彈簧夾套式夾持技術(shù)的新發(fā)展

袁 華 沈 健

(①德國(guó)中歐工業(yè)技術(shù)咨詢，德國(guó)74348 Lauffen;②合肥工業(yè)大學(xué)，安徽 合肥230009)

在金屬切削加工行業(yè)，尤其在車削加工中，卡爪式卡盤(簡(jiǎn)稱卡盤)、彈簧夾套式夾頭(亦簡(jiǎn)稱彈簧夾頭)和靜壓膨脹式夾具都是常見的工件夾具。其中，卡盤由于其結(jié)構(gòu)形式多樣、夾持范圍大而應(yīng)用最為廣泛。但是，卡盤的離散點(diǎn)夾持和精度有限的特點(diǎn)使其在一些場(chǎng)合的應(yīng)用受到了限制。靜壓膨脹式夾具正是在這兩方面克服了卡盤不足。但是靜壓膨脹式夾具夾持范圍極小，這一點(diǎn)大大限制了它的應(yīng)用范圍，通常只被作為特殊解決方案使用。而彈簧夾套式夾頭既能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)工件的周向大面積夾持，又能夠通過(guò)更換夾套覆蓋較大的夾持范圍，因而在金屬切削加工中得到了廣泛的應(yīng)用。

然而，在我國(guó)的金屬切削加工行業(yè)，人們對(duì)彈簧夾套式夾具的認(rèn)識(shí)還不夠充分，這項(xiàng)技術(shù)沒有能夠得到應(yīng)有的重視和推廣。本文通過(guò)介紹彈簧夾套式技術(shù)的最新發(fā)展，闡明這項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)越性和實(shí)用價(jià)值，希望對(duì)我國(guó)的金屬切削加工業(yè)掌握和使用國(guó)際先進(jìn)技術(shù)有所裨益。

1 彈簧夾套式夾具的結(jié)構(gòu)

彈簧夾套式夾具主要由夾具本體和彈簧套兩大部分組成，如圖1 所示。彈簧套具有圓錐形外表面，內(nèi)孔為夾持孔，通常為圓柱孔。彈簧套在徑向具有一定的彈性，其置于夾具本體的圓錐孔內(nèi)。當(dāng)彈簧套在外力的作用下軸向向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于外壁錐面的作用，夾持孔縮小，起到夾持工件的作用。

在傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，彈簧套由整體鋼件構(gòu)成，為了易于實(shí)現(xiàn)徑向彈性變形，在其側(cè)面縱向開有自下而上和自上而下間隔分布的槽，如圖2 所示。但是，這種彈簧套有兩大缺點(diǎn):一是容易產(chǎn)生疲勞損壞或薄壁部位產(chǎn)生塑性變形;二是彈簧套上的開槽部位容易進(jìn)入切屑粉塵等微小物體，阻礙其彈性變形。此外，全金屬的結(jié)構(gòu)對(duì)彈簧套徑向彈性變形的阻力仍然比較大。

圖1 彈簧夾套式夾頭工作原理

圖2 整體鋼制彈簧套

為了克服這些缺點(diǎn)，在德國(guó)人們發(fā)明了以特性橡膠為連接材料、鋼件為夾持構(gòu)件的扇形瓣?duì)顝?fù)合結(jié)構(gòu)彈簧套(簡(jiǎn)稱鋼膠結(jié)構(gòu))，如圖3 所示。這種特性橡膠對(duì)鋼具有很好的附著性，自身又有極好的彈性和抗疲勞、抗腐蝕性。由于橡膠的變形阻力非常小，所以在同樣大小的軸向作用力下，鋼膠結(jié)構(gòu)彈簧套可以產(chǎn)生更大的徑向夾緊力。采用這種結(jié)構(gòu)，鋼結(jié)構(gòu)部分可以做得充分厚實(shí)，有利于提高夾具的強(qiáng)度和剛度。這種結(jié)構(gòu)的另一大優(yōu)點(diǎn)就是消除了開槽間隙，使切屑和粉塵無(wú)法進(jìn)入彈簧套中，提高了夾具的使用可靠性，同時(shí)也減少了維護(hù)工作。這一發(fā)明使得彈簧夾套式夾具在金屬切削加工中的應(yīng)用得到了空前的擴(kuò)展。然而，彈簧夾套式夾具的技術(shù)進(jìn)步并沒有因此而停止。

圖3 鋼膠復(fù)合結(jié)構(gòu)彈簧套

2 六角平面接觸式彈簧夾套新技術(shù)

以圓錐面接觸的彈簧夾套式夾具存在兩大缺點(diǎn):

(1)當(dāng)使用同一個(gè)彈簧套夾持一批某一直徑的工件時(shí)，視具體工件的公差尺寸不同，彈簧套在夾具本體中所處的軸向位置亦不同。這就使得彈簧套的外圓錐面與夾具本體的內(nèi)圓錐面不能完全貼合。從每一個(gè)橫截面來(lái)觀察，則表現(xiàn)為彈簧套上的外弧線與夾具本體的內(nèi)弧線只有微小弧段上的接觸。這不僅導(dǎo)致不利的受力狀態(tài)，使夾套容易產(chǎn)生局部磨損;同時(shí)還會(huì)使夾具本體與夾套之間產(chǎn)生間隙，不利于防塵。其結(jié)果必然加劇夾套的磨損，并影響夾持精度。

