直面四爪卡盤的設(shè)計(jì)與分析*

李華強(qiáng)，劉 江

(內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 機(jī)械學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051)

0 引言

卡盤是機(jī)床常用的夾具，不需進(jìn)行找正就可準(zhǔn)確確定工件的加工位置并保證工件位置不發(fā)生變化，從而保證工件的加工精度，穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量，提高勞動生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本，擴(kuò)大機(jī)床工藝范圍，改善工人勞動條件。

目前機(jī)床用于夾持方形零件的卡盤主要包括改進(jìn)卡爪的三爪自定心卡盤、四爪單動卡盤和四爪自定心卡盤。改進(jìn)卡爪的三爪自定心卡盤通過在卡爪和工件之間添加不同厚度的墊片來實(shí)現(xiàn)夾持不同尺寸的方形工件，該方式夾持不可靠，存在較大的安全隱患，調(diào)整安裝復(fù)雜，效率低，對工人的技術(shù)水平要求高。四爪單動卡盤夾緊力大，夾持可靠并可夾持異形工件，但夾持方形工件時(shí)需調(diào)整4個(gè)卡爪的移動量使工件中心與頂尖同軸，調(diào)整費(fèi)時(shí)費(fèi)力，對工人的技術(shù)水平要求高，效率低。四爪自定心卡盤與單動四爪卡盤相比，能夠自定心，不需對卡爪進(jìn)行調(diào)整，但卡爪與工件的接觸面積小，夾持脆性材料單晶硅時(shí)易發(fā)生碎裂現(xiàn)象。為滿足方形單晶硅機(jī)械加工裝夾與定位的要求，本文在原四爪自定心卡盤的基礎(chǔ)上改進(jìn)了卡爪的結(jié)構(gòu)，將卡爪設(shè)計(jì)為直面寬卡爪結(jié)構(gòu)。

1 直面四爪卡盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)單晶硅自身的特性和加工工藝的要求，在原四爪自定心卡盤工作原理的基礎(chǔ)上改進(jìn)卡爪，將原卡爪的功能通過滑座和直面卡爪兩個(gè)結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，如圖1所示。直面四爪卡盤主要由盤體1、壓蓋2、盤絲3、傘齒輪4、滑座5、直面卡爪6等構(gòu)成，其中滑座與盤絲配合實(shí)現(xiàn)徑向滑動,直面卡爪安裝在滑座上,通過設(shè)計(jì)卯榫結(jié)構(gòu)定位螺栓連接,實(shí)現(xiàn)自定心夾持方形工件；直面卡爪爪面寬度是滑座寬度的3倍，還可根據(jù)需要增加相應(yīng)的寬度。

2 直面四爪卡盤部件設(shè)計(jì)

2.1 盤體設(shè)計(jì)

盤體是卡盤的基礎(chǔ)零件，盤體最大的中心孔俗稱“止口”，卡盤通過止口和端面進(jìn)行定位，采用螺釘連接的方式與機(jī)床過渡盤相連，如圖2所示。根據(jù)盤體受力的特點(diǎn)，選用高強(qiáng)度、耐磨性好的材料HT300。

1-傘齒輪；2-盤體；3-壓蓋；4-盤絲；5-滑座；6-直面卡爪

圖2 盤體結(jié)構(gòu)

2.2 傘齒輪與盤絲設(shè)計(jì)

傘齒輪與盤絲的兩軸相交90°，兩者傳動方式為直齒錐齒輪傳動?；阑∨c盤絲漸開線的配合是自定心卡盤的核心，卡盤實(shí)現(xiàn)自定心要求與滑座配合環(huán)槽的曲線具有等進(jìn)性和等距性。等進(jìn)性是指盤絲轉(zhuǎn)過一定角度，4個(gè)卡爪的移動距離相同；等距性是指盤絲轉(zhuǎn)動一圈，卡爪移動的距離為定值。通過理論分析與計(jì)算可知，盤絲曲線采用漸開線，滑座牙弧為圓柱面可同時(shí)滿足等進(jìn)性和等距性兩個(gè)要求。根據(jù)傘齒輪與盤絲承載能力和傳動結(jié)構(gòu)特點(diǎn)均選用材料40Cr，傘齒輪結(jié)構(gòu)和盤絲結(jié)構(gòu)分別如圖3和圖4所示。

