手柄弹性锁紧装置的设计与分析

2014/11/13 15:12:34

0 引言

模具制造实训是目前我系模具设计与制造专业学生必修的一门专业实践课程，学生在整个实训过程中经常会用到扁锉以去除较小的毛刺。在使用扁锉的过程中遇到了这样一个问题:学生由于用力过大，使木质的手柄末端开裂，然后再重新装配时，可调性较差。为解决可调性问题，本文提供的是一种经多次设计修改并试用的具备弹性锁紧装置的手柄，其设计的思路主要来源于数控铣床刀具系统中弹性夹头自动定心装置。

1 结构

手柄弹性锁紧装置的结构，主要部件由手柄主体1，紧固螺母2组成(扁锉部分没有画出)。连接方式为:首先将手柄主体1和紧固螺母2进行粗装配，然后将扁锉的柄部深入至手柄主体1的内孔中，由于内孔的深度及内径尺寸是根据扁锉的柄部的外形尺寸进行设计的，所以当扁锉深入至一定尺寸时，再将紧固螺母2旋紧，通过手柄主体1前端的可胀部分对扁锉柄部的水平面提供径向的夹紧力，这样，扁锉就固定在手柄主体上了。可以看出，当在使用扁锉进行工作时，如果长时间扁锉有松动的话，只需要将扁锉再向孔内深入0.5mm左右，重新调整紧固螺母就可以继续使用了，可调性较强，提高了扁锉的使用寿命。

2 设计要点

2.1 原理

定心夹紧机构是机床夹具中的一种特殊夹紧机构。它是在实现准确定心或对中的同时夹紧工件的，故称为定心夹紧机构或自动定心夹紧机构。定心夹紧机构中与工件定位基准相接触的元件，既是定位元件，也是夹紧元件。

定心夹紧机构是利用定位－夹紧元件的等速移动或均匀弹性变形的方式，来消除定位尺寸偏差对工件定心或对中的不利影响。因此，其基本类型亦可分为等速移动的定心夹紧机构和均匀弹性变形的定性夹紧机构。

该手柄的设计原理即属于均匀弹性变形定心夹紧机构，它是通过紧固螺母2将手柄主体1前端的可胀部分收缩产生弹性变形，从而将扁锉的柄部部分夹持，实现固定作用。

2.2 设计方法

手柄中弹性定心夹紧机构的可胀部分为一段锥螺纹，长度L≥1.25D～1.5D(D为可胀套外圆直径)，该设计方案中锥螺纹前端直径为12mm，后端直径为13mm，螺距为1.5mm。可胀部分沿轴心线开出一条U型槽，槽宽的设计尺寸比扁锉柄部的宽度大0.06mm;可胀部分与扁锉柄部装配，紧固螺母产生夹紧力后，通过涂色检查，保证接触面积在80%以上，保证可胀部分与扁锉的充分接触。手柄主体中心孔尺寸为6.9mm，深度57.7mm，当扁锉柄部深入到54mm左右时，即可提供足够的轴向力，在结合紧固螺母提供的径向力使得其定心刚性好，自锁力好，拆卸松开时，只需借助手动扳手旋开紧固螺母即可。该结构的工艺关键是手柄主体和紧固螺母需要进行配做，以保证其装配精度。

3 手柄主体可胀部分的有限元分析

该手柄弹性锁紧机构采用型钢，当紧固螺母2旋紧，会提供给手柄主体1可胀部分足够的径向力，保证扁锉的定位。通过查阅GB/T3098.9－2002紧固件机械性能有效力矩型钢六角锁紧螺母的机械和工作性能，可以得出当采用螺纹规格为M12×1.5，细牙六角螺母的性能等级为04时，所要提供的夹紧力为24.9kN。可以利用UG7.5软件应用提供了有限元分析功能，对手柄主体可胀部分易产生应力集中的部位进行细致的建模，通过分析得到可胀部分的结构应力分布规律、变形量。

对于该手柄模型的网格划分采用空间四面体单元，整个模型共划分为37251个单元，58322个节点，再根据可胀部分施加的载荷，可以得出其应力分布情况。

从结果可以看出最大应力值在承载区的最下端，应力值应该以此向外递减，按照有限元分析的结果可以得出局部最大的屈服应力为16.81N/mm2＜型钢的标准屈服强度355N/mm2(通过查阅材料手册)，可胀部分并不会断裂，与实际情况相符合，表明建立的分析模型是合理的，能够反映可胀部分的真实受力情况。

4 结语

1)该弹性锁紧手柄可调性较好，由于在数控加工实训中剩余很多的棒料，为避免材料的浪费，可将废料用于学生实训生产该手柄，提高废料及扁锉的利用率。

2)运用UG软件建立手柄模型，并在其有限元分析模块对其进行结构应力分析，只需要改变相应的参数，即可进行仿真分析，从而大大提高了计算效率。

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