設計報告-三爪卡盤結構設計及應力分析

2/19設計報告課程名稱：計算機輔助總體設計與概念設計題目名稱：三爪卡盤的結構設計與應力分析學校：xx理工大學學院：機電工程學院班級：xxxx班姓名：xxxxx指導教師：xxx提交日期：年月日指導老師簽名：年月日目錄全套設計圖紙加V信153893706或扣3346389411摘要……………………（3）關鍵詞………………（3）一、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀………………（4）二、國內(nèi)外技術差距……………（4）三、專利申請情況………………（5）四、常見三爪卡盤…………（7）五、設計研究內(nèi)容…………（9）六、三爪卡盤實體建模……………………（11）七、三爪卡盤應力分析（卡盤爪）……………（15）八、總結………………（17）九、參考文獻………………（18）十、任務分配……………………（18）

摘要隨著工業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展，車床已經(jīng)遍布各個工業(yè)領域。而作為車床的核心部件之一的卡盤，是我們值得研究的部分?！翱ūP”是機床上用來夾緊工件的機械裝置。從卡盤爪數(shù)上面可以分為：兩爪卡盤，三爪卡盤，四爪卡盤，六爪卡盤和特殊卡盤。從使用動力上可以分為：手動卡盤，氣動卡盤，液壓卡盤，電動卡盤和機械卡盤。從結構上面還可以分為：中空型和中實型。三爪卡盤：用伏打扳手旋轉錐齒輪，錐齒輪帶動平面矩形螺紋，然后帶動三爪向心運動，因為平面矩形螺紋的螺距相等，所以三爪運動距離相等，有自動定心的作用。三爪卡盤是由一個大錐齒輪，三個小錐齒輪，三個卡爪組成。三個小錐齒輪和大錐齒輪嚙合，大錐齒輪的背面有平面螺紋結構，三個卡爪等分安裝在平面螺紋上。當用扳手扳動小錐齒輪時，大錐齒輪便轉動，它背面的平面螺紋就使三個卡爪同時向中心靠近或退出。SolidWorks是目前廣泛應用的通用計算機輔助設計軟件，其參數(shù)化設計、裝配模擬、干涉檢驗和有限元分析等功能，為計算機輔助夾具設計提供了強有力的技術支持，可實現(xiàn)夾具管理、工藝分析與設計、夾具結構設計及夾具裝配全過程一體化.SolidWorks提供了基于三維模型的強大設計工具，可以完成設計過程中的許多工作.其中，COSMOSMotion可以模擬夾具裝配體的機械運作以及它們產(chǎn)生的作用力.通過確定各種相關因素(如能量消耗、運動零件之間的干涉)，判斷設計方案是否會失效，零件將在何時斷裂，以及它們是否存在安全隱患.COSMOSWorks可進行應力和變形分析等研究，識別薄弱區(qū)域，為夾具結構優(yōu)化提供數(shù)據(jù);也可以通過去除多余的材料，或盡可能減少物理原型機的需求，節(jié)省資金和時間、增加設計方案可信度和降低產(chǎn)品研發(fā)成本。關鍵詞：三爪卡盤、結構設計、三維建模、應力分析正文國內(nèi)外研究現(xiàn)狀隨著現(xiàn)代切削加工技術向高效率、高精度、高安全性以及柔性加工方向發(fā)展，對機床及其夾緊裝置提出了高轉速、高精度、高可靠性和柔性化的要求。在機床中，卡盤是最常用的工件夾緊裝置，一般由卡盤體、活動卡爪和卡爪驅動機構組成，卡爪驅動機構驅動均布在卡盤體上的活動卡爪徑向移動，將工件夾緊和定位在機床主軸上。它是機床主軸和工件之間的連接部件，機床主軸的轉速、扭矩和旋轉精度通過卡盤傳遞給工件。