（机械工程专业论文）新型车床夹具的创新设计.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 车床主轴转速的曰趋走高，在两个方面向传统的夹具技术提出了严重挑战： 一是常用的杠杆类卡盘的动态夹紧力随主轴转速提高而锐减，二是机床主轴转速 的提高要受安装在其上面的液压缸或气缸的极限转速制约。 本文以车床的主要加工对象轴类零件及盘套类零件为目标，分别设计出 多种适应其高速车削的夹具技术：对轴类零件，创新设计出了驱动能力不受离心 力影响的、采用尾座力顶紧的拨爪座可换位端面驱动顶尖，可方便地适应于不同 直径工件的装夹；以离心力为夹紧力来源，前顶尖设置成固定型式的离心力驱动 式端面驱动顶尖，显著提高了工件的定心精度。提出的装夹轴类零件的离心式卡 盘，改变了工件的驱动部位，尤其适应于不允许在端面上存有压痕的零件的加工。 对于盘套类零件，采用离心式弹性夹头，可方便的对孔径不大的盘套类零件 进行装夹；对于孔径较大的零件，设计出了两种离心式弹性涨套一基于正交增力 机构的离心式内孔夹具，包括斜楔增力机构与铰杆增力机构，结构中采用了互相 垂直的输出重块与增力重块，通过斜楔增力机构或铰杆增力机构进行力的传递， 使得该夹具相对于同样结构重量但没有增力机构的离心式内孔夹具，实际输出力 的数值要大得多，输出转矩的能力也要大的多。适合装夹内孔已经半精加工或精 加工的盘套类零件，装夹效果良好。 该类夹具性能稳定可靠，适应范围广，通用性强，能适应高速、高效车削加 工的需求，具有良好的发展前景。 关键词：车床夹具顶尖卡盘 山东大学硕士学位论文 a bs t r a c t s p i n d l es p e e do fl a t h ei sb e c o m i n gh i g h e r a n dh i g h e r , a n dt r a d i t i o n a lf i x t u r e t e c h n o l o g yf a c e st w os e r i o u sc h a l l e n g e s o n ei s t h a tt h ed y n a m i cc l a m p i n gf o r c eo f c o m m o n l yu s e dl e v e rc h u c k sd e c r e a s e ss h a r p l yw i t ht h ei n c r e a s eo fs p i n d l es p e e d t h e o t h e ri st h a tt h ei n c r e a s eo fs p i n d l es p e e di sr e s t r i c t e db yt h el i m i ts p e e do fh y d r a u l i c c y l i n d e ro rp n e u m a t i cc y l i n d e r , w h i c hi sf i x e do ns p i n d l e 。 t h ep a p e rf o c u s e so nt h em a j o rm a c h i n i n go b j e c t so fl a t h es u c ha ss h a f ta n dd i s c p a r t s ，a n da c c o r d i n g l ym a n yk i n d so ff i x t u r e sh a v eb e e nd e s i g n e dw h i c ha d a p th i g h t u r n i n gs p e e df o rt h es h a f tp a r t s ，t h ef i x t u r e sh a v e b e e ne m p l o y e dt oc o n v e n i e n t l y c l a m pw o r k p i e c ew i t hd i f f e r e n td i a m e t e r sa n dt h e i rd r i v i n gc a p a c i t yi s u ti n f l u e n c e db y c e n t r i f u g a lf o r c eb e c a u s ec l a m p i n gf o r c ei ss u p p l i e db yl a t h et a i lt h a t c a nd r i v ec o r e c l a m p e rf o rt h ec h a n g e a b l ef a c e c e n t r i f u g a lf o r c ei st h eo r i g i no fc l a m p i n gp o w e r ，a n d t h ef r o n tc o r ec l a m p e ri ss e ta sf i x e df o r mt h a ti sd r i v e nb yc e n t r i f u g a lf o r c e ，w h i c h r