一种测力顶尖结构、系统及其安装方法

1.本发明涉及机械加工技术领域，尤其涉及一种测力顶尖结构、系统及其安装方法。


背景技术：

2.随着科学发展的不断进步，人们对于零件的加工精度要求也在与日俱增。目前，在一些要求精度较高的高精度机械零件加工过程中，顶尖的加持力大小对于工件的变形具有很大的影响，故在工件的加工过程中，能够测得加在工件上的力的载荷，然后通过各种力的传感器测得工件在不同载荷作用下的形变，通过相应的计算软件计算出顶尖的顶持力与工件变形之间的关系，从而在加工过程中通过控制顶尖的夹持力实现工件变形小的作用，现有的技术中开发了一些带有测力功能的顶尖，这种测力顶尖是一种顶尖头不旋转的顶尖，顶尖与传感器固定在机床的尾座上，在工件的加工过程中顶尖以及传感器不随工件的旋转而旋转，对于像航空航天等的零件需要顶尖随工件一起旋转的情况，现有的这类测力顶尖还不够实用，同时由于该测力顶尖在制造过程中采用的是将顶尖头与锥柄间加装测力传感器的方式，这种制造安装方式在加工安装过程中不容易保证顶尖头与锥柄的同轴度。
3.基于上述内容，本发明提出了一种测力顶尖结构、系统及其安装方法。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种测力顶尖结构、系统及其安装方法，采用旋转顶尖的方式来实现，旋转顶尖在实用过程中不仅保证了加工的精度，同时也保证了顶尖头与工件一起旋转减少了因摩擦而产生的粉末。
5.为达到上述目的，本发明的第一方面提供了一种测力顶尖结构，包括顶尖锥柄、顶尖轴套、传感器和顶尖头；
6.所述顶尖头可旋转地设置在所述顶尖轴套中；
7.所述顶尖锥柄设置在所述顶尖轴套外周；
8.所述传感器位于所述顶尖锥柄内部，一侧通过弹性片抵接于所述顶尖锥柄的内壁，另一侧抵接于所述顶尖轴套的外端部，所述传感器的连接线通过所述顶尖锥柄的通孔向外延伸。
9.进一步的，所述顶尖头包括圆柱部分和锥形部分，所述圆柱部分通过轴承可旋转地设置在所述顶尖轴套中，所述锥形部分伸出所述顶尖轴套。
10.进一步的，所述圆柱部分和顶尖轴套之间依次设置有第一轴承、内外轴套、第二轴承和轴承端盖；
11.所述轴承端盖固定连接于所述顶尖轴套的一端，以固定所述顶尖头。
12.进一步的，所述顶尖头的圆柱部分包括第一圆柱部分和第二圆柱部分，所述第一圆柱部分的直径大于所述第二圆柱部分的直径，以使所述第二圆柱部分与所述第一轴承、内外轴套和第二轴承卡接。
13.进一步的，所述顶尖轴套包括直径依次增大的第一部分、第二部分和第三部分，所
述顶尖头位于所述第三部分；
14.所述第一部分通过弹性卡头卡接于所述顶尖锥柄中。
15.进一步的，还包括轴承，所述轴承设置在所述顶尖锥柄和所述顶尖轴套之间。
16.进一步的，所述轴承包括密珠轴承。
17.本发明的第二方面提供了一种测力顶尖系统，包括第一测力顶尖结构、第二测力顶尖结构、机床卡盘和机床尾座；
18.所述第一测力顶尖结构与所述卡盘相连接，所述第二测力顶尖结构与所述尾座相连接；
19.所述第一、第二测力顶尖结构用于顶持固定待加工零件；
20.所述第一、第二测力顶尖结构为如前所述的测力顶尖结构。
21.本发明的第三方面提供了一种如前所述的测力顶尖结构的安装方法，包括如下步骤：
22.固定顶尖锥柄；
23.放置弹性片至所述顶尖锥柄内部；
24.放置传感器抵接所述弹性片，并将传感器的连接线从顶尖锥柄上的通孔抽出；
