新型调心卡爪式外圆磨自动夹头设计

目前实际应用的外圆磨床头架结构其工件的夹紧定位及回转运动方式主要有2种[1]：①采用头、尾架顶尖顶紧工件，手动调整三爪卡盘夹紧工件，通过电机驱动卡盘转动来带动工件回转；②头架上安装有拨杆，装夹前先给工件套上夹头，将工件和夹头一起安装到磨床的头、尾架顶尖上，调整好头架拨杆与夹头的角向位置，通过拨杆带动夹头和工件一起回转。这2种方式当头、尾架顶尖顶紧工件后，工件的5个自由度即被限制，再用卡盘卡爪或鸡心夹头夹紧工件都会对工件产生过定位，如果卡爪或拨杆的回转轴线与头、尾架顶尖的回转轴线不重合势必造成磨削时工件的偏心转动。因此，上述装夹方式不仅不利于提高装夹和加工精度，也不利于推动外圆磨削的自动化高效生产。

外圆磨床自动夹头的设计难点主要集中在简化夹具结构的同时还能可靠地夹紧和松开工件，并解决过定位问题。课题组设计的新型外圆磨床自动夹头带有调心卡爪结构，通过3个卡爪的径向移动实现夹紧、松开工件和调整卡爪回转中心的目的。课题组对磨削时夹头的受载情况进行了分析，利用Creo建立夹头的简化模型，并利用ADAMS软件完成了夹头与工件同心和偏心转动2种情况下夹头夹紧和松开工件过程的仿真测试，结果显示夹头满足预期设计效果。

1 夹头结构

夹头结构如图1所示。拨盘1上圆周均布有3个拨销孔，3个调心卡爪4的中部设有腰型槽结构，拨销7穿入卡爪腰型槽并与拨销螺母8拧紧,将3个卡爪安装在拨盘1上，且卡爪可以相对拨盘做径向运动。楔盘3上均布有3个斜面槽结构，调心卡爪4嵌在楔盘3的3个斜面槽内，卡爪中部安装有弹簧套5和弹簧6保证调心卡爪4的斜面始终与楔盘3槽的斜面保持接触。拨盘1通过螺钉2与支撑盘10固定，支撑盘10通过轴承套筒13、滚针轴承12安装在楔盘3的外圆上，通过挡圈14确定支撑盘10在楔盘3的轴向位置。整套夹头通过滚针轴承20安装在顶尖9的外圆上，定位套15和挡圈16确保夹头在顶尖9的轴向位置，支撑盘10通过螺钉11与电机驱动部件连接，楔盘3与外套筒19之间安装有胀紧的外锥弹簧18和内锥弹簧17，外套筒19通过螺钉连接固定在机床头架上，整套夹头的自重基本由磨床头架承担。

1—拨盘；2—螺钉；3—楔盘；4—调心卡爪；5—弹簧套；6—弹簧；7—拨销；8—拨销螺母；9—顶尖；10—支撑盘；11—螺钉；12—滚针轴承；13—轴承套筒；14—挡圈；15—定位套；16—挡圈；17—内锥弹簧；18—外锥弹簧；19—外套筒；20—滚针轴承。
图1 夹头结构
Figure 1 Structure of chuck

2 夹头工作原理

装夹时将外圆工件放入3个卡爪内，由头、尾架顶尖顶紧工件，使砂轮靠近工件，启动机床头架电机，电机带动夹头的支撑盘10和拨盘1沿图1(b)逆时针方向转动，初始楔盘受内、外锥弹簧的胀紧力作用而静止不动，3个调心卡爪4在拨销7的作用下随拨盘1转动，并沿楔盘3槽的斜面向下移动。卡爪上设计的腰型槽可以满足卡爪一边随拨盘转动一边沿拨盘径向运动的需求，直至3个卡爪均与工件外圆接触并夹紧工件再使拨盘、卡爪、楔盘和工件成为一个整体一起转动。