e m a r k a b l yi m p r o v e st h eo r i e n t a t i o np r e c i s eo fw o r k p i e c ec e n t r i f u g a lc h u c kt h a ti s u s e dt oc l a m ps h a f tp a r t sc a nc h a n g et h ed r i v i n gp o s i t i o no fw o r k r i i e c e i ti se s p e c i a l l y s u i t a b l et om a n u f a c t u r et h ep a r t so nw h i c ht h e r ei sn od i n k y f o rt h ed i s cp a r t s ；c e n t r i f u g a le l a s t i cf i x t u r e sa r ea d o p t e dt oc o n v e n i e n t l yc l a m p w o r k p i e c ew i t hs m a l l h o l ed i a m e t e r st w ok i n d so fc e n t r i f u g a le l a s t i cc o v e r sa r e d e v e l o p e df o rt h ep a r t sw i t hb i gh o l ed i a m e t e r s c e n t r i f u g a lf i x t u r e sw i t hi n t e r n a lh o l e s b a s e do np e r p e n d i c u l a rf o r c em e c h a n i s mi n c l u d ei n c l i n ew e d g ea n df l o a t i n gp e r c h f r a m e w o r k sw i t hi n c r e a s i n gf o r c e o u t p u tb l o c ka n di n c r e a s i n gf o r c eb l o c ka r e e m p l o y e d i nt h es t r u c t u r ew h i c ha r ep e r p e n d i c u l a re a c ho t h e r b e c a u s ei n c l i n ew e d g e a n df l o a t i n gp e r c hf r a m e w o r k sw i t hi n c r e a s i n gf o r c ea r eu s e dt ot r a n s m i tp o w e r ，t h e f i x t u r ec a no u t p u tm u c hg r e a t e rf o r c ea n dt o r q u ei np r a c t i c ec o m p a r e dw i t ho t h e r f i x t u r e sw i t hi n t e r n a lh o l e st h a th a v et h es a m ew e i g h tw i t h o u ti n c r e a s i n gf o r c e m e c h a n i s mt h i sk i n do ff i x t u r e si ss u i t a b l et oc l a m pt h ed i s cp a r t sw h o s ei n t e r n a lh o l e s h a v eb e e ns e m i - f i n i s h e do rf i n i s hm a c h i n e d ，m a n i f e s t i n gg o o dc l a m p i n ge f f e c t t h i sk i n do ff i x t u r e sh a ss t a b l ea n dr e l i a b l ec a p a b i l i t yw i t hw i d ea p p l i c a t i o n ，a n di t c a l lm e e tw i t ht u r n i n go fh i g hs p e e da n dh i g he f f i c i e n c y , t h u st a k i n go np r o s p e c t i v e a t t i r e k e y w o r d s ：l a t h e ，f i x t u r e ，c o r ec l a m p e r ，c h u c k 附件一 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导f ，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：兰盗 e t 期：五p 歹，夕 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅 和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、编印或其他复制手段保存论文和汇编本 学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：些拯导师签名日期：华寸一三l丛 半 山尔火学硕士论文 第1 章绪论 1 1 课题背景 随着刀具材料和机床技术的不断进步，数控车床的主轴转速呈现出了日益走 高的趋势啦l 。