三爪卡盘增力机构夹具设计.docx

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三爪卡盘增力机构夹具设计

摘要

三爪卡盘是传统机床中常用的夹紧装置，通过人力操纵夹紧毛坯，然后对毛坯进行下一步的加工，不仅增加了工人劳动强度，时而还会夹不紧的现象，对安全高效生产极为不利。

因此，本文设计了一种加装液压缸以及相应螺旋机构的液压增力式三爪卡盘机构，此机构具有液压增力、夹紧力传递和转换功能，不仅可以实现卡盘与原有卡盘体的良好结合，而且结构简单、工作可靠、一定程度上缩减了工人工作量，生产效率也得到了大幅度提升。

关键词：

三爪卡盘；液压增力；夹具

第一章绪论

1.1研究的背景与意义

随着社会经济的快速发展，我国工业体系也在日益丰富与完善。

当前，先进制造业已经成为实体经济的重要支柱，且在整个机械行业占有举足轻重的地位。

就制造业而言，产品设计是整个行业的前端，小到电路原件，大到轮船飞机，都要以产品设计作为前提，可以说产品设计遍布社会各行各业，贯穿人们的衣食住行。

本文的主要内容是三爪卡盘夹具设计，在一定范围内又叫“加工辅助设计”，是机械加工的首要基础。

传统机床上的三爪卡盘通过人力操纵夹紧毛坯，然后对毛坯进行下一步的加工，不仅增加了工人劳动强度，时而还会夹不紧的现象，对安全高效生产极为不利[1]。

因此，本文设计了一种加装液压缸的三爪卡盘机构，同时兼具液压增力、夹紧力转换和传递功能，通过此机构不仅可以实现液压缸与原有卡盘体的良好结合，而且结构简单、工作可靠，人工工作量减少，同时生产效率也得以大幅度提升，这对于推进制造业和实体经济蓬勃发展具有一定实际意义。

1.2国内外研究现状

1.2.1夹具的特点与分类

通常情况下如若零件加工是在机床上进行，能够看到的情况有两种，其一为对游标卡尺之类的量具加以利用，根据所指定的零件表面抑或是根据设定与零件表面的线，实施对比后进行确认，让机床上的零件能够有精准的位置，紧接着将零件夹紧后实施加工工作；其二为在夹具上将零件固定后实施加工。

为了可以在将技术范畴内的表面在零件上的指定区域加工出来，通常均为根据零件所具备的结构形状、加工方式以及生产批量的迥异，通过对各式各样装置的利用，让零件能够方便快捷的精准安装于机床之上，然后进行加工。

而“机床夹具”就是用来安装毛坯并且确定毛坯与切削刀具之间位置关系，最终将零件夹紧的机械装置。

在机械制造工厂中,零件的加工分步骤逐次完成,但每道加工工序中或多或少都会涉及到夹具。

与之相反,倘若零件加工中不使用夹具,首先零件不便于固定,不仅加工难度上升,加工精度也会下降，更有甚者会造成零件大量报废。

通常情况下装夹工件所使用的装置便是机床夹具，所指的“辅助工具”则是能够将各式各样的刀具安装起来的装置。

某些情况下，机床夹具并不单纯指夹紧工具，广义上说辅助工具也属于夹具。

不同的夹具适用于不同机床,根据用途范围大小分为专用和通用两种。

就通用夹具而言，可以用作多种机床的夹紧装置，最常见的是车窗床工作台、铣床回转工作台以及其他机床的卡盘机构等。

这类夹具备一致的标准，能够进行通用，只要是在特定尺寸范畴之内，所有工件都可进行安装，无需有特别的变化调整。

不过，因为在进行实际生产之时，通用夹具一般无法让所有需要加工的零件所需得到满足；抑或是因为不具备高效生产率而得修改通用夹具；更有甚者，因为不具备统一的工件形状以及加工要求，因此得将一类专用夹具设计出来，从而让实际生产所需得到满足。

为了跟某个工件的加工工序相对应，特地设计出来的家具便是专用夹具，下列数点为其主要功能所在[2]：

（1）确保工件需要被加工表面的精度，比方说跟其他表面之间有精准的距离以及轴度。

如若加工者为新手，这类工件的操作相对而言复杂程度高，同时精度要求也不低，若是用通用夹具，一般情况下想要确保精度较为困难。

（2）能够让工序所需时间缩减，进一步在很大程度让劳动生产效率得到提升。

在这中间，最主要包含的内容是辅助时间和机动时间；对工件进行加工需要的时间便是机动时间，而辅助时间指的是对工件进行装卸时需要的时间。

如果专用夹具能够合理使用，不仅可以大大缩减安装件以和转换工位所需的时间，而且还可以省去划线找正等工作，使工序所需要的辅助时间得到缩减的同时让劳动生产率有所提升。

在生产过程中，对于多个工件还可以采用平行加工的夹具,这样在加工一个工件的时间内可以完成多个工件加工。

对于需要对多个部位进行回转加工的零件而言,在对某一个特定的工件进行加工时,还可以同步实现其余零件的装卸,这样机动时间与辅助时间则会重叠在一起，毫不夸张地说，由于使用专用夹具以及其完善程度越来越高的缘故，能够让工序时间尽可能缩减，从而让可持续生产所需得到满足。

