陶瓷管工件回轉夾緊裝置的研制

吳小邦

（常州機電職業技術學院，江蘇 常州 213164）

陶瓷管工件回轉夾緊裝置的研制

吳小邦

（常州機電職業技術學院，江蘇 常州 213164）

研制一陶瓷管零件的夾緊裝置，采用氣動和雙向軟夾頭形式，可柔性夾緊長度很短的脆性零件；獨特的內置式氣缸和皮帶輪結構，使軸向尺寸十分緊湊。

彈性軟夾頭 內置氣缸

江蘇宜興某陶瓷有限公司生產一種陶瓷管，材料為Al2O3壓鑄成型，為大批量生產。其中一種零件尺寸如圖1所示。該件在壓鑄成型后，需加工小端面及孔口倒角，其內腔中部要加工成形，所以需設計一小型專機。在此專機中的核心部件是工件定心夾緊裝置的設計。

1 夾緊裝置結構設計構思

在整個專機設計中，陶瓷管的夾緊裝置設計是關鍵，它關系到研制工作的成敗。在夾緊裝置設計過程中筆者主要從以下三個方面考慮：

（1）針對材料易夾碎的特點，宜采用氣動夾緊，氣缸推動彈簧夾頭定心夾緊，且彈簧夾頭應設計成軟爪形式，以防止夾傷工件。

（2）由于工件長度短，其中夾緊面長度只有32 mm，裝置的長度方向應設計緊湊，氣缸需設計成內置式結構，同時設計一內置式傳動皮帶輪帶動工件旋轉。活塞不隨軸頭旋轉，軸頭的回轉和活塞的移動由推力軸承隔開。

（3）從工件尺寸看，磨削頭應從工件大孔處進入，這樣就設計成兩端進刀加工，也便于刀架布置，所以是一種雙向夾頭形式。

（4）夾緊布置方式：考慮到工件材料在加工時呈粉末狀，工件安裝于箱體內應保持在垂直方向，使加工時的粉塵靠重力落下，并通過集塵裝置帶走。

所以該裝置的總體形式為雙向氣動軟夾頭裝置，整體結構裝配于一箱體內，箱體可固定在支架上，刀架、電動機及工件定位機構也布置在支架上。箱體內的軸頭，由固聯在上的皮帶輪帶動，軸頭內布置彈簧夾頭，由內置氣缸提供夾緊力。具體機械結構見圖2。

氣缸從A口進氣后推動活塞2向下運動，再通過推力軸承6壓向軸頭3內孔中的活動錐套4，活動錐套的內錐面推壓彈簧夾頭5的上錐面，使彈簧夾頭向下移動，從而使其下錐面靠向下面固定錐套9的內錐面，這樣兩端收緊彈簧夾頭，從而夾緊其中的陶瓷管工件。在工件兩端面和內孔加工完畢后，從B口進氣使活塞向上，同時彈簧11頂開活動錐套和推力軸承，松開彈簧夾頭，陶瓷管10靠自重落下（陶瓷管的軸向由外氣缸定位，在圖中未畫）。這里活塞的移動和軸頭的轉動由推力軸承隔開。為防止夾頭中未放工件時操作人員誤操作使活塞2向下，導致彈簧夾頭的變形加大而影響使用壽命，裝置中還設置了限位支釘7。

2 彈簧夾頭設計

在夾緊裝置中，彈簧夾頭的設計最為關鍵，因為如夾頭設計剛性過大，會夾不緊工件；剛性過小則易夾碎工件。設計中為防止夾傷工件表面，彈簧夾頭內孔中鑲嵌了6條聚四氟乙稀條料，采用一種軟夾頭夾緊形式。彈簧夾頭體用65Mn鋼淬火并經定性處理，內孔磨削后用線切割加工6條軸向通槽，嵌入6條聚四氟乙稀條料后再車削內孔，再用電火花在兩端面始加工徑向各三條半通槽，依靠夾頭變形夾緊工件。夾頭結構如圖3所示。

經過材料壓力試驗，在工件夾緊長度上的壓力應控制在280～320 N，超出該范圍會出現壓碎現象。所以應合理選擇彈簧夾頭的參數，精確計算徑向夾緊力。根據圖3中的參數標注，設計過程如下：

（1）計算徑向夾緊力W

式中：Q為軸向作用力（氣缸輸出力），N；R為夾爪的變形阻力，N；α為彈性夾爪錐角之半，（°）；φ1為彈性夾爪與套筒間的摩擦角，（°）；φ2為彈性夾爪與工件間的摩擦角，（°）。

