弹簧夹头的应用

国际金属加工网 2017年02月14日

在现代复杂的制造环境中,想在最佳状态下保持连续切削加工,大多数工厂都必须经过机床制造商的严格培训,认真学习新设备的加工运动原理、结构特征和使用技巧,方能进行操作使用。尤其对于顶端的技术系统,更是如此。例如,先进的机床控制系统,复杂形状零件的5轴加工程序的汇编等。庆幸的是,有一种与此相反的处理方案,这就是截止目前已经开发出的一些功能强大、精度高,但又容易操作(勿须专门培训)和使用寿命长的工艺装备。用以快速定位、夹紧工件(或刀具)的相对卡盘定位精度高的弹簧夹头(或称弹簧套)就属于这一范畴。它具有100多年的悠久历史和很广阔的应用范围。

第一个弹簧夹头的使用并不是很理想的。但当时确实证明了一个事实,一个好的工件夹头的使用,能提高生产效率和加工零件精度。后来,在车床开发制造领域享有盛名的Hardinge公司,在1901年骄傲地在他们开发的车床上使用了(于1890年)由本公司研制成功,用以提供工件定位与夹紧的弹簧夹头,并将他们的产品图纸和开发的系列产品向外公布。当时主要是为适应钟表和透镜制造业大批量生产的市场需要而开发的。能如此好地为早期(1920年前)的普通车床与凸轮式多轴自动车床提供得心应手的弹簧夹头产品,的确令人难以置信。这就如同在现在的先进的CNC车床上配置一套现代化技术的控制系统。

让我们回顾以往,随着加工与设备技术的不断进步,在要求各个系统都能极高地提高生产效率的设计改革潮流中,对作为机床的最基本但又很重要的工艺装备弹簧夹头,却从没有给以设计的空间和时间。这似乎是件非常奇怪的事情。在机床结构也在以飞快速度变换着的形势下,能继续保持原弹簧夹头基本结构保持不变的这一奇迹,主要归功于它特具有的灵巧、精致的结构和功能强大、使用方便以及经济性好等特点。弹簧夹头虽小,但在机床工业中确实起到了很重要的作用,这是都是由于它具有以下很强的功能:

能精确地定位与夹紧工件(或刀具),具有抵抗扭矩和承受来自多方向切削力的功能。具有增大驱动力(拉力)和转换驱动力为工件(或刀具)夹紧力的功能。具有快速松开工件(或刀具)的功能。具有在不降低加工精度和使工件不受损害前提下的高重复精度。具有能在较宽的主轴转速范围内工作与只有极小的夹紧力损失的能力。在高速切削中的转动惯量最小。

夹紧力总的来说,弹簧夹头的设计和使用是一个涉及面很宽的领域,它是需要相对应于多种机床系列,以及包括了为体现它与机床各自不同风格和特征 而设计的产品,所以总数已有成千上万。但是现在还有一个普遍的错误观念,认为弹簧夹头只用以夹紧圆柱形工件毛坯。这是不符合事实的,实际上它几乎能对任何形状的工件(或刀具),包括正方形或六边形工件进行定位夹紧。下面主要介绍影响各种弹簧夹头正确装夹定位和夹紧力的有关因素和工作原理。影响夹紧力的因素夹紧力是机床经弹簧夹头施加在工件上的力。

本文中插图是一个在车床上使用的用以定位、夹紧工件的弹簧夹头 , 同样也可以被用来对刀具、磨削的工件实行 定位、夹紧或许多别的场合。拉杆(图中未示出)的外螺纹与弹簧夹头的后端内螺纹连接拉紧,产生轴向拉力。然后由机床主轴前端的被称为锁紧角的锥面,将轴向拉力转换成一垂直于弹簧夹头中心的夹紧力。不仅如此,夹紧力还可以通过锁紧角将其扩大,经过计算得知,根据不同的锁紧角,弹簧夹头夹紧力可扩大3-4倍。弹簧夹头是一个结构简单的工艺装置,却有许多影响夹紧力的主要因素 。对于基本原理的了解可以帮助工件(或刀具)正确装夹和迅速查找故障。以下介绍几个影响夹紧力的主要因素和总结的使用经验:

轴向作用力。如图所示为拉杆施于弹簧夹头的轴向拉力 。在弹簧夹头的使用中,轴向力拉力可由不同的方式施加,但其作用原理基本相同。很明显,大的轴向拉力将产生大的夹紧力,反之亦然。一般拉杆的轴向拉力可由操作员进行调整。在弹簧夹头使用中,设计的锁紧角(或头部倾角)大小将决定着夹紧力经扩大后能达到的指标, 通常由机床制造商和弹簧夹头制造商决定。当弹簧夹头新的设计还正在探求之中, 从经济性和可靠性考虑, 设计师建议用户使用现有弹簧夹头结构。标准锥度(或头部倾角)已根据机床类型(如车床等)、使用条件(动态与静态)和用途(工件与刀具)不同,由设计时确定。工件(或刀具)与弹簧夹头之间的总摩擦力将直接 影响夹紧力。

小的摩擦值将导致小的夹紧力,反之亦然 。弹簧夹头供应商能采取各种措施,克服弹簧夹头与工件(或刀具)之间的相对转动或轴向窜动等,比如弹簧夹头内孔有意制出锯齿形状或将硬质合金微晶粒浸渍在夹紧表面等。主轴锥面与弹簧夹头在锁紧角处产生摩擦。其摩擦力大小也直接影响弹簧夹头对工件的夹紧力大小。摩擦力太小时夹紧力不够,太大的夹紧力,会加快弹簧夹头磨损。使用中弹簧夹头要经常松开实行工件交换,例如在车削加工中心上使用,需在松开时在弹簧夹头内孔表面喷涂一薄层润滑剂。有条件采用冷却剂润滑更好,因为冷却剂提供可冲洗弹簧夹头,而且润滑性效果好。尤其在锁紧角处定期施加冷却剂,则能减少长期磨损和增加夹紧力。

一些更多润滑效果更好的材料也可以使用,包括有EP(极限压力)特性的高质量润脂油或蜡基材料。似乎有些奇怪的是,一些聪明的操作者在加工难度大,而且在一般的冷却润滑的效果都不佳时,选用女士们使用的唇膏,据称效果很好。选择合适的弹簧夹头名义直径尺寸,以保证弹簧夹头对工件的完全支撑是增大夹紧力和可靠夹紧保证高质量加工的必要条件。如果弹簧夹头的名义孔直径选择太大,工件仅仅由弹簧夹头的孔口部分将工件夹紧,将引起工件外圆和弹簧夹头内孔之间几何形状的不匹配,因而降低夹紧力。如果如果夹头名义孔直径选择太小,只有头部倾角的内部与工件接触,相对而言,夹紧力增大,但引起夹头与工件的不同心问题。在一个名义尺寸下,它可对名义直径相同的工件进行装夹定位。当选择弹簧夹头名义的孔径尺寸,Hardinge公司推荐指标为能在 0.0254mm 范围发生变化 。

由切削试验和多年的使用实际证明,弹簧夹头能满足切削速度日益增长着的加工需要和有很长的使用寿命。我们知道,在100多年前主轴转速一般按每分钟几百转计量。今天,主轴转速高达每分钟数万转,材料切除率也以惊人的速度递增。在100多年来的成功使用中,尽管使用了许多先进的高端制造技术,和能在很高的主轴转速条件下加工,但仍都还使用着现有结构的弹簧夹头。这在制造业中的确是罕见的,也确实是Hardinge公司人应该倍感骄傲的地方。英文原文Workholding Collets And Factors That Affect Grip Force


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