（3）对专用夹具加以利用可以让机床的工艺范畴变大。

比方说将镗模夹具加设于普通车床之上，可以实现镗床的功能;车加工专用夹具与普通车床结合后，可对工件切削加工,可以最大限度发挥通用机床的功能。

（4）降低工人劳动强度,使生产安全高效进行。

对于一些大型工件而言,使用气压驱动、液压驱动以及其他具有较高程度自动化、智能化之类的专用夹具，可以极大地降低工人劳动量，操纵轻便，对于生产安全高效进行，提升生产效率具有一定积极意义。

对于精度要求高，加工复杂的零件而言,譬如汽车变速器花键毂锥齿,蜗轮蜗杆机构等，由于加工面多，需要把机床来回多次调整位置,不但危险性大，还极易使工人疲劳。

可如果采用电力或液压驱动的回转式机床之后,不仅可以提高生产的安全系数，工人手动操作的工序减少，日均产量也有较大提高。

进行实际生产之时，所用到的夹具不胜枚举，分类方式也是多种多样。

一般情况下还能够根据适用夹具的工序进行划分，可分成铣床以及车床夹具。

也能够按照机床所具备的运动特征进行划分，具体分类如下：

（1）车床类夹具所具备的特性为会跟工件一同呈现出旋转运动，内外圆磨床、车床以及螺纹磨床用夹具均位列其中。

（2）铣床类夹具所具备的特点为固定于工作台上，所做运动通常为横向抑或是纵向的回转运动以及往复运动，刨床、铣床以及平面磨床之类的夹具均位列其中。

（3）钻以及镗床类夹具所具备的特点为固定于机床之上，通常会在扩、钻以及铰之类的工序中用到，刀具通过夹具上的导向装置进行进给运动。

以上所提及的所有家具均需要在机床上进行固定，不过若是加工过程是位于自动线上，部分夹具将工件带着从生产线的输送装置开始，逐台机床往前方进行输送，这样的夹具一般也可以叫“随行夹具”。

当随行夹具位于自动线之上时，不仅严谨进行定位、夹装、夹紧等一连串工作，伴随着工件沿生产线移动，夹具位置也要适当调整，以实现定位和夹紧，当该机器完成加工后，进入下一工序，这样才能利用自动线上的所有机床，完成工件的所有工序加工。

当加工是利用组合机床形成自动线进行，较为适合使用随行夹具，同时工件不具备较好的定位以及输送基面，采取这种方式除了便于把类畸形工件预先夹装在基面完整的随行夹具上,此后通过自动生产线进行下一步加工。

就有色有色金属而言，因为硬度低,虽然在输送时基准面良好,但出于保护工件基准面的需要,偶尔也需要用到随行夹具。

结合以上内容可以看出，在进行机械加工之时，一个不可或缺的装置便是机床夹具。

在所有能够对生产发展进行促进的工艺措施里面，就包含了设计以及使用机床夹具。

因为中国在机械工业生产方面有很快的发展速度，在整个技术革新过程中，工人以及技术人员身负的关键人物之一便是对机床夹具进行创造以及改良。

1.2.2三爪卡盘的构造与原理

三爪卡盘因卡爪的数量而得名，也是生产线上应用最广泛夹具之一，因为工作可靠，常用来安装金属短棒类亦或是盘形毛坯，通过车刀与夹具之间的相对运动对毛坯进行加工。

三爪卡盘因为自身的结构可以自动定心，但是准确度比较低，必要时需要进行调节[3]。

三爪卡盘的总体构造涵盖四个锥齿轮（三小一大）及三个卡爪组成，其中齿轮用于定位，卡爪用于夹紧固定，为防止卡爪松动，大锥齿轮的背面车有矩形螺纹，三个卡爪在矩形螺纹上均匀等间距排列。

