一種自落式卡盤扳手的機(jī)械設(shè)計(jì)*

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(jī)，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(jìn)與創(chuàng)新設(shè)計(jì)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)?？ūP扳手是用于調(diào)節(jié)卡盤上卡爪位置以實(shí)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(jià)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(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，容易出現(xiàn)因操作者的操作失誤或疏忽而造成人機(jī)損傷的嚴(yán)重后果。因此，為卡盤扳手設(shè)計(jì)保護(hù)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(hù)裝置或結(jié)構(gòu)主要分為報(bào)警式[5]、接觸通電式[6-7]、氣壓推動(dòng)式[8]和機(jī)械結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)式[9-14]等類型。報(bào)警式保護(hù)是指若未將卡盤扳手從卡盤體上取下，則機(jī)床報(bào)警提示；接觸通電式保護(hù)是指使用卡盤扳手將工件夾緊之后，必須將扳手置于機(jī)床的特殊位置上，否則機(jī)床無法通電使用；氣壓推動(dòng)式保護(hù)是指利用氣流推動(dòng)作用使卡盤扳手與卡盤分離；機(jī)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(jī)械結(jié)構(gòu)或配合實(shí)現(xiàn)卡盤扳手與卡盤體的分離。報(bào)警式與接觸通電式為間接式機(jī)電混合保護(hù)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(dòng)式與機(jī)械結(jié)構(gòu)調(diào)節(jié)式為直接保護(hù)裝置，但氣壓推動(dòng)式結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維護(hù)成本較高；而機(jī)械結(jié)構(gòu)式樣式多樣，設(shè)計(jì)靈活，制造簡單，使用和維護(hù)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(jì)

本設(shè)計(jì)為一種自落式卡盤扳手，扳手可以在夾緊工件后自動(dòng)從卡盤體上脫落，以防止扳手飛出傷人，達(dá)到保護(hù)操作者的目的。自落式卡盤扳手由扳手桿、扳手體、滑套、細(xì)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(jì)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(jì)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(jì)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(jì)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(dòng)，彈簧就放置在滑套與卡盤扳手體中段的階梯軸之間?；變?nèi)部中段的右側(cè)臺(tái)階用于定位彈簧，左側(cè)臺(tái)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(tái)階與卡盤扳手體中段的左側(cè)軸肩貼合時(shí)，彈簧達(dá)到最大壓縮行程。滑套右端的外表面設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)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(dòng)，當(dāng)聯(lián)接套內(nèi)部臺(tái)階面觸碰到卡盤扳手體中段的外螺紋端面時(shí)，四方頭伸出的長度達(dá)到最長。聯(lián)接套用于保護(hù)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(dòng)脫落是通過其核心部件——壓縮彈簧的彈力作用實(shí)現(xiàn)的。使用時(shí)，首先旋扭調(diào)節(jié)螺母推動(dòng)滑套向左側(cè)滑動(dòng)進(jìn)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(huì)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(shí)，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(jìn)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(huì)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(huì)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(huì)從卡盤體上自動(dòng)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?？ūP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(shí)，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(huì)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(dòng)彈出脫落。

3 壓縮彈簧的設(shè)計(jì)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(jì)參數(shù)見表1。

圖6 壓縮彈簧設(shè)計(jì)圖

表1 壓縮彈簧參數(shù)

下述將對壓縮彈簧的強(qiáng)度和穩(wěn)定性進(jìn)行校核計(jì)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(shí)相鄰兩彈簧絲間的最小距離，一般不小于0.1d，本設(shè)計(jì)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(jì)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(dá)到38.5 mm，此計(jì)算數(shù)值完全可以滿足實(shí)際使用要求。

彈簧的彈性系數(shù)可由式4計(jì)算，即：

(4)

式中，C為彈簧旋繞比，可由式5計(jì)算，即：

(5)

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

彈簧的螺旋升角可由式6計(jì)算，即：

(6)

根據(jù)表1中壓縮彈簧的參數(shù)，計(jì)算出α約為7°。

當(dāng)彈簧受到軸向壓力時(shí)，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(jì)，起主要作用的外力是扭矩和切向力。

從彈簧的強(qiáng)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(jì)算，即：

(7)

式中，K為曲率系數(shù)，其值可由式8計(jì)算，即：

(8)

結(jié)合彈簧的旋繞比C，計(jì)算出在外載荷作用下彈簧發(fā)生最大壓縮變形時(shí)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(qiáng)度滿足使用要求。

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

4 使用效果

自落式卡盤扳手的實(shí)物如圖7所示。為了檢驗(yàn)自落式卡盤扳手在提高工件裝夾安全性方面的實(shí)際效果，筆者在日常教學(xué)活動(dòng)中做了比較性的測試。隨機(jī)挑選6個(gè)自然班，分為2組，分別進(jìn)行為期3天的車工實(shí)訓(xùn)，第1組學(xué)生(3個(gè)班，總計(jì)105人)使用傳統(tǒng)型卡盤扳手，第2組學(xué)生(3個(gè)班，總計(jì)109人)使用自落式卡盤扳手，分別統(tǒng)計(jì)在3天時(shí)間內(nèi)操作時(shí)飛出扳手的人數(shù)以及每天飛出扳手的人數(shù)，統(tǒng)計(jì)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(shí)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(shí)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(jì)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是科學(xué)合理的，使用這種扳手確實(shí)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(shí)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(gè)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(shí)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(dòng)彈出，學(xué)生在夾緊工件后忘記取下扳手而發(fā)生開車時(shí)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(shí)依靠彈簧壓縮變形量的變化可以實(shí)現(xiàn)扳手從卡盤體上自動(dòng)彈出脫落。所設(shè)計(jì)的壓縮彈簧安全可靠，穩(wěn)定性高。經(jīng)過實(shí)際使用和對比驗(yàn)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。