一种内置式弹簧顶尖与端面定位弹性卡头液压夹紧卡盘.pdf

2 0 1 4年 1 1 月 第 4 2卷 第 2 2期 机床与液压 MACHI NE TO0L HYDRAUUCS NO V ． 2 0 1 4 Vo 1 ． 4 2 No ． 2 2 DO I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 4 ． 2 2 ． O 1 1 一 种内置式弹簧顶尖与端面定位弹性卡头液压夹紧卡盘 葛便京 ，段华荣 ，赵一荣 ，易良均 ，张岑 1 ．中国一拖集团有限公司工艺材料研究所，河南洛阳4 7 1 0 0 4 ； 2 ．中国第一拖拉机股份有 限公 司第四装配厂 ，河南洛阳 4 7 1 0 0 4 摘要 介绍一种结构紧凑的内置式弹簧顶尖与端面定位弹性卡头液压夹紧卡盘 ，可以增加机床加工工件的长度 ，进行 精确的轴向和径向定位，夹紧力稳定 、可靠 ，并用实例说明了卡盘的应用效果。 关键词卡盘；端面定位；弹簧顶尖 ；弹性卡头；液压夹紧 中图分类号T G 7 文献标识码B 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 4 2 2 0 4 0 4 A Bu i l d- i n Hy dr a ul i c Cl a mp i n g Ch uc k Po s i t i o ni ng wi t h S pr i ng To p a n d En d f a c e a nd Cl a mp i n g wi t h El a s t i c Co l l e t G E B i a n j i n g ，D U A N H u a r o n g ，Z H A O Y i r o n g ， Y I L i a n g j u n ， Z H A N G C e n 1 ． T e c h n o l o g y a n d Ma t e r i a l I n s t i t u t e ， C h i n a F i r s t T r a c t o r G r o u p L t d ． ， L u o y a n g H e n a n 4 7 1 0 0 4 ，C h i n a ； 2 ． F o u r t h A s s e m b l y P l a n t ， F i rs t T r a c t o r C o m p a n y L t d ． ， L u o y a n g H e n a n 4 7 1 0 04 ，C h i n a Ab s t r a c t A c o mp a c t h y d r a u l i c c l a mp i n g c h u c k wa s i n t r o d u c e d， p o s i t i o n i n g w i t h b u i l d i n s p ri n g t o p a n d e n d - f a c e ，c l a mp i n g w i t h e l a s t i c c o l l e t ．Us i n g t h i s c h u c k，t h e l e n h o f t h e w o r k p i e c e ma c h i n e d wa s i n c r e a s e d，t h e a x i a l a n d r a d i a l p o s i t i o n i n g wa s mo r e p r e - c i s e，a n d t h e c l a mp i n g f o r c e Was mo r e s t a b l e a n d r e l i a b l e ．