一种自落式卡盘扳手的机械设计*

王景磊，王凤坤

(内蒙古工业大学 工程训练教学部，内蒙古 呼和浩特 010051)

车床是工业制造的重要母机，为了满足制造业发展的新需求，有关车床本体及其附件的改进与创新设计不断涌现[1-4]，这类产品对提高车削加工精度和效率以及提升加工安全性发挥了重要的作用。在众多车床附件中，卡盘扳手是保证车削加工安全性和可靠性的重要一环。卡盘扳手是用于调节卡盘上卡爪位置以实现对工件装夹和定位的专用工具。传统卡盘扳手结构简单，造价低廉，使用方便，一直被广泛应用。但是传统卡盘扳手缺少必要的保护结构设计，容易出现因操作者的操作失误或疏忽而造成人机损伤的严重后果。因此，为卡盘扳手设计保护结构从而提高使用安全性是十分必要的。

已有的卡盘扳手保护装置或结构主要分为报警式[5]、接触通电式[6-7]、气压推动式[8]和机械结构调节式[9-14]等类型。报警式保护是指若未将卡盘扳手从卡盘体上取下，则机床报警提示；接触通电式保护是指使用卡盘扳手将工件夹紧之后，必须将扳手置于机床的特殊位置上，否则机床无法通电使用；气压推动式保护是指利用气流推动作用使卡盘扳手与卡盘分离；机械结构调节式是指利用弹簧、凸轮、滑槽和棘轮等机械结构或配合实现卡盘扳手与卡盘体的分离。报警式与接触通电式为间接式机电混合保护装置，所需器件较多较复杂，制造和使用成本偏高。气压推动式与机械结构调节式为直接保护装置，但气压推动式结构复杂，维护成本较高；而机械结构式样式多样，设计灵活，制造简单，使用和维护成本低，适于推广，是目前此类装置的主要研发方向。

1 结构设计

本设计为一种自落式卡盘扳手，扳手可以在夹紧工件后自动从卡盘体上脱落，以防止扳手飞出伤人，达到保护操作者的目的。自落式卡盘扳手由扳手杆、扳手体、滑套、细弹簧(压缩弹簧)、调节螺母和联接套等6部分组成，其结构如图1所示。

图1 自落式卡盘扳手整体结构图

卡盘扳手体的结构如图2所示，其左端设计有与扳手杆配合的通孔，由扳手杆施加力矩以夹紧或松开工件；其右端设计为四方头，用于插入卡盘体上的四方内孔，以控制卡爪的开合；其中段设计为阶梯轴结构，用于穿插弹簧，阶梯轴左端轴肩用于定位弹簧，阶梯轴右端设计为外螺纹，与调节螺母配合以调节弹簧的预弹力。

图2 卡盘扳手体结构图

滑套的结构如图3所示，滑套套接于卡盘扳手体的中段阶梯轴的外部，可以在卡盘扳手体外部滑动，弹簧就放置在滑套与卡盘扳手体中段的阶梯轴之间。滑套内部中段的右侧台阶用于定位弹簧，左侧台阶用于控制弹簧的最大压缩变形量，即限制弹簧的最大压缩行程，当此台阶与卡盘扳手体中段的左侧轴肩贴合时，弹簧达到最大压缩行程。滑套右端的外表面设计有外螺纹，用于与联接套的内螺纹配合。在滑套外螺纹的根部设计有退刀槽。

图3 滑套结构图

联接套的结构如图4所示，联接套内部设计有内螺纹，与滑套的外螺纹配合，可以与滑套连接后共同在卡盘扳手体外侧滑动，当联接套内部台阶面触碰到卡盘扳手体中段的外螺纹端面时，四方头伸出的长度达到最长。联接套用于保护调节螺母和卡盘扳手体上的外螺纹。

图4 联接套结构图

调节螺母的结构如图5所示，调节螺母与卡盘扳手体上的外螺纹配合，其左端面与滑套的右端面贴合，通过旋扭调节螺母可以控制弹簧的压缩量，即调节弹簧的预弹力。

图5 调节螺母结构图

2 工作原理

卡盘扳手从卡盘体上的自动脱落是通过其核心部件——压缩弹簧的弹力作用实现的。使用时，首先旋扭调节螺母推动滑套向左侧滑动进而压缩弹簧，使弹簧产生一定程度的预弹力，预弹力的大小取决于弹簧的压缩程度。弹簧的压缩会使卡盘扳手体上的四方头伸出联接套外一定的长度，但是此长度还不足以完全支持和满足卡盘扳手的工作需要。在装夹工件时，将已伸出一定长度的四方头插入卡盘体上的内四方孔后，还需要施加压力向下按压卡盘扳手杆使弹簧进一步压缩变形。随着弹簧的继续变形，扳手体上的四方头会继续伸出联接套外，这样四方头的伸出长度便可以满足装夹工件的要求。待装夹完成之后，将施加于卡盘扳手杆上的外力去除，压缩弹簧的变形量会减小，扳手上四方头的伸出长度减小，这样就不足以支撑扳手体，扳手就会从卡盘体上自动脱落。

压缩弹簧输出的弹力与其自身的压缩变形量二者之间服从胡克定律，即：

F=kx

(1)

