新型車床快速裝夾圓形零件的三爪卡盤設計研究

陳明英

（成都飛機工業（集團）有限責任公司，四川 成都 610092）

引言

三爪卡盤是一種機床附件，其外形上擁有三個活動卡爪，可以利用三個裝置實現卡盤體上物體的徑向移動，是車床加工中常用的配件。作為傳統機床上最為重要的附件之一，其功用與地位都十分重要，在實際使用體系中，根據卡盤上的爪數量來劃分為卡盤類別，三爪卡盤也就是卡盤上擁有三只爪的機械裝置。伴隨著現代機床技術的不斷進步與不斷發展，車床切割的范圍和類別都在持續上升，這也對三爪卡盤的可靠性提出了全新要求。而且在實踐工作中，三爪卡盤是否能夠實現零部件的快速安裝等也成為了需要考慮的對象。尤其是大尺寸工件要求轉速不能太高，而卡盤是否夾緊工件都是依靠操作者的實踐經驗的，很難將其量化，這些全新的形式都在對三爪卡盤的全新優化設計提出了最新要求。根據這種全新的要求，展開了本次研究，探討新型車床快速裝夾圓形零件的三爪卡盤設計，進而為三爪卡盤的實際應用帶來借鑒與幫助。

1 三爪機構的組成及工作原理

1.1 三爪卡盤的機構組成

三爪卡盤仍然延續了傳統的卡盤結構，即利用齒輪機構和螺旋機構兩部分組成的，圖1 為三爪的結構。而兩大機構在其中發揮的作用有所不同，如齒輪機構負責驅動作用，螺旋機構則是具體的執行機構，其中盤絲和大齒輪是結合在一起的，而齒輪則是共計分為3 個徑向小錐齒輪和1 個嚙合而成的齒輪副，小錐齒輪可以在外部位置利用扳手插入六角孔來趨勢大齒輪轉動。其中大椎齒輪背面是端面螺紋，螺旋副的盤絲也可以更好的將齒輪轉換為三爪的移動，在這個機構中，三爪相當于螺母。傳動裝置位于卡盤內部，利用螺釘可以很好的將卡盤體和端蓋直接緊固在一起，而卡盤也可以利用錐孔及短錐位置實現與雙頭螺栓的連接。

圖1 三爪結構

1.2 螺旋機構工作原理與特性

三爪卡盤的基本工作原理是：在實際的工件安裝中，利用內六角扳手插入小錐齒輪外端的內孔中，然后轉動扳手，這時間外部驅動力會推動大小齒輪嚙合位置來促進盤絲轉動，盤絲轉動由將會促使桑耳跨抓沿著盤絲的半徑方向實現移動，這一套工序是實現對盤軸工件的夾緊，而一旦卡爪離開盤梯中心時，工件也會被卸下。在實踐工作中，這套工作工件是借鑒了阿基米德的基本螺旋線原理的，而遵循該原理的端面螺紋將會具有很多特性。可以說三爪卡盤正是借助這種速性來完成基本工作的，也被稱為等速螺線，由于該螺旋線是在同一平面內勻速向外擴展, 并且呈旋渦狀,故也稱為平面螺紋或渦旋線。

2 新型車床快速裝夾圓形零件的三爪卡盤設計

現有的普通車床在機械加工圓形零件時大多數都是采用傳統三爪卡盤裝夾來加工，此三爪卡盤裝夾零件主要是利用卡盤扳手轉動圓周上的三個傘齒中的任一個，從而帶動三個卡爪一起移動來進行壓緊，該操作方式需車工借助扳手一圈圈地旋轉絲桿來擰緊卡爪，裝夾過程繁瑣，裝夾速度慢，裝夾耗時長，工作效率低，耽誤生產周期。另外，該傳統的三爪卡盤采用齒輪副傳動結構形式，當產生磨損時，裝夾穩定性變差，三爪同步定心無法保證，而且該結構形式拆裝難度大，維修費用高，只能通過新制傘齒及絲桿進行更換。而這也是本次研究中想要進行全新設計的開端，通過新型車床快速裝夾圓形零件的三爪卡盤的設計，將會更好的推動相關理念的進步與發展。

2.1 設計要求

具體的設計展開，展開的根本目的仍然是為了對三爪卡盤進行優化，從這個角度來看該設計需要具有以下增益效果。

2.1.1 結構更加簡單，裝夾操作簡便 三爪卡盤的傳統安裝措施中，仍然需要手動安裝，而這前文已經提到，在進行工件夾緊的過程中，很多工件是否真正符合要求需要根據操作者的實踐經驗來進行判定，而為了更好地實現操作者入門門檻的簡化，進行了本次研究設計。

2.1.2 成本低且安全 在機械生產中，安全永遠是第一要務，確保整體操作安全才是保證生產效率的根本。而且從企業的基本角度出發來看，安全也保證了生產的基本效益。而本次設計中，為了提高效益，也保證了全新設計的三爪卡盤的成本較低，最大程度的推動經濟效益的進步。

根據上述的基本要求，包括前文對傳統三爪卡盤的設計存在的問題分析，得出了基本的設計要求，目的是針對上述現有存在的技術問題，設計出一種結構簡單、制造成本低、快速裝夾、工作高效、可對多規格圓形零件進行快速裝夾、自動定心的三爪卡盤裝置。旨在減少工人操作裝夾零件時間，降低勞動強度，提高裝夾穩定性和操作安全性，提高加工效率。

