李華強(qiáng),劉 江
(內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 機(jī)械學(xué)院,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051)
卡盤(pán)是機(jī)床常用的夾具,不需進(jìn)行找正就可準(zhǔn)確確定工件的加工位置并保證工件位置不發(fā)生變化,從而保證工件的加工精度,穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量,提高勞動(dòng)生產(chǎn)率,降低生產(chǎn)成本,擴(kuò)大機(jī)床工藝范圍,改善工人勞動(dòng)條件。
目前機(jī)床用于夾持方形零件的卡盤(pán)主要包括改進(jìn)卡爪的三爪自定心卡盤(pán)、四爪單動(dòng)卡盤(pán)和四爪自定心卡盤(pán)。改進(jìn)卡爪的三爪自定心卡盤(pán)通過(guò)在卡爪和工件之間添加不同厚度的墊片來(lái)實(shí)現(xiàn)夾持不同尺寸的方形工件,該方式夾持不可靠,存在較大的安全隱患,調(diào)整安裝復(fù)雜,效率低,對(duì)工人的技術(shù)水平要求高。四爪單動(dòng)卡盤(pán)夾緊力大,夾持可靠并可夾持異形工件,但夾持方形工件時(shí)需調(diào)整4個(gè)卡爪的移動(dòng)量使工件中心與頂尖同軸,調(diào)整費(fèi)時(shí)費(fèi)力,對(duì)工人的技術(shù)水平要求高,效率低。四爪自定心卡盤(pán)與單動(dòng)四爪卡盤(pán)相比,能夠自定心,不需對(duì)卡爪進(jìn)行調(diào)整,但卡爪與工件的接觸面積小,夾持脆性材料單晶硅時(shí)易發(fā)生碎裂現(xiàn)象。為滿(mǎn)足方形單晶硅機(jī)械加工裝夾與定位的要求,本文在原四爪自定心卡盤(pán)的基礎(chǔ)上改進(jìn)了卡爪的結(jié)構(gòu),將卡爪設(shè)計(jì)為直面寬卡爪結(jié)構(gòu)。
根據(jù)單晶硅自身的特性和加工工藝的要求,在原四爪自定心卡盤(pán)工作原理的基礎(chǔ)上改進(jìn)卡爪,將原卡爪的功能通過(guò)滑座和直面卡爪兩個(gè)結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn),如圖1所示。直面四爪卡盤(pán)主要由盤(pán)體1、壓蓋2、盤(pán)絲3、傘齒輪4、滑座5、直面卡爪6等構(gòu)成,其中滑座與盤(pán)絲配合實(shí)現(xiàn)徑向滑動(dòng),直面卡爪安裝在滑座上,通過(guò)設(shè)計(jì)卯榫結(jié)構(gòu)定位螺栓連接,實(shí)現(xiàn)自定心夾持方形工件;直面卡爪爪面寬度是滑座寬度的3倍,還可根據(jù)需要增加相應(yīng)的寬度。
盤(pán)體是卡盤(pán)的基礎(chǔ)零件,盤(pán)體最大的中心孔俗稱(chēng)“止口”,卡盤(pán)通過(guò)止口和端面進(jìn)行定位,采用螺釘連接的方式與機(jī)床過(guò)渡盤(pán)相連,如圖2所示。根據(jù)盤(pán)體受力的特點(diǎn),選用高強(qiáng)度、耐磨性好的材料HT300。
1-傘齒輪;2-盤(pán)體;3-壓蓋;4-盤(pán)絲;5-滑座;6-直面卡爪
圖2 盤(pán)體結(jié)構(gòu)
傘齒輪與盤(pán)絲的兩軸相交90°,兩者傳動(dòng)方式為直齒錐齒輪傳動(dòng)?;阑∨c盤(pán)絲漸開(kāi)線(xiàn)的配合是自定心卡盤(pán)的核心,卡盤(pán)實(shí)現(xiàn)自定心要求與滑座配合環(huán)槽的曲線(xiàn)具有等進(jìn)性和等距性。等進(jìn)性是指盤(pán)絲轉(zhuǎn)過(guò)一定角度,4個(gè)卡爪的移動(dòng)距離相同;等距性是指盤(pán)絲轉(zhuǎn)動(dòng)一圈,卡爪移動(dòng)的距離為定值。通過(guò)理論分析與計(jì)算可知,盤(pán)絲曲線(xiàn)采用漸開(kāi)線(xiàn),滑座牙弧為圓柱面可同時(shí)滿(mǎn)足等進(jìn)性和等距性?xún)蓚€(gè)要求。根據(jù)傘齒輪與盤(pán)絲承載能力和傳動(dòng)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)均選用材料40Cr,傘齒輪結(jié)構(gòu)和盤(pán)絲結(jié)構(gòu)分別如圖3和圖4所示。