25.将顶尖轴套插入所述顶尖锥柄内，抵接所述弹性片；
26.将第一轴承、内外轴套、第二轴承依次安装于所述顶尖轴套内部；
27.将顶尖头放置于所述顶尖轴套中，并用轴承端盖固定。
28.进一步的，在所述将顶尖轴套插入所述顶尖锥柄内，抵接所述弹性片的步骤之前，还包括如下步骤：
29.安装密珠轴承至所述顶尖锥柄内，通过螺钉对所述密珠轴承进行初步预紧，然后再将所述顶尖轴套放置于所述密珠轴承中，进行二次预紧。
30.综上所述，本发明提供了一种测力顶尖结构、系统及其安装方法，该测力顶尖结构包括顶尖锥柄、顶尖轴套、传感器和顶尖头；所述顶尖头可旋转地设置在所述顶尖轴套中；所述顶尖锥柄设置在所述顶尖轴套外周；所述传感器位于所述顶尖锥柄内部，一侧通过弹性片抵接于所述顶尖锥柄的内壁，另一侧抵接于所述顶尖轴套的外端部，所述传感器的连接线通过所述顶尖锥柄的通孔向外延伸。所述测力顶尖系统包括该测力顶尖结构，所述安装方法将各个部件组装形成整体的测力顶尖结构。本发明提供的测力顶尖结构和系统提高了工件加工的回转精度，保证顶尖头与工件一起旋转减少了因摩擦而产生的粉末，因而减少了对环境的污染。
附图说明
31.图1是本发明实施例的测力顶尖结构的整体结构示意图；
32.图2是本发明实施例的测力顶尖结构中顶尖锥柄的结构示意图；
33.图3是本发明实施例的测力顶尖结构中顶尖轴套的三视图；
34.图4是本发明实施例的测力顶尖结构中顶尖头的结构示意图；
35.图5是本发明实施例的测力顶尖结构中顶尖头装配到顶尖轴套中的主视图；
36.图6是本发明实施例的测力顶尖结构中顶尖头装配到顶尖轴套中的剖视图；
37.图7是本发明实施例的测力顶尖结构中顶尖头装配到顶尖轴套中的立体图；
38.图8是本发明实施例的测力顶尖结构中密珠轴承的结构示意图；
39.图9是本发明实施例的测力顶尖系统的结构示意图。
40.附图标记含义：
41.1、顶尖锥柄；11、锥柄第一部分；12、锥柄第二部分；13、通孔；14、轴承；15、轴承挡圈；16、第一端盖；17、第一螺钉；18、第二螺钉；19、防转销；2、顶尖轴套；21、第一部分；211、凹槽；22、第二部分；23、第三部分；3、传感器；4、顶尖头；41、圆柱部分；411、第一圆柱部分；412、第二圆柱部分；42、锥形部分；5、弹性片；51、弹性膜片；52、弹性缓冲垫；53、膜片挡圈；6、弹性卡头；7、第一轴承；8、内外轴套；81、内轴套；82、外轴套；9、第二轴承；10、轴承端盖。
具体实施方式
42.下面将参照附图图1至图4详细地描述本发明实施例的具体实施例。显然，所描述的实施例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。
43.需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明实施例的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。
44.为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本发明实施例的限定。
45.本发明的第一方面提供了一种测力顶尖结构，如图1所示，包括顶尖锥柄1、顶尖轴套2、传感器3和顶尖头4；顶尖头4可旋转地设置在顶尖轴套2中；顶尖锥柄1设置在顶尖轴套2外周；传感器3位于顶尖锥柄1内部，一侧通过弹性片5抵接于顶尖锥柄1的内壁，另一侧抵接于顶尖轴套2的外端部，传感器3的连接线通过顶尖锥柄1的通孔13向外延伸。