2.2 技術方案

對全新設計的要求進行了分析，針對技術層面的問題也要考慮相關的解決方案，針對問題提出基本的技術方案是一種多規格系列圓形零件裝夾裝置，包括一具有環形圓槽的底座1 和內側三處均勻分布的圓弧面11 的旋轉盤2，其特征在于通過順時針轉動扳手7，旋轉盤2 繞底座1 環形圓槽旋轉，旋轉盤2 內側三處均勻分布的圓形弧面11 對壓頭10 相接觸的圓弧面產生一種徑向擠壓力，通過推桿9 向中心進行擠壓力的傳遞，使其卡爪3 裝夾壓緊零件。

2.3 設計方案

對設計要求和技術方案進行整體探討，根據具體的內容提出了具體的設計方案和設計實例，通過設計優化和對設計理念的探討，得出本次的設計方案：

參閱圖2 至圖6（1 底座，2 旋轉盤，3 卡爪,4 蓋板，5 端蓋，6 彈簧，7 手柄，8 壓板，9 推桿，10 壓頭，11圓弧面）。在以下描述的實施例中，一種適用于多規格系列圓形零件快速裝夾的三爪卡盤裝置，包括：一具有環形圓槽的底座1 和內側三處均勻分布的圓弧面11 的旋轉盤2，其特征在于操作工人通過順時針轉動手柄7 帶動旋轉盤2 繞底座1 環形圓槽轉動，旋轉盤2 內側均勻分布的三處圓弧面11 對壓頭10 相接觸的圓弧面產生一種徑向擠壓力，擠壓推桿9 向中心進行擠壓力的傳遞運動，使得卡爪3 裝夾壓緊零件；當卡爪3 壓緊零件的時扭緊手柄7，手柄7 壓緊壓板8 的圓弧面使其與蓋板4 的外圓弧面接觸，這時旋轉盤2固牢，完成零件的裝夾過程。當零件加工完成后，松開手柄7，壓板8 的圓弧面與蓋板4 外圓面分開，逆時針轉動手柄7 帶動旋轉盤2 逆時針轉動，旋轉盤2 圓弧面11 受力解除自鎖狀態，這時在彈簧6 彈力的作用下，推桿9 帶動卡爪沿徑向一并向外運動，即卡爪松開零件。

圖2 快速裝夾三爪卡盤裝置的主視圖

圖3 俯視圖

圖4 局部示圖

圖5 旋轉盤2 的三維視圖

圖6 卡爪5、推桿9 和壓頭10 的組合三維視圖

本次設計與現有技術相比具有以下兩個優勢。

（1）結構簡單，裝夾操作便捷。本次設計采用手柄7 帶動旋轉盤2 內側三處均勻分布的圓弧面11 產生擠壓力來推動卡爪3 裝夾零件，該方式替代了原有采用傘齒帶動絲桿傳動的結構方式，減少了工人采用扳手來搬動絲桿的操作過程，縮短了裝夾時間，與原來的操作方式相比工作效率提高80%。

（2）制造成本低，裝夾安全更加穩定可靠。本次設計采用底座1 外螺紋與蓋板4 內螺紋進行連接，通過扳動手柄7 順時針轉動來帶動旋轉盤2 旋轉，旋轉盤2 內側均勻分布的三處圓弧面11 產生擠壓力，該擠壓力的特點均勻平穩，而且該旋轉盤2 上的三處圓弧面11 結構具有自鎖功能，裝夾安全可靠。當卡爪3壓緊零件的時候扭緊手柄7，手柄7 壓緊壓板8 的弧形面使其與蓋板4 的外圓弧面接觸，這時旋轉盤2 固牢，使得裝夾更加可靠安全。

2.4 軟爪裝置的設計與制作

在三爪卡盤的實際應用中，卡爪也是其主要組成部分，而在設計中同樣考慮到了卡爪的相關設計，探討配合設計的軟爪制作，具體可分為以下三個部分：

（1）活動三爪的選用。三爪的基本選型需要符合機床的基本需求。為了實現三爪的換取方便，符合安裝精度要求，先在三爪上加工出配合需要的平面和螺紋孔，加工中對表面的平面度和螺紋孔與調節裝置的同軸度有要求，這有利于后續的裝配。

（2）調節裝置的制作。本系列的三爪(軟爪)是通過可調節裝置將軟爪與卡盤上硬爪進行聯接的裝置。首先制造出調節裝置,再與固定的三爪進行焊接加工，其次在銑床進行半精加工，在磨床進行精加工等,以保證焊接后仍然具有較高的精度。在聯接的過程中通過螺釘進行固定，為防止加工過程中螺釘的松動,在聯接過程中增加了彈性墊圈和六角螺母等預緊件，對螺紋孔的配合同軸度要求較高。因此,可以大大提高零件夾持的定位精度。

（3）軟爪的設計與制作。軟爪的尺寸設計往往是基于實際應用而產生的，也就是根據零件種類的不同和尺寸的變化，軟爪尺寸也會變化。一般來說，首先應該選擇剛性好并且不易變形的材料，其次就是形狀確定，根據工件的具體形狀來設計軟爪結構，如根據零件的剛性要求制作成窄面和寬面的軟爪，用于加工薄壁的套簡類零件時選用寬面接觸的軟爪系列, 以增加接觸面積，減少加工后的變形。根據軸類零件和套簡類零件的結構不同，可制成內、外不同形式的軟爪，等等。而且要考慮到如工件的安裝和清理工作，確保軟爪能夠夾持到大部分的工件，避免平面螺紋漏出來，也會保證加工的精度和準度。

3 結論

在本次研究中，以新型三爪卡盤為設計對象，展開了區別于傳統設計的優化設計，在全新的設計中，以圓形器件作為主要目標對象更加便捷，可靠程度更高，也推動了相關領域的完善與發展。通過本次研究，也希望能夠推動展開研究的相關內容，進而促進相關領域的進步。