一种球头芯轴刚性夹紧工装

摘要

本发明属于精密加工技术领域。本发明提供了一种球头芯轴刚性夹紧工装，包括：锥座、连接套、钢球保持架、钢球、机床动顶尖、球头芯轴、调整螺钉、密封圈、活塞、复位弹簧、回转座。利用锥座内锥面与球头芯轴之间的楔角作用，使轴向运动的高精度钢球产生径向的位移分量，实现球头芯轴的刚性夹紧；锥座的径向安装位置可调，使锥座内锥面与机床动顶尖的回转轴线同轴；钢球与锥座内锥面和球头芯轴的接触为点接触，切削液中的杂质难进入接触区域使零件磨损；在液压力的作用下可实现球头芯轴的放松、半夹紧和全夹紧三种工作状态结构。本发明较传统的弹性夹紧工装结构简单，加工成本低，定位精度高，使用寿命长优点，具有良好的市场应用前景与推广价值。

权利要求

1.一种球头芯轴刚性夹紧工装，其特征在于，包括：锥座、连接套、钢球保持架、钢球、机床动顶尖、球头芯轴、调整螺钉、密封圈、活塞、复位弹簧、回转座；钢球保持架位于连接套上部，二者皆位于锥座内，球头芯轴与钢球保持架内的钢球接触，机床动顶尖穿过连接套、钢球保持架插入球头芯轴；

锥座为回转体结构，锥座内壁上部径向沿圆周均布两个以上的泄液孔A、中部设有2～3个密封圈环、下部径向沿圆周均布四个以上调整用紧定螺纹孔；锥座底座平台沿圆周均布三个以上的沉头孔和三个以上的复位弹簧限位台；锥座上端内孔设有内锥面；锥座通过连接螺钉B与回转座固定，上端的内锥面通过钢球施力给球头芯轴，实现球头芯轴的夹紧；

连接套为中空倒T型回转体，回转体底座平台上沿圆周均布三个以上连接孔、与连接孔交替均布设置的数量等同于连接孔的弹簧孔；连接套外壁下部沿圆周均匀布置与连接孔位置相应的倒锥面；连接套壁面上部沿圆周均匀布置两个以上的泄液孔B；连接套内壁顶部至泄液孔B上方开设连接内螺纹；连接套顶部为止推面；连接套通过连接螺钉A穿过连接孔与活塞连接；复位弹簧穿过连接套的弹簧孔并限位在锥座的复位弹簧限位台和活塞之间；

钢球保持架下端为外螺纹，钢球保持架与连接套通过螺纹连接，钢球保持架上端为等壁厚的锥形结构，壁厚小于钢球的直径，其内外锥角等于锥座内锥面的锥角；沿圆周壁面均匀布置四个以上内径大于钢球直径的球室，球室靠近内锥面的边缘直径小于钢球直径，防止钢球从钢球保持架里掉出；钢球保持架上端设置卡槽用于钢球保持架的拆卸与安装；球室下侧面开设球槽，保证钢球最大直径接触到连接套的止推面。

2.根据权利要求1所述的球头芯轴刚性夹紧工装，其特征在于，上述钢球与球头芯轴的球形面的接触位置高于球头芯轴的水平方向的最大直径；钢球与球头芯轴的球形面的接触位置的切线与锥座的内锥面形成楔角。

3.根据权利要求1或2所述的球头芯轴刚性夹紧工装，其特征在于，活塞上端面设有环形容屑槽。

4.根据权利要求1或2所述的球头芯轴刚性夹紧工装，其特征在于，上述的锥座和连接套选用淬火钢材料，硬度不低于HRC60；钢球保持架选用耐磨的黄铜材料。

5.根据权利要求3所述的球头芯轴刚性夹紧工装，其特征在于，上述的锥座和连接套选用淬火钢材料，硬度不低于HRC60；钢球保持架选用耐磨的黄铜材料。

说明书

一种球头芯轴刚性夹紧工装

技术领域

[0001] 本发明属于精密加工技术领域，涉及一种机床用球头芯轴刚性夹紧工装。

背景技术

[0002] 芯轴是机械加工领域中较常见的一类零件，使用时以芯轴的中心孔为基准实现芯轴的定位。对于有转角精度要求的芯轴，例如齿轮加工芯轴，加工过程中是不允许芯轴与机床动顶尖有相对转动的。单靠芯轴中心孔的锥面与机床动顶尖之间的摩擦力很难实现芯轴与机床动顶尖的刚性连接。为了增加芯轴与机床动顶尖的连接刚度，需要增加额外的夹紧工装。对于低速的或间歇式定角分度的情况，可采用普通的非轴对称的手动夹紧装置；对于连续转动和中高速转动的场合，需要采用轴对称的夹紧装置，可减小动不平衡对加工精度的影响。