46.进一步的，弹性片5包括弹性膜片51和弹性缓冲垫52，两者胶连在一起。弹性膜片51靠近顶尖轴套2一侧，弹性缓冲垫52靠近顶尖锥柄一侧。且在弹性膜片51靠近顶尖轴套2的一侧还设置有膜片挡圈53，用以限制弹性膜片51的活动。
47.顶尖锥柄1主要起到固定顶尖的作用，同时连接顶尖与机床，如图2所示。顶尖锥柄1包括两个部分，锥柄第一部分11直径大于锥柄第二部分12，且锥柄第一部分11的内部空心，用于容纳顶尖轴套2。锥柄第一部分11侧面设置有通孔13，以供传感器3的连接线伸出。锥柄第一部分11的一侧设置有第二螺钉18，将顶尖锥柄1固定到机床上后，防止在机床内转动；锥柄第一部分11的另一侧设置有第一端盖16，用第一螺钉17将第一端盖16固定连接到锥柄第一部分11上，以将顶尖轴套2固定于顶尖锥柄1内。在第一端盖16上固定设置有防转销19的一端，并将防转销19的另一端插入顶尖轴套2中，以防止顶尖轴套2被顶尖头4带动旋转。
48.顶尖轴套2与顶尖锥柄1相连，并且顶尖轴套2通过滑动轴承还能够在顶尖锥柄1内
前后能够微动，顶尖轴套2的加工对于保证整个顶尖系统的精度具有重要的作用，顶尖轴套的结构如图3所示。顶尖轴套2包括直径依次增大的第一部分21、第二部分22和第三部分23，内部空腔，顶尖头位于所述第三部分23内。第一部分21的一端设置有凹槽211，通过弹性卡头6卡接于顶尖锥柄1中。
49.本发明重要的一部分包括顶尖头，顶尖头直接影响零件的加工精度是否可以得到保障，为了保障零件在加工过程中的精度，顶尖头的硬度一定要比加工零件的硬度要高很多，因此测力顶尖头的材料可以选择高碳钢。为了增加顶尖头的硬度，需要对顶尖进行整体淬火处理，淬火的目的是使过冷奥氏体进行马氏体或贝氏体转变，得到马氏体或贝氏体组织，然后配合以不同温度的回火，以大幅提高钢的强度、硬度、耐磨性、疲劳强度以及韧性等，从而满足各种机械零件和工具的不同使用要求。顶尖头机械实体图如图4所示。顶尖头4包括圆柱部分41和锥形部分42，圆柱部分41通过轴承可旋转地设置在顶尖轴套2中，锥形部分42伸出顶尖轴套2。
50.进一步的，如图5-7所示，顶尖头4套入顶尖轴套2中，圆柱部分41和顶尖轴套2之间依次设置有第一轴承7、内外轴套8、第二轴承9和轴承端盖10；所述轴承端盖10固定连接于顶尖轴套2的一端，以限制顶尖头4的位置。
51.进一步的，顶尖头4的圆柱部分包括第一圆柱部分411和第二圆柱部分412(如图4所示)，第一圆柱部分411的直径大于第二圆柱部分412的直径，以使所述第二圆柱部分412与第一轴承7、内外轴套8和第二轴承9卡接。
52.进一步的，还包括轴承14，所述轴承14设置在顶尖锥柄1和顶尖轴套2之间，且轴承朝向顶尖头的一侧设置有轴承挡圈15，以限制轴承的活动。径向移动轴承的选择主要有两种，一种是直线轴承，另外一种是密珠轴承，直线轴承是一种以低成本生产的直线运动系统，用于无限行程与圆柱轴配合使用。由于承载球与轴呈点接触，故使用载荷小。钢球以极小的摩擦阻力旋转，从而能获得高精度的平稳运动。然而选用直线轴承后安装本顶尖测力结构并安装铍陀螺框架零件进行测试，采用千分表测量夹持工件与不夹持工件的回转精度，测得的结果是在顶尖头夹持工件后主轴的回转精度在10个微米，不夹持工件测力顶尖头的回转精度在5个微米左右，明显不满足设计要求。