式中，F为输出弹力；k为弹簧的弹性系数；x为弹簧的压缩变形量。卡盘扳手的脱落与否是由扳手体上的四方头插入卡盘体中的长度所决定的，而四方头的伸出长度等于弹簧的压缩变形量。弹簧压缩的总变形量由两部分组成，即：

x=x预+x外

(2)

式中，x预为预弹力产生的变形量；x外为外加压力作用下产生的弹性变形量。通过调节预弹力产生的变形量x预就可以控制扳手上四方头的预伸出长度。另外，使用自落式卡盘扳手时，只需要施加很小的外力就可以使四方头继续伸出足够的长度以满足装夹工件的需要。外力去除后，扳手就会因弹簧预弹力产生的四方头预伸出长度小于扳手正常工作所需的最短长度而自动弹出脱落。

3 压缩弹簧的设计与校核

压缩弹簧为自落式卡盘扳手的核心部件，决定着产品的性能和稳定性。压缩弹簧的结构如图6所示，其设计参数见表1。

图6 压缩弹簧设计图

表1 压缩弹簧参数

下述将对压缩弹簧的强度和稳定性进行校核计算与分析[15]。

压缩弹簧的节距一般按照式3取得，即：

(3)

式中，Δ为最大变形时相邻两弹簧丝间的最小距离，一般不小于0.1d，本设计中取1 mm；λmax为弹簧的最大压缩变形量，根据表1中压缩弹簧的参数，计算出λmax为38.5 mm，即扳手体上四方头的最大伸出长度可以达到38.5 mm，此计算数值完全可以满足实际使用要求。

弹簧的弹性系数可由式4计算，即：

(4)

式中，C为弹簧旋绕比，可由式5计算，即：

(5)

根据表1中压缩弹簧的参数，计算出k=0.9 N/mm。根据式1计算出弹簧处于最大压缩变形时所受的外载荷约为35 N，此计算数值符合实际情况。

弹簧的螺旋升角可由式6计算，即：

(6)

根据表1中压缩弹簧的参数，计算出α约为7°。

当弹簧受到轴向压力时，在弹簧丝的横剖面上作用着扭矩、弯矩、切向力和法向力，由于弹簧螺旋角较小，所以弯矩和法向力可忽略不计，起主要作用的外力是扭矩和切向力。

从弹簧的强度校核的角度分析，弹簧受到的应力主要为扭矩和横向力引起的剪应力，剪应力可由式7计算，即：

(7)

式中，K为曲率系数，其值可由式8计算，即：

(8)

结合弹簧的旋绕比C，计算出在外载荷作用下弹簧发生最大压缩变形时的剪应力τ约为793 MPa，此数值小于65Si2MnWA材料的许用剪应力[τ]≈931 MPa，因此本压缩弹簧的强度满足使用要求。

经过校核发现，压缩弹簧的强度和稳定性均符合要求。综上所述，本压缩弹簧的设计完全满足实际使用需要。

4 使用效果

自落式卡盘扳手的实物如图7所示。为了检验自落式卡盘扳手在提高工件装夹安全性方面的实际效果，笔者在日常教学活动中做了比较性的测试。随机挑选6个自然班，分为2组，分别进行为期3天的车工实训，第1组学生(3个班，总计105人)使用传统型卡盘扳手，第2组学生(3个班，总计109人)使用自落式卡盘扳手，分别统计在3天时间内操作时飞出扳手的人数以及每天飞出扳手的人数，统计结果如图8～图10所示。使用传统型卡盘扳手的105名学生在3天的实训中共有13人出现飞出扳手的情况，约占总人数的12%，其中第1天出现6人，第2天出现4人，第3天出现3人。使用自落式卡盘扳手的109名学生在3天的实训中只有4人出现飞出扳手的情况，约占总人数的4%，其中第1天出现2人，第2天未出现，第3天出现2人。从统计数据可以看到，使用自落式卡盘扳手的第2组学生出现飞出扳手的人数远远少于使用传统型卡盘扳手的第1组学生，并且每天的情况亦是如此。这充分证明了自落式卡盘扳手的机械结构设计是科学合理的，使用这种扳手确实可以有效提高工件装夹的安全性，充分保障车床操作者的安全。

图7 自落式卡盘扳手实物图

图8 使用传统型卡盘扳手

图9 使用自落式卡盘扳手

图10 每天飞出扳手人数

另外，使用自落式卡盘扳手的学生中仍有个别人出现飞出扳手的情况，经调查发现这些学生自行调整了压缩弹簧的预弹力，使卡盘扳手体上的四方头伸出长度过长，在装夹工件时此长度已经可以满足支撑扳手体的需要，因此造成扳手没有自动弹出，学生在夹紧工件后忘记取下扳手而发生开车时扳手飞出。

5 结语

自落式卡盘扳手的结构简单巧妙，制造成本低，易于推广使用，适用于各类生产企业和教学单位。压缩弹簧是核心部件，调节压缩弹簧的预弹力就可以控制扳手体上四方头的预伸出长度，使用时依靠弹簧压缩变形量的变化可以实现扳手从卡盘体上自动弹出脱落。所设计的压缩弹簧安全可靠，稳定性高。经过实际使用和对比验证发现，使用自落式卡盘扳手可以有效提高工件装夹的安全性，充分保障车床操作者的安全。