為了適應切削加工技術高速化發(fā)展的需求，國內(nèi)外各大機床產(chǎn)商對卡盤進行了多方面的研究和改進，取得了許多研究成果，擁有了核心產(chǎn)業(yè)化技術，并形成了知識產(chǎn)權體系。國內(nèi)外技術差距隨著技術的不斷發(fā)展和不斷的提高，國產(chǎn)的機床附件為主機的配套率顯著的提高。我們的動力卡盤不僅規(guī)格全、多品種以及功能可靠性好，但是還更需要創(chuàng)新開發(fā)研制，而且也應及時了解使用中發(fā)生的問題，為不斷改進設計提供可靠的經(jīng)驗。數(shù)控機床卡盤的長時間的發(fā)展，現(xiàn)在越來越多的新產(chǎn)品研發(fā)出來，大大的滿足了市場上各種機械設備的需要，為用戶提供了可靠的機械設備。由于我國整體的工業(yè)水平的關系，我們機床工業(yè)的發(fā)展與國外的先進國家相比來看，還是存在著一定的差距。作為數(shù)控機床主要附件之一的動力卡盤，它的設計與制造也存在同樣的情況，長期以來數(shù)控機床卡盤的生產(chǎn)企業(yè)通常是作為機床廠的配套廠家。由于我們機床的技術水平關系，一定程度上抑制了動力卡盤的技術水平的再提高。但我們的技術會越來越成熟，越來越完美。制造工藝方面，國內(nèi)外的差別主要表現(xiàn)在設備上，發(fā)達國家的加工設備多為數(shù)控機床!加工中心等，而國內(nèi)多為普通設備，即使有少量的數(shù)控機床和加工中心，大多數(shù)精度也不高,盤體的制造精度和性能對卡盤的影響很大。結構設計基礎理論存在差距.國外知名廠商對于一款全新的大型重載卡盤產(chǎn)品的設計,生產(chǎn)往往要經(jīng)過比較長的時間，從承載,轉速,刀具,模擬變形等多角度進行論證，從而在結構上確保精度,變形量等技術參數(shù),而國內(nèi)廠家缺乏相應的技術手段。專利申請情況1.卡盤領域全球專利申請狀況本文中的專利申請數(shù)據(jù)截至2014年4月，全球專利申請的檢索在世界專利索引數(shù)據(jù)庫（WPI數(shù)據(jù)庫）中進行，國內(nèi)專利申請的檢索在中國專利數(shù)據(jù)檢索系統(tǒng)（CPRS數(shù)據(jù)庫）中進行。根據(jù)全球專利申請量，可將卡盤領域全球專利發(fā)展過程分為四個階段：1975年之前的起步發(fā)展階段、1975-1989年的第一增長階段,1990-1999年的回落階段、2000-2014年的第二增長階段。2.卡盤領域中國專利申請狀況截至2014年4月卡盤領域中國專利申請總量為2969項，其中發(fā)明為僅1086項，占總量的37%，而實用新型為1883項，占總量的63%?？梢姡趪艺男麄骱头龀窒?，雖然有了一定的專利申請量，但主要以實用新型申請為主，發(fā)明申請所占比例較小，申請質(zhì)量有待進一步的提高。3.最新專利申請德國雄克（SCHUNK）公司的專利申請EP1844886A1公開了一種用于夾緊工具的夾緊裝置，包括基體，在基體中設置有容納工具柄的中心容納部以及圍繞容納部的環(huán)形空間，該環(huán)形空間向安裝有工具的一側的端面打開，并通過蓋子封閉，蓋子被置入并被夾緊在環(huán)形空間中；蓋子緊挨工具柄的一側內(nèi)壁有環(huán)槽，環(huán)槽中有密封環(huán)，且環(huán)槽與液體輸送通道相連，液體通過液體輸送通道輸送給環(huán)槽，并向內(nèi)擠壓密封環(huán)，使密封環(huán)緊貼在工具柄的周圍，以此能有效密封蓋子和工具柄之間的縫隙，抵御碎屑等雜物的進入環(huán)形空間，還能有效地阻止液體從縫隙泄露。