后经过改进选用密珠轴承。密珠密珠轴承的基本结构是由主轴轴颈，轴套以及径向和轴向密集于两者之间具有过盈配合的滚珠所组成。密珠轴承是滚动轴承的特例。密珠轴承的结构特点是密集和过盈。密集就是滚珠按螺旋线迷你排列，即在轴承的每个径向和轴向截面内均布满了滚珠，使每个滚珠循独自的滚道绕主轴回转。过盈就是这种轴承内主轴轴颈、滚珠和轴套这三者之间均存在着过盈量，这相当于滚动轴承的预负荷的作用，以消除其间隙提高轴系的回转精度和刚度。除上述外，密珠轴承结构简单、使用可靠，常应用于高精度轴系。经过测试精度主轴回转精度在3微米左右，基本达到了设计要求。因此，优选实施例中，轴承选择密珠轴承，如图8所示。所选密珠轴承的滚珠排数为13排，滚珠直径2mm,滚珠数130个。选用此种型号的轴承后，夹持工件与不夹持工件测力顶尖主轴的回转精度都为3个微米，能够满足精度要求。
53.本发明的第二方面提供了一种测力顶尖系统，如图9所示，包括第一测力顶尖结构(图中左侧)、第二测力顶尖结构(图中右侧)、机床卡盘和机床尾座；第一测力顶尖结构与卡盘相连接，第二测力顶尖结构与尾座相连接；第一、第二测力顶尖结构用于顶持固定待加工零件(图中心)；第一、第二测力顶尖结构为如前所述的测力顶尖结构。第一测力顶尖结构与
第二测力顶尖结构的区别在于第一测力顶尖结构的尾部为圆柱状结构方便三抓卡盘装卡，第二测力顶尖结构为普通回转顶尖尾部带有一定的锥度，本发明中仅给出了第二测力顶尖结构的具体描述。
54.本发明的第三方面提供了一种如前所述的测力顶尖结构的安装方法，包括如下步骤：
55.1、固定顶尖锥柄(竖直固定)，具体可以选择为莫氏2号锥柄锥柄。
56.2、放置弹性片(将弹性膜片与弹性缓冲垫胶连)。
57.3、放置测力传感器抵接弹性片，并将传感器的连接线从顶尖锥柄上的通孔抽出。
58.4、安装密珠轴承、之后安装顶尖轴套，通过螺钉对密珠轴承进行初步预紧。
59.5、将顶尖轴套插入所述顶尖锥柄内，抵接所述弹性片；通过弹性卡头固定顶尖轴套。
60.6、将第一轴承、内外轴套、第二轴承依次安装于所述顶尖轴套内部。
61.7、安装顶尖轴套之后通过轴承端盖固定顶尖，在此过程中通过千分表，测量顶尖的回转精度，测得的回转精度小于3微米为合格。
62.8、之后将顶尖轴套安放于锥柄锥部的密珠轴承中，通过预紧力预紧。
63.9、采用千分表测试顶尖的回转精度，整体回转精度小于3微米为合格。
64.在顶尖装配完成后，还需要顶尖顶持负载进一步测试顶尖头的回转精度，整体回转精度小于3微米为合格。
65.综上所述，本发明提供了一种测力顶尖结构、系统及其安装方法，该测力顶尖结构包括顶尖锥柄、顶尖轴套、传感器和顶尖头；所述顶尖头可旋转地设置在所述顶尖轴套中；所述顶尖锥柄设置在所述顶尖轴套外周；所述传感器位于所述顶尖锥柄内部，一侧通过弹性片抵接于所述顶尖锥柄的内壁，另一侧抵接于所述顶尖轴套的外端部，所述传感器的连接线通过所述顶尖锥柄的通孔向外延伸。所述测力顶尖系统包括该测力顶尖结构，所述安装方法将各个部件组装形成整体的测力顶尖结构。本发明提供的测力顶尖结构和系统提高了工件加工的回转精度，保证顶尖头与工件一起旋转减少了因摩擦而产生的粉末，因而减少了对环境的污染。
66.应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。