一种新型摩擦楔块式外圆磨削自动夹具设计

林钰珍 陈澜 邓玉娟 徐文俊 徐建亮

摘要：设计了一种摩擦楔块式外圆磨削自动夹具，采用液压驱动头、尾架顶尖顶紧工件，由一个电机驱动楔块式夹具即可实现自动夹紧工件、带动工件回转和自动松开工件多重功能，结构简单、紧凑，为外圆磨床提供了一种新型、高效的自动化夹具。

关键词：楔块式；自动夹紧；自动松开；外圆磨床

引言

磨削加工作为一种高精度加工技术，对零件的加工质量和装配精度有着非常重要的影响。实际加工时，外圆磨所消耗的劳动量和可能达到的精度与装夹方式及夹具的定心精度有很大关系。传统外圆磨床一般头架上安装有拨杆，装夹前先给工件套上鸡心夹头，将工件和夹头一起安装到磨床的头、尾架顶尖上，调整好头架拨杆与鸡心夹头的角向位置，通过拨杆带动鸡心夹头和工件一起回转。上述这种装夹方式不仅不利提高装夹精度和加工精度，也不利于推动外圆磨削的自动化高效生产。

近几年，随着自动化生产浪潮的兴起，国内相关学者和企业也对外圆磨床头架展开了一系列地研究工作。上海机床厂有限公司的郭静静，左旭芬[1]设计了一种可自动夹紧工件的外圆磨床头架，采用B-208型中空强力卡盘将液压油提供给头架卡盘的轴向力转化成径向力带动卡爪径向运动来夹紧工件，然后尾架顶尖顶紧工件，最后通过电机驱动卡盘和工件回转。浙江大学台州研究院的王维锐[2]设计的外圆磨床自动夹具由夹紧套、滚子架、滚子和防护盖组成，初始时滚子位于夹紧套内表面楔形槽的大端，装夹时头、尾架顶尖顶紧工件，通过电机驱动夹紧套回转并带动滚子向楔形槽的小端滚动，使工件、滚子和夹紧套形成一个整体，工件跟随夹紧套旋转，停车后滚子回到楔形槽大端使工件与夹具分离。合肥华兴机器人有限公司的汪军、钱康[3]发明了一种带浮动盘的外圆磨床自动三爪卡盘，浮动盘有间隙地安装在头架顶尖上，沿浮动盘圆周均布有三个卡爪，装夹时采用头、尾架顶尖顶紧工件，拨动卡爪并借助卡爪内扭转弹簧的弹簧力限制工件的切线运动，最后通过电机带动浮动卡盘、卡爪和工件一起回转。上述研究成果拓展了外圆磨床夹具的设计思路，存在的不足之处有：第一种外圆磨床夹具虽然提高了自动化程度，却增加了液压驱动部分使夹具结构变得复杂不利于旧设备的改造，另外，夹具在设计时未考虑解决过定位问题。后两种夹具依靠滚子或渐开线卡爪与工件之间的预紧力来夹紧工件，装夹时如果不给工件额外施加反向阻力，滚子或卡爪与工件之间就不会产生足够的预紧力，磨削过程中可能会产生滑移，同理，松开时如果不给工件额外施加反向阻力夹具可能会一直夹紧工件。

随着现代装备制造业的快速发展，企业对加工生产效率和加工精度的要求不断提高，特别是自动化加工的需求日益迫切。为了适应这些需求，国内急需开发研制高效、自动化和高精密化的新型外圆磨床夹具。

1 设计思路

国内大部分企业希望通过对外圆磨床的传统式夹具系统进行结构改造实现外圆磨削工序的自动化生产。本文在设计电机驱动式外磨夹具前充分分析了外圆磨自动夹具的研究近况并总结其存在的不足之处，然后以传统外圆磨床头架结构为基础展开设计。电机驱动式外磨夹具由一个电机便可驱动夹头可靠地夹紧和松开工件，因此不需要给外圆磨床头架额外配置液压或气动装置。