当需要对毛坯进行夹紧时，工人利用扳手在在槽孔内拧动小锥齿轮，小齿轮因外力驱动而旋转，同时带动大齿轮，矩形螺纹上的卡爪因运动分离或者靠近，以实现毛坯的夹紧与放松。

1.3本文研究内容

进行工艺装备的全面设计之时，机床夹具设计具备极为重要的位置，其能够保证产品的质量，同时也能够让劳动生产率得到提升。

进行设计之时，应该跟实际结合，通过调查研究的方式，吸收国内外的先进技术，制定出合理的设计方案，再进一步完善设计。

为了使整个设计切实可行，制定如下的研究内容：

（1）查阅文献资料，了解国内外关于液压增力三爪卡盘的研究现状与研究成果，明确液压增力三爪卡盘的总体构造与工作原理，以及液压增力三爪卡盘对于机械制造的重要意义。

（2）以现有液压增力三爪卡盘作为切入点，对比分析多种卡盘夹具的优劣，找出其中的不足之处及可能的创新点，并反复推敲，以安全可靠高效为设计目标，进而确定总体设计方案。

（3）对液压增力三爪卡盘总体结构进行设计，确定重要零部件的外形尺寸、加工工艺、选用材料等基本参数，并且对重要的零部件进行计算校核，论证设计方案的可行性。

1.4研究方法

（1）文献查阅法。

通过书籍、报刊、网络等途径，了解国内外液压增力三爪卡盘夹具研究现状及成果，通过与生产厂家交流、走访等手段了解液压增力三爪卡盘的技术要求与结构参数，明确液压增力三爪卡盘的市场需求。

（2）对比分析法。

对比不同类型的液压增力卡盘夹具，分析其优缺点，找出本次设计可以参考的内容，取长补短，确定出最佳的设计方案。

（3）电脑绘图法。

确定液压增力三爪卡盘重要零部件的结构参数后，绘制重要零件的零件图与装配图，对液压增力三爪卡盘的总体结构有一个直观真实的认识。

1.5本章小结

本章以液压增力三爪卡盘作为设计的对象，通过查阅文献资料明确了三爪卡盘对于机械制造的重要意义，弄懂了液压增力三爪卡盘的总体构造与原理，并且提出了本文重点研究的内容和技术路线。

第二章液压增力三爪卡盘机构总体设计

2.1液压增力三爪卡盘工作原理

液压三爪卡盘以液压驱动，液压油通过液压油泵和控制阀进入液压油缸左侧或者右侧，通过油缸的伸缩实现工件的夹紧与松开，兼具电路控制和液压驱动两套系统[4]。

如图2-1所示，为液压三爪卡盘机构的工作原理图。

图2-1液压三爪卡盘工作原理图

2.2液压增力三爪卡盘的总体构造

液压增力三爪卡盘是在普通卡盘的基础上增添了液压缸和平面螺旋机构，其总体构造如图2-1所示，主要由卡盘体端盖1、小锥齿轮2、大锥齿轮3、圆柱活塞4、圆锥螺旋弹簧5、液压缸体6、卡爪7、定子叶片8、换油机构9、转子叶片10、缸体端盖11、液压油12、卡盘体13等组成。

图2-2液压增力三爪卡盘机构示意图

该三爪卡盘机构工作时，圆柱活塞的一端和大锥齿轮背面凹槽相配合，而另外一端则通过一定的零件固定到液压缸定子叶片小孔内，在卡盘端部配有螺旋弹簧，弹簧变形产生拉力，带动活塞运动，其中的一端始终与凹槽保持接触。

当工人用扳手给小锥齿轮2施加一定转矩后，小齿轮2带动大锥齿轮3共同旋转，使卡爪7位置发生变化，在没有接触毛坯之前，由于其他零件对圆锥螺旋弹簧5的阻碍作用比较微弱,所以圆柱活塞4并不会和大锥齿轮3有相对位置的变化,于是缸体6也和运动件一起旋转，而此时卡爪7也会发生径向的运动,并且与工件之间的距离缩小,但此过程并未对工件施加力，所以叫空行程。

随着卡爪7径向运动，最终与工件发生接触,此时作用于工件的阻力迅速增大，如果工人继续加力，活塞4受力也会增大，如果作用力超过某一值，圆锥螺旋弹簧5被压缩，活塞4与大锥齿轮3出现相对运动，活塞4向定子孔中运动，液压油12被压缩，从而液体推动转子叶片10旋转，卡爪7径向微进给，此过程为夹紧行程，液压作用直到工件完全被夹紧。

2.2液压增力三爪卡盘结构设计与计算

2.2.1液压缸结构设计

液压缸的作用是储存液压油，并且保证缸内的液压油足有足够的压力，按照具体的安装条件以及刚度跟强度方面的要求，通过查阅机械设计手册可以得知液压缸的工作效率

，工作压力

，最大工作负载为5KN，由此可以计算液压缸的内径D。

（2.1）