目前，国内采用主轴电机的中心高为2 5 0 r a m 数控车床的实用转速 已达到1 2 0 0 0 r m i n 左右，工业发达国家还要稍高一些：而用于加工轻合金表壳的 专用数控车床，其最高转速更是超过了2 0 0 0 0 r m i n 。数控车床主轴转速的日趋提 高，传统的机床夹具，尤其是普通卡盘类夹具，无论是在结构上还是精度上已难 既适应现代高速、高效车削加工的要求，对平衡性能和加紧力保持以及精度和安 全指标都有较高的要求。此外，机床主轴转速的提高还要受安装在其上面的液压 缸或气缸的极限转速的制约。 1 2 国内外夹具现状 目前国内外车床通常采用的夹具：杠杆式卡盘、机械增力卡盘、采用反卡爪 离心力重块的卡盘、端面驱动顶尖等。 1 2 1 杠杆式卡盘 图1 1 是常规的杠杆式卡盘的结构图，图1 - 2 是一种普通的5 杠杆式液压 卡盘的一个卡爪的动态夹紧力曲线图( f d - n 图) 。由图中可明显地看到其动态夹紧 力随主轴转速提高而锐减：当主轴转速增大时，卡爪的央紧力迅速减小，而离心 力增大；当两曲线相交时，夹紧力与离心力抵消，卡盘失效。所以只有转速在临 界转速1 1 d 以下，卡爪才能正常央紧工件。 图1 一l 所示的普通杠杆式卡盘的额定转速一般在2 0 0 0 r m i n 以内，高速杠杆式 卡盘的额定转速一般在3 0 0 0 d i n i n 左右! 。 山东大学硕士论文 图1 1 普通杠杆式卡盘结构图 拉秆2 一套3 一杠杆4 滑块5 爪 图1 2 普通5 0 0 杠杆式液压卡盘单个卡爪的f d n 刚 1 2 2 机械增力卡盘 将主轴尾部安装的液压缸的拉力经机械增力机构放大后，再作用于卡盘的卡 爪，可显著提高其静态夹紧力，自然也就相对提高了动态夹紧力。目前，常见的 机械增力液压卡盘主要有斜楔增力和斜齿条增力两大类【6 ，- 1 。 常见的斜楔增力式卡盘的结构如图1 3 所示。主轴尾部的液压缸通过拉杆l 施加作用力，该作用力经斜楔2 放大后，带动卡爪座3 及卡爪作径向运动，从而 夹紧工件。在液压缸拉力定的条件下，制楔2 的斜角。越小，则卡盘的夹紧力 越大，但卡爪的行程则相应减小。斜楔增力式卡盘的额定转速一般在4 0 0 0 r m i n 左右。 ? 凡 o 山东大学硕士论文 2 1 图1 - 3 斜禊增力式卡盘结构图 1 拉杆2 一斜楔3 一卡爪 图1 - 4 是采用斜齿条增力的卡盘的原理图。主轴尾部的液压缸的作用力通过 一定能够机构传递给斜齿条，使其在卡盘盘体的切向槽内运动；斜齿条的斜齿与 卡爪背面的斜齿啮合，驱使卡爪做径向移动，从而夹紧或松开工件。同样，剁角 。越小，卡盘的夹紧力越大，卡爪的行程相应减小。斜齿条增力式卡盘的额定转 速一般在5 0 0 0 r m i n 左右。 3 2 圈1 4 斜齿条增力p 盘原理l 到 1 鼎体2 - f 爪3 一齿条 采用加大静态夹紧力的方式来提高动态夹紧力，以使卡盘的额定转速得到一 定提高，并不是一种理想的解决问题的方法。因为卡盘的动态夹紧力难以精确控 制，难免出现过大或过小的情况，这对加工过程是非常不利的；对某些刚性较差 山东大学硕士论文 的工件的加工，甚至是不允许的。为此，前人已尝试其它增力方式8 - 1 2 1 。 1 2 _ 3 采用反卡爪离心力重块的卡盘 为了平衡或抵消卡爪离心力对其动态夹紧力的影响，2 0 世纪8 0 年代以后， 工程界研究出了多种采用反卡爪离心力重块的卡盘。图1 5 是带一种反卡爪离心 力重块的杠杆式卡盘，图1 - 6 是两种带反卡爪离心力重块的斜楔增力式卡盘 【1 2 1 4 】 2 图1 5 带反卡爪离心力重块的杠杆式卡盘 1 重块2 卡盘座3 支撑板4 - 销 反卡爪离心力重块产生的离心力通过杠杆传递到卡爪上的作用力，可能会略 大于或略小于卡爪自身产生的离心力。因此，图l 一5 、图1 - 6 所示卡盘的动态夹紧 力，也会略大于或略小于其静态夹紧力。 带反卡爪离心力重块的卡盘的额定转速，可达6 0 0 0 d m i n 。如果能做到反卡爪 离心力重块产生的离心力陋”】通过杠杆传递到卡爪上的作用力，与卡爪自身产生 的离心力恰好平衡，则这种卡盘的最高转速在理论上就仅受其构件的强度和刚度 的制约：但要做到这一点却是极为困难的。假定能做到这一点的话，则机床主轴 转速的提高，就转化为受安装在其后面的液压缸极限转速的制约，因为日前一般 数控车床的卡盘都是采用液压传动的。 4 山东大学硕士论文 234) 幽1 6 带反卡爪离心力重块的斜楔增力式。 