[0003] 夹头是非常常用的一种轴对称夹紧工装，可采用手动、液压或气压进行自动夹紧。随着机床自动化程度的提高，在工件夹紧过程中需要通过数控程序控制夹头的工作状态，并在放松、半夹紧和全夹紧之间切换，此时方便采用液压或气压驱动实现自动夹紧。

[0004] 对于现有的弹性夹头，为实现较高精度的夹紧与定位，要求弹性夹头柔性瓣的轴线与机床动顶尖的轴线完全一致，并且要求弹性夹头柔性瓣内孔和外径的锥面具有较高的圆度和同轴度要求。因此，高精度的夹头制造成本较高。另外，现有弹性夹头的柔性瓣径向开有多个(3个以上)槽，以方便实现径向变形，从而实现球头芯轴的夹紧。然而，柔性瓣变形后，其内外锥面的已变成非圆面，对球头芯轴的夹紧也变成多区域性夹紧。另外，柔性瓣与限位用的锥座内锥面之间为线或面接触，加工过程中的磨屑或砂粒容易进入该区域，造成锥座和柔性瓣的磨损，影响弹性夹头的定位精度和使用寿命。因此，现有弹性夹头中的柔性瓣为易损件，需定期更换。另外，现有弹性夹头中的柔性瓣加工工艺复杂，要求加工精度高，致使加工成本和使用成本过高。

发明内容

[0005] 为解决现有弹性夹头存在的使用成本高、加工困难及定位精度难以保证的问题，本发明提供了一种采用钢球实现球头芯轴刚性夹紧的工装。

[0006] 具体技术方案为：

[0007] 一种球头芯轴刚性夹紧工装，包括：锥座、连接套、钢球保持架、钢球、机床动顶尖、球头芯轴、调整螺钉、密封圈、活塞、复位弹簧、回转座；钢球保持架位于连接套上部，二者皆位于锥座内，球头芯轴与钢球保持架内的钢球接触，机床动顶尖穿过连接套、钢球保持架插入球头芯轴；

[0008] 锥座为回转体结构，锥座内壁上部径向沿圆周均布两个以上的泄液孔A、中部设有2～3个密封圈环、下部径向沿圆周均布四个以上调整用紧定螺纹孔；锥座底座平台沿圆周均布三个以上的沉头孔和三个以上的复位弹簧限位台；锥座上端内孔设有内锥面；锥座通过连接螺钉B与回转座固定，上端的内锥面通过钢球施力给球头芯轴，实现球头芯轴的夹紧；

[0009] 连接套为中空倒T型回转体，回转体底座平台上沿圆周均布三个以上连接孔、与连接孔交替均布设置的数量等同于连接孔的弹簧孔；连接套外壁下部沿圆周均匀布置与连接孔位置相应的倒锥面；连接套壁面上部沿圆周均匀布置两个以上的泄液孔B；连接套内壁顶部至泄液孔B上方开设连接内螺纹；连接套顶部为止推面；连接套通过连接螺钉A穿过连接孔与活塞连接；复位弹簧穿过连接套的弹簧孔并限位在锥座的复位弹簧限位台和活塞之间；

[0010] 钢球保持架下端为外螺纹，钢球保持架与连接套通过螺纹连接，钢球保持架上端为等壁厚的锥形结构，壁厚小于钢球的直径，其内外锥角等于锥座内锥面的锥角；沿圆周壁面均匀布置四个以上内径大于钢球直径的球室，球室靠近内锥面的边缘直径小于钢球直径，防止钢球从钢球保持架里掉出；钢球保持架上端设置卡槽用于钢球保持架的拆卸与安装；球室下侧面开设球槽，保证钢球最大直径接触到连接套的止推面。控制螺纹的深度使钢球保持架与连接套连接后，钢球能在球室内轴向和径向小范围内自由移动。钢球磨损后可整批更换。

