三爪卡盘的设计及应力分析

三爪卡盘的结构设计及应力分析小组成员：

XXXX,XXX,XXX研究背景

随着工业现代化的发展，车床已经遍布各个工业领域。而作为车床的核心部件之一的卡盘，是我们值得研究的部分。

“卡盘”是机床上用来夹紧工件的机械装置。通常安装在车床、外圆磨床和内圆磨床上使用，也可与各种分度装置配合，用于铣床和钻床上。从卡盘爪数上面可以分为：两爪卡盘，三爪卡盘，四爪卡盘，六爪卡盘和特殊卡盘。从使用动力上可以分为：手动卡盘，气动卡盘，液压卡盘，电动卡盘和机械卡盘。我们这里主要研究普遍常用的三爪卡盘：三爪卡盘是机床上用来夹紧工件的机械装置。利用均布在卡盘体上的活动卡爪的径向移动，把工件夹紧和定位的机床附件。由爪盘体、小锥齿轮、大锥齿轮（另一端是平面螺纹）和三个卡爪组成。三个卡爪上有与平面螺纹相同螺牙与之配合，三个卡爪在爪盘体中的导槽中呈120°均布。爪盘体的锥孔与车床主轴前端的外锥面配合，起对中作用，通过键来传递扭矩，最后用螺母将卡盘体锁紧在主轴上。

国内外研究现状

随着现代切削加工技术向高效率、高精度、高安全性以及柔性加工方向发展，对机床及其夹紧装置提出了高转速、高精度、高可靠性和柔性化的要求。在机床中，卡盘是最常用的工件夹紧装置，一般由卡盘体、活动卡爪和卡爪驱动机构组成，卡爪驱动机构驱动均布在卡盘体上的活动卡爪径向移动，将工件夹紧和定位在机床主轴上。它是机床主轴和工件之间的连接部件，机床主轴的转速、扭矩和旋转精度通过卡盘传递给工件。

为了适应切削加工技术高速化发展的需求，国内外各大机床产商对卡盘进行了多方面的研究和改进，取得了许多研究成果，拥有了核心产业化技术，并形成了知识产权体系。1.传统手动三爪卡盘

手动三爪卡盘由卡盘体、活动卡爪和卡爪、驱动机构组成。三爪卡盘上三个卡爪导向部分的下面，有螺纹与碟形伞齿轮背面的平面螺纹相啮合，当用扳手通过四方孔转动小伞齿轮时，碟形齿轮转动，背面的平面螺纹同时带动三个卡爪向中心靠近或退出，用以夹紧不同直径的工件。用在三个卡爪上换上三个反爪，用来安装直径较大的工件。三爪卡盘的自行对中精确度为0.05-0.15mm。

三爪自定心卡盘利用三个螺钉，通过盘体止口端面上的螺孔，将卡盘紧固在机床法兰上。将扳手插入任一齿轮方孔中，转动扳手时，小齿轮带动盘丝转动，通过盘丝端面螺纹的转动，带动三块卡爪同时趋进或离散。常见三爪卡盘种类2.液压卡盘

液压卡盘使人能有更多的精力和时间来解决机床以外的复杂问题，更能进一步发展卡盘机床和卡盘系统。数控系统的开发创新，对于机床液压卡盘起到了极其重大的作用。它能够收容大量信息，对各种信息进行储存、分析、处理、判断、调节、优化、控制。

液压卡盘还具有重要功能，如：工夹具数据库、对话型编程、刀具路径检验、工序加工时间分析、开工时间状况解析、实际加工负荷监视、加工导航、调节、优化，以及适应控制。3.电动卡盘

电动卡盘是一个相当重要的配件，它主要用于对工件的夹紧，它是一套设备与一个工件之间的连接点。而随着时代的发展，刀具的质量不断的提高，机床转速也已经逐渐进入了高速的行列，特别是十二五时期，转变经济增长方式这一主基调的确定，与之相关的核心生产技术应用与研发必将成为业内企业关注的焦点。

而在数控机床中，动力卡盘是一个相当重要的配件，它主要用于对工件的夹紧，它是一套设备与一个工件之间的连接点。而随着时代的发展，刀具的质量不断的提高，机床转速也已经逐渐进入了高速的行列，面对这一切，动力卡盘也面临着越来越严峻的挑战，只有提高自己的质量，才可以适应或者满足整个市场的需求。4.气动三爪卡盘气动二爪卜盘是l打标准三爪卡盘改装的。其工作原理如下:压缩空气、活塞、推杆)法兰一齿条)齿轮(四方连接)小伞齿、大锥齿、卡脚法兰上装有齿条一根、光杆二根、成三等分布置,齿条用来传动齿轮,光杆作导向之用。1.卡盘领域全球专利申请状况

