自卸式卡盘扳手的设计

周雯雯　张涛　胡潇　孔雨凯

摘 要： 针对现行车床卡盘扳手的安全隐患，本文阐述自卸式卡盘扳手的设计过程，此种卡盘扳手能提高工作效率，极大地减少安全隐患，形成良好的经济和社会效益。

关键词： 原理 结构 安全

工厂车床加工中，最常用的工具就是卡盘扳手和刀架扳手，工人通过卡盘扳手将工件夹紧或者松开。这种扳手是车床加工中使用最频繁且不可缺少的工具。

实际操作中，卡盘扳手使用完毕后必须立即取下，然后开启车床按钮。倘若操作者严格按照规定程序操作，就不会发生事故，但难免存在个别操作者，尤其刚开始接触机床的操作者，往往大意忘记取下扳手，开动车床后结果伤人。

由此，鉴于现有卡盘扳手因未能及时取下而发生大量事故的这一最主要缺点和不足，我们改进、设计了一种能够自动弹出且实用的卡盘扳手，不仅能减少不必要的安全隐患，同时能提高生产效率。

一、自卸式卡盘扳手的主要原理及整体结构设计

1.主要原理和说明。对于如何实现自动弹出这一关键问题，在设计之初，我们受到弹簧圆珠笔的启发，利用弹簧的弹力实现扳手自动弹出功能。在这次扳手设计中，利用弹簧的复位功能，通过弹簧对工作位置和行程进行控制和调节。考虑到此次设计的实际结构主要为圆柱形，且圆柱形弹簧应用最为广泛，制造标准化，结构相对简单，所以决定使用圆柱形压缩弹簧。

2.整体结构设计。安全卡盘扳手的主体结是以现有卡盘扳手为大体轮廓，在轴端部装有圆柱形压缩弹簧，通过弹簧与轴的相互受力作用，起到使用时自动从卡盘弹出这一作用。轴通过旋盖于套筒相对固定，套筒起到保护整个扳手主体和弹簧的作用。

扳手主体壁上有3个大小均匀的通孔，使用时插入插杆，插杆两边尾端经过滚花处理，起到防滑作用。在不受力的情况下，套筒是伸出的，使用时操作者给轴尾部施加作用力后，同时顶住弹簧，使弹簧被压缩，插入插杆，使轴的顶部处于最大工作长度状态。当操作者按住轴，拔出插杆时，轴在弹簧反弹力的作用下，处于自然状态。

3. 行程设计。为了使产品能够在弹簧力和操作者施加外力的作用下在一定行程内运动，最终实现拔出插杆后自动弹出的保护功能，需要有限制其行程的零件。我们利用一个轴和套筒上对应的通孔， 这样轴只能在其自身键槽形通孔的范围内运动。 通孔的长度就是扳手工作时的最大行程，其数值根据扳手整体结构和工作状态及具体情况设计。

行程在此次改进设计中不作严格要求，只要满足整个设计产品的工作要求即可。具体的工作行程综合卡盘扳手头的尺寸、轴的尺寸及工作时的实际情况考虑，设计行程L=40mm。

二、零部件设计

1.插杆设计。插杆是该自卸式卡盘扳手的重要部分，此次改进设计以原先卡盘扳手为雏形，因此插杆是不可少的。扳手的使用者只有通过插杆才可以将施加的力转换为扳手轴的扭转，产生扭矩，实现夹具夹紧。

插杆的长度和外形采用现有卡盘扳手的尺寸，材质为45号钢，足够满足使用要求。此次设计对插杆进行了直径的改进设计，插入部分的直径稍大于其余直径，转动插杆的长度长于插入部分的，但总长度不变。增大力臂，从而增大扭矩，使同样大的力，达到事半功倍的效果。3个通孔与插杆的结合，更大程度地方便了操作者。同时插杆的尾部进行滚花处理，起到防滑作用。

2.轴、套筒及弹簧的设计。该卡盘扳手的轴主要用来实现扳手的自动弹出功能，当操作者使用完成取出插杆的时候，轴就在弹簧力的作用下与卡盘产生反作用力，这样扳手就能自动从卡盘中弹出，避免因为扳手滞留卡盘中发生事故。

套筒的作用主要是保护安全卡盘扳手的整体和内部弹簧，套筒只是起到简单的保护作用，在扳手的使用过程中并不会受很大的力，不会承载扭矩和其他较大的外力。因此，此次改进设计决定采用PVC作为套筒材料。

弹簧的设计是该扳手的一个重点，设计弹簧时，首先根据工作情况和性能选定材料，弹簧的材料主要有优质碳素钢、合金钢、不锈钢和铜合金等。碳素弹簧钢的价格较低、强度高、性能好，广泛应用于受静载荷和有限作用次数变载荷的弹簧，常用的有25～80号钢；合金钢强度高、弹性好、耐高温，适用于尺寸较大或者承受冲击载荷的弹簧；不锈钢耐腐蚀、耐高温，适用于腐蚀性介质中工作的弹簧。此次改进设计中，考虑到弹簧的使用环境是一般常温环境，既没有腐蚀性介质，又没有承受较大的冲击载荷，所受载荷相对较小，因此采用一般优质碳素钢即可，选定材料后确定其许用应力。

参考文献：

[1]周玉丰.机械设计基础[M].北京：机械工业出版社， 2008：84-332.

[2]王健石.机械通用零部件手册[M].北京：中国电力出版社， 2008：262-682.