徽 1 一套2 一增力机构3 夹具体4 斜楔5 - k 盘 1 2 4 装夹轴类零件的端面驱动顶尖 数控车床的主要加工对象是轴类和盘套类零件。对于轴类零件的车削加工来 说，如桑采用一夹一顶的装夹方式，则必须掉头装夹才能完成全部外表面的加工， 这就显著增加了装夹辅助时间。为此，工程界研究出了能在一次装夹条件下完成 轴类零件全部外表面加工的端面驱动技术1 6 - 18 ) 。 图1 7 是一种端面驱动顶尖的结构简图。当工件8 在前后两顶尖上定位，并 在尾座顶紧力的作用下克服弹簧l 的推力而向左运动时，三只拨爪7 的右端刃口 便与工件的左端面相接触，继而微量嵌入其内，机床主轴运转后便驱动工件旋转， 并在切削加工丌始后抵抗由切削力引起的转矩。由于球面垫圈5 与锥面座4 之间 的浮动作用，三只拨爪7 能对自身长度尺寸的误差和工件端面的位置误差进行一 定范围内的补偿，使每只拨爪对工件端面的作用力保持一致。 国外在此方丽已有所探讨o t 9 - 2 2 。图1 8 是反求出来的美国某公司生产的端面 驱动顶尖的结构原理图。顶尖体l 与套4 同定联结，拨瓜5 的轴向浮动依赖于其 左端公共腔内的柔性介质3 1 2 3 - 2 4 】。显而易见，这种端面驱动顶尖对拨爪长度尺寸 误差和工件端面位置误差的补偿能力显著高于图1 7 所示端面驱动项尖，而且拨 山东大学硕士论文 爪的数量也不局艰于3 只。 图l - 7 球面浮动端面驱动顶尖 一弹簧2 - 夹具3 顶尖4 锥面座5 球面垫圈6 拨爪座 一f ! l ， j 厂。 123456 幽1 - 8 柔性介质浮动端面驱动顶尖 i - 夹具2 顶尖3 柔性介质4 拨爪座5 拨爪6 - 工件 图l 一9 是德国某公司的可换拨盘式端面驱动顶尖( 国内己有仿制产品) ，其转 矩由活塞5 端部的扁头插入拨盘1 左部的槽2 内进行传递。活塞5 有三只，其左 部的液压油腔是相通的，所以允许其轴向有一定浮动量。更换不同规格的拨l ， 可适应不同直径尺寸零件的装夹。 图1 - 9 所示的可换拨盘式端面驱动顶尖，尽管对工件直径有较大范围的装夹 适应能力，但它对工件端面的何置度要求较高( 说明书要求工件端面对两中心孔 轴线的垂直度不大于5 。) 。f - t 夕t - ，由于多处部位制造精度要求很高，导致这种央 具t t $ 1 造成本居高不下。所以，这种端面驱动顶尖在实际生产中的推广应用并不 王甲想。 6 山东大学硕十论文 图1 9 可换拨盘式端面驱动顶尖 拨盘2 一槽3 一顶尖4 一扃头5 一活塞6 一项尖体 13 课题研究意义 数控车床夹具既具有较高技术附加值的产品，也具有一定高级劳动密集度的 产品。因为数控车床夹具不仅制造精度要求很高，而且其测量、装配及调试也难 以实现机械化。所以，工业发达国家数控车床夹具的价格非常昂贵。如果今后我 国拥有高速数控车床的企业所使用的夹具完全依赖进口，无疑是一种长期的较为 沉重的经济负担。因为夹具的损坏速度较快，而且一台数控车床往往需要多种不 同型式及规格的夹具。 随着高速数控车床数量的快速增加，夹具技术滞后的负面影响将同渐突显， 如果不抓紧开展高速数控车床夹具技术的创新与研究开发工作，并尽快向产业化 过度，我国机械制造业极有可能在这一市场潜力极大的新兴夹具领域找不到立足 之地。 数控车床夹具技术的创新既是机械制造业工艺创新的重要组成部分，又是一 种产品创新，因其能派生出多种高附加值的数控车床通用夹具 2 5 - 2 8 。这些通用夹 具既可与主机即数控车床配套，又能以独立产品方式在国内外机床附件市场上销 售。因此，创新出适应高速数控车床的夹具技术，不仅能使高速数控车床的能力 及效率得到充分发挥，从而促进机械制造工艺水平的提高，而且能使丌发与生产 单位获得较好的经济效益。 1 4 论文主要内容 本沦文通过大量的理论分析、思维创新，在对该类研究前沿分析的基础上 7 、趣 、 一 山东大学硕士论文 创新并研究出装夹轴类零件的离心式端面驱动顶尖及尾座力顶紧拨爪座可换位的 端面驱动顶尖，并开发出装夹轴类零件和盘套类零件的离心式卡盘及离心式夹具， 对机床夹具中的浮动介质进行综合性研究。 本章小结 本章对国内外夹具现状进行了全面了解与研究，比较了国内外现有夹具与前 沿兴具，特别是对端面驱动夹具进行了较为详细的探讨，提出了对于数控车床主 轴转速的日趋走高，机床夹具面临着两个方面的严重挑战，一是常用的杠杆类卡 盘的动态夹紧力随主轴转速提高而锐减，二是机床主轴转速的提高要受安装在其 上面的液压缸或气缸的极限转速制约。针对这两个方面的问题，提出了创新设计 新型夹具的可能性与必要性，为后续的创新设计奠定了基础，提供了理论依据 【2 9 一30 1 8 山东大学硕士论文 第2 章新型端面驱动夹具的创新设计 无论是轴类零件还是盘套类零件，当机床的主轴转速超过一定限度后，安装 于主轴后端的液压缸的极限转速将成为制约切削速度进一步提高的主要因素。因 此，在动态下采用端面驱动技术便成为高速车床夹具极为重要的发展方向之一。 2 1 尾座力顶紧式端面驱动顶尖 对于尾座力顶紧式端面驱动顶尖 介质的端面驱动顶尖为基础进行改进 围的适应能力。 