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安全卡盤扳手設計與應用

文檔作者：羅太景裴武興文檔來源：徐州工業職業技術學院		點擊數：	更新時間： 2021年10月12日
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2012年1月
第40卷第2期
機床與液壓
MACHINE T0OL &amp;amp; HYDRAULICS
Jan．2012
Vo1．40 No．2
DOI：10．3969／j．issn．1001—3881．2012．02．009
安全卡盤扳手設計與應用
羅太景，裴武興
(徐州工業職業技術學院，江蘇徐州221140)
摘要：車床的操作中最常用到的扳手有兩副，一副是卡盤扳手，另一副是刀架方頭螺釘扳手。兩副扳手各有所用，不
能夠替換，在操作中頻繁更換，影響工作效率；同時，有人使用卡盤扳手夾緊工件后可能忘記將其取下，就有可能發生傷
人事故，存在嚴重的安全隱患。針對以上不足，設計出一種新型的安全卡盤扳手，集卡盤扳手和刀架扳手的功能于一身，
既減輕了勞動強度，提高了勞動效率，又杜絕了安全隱患，具有較好的經濟效益和社會效益。
關鍵詞：車床；卡盤；安全；多功能扳手
中圖分類號：TH122；TG712 文獻標識碼：B 文章編號：1001—3881(2012)2—022—5
Safe Chuck W rench’S Design and Application
LUO Taijing，PEI Wuxing
(Xuzhou College of Industrial Technology，Xuzhou Jiangsu 22 1 140，China)
Abstract：The most commonly used spanner has two in lathe’S operation．One is the chuck wrench，another is tool rest square
head screw spanner．Each spanner has its own usage，and can not be replaced by other．During operation，they are~equendy re—
placed，SO working eficiency is afected．At the same time，some one might use a chuck wrench to tighten a workpiece，and forget to
take it down afterwards，SO it might cause personal injury and severe safe hidden danger exists．Aiming at the deficiency above，one
kind of new multipurpose security spanner was designed．which integrated functions of the two spanners in one—body．The labor intensity
is reduced and eficiency is raised by this new spanner．Most importantly，safe hidden danger is ceased．It has great economic and
social eficiency．
Keywords：Lathe；Chuck；Safe；Multipurpose spanner
一般工廠機床加工生產中，最常用的機床扳手就
是卡盤扳手和刀架扳手。操作者通過卡盤扳手將工件
夾緊或者松開；通過刀架扳手將所用刀具夾緊固定在
刀架上。這兩種扳手是車床加工中使用最頻繁并且為
必須的工具。如果沒有這兩種扳手就無法使工件和刀
具定位夾緊，無法實現利用車床進行生產加工的目的。
在車工實習和實際工廠生產加工中，車床的安全
操作是教師和生產管理人員反復強調和要求的環節。
