CN104772493B - 一种用于卡盘的外置离心力补偿机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于卡盘的外置离心力补偿机构。卡盘上采用具有分离式的卡爪结构，包括由基爪、顶爪以及基爪和顶爪之间的补偿块构成三组卡爪结构，三个基爪间隔均布安装在卡盘体上并径向套入，三个顶爪通过补偿块和型块与基爪固定连接，螺栓依次穿过顶爪、补偿块后连接型块，套在基爪沿径向的形槽内；补偿块重心位于配重块。在夹持工件旋转时基爪和顶爪产生的离心力与补偿块的离心力方向相反相互抵消，夹紧力不会随旋转速度提高而大幅度降低。本发明可简单快速地安装在现有的楔式、杠杠式等受离心力影响较大的卡盘上，相对于已有的补偿机构设计在卡盘体内部后端的形式，具有无需改变已有卡盘结构、应用范围广、成本低等显著效果。

Description

一种用于卡盘的外置离心力补偿机构

技术领域

本发明涉及一种车床上的工件夹持机构，具体说是机床附件领域的一种用于卡盘的外置离心力补偿机构。

背景技术

车床是金属切削加工机床中应用较为广泛的一类。车削加工时工件被卡盘夹持定位后由主轴驱动旋转，与刀具产生相对运动实现材料的去除。卡盘的质量特性对加工精度和加工效率有重要影响。车削加工中实现更高效率的途径之一是提高主轴和工件的转速。一般情况下卡盘通过卡爪的径向运动实现夹持工件，卡爪所受径向约束较小。外夹持时，随着转速的升高，因为离心力作用导致卡爪对工件夹紧力降低。内夹持时，随着转速的升高，因为离心力作用导致卡爪对工件夹紧力增大。对刚度较差的工件，夹紧力的变化会影响加工精度。夹紧力降至一定程度时可能造成工件飞出，伤及操作人员或者设备。一般将卡盘旋转时的动态夹紧力降低至初始夹紧力的三分之一时的转速定义为卡盘的最高转速。因为卡盘的这种结构特性，普通卡盘的最高转速远远低于同规格的机床主轴能够达到的最高转速，造成机床主轴性能的浪费，限制了总体加工效率的提升。已有技术的高速卡盘解决以上问题的方法大多是在卡盘体后端增加离心力补偿机构，通过配重块旋转时产生离心力，经由杠杆或其他机构转换为向心力后传递给卡爪以补偿卡爪产生的离心力，降低动态夹紧力的损失。这种内置补偿机构的方式需要对普通卡盘结构做大幅度改造，增加了多个零件和装配关系，相关零件加工要求比较精密，其结构复杂、加工难度大、成本较高，不利于广泛的推广应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于卡盘的外置离心力补偿机构，结构简单、安装操作便捷、成本低，带有外置离心力补偿机构，加工上并不严格要求非常精密，可应用于现有的各种卡盘结构（楔形套式、杠杠式、楔块式或者其他基爪等），不需要在现有卡盘结构上进行新加工和再加工，直接替换原有的卡盘爪即可。

本发明为实现上述技术目的而采用的技术方案是：

本发明的卡盘上采用具有分离式的卡爪结构，包括由基爪、顶爪以及基爪和顶爪之间的补偿块构成三组卡爪结构，三个基爪沿圆周间隔均布安装在卡盘体上，并沿卡盘体径向套入安装，三个顶爪通过补偿块和T型块与对应的基爪固定连接，螺栓依次穿过顶爪、补偿块后连接T型块，套在基爪沿径向的T形槽内，从而将顶爪、补偿块和基爪之间压紧接触，形成外置离心力补偿机构；补偿块的重心位于配重块。

所述的补偿块包括径向定位块、过渡连接件和配重块，径向定位块安装在基爪和顶爪之间，配重块安装在与径向定位块以卡盘体轴心为中心对称的一侧；径向定位块上开有通槽，螺栓穿过顶爪的通孔和径向定位块的通槽后与T型块螺纹固定连接，径向定位块与配重块之间通过过渡连接件连接。

所述的过渡连接件为中实结构或者中空结构，分别应用于中实卡盘和中空两种卡盘。

所述的过渡连接件为连接在径向定位块和配重块之间的条形板。

所述的过渡连接件为连接在径向定位块和配重块之间的中空环形板。

所述三组卡爪结构共计有三个补偿块，所述的三个补偿块的共三个过渡连接件在卡盘体中心交叉处内外依次穿套安装。

所述的补偿块的径向定位块两端与基爪、顶爪之间的接触面通过梳齿定位结构或者卡槽定位结构连接，实现径向定位。

所述的配重块为扇形，配重块扇形占据相邻径向定位块之间的圆周空间。

所述的基爪和顶爪两者整体对卡盘旋转轴的重心距与补偿块对卡盘旋转轴的重心距相等，方向相反；基爪、顶爪和补偿块三者对卡盘旋转轴合的重心距小于基爪和顶爪两者对卡盘旋转轴合的重心距。

