钻夹头夹紧力的分析与计算.pdf

4 Hong2Jie Pei Gui2Cheng Wang Ju2Dong Liu Influence of fre2 quency ratio on dynamic angular displacement of screwing tap in low frequency vibration tapping1Journal of the Chinese Society of Mechanical Engineers Vol126 6 695 699 2005 5 Li2Jie Ma Gui2Cheng Wang Wei2Guo Wu1Dynamic simula2 tion of vibration tapping1Journal of the Chinese Society of Me2 chanical Engineers Vol127 1 19 23 2006 第一作者 朱金辉 江苏大学机械工程学院精密与超精 密加工研究所 212013江苏省镇江市 3浙江省 新苗人才计划 2006年度资助项目 项目编号 2007G60 G2080006 收稿日期 2007年10月 钻夹头夹紧力的分析与计算 3 王 强 宋军兰 赵 军 中国计量学院 摘 要 分析了影响钻夹头夹紧力的因素 根据影响夹紧力的因素 提出了钻夹头夹爪螺纹修行的理论 改变 钻夹头的参数 减小了钻夹头夹头螺纹的螺纹升角 进而提高了钻夹头的夹紧力 并通过实际例子的计算验证了 理论的正确性 关键词 钻夹头 夹紧力 螺旋升角 修形 Research on Drill for Improving Clamp Force Wang Qiang Song Junlan Zhao Jun Abstract This paper analyzes the stress situation of the drill chuck1The drill chuck to claw clip thread modification theory is introduced Because the parameter of drilling chuck is changed and the spiral rising angel is reduced the drill chuck clamping force is improved1Through practical examples it verifies the correctness of the theory1 Keywords drill clamp force spiral rising angel modification 1 引言 钻夹头是各种钻床和手工电钻的主要部件 我 国的钻夹头产品占有世界上近2 3的市场份额 山 东和浙江是生产钻夹头的主要基地 山东威达机械 股份有限公司的钻夹头产量和销售量大约有3200 万只 而浙江三鸥机械股份有限公司则大约有2300 万只 山西惠丰机电工贸有限公司则大约有1000万 只 这三家企业的钻夹头产销量之和已超过去年全 国钻夹头生产和销售总量的一半以上 最近十多 年 钻夹头行业的生产技术有了长足进步 不仅原有 的钥匙钻夹头性能得到提高 而且轻型 手紧钻夹头 的开发与生产也取得了显著成效 有力地配合了我 国电动工具走向国际市场 扩大外贸出口和提高工 具效能的需要 但是在这种进步面前 也应看到问 题所在 那就是我国钻夹头面临新的挑战 在生产手 紧 自紧等高技术含量钻夹头方面 并在抗冲击性及 夹紧力方面等 与国外同行之间还有较大差距 夹紧功能是钻夹头产品的主要功能 目前国内 外钻夹头企业都在进行增加钻夹头加紧力等方面的 研究 对于钻夹头的夹紧力 可以通过对钻夹头结 构和受力情况进行分析 来计算钻夹头夹紧力和传 递力矩比 本文在文献 1 基础上 对钻夹头受力情 况进行了进一步的分析 找出影响钻夹头夹紧力的 因素 提出了钻夹头夹爪 修形 理论 从而改变了钻 夹头夹爪的参数 改善了夹爪与螺母的啮合面积 提 高了钻夹头的夹紧力 2 钻夹头夹紧力的计算 钻夹头分为手紧式 扳手式和自紧式等三种类 型 手紧钻夹头和扳手钻夹头的夹紧原理相似 均是 通过螺母的圆椎螺纹与夹爪的柱螺纹之间的传动实 现夹紧 而自紧钻夹头的夹紧力来源于链接体与导 向螺杆之间的螺纹预紧 本文以手紧式和扳手式为 例 对其进行分析计算 夹紧力和传递力矩比是通过对扳手或手紧式钻 体内夹爪的受力分析来计算的 钻夹头在夹紧钻头 时受力较复杂 作用在夹爪上的力主要有夹爪螺纹 工作面的正压力Fn和摩擦力f Fn 夹爪螺纹工作 面的全反力FR 夹爪和钻体之间的正压力FJ和摩 