新型車床快速裝夾圓形零件的三爪卡盤設(shè)計(jì)研究

陳明英

（成都飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，四川 成都 610092）

引言

三爪卡盤是一種機(jī)床附件，其外形上擁有三個(gè)活動(dòng)卡爪，可以利用三個(gè)裝置實(shí)現(xiàn)卡盤體上物體的徑向移動(dòng)，是車床加工中常用的配件。作為傳統(tǒng)機(jī)床上最為重要的附件之一，其功用與地位都十分重要，在實(shí)際使用體系中，根據(jù)卡盤上的爪數(shù)量來(lái)劃分為卡盤類別，三爪卡盤也就是卡盤上擁有三只爪的機(jī)械裝置。伴隨著現(xiàn)代機(jī)床技術(shù)的不斷進(jìn)步與不斷發(fā)展，車床切割的范圍和類別都在持續(xù)上升，這也對(duì)三爪卡盤的可靠性提出了全新要求。而且在實(shí)踐工作中，三爪卡盤是否能夠?qū)崿F(xiàn)零部件的快速安裝等也成為了需要考慮的對(duì)象。尤其是大尺寸工件要求轉(zhuǎn)速不能太高，而卡盤是否夾緊工件都是依靠操作者的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的，很難將其量化，這些全新的形式都在對(duì)三爪卡盤的全新優(yōu)化設(shè)計(jì)提出了最新要求。根據(jù)這種全新的要求，展開(kāi)了本次研究，探討新型車床快速裝夾圓形零件的三爪卡盤設(shè)計(jì)，進(jìn)而為三爪卡盤的實(shí)際應(yīng)用帶來(lái)借鑒與幫助。

1 三爪機(jī)構(gòu)的組成及工作原理

1.1 三爪卡盤的機(jī)構(gòu)組成

三爪卡盤仍然延續(xù)了傳統(tǒng)的卡盤結(jié)構(gòu)，即利用齒輪機(jī)構(gòu)和螺旋機(jī)構(gòu)兩部分組成的，圖1 為三爪的結(jié)構(gòu)。而兩大機(jī)構(gòu)在其中發(fā)揮的作用有所不同，如齒輪機(jī)構(gòu)負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)作用，螺旋機(jī)構(gòu)則是具體的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其中盤絲和大齒輪是結(jié)合在一起的，而齒輪則是共計(jì)分為3 個(gè)徑向小錐齒輪和1 個(gè)嚙合而成的齒輪副，小錐齒輪可以在外部位置利用扳手插入六角孔來(lái)趨勢(shì)大齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)。其中大椎齒輪背面是端面螺紋，螺旋副的盤絲也可以更好的將齒輪轉(zhuǎn)換為三爪的移動(dòng)，在這個(gè)機(jī)構(gòu)中，三爪相當(dāng)于螺母。傳動(dòng)裝置位于卡盤內(nèi)部，利用螺釘可以很好的將卡盤體和端蓋直接緊固在一起，而卡盤也可以利用錐孔及短錐位置實(shí)現(xiàn)與雙頭螺栓的連接。

圖1 三爪結(jié)構(gòu)

1.2 螺旋機(jī)構(gòu)工作原理與特性

三爪卡盤的基本工作原理是：在實(shí)際的工件安裝中，利用內(nèi)六角扳手插入小錐齒輪外端的內(nèi)孔中，然后轉(zhuǎn)動(dòng)扳手，這時(shí)間外部驅(qū)動(dòng)力會(huì)推動(dòng)大小齒輪嚙合位置來(lái)促進(jìn)盤絲轉(zhuǎn)動(dòng)，盤絲轉(zhuǎn)動(dòng)由將會(huì)促使桑耳跨抓沿著盤絲的半徑方向?qū)崿F(xiàn)移動(dòng)，這一套工序是實(shí)現(xiàn)對(duì)盤軸工件的夾緊，而一旦卡爪離開(kāi)盤梯中心時(shí)，工件也會(huì)被卸下。在實(shí)踐工作中，這套工作工件是借鑒了阿基米德的基本螺旋線原理的，而遵循該原理的端面螺紋將會(huì)具有很多特性。可以說(shuō)三爪卡盤正是借助這種速性來(lái)完成基本工作的，也被稱為等速螺線，由于該螺旋線是在同一平面內(nèi)勻速向外擴(kuò)展, 并且呈旋渦狀,故也稱為平面螺紋或渦旋線。

