張學(xué)春　顏春峰

（山東常林機(jī)械集團(tuán)股份有限公司，臨沭 276700）

自動(dòng)定心彈簧套筒夾具設(shè)計(jì)

張學(xué)春顏春峰

（山東常林機(jī)械集團(tuán)股份有限公司，臨沭 276700）

三爪自定心卡盤來加工端部外圓和半球面效率低、質(zhì)量控制難，無法滿足批量生產(chǎn)要求，為此設(shè)計(jì)了一種自動(dòng)定心彈簧套筒夾具，安裝在臥式車床上進(jìn)行加工端部外圓和半球面。

端面外圓球面自動(dòng)定心彈簧套筒

圖1為公司的一種產(chǎn)品零件，其端部外圓和半球面需要車削加工完成。過去由于生產(chǎn)批量少，采用三爪自定心卡盤來加工，隨著生產(chǎn)批量和產(chǎn)品質(zhì)量要求的不斷提高，通過工藝設(shè)備已經(jīng)滿足不了現(xiàn)代生產(chǎn)的需要。為此，我們根據(jù)同類產(chǎn)品的生產(chǎn)加工經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了自動(dòng)定心彈簧套筒夾具，并對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，安裝在臥式車床上，效果較好，裝卸工件省力，生產(chǎn)效率高，同時(shí)也保證了產(chǎn)品質(zhì)量的提高。更換不同直徑的同類產(chǎn)品，通用性好，應(yīng)用比較廣泛。

圖1

1自動(dòng)定心彈簧套筒夾具的結(jié)構(gòu)原理

自動(dòng)定心彈簧套筒夾具是利用彈性元件受力后的均勻彈性變形，實(shí)現(xiàn)對(duì)工件自動(dòng)定心和夾緊的。這種自動(dòng)定心彈簧套筒夾具，夾緊行程小，但定心精度較高，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。當(dāng)浮動(dòng)拉桿1向左運(yùn)動(dòng)時(shí)，彈簧套筒5上的圓錐面就與安裝在夾具體2上的固定套3的圓錐面作相對(duì)滑動(dòng)，強(qiáng)制彈簧套筒產(chǎn)生彈性變形，實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的定心和夾緊。加工后浮動(dòng)拉桿1向右運(yùn)動(dòng)，彈簧套筒5依靠自身的彈性變形的恢復(fù)力松開工件。自動(dòng)定心彈簧套筒夾具結(jié)構(gòu)簡單緊湊，裝夾迅速，具有較高的定心精度。一般可達(dá)到0.02～0.05mm左右，但是彈簧套筒夾緊表面與工件定位加緊表面的間隙不能過大，一般小于 0.1～0.5mm。

2夾具結(jié)構(gòu)的改進(jìn)

自動(dòng)定心彈簧套筒夾具在實(shí)際生產(chǎn)中使用壽命不長，除了彈簧套筒的導(dǎo)向部分和錐面頸部表面粗糙值高及硬度較低外。由于一般都是采用鑄鐵作夾具體的，與其配合面的表面粗糙度不但難以達(dá)到要求，而且由于彈簧套筒5表面采用熱處理淬火，所以與夾具體相接處的配合表面極易磨損。為此，我們改用增加固定套結(jié)構(gòu)（圖2），固定套的材料選用T8A鋼，表面進(jìn)行熱處理硬度為55～60HRC。內(nèi)控和外圓在磨床上加工能得到較高精度，再進(jìn)行配研，彈簧套筒的導(dǎo)向部分表面粗糙度值可達(dá)到Ra=0.4μm，同時(shí)又保證了較小的配合間隙不大于0.015mm，固定套外圓直徑與夾具體配合過盈量為0.025mm，這樣即增加了耐磨性又增加了夾具的使用壽命。

圖2

3彈簧套筒的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

我們設(shè)計(jì)的彈簧套筒結(jié)構(gòu)（圖3）是一個(gè)薄壁帶錐面的彈性套筒，帶錐面一端開有3條或4條軸向槽，由3個(gè)基本部分組成。1是卡爪A（頸部），2是彈性瓣B（彈性部分），3是尾部導(dǎo)向部分C?？ㄗ是定心主要工作面，又是摩擦面，故要求耐磨，一般熱處理淬火硬度為58～62 HRC；彈性瓣B經(jīng)常張開收縮，為了防止斷裂和產(chǎn)生永久性變形，故要求具有良好的彈性和耐磨性以及耐疲勞性。彈性瓣和尾部導(dǎo)向部分C連接處，由于形狀和截面變化大，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中而斷裂。所以要求與尾部一起進(jìn)行熱處理，淬火硬度為40～45HRC，以保持彈性。彈簧套筒的材料一般最常用的的是65Mn。也有采用45鋼或40Cr等材料。采用彈簧套筒夾具夾緊工件時(shí)，工件被夾表面的尺寸偏差不宜太大，因?yàn)閺椈商淄沧冃未髸r(shí)，卡爪與工件以及彈簧套筒的錐面與固定套的內(nèi)錐面的接觸不良，造成定位精度和夾緊剛度降低，難以保證被夾緊工件的形狀精度。

（1）彈簧套筒的導(dǎo)向部分直徑d1.d1一般都是根據(jù)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)需要來確定。

