基于阿基米德螺旋的軟爪車削卡箍設計與應用

陸如剛,舒永東

(1. 南京市江寧區安全生產宣傳教育中心,江蘇 南京211199;2. 南京高精船用設備有限公司,江蘇 南京 211103)

0 引言

軟爪作為數控車床上的一種常用夾具,在以往的加工中,通常采用45鋼,先調質成HB217～255,然后操作者按軟爪夾持的零件來選擇加工方法。當零件為軸類時,應將與夾持軸等直徑的圓柱夾持于軟爪里面;當工件為套類時,應在軟爪外面設置夾緊套環。最后,采用“實配法”[2],即用車刀把零件與軟爪接觸的定位(夾持)面粗、精車一刀,使得軟爪夾持面圓弧直徑與工件已加工面形狀一致。這樣可以增大軟爪與零件的夾緊面積,以達到均勻多點的定位夾緊,減少零件的已加工面因夾緊產生的變形。由此可見,軟爪由于其特殊的加工工藝性,加工不同直徑的零件需要更換不同的圓柱棒料或者套環來實現軟爪面的加工。這樣,軟爪的加工就變得異常繁瑣。為了改變軟爪加工的工藝狀況,本文設計一種適用于不同直徑軟爪加工的車夾具,使軟爪的加工操作簡單、方便。

1 軟爪切削動力分析

1)軟爪的夾緊受力分析

在車削軟爪時,必須在卡爪內(卡爪外)安裝一適當直徑的圓柱(套環),它們在軟爪安裝的位置應和工件夾緊力的方向一致;目的是為了消除軟爪與基座之間多“鋸齒”配合間隙,避免軟爪切削過程中的讓刀現象,從而保證軟爪車削精度。因此,依據牛頓第三定律,軟爪加工時受力方向即為工件夾緊力相反方向,軟爪加工的平面夾緊力系如圖1所示(其中fn夾緊零件;Fn為漲緊零件)。因卡盤上3個軟爪呈120°均布,其受力方向均指向或匯交于卡盤的回轉中心O點,保證了夾緊力的靜平衡(不考慮軟爪自身的重力因素)。否則會因軟爪夾緊力不均衡,導致軟爪車削精度差,不能保證工件定位精度(軟爪定位精度一般在0.03～0.05mm)。

圖1 軟爪加工的夾緊受力圖

2)軟爪切削的運動分析

圖2 軟爪慣性力系圖

如此分析,則此端平面慣性力系向回轉中心點O合力

本研究受訪者學歷、工作年限、職稱等分布較為均衡，但來自二級及二級以上者較多，而醫院級別影響眼科醫師對指南認知和應用情況，加之調查對象的選擇未采用隨機抽樣的方法，因此結果可能存在偏倚。在本次研究的基礎上，如果相關學會或者政府相關部門牽頭進行全面調查，其結果可能會更準確。

FgR=∑Fgi=-∑mα

(1)

式中:FgR為夾具慣性力;m為夾具體質量。

依據軟爪車削的夾緊要求,移動質點必須向直徑趨于減小的方向移動。那么,移動質點的運動即可以設立運動方程,即

dφ/dt=ω

(2)

dρ/dt=υ

(3)

式中:φ和ρ分別為卡盤的旋轉角度和周線;ω和υ分別為卡盤的角速度和線速度,都為一定常數;t為時間。

將設立方程式(2)和式(3)分別對時間積分一次,并設移動質點起點位置為t=0時(主軸啟動開始時)的初始位置,于是得到移動質點相對于主軸回轉中心的運動方程式(4)和式(5)。即

φ=ωt

(4)

ρ=R-υ·t

(5)

消去運動方程式(4)和式(5)中的t, 得到移動質點在夾緊過程中的移動軌跡方程

ρ=R-υφ/ω

(6)

2 夾具設計分析

1)定位方案設計

利用夾具“六點定位”原理[5],進行了軟爪車夾具的定位方案設計,其定位方法如圖3所示。軟爪與基座之間采用多“鋸齒”配合,類似寬V型塊定位,限制了x、z向移動、y旋轉方向的3個不定度。同時,由于軟爪與多“鋸齒”配合,存在配合間隙。為了確保軟爪徑向限位,決定采用軟爪外廓作為定位基準,即在x向移動、y旋轉方向設置重復定位。此外,在可移動質點的慣性力Fgi作用下,增加了x向移動、y旋轉方向的定位可靠性,避免了因軟爪車削切削力而產生讓刀現象,保證了軟爪弧面的形位公差(主要指圓度和圓柱度)。