2 新型車床快速裝夾圓形零件的三爪卡盤設(shè)計(jì)

現(xiàn)有的普通車床在機(jī)械加工圓形零件時(shí)大多數(shù)都是采用傳統(tǒng)三爪卡盤裝夾來(lái)加工，此三爪卡盤裝夾零件主要是利用卡盤扳手轉(zhuǎn)動(dòng)圓周上的三個(gè)傘齒中的任一個(gè)，從而帶動(dòng)三個(gè)卡爪一起移動(dòng)來(lái)進(jìn)行壓緊，該操作方式需車工借助扳手一圈圈地旋轉(zhuǎn)絲桿來(lái)擰緊卡爪，裝夾過(guò)程繁瑣，裝夾速度慢，裝夾耗時(shí)長(zhǎng)，工作效率低，耽誤生產(chǎn)周期。另外，該傳統(tǒng)的三爪卡盤采用齒輪副傳動(dòng)結(jié)構(gòu)形式，當(dāng)產(chǎn)生磨損時(shí)，裝夾穩(wěn)定性變差，三爪同步定心無(wú)法保證，而且該結(jié)構(gòu)形式拆裝難度大，維修費(fèi)用高，只能通過(guò)新制傘齒及絲桿進(jìn)行更換。而這也是本次研究中想要進(jìn)行全新設(shè)計(jì)的開(kāi)端，通過(guò)新型車床快速裝夾圓形零件的三爪卡盤的設(shè)計(jì)，將會(huì)更好的推動(dòng)相關(guān)理念的進(jìn)步與發(fā)展。

2.1 設(shè)計(jì)要求

具體的設(shè)計(jì)展開(kāi)，展開(kāi)的根本目的仍然是為了對(duì)三爪卡盤進(jìn)行優(yōu)化，從這個(gè)角度來(lái)看該設(shè)計(jì)需要具有以下增益效果。

2.1.1 結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單，裝夾操作簡(jiǎn)便 三爪卡盤的傳統(tǒng)安裝措施中，仍然需要手動(dòng)安裝，而這前文已經(jīng)提到，在進(jìn)行工件夾緊的過(guò)程中，很多工件是否真正符合要求需要根據(jù)操作者的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行判定，而為了更好地實(shí)現(xiàn)操作者入門門檻的簡(jiǎn)化，進(jìn)行了本次研究設(shè)計(jì)。

2.1.2 成本低且安全 在機(jī)械生產(chǎn)中，安全永遠(yuǎn)是第一要?jiǎng)?wù)，確保整體操作安全才是保證生產(chǎn)效率的根本。而且從企業(yè)的基本角度出發(fā)來(lái)看，安全也保證了生產(chǎn)的基本效益。而本次設(shè)計(jì)中，為了提高效益，也保證了全新設(shè)計(jì)的三爪卡盤的成本較低，最大程度的推動(dòng)經(jīng)濟(jì)效益的進(jìn)步。

根據(jù)上述的基本要求，包括前文對(duì)傳統(tǒng)三爪卡盤的設(shè)計(jì)存在的問(wèn)題分析，得出了基本的設(shè)計(jì)要求，目的是針對(duì)上述現(xiàn)有存在的技術(shù)問(wèn)題，設(shè)計(jì)出一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造成本低、快速裝夾、工作高效、可對(duì)多規(guī)格圓形零件進(jìn)行快速裝夾、自動(dòng)定心的三爪卡盤裝置。旨在減少工人操作裝夾零件時(shí)間，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高裝夾穩(wěn)定性和操作安全性，提高加工效率。