[0011] 进一步地，上述钢球与球头芯轴的球形面的接触位置高于球头芯轴的水平方向的最大直径；钢球与球头芯轴的球形面的接触位置的切线与锥座的内锥面形成楔角。

[0012] 进一步地，上述活塞上端面设有环形容屑槽。

[0013] 进一步地，上述的锥座和连接套选用淬火钢材料，硬度不低于HRC60；钢球保持架选用耐磨的黄铜材料。

[0014] 本发明的有益效果在于，发明了一种球头芯轴刚性夹紧工装，其特征有：利用锥座内锥面与球头芯轴之间的楔角作用，使轴向运动的钢球产生径向的位移分量，从而实现了球头芯轴的刚性夹紧；锥座的径向安装位置可调，通过调整，使锥座内锥面与机床动顶尖的回转轴线同轴；钢球与锥座内锥面和球头芯轴的接触为点接触，切削液中的杂质难以进入接触区域造成零件磨损；在液压力的作用下可实现球头芯轴的放松、半夹紧和全夹紧三种工作状态结构。本发明提供的球头芯轴刚性夹紧工装较传统的弹性夹紧工装结构简单，加工成本低，定位精度高，使用寿命长等优点，具有良好的市场应用前景与推广价值。

附图说明

[0015] 图1球头芯轴刚性夹紧工装剖视图。

[0016] 图2球头芯轴刚性夹紧工装外形图。

[0017] 图3钢球保持架与连接套的装配。

[0018] 图4锥座。

[0019] 图5连接套。

[0020] 图6钢球保持架。

[0021] 图中：1锥座；1-1锥座连接沉头孔；1-2泄液孔A；1-3基准锥面；1-4锥座调整螺纹孔；2连接套；2-1连接孔；2-2弹簧孔；2-3倒锥面；2-4止推面；2-5连接内螺纹；2-6泄液孔B；3钢球保持架；3-1连接外螺纹；3-2球槽；3-3球室；3-4卡槽；3-5钢球保持架外锥面；3-6钢球保持架内锥面；4钢球；5机床动顶尖；6球头芯轴；7调整螺钉；8连接螺钉A；9连接螺钉B；10密封圈；11活塞；11-1容屑槽；12复位弹簧；13回转座。

具体实施方式

[0022] (一)一种球头芯轴刚性夹紧工装的结构

[0023] 一种球头芯轴刚性夹紧工装，其结构包括：锥座1、连接套2、钢球保持架3、钢球4、机床动顶尖5、球头芯轴6、调整螺钉7、连接螺钉A8、连接螺钉B9、密封圈10、活塞11、复位弹簧12、回转座13等。

[0024] 锥座1为回转体结构，锥座径向加工有多个泄液孔A1-2、2～3个密封圈环、均布的4个调整用紧定螺纹孔1-4、均布的多个沉头孔1-1、复位弹簧限位台等结构，锥座1上端内孔加工有高精度的锥面1-3，其轴线相对于锥座底面的垂直于误差不大于2μm；锥座1通过连接螺钉B9与回转座13固定，上端的内锥面1-3通过钢球4施力给球头芯轴6，实现球头芯轴6的夹紧。

[0025] 连接套2为中空T型回转体，其上加工有4个均布的连接孔2-1、4个均布弹簧孔2-2和4个均布的倒锥面2-3、多个均布的泄液孔B2-6、连接内螺纹2-5、止推面2-6等结构；倒锥面2-3的方位与连接孔的方位一致，与弹簧孔2-2的方位交错；倒锥面2-3的锥角为10°-15°；止推面2-4的平面度误差小于0.5μm，安装后止推面2-4相对于机床动顶尖5回转轴线的端面偏摆误差小于1μm；连接套2通过螺钉连接8与活塞11连接；复位弹簧12穿过连接套的弹簧孔
2-2并限位在锥座1和活塞11之间；

[0026] 钢球保持架3与连接套2通过螺纹连接到一起，其上加工有直径大于钢球0.1～0.2mm的球室3-3，上端为等壁厚的锥形结构，壁厚小于钢球0.8～1.2mm，内外锥面3-6和3-5的锥角等于锥座内锥面1-3的锥角；球室3-3靠近内锥面的位置外径小于钢球4直径，防止钢球4从钢球保持架3里掉出；钢球保持架3上的卡槽3-4用于钢球保持架3的拆卸与安装；球室下面开有球槽3-2，便于钢球4最大直径能接触到连接套2的止推面2-4；控制螺纹的深度使钢球保持架3与连接套2连接后，钢球4能在球室3-3内轴向和径向小范围内自由移动；