磨削过程中若拨盘的回转轴线与头、尾架顶尖的回转轴线不重合，3个卡爪可以其沿腰型槽方向也就是拨盘径向作微小的位移调整，使卡爪的回转轴线与头、尾架顶尖的回转轴线重合。解决过定位问题。

磨削结束后，机床头架电机驱动支撑盘和拨盘沿图1(b)顺时针方向转动，初时楔盘受内、外锥弹簧的胀紧力作用而静止不动，3个调心卡爪在拨销的作用下跟随拨盘转动和沿楔盘槽的斜面向上移动，卡爪即与工件脱开。

3 夹头载荷分析

磨削过程中夹头受电机驱动并受到来自砂轮的磨削力矩Mt和来自内、外锥弹簧的摩擦力矩M1作用。

3.1 磨削力矩Mt

砂轮对工件的切向磨削力[2-3]

(1)

式中：k为与材料有关的系数，铬钢k=205 kg/mm2；ω为砂轮宽度，ω=70 mm；d为磨粒间隔，d=0.54 mm；ε为切削系数，ε=0.25；ap为磨削深度，ap=0.01 mm；vs为砂轮圆周速度，vs=4.5×103 mm/s；vw为工件圆周速度，vw=2πnr/60≈325 mm/s(n为工件转速，n=100 r/min)；r为磨削段工件半径，r=31 mm；R为砂轮半径，R=250 mm。

则砂轮对工件的磨削力矩

Mt=Ft×r=23 157 N·mm。

3.2 摩擦力矩M1

图2所示为磨削时拨销(拨盘)、楔盘、工件与一个卡爪之间的受力简图。O点为工件回转中心，F为拨销(拨盘)作用在卡爪上的驱动力；N1和μN1分别为楔盘作用在卡爪上的正压力和摩擦力，楔盘与卡爪的摩擦因数μ=0.15；L1为楔盘与卡爪之间的力作用点到工件回转中心的距离；N2和μN2分别为工件作用在卡爪上的正压力和摩擦力，卡爪与工件的摩擦因数μ=0.15；工件被夹持轴段的半径r′=15 mm；楔盘槽斜面与水平面的夹角α=5°；工件作用在卡爪上的正压力的偏置角β=5°。

图2 卡爪受力简图
Figure 2 Force diagram of claw

磨削时，3个卡爪作用在工件上的驱动力矩应大于砂轮对工件的磨削力矩，即

3μN2r′≥Mt。

(2)

根据卡爪受力平衡有

(3)

将Mt值代入公式(2)，并根据公式(3)计算得

N1=N2≥3 430.66 N。

因此，内、外锥弹簧对楔盘的摩擦力矩满足

M1=3(μN1cos α+N1sin α)×L1≥128 733 N·mm

4 ADAMS仿真

为了研究拨盘回转轴线与工件(顶尖)回转轴线重合和不重合2种情况下卡爪夹紧工件和松开工件的动态过程，运用ADAMS软件对夹头进行仿真。

4.1 导入简化模型

由于在磨削过程中拨盘、支撑盘、拨销、拨销螺母和螺钉做相同的运动，在图1(b)基础上省略支撑盘和螺钉，同时增加一外圆半径r′为31 mm的轴段(工件)，初始时刻3个卡爪与工件之间的间隙约0.5 mm。将修正后的简化模型导入ADAMS软件，生成6个活动构件，分别是圆柱体工件、3个卡爪、拨盘和楔盘，设置所有活动构件的材料均为钢。

4.2 添加约束

根据夹头中各构件的运动情况设置相互接触构件之间的运动副、接触和柔性约束。拨盘转动后，3个卡爪一边随拨盘转动，一边沿拨盘径向微移，在拨盘和每个卡爪之间设置移动副，同时在移动副方向添加柔性约束来代替弹簧的作用效果。卡爪夹紧工件后每个卡爪与楔盘槽斜面和工件外圆均产生接触，因此在每个卡爪和楔盘槽斜面之间设置接触，在每个卡爪与工件之间设置接触。卡爪夹紧工件后，工件、楔盘均跟随拨盘一起转动，在拨盘与大地之间、楔盘与大地之间以及工件与大地之间分别设置转动副。