2 1 1 结构与工作原理 本文研究是以图1 - 8 所示的采用柔性浮动 使其拨爪便于更换，且提高对工件直径范 图2 - 1 柔性介质浮动拨爪座可换位端面驱动顶尖 1 项尖体2 堵头3 圆螺母4 导向元4 - 1 = 5 - 碟簧6 、螺钉7 一顶针8 - 外套 9 一钢球1 0 活塞11 柱塞1 2 - 螺钉13 - 紧定螺钉1 4 一拨爪1 5 - 油杯 如图2 - 1 所示，该图是所研制的柔性介质浮动拨爪座可换位端面驱动顶尖的 结构图。该夹具设计有三个拨爪1 4 ，沿圆周均匀分布，拨爪安装在偏心的拨爪座 11 内，当拨爪磨损钝化后，可以很方便地取出修磨；拨爪座1 1 安装在顶尖体l 内，并由螺钉1 2 限制其转动，当拨爪座1 l 较图示位嚣转位1 8 0 。后，拨爪1 4 将 处于一个较大直径的分布圆周上，从而适应较大直径工件的装夹。在活塞1 2 的左 腔中充填着柔性介质，并且三个活塞的左腔是相通的，柔性介质起着浮动作用， 9 山东大学硕士论文 可对拨爪自身长度尺寸的误差和工件端面的位置误差进行一定范围内的补偿。使 每只拨爪对工件端面的作用力保持一致。 工作时，顶尖的锥柄安装于机床主轴锥孔内，工件在前后两顶尖上定位。当 在尾座顶紧力的作用下克服碟簧5 的推力向左运动时，三只拨1 4 的右端刃i z i 便与 工件的左端面相接触，继而微量嵌入其内，机床主轴运转后便驱动工件旋转，并 在切削加工开始后抵抗由切削力引起的转矩。 2 1 2 驱动力分析计算 如图2 1 、图2 2 所示，是尾座力顶紧式端面驱动顶尖， 该尾座顶紧力f 【】 与主切削力f ：、主切削力f z 对工件的作用半径r w k 、拨爪中，f i , 线分布圆周之半 径r 。r 及驱动能力系数c 有关，当主切削力及主切削力f z 对工件的作用半径增大 时，尾座顶紧力也要相应增大：当拨爪中心线分布圆周之半径较小时，尾座顶紧 力也要相应增大。在进行车削时所需要的尾座顶紧力可用下式计算 即k ( 警吲0 q ) ( 2 - 1 ) 式中，k 一安全系数； 兄一主切削力( n ) ； 月、。厂一主切削力兄对工件的作用半径( m ) ： c 一与拨爪锋利程度及工件端面硬度有关的驱动能力系数( 无量纲量) ： 如一拨爪中心线分布圆周之半径( m ) ； e 一端面驱动顶尖内弹簧的作用力( n ) ； 足一走刀抗力( n ) 。 在上述参数中，特别指出的是的是与拨爪锋利程度及工件端面硬度有关的驱 动能力系数c 难以确定，因其需要做大量的切削实验才能得出。限于时间及条件， 未能全面、系统地进行这方面的实验研究。 2 1 3 结构特点与创新点 ( 1 ) 与传统夹具相比，当机床的主轴转速超过一定限度后，陔夹具拨爪的夹 紧力不受安装于主轴后端的液压缸的极限转速制约，其切削速度可得到进一步提 高。 1 0 山东大学硕士论文 ( 2 ) 拨爪安装在偏心的拨爪座内。拨爪磨损钝化后，可以很方便地取出修磨： 拨爪座较图示位置转位1 8 0 。后，拨爪将处于一个较大直径的分布圆周上，从而 适应较大直径工件的装夹。扩大夹具的使用范围。 ( 3 ) 由于采用了柔性浮动介质，且柔性浮动介质腔是相通的，对三只拨爪自 身长度尺寸的误差和工件端面的位置误差进行一定范围内的补偿，使每只拨爪对 工件端面的作用力保持一致。 ( 4 ) 在图2 1 所示端面驱动顶尖对工件直径的装夹适应能力，虽然j r 女h 图l - 9 所示的端面驱动顶尖强，但它对工件端面的位最度要求极低，且制造成本大幅度 下降，因此，其市场推广潜力是非常看好的。 2 1 4 一种结构简易的端面驱动顶尖 为了便于机械加工单位自行制造端面驱动顶尖使用，还给出了一种结构简易 的端面驱动顶尖，其工作原理如图2 - 2 所示。这种端面驱动顶尖的主要特点，是 未设置安全均压装置，而是利用拨爪后部橡胶柱( 或小碟形弹簧) 的弹性来实现 近似均压。 - 一j 一一! i ! l ：! !i k 图2 2 近似均压式端面驱动顶尖 1 - 调节螺钊 2 一夹具体3 - 弹簧4 - 前顶尖5 - 橡胶柱6 拨爪7 ：f ：什8 一后顶尖 2 2 离心力驱动式端面驱动顶尖 尾座力顶紧式端面驱动顶尖的优点是结构简单，但对工件进行定位的前顶尖 不是固定的而是滑动的，这就不可避免地要造成定心精度有所降低。为此，本文 提出了以离心力为央紧力来源的新型端面驱动顶尖，咀适应有更高定心精度要求 的工件装央 3 “。 山东大学硕士论文 2 2 1 适应较小直径工件的离心式端面驱动顶尖 ( 1 ) 结构与工作原理 如图2 3 所示，是适应较小直径工件装夹而提出的离心式端面驱动顶尖结构 图。该夹具设计有三个拨爪7 ，拨爪7 的左腔装入柔性介质4 ，且装有柔性浮动介 质4 的三个左腔是相通的；夹具体1 中装有三个圆柱形离，心重块5 ，可沿径向运 动，为了便于安装，离心重块中放有堵块6 ，堵块与离心重块横向孔之间为过盈 配合，或以粘接、钎焊等方式固结；三个可沿径向移动的柱塞2 ，由三个支点浮 动的杠杆3 分别与圆柱形离心重块相连，柱塞2 与拨爪7 之间充满着柔性浮动介 质。夹具与主轴通过法兰盘连接，工件9 在前顶尖8 与后项尖9 之间定位，在尾 座力的作用下，向左移动，并与三只拨爪的右刃口接触。当夹具体在车床主轴的 驱动下旋转时，圆柱形重块在离心力的作用下便沿径向甩出。