一種自落式卡盤扳手的機械設(shè)計*

王景磊，王鳳坤

(內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 工程訓(xùn)練教學(xué)部，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051)

車床是工業(yè)制造的重要母機，為了滿足制造業(yè)發(fā)展的新需求，有關(guān)車床本體及其附件的改進與創(chuàng)新設(shè)計不斷涌現(xiàn)[1-4]，這類產(chǎn)品對提高車削加工精度和效率以及提升加工安全性發(fā)揮了重要的作用。在眾多車床附件中，卡盤扳手是保證車削加工安全性和可靠性的重要一環(huán)。卡盤扳手是用于調(diào)節(jié)卡盤上卡爪位置以實現(xiàn)對工件裝夾和定位的專用工具。傳統(tǒng)卡盤扳手結(jié)構(gòu)簡單，造價低廉，使用方便，一直被廣泛應(yīng)用。但是傳統(tǒng)卡盤扳手缺少必要的保護結(jié)構(gòu)設(shè)計，容易出現(xiàn)因操作者的操作失誤或疏忽而造成人機損傷的嚴(yán)重后果。因此，為卡盤扳手設(shè)計保護結(jié)構(gòu)從而提高使用安全性是十分必要的。

已有的卡盤扳手保護裝置或結(jié)構(gòu)主要分為報警式[5]、接觸通電式[6-7]、氣壓推動式[8]和機械結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)式[9-14]等類型。報警式保護是指若未將卡盤扳手從卡盤體上取下，則機床報警提示；接觸通電式保護是指使用卡盤扳手將工件夾緊之后，必須將扳手置于機床的特殊位置上，否則機床無法通電使用；氣壓推動式保護是指利用氣流推動作用使卡盤扳手與卡盤分離；機械結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)式是指利用彈簧、凸輪、滑槽和棘輪等機械結(jié)構(gòu)或配合實現(xiàn)卡盤扳手與卡盤體的分離。報警式與接觸通電式為間接式機電混合保護裝置，所需器件較多較復(fù)雜，制造和使用成本偏高。氣壓推動式與機械結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)式為直接保護裝置，但氣壓推動式結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維護成本較高；而機械結(jié)構(gòu)式樣式多樣，設(shè)計靈活，制造簡單，使用和維護成本低，適于推廣，是目前此類裝置的主要研發(fā)方向。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

本設(shè)計為一種自落式卡盤扳手，扳手可以在夾緊工件后自動從卡盤體上脫落，以防止扳手飛出傷人，達到保護操作者的目的。自落式卡盤扳手由扳手桿、扳手體、滑套、細彈簧(壓縮彈簧)、調(diào)節(jié)螺母和聯(lián)接套等6部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 自落式卡盤扳手整體結(jié)構(gòu)圖

卡盤扳手體的結(jié)構(gòu)如圖2所示，其左端設(shè)計有與扳手桿配合的通孔，由扳手桿施加力矩以夾緊或松開工件；其右端設(shè)計為四方頭，用于插入卡盤體上的四方內(nèi)孔，以控制卡爪的開合；其中段設(shè)計為階梯軸結(jié)構(gòu)，用于穿插彈簧，階梯軸左端軸肩用于定位彈簧，階梯軸右端設(shè)計為外螺紋，與調(diào)節(jié)螺母配合以調(diào)節(jié)彈簧的預(yù)彈力。

圖2 卡盤扳手體結(jié)構(gòu)圖

滑套的結(jié)構(gòu)如圖3所示，滑套套接于卡盤扳手體的中段階梯軸的外部，可以在卡盤扳手體外部滑動，彈簧就放置在滑套與卡盤扳手體中段的階梯軸之間。滑套內(nèi)部中段的右側(cè)臺階用于定位彈簧，左側(cè)臺階用于控制彈簧的最大壓縮變形量，即限制彈簧的最大壓縮行程，當(dāng)此臺階與卡盤扳手體中段的左側(cè)軸肩貼合時，彈簧達到最大壓縮行程。滑套右端的外表面設(shè)計有外螺紋，用于與聯(lián)接套的內(nèi)螺紋配合。在滑套外螺紋的根部設(shè)計有退刀槽。

圖3 滑套結(jié)構(gòu)圖

聯(lián)接套的結(jié)構(gòu)如圖4所示，聯(lián)接套內(nèi)部設(shè)計有內(nèi)螺紋，與滑套的外螺紋配合，可以與滑套連接后共同在卡盤扳手體外側(cè)滑動，當(dāng)聯(lián)接套內(nèi)部臺階面觸碰到卡盤扳手體中段的外螺紋端面時，四方頭伸出的長度達到最長。聯(lián)接套用于保護調(diào)節(jié)螺母和卡盤扳手體上的外螺紋。