當需要更換工具時，液壓減小，密封環(huán)由于彈性恢復力而回復到其起始位置，密封環(huán)的內(nèi)直徑大于工具的柄直徑，因此工具柄置入容納部中時不會損傷密封環(huán)。該申請的卡盤通過液壓和密封環(huán)共同作用有效地密封了卡盤縫隙，使卡盤在使用過程中保持高精度性能。

常見三爪卡盤種類傳統(tǒng)手動三爪卡盤手動三爪卡盤由卡盤體、活動卡爪和卡爪、驅動機構組成。三爪卡盤上三個卡爪導向部分的下面，有螺紋與碟形傘齒輪背面的平面螺紋相嚙合，當用扳手通過四方孔轉動小傘齒輪時，碟形齒輪轉動，背面的平面螺紋同時帶動三個卡爪向中心靠近或退出，用以夾緊不同直徑的工件。用在三個卡爪上換上三個反爪，用來安裝直徑較大的工件。三爪卡盤的自行對中精確度為0.05-0.15mm。三爪自定心卡盤利用三個螺釘，通過盤體止口端面上的螺孔，將卡盤緊固在機床法蘭上。將扳手插入任一齒輪方孔中，轉動扳手時，小齒輪帶動盤絲轉動，通過盤絲端面螺紋的轉動，帶動三塊卡爪同時趨進或離散。2.液壓卡盤液壓卡盤使人能有更多的精力和時間來解決機床以外的復雜問題，更能進一步發(fā)展卡盤機床和卡盤系統(tǒng)。數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)創(chuàng)新，對于機床液壓卡盤起到了極其重大的作用。它能夠收容大量信息，對各種信息進行儲存、分析、處理、判斷、調(diào)節(jié)、優(yōu)化、控制。液壓卡盤還具有重要功能，如：工夾具數(shù)據(jù)庫、對話型編程、刀具路徑檢驗、工序加工時間分析、開工時間狀況解析、實際加工負荷監(jiān)視、加工導航、調(diào)節(jié)、優(yōu)化，以及適應控制。3.電動卡盤電動卡盤是一個相當重要的配件，它主要用于對工件的夾緊，它是一套設備與一個工件之間的連接點。而隨著時代的發(fā)展，刀具的質(zhì)量不斷的提高，機床轉速也已經(jīng)逐漸進入了高速的行列，特別是十二五時期，轉變經(jīng)濟增長方式這一主基調(diào)的確定，與之相關的核心生產(chǎn)技術應用與研發(fā)必將成為業(yè)內(nèi)企業(yè)關注的焦點。而在數(shù)控機床中，動力卡盤是一個相當重要的配件，它主要用于對工件的夾緊，它是一套設備與一個工件之間的連接點。而隨著時代的發(fā)展，刀具的質(zhì)量不斷的提高，機床轉速也已經(jīng)逐漸進入了高速的行列，面對這一切，動力卡盤也面臨著越來越嚴峻的挑戰(zhàn)，只有提高自己的質(zhì)量，才可以適應或者滿足整個市場的需求。4.氣動三爪卡盤氣動二爪卜盤是l打標準三爪卡盤改裝的。其工作原理如下:壓縮空氣、活塞、推桿)法蘭一齒條)齒輪(四方連接)小傘齒、大錐齒、卡腳法蘭上裝有齒條一根、光桿二根、成三等分布置,齒條用來傳動齒輪,光桿作導向之用。設計研究內(nèi)容三爪卡盤主要有手動、氣動、液動、電動等類型，這里主要針對手動三爪卡盤的結構組成，對其進行建模設計及應力分析。三爪卡盤實物圖：三爪卡盤組成零件（拆開）：三爪卡盤的結構組成和工作原理（1）基本結構:三爪卡盤由卡盤體、卡盤爪、轉盤、以及驅動機構組成。