圖3傘齒輪結(jié)構(gòu)圖4盤絲結(jié)構(gòu)

2.3 滑座和直面卡爪設(shè)計(jì)

根據(jù)滑座和直面卡爪的結(jié)構(gòu)特性和使用要求，滑座材料選用40Cr，選取合金結(jié)構(gòu)鋼20CrMnTi作為直面卡爪的材料，材料屬性如表1所示?；Y(jié)構(gòu)和直面卡爪結(jié)構(gòu)分別如圖5、圖6所示，通過卯榫結(jié)構(gòu)配合，起到精確定位和受載的作用。

表1 40Cr和20CrMnTi材料屬性

圖5滑座結(jié)構(gòu)圖6直面卡爪結(jié)構(gòu)

3 滑座與直面卡爪有限元分析

由于滑座和直面卡爪直接與負(fù)載接觸,又是本次設(shè)計(jì)的創(chuàng)新點(diǎn),當(dāng)直面卡爪夾持最大的工件時(shí)，滑座與盤絲接觸的牙弧只有3個(gè)，同時(shí)直面卡爪承受最大夾緊力,因此以滑座與直面卡爪為研究對象，利用UG_CAE模塊對其進(jìn)行有限元分析,分析改進(jìn)的滑座與直面卡爪在實(shí)際應(yīng)用中能否滿足使用要求。

3.1 邊界條件分析

直面卡爪夾持工件，工件對直面卡爪的反作用力垂直于直面卡爪的表面，直面卡爪主要沿長度方向發(fā)生變形，所以滑座前3個(gè)牙弧小圓柱面的自由度全部固定，滑座的工字結(jié)構(gòu)與盤體接觸的表面除去沿長度方向移動的自由度之外，其他自由度都需固定。

3.2 施加載荷分析

單個(gè)卡爪上的夾緊力F計(jì)算公式為:

F=2KM/(nDf).

(1)

其中：K為安全系數(shù)，取K=3；M為切削力矩，N·m；n為卡盤卡爪數(shù)，n=4；D為兩卡爪間距，D=90 mm；f為工件與支承面的摩擦因數(shù)，f=0.1。

本文以工件在切削過程中的最大切削力矩為100 N·m進(jìn)行分析。將數(shù)值代入式(1)計(jì)算得：F=16.67 kN。

將17 kN的載荷分別施加在4個(gè)直面卡爪上。

3.3 接觸分析

滑座與直面卡爪卯榫配合，接觸面無任何切向相對滑動，所以在接觸面之間添加等效面對面粘合的仿真對象約束。

3.4 有限元分析結(jié)果

有限元分析得到的滑座與直面卡爪應(yīng)力云圖和應(yīng)變云圖分別如圖7、圖8所示。

由圖7和圖8可知：滑座與直面卡爪整體結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力發(fā)生在直面卡爪上,且最大應(yīng)力為492.28 MPa，最大應(yīng)變?yōu)?.16 mm。直面卡爪的屈服極限為835 MPa，取安全系數(shù)為1.5,求得材料的許用應(yīng)力為556.67 MPa>492.18 MPa,可見滑座與直面卡爪的強(qiáng)度與剛度滿足設(shè)計(jì)要求。

圖7滑座與直面卡爪應(yīng)力云圖圖8滑座與直面卡爪應(yīng)變云圖

4 結(jié)語

針對光伏產(chǎn)業(yè)方形單晶硅片機(jī)械加工中對夾具的要求，在四爪自定心卡盤的基礎(chǔ)上，改變卡爪結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)夾持方形零件并具有一定夾持范圍與定位精度的直面四爪卡盤。利用UG_CAE模塊，分析了滑座與直面卡爪在受到最大作用力時(shí)結(jié)構(gòu)也能滿足強(qiáng)度要求，表明設(shè)計(jì)是合理的。