圖4 聯(lián)接套結(jié)構(gòu)圖

調(diào)節(jié)螺母的結(jié)構(gòu)如圖5所示，調(diào)節(jié)螺母與卡盤扳手體上的外螺紋配合，其左端面與滑套的右端面貼合，通過旋扭調(diào)節(jié)螺母可以控制彈簧的壓縮量，即調(diào)節(jié)彈簧的預(yù)彈力。

圖5 調(diào)節(jié)螺母結(jié)構(gòu)圖

2 工作原理

卡盤扳手從卡盤體上的自動脫落是通過其核心部件——壓縮彈簧的彈力作用實現(xiàn)的。使用時，首先旋扭調(diào)節(jié)螺母推動滑套向左側(cè)滑動進而壓縮彈簧，使彈簧產(chǎn)生一定程度的預(yù)彈力，預(yù)彈力的大小取決于彈簧的壓縮程度。彈簧的壓縮會使卡盤扳手體上的四方頭伸出聯(lián)接套外一定的長度，但是此長度還不足以完全支持和滿足卡盤扳手的工作需要。在裝夾工件時，將已伸出一定長度的四方頭插入卡盤體上的內(nèi)四方孔后，還需要施加壓力向下按壓卡盤扳手桿使彈簧進一步壓縮變形。隨著彈簧的繼續(xù)變形，扳手體上的四方頭會繼續(xù)伸出聯(lián)接套外，這樣四方頭的伸出長度便可以滿足裝夾工件的要求。待裝夾完成之后，將施加于卡盤扳手桿上的外力去除，壓縮彈簧的變形量會減小，扳手上四方頭的伸出長度減小，這樣就不足以支撐扳手體，扳手就會從卡盤體上自動脫落。

壓縮彈簧輸出的彈力與其自身的壓縮變形量二者之間服從胡克定律，即：

F=kx

(1)

式中，F(xiàn)為輸出彈力；k為彈簧的彈性系數(shù)；x為彈簧的壓縮變形量。卡盤扳手的脫落與否是由扳手體上的四方頭插入卡盤體中的長度所決定的，而四方頭的伸出長度等于彈簧的壓縮變形量。彈簧壓縮的總變形量由兩部分組成，即：

x=x預(yù)+x外

(2)

式中，x預(yù)為預(yù)彈力產(chǎn)生的變形量；x外為外加壓力作用下產(chǎn)生的彈性變形量。通過調(diào)節(jié)預(yù)彈力產(chǎn)生的變形量x預(yù)就可以控制扳手上四方頭的預(yù)伸出長度。另外，使用自落式卡盤扳手時，只需要施加很小的外力就可以使四方頭繼續(xù)伸出足夠的長度以滿足裝夾工件的需要。外力去除后，扳手就會因彈簧預(yù)彈力產(chǎn)生的四方頭預(yù)伸出長度小于扳手正常工作所需的最短長度而自動彈出脫落。

3 壓縮彈簧的設(shè)計與校核

壓縮彈簧為自落式卡盤扳手的核心部件，決定著產(chǎn)品的性能和穩(wěn)定性。壓縮彈簧的結(jié)構(gòu)如圖6所示，其設(shè)計參數(shù)見表1。

圖6 壓縮彈簧設(shè)計圖

表1 壓縮彈簧參數(shù)

下述將對壓縮彈簧的強度和穩(wěn)定性進行校核計算與分析[15]。

壓縮彈簧的節(jié)距一般按照式3取得，即：

(3)

式中，Δ為最大變形時相鄰兩彈簧絲間的最小距離，一般不小于0.1d，本設(shè)計中取1 mm；λmax為彈簧的最大壓縮變形量，根據(jù)表1中壓縮彈簧的參數(shù)，計算出λmax為38.5 mm，即扳手體上四方頭的最大伸出長度可以達到38.5 mm，此計算數(shù)值完全可以滿足實際使用要求。

彈簧的彈性系數(shù)可由式4計算，即：

(4)

式中，C為彈簧旋繞比，可由式5計算，即：

(5)

根據(jù)表1中壓縮彈簧的參數(shù)，計算出k=0.9 N/mm。根據(jù)式1計算出彈簧處于最大壓縮變形時所受的外載荷約為35 N，此計算數(shù)值符合實際情況。