三爪卡盤上三個卡盤爪導向部分的下面，有螺紋與碟形傘齒輪背面的平面螺紋相嚙合，當用扳手通過四方孔轉動小傘齒輪時，碟形齒輪轉動，背面的平面螺紋同時帶動三個卡爪向中心靠近或退出，用以夾緊不同直徑的工件。用在三個卡爪上換上三個反爪，用來安裝直徑較大的工件。（2）工作原理：三爪自定心卡盤利用三個螺釘，通過盤體止口端面上的螺孔，將卡盤緊固在機床法蘭上。將扳手插入任一齒輪方孔中，轉動扳手時，小齒輪帶動盤絲轉動，通過盤絲端面螺紋的轉動，帶動三塊卡爪同時趨進或離散。三爪卡盤的性能優(yōu)缺點優(yōu)點：（1）利用三爪卡盤進行加工夾緊時，能實現(xiàn)快速的定位，對精度要求不高工件進行快速加工；（2）使用細牙螺釘對三爪卡盤的移動副進行限位并緊固，使加工時工件具有很強的自鎖性，防止位移產(chǎn)生誤差；（3）三爪卡盤具有很好的密封性，加工時能有效防止碎屑進入卡盤的移動副，避免影響工作。缺點：（1）在使用三爪卡盤裝夾工件時，前端不受力，只是后端受力，使工件裝夾不穩(wěn)加工困難。造成卡盤前端磨損嚴重，后端磨損較輕；（2）定心誤差變大，在進行工件裝夾后徑向圓跳動明顯，容易產(chǎn)生位移現(xiàn)象，難以達到加工精度的要求，從而造成返工現(xiàn)象，極大降低加工的工作效率。另外，三爪卡盤對可加工的工件種類有限，主要進行棒類，盤套，六角棱形等類的加工，對于方形等工件的加工不易進行。而且對于工件的尺寸也有一定的限制。三爪卡盤實體建模繪制零件該系列的零件主要運用了實體的拉伸、切除、掃描、旋轉切除、陣列等，大致用到的工具如圖所示：1.1卡盤基座卡盤爪轉盤加力螺釘加力桿后蓋2.實體裝配插入各零件、打開坐標軸進行配合，最終效果圖，如下圖所示。（1）裝配體內(nèi)部結構（拆了后蓋）（2）裝配體外部結構三爪卡盤應力分析（卡盤爪）應力分布合位移安全系數(shù)

總結設計結束了，在這次的設計中不僅檢驗了我所學習的知識，也培養(yǎng)了我如何去把握一件事情，如何去做一件事情，又如何完成一件事情。在設計過程中，與同學分工設計，和同學們相互探討，相互學習，相互監(jiān)督。學會了合作，學會了運籌帷幄，學會了寬容，學會了理解，也學會了做人與處世。該設計是我們專業(yè)課程知識綜合應用的實踐訓練，這是我們邁向社會，從事職業(yè)工作前一個必不少的過程．”千里之行始于足下”，通過這次課程設計，我深深體會到這句千古名言的真正含義．我今天認真的進行課程設計，學會腳踏實地邁開這一步，就是為明天能穩(wěn)健地在社會大潮中奔跑打下堅實的基礎．通過這次三爪卡盤的solidworks建模設計，本人在多方面都有所提高。通過這次設計，綜合運用本專業(yè)所學課程的理論和生產(chǎn)實際知識進行一次零件設計工作的實際訓練從而培養(yǎng)和提高學生獨立工作能力，鞏固與擴充了機械制造工藝學等課程所學的內(nèi)容，掌握solidworks設計的方法和步驟，懂得了怎樣分析零件的工藝性，怎樣確定工藝方案，了解了零件的基本結構，提高了計算能力，繪圖能力，熟悉了規(guī)范和標準，同時各科相關的課程都有了全面的復習，獨立思考的能力也有了提高。在這次設計過程中，需要我們綜合前階段所學習的機械制圖、機械設計基礎、機械制造工藝學等多門課程的知識。體現(xiàn)出自己單獨設計的能力以及綜合運用知識的能力，體會了學以致用、突出自己勞動成果的喜悅心情，從中發(fā)現(xiàn)自己平時學習的不足和薄弱環(huán)節(jié)，從而加以彌補。設計結束了，但我們一起奮斗的精神和這份寶貴的經(jīng)歷將