所述的三个基爪中间装有用于防止铁屑、水、灰尘等进入的档盖。

本发明的有益效果和优点是：

本发明相对于没有离心力补偿结构的卡盘可以达到更高的旋转速度，达到更高的加工效率。

本发明充分发挥车床主轴的高速性能和机床总体的加工潜能，从而降低机床使用成本和零件加工成本。

本发明外置的补偿块可以简单快速的安装在现有的楔式、杠杠式等受离心力影响较大的普通卡盘上。

本发明通过梳齿定位结构连接的卡爪还可以根据顶爪不同的位置和大小对补偿块的径向位置进行调整以达到最佳的补偿效果；内外夹持时，卡爪对工件的夹紧力不会随着旋转速度提高而大幅度变化，实现离心力补偿。

本发明相对于已有的补偿块安装在卡盘体内部后端的形式，本发明具有无需改变已有卡盘结构、应用范围广、用户采购成本低的显著优势。

附图说明

图1是本发明的装配剖视图。

图2是本发明具有中空过渡连接件和梳齿径向定位块结构的三个补偿块示意图。

图3是本发明补偿块与基爪和顶爪的装配爆炸视图。

图4是本发明三个补偿块的过渡连接件之间交叉穿套安装剖视图。

图5是本发明采用过渡连接件为中空结构和径向定位块为卡槽结构的补偿块示意图。

图6是本发明采用过渡连接件为中实结构和径向定位块为卡槽结构的补偿块示意图。

图7是本发明适用于中实卡盘的三个补偿块装配示意图。

图8是本发明中空卡盘卡槽型补偿块装配方式示意图。

图9是本发明中实卡盘卡槽型补偿块装配方式示意图。

图10是采用本发明中空结构装配在卡盘上的外夹持结构图。

图11是采用本发明中空结构装配在卡盘上的内夹持结构图。

图12是基爪和顶爪两者的整体重心位置移动范围与基爪、顶爪和补偿块三者的整体重心位置移动范围对比示意图。

图中：1.卡盘体，2.基爪，21.卡槽型基爪，3.T型块，4.补偿块，4a.径向定位块，4b.过渡连接件，4c.配重块，41.最外侧过渡连接件，42.中间过渡连接件，43.最里面过渡连接件，46.中空过渡连接件卡槽型径向定位块补偿块，46c.配重块本体部分，46e.配重块拆分体部分，46d.安装销，47.中实过渡连接件卡槽型径向定位块补偿块，47c.配重块本体部分，47d.安装销，5.顶爪，51.卡槽型顶爪，52.内夹持顶爪，6.螺栓，7.工件，71.环形工件，8.楔形套，9.挡盖，100.基爪和顶爪两者的整体重心移动范围，101. 基爪、顶爪和补偿块三者的整体重心移动范围。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明的外置离心力补偿机构是在卡盘上采用具有分离式的卡爪结构，包括由基爪2、顶爪5以及基爪2和顶爪5之间的补偿块4构成三组卡爪结构，三个基爪2沿圆周间隔均布安装在卡盘体1上，并沿卡盘体1径向套入，三个顶爪5通过补偿块4和T型块3与对应的基爪2固定连接，螺栓6依次穿过顶爪5、补偿块4后连接T型块3，套在基爪2沿径向的T形槽内，从而将顶爪5、补偿块4和基爪2之间压紧接触，形成外置离心力补偿机构；补偿块4的重心位于配重块4c。

如图2和图3所示，补偿块4从功能分为三个部分，包括径向定位块4a、过渡连接件4b和配重块4c。径向定位块4a对补偿块4相对基爪2和顶爪5作径向定位。配重块4c利用其旋转时产生的离心力抵消基爪2和顶爪5产生的离心力。过渡连接件4b将径向定位块4a和配重块4c连接在一起，传递配重块4c的离心力。径向定位块4a安装在基爪2和顶爪5之间，配重块4c安装在与径向定位块4a以卡盘体1旋转轴心为中心对称的一侧；径向定位块4a上开有通槽，螺栓6穿过顶爪5的通孔和径向定位块4a的通槽后与T型块3螺纹固定连接，径向定位块4a与配重块4c之间通过过渡连接件4b连接。

补偿块4可以是按照径向定位块4a、过渡连接件4b和配重块4c三个块进行分块，也可以是在径向定位块4a或者配重块4c中部进行分块分层，然后通过通过焊接、铆接、螺栓等方式装配在一起。

