直面四爪卡盤的設(shè)計(jì)與分析*

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)

0 引言

卡盤是機(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主要包括改進(jìn)卡爪的三爪自定心卡盤、四爪單動(dòng)卡盤和四爪自定心卡盤。改進(jìn)卡爪的三爪自定心卡盤通過(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。四爪自定心卡盤與單動(dòng)四爪卡盤相比，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)。

1 直面四爪卡盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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。直面四爪卡盤主要由盤體1、壓蓋2、盤絲3、傘齒輪4、滑座5、直面卡爪6等構(gòu)成，其中滑座與盤絲配合實(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。

2 直面四爪卡盤部件設(shè)計(jì)

2.1 盤體設(shè)計(jì)

盤體是卡盤的基礎(chǔ)零件，盤體最大的中心孔俗稱“止口”，卡盤通過(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)渡盤相連，如圖2所示。根據(jù)盤體受力的特點(diǎn)，選用高強(qiáng)度、耐磨性好的材料HT300。

1-傘齒輪；2-盤體；3-壓蓋；4-盤絲；5-滑座；6-直面卡爪

圖2 盤體結(jié)構(gòu)

2.2 傘齒輪與盤絲設(shè)計(jì)

傘齒輪與盤絲的兩軸相交90°，兩者傳動(dòng)方式為直齒錐齒輪傳動(dòng)?；阑∨c盤絲漸開線的配合是自定心卡盤的核心，卡盤實(shí)現(xiàn)自定心要求與滑座配合環(huán)槽的曲線具有等進(jìn)性和等距性。等進(jìn)性是指盤絲轉(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，盤絲曲線采用漸開線，滑座牙弧為圓柱面可同時(shí)滿足等進(jìn)性和等距性兩個(gè)要求。根據(jù)傘齒輪與盤絲承載能力和傳動(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盤絲結(jié)構(gòu)

2.3 滑座和直面卡爪設(shè)計(jì)

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)

3 滑座與直面卡爪有限元分析

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)用中能否滿足使用要求。

3.1 邊界條件分析

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。

3.2 施加載荷分析

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。

3.3 接觸分析

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。

3.4 有限元分析結(jié)果

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,可見滑座與直面卡爪的強(qiáng)度與剛度滿足設(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

4 結(jié)語(yǔ)

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。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)也能滿足強(qiáng)度要求，表明設(shè)計(jì)是合理的。