；所述的内隔离槽设置于基准定位环与内胶合区之间；
外胶合区设置于所述环形基准平面外部，外胶合区向内凹陷形成用于容纳热熔胶的凹槽；所述的外隔离槽设置于基准定位环与外胶合区之间，且内隔离槽以及外隔离槽向均内凹陷为环形凹槽；
所述定位外锥设置于所述用于工件定位的夹具的底部，且定位外锥的中轴线与基准定位区的基准平面垂直；定位法兰面位于所述用于工件定位的夹具的底部，定位法兰面与所述定位外锥的中轴线垂直；所述辅助定位块上设置有与所述定位外锥配合的内锥定位面，辅助定位块的端面与内锥定位面的中轴线垂直；定位外锥与辅助定位块配合后，内锥定位面与定位外锥相切，定位法兰面与辅助定位块的端面相切；锁紧装置设置于辅助定位块上，用于锁止定位外锥与辅助定位块；
使用时：定位外锥与辅助定位块配合后，锁紧装置锁止定位外锥与辅助定位块；用光刀工艺将基准定位区的基准平面光平，被光平的基准平面与机床的主轴垂直；
将加热融化的热熔胶涂敷在胶合区的凹槽中，将加热的待定位工件放置在用于工件定位的夹具上，给待定位工件施加压力，使得基准定位区上设置的基准平面与待定位工件上的待胶合平面贴合接触；胶合区中融化的热熔胶黏附于待定位工件上，多余的热熔胶流进隔离区的隔离槽中，待冷却后，待定位工件上设置的待胶合平面与胶合区之间通过热熔胶固定连接；
加工完后，松开锁紧装置解锁定位外锥与辅助定位块，取下工件与定位外锥胶合体；如果需要重复定位，将工件与定位外锥胶合体与辅助定位块配合后，锁紧装置锁止定位外锥与辅助定位块即可实现对工件的复位装夹。
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