T h e n e x a mp l e s we r e u s e d t o i l l u s t r a t e t h e e ff e c t o f t h e印p l i c a t i o n o f t h e c h u c k ． Ke y wo r d s C h u c k ；E n d - f a c e p o s i t i o n i n g ；S p ri n g t o p；E l a s t i c c o l l e t ；Hy d r a u l i c c l a mp i n g 卡盘是机械加工中广泛应用的定位夹紧装置，其 种类也是多种多样 ，最 常见 的有 自动定心的手动夹紧 三爪卡盘、自动定心的液压夹紧三爪卡盘、中心孔定 位离心卡爪夹紧卡盘、四爪卡盘等。这些卡盘定位可 靠，使用方便，被广泛使用。轴类零件是常见的机械 零件，在制造过程中经常用到卡盘，为了保证轴类零 件的加工精度，在有的轴类零件的两端制有用于定位 的中心孔 。 利用顶尖进行中心孔定位有两种情况，即顶尖轴 向位置固定的固定顶尖定位和顶尖轴向位置可以移动 的活动顶尖定位 。固定顶 尖 的结 构简 单 ，由 图 1 知 ， 用固定顶尖定位时，顶尖在工作过程中与机床主轴的 轴向位置不变，被加工零件的轴向位置随零件 中心孔 大小改变，中心孔大，顶尖进入中心孔的长度大，由 于顶尖的位置不变，因此如果零件端面在主轴孔外 ， 则零件与主轴端面的轴 向距离越小 ，如果零件端面在 主轴孔内，则零件与主轴端面的轴向距离越大；反 之，中心孔小，顶尖进人中心孔的长度小，由于顶尖 的位置不变，因此如果零件端面在主轴孔外，则零件 与主轴端面的轴向距离越大 ，如果零件端面在主轴孔 内，则零件与主轴端面的轴向距离越小。因此使用固 定顶尖不能进行轴向定位。 1 一工件 卜 卡盘 3 ～轴向定位顶尖4 一机床主轴 图 1 用中心孔进行轴向定位误差示意图 由图 1知，轴向定位顶尖 3安装在机床主轴孔 内，使用轴向定位顶尖定位时，工件 1 用轴向定位顶 尖 3 定位后 ，用卡盘 2夹紧，然后开始加工。虽然轴 向定位顶尖 3在机床主轴 4的孔中的位置是固定的， 轴向定位顶尖在工作过程中与机床主轴的轴向位置不 变，但是工件 1的轴向位置随零件中心孔大小改变。 中心孔小时，顶尖进入中心孔的长度小，被加工零件 的右端面远离机床主轴端面，和机床主轴端面的距离 是 L ；中心孔大时，顶尖进人中心孔的长度大 ，被 加工零件的右端面靠近机床主轴端面，和机床主轴端 面的距离是 ￡ ， L ≠ 。由此可知，仅利用中 C ,qL 和 顶尖时，被加工零件的右端面在机床上的轴向位置不 收稿 日期 2 0 1 31 l 一 0 4 作者简介葛便京 1 9 6 6 一 ，男，工学硕士，高级工程师，主要从事齿轮制造技术研究与实践。Em a i l g e b i a n j i n g 1 63 ．t o m。 4 2 机床与液压 第4 2卷 锥孔夹紧锥面；右端部设置有用以安装轴向定位座的 本体螺纹 ，本体螺纹为内螺纹。 2 ． 2 轴向定位径向弹性夹紧组件工作原理 轴向定位径向弹性夹紧组件的作用是 对工件进 行轴向定位、夹紧或松开工件 ，是该卡盘 的关键组 件。如图3 所示 ，轴向定位径向弹性夹紧组件包括 轴向定位套 1 、定位套压紧螺钉 2 、弹性卡头 3 、轴 向定位座 1 O 、夹 紧拉爪 1 1 。其 中轴 向定位 座上设 置 有定位座螺纹 l O b ，通过定位座螺纹与本体螺纹将轴 向定位座设置在本体右端面上，定位座螺纹上设置有 定位座 圆周方 向定位孔 l O g ，在轴 向定 位座右端 的法 兰外圆上，与定位座圆周方向定位孔圆周方向一致的 位置设置有标记号 l O h ；且在轴向定位座上设置有供 夹紧拉爪的拉爪通过以便拉动弹性卡头夹紧工件的3 个通槽 l O a 。图g为轴向定位座的三维视图。 