擦力F0以及与工作面之间的摩擦力等 钻夹头各 零件的结构尺寸如图1所示 63工 具 技 术 图1 钻夹头夹爪受力分析示意图 螺母与夹爪的相对运动 可看成作用在中径的 水平力推动滑块沿螺纹运动 假若螺纹为矩形螺 纹 将矩形螺纹沿中经展开得一斜面 如图2 图中 为螺旋升角 Fa为轴向载荷 F为作用于中径出 的水平推力 f为摩擦系数 为摩擦角 图2 钻夹头夹爪螺纹受力分析示意图 当夹爪与螺母啮合时 因摩擦力向下 全反力 FR和Fa的夹角为 由力的平衡条件可知 FR F和Fa三力组成力多边形 由图2可得 F Fa tg 1 而对于一般的夹爪螺纹为非矩形螺纹 即为牙 侧角 0的三角形螺纹或梯形螺纹 若略去螺旋 升角的影响 在轴向载荷Fa作用下 螺纹的摩擦阻 力为 Fa cos f f cos Fa f Fa 式中 f 为当量摩擦系数 即 f f cos tan 式中 为当量摩擦角 为牙测角 因此式 1 变 为 F Fa tan 2 在理论条件下 输入力矩由三个夹爪上等值的 力矩组成 即 Min 3F D0 2 bcos 3 式中 D0为夹爪柱体轴面所在锥面与齿圈螺纹的中 间正截面相交圆的直径 b为Fa作用点到夹爪柱体 轴线的距离 所以得 Fa 2Min 3 D0 2bcos tan 4 夹爪在工作平面 过夹爪柱体轴线的平面 内的 平衡方程为 FN1 FN2 FJcos Fasin F0sin 0 F1 F2 FJsin Facos F0cos 0 5 又由各力在A点的力矩平衡 可以得到各力在 A点的力矩平衡方程 FN1lN1 F1D FJlJ Fala F0l0 0 6 式中 lN1 L L3 2 lJ Lcos L 3 la L4cos esin l0 L1sin 又由 F1 2FN1 F2 2FN2 则将上述方程联立 解得夹 紧力方程为 FJ K1Fa K2F0 7 其中 K1 2 2la 2sin cos lN1 2D sin 2cos l N1 2 D 2 2lJ K2 2 2l0 2sin cos l N1 2D sin 2cos l N1 2D 2 2lJ 又由F0 0FJ 故得 FJ K1 1 K2 0 Fa 8 理论条件下 输出夹紧力力矩等于钻头的最大 静摩擦力力矩 即 Mout 3F0max d0 2 3 0FJ d0 2 3 0d0 2 FJ 9 通过上述相关量的计算和所得公式 最后进行 力矩传递比的计算 s Mout Min 3 0d0 2 FJ 3 D0 2bcos 2 F 0d0K1 D0 2bcos 1 K2 0 tan 10 由式 7 可以看出 夹紧力随着椎面角的变化而 变化 锥面角的大小是影响夹紧力与输出扭矩的重 要参数 适当的减小锥面角 会提高夹紧力和输出 扭矩的大小 但这同时会使得夹爪和钻体的长度相 应增加 影响夹紧范围 输出夹紧力矩Mout与摩擦 系数成正比 增大钻体与夹爪之间的摩擦系数 2 输出扭矩就会增大 但是 摩擦力过大会影响钻夹 头的灵活性和钻头的定位性能 同时 夹紧力的大 小还与螺旋面的升角有关系 适当的减小螺旋升角 也会提高夹紧力 732008年第42卷 5 通过上段论述可知 可以通过减小钻夹头的锥 面角 增大摩擦系数和减小螺旋面的升角来达到增 加钻夹头的夹紧力的效果 但是经过上述的综合考 虑 改变夹爪的螺旋升角是一种可行办法 3 利用修形理论提高钻夹头的夹紧力 夹爪的螺旋升角是由夹爪的螺纹类型决定的 钻夹头的夹爪为圆柱螺纹 其牙型面与中径面的交 线为螺旋升角为定值的螺旋线 而螺母锥螺纹的螺 纹展开线为曲线 其螺旋升角为变值 但是螺母锥 螺纹与夹爪柱螺纹均为等距螺纹且螺距相同 所以 我们可以把夹爪和螺母展开 见图3 把夹爪看作 是一个光滑的滑沿着螺母椎螺纹的展开线运动 假设此螺纹副是三个牙齿参与旋合 且分别处 于图2的 三个位置 可以看出 只有中间一 个牙齿吻合得最好 左边牙齿内螺纹斜率偏小 而右 边牙齿内螺纹斜率偏大 这两类斜率不吻合的牙齿 都会发生干涉 图3 圆锥螺旋线展开图 图4 螺旋面干涉现象示意图 为了避免干涉 可以对夹爪的螺纹进行修形 对夹爪螺纹修形之后 可以使夹爪与螺母之间的啮 合情况更好 由原先的线接触变为面接触 由图4 可以看出 通过对夹爪螺纹的修形 其螺旋升角变小 了 但是值却不好确定 由夹爪与螺母的啮合关系 可知 可以以与夹爪啮合的螺母展开线的切线方向 的斜率来代替 前面已经分析 夹爪在II的啮合情 况要比I III处的啮合情况好 所以可以取夹爪在II 处的螺母展开线的螺旋升角 令其等于夹爪的螺旋 升角 圆锥螺旋线的主要特征变量包括螺旋半径 螺 距 圆锥半顶角和螺旋数目 点M的圆锥螺旋线方 程可用螺旋半径 