圖3 夾具定位原理圖

2)定位誤差

車床的主運動是旋轉運動,因此在切削加工時,零部件的運動會產生離心力。因此,在設計軟爪車夾具時,需要考慮夾具綜合離心慣性力Qgi對軟爪加工精度的影響,且刀具在切削加工時,也會產生徑向進給力Fy。依據動平衡誤差計算,軟爪上夾具的綜合離心慣性力Qgi和徑向切削分力Fy所引起的軟爪面相對于主軸回轉中心的徑向跳動誤差為

(7)

式中:k為工藝系統剛度;n為加工時車床主軸轉速;ri為夾具端平面內一點i的旋轉半徑。

根據式(7)分析,在卡盤整個360°回轉過程中,由于二力的同向與反向,會給軟爪造成類似“心形”的誤差[6]。為了消除動平衡引起的誤差, 必須保證夾具結構在制造過程中的質量均勻性,或者進行動平衡實驗,盡可能采用均勻分布的回轉體結構,以消除動平衡誤差的影響。

3 夾具結構與使用方法

依據以上分析結果,結合車夾具的設計規范要求,設計了一種適合φ160卡盤用的軟爪專用車夾具,結構如圖4所示。其中:R1為中空圓半徑;R2為夾具體半徑。下面簡要分析其使用過程。

1—活動銷;2—夾具體;3—限位螺釘。

依據方程式(6)設計確定活動銷1的夾緊運動軌跡為:ρ(β)=72-0.12×β,(0<β<120°)。然后根據軌跡方程,運用數控線切割或數控宏程序銑削在夾具體2上銑削3個均勻分布的軌跡槽[7]。同時,在軌跡槽中采用活動銷1作為可移動質點,通過夾具體2上的軌跡槽實現約束,滿足夾具夾緊定位要求。即當卡盤夾緊時,3個軌跡槽中的活動銷可在自身慣性力Fgi作用下自動調整到最佳位置,使卡盤的3個軟爪所受的作用力勻稱。在使用時,根據零件被夾持的直徑尺寸調整軟爪在卡爪基座上的位置,然后安裝軟爪車夾具。注意一只手旋轉夾具體2,另一只手將活動銷1插入對應軟爪的螺釘沉孔中。調整軟爪位置時,應讓活動銷1在整個移動軌跡的適中位置,以防在軌跡槽兩端產生虛壓現象。此外,由于活動銷1在軌跡槽中的可移動行程長,因此夾具可以夾持不同位置的軟爪加工(即可滿足不同直徑零件的要求),節省了不同尺寸規格的圓柱棒料,使軟爪加工耗材量降到最低。

為避免軟爪在加工過程中刀具干涉,需將夾具體2做成中空的,以方便外漲軟爪弧面車削?？紤]車床在啟動時,夾具體2自身的慣性力矩能保證徑向自動夾緊力的形成。依據中空圓柱的自身慣性力矩分析[8]:

(8)

式中:Jz為夾具轉動慣量;ρs為夾具密度;di為夾具端平面內一點i的旋轉直徑。

只要滿足刀具車削無干涉,應盡可能減小中空孔的半徑,能提高夾具體2的自身慣量力矩,保證軟爪夾緊力的穩定性。

對于軟爪弧面的直徑尺寸測量,通常情況下,內弧面可采用三點式千分尺;外弧面可先精確測量出有一定剛性鋼環內徑尺寸(即為軟爪定位直徑),減去(或加上)測量出的軟爪定位面與夾位面半徑差兩倍即為軟爪外徑尺寸。

4 結語

通過對液壓卡盤軟爪車夾具的創新設計,改進了軟爪的加工方法,節約了軟爪加工的耗材,提高了軟爪的加工效率和軸、套零件的反復裝夾的定位精度,同時也降低了工人的勞動強度。經過企業近半年的實際生產使用,該夾具構造簡單、適用范圍廣,且成本低、操作簡單,深受企業的歡迎。