從上可知夾爪的變形阻力R需進一步計算。

（2）計算夾爪的變形阻力R

因夾爪直徑較小，又要均布加工6條軸向通槽，如果僅從一邊3條考慮，夾爪瓣數取為3，夾爪的變形阻力R′為

式中：n為夾爪瓣數；α1為彈性夾爪每瓣所占扇形角之半，rad；K為系數，和夾爪瓣數n有關，如取n=3，K=6 000；n=6，K=400；Δ為夾爪與工件的徑向間隙（直徑方向），mm；h為夾爪彎曲部分的厚度，mm，為（D-d）/2；l為夾爪的根部至錐面中點的距離，mm；E為材料彈性模量，MPa。

因夾頭的結構是雙向夾緊的，另一方向還開有3條半通槽，則變形阻力會大幅減小。如圖3設夾爪總長為L，另一方向的半通槽留邊量為b，則變形阻力變為原來的b/L，所以：

這里要說明的是：

①夾緊時實際和工件直接接觸的是聚四氟乙稀條料，有微小的緩沖作用，所以實際夾緊力比理論計算值要小；

②為了保證彈簧夾頭的正常工作，避免產生殘余變形，故擴張量不應超過定值Δdx（Δdx=0.05dx，dx為工件直徑）。在本例中，夾頭內孔設計值為φ20.mm（圖4），而工件最小為φ20.2 mm（圖1），故Δdxmax=0.373 mm。

（3）活動錐套和固定錐套的設計

影響彈簧夾頭定心精度的主要因素是彈簧夾頭本身的制造精度。另外從圖3的結構圖中可看出，夾頭兩端的收緊要靠固定錐套和活動錐套的移動，這兩個零件的精度也間接影響到定心精度。主要有下列幾點要注意：

①為保證兩端夾緊長度盡量長，夾頭應在頭部夾緊陶瓷管工件，所以錐套內錐孔的角度要比夾頭的外錐角稍大一些。這里內錐角取為31°，夾頭外錐角2α取為30°（見圖4）。

②二錐套的外圓和錐孔要保證同軸，否則會造成夾緊后的中心偏移。

③固定錐套的內錐、活動錐套的外圓和內錐要有較高的硬度，同時要能承受一定的沖擊載荷，所以采用20Cr鋼滲碳淬火處理。

（4）彈簧的設計

考慮到工作頻率很高（約15 s動作一次），彈簧須有較高的疲勞強度，可選用材料50Cr VA油淬火回火45 HRC左右。從圖2中可看出，從B口進氣使活塞向上，同時彈簧11向上頂開活動錐套和推力軸承，松開彈簧夾頭。彈簧力須克服摩擦阻力（活動錐套和軸頭之間、活塞和活塞缸之間）及活動錐套、推力軸承和活塞的重量。所以彈簧設計時要考慮較大的剛度，它抵消了一部分氣缸的推力。設計時要依據上述計算公式調整變形阻力R和彈簧剛度，使產生的徑向夾緊力W（兩端）不超過320 N。計算氣缸產生的軸向力Q時，計算壓強取為0.5 MPa時系統較為穩定。

3 夾緊裝置的應用前景

該雙向夾緊裝置在專用機床上有較好的應用前景，如用于需兩端加工的軸類工件的定心夾緊。其獨特的內置式氣缸和皮帶輪結構，使軸向尺寸十分緊湊；采用氣動和軟夾頭結構形式，可柔性夾緊脆性工件，且夾緊力可調，便于自動化控制。如工件長度再短，可考慮采用一個滾動軸承的布置方式；如要求夾緊力較大，可采用液壓夾緊，機械結構形式不變。

[1]楊黎明.機床夾具設計手冊[K].北京：國防工業出版社，1996.

[2]劉守勇.機械制造工藝與機床夾具[M].北京：機械工業出版社，2000.

作者：吳小邦，男，1962年生，高級工程師，副教授，從事工藝及裝備的設計和教學工作。

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One Development of Rotary Clamp Equipment of Ceramic Pipe Workpiece

WU Xiaobang
（Changzhou Institute of Mechatronic Technology，Changzhou 213164，CHN）

Development clamp equipment of ceramic pipe part with form of pneumatic and double direction flexible collet，it may clamp flexibly very short brittle part in length.It make very compact in axis direction dimension with inimitable built-in cylinder and structure of strap wheel.

Elasticity Flexible Collet；Built-in Cylinder

（編輯 譚弘穎） （

2009-07-30）

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