圖3傘齒輪結(jié)構(gòu)圖4盤(pán)絲結(jié)構(gòu)
根據(jù)滑座和直面卡爪的結(jié)構(gòu)特性和使用要求,滑座材料選用40Cr,選取合金結(jié)構(gòu)鋼20CrMnTi作為直面卡爪的材料,材料屬性如表1所示?;Y(jié)構(gòu)和直面卡爪結(jié)構(gòu)分別如圖5、圖6所示,通過(guò)卯榫結(jié)構(gòu)配合,起到精確定位和受載的作用。
表1 40Cr和20CrMnTi材料屬性
圖5滑座結(jié)構(gòu)圖6直面卡爪結(jié)構(gòu)
由于滑座和直面卡爪直接與負(fù)載接觸,又是本次設(shè)計(jì)的創(chuàng)新點(diǎn),當(dāng)直面卡爪夾持最大的工件時(shí),滑座與盤(pán)絲接觸的牙弧只有3個(gè),同時(shí)直面卡爪承受最大夾緊力,因此以滑座與直面卡爪為研究對(duì)象,利用UG_CAE模塊對(duì)其進(jìn)行有限元分析,分析改進(jìn)的滑座與直面卡爪在實(shí)際應(yīng)用中能否滿(mǎn)足使用要求。
直面卡爪夾持工件,工件對(duì)直面卡爪的反作用力垂直于直面卡爪的表面,直面卡爪主要沿長(zhǎng)度方向發(fā)生變形,所以滑座前3個(gè)牙弧小圓柱面的自由度全部固定,滑座的工字結(jié)構(gòu)與盤(pán)體接觸的表面除去沿長(zhǎng)度方向移動(dòng)的自由度之外,其他自由度都需固定。
單個(gè)卡爪上的夾緊力F計(jì)算公式為:
F=2KM/(nDf).
(1)
其中:K為安全系數(shù),取K=3;M為切削力矩,N·m;n為卡盤(pán)卡爪數(shù),n=4;D為兩卡爪間距,D=90 mm;f為工件與支承面的摩擦因數(shù),f=0.1。
本文以工件在切削過(guò)程中的最大切削力矩為100 N·m進(jìn)行分析。將數(shù)值代入式(1)計(jì)算得:F=16.67 kN。
將17 kN的載荷分別施加在4個(gè)直面卡爪上。
滑座與直面卡爪卯榫配合,接觸面無(wú)任何切向相對(duì)滑動(dòng),所以在接觸面之間添加等效面對(duì)面粘合的仿真對(duì)象約束。
有限元分析得到的滑座與直面卡爪應(yīng)力云圖和應(yīng)變?cè)茍D分別如圖7、圖8所示。
由圖7和圖8可知:滑座與直面卡爪整體結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力發(fā)生在直面卡爪上,且最大應(yīng)力為492.28 MPa,最大應(yīng)變?yōu)?.16 mm。直面卡爪的屈服極限為835 MPa,取安全系數(shù)為1.5,求得材料的許用應(yīng)力為556.67 MPa>492.18 MPa,可見(jiàn)滑座與直面卡爪的強(qiáng)度與剛度滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。
圖7滑座與直面卡爪應(yīng)力云圖圖8滑座與直面卡爪應(yīng)變?cè)茍D
針對(duì)光伏產(chǎn)業(yè)方形單晶硅片機(jī)械加工中對(duì)夾具的要求,在四爪自定心卡盤(pán)的基礎(chǔ)上,改變卡爪結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)夾持方形零件并具有一定夾持范圍與定位精度的直面四爪卡盤(pán)。利用UG_CAE模塊,分析了滑座與直面卡爪在受到最大作用力時(shí)結(jié)構(gòu)也能滿(mǎn)足強(qiáng)度要求,表明設(shè)計(jì)是合理的。