本文中的专利申请数据截至2014年4月，全球专利申请的检索在世界专利索引数据库（WPI数据库）中进行，国内专利申请的检索在中国专利数据检索系统（CPRS数据库）中进行。根据全球专利申请量，可将卡盘领域全球专利发展过程分为四个阶段：1975年之前的起步发展阶段、1975-1989年的第一增长阶段,1990-1999年的回落阶段、2000-2014年的第二增长阶段。2.卡盘领域中国专利申请状况

截至2014年4月卡盘领域中国专利申请总量为2969项，其中发明为仅1086项，占总量的37%，而实用新型为1883项，占总量的63%。可见，在国家政府的宣传和扶持下，虽然有了一定的专利申请量，但主要以实用新型申请为主，发明申请所占比例较小，申请质量有待进一步的提高。申请专利情况3.最新专利申请

德国雄克（SCHUNK）公司的专利申请EP1844886A1公开了一种用于夹紧工具的夹紧装置，包括基体，在基体中设置有容纳工具柄的中心容纳部以及围绕容纳部的环形空间，该环形空间向安装有工具的一侧的端面打开，并通过盖子封闭，盖子被置入并被夹紧在环形空间中；盖子紧挨工具柄的一侧内壁有环槽，环槽中有密封环，且环槽与液体输送通道相连，液体通过液体输送通道输送给环槽，并向内挤压密封环，使密封环紧贴在工具柄的周围，以此能有效密封盖子和工具柄之间的缝隙，抵御碎屑等杂物的进入环形空间，还能有效地阻止液体从缝隙泄露。当需要更换工具时，液压减小，密封环由于弹性恢复力而回复到其起始位置，密封环的内直径大于工具的柄直径，因此工具柄置入容纳部中时不会损伤密封环。该申请的卡盘通过液压和密封环共同作用有效地密封了卡盘缝隙，使卡盘在使用过程中保持高精度性能。设计研究内容

三爪卡盘主要有手动、气动、液动、电动等类型，这里主要针对手动三爪卡盘的结构组成，对其进行建模设计及应力分析。三爪卡盘实物图三爪卡盘组成零件（拆开）

（1）基本结构:

三爪卡盘由卡盘体、卡盘爪、转盘、以及驱动机构组成。三爪卡盘上三个卡盘爪导向部分的下面，有螺纹与碟形伞齿轮背面的平面螺纹相啮合，当用扳手通过四方孔转动小伞齿轮时，碟形齿轮转动，背面的平面螺纹同时带动三个卡爪向中心靠近或退出，用以夹紧不同直径的工件。用在三个卡爪上换上三个反爪，用来安装直径较大的工件。

（2）工作原理：

三爪自定心卡盘利用三个螺钉，通过盘体止口端面上的螺孔，将卡盘紧固在机床法兰上。将扳手插入任一齿轮方孔中，转动扳手时，小齿轮带动盘丝转动，通过盘丝端面螺纹的转动，带动三块卡爪同时趋进或离散。1.三爪卡盘的结构组成和工作原理2.三爪卡盘的性能优缺点优点：

（1）利用三爪卡盘进行加工夹紧时，能实现快速的定位，对精度要求不高工件进行快速加工；

（2）使用细牙螺钉对三爪卡盘的移动副进行限位并紧固，使加工时工件具有很强的自锁性，防止位移产生误差；

（3）三爪卡盘具有很好的密封性，加工时能有效防止碎屑进入卡盘的移动副，避免影响工作。缺点：

（1）在使用三爪卡盘装夹工件时，前端不受力，只是后端受力，使工件装夹不稳加工困难。造成卡盘前端磨损严重，后端磨损较轻；

（2）定心误差变大，在进行工件装夹后径向圆跳动明显，容易产生位移现象，难以达到加工精度的要求，从而造成返工现象，极大降低加工的工作效率。

另外，三爪卡盘对可加工的工件种类有限，主要进行棒类，盘套，六角棱形等类的加工，对于方形等工件的加工不易进行。而且对于工件的尺寸也有一定的限制。三爪卡盘实体建模一、绘制零件

1.卡盘基座卡盘基座2.卡盘爪卡盘爪3.转盘转盘4.加力螺钉5.加力杆6.后盖二、实体装配

插入各零件、打开坐标轴进行配合，最终效果图，如下图所示。1.装配体内部结构（拆了后盖）2.装配体外部结构装配体外部结构三爪卡盘