2.2 技術(shù)方案

對(duì)全新設(shè)計(jì)的要求進(jìn)行了分析，針對(duì)技術(shù)層面的問(wèn)題也要考慮相關(guān)的解決方案，針對(duì)問(wèn)題提出基本的技術(shù)方案是一種多規(guī)格系列圓形零件裝夾裝置，包括一具有環(huán)形圓槽的底座1 和內(nèi)側(cè)三處均勻分布的圓弧面11 的旋轉(zhuǎn)盤2，其特征在于通過(guò)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)扳手7，旋轉(zhuǎn)盤2 繞底座1 環(huán)形圓槽旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)盤2 內(nèi)側(cè)三處均勻分布的圓形弧面11 對(duì)壓頭10 相接觸的圓弧面產(chǎn)生一種徑向擠壓力，通過(guò)推桿9 向中心進(jìn)行擠壓力的傳遞，使其卡爪3 裝夾壓緊零件。

2.3 設(shè)計(jì)方案

對(duì)設(shè)計(jì)要求和技術(shù)方案進(jìn)行整體探討，根據(jù)具體的內(nèi)容提出了具體的設(shè)計(jì)方案和設(shè)計(jì)實(shí)例，通過(guò)設(shè)計(jì)優(yōu)化和對(duì)設(shè)計(jì)理念的探討，得出本次的設(shè)計(jì)方案：

參閱圖2 至圖6（1 底座，2 旋轉(zhuǎn)盤，3 卡爪,4 蓋板，5 端蓋，6 彈簧，7 手柄，8 壓板，9 推桿，10 壓頭，11圓弧面）。在以下描述的實(shí)施例中，一種適用于多規(guī)格系列圓形零件快速裝夾的三爪卡盤裝置，包括：一具有環(huán)形圓槽的底座1 和內(nèi)側(cè)三處均勻分布的圓弧面11 的旋轉(zhuǎn)盤2，其特征在于操作工人通過(guò)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)手柄7 帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)盤2 繞底座1 環(huán)形圓槽轉(zhuǎn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)盤2 內(nèi)側(cè)均勻分布的三處圓弧面11 對(duì)壓頭10 相接觸的圓弧面產(chǎn)生一種徑向擠壓力，擠壓推桿9 向中心進(jìn)行擠壓力的傳遞運(yùn)動(dòng)，使得卡爪3 裝夾壓緊零件；當(dāng)卡爪3 壓緊零件的時(shí)扭緊手柄7，手柄7 壓緊壓板8 的圓弧面使其與蓋板4 的外圓弧面接觸，這時(shí)旋轉(zhuǎn)盤2固牢，完成零件的裝夾過(guò)程。當(dāng)零件加工完成后，松開(kāi)手柄7，壓板8 的圓弧面與蓋板4 外圓面分開(kāi)，逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)手柄7 帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)盤2 逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)盤2 圓弧面11 受力解除自鎖狀態(tài)，這時(shí)在彈簧6 彈力的作用下，推桿9 帶動(dòng)卡爪沿徑向一并向外運(yùn)動(dòng)，即卡爪松開(kāi)零件。

圖2 快速裝夾三爪卡盤裝置的主視圖

圖3 俯視圖

圖4 局部示圖

圖5 旋轉(zhuǎn)盤2 的三維視圖

圖6 卡爪5、推桿9 和壓頭10 的組合三維視圖

本次設(shè)計(jì)與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下兩個(gè)優(yōu)勢(shì)。

（1）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，裝夾操作便捷。本次設(shè)計(jì)采用手柄7 帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)盤2 內(nèi)側(cè)三處均勻分布的圓弧面11 產(chǎn)生擠壓力來(lái)推動(dòng)卡爪3 裝夾零件，該方式替代了原有采用傘齒帶動(dòng)絲桿傳動(dòng)的結(jié)構(gòu)方式，減少了工人采用扳手來(lái)搬動(dòng)絲桿的操作過(guò)程，縮短了裝夾時(shí)間，與原來(lái)的操作方式相比工作效率提高80%。