(2)夾套與夾具本體的接觸是圓錐面副的形式，承受轉(zhuǎn)矩依靠摩擦力的作用。這就產(chǎn)生了一對(duì)矛盾:為了保證能夠承受足夠的轉(zhuǎn)矩，接觸面之間應(yīng)當(dāng)無(wú)油脂，避免潤(rùn)滑，以增加摩擦力矩;但夾持力卻是依靠錐面的軸向相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生，從這一點(diǎn)上考慮，又希望錐面副之間具有良好的潤(rùn)滑。顯然，對(duì)于圓錐面結(jié)構(gòu)，這是一對(duì)無(wú)法解決的矛盾。

針對(duì)上述問(wèn)題，德國(guó)HAINBUCH 公司開發(fā)出六角平面接觸式彈簧夾套，其結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

在這一新型結(jié)構(gòu)中，徹底打破了彈簧夾套技術(shù)的傳統(tǒng)思維，將圓錐面接觸改為6 個(gè)斜平面的接觸。彈簧套沿用了性能良好的鋼膠結(jié)構(gòu)，鋼制部分由三瓣組成，每瓣橫截面呈V 型。六角形的結(jié)構(gòu)能夠很好的傳遞轉(zhuǎn)矩，且平面接觸能夠保證彈簧套在任何軸向位置都與夾具本體上的六角錐孔形成面接觸。在夾具本體的孔壁上開有潤(rùn)滑油槽，用于減小平面副之間的摩擦系數(shù)，從而在同樣的軸向作用力的情況下能夠產(chǎn)生更大的夾持力。此外，在夾具本體中采用了非金屬固化材料，既減輕了夾具的重量，又增加了結(jié)構(gòu)阻尼，明顯改善了夾具的動(dòng)力學(xué)性能。

圖4 六角平面接觸式結(jié)構(gòu)

3 六角平面接觸式彈簧夾套應(yīng)用示例

圖5 所示是一個(gè)銑削加工車刀刀桿的實(shí)例。工件設(shè)計(jì)尺寸為:橫截面20. 2 mm ×20. 2 mm，長(zhǎng)度125 mm。毛坯為圓鋼，一端夾緊，懸伸長(zhǎng)度為147 mm。加工過(guò)程在一臺(tái)車銑復(fù)合加工中心上進(jìn)行。過(guò)去，采用圓錐面彈簧夾套式夾具夾持工件加工，時(shí)常產(chǎn)生加工振動(dòng)問(wèn)題，表面質(zhì)量和對(duì)稱面的平行度都較差。因而，不得不降低切削參數(shù)進(jìn)行加工。而采用六角平面接觸式彈簧夾套后，有效地消除了振動(dòng)現(xiàn)象，表面質(zhì)量有了明顯提高。而且，由于提高了切削參數(shù)，加工時(shí)間縮短了20%。同時(shí)，刀具使用壽命也有明顯提高。這個(gè)加工實(shí)例反映出，六角平面接觸式彈簧夾套的大夾緊力和優(yōu)良的阻尼減振性能為加工帶來(lái)了諸多優(yōu)點(diǎn)。

通過(guò)對(duì)彈簧套的特殊設(shè)計(jì)，還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同形狀工件的夾持。例如，采用內(nèi)孔為四邊形的特殊彈簧套可以實(shí)現(xiàn)方形截面工件的夾持。圖6 為該類型的彈簧套，它仍然采用鋼膠結(jié)構(gòu)，由三瓣鋼制夾持塊組成。圖7 為使用這種夾具夾持加工的零件。在這種情況下，由于彈簧套與夾具本體以及與工件的接觸均為多邊形，所以可以傳遞極大的轉(zhuǎn)矩。

4 夾具快換功能

六角平面接觸式彈簧夾套夾具的設(shè)計(jì)遵循模塊化結(jié)構(gòu)的理念。夾具本體不僅可以直接裝入夾套夾持工件，而且可以與其它形式的夾具配合使用。這時(shí)夾具本體的內(nèi)孔被同時(shí)作為夾具快換系統(tǒng)的接口使用;而與其配合使用的夾具亦帶有六角斜平面的接口，如圖8 所示。

圖8 夾具的快換功能

圖9 所示為正在將一個(gè)彈簧芯軸裝入夾具本體。從取出原先使用過(guò)的夾持工件外徑的彈簧套，到裝入夾持工件內(nèi)徑的彈簧芯軸只需要短短的2 min 時(shí)間。這種快換功能，可以大大縮減換裝夾具所需的時(shí)間，從而提高機(jī)床的有效使用率。

圖9 將夾套夾具換成芯軸夾具

5 結(jié)語(yǔ)

彈簧夾套式夾具在金屬切削加工中的應(yīng)用雖然已經(jīng)具有很久的歷史，但是其關(guān)鍵性的技術(shù)革新卻是發(fā)生在近些年中，其中最為重要的革新就是本文介紹的“鋼膠結(jié)構(gòu)彈簧套”和“六角平面接觸技術(shù)”。這兩項(xiàng)技術(shù)在我國(guó)金屬切削加工行業(yè)的推廣應(yīng)用，必定能夠?yàn)槠髽I(yè)產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

［1］Michael Hobohm. Ein system，das gelebt werden muss［J］. Werkstatt und Betrieb，2010(11)，80 -83.

［2］Haider Willrett. Mit vollgas um die kurve［J］. Industrieanzeige，2012(16)，44 -45.

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