弹性夹头的设计方法及弹性夹头与流程

本发明涉及机械加工技术领域，特别是涉及一种弹性夹头设计方法及弹性夹头。

背景技术：

弹性夹头是装置在钻、铣床上的一种用来紧固钻头或铣刀的筒形夹具，也是一种可装置在车、磨床上用来固定需要加工的零件的一种专用夹具。目前用得最多的是er弹性筒夹、c型筒夹等等。

现有技术中的弹性夹头在夹紧工件且处于高速磨削状态时，弹性夹头的动态刚性较差，同时磨削精度也较低。下面以发动机气门杆的加工为例来做具体说明：发动机气门杆是发动机的一个重要零件，用于控制发动机的进气和排气。其中，气门杆的气门盘锥面、盘外圆和气门颈部圆弧轮廓的加工精度对发动机性能影响很大。目前国内外较先进的加工气门杆方法是采用cbn(cubicboronnitride立方氮化硼)砂轮高速磨削(砂轮线速度≥100m/s)且一次装夹磨削出气门杆的盘外圆、盘锥面、颈部圆弧面等多个型面，磨削效率较高。然而，在高速磨削和大面积磨削下，因为弹性夹头的动态刚性差，使得气门杆易产生振动；另外，气门杆本身的加工部位的刚度比较低，气门杆也因此容易产生振纹，最终降低气门杆的生产精度。因此，设计一种能在高速磨削状态中仍具备良好的动态刚性、提高磨削精度的弹性夹头十分有必要。

技术实现要素：

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种具有良好动态刚性、磨削精度高的弹性夹头设计方法及弹性夹头。

一种弹性夹头的设计方法，所述弹性夹头包括夹头套、筒夹和顶杆，所述顶杆设于所述筒夹内，所述筒夹设于所述夹头套内，所述方法包括：

简化所述弹性夹头的结构；

根据所述弹性夹头的结构确定所述弹性夹头需要达到的功能要求；

根据所述弹性夹头的结构计算所述弹性夹头工作状态下的必要夹紧力，以及根据所述必要夹紧力，获取所述弹性夹头的夹头套的受力；

根据所述必要夹紧力和所述夹头套的受力以及所述弹性夹头需要达到的功能要求，优化设计所述夹头套的结构。

下面进一步对技术方案进行说明：

在其中一个实施例中，所述弹性夹头需要达到的功能要求，具体包括：

所述筒夹包括夹持部，所述夹持部设有内孔，所述夹持部自身的长度和所述内孔的直径之比在4～6之间取值；

所述筒夹包括与所述夹持部相对设置的尾端，所述尾端设于所述夹头套内，所述尾端的横截面直径与所述夹头套的内壁面间隙配合，配合间隙δ在0.006㎜～0.008㎜之间取值；

调整所述弹性夹头所受的拉力，直至筒夹尾端与夹头套达到刚性接触。

在其中一个实施例中，所述根据所述弹性夹头的结构计算所述弹性夹头工作状态下的必要夹紧力，以及根据所述必要夹紧力，获取所述弹性夹头的夹头套的受力，还包括：

根据所述必要夹紧力校核所述弹性夹头的强度。

在其中一个实施例中，所述根据所述必要夹紧力和所述夹头套的受力以及所述弹性夹头需要达到的功能要求，优化设计所述夹头套的结构，具体包括：

设定所述夹头套最薄处的壁厚值为h1；

采用有限元仿真分析，得到在所述必要夹紧力和所述夹头套的受力下所述夹头套最薄处的收缩量，比较所述收缩量和所述配合间隙δ；

若所述收缩量和所述配合间隙δ不等，则继续调整h1的值，重复采用有限元仿真分析，得到在所述必要夹紧力和所述夹头套的受力下所述夹头套最薄处的所述收缩量，比较所述收缩量和所述配合间隙δ这一步骤，直至所述收缩量和所述配合间隙δ相等，将所述收缩量和所述配合间隙δ相等时的h1作为所述夹头套优化设计后的最薄处壁厚值。