按照車床的安全操作規程，操作者在使用三爪卡盤夾
緊工件時，卡盤扳手使用完畢后必須立即取下，然后
啟動按鈕。操作者嚴格按照規定的程序操作就不會發
生事故，但是個別操作者特別是剛開始接觸機床的學
徒或者學生，往往貪圖省事或者疏忽大意忘記取下扳
手，結果發生事故。
以CA6140車床為例，操作者將離合器手柄置于
中間位置，卡盤完全停止，此時將卡盤扳手插入卡盤
裝卸工件時，卡盤不會突然轉動，但裝夾完畢之后如
果忘記取下卡盤扳手就提起離合器手柄，隨著卡盤的
轉動卡盤扳手飛出或者向下撞擊床身導軌，導致事故
發生，傷及人身或損壞機床。
長期以來，在車床有關實習和生產中，最常用的
扳手有兩副，一副是卡盤扳手，另一副是刀架扳手，
兩種扳手各有所用，不能替換，但是在實際操作中這
兩個扳手又使用得相當頻繁，更換扳手費時費力，不
僅增加了勞動者的勞動強度，而且延長了勞動時間，
降低了生產和勞動效率。
在使用卡盤扳手和刀架扳手的過程中，還經常發
生操作者拿錯扳手，然后再返回更換的情況，而且兩
副扳手在保管和存放的過程中占用空間和其他資源。
由此，作者想設計一種安全并且多用的扳手，它能夠
集卡盤扳手和刀架扳手的作用于一身，這樣就不會出
現拿錯扳手從而返回更換的情況，而且還能夠降低設
備制造成本，節約空間和資源。
另一方面，鑒于現有卡盤扳手因為未能及時取下
而發生大量事故的這一最主要的缺點和不足，作者想
設計出一種能夠自動彈出卡盤的扳手，這樣就不會因
為操作者忘記取下扳手而發生事故。
扳手自動從卡盤彈出的方案：在卡盤扳手上設計
收稿日期：2010—12—06
作者簡介：羅太景(1965一)，男，工學、經濟學學士，副教授，研究方向為機械設計制造及幾何量測量。E—mail：atailuo
@ 163．com。
第2期 羅太景等：安全卡盤扳手設計與應用 ·23·
安裝一種自動彈出裝置，當操作者不再給扳手施加力
的時候扳手能夠自動彈出卡盤。
1 安全卡盤扳手主要原理及整體結構設計
1．1 主-,*x-設計原理和說明
對于如何實現自動彈出這一關鍵的問題，在設計
之初，作者受到彈簧圓珠筆的啟發，利用彈簧的彈力
實現扳手的自動彈出功能。
在這次的扳手設計中，利用了彈簧的復位功能，
通過彈簧對工作的位置和行程進行控制和調節。考慮
到此次設計的實際結構主要為圓柱形，且圓柱形彈簧
應用最為廣泛，制造標準化，結構相對簡單，所以決
定使用圓柱形壓縮彈簧。
1．2 整體結構和重要結構設計
1．2．1 整體結構和工作原理
· 安全卡盤扳手的主體結構
示意圖如圖1示，其整體結構
以現有卡盤扳手和刀架扳手為
雛形。主體與卡盤扳手相同，
但是要在主體上開有兩個對稱
180。的內螺紋孔，用于連接內外
套筒和扳手主體。
安全卡盤板手裝配圖見圖
2，在扳手主體1外圍安裝有內
套筒2，套筒2上部裝有圓柱形
壓縮彈簧5，通過彈簧與內套筒
的相互受力作用，起到使用時圜1
自動從卡盤彈出的這一最重要
作用。內套筒5通過螺釘6與外
扳手主體結
構示意圖
套筒3和扳手主體1連接，外套筒3起到保護整個扳
手主體和彈簧的作用。
圖2 安全卡盤扳手裝配圖
扳手主體頂部內開有十字形通孔，用于使用時插
人手柄4。手柄4分為兩段，且每段尾端經過滾花處
理，起到防滑的作用。兩段手柄可以單獨使用，必要
時也可以一起使用。
在不受力的情況下，外套筒3是伸出的，當使用
時操作者給予其外力作用后，外套筒3受力，同時頂
住彈簧5，使得彈簧5被壓縮，此時卡盤扳手頭相對
地就處于套筒外部，這樣就能實現卡盤扳手的功能。
當操作者撤銷外力時，內套筒2在彈簧力的作用下，
對車床的卡盤施加反作用力，這樣扳手就能被其自身
的彈力從卡盤的方孔螺釘中彈出。
1．2．2 可換接頭設計 ’
為了實現卡盤扳手和刀架扳手兩種功能，需要將
刀架扳手置于卡盤扳手的主體上，但是這樣必然造成
整個結構臃腫，結構相對比較復雜，使成本上升。產
品的改進設計不光是以追求技術先進和使用方便，還
要考慮到整個產品的成本，如果新產品的制造成本大
大超越改進前的產品的話，那么也意味著改進設計的
失敗。
因此，在這次改進設計中，作者決定將原先的刀
架扳手結構大大縮減，設計一個可換接頭(圖3)。
現實中刀架扳手在使用時也只有頭部的內四方孔起作