过渡连接件4b为中实结构或者中空结构，分别应用于中实卡盘和中空两种卡盘。

中实结构如图6所示，过渡连接件4b为连接在径向定位块4a和配重块4c之间的条形板，条形板的两端分别与径向定位块4a和配重块4c连接。

中空结构如图5所示，过渡连接件4b为连接在径向定位块4a和配重块4c之间的中空环形板，中空环形板的两端分别与径向定位块4a和配重块4c连接。

如图8所示，采用中空过渡连接件卡槽型径向定位块补偿块46的配重块在中部中间分块，形成配重块本体部分46c和配重块拆分体部分46e，配重块本体部分46c和配重块拆分体部分46e之间通过安装销46d定位固定。如图9所示，采用中实过渡连接件卡槽型径向定位块47的配重块就本身从补偿块中分块，形成配重块本体部分47c，配重块本体部分47c与补偿块4之间通过安装销47d定位固定。安装销也可以用铆钉、螺栓等紧固方式替换。

如图4和图7所示，三个补偿块4的共三个过渡连接件4b在卡盘体1中心交叉处内外依次穿套安装。每个补偿块4的过渡连接件以嵌套形式安装，保证在卡盘旋转轴重叠区域能够轴向错位。三个过渡连接件4b内外依次穿套分为内、中、外部分，最外侧过渡连接件4b套装在中间过渡连接件4b的外侧，最里面过渡连接件4b套装在中间过渡连接件4b内。如图2所示，中间过渡连接件4b和最外侧过渡连接件4b均为两块板结构，最里面过渡连接件4b为一块板结构，最外侧过渡连接件4b的两块板位于中间过渡连接件4b的两块板的外侧，最里面过渡连接件4b的一块板从中间过渡连接件4b的两块板之间穿过，由此三个过渡连接件4b之间不接触。

补偿块4的径向定位块4a轴向两端与基爪2、顶爪5之间的接触面通过梳齿定位结构或者卡槽定位结构配合，实现径向定位，梳齿定位结构如图1和图2所示，卡槽定位结构如图3、图5和图6所示，卡槽型基爪21和卡槽型顶爪51之间安装有卡槽型补偿块44，通过多段卡槽进行径向定位。

如图5～图7所示，优选的配重块4c为扇形，配重块4c扇形占据相邻径向定位块4a之间的圆周空间。

卡盘体1上装有用于驱动基爪2做径向运动夹持动作的径向驱动机构，径向驱动机构与普通卡盘相同，可采用楔形套式、楔块式或者杠杆式结构实现卡盘轴向驱动到卡爪径向的运动转换，装配最后形成如图10和图11所示的卡盘，图10为卡盘外夹持工况，图11为卡盘内夹持工况。

如图1所示，三个基爪2中间装有用于防止铁屑、水、灰尘等进入的档盖9。

补偿块4的重心与其所连接配合的同组卡爪结构的基爪2和顶爪5的重心分布于卡盘旋转轴的两侧。补偿块的作用是使基爪2、顶爪5和补偿块4总体的重心位于卡盘旋转轴附近。通过优化补偿块4的结构或者调整径向安装位置，使基爪2和顶爪5两者整体对卡盘旋转轴的重心距与补偿块4对卡盘旋转轴的重心距大小相近，方向相反，优选的为相等。基爪2、顶爪5和补偿块4三者总合对卡盘旋转轴的重心距的大小优选应远小于基爪2和顶爪5两者对卡盘旋转轴合的重心距。在卡盘夹持工件旋转时基爪和顶爪产生的离心力与补偿块产生的离心力方向相反，部分相互抵消。

本发明均可用于内夹持和外夹持，外夹持时，卡爪对工件的夹紧力不会随着旋转速度提高而大幅度降低。内夹持时，如图11所示，内夹持顶爪52对环形工件71的涨紧力不会随着旋转速度提高而大幅度增大。

本发明的具体实施工作过程如下：

如图1所示，具体实施的基爪2和顶爪5之间可采用梳齿定位结构。楔形套8将卡盘外来轴向驱动力通过与基爪2配合的斜面转化为基爪2的径向运动。如图2所示，补偿块4的径向定位块4a部分两个面上有与基爪2和顶爪5相同的梳齿定位结构。补偿块4通过径向定位块4a上的梳齿定位结构分别与基爪2和顶爪5径向定位后由螺栓6和T型块3轴向锁紧固定。补偿块4的质心位于配重块4c区域。

如图1和图10所示，例如卡盘用于外夹持时，基爪2带动顶爪5向旋转轴线方向移动，夹持工件7。卡盘体1带动卡爪和工件7旋转时，补偿块4的配重块4c产生的离心力和基爪2、顶爪5等零件产生的离心力方向相反，互相抵消。顶爪5对工件7的作用力随着卡盘1的转速变化保持平稳。

