一种轴承套圈车床用高效自动夹紧机构的设计

刘乐平，刘洋

（华东交通大学机电工程学院，南昌　330013）

　　摘　要：分析现有轴承套圈自动车床用自动夹紧结构中回转液压缸产生的油泄漏、抱轴咬死、动平衡差引起的振动等问题，提出了用普通液压缸代替回转液压缸驱动的自动夹紧方案，并进行了结构设计。配备改进后自动夹紧装置的C1206套圈自动车床已投产使用，各项性能良好。

　　关键词：滚动轴承；套圈；车床夹具；液压缸

　　轴承套圈的车削加工是轴承生产中的一道重要工序，其加工定位十分重要，一般套圈车削时采用端面定位，夹持内径面（内圈）或外径面（外圈）来加工沟道等部位。依照满足大批量、高精度、高效率、低成本的原则，设计开发了专门用于套圈车削加工的自动车床，其中，套圈高效自动夹紧机构是机床设计的重要组成部分。

　　1　现有自动夹紧机构

　　在自动车床中，自动夹紧机构的主要作用是将主轴的转速、扭矩和旋转精度传递给工件。由于液压驱动夹具有夹紧力大、转速高、结构紧凑等优点^[1]，所以，一般选用回转液压缸驱动的自定心卡盘^[2]（图1）。此夹紧机构中，回转液压缸和动力卡盘分别安装在机床主轴的两端，拉杆穿过机床主轴的通孔连接液压缸的活塞杆和动力卡盘的活塞套，液压缸的活塞通过拉杆和活塞套驱动动力卡盘体内的传动机构，实现增力和卡爪径向同步运动，夹紧工件。

　　此类卡盘结构在实际应用中存在的问题是：

　　（1）配流盘为回转液压缸进退用旋转式配油，由于旋转的需要，配流副需有间隙，而由于密封的需要，配流副的间隙只能有几十微米^[3]。因此，主轴高速回转时，温升产生的热变形使原有间隙变小，导致配流副严重磨损。长时间工作后，配流副间隙增大，产生泄漏或进、回油腔相互串通，造成液压缸压力腔压力不足，易在加工过程中发生工件松脱现象。变形严重时甚至造成抱轴咬死，无法正常工作。

　　（2）回转油缸与机床主轴的连接件多^[4]，由于回转油缸与机床主轴一起高速旋转，其连接螺栓的长短、安装后与主轴的同轴度等因素，都将直接影响到主轴的综合动平衡精度。当综合动平衡精度超差时，就会使主轴系统产生振动，影响加工精度和主轴寿命，严重时使主轴系统无法工作。而用专用动平衡设备进行测量、校正，设备投资大，成本高。

　　（3）回转油缸的制造精度要求较高，国内能生产的厂家极少，价格昂贵。

　　2　普通液压缸驱动的高效自动夹紧机构设计

　　2.1方案设计

　　针对上述回转液压缸使用过程中出现的问题，结合新设备的开发过程，对自动夹紧机构提出了新的方案，用普通液压缸代替回转液压缸，如图2所示。其工作原理为：普通液压缸固定在主轴箱体上，驱动杠杆，并通过一对推力球轴承将活塞杆的轴向运动传递给随主轴高速回转的拉杆，拉杆轴向拉动夹头使其卡爪径向收缩或放松，从而夹紧或松开套圈。轴向定位和弹出机构可以在夹头夹紧套圈时进行轴向定位，在松开时自动快速地弹出套圈。根据夹头的轴向移动量及夹紧力要求，设计计算出杠杆的长度、支点位置及在平衡位置往复摆动的摆角，然后可以方便地选定液压缸的缸径和行程等重要参数。

　　为防止主轴在工作过程中承受杠杆过大的径向力而产生弯曲变形，设计时应注意：

　　（1）杠杆在平衡位置往复摆动的摆角不宜过大。

　　（2）需通过调节螺母和调节螺杆，对轴向位移量作微量调整，以保证杠杆工作的平衡位置处于垂直方向，即γ=90°。

　　2.2结构设计

　　普通液压缸驱动自动夹紧机构的设计如图3所示。工作原理如下：将普通液压缸固定在主轴箱体上，活塞杆端部通过拉钉与拨叉的端部铰接，拨叉中间与箱体铰接，另一端拨动拨环，拨环与推力球轴承的松圈连接，不随主轴转动。推力球轴承的紧圈与拨块固连，拨块的端部半圆结构穿过主轴上的矩形窗，插入拉杆的环形槽内，两拨块对称安装。当液压缸的活塞杆作直线运动时，通过杠杆作用，拨叉推动拨环作轴向移动，拨环再通过推力轴承、拨块，将轴向运动传递给随主轴一起转动的拉杆，从而带动夹头径向收缩或张开。可以在主轴不停止旋转的情况下完成自动接受轴承套圈并定位夹紧、车削加工；夹头松开时自动弹出套圈等功能。轴向定位和弹出挡板用于套圈的轴向定位和自动弹出。本结构介绍的夹头适用于外圈，对于内圈，仅需改变夹头形式即可。

　　3　结束语

　　设计的新自动夹紧机构有着低成本、高效率和全自动等特点，配置该自动夹紧机构设备，可在主轴不停止旋转的的条件下，实现轴承套圈车削加工中的上料，定位/夹紧，车削加工，自动松夹和收料入盒全过程的自动连续加工，提高了设备的自动化水平和生产效率。配备该自动夹紧装置的C1206套圈自动车床经1年应用，其有效地解决了回转液压缸难以避免的泄漏、抱轴咬死、综合动平衡精度差产生振动等问题，生产效率高达30件/min。另外，该高效自动夹紧机构也可用于有自动夹紧要求的数控车床中。

　　参考文献：

　　[1]成大先.机械设计手册：第4卷[K].北京：化学工业出版社，2002.

　　[2]王光斗，王春福.机床夹具设计手册[K].上海：上海科学技术出版社，2002.

　　[3]杨华勇，周城.自定心液压动力卡盘的研究综述[J].中国机械工程，2007（2）：244-251.

　　[4]沈健.液压动力卡盘的结构和性能分析[J].组合机床与自动化加工技术，2004（12）：103-104.
 

来源：《轴承》2009年10期