螺距 圆锥半顶角等来表示 其参 数方程可描述为 r R1 tan 3z x r3 cos t1 y r3 sin t1 z p13t1 360 9 式中 p1 螺距 t1 螺旋运动角参变量 r 螺旋半径 圆锥面半顶角 R1 圆锥底面半径 对于圆锥螺旋线的螺旋升角 其定义是螺旋线 的切线与垂直于螺纹轴线的平面的夹角 即 tan np d 10 首先对钻夹头的夹爪进行修形 其修形后如图 5所示 图5 钻夹头夹爪修形 利用上述公式对型号为J3513P的钻夹头进行 夹紧力分析和相应的传递力矩比的理论计算 其参 数与理论值计算如表1所示 表1 J3513P型号钻夹头夹爪几何尺寸参数 尺寸名称量值 mm 夹爪直径D8 开档半径14 螺距p2 夹爪总长度L45 背长度L127 4 退刀槽长度L23 槽口至端面距离L316 1 槽口至端面距离螺纹齿厚L46 5 夹爪倾角15 上角度15 下角度8 1 2 3可以查 机械设计手册 得到 一般夹 爪和钻体材料为45钢 0 2 0115 1 0106 arctan 1 31434 取D0 28165mm 输入力矩 Min 13N m 经计算 其输出力矩Mout 1519N m 力矩比s 11223 83工 具 技 术 修形后 夹爪的螺旋升角为 后 arctan p D2 1 27 而修形前 一般取5 故修行前后的力矩比 为 s后 s前 0d0K1 D0 2bcos 1 K2 0 tan 后 0d0K1 D0 2bcos 1 K2 0 tan 前 tan 前 tan 后 tan 5 3 343 tan 1 27 3 343 1 82 即传输力矩比提高了1182倍 则从理论上 修 形后的输出力矩为Mout 2819 N m 4 结语 本文分析了钻夹头夹爪的受力情况 对钻夹头 的受力情况进行了研究 在受力分析中 给出了输 出力矩以及传输力矩比的公式 根据公式中的各个 参数 分析了影响钻夹头夹紧力的因素 提出了钻 夹头夹爪螺纹修形的理论 通过对钻夹头夹爪的修 形 减小了夹爪的螺旋升角 从而提高了夹爪的夹紧 力 并且通过对实际钻夹头型号进行了理论计算 从理论计算结果可以看出 钻夹头夹紧力得到了有 效提高 参考文献 1 张凤翔 李坤淑 王凤平等 1 关于提高钻夹头输出夹紧力 矩的研究 1 电大理工 2003 4 13 14 2 张小明 1 钻夹头结构性能分析与仿真 1 浙江大学硕士学 位论文 2006 3 杨可桢 程光蕴 1 机械设计基础 1 北京 高等教育出版 社 2002 4 王兆军 1 基于知识的钻夹头设计支持系统研究及应用 1 浙江大学硕士学位论文 2006 5 夏鼎立 1 等倾角变螺距圆锥螺旋线的几何特性及其作图 方法 1 合肥工业大学学报 自然科学版 1992 4 138 144 6 魏显起 张建华 1 圆锥螺旋线上的约束运动 1 山东教育 学院学报 2000 1 52 56 7 O Tekinalp A GUlsoy1Modeling andfinite element analysis of drill bit vibrations1J1Vib1Acoust1Stress Reliab1Des1111 1989 148 215 8 E B Magrab D E G ilsinn1Buckling loads and natural frequen2 ciesofdrillbitsandflutedcutters1ASMETrans1 J1Eng1Ind1106 1984 196 204 第一作者 王 强 硕士研究生 中国计量学院计量测试 工程学院 310018杭州市 中国零部件很难进入欧美市场 从我国政府颁布 构成整车特征的零部件进口管理办 法 时起 欧 美就没有停止过交涉和抗议 直到联合加拿大 向世界贸易组织提起诉讼 中国摩擦密封材料协会理事长王耀说 欧洲确实有贸易 保护的现象 他说 中国的汽车零部件要进入欧洲市场 首 先要做EMARK认证 所有产品每种规格都要做 以刹车片 为例 进入北美市场 只需做一个代表性认证 仅盘式刹车 片就有上千种规格 做EMARK认证 每种规格的成本需要人 民币两三万元 这样的费用太高 给企业带来很大的成本压 力 因此 我国现在出口到北美地区的刹车片增长比较迅 速 出口到欧洲的增长速度却很慢 EMARK认证 给中国企业带来的困扰不是技术方面的 问题 而是成本太高 王耀说 中国企业并不害怕技术问 题 而是害怕认证成本太高 而且做一个认证 至少要两三个 月 当前 我国零部件质量水平提升很快 已经有企业给福 特 克莱斯勒这样的世界知名企业进行原装配套 中国的产品一向具有价格优势 面对出口欧洲市场动辄 上百万元的认