对于梳齿定位结构的补偿块4，根据不同工况下顶爪5大小和径向位置的变化，在一定范围内可通过调整其径向安装位置实现最佳的补偿效果。

如图4和图7所示，补偿块均为对称结构，同组中三个补偿块的过渡连接部分为嵌套结构以实现在旋转轴重叠位置轴向错位，三个补偿块总体在结构上相对旋转轴是一个动平衡结构。

如图5和图6所示，基爪2、补偿块4的径向定位块4a和顶爪5的径向定位也可以用卡槽定位结构。

如图12所示，基爪和顶爪两者的整体重心移动范围100取决于基爪2的重量、基爪2的径向行程范围、顶爪5的重量和顶爪5的径向安装位置四个因素。对同一个卡盘，基爪2的重量和行程范围是固定不变的。顶爪5的形状大小及重量、径向安装位置每次会根据加工工件的不同进行调整。本发明对于同一个卡盘可以选择配置一组径向定位块4a和过渡连接件4b，配合不同规格的配重块4c，组成不同规格的补偿块4，使不同工况下基爪2、顶爪3和补偿块4三者的整体重心移动范围101都能够尽可能靠近卡盘旋转轴。

由此可见，本发明能够有效克服通过径向移动卡爪形式夹持工件的传统卡盘旋转时卡爪夹紧力受离心力影响严重的缺陷，具有显著的技术效果和较高的实用推广价值。

Claims (10)

1.一种用于卡盘的外置离心力补偿机构，其特征是：卡盘上采用具有分离式的卡爪结构，包括由基爪（2）、顶爪（5）以及基爪（2）和顶爪（5）之间的补偿块（4）构成三组卡爪结构，三个基爪（2）沿圆周间隔均布安装在卡盘体（1）上，并沿卡盘体径向套入安装，三个顶爪（5）通过补偿块（4）和T型块（3）与对应的基爪（2）固定连接，螺栓（6）依次穿过顶爪（5）、补偿块（4）后连接T型块（3），套在基爪（2）沿径向的T形槽内，从而将顶爪（5）、补偿块（4）和基爪（2）之间压紧接触，形成外置离心力补偿机构；补偿块（4）的重心位于配重块（4c）。

2.根据权利要求1所述的一种用于卡盘的外置离心力补偿机构，其特征是：所述的补偿块（4）包括径向定位块（4a）、过渡连接件（4b）和配重块（4c），径向定位块（4a）安装在基爪（2）和顶爪（5）之间，配重块（4c）安装在与径向定位块（4a）以卡盘体轴心为中心对称的一侧；径向定位块（4a）上开有通槽，螺栓（6）穿过顶爪（5）的通孔和径向定位块（4a）的通槽后与T型块（3）螺纹固定连接，径向定位块（4a）与配重块（4c）之间通过过渡连接件（4b）连接。

3.根据权利要求2所述的一种用于卡盘的外置离心力补偿机构，其特征是：所述的过渡连接件（4b）为中实结构或者中空结构，分别应用于中实卡盘和中空两种卡盘。

4.根据权利要求3所述的一种用于卡盘的外置离心力补偿机构，其特征是：所述的过渡连接件（4b）为连接在径向定位块（4a）和配重块（4c）之间的条形板。

5.根据权利要求3所述的一种用于卡盘的外置离心力补偿机构，其特征是：所述的过渡连接件（4b）为连接在径向定位块（4a）和配重块（4c）之间的中空环形板。

6.根据权利要求2所述的一种用于卡盘的外置离心力补偿机构，其特征是：所述三组卡爪结构共计有三个补偿块（4），三个补偿块（4）的共三个过渡连接件（4b）在卡盘体中心交叉处内外依次穿套安装。

7.根据权利要求2所述的一种用于卡盘的外置离心力补偿机构，其特征是：所述的补偿块（4）的径向定位块（4a）两端与基爪（2）、顶爪（5）之间的接触面通过梳齿定位结构或者卡槽定位结构连接，实现径向定位。

8.根据权利要求2所述的一种用于卡盘的外置离心力补偿机构，其特征是：所述的配重块（4c）为扇形，配重块（4c）扇形占据相邻径向定位块（4a）之间的圆周空间。

9.根据权利要求1所述的一种用于卡盘的外置离心力补偿机构，其特征是：所述的基爪（2）和顶爪（5）两者整体对卡盘旋转轴的重心距与补偿块（4）对卡盘旋转轴的重心距相等，方向相反；基爪（2）、顶爪（5）和补偿块（4）三者对卡盘旋转轴合的重心距小于基爪（2）和顶爪（5）两者对卡盘旋转轴合的重心距。

10.根据权利要求1所述的一种用于卡盘的外置离心力补偿机构，其特征是：所述的三个基爪（2）中间装有用于防止铁屑、水、灰尘等进入的档盖（9）。