该离心力通过杠杆 作用在柱塞上，迫使柱塞向轴心方向运动；柱塞进而压缩柔性介质，使柔性介质 推动拨爪向图示右方向运动：拨爪右端部的刃口便与工件的左端面接触并微量嵌 入其中，从而驱动工件与夹具体一起旋转。当开始加工时，由拨爪产生的驱动转 矩便抵抗由切削力形成的切削力矩。 12 34567891 0 lj 蚓2 。3 适应较小直径i i ：什的离心式端面驱动埃尖结构图 央具体2 一柱塞3 一杠杆4 一介质5 一离心重块6 堵块7 一拨爪8 前项尖9 一l 刑10 - 斤项尖 ( 2 ) 驱动力分析计算 通过对图2 3 所示离心式端面驱动顶尖建立力学模型并经分析后可知，如果 1 2 山东大学硕士论文 忽略传递过程中的摩擦损失，并忽略处于柱塞所在径向孔内柔性介质产生的离心 力及杠杆产生的离心力的影响，顶尖处于正常工作状态时，拨爪的驱动力与机床 转速的平方成正比，当转速增大时，拨爪的驱动力要相应增大很多；l i 是杠杆动 力臂长度，是杠杆支点到离心重块之间的距离，l 2 是杠杆阻力臂长度，是指杠杆 支点到柱塞之间的距离，当l i 增大，l 2 减少时，势必要增大拨爪的驱动力：此 外拨爪的驱动力与拨爪直径d 2 的平方成正比，与柱塞直径d l 的平方成反比，同时 还与离心重块与堵块的合成质量m t ，柱塞的质量m 2 ， 离心重块与堵块的合成 质心至夹具回转中，t l , 的距离r 1 和柱塞质心至夹具回转中心的距离r 2 有关。每只拨 爪作用在工件左端面上的力f 为 ，= ( m l _ 专一m ：t 2 筹。，( m 。- i l i - m 2 r 2 n2 筹c w ， c zz ， 式中，m ，一离心重块与堵块的合成质量( 蟾) ； m 2 一柱塞的质量( k g ) ； ，一离心重块与堵块的合成质心至夹具回转中心的距离( m ) ； ，一柱塞质心至夹具回转中心的距离( m ) ； 。一车床主轴的运转角速度( r a d s ) ： n 一车床主轴的转速( r m i n ) ； 上，一杠杆动力臂长度( m ) ； 三? 一杠杆阻力臂长度( m ) ； d ，一柱塞直径( m ) ； 出一拨爪直径( m ) 。 如图2 _ 3 所示，离心式端面驱动顶尖的驱动转矩t 除了与驱动力中的因素有 关，还与拨爪只数的多少，拨爪刃口中点至夹具回转中心的距离的大小，以及驱 动能力系数有关，当拨爪只数的越多，拨爪刃口中点至夹具回转中心的距离越大， 端面驱动顶尖的驱动转矩越大，夹具的驱动能力越强。当然这还取决于拨爪的强 度，离心重块的平衡性及机床的平稳性等。可用下式表达 丁她叭锄丢一：屹烽c 肌m ， 。， 山东大学硕士论文 i i i i ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 式中，c _ 一驱动能力系数( 无量纲量) ，其值与拨爪硬度、工作硬度、拨爪刃 口锋利程度等因素有关，需要通过实验确定； z 一拨爪只数； r 一拨爪刃口中点至夹具回转中心的距离( m ) 。 ( 1 1 结构特点与刨新点 1 ) 该夹具设计中，采用离心式杠杆增力枫构，有效地将离心力通过杠杆传递 给柱塞，实现力的放大：当主轴旋转时，离心力使柱塞移动，压缩柔性浮动介质， 推动拨爪右移，并微微嵌入工件，从而带动工件转动。 2 ) 在结构中采用了中间支点浮动式杠杆，使得离心重块可设计成圆柱形，并 可在径向孔内运动，其结构工艺性好，便于制造加工。 3 ) 将拨爪左端的浮动介质腔做成连通的，使得拨爪自身长度尺寸误差及工作 端面位置误差得以补偿，即使在较高转速下运行，会保证各离心重块的质心位于 同一圆周上，从而避免了因质量偏心不均衡而引起震动，同时保证了每一个拨爪 对工件的作用力相同。 2 2 2 带有钢球增力机构的离心式端面驱动顶尖 当工件直径较大时，不仅由切削力造成的切削力矩要相应增大，而且在同样 的切削速度下，机床的转速也要相应降低。鉴于离心重块所产生的离心力，是与 转速的平方成正比的，因此，要得到相应的驱动能力，如仍然采用图2 - 3 所示的 端 面驱动顶尖结构的话，势必要求增加离心重块的质量。显然，这样做意味着 整个夹具的体积趋向于庞大。在离心重块与拨爪之问采用钢球增力机构，能较好 地解决这一问题。 f 1 ) 结构与工作原理 如图2 - 4 所示，是采用钢球增力机构的离心式端面驱动顶尖的结构原理图。 暖兴具在夹具体中设计了三只拨爪4 ，离心重块2 安装于夹具体l 中，中间装有 锏球增力机构，夹具通过法兰盘与机床主轴连接，工件6 在前顶尖5 与后顶尖7 之川定位。当夹具体在车床主轴的驱动下旋转时，夹具体内的数只可径向运动的 圆柱形离心重块，在离心、力的作用下便沿径向甩出。该离心力通过钢球增力机构 放大后，作用在拨爪上；使拨爪向图示右方向运动，并使拨爪刃i - i 微量嵌入工件 1 4 山东大学硕士论文 左端面，驱动工件与夹具体一起旋转，并在切削时抵抗切削力产生的转矩。 7 图2 - 4 带有钢球增力机构的离心式端面驱动顶尖 夹具体2 一离心重块3 一钢球4 拨爪5 一前顶尖6 - _ - o h | = 7 一后项尖 ( 2 ) 驱动力分析计算 如果忽略力传递过程中的摩擦损失及中间钢球离心力的影响，图2 - 4 所示离 心式端面驱动顶尖中，每只拨爪作用在工件左端面上的力f 与主轴的转速成正比， 与离心重块的质量川，离心重块的质心至夹具回转中心的距离，成正比，与压力 角( 如图2 4 所示) 成反比。