设计报告-三爪卡盘结构设计及应力分析

2/19设计报告课程名称：计算机辅助总体设计与概念设计题目名称：三爪卡盘的结构设计与应力分析学校：xx理工大学学院：机电工程学院班级：xxxx班姓名：xxxxx指导教师：xxx提交日期：年月日指导老师签名：年月日目录全套设计图纸加V信153893706或扣3346389411摘要……………………（3）关键词………………（3）一、国内外研究现状………………（4）二、国内外技术差距……………（4）三、专利申请情况………………（5）四、常见三爪卡盘…………（7）五、设计研究内容…………（9）六、三爪卡盘实体建模……………………（11）七、三爪卡盘应力分析（卡盘爪）……………（15）八、总结………………（17）九、参考文献………………（18）十、任务分配……………………（18）

摘要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。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。从结构上面还可以分为：中空型和中实型。三爪卡盘：用伏打扳手旋转锥齿轮，锥齿轮带动平面矩形螺纹，然后带动三爪向心运动，因为平面矩形螺纹的螺距相等，所以三爪运动距离相等，有自动定心的作用。三爪卡盘是由一个大锥齿轮，三个小锥齿轮，三个卡爪组成。三个小锥齿轮和大锥齿轮啮合，大锥齿轮的背面有平面螺纹结构，三个卡爪等分安装在平面螺纹上。当用扳手扳动小锥齿轮时，大锥齿轮便转动，它背面的平面螺纹就使三个卡爪同时向中心靠近或退出。SolidWorks是目前广泛应用的通用计算机辅助设计软件，其参数化设计、装配模拟、干涉检验和有限元分析等功能，为计算机辅助夹具设计提供了强有力的技术支持，可实现夹具管理、工艺分析与设计、夹具结构设计及夹具装配全过程一体化.SolidWorks提供了基于三维模型的强大设计工具，可以完成设计过程中的许多工作.其中，COSMOSMotion可以模拟夹具装配体的机械运作以及它们产生的作用力.通过确定各种相关因素(如能量消耗、运动零件之间的干涉)，判断设计方案是否会失效，零件将在何时断裂，以及它们是否存在安全隐患.COSMOSWorks可进行应力和变形分析等研究，识别薄弱区域，为夹具结构优化提供数据;也可以通过去除多余的材料，或尽可能减少物理原型机的需求，节省资金和时间、增加设计方案可信度和降低产品研发成本。关键词：三爪卡盘、结构设计、三维建模、应力分析正文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。国内外技术差距随着技术的不断发展和不断的提高，国产的机床附件为主机的配套率显著的提高。我们的动力卡盘不仅规格全、多品种以及功能可靠性好，但是还更需要创新开发研制，而且也应及时了解使用中发生的问题，为不断改进设计提供可靠的经验。数控机床卡盘的长时间的发展，现在越来越多的新产品研发出来，大大的满足了市场上各种机械设备的需要，为用户提供了可靠的机械设备。由于我国整体的工业水平的关系，我们机床工业的发展与国外的先进国家相比来看，还是存在着一定的差距。作为数控机床主要附件之一的动力卡盘，它的设计与制造也存在同样的情况，长期以来数控机床卡盘的生产企业通常是作为机床厂的配套厂家。由于我们机床的技术水平关系，一定程度上抑制了动力卡盘的技术水平的再提高。但我们的技术会越来越成熟，越来越完美。制造工艺方面，国内外的差别主要表现在设备上，发达国家的加工设备多为数控机床!加工中心等，而国内多为普通设备，即使有少量的数控机床和加工中心，大多数精度也不高,盘体的制造精度和性能对卡盘的影响很大。结构设计基础理论存在差距.国外知名厂商对于一款全新的大型重载卡盘产品的设计,生产往往要经过比较长的时间，从承载,转速,刀具,模拟变形等多角度进行论证，从而在结构上确保精度,变形量等技术参数,而国内厂家缺乏相应的技术手段。专利申请情况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。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。

常见三爪卡盘种类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。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。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）：三爪卡盘的结构组成和工作原理（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。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。三爪卡盘实体建模绘制零件该系列的零件主要运用了实体的拉伸、切除、扫描、旋转切除、阵列等，大致用到的工具如图所示：1.1卡盘基座卡盘爪转盘加力螺钉加力杆后盖2.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）装配体外部结构三爪卡盘应力分析（卡盘爪）应力分布合位移安全系数

总结设计结束了，在这次的设计中不仅检验了我所学习的知识，也培养了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。在设计过程中，与同学分工设计，和同学们相互探讨，相互学习，相互监督。学会了合作，学会了运筹帷幄，学会了宽容，学会了理解，也学会了做人与处世。该设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，这是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少的过程．”千里之行始于足下”，通过这次课程设计，我深深体会到这句千古名言的真正含义．我今天认真的进行课程设计，学会脚踏实地迈开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础．通过这次三爪卡盘的solidworks建模设计，本人在多方面都有所提高。通过这次设计，综合运用本专业所学课程的理论和生产实际知识进行一次零件设计工作的实际训练从而培养和提高学生独立工作能力，巩固与扩充了机械制造工艺学等课程所学的内容，掌握solidworks设计的方法和步骤，懂得了怎样分析零件的工艺性，怎样确定工艺方案，了解了零件的基本结构，提高了计算能力，绘图能力，熟悉了规范和标准，同时各科相关的课程都有了全面的复习，独立思考的能力也有了提高。在这次设计过程中，需要我们综合前阶段所学习的机械制图、机械设计基础、机械制造工艺学等多门课程的知识。体现出自己单独设计的能力以及综合运用知识的能力，体会了学以致用、突出自己劳动成果的喜悦心情，从中发现自己平时学习的不足和薄弱环节，从而加以弥补。设计结束了，但我们一起奋斗的精神和这份宝贵的经历将