用，其余的主體部分與卡盤扳手是一致的。
圖3 可換接頭零件圖
1．2．3 行程設計
為了使該改進設計產品能夠在彈簧力和操作者施
加外力的作用下在一定的行程內運動，最終實現自動
彈出的保護功能，需要有限制其行程的零件。從整體
結構圖2中可以看到，作者利用的是一個內套筒零
件。
· 24· 機床與液壓 第4O卷
通過在內套筒的
筒壁上開兩個對稱
180。的鍵槽形通孔
(圖4、5)，利用螺釘
穿過通孔將外套筒和
扳手主體連接，因為
螺釘是起固定作用的，
這樣內套筒只能在其
自身鍵槽形通孔的范
圍內運動。
圖4 內套筒 圖5 內套筒
示意圖 左視圖
通孔的長度就是扳手工作時的最大行程，其數值
根據扳手整體結構和工作狀態及具體情況來設計。對
于行程在此次改進設計中不作嚴格要求，只要滿足整
個設計產品的工作要求即可。
具體的工作行程綜合卡盤扳手頭的尺寸、內套筒
的尺寸以及工作時的實際情況考慮，設計行程L=30
m m o
設計行程孔的長度時要考慮到螺釘穿過行程孔，
因為所選用的螺釘為M5，所以行程孔的長度設計為
實際最大工作行程加螺釘直徑，即為35 mm。
2 零部件設計和校核
通過零部件設計，確定產品的尺寸結構。之前的
設計只是結構設計，沒有給出具體的尺寸，應校核尺
寸是否滿足產品的使用要求。對于此次的改進設計，
部分零部件是標準件，選用滿足使用條件的即可，不
需要進行專門設計和校核。
2．1 手柄設計
手柄是該安全卡盤扳手的重要部分，此次改進設
計是以原先卡盤扳手和刀架為原型的，因此手柄是不
可或缺的。扳手的使用者只有通過手柄才可以將施加
．的力轉換為扳手主體的扭轉，產生扭矩，實現其功
能。手柄零件圖見圖6。
圖6 手柄零件圖
手柄的直徑和長度采用了現有卡盤扳手的尺寸，
材質為45號鋼，能夠滿足使用要求。
此次設計對扳手手柄進行了外形的改進設計，將
長度為300 mm的手柄分為兩段，可以單獨使用，也
可以兩段同時插入扳手主體上部的十字形通孔中使
用。每段手柄的右部進行長度為40 mm的滾花處理，
起到防滑作用。手柄使用示意見圖7。
一一
圖7 手柄使用示意圖
考慮到該改進產品在實際使用中可能出現手柄丟
失的情況，所以該新型多用扳手每套配備3個這樣的
手柄，兩個用于平時的使用，另外一個作為備用，避
免因為突然丟失一個手柄而無法正常使用的情況。
2．2 扳手主體設計與校核
扳手主體(圖8)是安全卡盤扳手的最核心零
件，其余零部件是依附于扳手主體之上的，只有通過
扳手主體才能實現其功能。扳手主體的作用主要是承
載扭矩。設計扳手主體直徑為西：22 mm，方頭上部
主體直徑為 =16 mm。下面對主體上直徑最小的一
段進行校核，看其是否能夠滿足強度要求，是否能夠
承載扭矩。根據使用要求實際情況，已知扳手夾緊工
件時最大扭矩 =40 N·m，主體材料為45號鋼，
所以材料許用切應力[．r] =60 MPa。首先由公式計
算抗扭截面模量：
= = = 804 mm3
軸的最大切應力：
"Tin．x： ： ：49．75 × 10 N／m2：
W × 一 ’ 。 ?
n 804 10 m
49．75 MPa
因為7- <[f]=60 MPa，所以該軸滿足強度要
圖8 扳手主體零件圖
第2期 羅太景等：安全卡盤扳手設計與應用 ·25·
2．3 內外套筒及彈簧設計
該多用扳手的內套筒主要是用來實現扳手的自動
彈出功能，當操作者使用完成后撤銷對扳手施加的力
的時候，內套筒就在彈簧力的作用下與卡盤產生反作
用力，這樣扳手就能夠自動從卡盤中彈出，避免因為
扳手滯留卡盤中而發生事故。
外套筒的作用主要是保護安全卡盤扳手的整體和
內部的彈簧。內外套筒只是起到簡單的保護作用，在
扳手的使用過程中并不會受很大的力，也不會承載扭
矩和其他較大的外力，因此，此次改進設計決定采用
PVC作為這兩個套筒的材料。
PVC材料即聚氯乙烯，它是世界上產量最大的
塑料產品之一，價格便宜，應用廣泛，擁有諸多優
點：輕便，抗化學性優越，不導電，耐用，而且易加
工，造價便宜，質量只有鑄鐵的1／10。因此采用
PVC材料不僅能夠降低該多用扳手的制造成本，而
且減輕了產品的質量，具有較高的經濟效益。