1 0 轴 向定位 座通 槽 l 0 h 一 定位 座螺 纹 1 O c - - 轴向定位套 安装 螺纹 孔 l O d 一轴向定位 套安装 面 l O e 一定位座内孔 1 O 卜 本体安装端面 l O 窖 _ 一 定位座圆周 方 向定位 孔 1 0 h 一 记号 图4 轴向定位座立体示意图 轴向定位套 1 通过定位套压紧螺钉2固定在轴向 定位座左端的轴向定位套安装面 l O d上 ；弹性卡头 3 左端部设置具有内孔 3 a的弹性卡头夹紧锥面 3 c ，弹 性卡头夹紧锥面为外锥面，弹性卡头夹紧锥面与本体 夹紧锥面配合，具有内孔收缩夹紧工件的工位，或弹 回变大松开工件的工位；弹性卡头左端设置有以便在 夹紧时内孔能够收缩变小的 6个开口槽 3 b ，右端部 设置有 3个勾槽 3 e ，3个勾槽与夹紧拉爪的拉钩相 扣 ，弹性卡头具有在夹紧拉爪带动下向右移动时内孑 L 收缩、夹紧工件的工位 ，并具有在夹紧拉爪带动下向 左移动时内孑 L 回弹变大、松开工件的工位。图5为弹 性卡头 的三维视图。 3 a -- 弹 性卡头 夹 紧孔 3 1 r - - 开 口槽 3 -- - 弹 性 卡头 夹紧锥面 3 d --弹性卡头定位槽 3 r 弹性卡头铸槽 3 f “ - - 弹性卡头拉钩 3 窖 一槽 口 图 5 弹性卡头立体示意图 夹紧拉爪 1 1 左端部设置有3个拉爪 1 l a ，右端设 置有外螺纹 1 l c ，拉爪顶端设置有拉钩 1 l b ，拉爪通 过轴向定位座上的 3个通槽 l O a至轴向定位座的左 端，与弹性卡头右端的3个勾槽 3 e 连接。图 6为夹 紧拉爪 的三维视图 。 C l l a 一 拉 爪 1 l b _ - 夹紧拉爪拉钩 l 1 c 一 连接 螺纹 图 6夹 紧拉爪立体不意 图 2 ． 3 连接组件工作原理 连接组件的作用是将 机床配备 的夹 紧油缸 的动作 传递给轴向定位径向弹性夹紧组件。如图3所示，连 接组件包括连接套筒 1 2 、连接套筒支撑环紧定螺 钉 l 3 、连接套筒支撑环 1 4和连接螺母 1 5 。连接套筒 左端部和右端部都设置有内螺纹 ，左端部的内螺纹与 拉爪右端的外螺纹丝扣连接 ，右端部的内螺纹与连接 螺母丝扣连接；连接螺母上设置有外螺纹和内螺纹， 外螺纹与连接套筒右端部的内螺纹丝扣连接，内螺纹 通过拉杆与机床配备的夹紧油缸连接；支撑着连接套 筒在机床主轴孔中移动的连接套筒支撑环通过连接套 筒支撑环紧定螺钉 固定在连接套筒 的外 圆上 。 2 ． 4弹性 顶 尖组件 工作 原理 弹性顶尖组件的作用是，对工件进行径向定位并 通过弹性顶尖的移动实现轴向定位。如图3 所示，弹 性顶尖组件包括弹簧压紧圈 l 6 、弹簧套筒右支撑 环 l 7 、蝶形弹簧 l 8 、弹簧导向杆 1 9 、弹簧套筒 2 0 、 轴承 2 1 、轴承挡圈 2 2 、弹簧套筒左支撑环 2 3 、压紧 螺钉 2 4和弹性顶尖 2 5 。 弹簧套筒左端部和右端部都设置有内螺纹，右端 部的内螺纹设置有弹簧压紧圈；弹簧压紧圈上设置有 导杆孔和排气孔；对蝶形弹簧进行导向的弹簧导向杆 右端设置在弹簧压紧圈的导杆孔内；蝶形弹簧成组套 置在弹簧导向杆上；轴承为推力球轴承 ，减少对蝶形 弹簧摩擦的推力球轴承设置在蝶形弹簧左面；轴承挡 圈右端设置有导杆孔，弹簧导向杆左端设置在轴承挡 圈的导杆孔内；压紧螺钉设置在固定于弹簧套筒左端 部 的内螺纹 中内孔 中；顶 尖右端设置在压紧螺钉 内孔 中；弹簧套筒左支撑环和弹簧套筒右支撑环通过过盈 配合分别固定在弹簧套筒左右端外圆上。 3 内置式卡盘的组装方法 3 ． 1 紧定螺钉孔对正组装 将轴向定位座通过定位座螺纹和本体螺纹装到本 体上 ，使本体上的轴向定位座安装端面和轴向定位座 上的本体安装端面贴紧，目测检查轴向定位座上的记 号是否与本体上的弹性卡头紧定螺钉孔和轴向定位座 紧定螺钉孔在圆周方向同一直线上，如果在一条直线 上 ，说明定位座紧定螺钉和弹性卡头紧定螺钉可以对 第 2 2期 葛便京 等一种内置式弹簧顶尖与端面定位弹性卡头液压夹紧卡盘 4 3 轴向定位座和弹性卡头进行紧定；否则弹性卡头紧定 螺钉和定位座紧定螺钉起不到紧定作用，需要对本体 或轴向定位座进行补充加工，使轴向定位座上的记号 与本体上的弹性卡头紧定螺钉孔和轴向定位座紧定螺 钉孔在圆周方 向同一直线上 。 测量 出记号与弹性卡头 紧定螺钉孑 L 和轴 向定位座 紧定螺钉孔所在直线按螺纹旋入方 向相差的角度 -O 单位 。 ，按以下公式计算补充加工尺寸 ．s S f T 0 ／ 3 6 0 其 中 为本体螺纹和定位座螺纹 的螺距 。 