彈簧的螺旋升角可由式6計算，即：

(6)

根據(jù)表1中壓縮彈簧的參數(shù)，計算出α約為7°。

當(dāng)彈簧受到軸向壓力時，在彈簧絲的橫剖面上作用著扭矩、彎矩、切向力和法向力，由于彈簧螺旋角較小，所以彎矩和法向力可忽略不計，起主要作用的外力是扭矩和切向力。

從彈簧的強度校核的角度分析，彈簧受到的應(yīng)力主要為扭矩和橫向力引起的剪應(yīng)力，剪應(yīng)力可由式7計算，即：

(7)

式中，K為曲率系數(shù)，其值可由式8計算，即：

(8)

結(jié)合彈簧的旋繞比C，計算出在外載荷作用下彈簧發(fā)生最大壓縮變形時的剪應(yīng)力τ約為793 MPa，此數(shù)值小于65Si2MnWA材料的許用剪應(yīng)力[τ]≈931 MPa，因此本壓縮彈簧的強度滿足使用要求。

經(jīng)過校核發(fā)現(xiàn)，壓縮彈簧的強度和穩(wěn)定性均符合要求。綜上所述，本壓縮彈簧的設(shè)計完全滿足實際使用需要。

4 使用效果

自落式卡盤扳手的實物如圖7所示。為了檢驗自落式卡盤扳手在提高工件裝夾安全性方面的實際效果，筆者在日常教學(xué)活動中做了比較性的測試。隨機挑選6個自然班，分為2組，分別進行為期3天的車工實訓(xùn)，第1組學(xué)生(3個班，總計105人)使用傳統(tǒng)型卡盤扳手，第2組學(xué)生(3個班，總計109人)使用自落式卡盤扳手，分別統(tǒng)計在3天時間內(nèi)操作時飛出扳手的人數(shù)以及每天飛出扳手的人數(shù)，統(tǒng)計結(jié)果如圖8～圖10所示。使用傳統(tǒng)型卡盤扳手的105名學(xué)生在3天的實訓(xùn)中共有13人出現(xiàn)飛出扳手的情況，約占總?cè)藬?shù)的12%，其中第1天出現(xiàn)6人，第2天出現(xiàn)4人，第3天出現(xiàn)3人。使用自落式卡盤扳手的109名學(xué)生在3天的實訓(xùn)中只有4人出現(xiàn)飛出扳手的情況，約占總?cè)藬?shù)的4%，其中第1天出現(xiàn)2人，第2天未出現(xiàn)，第3天出現(xiàn)2人。從統(tǒng)計數(shù)據(jù)可以看到，使用自落式卡盤扳手的第2組學(xué)生出現(xiàn)飛出扳手的人數(shù)遠遠少于使用傳統(tǒng)型卡盤扳手的第1組學(xué)生，并且每天的情況亦是如此。這充分證明了自落式卡盤扳手的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計是科學(xué)合理的，使用這種扳手確實可以有效提高工件裝夾的安全性，充分保障車床操作者的安全。

圖7 自落式卡盤扳手實物圖

圖8 使用傳統(tǒng)型卡盤扳手

圖9 使用自落式卡盤扳手

圖10 每天飛出扳手人數(shù)

另外，使用自落式卡盤扳手的學(xué)生中仍有個別人出現(xiàn)飛出扳手的情況，經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)這些學(xué)生自行調(diào)整了壓縮彈簧的預(yù)彈力，使卡盤扳手體上的四方頭伸出長度過長，在裝夾工件時此長度已經(jīng)可以滿足支撐扳手體的需要，因此造成扳手沒有自動彈出，學(xué)生在夾緊工件后忘記取下扳手而發(fā)生開車時扳手飛出。

5 結(jié)語

自落式卡盤扳手的結(jié)構(gòu)簡單巧妙，制造成本低，易于推廣使用，適用于各類生產(chǎn)企業(yè)和教學(xué)單位。壓縮彈簧是核心部件，調(diào)節(jié)壓縮彈簧的預(yù)彈力就可以控制扳手體上四方頭的預(yù)伸出長度，使用時依靠彈簧壓縮變形量的變化可以實現(xiàn)扳手從卡盤體上自動彈出脫落。所設(shè)計的壓縮彈簧安全可靠，穩(wěn)定性高。經(jīng)過實際使用和對比驗證發(fā)現(xiàn)，使用自落式卡盤扳手可以有效提高工件裝夾的安全性，充分保障車床操作者的安全。