圖3

（2）卡爪長度L1。L1=（0.5～1.2）D，D為工件直徑，或者L1=1.67。

（3）彈簧瓣的外圓直徑d。d=d1-（2～3）mm

（4）彈簧瓣的長度L2。L2也就是彈簧套筒的開槽長度，與彈簧瓣的外圓直徑有關(guān)，一般L2=（1.5～2.5）d。

（5）彈性瓣的壁厚h。壁厚h與彈性瓣的外圓直徑d有關(guān)，d越大，h也相應(yīng)增加，L2越長，h也相應(yīng)增加。一般當(dāng)d=（25～85）mm、L2=（35～75）mm時(shí)，h=（1～3）mm之間選取，或者h(yuǎn)=0.37。

（6）導(dǎo)向部分長度 L3及圓角 R。L32.72，R=（0.1～0.2）d1。

（8）彈簧套筒的夾緊力W。彈簧套筒夾緊力的計(jì)算與楔塊夾緊相似，但要考慮夾緊時(shí)彈簧套筒的變形阻力R，每個(gè)彈簧瓣卡爪的阻力R，每個(gè)彈簧瓣卡爪的阻力R1可近似地按弧形斷面的懸臂梁的變形阻力來計(jì)算。（圖4）

圖4

式中，E為卡爪材料的彈性模量，MPa；I為卡爪與工件的直徑間隙，mm；H為彈性瓣的薄壁厚度，mm；D為彈性瓣的外圓直徑，mm；L為卡爪計(jì)算長度，mm；N為卡爪瓣數(shù)；β|為每瓣卡爪的扇形角之半，rad。

取E=2.1×105MPa，，則n=3時(shí)，K=600；n=4時(shí)，K=200；n=6時(shí)，K=40。

彈簧套筒的卡爪在夾緊時(shí)的受力分析見圖5，（圖中：N：固定套對(duì)彈簧套筒的作用力；f1：固定套與彈簧套筒之間的摩擦系數(shù)，f1=tanδ1；f2：彈簧套筒與工件間的摩擦系數(shù)，f2：tan=δ2）。當(dāng)工件無軸向定位時(shí)，則只需考慮彈簧套筒與固定套間的摩擦力，此時(shí)所需的軸向拉力，可由靜力平衡條件可得：

圖5

式中，Q為彈簧套筒所需的軸向拉力；α為彈簧套筒卡爪的錐角；δ1為彈簧套筒卡爪與固定套的摩擦角；W為—彈簧套筒的夾緊力；R為克服卡爪彈性變形所需的力。

彈簧套筒的卡爪錐角與相配合的固定套的內(nèi)錐角的大小，根據(jù)夾具的具體情況而定。當(dāng)要求夾緊范圍大時(shí)，使夾緊點(diǎn)始終在彈簧套筒外端離切削店近一些。對(duì)于正錐彈簧套筒，固定套內(nèi)錐角應(yīng)取2α+1°，對(duì)于倒錐彈簧套筒，固定套內(nèi)錐角應(yīng)取2α-1°，一般錐角2α取30°。通常彈簧套筒用于夾緊IT7～I(xiàn)T10級(jí)精度的工件，如果要求夾緊范圍不大時(shí)，固定套的內(nèi)錐角可與彈簧套筒的錐角一樣大小。

4　注意事項(xiàng)

（1）彈簧套筒是夾具的關(guān)鍵零件之一，制造精度必須符合圖樣要求，錐角和導(dǎo)向部分應(yīng)進(jìn)行配磨和配研加工。

（2）彈簧套筒的彈簧瓣應(yīng)在整個(gè)彈簧套筒加工合格后，再切開。并且要將開槽處的尖角毛刺去掉，各工作表面不得有各種雜質(zhì)附著物。

（3）夾具使用時(shí)，應(yīng)先裝上工件，然后才能夾緊，以防損壞彈簧套筒的彈性卡爪。

（4）夾具不使用時(shí)，彈簧套筒應(yīng)處于非工作狀態(tài)，并且在卡爪內(nèi)孔中旋轉(zhuǎn)工件，以防錯(cuò)誤操作時(shí)，造成彈簧套筒卡爪產(chǎn)生永久性變形。。

（5）彈簧套筒經(jīng)長期使用磨損后，應(yīng)及時(shí)更換，配上新的彈簧套筒，以保持彈簧套筒精度，從而保證產(chǎn)品的加工質(zhì)量。

5結(jié)語

機(jī)床夾具在整個(gè)機(jī)械加工過程中起著舉足輕重的作用，它的結(jié)構(gòu)、性能直接決定并影響產(chǎn)品的質(zhì)量以及生產(chǎn)效率的高低。本文所介紹的自定心彈簧套筒夾具經(jīng)實(shí)踐證明，能夠滿足工件加工精度要求，其加工效率比較高。它具有結(jié)構(gòu)簡單，定位準(zhǔn)確，夾緊可靠，操作方便，制造容易，加工質(zhì)量高，易于控制等優(yōu)點(diǎn)。

［1］《鉗工技師培訓(xùn)教材》.機(jī)械工業(yè)出版社，2010.6.

［2］《機(jī)械制圖》.上海金屬切削技術(shù)協(xié)會(huì)編，2004.

［3］《機(jī)床夾具和輔具速查手冊》.機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

［4］《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》.機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

The Self-centering Collet Fixture Design

YAN Chunfeng，ZHANG Xuechun
（Shandong Changlin Machinery Group Co.，Ltd，Linshu 276700）

UsingJawself-centeringchuckformachining cylindrical and hemispherical ends is inefficient，and difficult to control the quality，which cannot meet the production requirements.We have designed a self-centering collet fixtures，installed in a horizontal lathe turning and machining end hemispherical surface.

facecylindrical，spherical，self-centering，spring sleeve