对本体上的轴向定位座安装端面和轴向定位座上 的本体安装端面进行补充加工，补充加工尺寸为 S ； 或对本体上的轴向定位座安装端面和轴向定位座上的 本体安装端面均进行补充加工 ，补充加工总尺寸为 s 。 补充加工后 ，重复上述步骤 ，直至轴 向定位座上 的记号与本体上的弹性卡头紧定螺钉孔和轴向定位座 紧定螺钉孔在圆周方向同一直线上。 3 ． 2 轴向定位径 向弹性 夹紧组件 和法兰定位安装 组件的组装 将轴 向定位座通过定位座螺 纹和本体螺纹装 到本 体上 ，使本体上的轴向定位座安装端面和轴向定位座 上的本体安装端面贴紧。 在本体上的轴向定位座紧定螺钉孔处装上定位座 紧定螺钉 。 在轴 向定位座 上通过轴向定 位套 安装螺纹孑 L 用定 位套压 紧螺钉装上轴 向定位套 。 将夹紧拉爪的3个拉爪穿过轴向定位座上开的 3 个通槽 。 将弹性卡头装人本体 内，使夹紧拉爪上的3个拉 钩插入弹性卡头上的 3 个供夹紧拉爪拉钩通过的槽 口。 转动弹性卡头，使夹紧拉爪拉钩进入弹性卡头钩 槽 ，即夹紧拉爪拉钩与弹性卡头拉钩相扣。 在本体上的弹性卡头紧定螺钉孔处装上弹性卡头 紧定螺钉 ，完成夹 紧部分 的装 配。 用本体固定螺钉在本体的本体固定螺钉孔处和连 接盘 的本体 固定螺 纹孔处装 上连接盘 ，完成 轴向定位 径 向弹性夹 紧组 件和法兰定位安装组件的组装 。 3 ． 3 连接组件的组装 在连接套筒的外圆上套上连接套筒支撑环，并用 连接套筒支撑环紧定螺钉进行固定。在连接套筒的右 端装上连接螺母 ，完成连接组件的组装。 3 ． 4弹性顶尖组件的组装 在弹簧套筒的左端装上弹簧套筒左支撑环，在弹 簧套筒的右端装上弹簧套筒右支撑环，并装上弹簧压 紧圈。 将弹簧导向杆右端插入弹簧压紧圈的导杆孔内。 依次成组将蝶形弹簧装在弹簧套筒内的弹簧导向 杆上 。 将轴承装在弹簧套筒内的弹簧导向杆上。 装上轴承挡圈，使弹簧导向杆左端插入轴承挡圈 右端部的导杆孔内。 通过螺纹装上压紧螺钉。 将弹性顶尖的右端插入压紧螺钉的内孔 ，完成 弹 性 顶尖组件的组装 。 3 ． 5 内置式卡 盘合 体 的组装 将弹性 顶尖的左端即顶尖端插入组 装好 的轴向定 位径向弹性夹紧组件的轴向定位座的定位座内孔。 从弹性顶尖组件的右端装上连接组件，将连接套 筒左端的内螺纹装到夹紧拉爪上的连接螺纹上，完成 内置式盘的装配。 3 ． 6 内置式卡盘与机床的组装 将内置式卡盘的右端放人机床的主轴孔内，并使 连接盘安装螺钉孔对准机床主轴端面上的螺纹孔，用 安装螺钉将内置式卡盘安装固定到机床上。 从机床主轴后端装上拉杆，与随机床配置的夹紧 油缸连接在一起 ，完成 内置式卡盘的组装 。 4使 用效 果 文中所述的内置式卡盘，由于采用弹性顶尖，定 位时顶尖回缩，端面定位套位置固定不变，因此在用中 , C f L 进行径向定位的同时，可以实现精确的轴向定位。 文 中所述 的内置式卡盘 ，由于采用了轴 向定位径 向弹性夹 紧组件 ，用通过轴 向定位座上 的槽 的夹紧拉 爪上的拉钩拉动弹性卡头，使弹性卡头内孔收缩，从 而夹紧工件 ，这样就将端面定位组件和夹紧组件组成 一 体，既实现了轴向定位，又实现了液压夹紧，消除 了人工夹紧 或离 心卡 爪 夹紧 时夹 紧力 大小 的不确 定 性 ，夹紧力稳定、可靠，并且结构紧凑。 文中所述的内置式卡盘 ，通过采用嵌套结构，将 弹性顶尖嵌套在连接套筒内，使卡盘安装后大部分位 于机床主轴孔内，伸出主轴端面长度小，占用机床导 轨长度小 ，因此可以有效利用机床导轨长度，增加机 床 的 加 工 范 围。 图 7 所示 为 卡 盘 在 冷 滚 轧 机床 上 的 安 装 使 用 情 况 ，可 以看 出卡盘 在机床主轴端面伸 出 的长度很小 ，使原设 计加 工 工 件 最 大 长 度 只有 1 0 0 0／ T h r n的机床 可以加工工件长度达 1 1 0 0 mm。 图7 卡盘在机床上的使用情况 文中所述的内置式卡盘 ，采用机械制造行业的普 通材料 ，其制造方法为通用的机械制造工艺，易于制 作、安装 ，具有很好的使用价值。