三爪卡盤的設(shè)計及應(yīng)力分析

三爪卡盤的結(jié)構(gòu)設(shè)計及應(yīng)力分析小組成員：

XXXX,XXX,XXX研究背景

隨著工業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展，車床已經(jīng)遍布各個工業(yè)領(lǐng)域。而作為車床的核心部件之一的卡盤，是我們值得研究的部分。

“卡盤”是機床上用來夾緊工件的機械裝置。通常安裝在車床、外圓磨床和內(nèi)圓磨床上使用，也可與各種分度裝置配合，用于銑床和鉆床上。從卡盤爪數(shù)上面可以分為：兩爪卡盤，三爪卡盤，四爪卡盤，六爪卡盤和特殊卡盤。從使用動力上可以分為：手動卡盤，氣動卡盤，液壓卡盤，電動卡盤和機械卡盤。我們這里主要研究普遍常用的三爪卡盤：三爪卡盤是機床上用來夾緊工件的機械裝置。利用均布在卡盤體上的活動卡爪的徑向移動，把工件夾緊和定位的機床附件。由爪盤體、小錐齒輪、大錐齒輪（另一端是平面螺紋）和三個卡爪組成。三個卡爪上有與平面螺紋相同螺牙與之配合，三個卡爪在爪盤體中的導槽中呈120°均布。爪盤體的錐孔與車床主軸前端的外錐面配合，起對中作用，通過鍵來傳遞扭矩，最后用螺母將卡盤體鎖緊在主軸上。

國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

隨著現(xiàn)代切削加工技術(shù)向高效率、高精度、高安全性以及柔性加工方向發(fā)展，對機床及其夾緊裝置提出了高轉(zhuǎn)速、高精度、高可靠性和柔性化的要求。在機床中，卡盤是最常用的工件夾緊裝置，一般由卡盤體、活動卡爪和卡爪驅(qū)動機構(gòu)組成，卡爪驅(qū)動機構(gòu)驅(qū)動均布在卡盤體上的活動卡爪徑向移動，將工件夾緊和定位在機床主軸上。它是機床主軸和工件之間的連接部件，機床主軸的轉(zhuǎn)速、扭矩和旋轉(zhuǎn)精度通過卡盤傳遞給工件。

為了適應(yīng)切削加工技術(shù)高速化發(fā)展的需求，國內(nèi)外各大機床產(chǎn)商對卡盤進行了多方面的研究和改進，取得了許多研究成果，擁有了核心產(chǎn)業(yè)化技術(shù)，并形成了知識產(chǎn)權(quán)體系。1.傳統(tǒng)手動三爪卡盤

手動三爪卡盤由卡盤體、活動卡爪和卡爪、驅(qū)動機構(gòu)組成。三爪卡盤上三個卡爪導向部分的下面，有螺紋與碟形傘齒輪背面的平面螺紋相嚙合，當用扳手通過四方孔轉(zhuǎn)動小傘齒輪時，碟形齒輪轉(zhuǎn)動，背面的平面螺紋同時帶動三個卡爪向中心靠近或退出，用以夾緊不同直徑的工件。用在三個卡爪上換上三個反爪，用來安裝直徑較大的工件。三爪卡盤的自行對中精確度為0.05-0.15mm。

三爪自定心卡盤利用三個螺釘，通過盤體止口端面上的螺孔，將卡盤緊固在機床法蘭上。將扳手插入任一齒輪方孔中，轉(zhuǎn)動扳手時，小齒輪帶動盤絲轉(zhuǎn)動，通過盤絲端面螺紋的轉(zhuǎn)動，帶動三塊卡爪同時趨進或離散。常見三爪卡盤種類2.液壓卡盤

液壓卡盤使人能有更多的精力和時間來解決機床以外的復(fù)雜問題，更能進一步發(fā)展卡盤機床和卡盤系統(tǒng)。數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)創(chuàng)新，對于機床液壓卡盤起到了極其重大的作用。它能夠收容大量信息，對各種信息進行儲存、分析、處理、判斷、調(diào)節(jié)、優(yōu)化、控制。

液壓卡盤還具有重要功能，如：工夾具數(shù)據(jù)庫、對話型編程、刀具路徑檢驗、工序加工時間分析、開工時間狀況解析、實際加工負荷監(jiān)視、加工導航、調(diào)節(jié)、優(yōu)化，以及適應(yīng)控制。3.電動卡盤

電動卡盤是一個相當重要的配件，它主要用于對工件的夾緊，它是一套設(shè)備與一個工件之間的連接點。而隨著時代的發(fā)展，刀具的質(zhì)量不斷的提高，機床轉(zhuǎn)速也已經(jīng)逐漸進入了高速的行列，特別是十二五時期，轉(zhuǎn)變經(jīng)濟增長方式這一主基調(diào)的確定，與之相關(guān)的核心生產(chǎn)技術(shù)應(yīng)用與研發(fā)必將成為業(yè)內(nèi)企業(yè)關(guān)注的焦點。

而在數(shù)控機床中，動力卡盤是一個相當重要的配件，它主要用于對工件的夾緊，它是一套設(shè)備與一個工件之間的連接點。而隨著時代的發(fā)展，刀具的質(zhì)量不斷的提高，機床轉(zhuǎn)速也已經(jīng)逐漸進入了高速的行列，面對這一切，動力卡盤也面臨著越來越嚴峻的挑戰(zhàn)，只有提高自己的質(zhì)量，才可以適應(yīng)或者滿足整個市場的需求。4.氣動三爪卡盤氣動二爪卜盤是l打標準三爪卡盤改裝的。其工作原理如下:壓縮空氣、活塞、推桿)法蘭一齒條)齒輪(四方連接)小傘齒、大錐齒、卡腳法蘭上裝有齒條一根、光桿二根、成三等分布置,齒條用來傳動齒輪,光桿作導向之用。1.卡盤領(lǐng)域全球?qū)＠暾垹顩r

