直面四爪卡盘的设计与分析*

李华强，刘 江

(内蒙古工业大学 机械学院，内蒙古 呼和浩特 010051)

0 引言

卡盘是机床常用的夹具，不需进行找正就可准确确定工件的加工位置并保证工件位置不发生变化，从而保证工件的加工精度，稳定产品质量，提高劳动生产率，降低生产成本，扩大机床工艺范围，改善工人劳动条件。

目前机床用于夹持方形零件的卡盘主要包括改进卡爪的三爪自定心卡盘、四爪单动卡盘和四爪自定心卡盘。改进卡爪的三爪自定心卡盘通过在卡爪和工件之间添加不同厚度的垫片来实现夹持不同尺寸的方形工件，该方式夹持不可靠，存在较大的安全隐患，调整安装复杂，效率低，对工人的技术水平要求高。四爪单动卡盘夹紧力大，夹持可靠并可夹持异形工件，但夹持方形工件时需调整4个卡爪的移动量使工件中心与顶尖同轴，调整费时费力，对工人的技术水平要求高，效率低。四爪自定心卡盘与单动四爪卡盘相比，能够自定心，不需对卡爪进行调整，但卡爪与工件的接触面积小，夹持脆性材料单晶硅时易发生碎裂现象。为满足方形单晶硅机械加工装夹与定位的要求，本文在原四爪自定心卡盘的基础上改进了卡爪的结构，将卡爪设计为直面宽卡爪结构。

1 直面四爪卡盘结构设计

根据单晶硅自身的特性和加工工艺的要求，在原四爪自定心卡盘工作原理的基础上改进卡爪，将原卡爪的功能通过滑座和直面卡爪两个结构来实现，如图1所示。直面四爪卡盘主要由盘体1、压盖2、盘丝3、伞齿轮4、滑座5、直面卡爪6等构成，其中滑座与盘丝配合实现径向滑动,直面卡爪安装在滑座上,通过设计卯榫结构定位螺栓连接,实现自定心夹持方形工件；直面卡爪爪面宽度是滑座宽度的3倍，还可根据需要增加相应的宽度。

2 直面四爪卡盘部件设计

2.1 盘体设计

盘体是卡盘的基础零件，盘体最大的中心孔俗称“止口”，卡盘通过止口和端面进行定位，采用螺钉连接的方式与机床过渡盘相连，如图2所示。根据盘体受力的特点，选用高强度、耐磨性好的材料HT300。

1-伞齿轮；2-盘体；3-压盖；4-盘丝；5-滑座；6-直面卡爪

图2 盘体结构

2.2 伞齿轮与盘丝设计

伞齿轮与盘丝的两轴相交90°，两者传动方式为直齿锥齿轮传动。滑座牙弧与盘丝渐开线的配合是自定心卡盘的核心，卡盘实现自定心要求与滑座配合环槽的曲线具有等进性和等距性。等进性是指盘丝转过一定角度，4个卡爪的移动距离相同；等距性是指盘丝转动一圈，卡爪移动的距离为定值。通过理论分析与计算可知，盘丝曲线采用渐开线，滑座牙弧为圆柱面可同时满足等进性和等距性两个要求。根据伞齿轮与盘丝承载能力和传动结构特点均选用材料40Cr，伞齿轮结构和盘丝结构分别如图3和图4所示。

图3伞齿轮结构图4盘丝结构

2.3 滑座和直面卡爪设计

根据滑座和直面卡爪的结构特性和使用要求，滑座材料选用40Cr，选取合金结构钢20CrMnTi作为直面卡爪的材料，材料属性如表1所示。滑座结构和直面卡爪结构分别如图5、图6所示，通过卯榫结构配合，起到精确定位和受载的作用。

表1 40Cr和20CrMnTi材料属性

图5滑座结构图6直面卡爪结构

3 滑座与直面卡爪有限元分析

由于滑座和直面卡爪直接与负载接触,又是本次设计的创新点,当直面卡爪夹持最大的工件时，滑座与盘丝接触的牙弧只有3个，同时直面卡爪承受最大夹紧力,因此以滑座与直面卡爪为研究对象，利用UG_CAE模块对其进行有限元分析,分析改进的滑座与直面卡爪在实际应用中能否满足使用要求。

3.1 边界条件分析

直面卡爪夹持工件，工件对直面卡爪的反作用力垂直于直面卡爪的表面，直面卡爪主要沿长度方向发生变形，所以滑座前3个牙弧小圆柱面的自由度全部固定，滑座的工字结构与盘体接触的表面除去沿长度方向移动的自由度之外，其他自由度都需固定。

3.2 施加载荷分析

单个卡爪上的夹紧力F计算公式为:

F=2KM/(nDf).

(1)

其中：K为安全系数，取K=3；M为切削力矩，N·m；n为卡盘卡爪数，n=4；D为两卡爪间距，D=90 mm；f为工件与支承面的摩擦因数，f=0.1。

本文以工件在切削过程中的最大切削力矩为100 N·m进行分析。将数值代入式(1)计算得：F=16.67 kN。

将17 kN的载荷分别施加在4个直面卡爪上。

3.3 接触分析

滑座与直面卡爪卯榫配合，接触面无任何切向相对滑动，所以在接触面之间添加等效面对面粘合的仿真对象约束。

3.4 有限元分析结果

有限元分析得到的滑座与直面卡爪应力云图和应变云图分别如图7、图8所示。

由图7和图8可知：滑座与直面卡爪整体结构最大应力发生在直面卡爪上,且最大应力为492.28 MPa，最大应变为0.16 mm。直面卡爪的屈服极限为835 MPa，取安全系数为1.5,求得材料的许用应力为556.67 MPa>492.18 MPa,可见滑座与直面卡爪的强度与刚度满足设计要求。

图7滑座与直面卡爪应力云图图8滑座与直面卡爪应变云图

4 结语

针对光伏产业方形单晶硅片机械加工中对夹具的要求，在四爪自定心卡盘的基础上，改变卡爪结构，实现夹持方形零件并具有一定夹持范围与定位精度的直面四爪卡盘。利用UG_CAE模块，分析了滑座与直面卡爪在受到最大作用力时结构也能满足强度要求，表明设计是合理的。