[0027] 活塞11上端加工有截面为半圆形的环形容屑槽11-1；便于沉积加工过程中切削液中的砂粒、铁屑等杂质。容屑槽11-1内的杂质需要定期清理。

[0028] 钢球4选用G5级以上精度同批次的GCr15钢球，以确保钢球的粒间直径差不大于0.2μm；钢球4磨损后需整批更换；

[0029] 上述的锥座1和连接套选2用淬火钢材料，硬度不低于HRC60；钢球保持架选用耐磨的黄铜材料，防止钢球4的磨损；

[0030] 上述球头芯轴6的球形面与钢球4的接触位置高于球头芯轴的水平方向的最大直径；钢球4对球头芯轴6作用力的径向分量用于夹紧球头芯轴，径向分量使球头芯轴6压上机床的机床动顶尖5，增加球头芯轴6与机床动顶尖5的接触刚度，从而增强了球头芯轴6的夹紧效果。

[0031] 上述球头芯轴6的球形面与钢球4的接触位置的切线与锥座的内锥面1-3形成一楔角，从而保证球头芯轴6所承受的作用力与活塞11的液压力及其轴向位移成正比关系。

[0032] (二)球头芯轴刚性夹紧工装的安装与调整

[0033] (1)首先将连接套2通过连接螺钉A8固定到活塞11上。

[0034] (2)然后测量连接套止推面2-4相对于机床动顶尖55回转轴线的偏摆，如果通过调整连接套相对活塞的安装位置不能使连接套止推面2-4相对于机床动顶尖5的回转轴线的偏摆误差小于1μm，需要通过研磨连接套止推面2-4或其安装面，直到达到设计要求。

[0035] (3)然后将钢球保持架3通过螺纹连接与连接套2装配到一起，接着将钢球4塞入钢球保持架的球室3-3中，并在球室3-3的外围涂一点润滑脂，防止钢球4掉出；

[0036] (4)最后安装锥座1；

[0037] 首先将活塞复位弹簧12置入连接套的弹簧孔2-2中，并将密封圈10涂少许润滑脂放入锥座的密封圈环内；

[0038] 然后将锥座1的调整螺纹孔的方位对准连接套倒锥形面2-3的方位，将锥座1通过连接螺钉B9连接到回转座11上，此时锥座连接螺钉B9不用拧紧；

[0039] 接着调整锥座1的径向位置，以机床动顶尖5回转轴线为基准，通过与锥座内锥面1-3接触的钢球4测量锥座1的径跳误差，通过四个调整螺钉7，调整锥座1的径向位置，直到锥座1没有明显的偏心误差；

[0040] 最后将锥座1与回转座13的连接螺钉B9均匀拧紧后，再将四个调整螺钉7松开，防止紧定螺钉7与上下运动的连接套2发生干涉。

[0041] (三)球头芯轴刚性夹紧工装的操作

[0042] 球头芯轴刚性6夹紧工装与传统的弹性夹紧工装使用方法类似，具有放松、半夹紧和全夹紧三个工作状态。通过液压系统的液压力来控制球头芯轴刚性夹紧工装的三个状态。在放松状态下，液压系统的压力为0Mpa时，活塞11在复位弹簧12的作用下处于最顶端，钢球4处于自由状态，球头芯轴6不受来自刚性夹紧工装的任何作用力；

[0043] 在半夹紧状态下，液压系统的压力约为1Mpa，活塞11上移，推动钢球4轴向运动，复位弹簧12压缩；同时，钢球1在锥座内锥面1-3楔角的作用下产生径向的位移，推动钢球4夹紧球头芯轴6；钢球4承受到的来自连接套止推面2-4、锥座内锥1-3面和球头芯轴6球面的作用力，并处于力平衡状态。

[0044] 在全夹紧状态下，液压系统的压力约为2Mpa，活塞11微量上移，钢球4承受到的来自连接套止推面2-4、锥座内锥面1-3和球头芯轴6球面的作用力均增大，并处于力平衡状态。球头芯轴6同样承受来自钢球4较大的作用力，使球头芯轴6与机床动顶尖5的连接刚度进一步增大。

[0045] 在球头芯轴6刚性夹紧工装使用过程中，切削液会通过锥座1、钢球保持架2和球头芯轴6之间的间隙进入工装内部，润滑连接套2与锥座1之间的密封圈10，多余的切削液赠通过连接套和锥座中的泄液孔2-6和1-2中流出。

[0046] 更换钢球4时，需拆下锥座1，更换完钢球4后，按照实施方式(二)中的步骤(4)重新调整锥座的径向位置。