（2）制造成本低，裝夾安全更加穩(wěn)定可靠。本次設(shè)計(jì)采用底座1 外螺紋與蓋板4 內(nèi)螺紋進(jìn)行連接，通過(guò)扳動(dòng)手柄7 順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)盤2 旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)盤2 內(nèi)側(cè)均勻分布的三處圓弧面11 產(chǎn)生擠壓力，該擠壓力的特點(diǎn)均勻平穩(wěn)，而且該旋轉(zhuǎn)盤2 上的三處圓弧面11 結(jié)構(gòu)具有自鎖功能，裝夾安全可靠。當(dāng)卡爪3壓緊零件的時(shí)候扭緊手柄7，手柄7 壓緊壓板8 的弧形面使其與蓋板4 的外圓弧面接觸，這時(shí)旋轉(zhuǎn)盤2 固牢，使得裝夾更加可靠安全。

2.4 軟爪裝置的設(shè)計(jì)與制作

在三爪卡盤的實(shí)際應(yīng)用中，卡爪也是其主要組成部分，而在設(shè)計(jì)中同樣考慮到了卡爪的相關(guān)設(shè)計(jì)，探討配合設(shè)計(jì)的軟爪制作，具體可分為以下三個(gè)部分：

（1）活動(dòng)三爪的選用。三爪的基本選型需要符合機(jī)床的基本需求。為了實(shí)現(xiàn)三爪的換取方便，符合安裝精度要求，先在三爪上加工出配合需要的平面和螺紋孔，加工中對(duì)表面的平面度和螺紋孔與調(diào)節(jié)裝置的同軸度有要求，這有利于后續(xù)的裝配。

（2）調(diào)節(jié)裝置的制作。本系列的三爪(軟爪)是通過(guò)可調(diào)節(jié)裝置將軟爪與卡盤上硬爪進(jìn)行聯(lián)接的裝置。首先制造出調(diào)節(jié)裝置,再與固定的三爪進(jìn)行焊接加工，其次在銑床進(jìn)行半精加工，在磨床進(jìn)行精加工等,以保證焊接后仍然具有較高的精度。在聯(lián)接的過(guò)程中通過(guò)螺釘進(jìn)行固定，為防止加工過(guò)程中螺釘?shù)乃蓜?dòng),在聯(lián)接過(guò)程中增加了彈性墊圈和六角螺母等預(yù)緊件，對(duì)螺紋孔的配合同軸度要求較高。因此,可以大大提高零件夾持的定位精度。

（3）軟爪的設(shè)計(jì)與制作。軟爪的尺寸設(shè)計(jì)往往是基于實(shí)際應(yīng)用而產(chǎn)生的，也就是根據(jù)零件種類的不同和尺寸的變化，軟爪尺寸也會(huì)變化。一般來(lái)說(shuō)，首先應(yīng)該選擇剛性好并且不易變形的材料，其次就是形狀確定，根據(jù)工件的具體形狀來(lái)設(shè)計(jì)軟爪結(jié)構(gòu)，如根據(jù)零件的剛性要求制作成窄面和寬面的軟爪，用于加工薄壁的套簡(jiǎn)類零件時(shí)選用寬面接觸的軟爪系列, 以增加接觸面積，減少加工后的變形。根據(jù)軸類零件和套簡(jiǎn)類零件的結(jié)構(gòu)不同，可制成內(nèi)、外不同形式的軟爪，等等。而且要考慮到如工件的安裝和清理工作，確保軟爪能夠夾持到大部分的工件，避免平面螺紋漏出來(lái)，也會(huì)保證加工的精度和準(zhǔn)度。

3 結(jié)論

在本次研究中，以新型三爪卡盤為設(shè)計(jì)對(duì)象，展開(kāi)了區(qū)別于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，在全新的設(shè)計(jì)中，以圓形器件作為主要目標(biāo)對(duì)象更加便捷，可靠程度更高，也推動(dòng)了相關(guān)領(lǐng)域的完善與發(fā)展。通過(guò)本次研究，也希望能夠推動(dòng)展開(kāi)研究的相關(guān)內(nèi)容，進(jìn)而促進(jìn)相關(guān)領(lǐng)域的進(jìn)步。