离心式弹性夹头的结构研究及力学计算

  夹具的结构工艺性更好，更安全。夹具既可在普通车床上使用，也可在数控车床及液压仿形车床上使用，特别适用于没有配备液压系统的经济型数控车床，但在进行此类夹具设计计算及结构设计时，应注意以下准则: 该类卡盘能进行工作的基本力学条件为m1r1L1>m2r2L2。因此，设计时应尽可能增大离心重块质量及动力臂长度，减小柱塞质量及阻力臂长度。 应保证离心重块在运动时其上下腔内的空气进出通畅。 为了能适应较大的工件直径范围，弹性夹头前端的内孔可设计成系列规格，而与拉杆的连接尺寸保持不变。
   
    对于盘套类零件，由于其粗加工和半精加工时的切削速度一般都很低，所以夹具的转速不是影响切削的主要矛盾，使用常规的液压卡盘就可满足加工的要求。但是，对此类零件进行精加工时，切削速度很高，常规的液压卡盘的动态夹紧力会随主轴转速的提高而锐减，并且，主轴转速的提高受安装于其尾部的液压缸的极限转速的制约。本文着重探讨采用杠杆增力机构的离心式弹性夹头的工作原理及力学计算。

1 工作原理

    王德云等所著《离心式夹具的结构研究与力学计算》（刊于《农业机械学报》1994年增刊）中 介绍了一种夹紧盘套类零件外圆的离心式弹性夹头，其工作原理为:夹具体以止口与车床法兰盘或主轴锥孔联结，工件以半精加工的外圆为基准，在间隙较小的条件下置入弹性夹头。当机床带动夹具开始旋转后，数只离心重块在离心力的作用下，绕销作逆时针方向摆动，其左端部压迫柱塞，柱塞继而压缩柔性介质，迫使拉杆带动弹性夹头左移。弹性夹头则受夹具体内锥孔的作用而产生变形，从而夹紧工件的外圆表面，此时便可以进行切削加工。加工完毕后机床主轴停止旋转，由于弹性夹头外锥体与夹具体锥孔之间为非自锁配合，所以弹性夹头会自动恢复变形而松开工件。但为防止夹具在高速旋转时可能发生的偶然事故，在重块的外部设置了防护罩。

    这种夹具的主要优点是结构较为紧凑，拉杆的后移机构简单可靠：缺点是，为了防止重块滑移可能发生的卡滞现象，需对重块与夹具体及销的相对运动部位提出较高的配合要求。离心体几何形状复杂，制造工艺性不好。

    一种采用杠杆增力的夹紧盘套类零件外圆的离心式弹性夹头，这种夹具是经改进设计的。其工作原理为:夹具体1 内装有数只可径向运动的圆柱形离心重块8，当机床带动夹具体开始旋转后，数只离心重块8 在离心力的作用下，沿径向向外移动，离心力通过杠杆5 作用于柱塞4，迫使柱塞4 向轴心方向运动，压缩柔性介质3，柔性介质推动拉杆2 向后移动。弹性夹头6 夹紧和松开工件9 的原理与上述夹具相同，在此不再赘述。

    这种夹具采用贯通式结构，质心半径可自动平衡。离心重块的几何形状改为圆柱体，加工工艺性好。采用浮动支点杠杆，夹具结构大大简化，加工要求低，结构紧凑，安全性好，工作可靠。

2 力学计算

    通过建立力学模型并经力学分析，如果忽略柔性介质和杠杆产生的离心力，则离心式弹性夹头在工作状态下拉杆的轴向拉力为 F=[m1r1 L1 -m2r2]w2 （d12-d22）

（1）式中：m1——离心重块和堵块的合成质量，kg
m2——柱塞的质量，kg
r1——离心重块与堵块的合成质心至回转中心的距离，m
r2——柱塞的质心至回转中心的距离，m
w——车床主轴的旋转角速度，rad/s
L1——杠杆的动力臂长度，m
L2——杠杆的阻力臂长度，m
d——柱塞直径，m
d1——拉杆大端直径，m
d2——拉杆中间部分直径，m
夹紧力可通过下式计算得出 Fj= F 2tg（a+f）

（2） 式中：a——弹性夹头圆锥角之半，rad或（°）
            f——弹性夹头锥面与夹具体锥孔之间的摩擦角，rad或（°）
           其驱动工件的力矩T可用下式表达 T= µFD 2tg（a+f）

（3） 式中：µ——弹性夹头内孔与工件表面之间的摩擦因数 D——工件被夹持部分的直径，m

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