本文中的專利申請數(shù)據(jù)截至2014年4月，全球?qū)＠暾埖臋z索在世界專利索引數(shù)據(jù)庫（WPI數(shù)據(jù)庫）中進行，國內(nèi)專利申請的檢索在中國專利數(shù)據(jù)檢索系統(tǒng)（CPRS數(shù)據(jù)庫）中進行。根據(jù)全球?qū)＠暾埩?，可將卡盤領(lǐng)域全球?qū)＠l(fā)展過程分為四個階段：1975年之前的起步發(fā)展階段、1975-1989年的第一增長階段,1990-1999年的回落階段、2000-2014年的第二增長階段。2.卡盤領(lǐng)域中國專利申請狀況

截至2014年4月卡盤領(lǐng)域中國專利申請總量為2969項，其中發(fā)明為僅1086項，占總量的37%，而實用新型為1883項，占總量的63%?？梢姡趪艺男麄骱头龀窒?，雖然有了一定的專利申請量，但主要以實用新型申請為主，發(fā)明申請所占比例較小，申請質(zhì)量有待進一步的提高。申請專利情況3.最新專利申請

德國雄克（SCHUNK）公司的專利申請EP1844886A1公開了一種用于夾緊工具的夾緊裝置，包括基體，在基體中設(shè)置有容納工具柄的中心容納部以及圍繞容納部的環(huán)形空間，該環(huán)形空間向安裝有工具的一側(cè)的端面打開，并通過蓋子封閉，蓋子被置入并被夾緊在環(huán)形空間中；蓋子緊挨工具柄的一側(cè)內(nèi)壁有環(huán)槽，環(huán)槽中有密封環(huán)，且環(huán)槽與液體輸送通道相連，液體通過液體輸送通道輸送給環(huán)槽，并向內(nèi)擠壓密封環(huán)，使密封環(huán)緊貼在工具柄的周圍，以此能有效密封蓋子和工具柄之間的縫隙，抵御碎屑等雜物的進入環(huán)形空間，還能有效地阻止液體從縫隙泄露。當需要更換工具時，液壓減小，密封環(huán)由于彈性恢復(fù)力而回復(fù)到其起始位置，密封環(huán)的內(nèi)直徑大于工具的柄直徑，因此工具柄置入容納部中時不會損傷密封環(huán)。該申請的卡盤通過液壓和密封環(huán)共同作用有效地密封了卡盤縫隙，使卡盤在使用過程中保持高精度性能。設(shè)計研究內(nèi)容

三爪卡盤主要有手動、氣動、液動、電動等類型，這里主要針對手動三爪卡盤的結(jié)構(gòu)組成，對其進行建模設(shè)計及應(yīng)力分析。三爪卡盤實物圖三爪卡盤組成零件（拆開）

（1）基本結(jié)構(gòu):

三爪卡盤由卡盤體、卡盤爪、轉(zhuǎn)盤、以及驅(qū)動機構(gòu)組成。三爪卡盤上三個卡盤爪導向部分的下面，有螺紋與碟形傘齒輪背面的平面螺紋相嚙合，當用扳手通過四方孔轉(zhuǎn)動小傘齒輪時，碟形齒輪轉(zhuǎn)動，背面的平面螺紋同時帶動三個卡爪向中心靠近或退出，用以夾緊不同直徑的工件。用在三個卡爪上換上三個反爪，用來安裝直徑較大的工件。

（2）工作原理：

三爪自定心卡盤利用三個螺釘，通過盤體止口端面上的螺孔，將卡盤緊固在機床法蘭上。將扳手插入任一齒輪方孔中，轉(zhuǎn)動扳手時，小齒輪帶動盤絲轉(zhuǎn)動，通過盤絲端面螺紋的轉(zhuǎn)動，帶動三塊卡爪同時趨進或離散。1.三爪卡盤的結(jié)構(gòu)組成和工作原理2.三爪卡盤的性能優(yōu)缺點優(yōu)點：

（1）利用三爪卡盤進行加工夾緊時，能實現(xiàn)快速的定位，對精度要求不高工件進行快速加工；

（2）使用細牙螺釘對三爪卡盤的移動副進行限位并緊固，使加工時工件具有很強的自鎖性，防止位移產(chǎn)生誤差；

（3）三爪卡盤具有很好的密封性，加工時能有效防止碎屑進入卡盤的移動副，避免影響工作。缺點：

（1）在使用三爪卡盤裝夾工件時，前端不受力，只是后端受力，使工件裝夾不穩(wěn)加工困難。造成卡盤前端磨損嚴重，后端磨損較輕；

（2）定心誤差變大，在進行工件裝夾后徑向圓跳動明顯，容易產(chǎn)生位移現(xiàn)象，難以達到加工精度的要求，從而造成返工現(xiàn)象，極大降低加工的工作效率。

另外，三爪卡盤對可加工的工件種類有限，主要進行棒類，盤套，六角棱形等類的加工，對于方形等工件的加工不易進行。而且對于工件的尺寸也有一定的限制。三爪卡盤實體建模一、繪制零件

1.卡盤基座卡盤基座2.卡盤爪卡盤爪3.轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)盤4.加力螺釘5.加力桿6.后蓋二、實體裝配

插入各零件、打開坐標軸進行配合，最終效果圖，如下圖所示。1.裝配體內(nèi)部結(jié)構(gòu)（拆了后蓋）2.裝配體外部結(jié)構(gòu)裝配體外部結(jié)構(gòu)三爪卡盤