2 电机驱动式外圆磨床自动夹具的结构

夹具结构见图1（a）、（b）所示，总共有37种零件。连接法兰1和定位法兰9分别通过螺钉2和螺钉4与机床头架8的带轮和机体固定，中间套筒10用螺钉与定位法兰9连接，左端盖3通过螺钉与中间套筒10连接，轴承定位环17安装在花键内套筒19内孔右侧，成套滚针轴承14安装在花键内套筒19内，隔垫6分别抵住成套滚针轴承14内圈的左端和右端，并将成套滚针轴承14定位在顶尖5上，轴承定位套筒7抵住成套滚针轴承14外圈的左端，花键内套筒19的螺纹孔与左端盖3的螺纹孔对齐，内锥弹簧12套在花键内套筒19外圆上，外锥弹簧11安装在中间套筒10和花键内套筒19之间，弹簧定位片13套在花键内套筒19上并抵住内锥弹簧12右侧，六角螺母15通过螺纹紧固在花键内套筒19上其左侧抵住弹簧定位片13，隔垫16固定在中间套筒10和花键内套筒19之间，右端盖18通过螺钉与中间套筒10固定，止动环20卡在头架顶尖5卡环槽内，述零部件通过止动环20定位在顶尖5上。

滚针轴承35套在支撑环定位套筒34上，支撑环定位套筒34内嵌在支撑环25安装孔内，支撑环定位套筒34内孔过盈联接楔环26，止动环23卡入楔环26卡槽，定位套筒22套在楔环26上，其左侧抵住花键内套筒19，滚针轴承21安装在头架顶尖5和楔环26之间，止动环24卡在顶尖5卡环槽内并抵住滚针轴承21，楔环26通过外花键与内花键套筒19连接，隔垫33套在头架顶尖5上其左抵住楔环26的内端面，止动环24卡在顶尖5卡环槽内并抵住隔垫33，支撑环25用螺钉37与连接法兰1固定。

复位弹簧28一端压入弹簧套29，另一端压入楔块32的弹簧孔内，拨环27的拨销孔与楔块32的拨销孔对齐，通过拨销30和拨销螺母31使楔块32连接在拔环27上，3个楔块32分别嵌入楔环26的3个槽内，拨环27通过螺钉36与支撑环25固定。

3 夹具的工作原理

图2所示为夹具关键部件—夹头夹持工件的示意图。磨削外圆工件时，首先头、尾架顶尖由液压油提供驱动力将工件顶紧，砂轮靠近工件，启动机床头架电机和砂轮电机，电机带动机床头架上的带轮8转动，带轮带动连接法兰1、支撑环25、拨环27和拨销30转动（转动方向为图2逆时针方向），拨销30转动時并带动3个楔块32沿楔环26斜面向下滑移，复位弹簧28预加的载荷可以保证楔块斜面始终与楔环斜面保持接触。由于图1（a）中的内锥弹簧12和外锥弹簧11胀紧在中间套筒10和花键内套筒19之间会对楔环26产生摩擦力矩，加上砂轮磨削工件对工件及楔块产生磨削力矩，促使楔块32继续沿楔环26的斜面移动直至楔块逐渐楔紧在楔环斜面和工件之间，楔块便夹紧工件并带动工件一起回转。

加工完毕时，砂轮退出工件，砂轮电机停止转动，机床头架电机带动带轮8、连接法兰1、支撑环25和拨环27反向转动（图3顺时针方向），电机反转瞬间内锥弹簧12和外锥弹簧11产生的摩擦力矩使楔环26不动，楔块32沿着楔环26的斜面槽向上滑移，工件即被松开。

4 总结

针对外圆磨工序自动化生产的技术改造和外圆磨床的发展设计了一种可自动夹紧和松开工件的外圆磨削自动夹具。磨削外圆工件时，夹具采用顶尖顶紧和夹头夹紧的方式来夹持工件，头架顶尖穿入夹具内部，头、尾架顶尖由液压油提供驱动力将工件顶紧，保证工件的同轴度；电机带动头架带轮转动，带轮带动连接法兰、支撑环和拨环转动，进而带动拨环上的3个楔块沿楔环斜面移动，通过楔块的微小移动实现工件的自动夹紧，不仅节省夹紧时间，提高操作效率，还提高了装夹精度。

夹具采用楔块自动夹紧方式代替现有常见的手动卡盘和液压驱动卡盘，且夹紧工件、松开工件和带动工件回转均由同一电机驱动，结构简单、紧凑，为外圆磨床提供了一种新型、高效的自动化夹具。

参考文献：

[1] 郭静静，左旭芬- 卡盘自动夹紧头架的结构设计及分析[J]- 精密制造与自动化，2014（1）：21-24

[2] 浙江大学台州研究院.外圆磨床自动夹紧和松开圆形工件的夹具[P].2012-07-25.

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[10] 王龙山，李国发- 磨削过程模型的建立及其計算机仿真[J]- 中国机械工程，2009，13（1）：3-3

第一作者：

林钰珍（1984——），女，浙江金华，硕士，讲师。