当主轴转速增大时，所需拨爪力会明显增大；同时 离心重块的质量增大，会增大拨爪的驱动能力，而压力角的减小，也会增加拨爪 对端面的作用力。则每只拨爪作用在工件左端面上的力f 为 f ：一竺生。旦：塑! 鱼1( 2 4 ) 2 t a n 口t a n 口 、7 1 式中， t 一离心重块的质量( 蝇) ； ，一离心重块的质，t l , 至兴具回转中心的距离( m ) ： 口一压力角( t a d 或”) ，如图所示。 如幽13 所示，离心式端面驱动顶尖的驱动转矩t ，与拨爪的个数有关，与 拨爪刃口i + l 点至夹具回转中心的距离r 有关，当拨爪的个数增加时，其驱动能力 增强，当拨爪刃1 2 1 中点至夹具回转中心i i i i 离增大时，驱动转矩也会增犬。离心 式端面驱动顶尖的驱动转矩t ，可用f i 式表达 1s 山东大学硕= i 论文 t 。旦：唑婴! 生f 。1 ( 2 - - 5 ) t a n 口 式中，o 一驱动能力系数( 无量纲量) ，其值与拨爪硬度、工作硬度、拨爪刃 口锋利程度等因素有关，需要通过实验确定： z 一拨爪只数； r 一拨爪刃口中点至夹具回转中心的距离( m ) 。 ( 3 ) 结构特点与创新点 图2 3 、图2 - 4 所示的离心式端面驱动项尖具有以下优点： i ) 由于采用刚性前项尖，从而保证了定心精度；而端面式驱动使得工件可在 一次性装夹中完成整个切削过程，不需要调头装夹，提高了工件相关表面之间的 位置精度。 2 ) 离心重块为圆柱体，使得整个夹具的制造工艺性显著好于采用摆动式重块 的离心式端面驱动顶尖。 3 ) 在夹具结构中采用钢球增力机构实现力的变向、放大传递，结构简单紧凑。 2 _ 2 3 拨爪座可换位的离心式端面驱动顶尖 为了适应一定直径尺寸范围内工件的装夹，仿照图2 1 所示拔爪座可换位端 面驱动顶尖的原理，本课题研发出了一种拨爪座可换位的离心示端面驱动顶尖。 其结构如图2 5 所示。 ( 1 ) 结构与工作原理 如图2 5 所示，是种离心式端面驱动顶尖。为了适应一定尺寸范围内工件 的装夹，在夹具体1 内装有可换位拨爪座1 0 ，拨爪座中偏心装入拨爪】1 ，拨爪 1 l 由螺钉7 固定，拨爪座l o 由销4 限制其转动，挡块5 与压簧6 起复位作用； 夹具体1 与机床主轴或法兰盘联结，离心重块1 3 的端部铣扁；工件在前顶尖1 2 与后顶尖之间定位，整个夹具随机床主轴运转起来以后，由于离心重块的密度大 于浮动介质2 的密度，因此就能在密度差动作用下沿径向甩出，从而压缩浮动介 质2 ，使其向夹具体中心方向流动，进而推动拨爪座l o 向右运动，使拨爪1 0 的 刃v 1 微量嵌入工件端面内，驱动工件旋转。加工过程完毕，机床主轴停u ：运转后， 在弹簧6 及堵块5 的作用下，销4 带动拨爪座1 0 连同拨爪1 1 一起向片退回，离 心重块1 3 也在柔性介质的压力作用下向中心方向复位。 1 6 【jj 东大学硕士论文 图2 - 5 拨爪座可换位离心式端面驱动琐失 1 夹具体2 钢球3 套4 销5 一挡块6 一压簧7 一螺钌 8 一螺钉9 前盖1 0 柱塞1 1 拨爪1 2 一顶针1 3 一离 ( 2 ) 结构特点与创新点 1 1 该夹具在设计中采用了图2 1 所示的可换位端面驱动顶尖，使央具可在一 定尺寸范围内进行装夹，大大提高了夹具使用范围。 2 ) 采用离心重块式增力机构，当主轴转速提高时，其加紧力会随之增大，无 须使用液压缸或气缸，避免了受其极限转速的制约； 3 ) 采用了自动回位装置，当主轴停止转动时，拨爪在挡块与压簧的作用下自 动使拨爪恢复初始位置。 4 ) 采用了柔性浮动介质，使拨爪自身的长度尺寸误差及工件端面位置误差得 以补偿，保证了各拨爪对工件端面的作用力一致。 5 、在结构设计中选择离心重块增力，而没有采用杠打式增力，使得该端面驱 动顶尖在轴向尺寸上较为紧凑。 由于该兴具结构工艺性较差，且试验用样机在结构设训及制造精度方面存在 17 山东大学硕j ：论文 一定问题，造成这种夹具在实验过程中未达到预期的效果，这有待于在以后的工 作中予以改进。对于该端面驱动顶尖的力学计算问题，因涉及到的参数过多，故 此处从略。 2 ，3 其它端面驱动夹具 对于只有一端有中心孔的轴类零件，及某些盘套类零件，在条件许可时也可 采用端面驱动技术。 2 3 1 装夹一端有中心子l 的轴类零件的端面驱动夹具 如图2 - 6 所示，是一种装夹只有一端有中心孔的轴类零件的端面驱动夹具。 该夹具需要以工件上已经加工过的外圆柱面作为定位基准插入定位套2 的内孔 中，工件在尾座力的作用下向左运动时，起驱动作用的多只拨爪3 在其左部公共 腔内的柔性介质的作用下( 结构上未表示出) ，对工件的左端面实行均匀压紧，并 在机床主轴运转起来之后带动工件旋转。不难看出，这种夹具的主要缺点是无法 在一次装夹过程中实现对工件所有外表面的加工；其主要优点是较传统的卡盘类 及鸡心夹头类夹具使用方便，能减少装夹辅助时间。 图2 - 6 装夹一端有中屯、孔轴类零件的端面驱动 i 夹具体2 拨爪座3 一拨爪4 - 工件 2 ，3 2 装夹盘套类零件使用的端面驱动夹具 对某些盘套类零件，有时也可使用端面驱动技术。