一種自落式卡盤扳手的機械設計*

王景磊，王鳳坤

(內蒙古工業大學 工程訓練教學部，內蒙古 呼和浩特 010051)

車床是工業制造的重要母機，為了滿足制造業發展的新需求，有關車床本體及其附件的改進與創新設計不斷涌現[1-4]，這類產品對提高車削加工精度和效率以及提升加工安全性發揮了重要的作用。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。卡盤扳手是用于調節卡盤上卡爪位置以實現對工件裝夾和定位的專用工具。傳統卡盤扳手結構簡單，造價低廉，使用方便，一直被廣泛應用。但是傳統卡盤扳手缺少必要的保護結構設計，容易出現因操作者的操作失誤或疏忽而造成人機損傷的嚴重后果。因此，為卡盤扳手設計保護結構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構主要分為報警式[5]、接觸通電式[6-7]、氣壓推動式[8]和機械結構調節式[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；機械結構調節式是指利用彈簧、凸輪、滑槽和棘輪等機械結構或配合實現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，所需器件較多較復雜，制造和使用成本偏高。氣壓推動式與機械結構調節式為直接保護裝置，但氣壓推動式結構復雜，維護成本較高；而機械結構式樣式多樣，設計靈活，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方向。

1 結構設計

本設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)、調節螺母和聯接套等6部分組成，其結構如圖1所示。

圖1 自落式卡盤扳手整體結構圖

卡盤扳手體的結構如圖2所示，其左端設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；其右端設計為四方頭，用于插入卡盤體上的四方內孔，以控制卡爪的開合；其中段設計為階梯軸結構，用于穿插彈簧，階梯軸左端軸肩用于定位彈簧，階梯軸右端設計為外螺紋，與調節螺母配合以調節彈簧的預彈力。

圖2 卡盤扳手體結構圖

滑套的結構如圖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。滑套內部中段的右側臺階用于定位彈簧，左側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，當此臺階與卡盤扳手體中段的左側軸肩貼合時，彈簧達到最大壓縮行程。滑套右端的外表面設計有外螺紋，用于與聯接套的內螺紋配合。在滑套外螺紋的根部設計有退刀槽。

圖3 滑套結構圖

聯接套的結構如圖4所示，聯接套內部設計有內螺紋，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滑動，當聯接套內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。聯接套用于保護調節螺母和卡盤扳手體上的外螺紋。

圖4 聯接套結構圖

調節螺母的結構如圖5所示，調節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，通過旋扭調節螺母可以控制彈簧的壓縮量，即調節彈簧的預彈力。

圖5 調節螺母結構圖

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的。使用時，首先旋扭調節螺母推動滑套向左側滑動進而壓縮彈簧，使彈簧產生一定程度的預彈力，預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。隨著彈簧的繼續變形，扳手體上的四方頭會繼續伸出聯接套外，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為輸出彈力；k為彈簧的彈性系數；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+x外

(2)

式中，x預為預彈力產生的變形量；x外為外加壓力作用下產生的彈性變形量。通過調節預彈力產生的變形量x預就可以控制扳手上四方頭的預伸出長度。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，扳手就會因彈簧預彈力產生的四方頭預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，決定著產品的性能和穩定性。壓縮彈簧的結構如圖6所示，其設計參數見表1。

圖6 壓縮彈簧設計圖

表1 壓縮彈簧參數

下述將對壓縮彈簧的強度和穩定性進行校核計算與分析[15]。

壓縮彈簧的節距一般按照式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，本設計中取1 mm；λmax為彈簧的最大壓縮變形量，根據表1中壓縮彈簧的參數，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，此計算數值完全可以滿足實際使用要求。

彈簧的彈性系數可由式4計算，即：

(4)

式中，C為彈簧旋繞比，可由式5計算，即：

(5)

根據表1中壓縮彈簧的參數，計算出k=0.9 N/mm。根據式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，此計算數值符合實際情況。

彈簧的螺旋升角可由式6計算，即：

(6)

根據表1中壓縮彈簧的參數，計算出α約為7°。

當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，彈簧受到的應力主要為扭矩和橫向力引起的剪應力，剪應力可由式7計算，即：

(7)

式中，K為曲率系數，其值可由式8計算，即：

(8)

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

經過校核發現，壓縮彈簧的強度和穩定性均符合要求。綜上所述，本壓縮彈簧的設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，第1組學生(3個班，總計105人)使用傳統型卡盤扳手，第2組學生(3個班，總計109人)使用自落式卡盤扳手，分別統計在3天時間內操作時飛出扳手的人數以及每天飛出扳手的人數，統計結果如圖8～圖10所示。使用傳統型卡盤扳手的105名學生在3天的實訓中共有13人出現飛出扳手的情況，約占總人數的12%，其中第1天出現6人，第2天出現4人，第3天出現3人。使用自落式卡盤扳手的109名學生在3天的實訓中只有4人出現飛出扳手的情況，約占總人數的4%，其中第1天出現2人，第2天未出現，第3天出現2人。從統計數據可以看到，使用自落式卡盤扳手的第2組學生出現飛出扳手的人數遠遠少于使用傳統型卡盤扳手的第1組學生，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構設計是科學合理的，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

另外，使用自落式卡盤扳手的學生中仍有個別人出現飛出扳手的情況，經調查發現這些學生自行調整了壓縮彈簧的預彈力，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，學生在夾緊工件后忘記取下扳手而發生開車時扳手飛出。

5 結語

自落式卡盤扳手的結構簡單巧妙，制造成本低，易于推廣使用，適用于各類生產企業和教學單位。壓縮彈簧是核心部件，調節壓縮彈簧的預彈力就可以控制扳手體上四方頭的預伸出長度，使用時依靠彈簧壓縮變形量的變化可以實現扳手從卡盤體上自動彈出脫落。所設計的壓縮彈簧安全可靠，穩定性高。經過實際使用和對比驗證發現，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。