设置的运动副、接触与柔性约束具体见表1。表中分别设置了拨盘和工件转动副回转轴线重合以及拨盘和工件转动副回转轴线相距0.1 mm 2种情况。

表1 构件及约束类型

Table 1 Components and constraint types

4.3 施加驱动和载荷

给拨盘施加驱动速度函数，给楔盘施加摩擦力矩M1函数，给工件施加磨削力矩Mt函数。其中0.3～0.6 s为启动夹紧阶段，拨盘角速度为10π/3 rad·s-1，楔盘的摩擦力矩为-128 733 N·mm，工件的磨削力矩为-23 157 N·mm；0.3～0.6 s为松开阶段，拨盘的角速度为10π/3 rad·s-1，楔盘的摩擦力矩为128 733 N·mm，工件的磨削力矩为0 N·mm。

4.4 求解与后处理

设置求解时间为0.6 s，求解得出拨盘回转轴线与工件回转轴线重合时工件的角速度曲线和卡爪与工件之间的接触力曲线如图3所示；得出拨盘回转轴线与工件回转轴线相距0.1 mm时工件的角速度曲线和卡爪与工件之间的接触力曲线如图4所示。

图3 拨盘、工件回转轴线重合时求解曲线
Figure 3 Solving curve when the dial and workpiece rotation axis coincide

图4 拨盘、工件回转轴线相距0.1 mm时求解曲线
Figure 4 Curve of dial and workpiece totation axis with 0.1 mm apart

4.5 结果分析

图3(a)和图4(a)中，在0～0.3 s启动阶段工件角速度均达到29π/9 rad·s-1；在0.3～0.6 s松开阶段，拨盘角速度为-10π/3 rad·s-1；工件转速均在0.3 s时瞬间反向转动，之后工件角速度在10π/3 rad·s-1附近小幅变动。说明2种情况下,卡爪均能快速地夹紧工件和稳定地带动工件回转。

图3(b)和图4(b)中，在0～0.3 s启动阶段，拨盘正向转动，启动时3个卡爪均与工件产生冲击碰撞。图4(b)中卡爪与工件接触碰撞的次数较3(b)多，说明拨盘回转轴线和工件回转轴线不重合情况下卡爪与工件在短时内连续地碰撞接触并逐渐夹紧工件。在0.3～0.6 s松开阶段，拨盘反向转动，0.3 s时卡爪与工件之间的接触力均突变成0 N，说明卡爪与工件之间有一个瞬间脱开的趋势，之后卡爪又断断续续地与工件碰撞然后脱开，直至0.6 s左右卡爪与工件之间的接触力基本恒定在0 N。说明2种情况下卡爪都能与工件顺利脱开。

5 结语

1) 将调心卡爪设计到外圆磨自动夹头中，夹头启动夹紧阶段，卡爪一边随拨盘正向转动一边沿拨盘径向微移，实现自动夹紧工件、带动工件回转和调整卡爪回转中心多重功能；夹头松开阶段卡爪跟随拨盘反向转动并沿拨盘径向远离工件，实现自动松开工件的目的。

2) 运用ADAMS软件分析拨盘回转轴线与工件回转轴线重合和相距0.1 mm时卡爪夹紧工件和松开工件的动态过程。运用Creo建立夹头的简化模型，将简化模型导入ADAMS软件，结合夹头的受载情况，设置夹头各接触构件间的约束、接触，给夹头相关构件施加驱动和载荷。最后得出2种回转情况下工件的转速曲线和卡爪与工件之间的接触力曲线，结果表明2种情况下卡爪均能快速夹紧和带动工件回转，均能快速地与工件脱开。该夹头能够满足预期设计需求。