如图2 7 所示，就是一种 以精加工过的内孔作为定位基准的装央盘类零件的端面驱动央具。工件4 以较小 间隙在心轴2 上定位后，尾座力通过一定的装置作用在工件右端面上，使其向左 运动，起驱动作用的多只拨爪3 在其左部公共腔内的柔性介质的作用下( 结构上 1 8 一 一 一 l ：卜广生：， 山东大等硕士论文 未予示出) ，对工件的左端面是均匀压紧，并在机床主轴运转起来之后带动工件旋 转。图2 7 所示夹具的优点除了能适应高速切削外，就是装夹较为方便。但这 夹具也具有不可讳言的缺点，就是无法对工件的左右两个端面进行完全加工；此 外，由于压力的作用，加工完毕后拨爪3 的刃口将在1 1 4 ：端面上留下压痕。 ? 34 幽2 7 装夹盘套类零件的端面驱动夹具 1 一夹具体2 - , b 轴3 - 拨爪, 4 - y ? l 2 4 夹具用柔性浮动介质的分析与选择 在以上创新出的多种夹具的力传递过程中，均采用了柔性浮动介质，起到缓 冲均压作用，为此，本文对柔性浮动介质进行了专门的研究。 2 4 1 机床夹具对柔性浮动介质的性能要求 机床夹具对柔性浮动介质的性能要求是： ( 1 ) 自身成本低； ( 2 ) 许用工作压力高i ( 3 ) 流动性能好； ( 4 ) 密封成本低； ( 5 ) 抗老化、氧化性能好； ( 6 ) 注入、更换工艺简便，辅助装置成本低； ( 7 ) 相态转变温度适中； ( 8 ) 对温度敏感性低； ( 9 ) 不腐蚀金属，不污染环境，不损伤与其接触的央具的内表面。 1 9 山东大学硕士论文 2 4 2 柔性浮动介质的分类及性能特点 根据浮动介质在常温常态下的外观形态，可将其分为固态球体状、胶体状、 膏体状几夜体状四大类。 ( 1 1 固态球体状浮动介质 目前最常用的固态球体状浮动介质是小直径钢球。其主要优点是许用工作压 力高，流动性较好，注入操作极为简便，不需要密封装置，没有老化之虞：主要 缺点是成品钢球价格较高，比重较大，无法充填至空间很狭隘的区域。 利用钢球厂精度超差的报废钢球或在喷丸设备中工作过一定时间自然形成球 状的废旧钢质弹丸作浮动介质，可非常显著的降低成本。 ( 2 ) 胶状体浮动介质 呈胶状体的浮动介质主要是指液性塑料，它可以说是目前在夹具中应用最为 广泛的浮动介质。 液性塑料相对于其他浮动介质的最大优势是其在工程中的应用较为成熟。此 外，其相态转变温度较为适中( 1 5 0o c 以内) ，密封装置的成本较低。 液性塑料的主要缺点是配置及注入工艺较为繁杂，需要用一些辅助器具具， 所以综合经济性较差。此外，液性塑料存在令人棘手的老化及低温硬化问题。一 旦老化后夹具便无法使用，清理又为困难；而塑料硬化则会影响力的均匀传递， 使夹具的夹紧可靠性降低。 ( 3 ) 膏体状浮动介质 适于在夹具中使用的膏体状浮动介质主要是凡士林及其他种类的润滑脂。 j 、l 士林是石蜡及重油的混合物。工业凡士林外观呈淡褐色至深褐色，滴点不 低于5 4 。0 。凡士林的突出优点是价廉易得：相态转变温度距室温较近，注入较方 便；其流动性比液性塑料好，传动效率较高；许用工作压力高( 使用皮碗的密封 压力可达6 0 m p a 以上) ：化学性能较稳定。此外，凡士林本身就是一种润渭剂， 对央具的有关表面有防止锈蚀、延长寿命的作用。 凡士林的主要缺点是对切削热的影响比较敏感，许用工作温度低。因：i ：作温 度高于其滴点后不仅容易发生渗漏，而且会因体积膨胀使夹具的相关元件产生附 加变形。这一点对薄壁工件尤其不利。 作为夹具中的浮动介质使用时，其它润滑脂的性能特点基本与凡士林相同， 2 0 山东人学倾：e 论文 主要不同之处在于滴点有差异。当介质工作温度较高，使用，、l 士林不能满足要求， 可用滴点较高的润滑脂来代替。如钙基润滑脂的滴点为8 0 一9 5 。c ，钠基为1 6 0 。 c ，锂基为1 7 0 1 8 0 。c ，轴承用润滑脂某些品种的滴点可达3 0 0 。c 以上。但滴点 较高的润滑腊一般情况下价格相对较高，且注入前的加热等费用也要相应提高。 ( 4 ) 液体状浮动介质 除了要求极为特殊( 如不可燃) 的场合外，机床夹具中的液体状浮动介质可采用 粘度较高的石油基液压油，如l h m 系列抗磨液压油等。 液体状浮动介质的突出优点是流动性能极好，能充填到空间极狭窄的区域， 价廉易得，注入工艺简单，允许的工作压力范围较大( 由密封条件决定) 。主要缺 点是密封装置成本较高，容易渗漏并在一定范围内造成环境污染。 液压油的许用最高工作温度由其抗氧化性能所决定。一般情况下温度每提高 1 0 。c ，其氧化速度就加快一倍。对l _ m 系列抗磨液压油，最高工作温度建议 控制在6 5 。c 以内。 2 4 3 柔性浮动介质的性能比较与选择 为了区别主要浮动介质的性能，我们将其技术经济指标项目作了较细致的分 解，并将各种浮动介质的性能进行综合归纳评价，从而得出性能比较表( 如表2 - 1 所示) 。 表2 一l柔性浮动介质性能比较表 浮动介质材料 材料性能项目 成品钢球废旧钢丸液性塑料凡士林液压油 材料自身成本差理想一股理想理想 流动性能一般较著差较差理想 密封成本理想理想 较差较差 差 抗老化、氧化性能理想理想差一般较差 温度变化适应性 理想 理想较羞蒡较差 注入、更换方便性理想理