內外套筒尺寸根據整體結構和使用要求選定即
可，不必專門設計和校核。內、外套筒零件圖見圖
9、10。
圖l0 外套筒零件圖
但是，以上內外套筒也可以根據使用者的要求采
用不同的材料，可以是PVC也可以是45號鋼。
彈簧的設計是該新型多用扳手的一個重點。設計
彈簧時，首先根據工作情況和具體條件選定材料，彈
簧的材料主要有優質碳素鋼、合金鋼、不銹鋼和銅合
金等，它們各有優點。碳素彈簧鋼的價格較低、強度
高、性能好，廣泛應用于受靜載荷和有限作用次數變
載荷的彈簧，常用的有25—80號鋼；合金鋼強度高、
彈性好、耐高溫，適用于尺寸較大或者承受沖擊載荷
的彈簧；不銹鋼耐腐蝕，耐高溫，適用于腐蝕性介質
中工作的彈簧。
此次改進設計中，考慮到彈簧的使用環境是一般
的常溫環境，既沒有腐蝕性介質也沒有承受較大的沖
擊載荷，所受載荷也相對較小，因此采用一般的優質
碳素鋼即可，選定材料后確定其許用應力。
根據設計手冊中有關碳素彈簧鋼絲材料性能表，
初選彈簧鋼絲直徑為西=1．0 mm，查表得抗拉強度
or =1 660 MPa；壓縮彈簧的許用應力分為三類，根
據多用扳手的使用頻率和情況，選用第一類許用應力
(I類為受載荷作用次數在10 以上的彈簧)，所以許
用應力[r]=(0．30～0．38)0- ；根據扳手結構和安裝
彈簧的空間最大外徑D i ≤35 mm和最小外徑D>22
mm，估取中徑D =28．5 mm。由此得：
[r]=0．380-b=0．38 X 1 660 MPa=631 MPa
根據強度條件計算彈簧鋼絲直徑。現取環繞比
C=6，則得：
系 麗4C-1+ = + 一
1．25
于是有：
∥ ．6√罱=1．6 x ~／50 x 613．215 x6~1．23 mm
改取d=1．23 mm，查得： b=1 912 MPa，所以
[ ]=0．380-b=0．38 X 1 912=726 MPa
取中徑D：28．5 mm則環繞比C：了D： 害：23
再次計算補償系數 = 4C-1+ =4 x 23-1+
~l_06
于是得：
d， 6√ _1．6×／50 x 1．06 x23" 07
該值與原估取值較相近，根據GB／T 1358—1993
彈簧絲直徑國家標準系列，取彈簧鋼絲標準直徑d=
2 mm，此時彈簧鋼絲中徑D=28．5 mm不是標準值，
根據GB／T 1358—1993彈簧鋼絲中徑國家標準尺寸系
列，選中徑D=28 mm。
· 26· 機床與液壓 第4O卷
彈簧外徑D，=D+d=28+2=30 mm
然后根據彈簧剛度計算彈簧的有效圈數。
K
p
=
P
=
50 N
= 0．83 N／mm
由彈簧常用材料及其許用應力表取G=79 000
blPa，彈簧圈數n為
凡： ： ! 生 8
． 67
8 ～
p
8×28 ×0·83
根據GB／T1358—1993彈簧有效圈數系列取有效
圈數n=9。
彈簧內徑D =D—d=28—2=26 lnln
節距 ：d+ 堅+占：2+ +0．2 9 mm
由有效圈數、節距、支撐圈數和彈簧鋼絲直徑計
算得出自由高度日n：
Ho=nt+ (n2—0．5)d=84 mm
綜上所求：彈簧自由高度H=84 lnlll，節距t=9
mm，內
圖11 彈簧零件圖
彈簧材料選用65號優質碳素鋼，熱處理工藝為
油淬，400～420℃ 回火，硬度HRC42—48即可。因
為彈簧鋼絲直徑小于8—10 mm，所以采用冷卷法制
造。彈簧兩端并緊，磨平。
3 整體效果和使用方法展示
3．1 多用扳手整體效果 ，
多用扳手整體效果見圖12。
圖12 整體效果圖
3．2 使用方式展示
在使用展示這一章節，將展示該改進設計后的安
全多用扳手在車床上裝夾工件、裝夾刀具的功能，還
有起到六角套筒扳手作用的展示。
裝夾工件使用展示見圖13。
裝夾刀具使用展示見圖l4。
六角套筒扳手功能展示見圖l5。
圖13 裝夾工件示意圖 圖14 裝夾刀具示意圖
圖15 六角套筒扳手功能
參考文獻：
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4—269．
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