一种弹性夹头，所述弹性夹头根据如上述所述的弹性夹头的设计方法设计，所述弹性夹头包括：

筒夹，所述筒夹包括用于夹持工件的夹持部，所述夹持部的内壁上设有第一凹槽，所述夹持部包括用于放入工件的入口端，所述第一凹槽包括远离所述入口端设置的第一槽壁，所述第一槽壁和所述夹持部的内壁连接处设有倒角。

在其中一个实施例中，所述第一凹槽环形设置于所述夹持部的所述内壁，所述倒角为环状倒角，所述内壁上设置至少两个所述第一凹槽，所述第一凹槽平行排布。

在其中一个实施例中，所述夹持部为圆台状，所述夹持部还包括与所述入口端相对设置的连接端，所述入口端的直径大于所述连接端。

在其中一个实施例中，所述筒夹还包括与所述连接端相连接的本体，所述本体内部设有中空的第一管道，所述第一管道和所述夹持部相连通；所述本体上开设有气密封孔，所述气密封孔贯通所述本体的管壁。

在其中一个实施例中，所述夹持部包括夹爪，所述夹爪环状排布所述夹爪包括第一内壁面和第一外壁面，所述第一内壁面上开设所述第一凹槽，所述第一外壁面的靠近所述入口端处开设有第二凹槽。

在其中一个实施例中，所述弹性夹头还包括夹头套，所述筒夹套设于所述夹头套内。

在其中一个实施例中，所述弹性夹头还包括卡簧，所述夹头套包括第一端，所述第一端靠近所述入口端设置，所述第一端设有环状的第三凹槽，所述卡簧设于所述第三凹槽内；所述第一端还设有第一通孔，所述卡簧的一端穿过所述第一通孔固定于所述第二凹槽内。

上述弹性夹头设计方法及弹性夹头，至少具有以下有益效果：

(1)弹性夹头的设计方法中，夹头套的结构通过优化设计，以达到在夹紧工件状态下夹头套与筒夹配合且零间隙刚性接触，并且在实际应用当中可通过调整弹性夹头拉力以弥补理论计算及理想模型的误差，从而保证高速磨削时弹性夹头具备良好的动态刚性和较高的磨削精度。

(2)本实施例提供的弹性夹头通过在夹持部的内壁上设有第一凹槽，第一凹槽的第一槽壁和所述夹持部的内壁连接处设有倒角。该第一凹槽的设置有利于减少工件和夹持部内壁的接触面积，进而有利于增加夹持部在夹持工件时的单位压强。另外，筒夹在生产时需要经过磨削，第一凹槽的设置有利于减少筒夹需要被磨削的面积，提高加工筒夹的效率。倒角的设置有效防止工件在进入夹持部时由于顶到第一凹槽而无法顺利上料，可以保证上料的顺利进行。

附图说明

图1为本发明一实施例提供的弹性夹头夹持工件且处于磨削状态下的结构示意图；

图2为本发明一实施例提供的弹性夹头的结构示意图；

图3为本发明一实施例提供的筒夹的结构示意图；

图4为图3的右视图；

图5为图4沿着i-i方向的剖面示意图；

图6为图5的p处的结构放大图；

图7为本发明一实施例提供的夹头套的结构示意图；

图8为本发明一实施例提供的工件处于磨削状态下的受力分析图；

图9为本发明一实施例提供的用于计算夹爪变形阻力的筒夹结构简图；

图10为本发明一实施例提供的夹头套受力变形仿真分析图。

附图标记说明：1、筒夹；11、夹持部；111、第一凹槽；111a、第一槽壁；112、入口端；113、内孔；114、倒角；115、连接端；12、本体；121、第一管道；122、气密封孔；13、夹爪；131、第一内壁面；132、第一外壁面；132a、第二凹槽；14、尾端；2、夹头套；21、第一端；211、第三凹槽；212、第一通孔；22、第二端；3、卡簧；4、主轴；5、顶杆；6、砂轮；7、拉杆；8、工件。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

本实施例提供了一种弹性夹头设计方法及弹性夹头，具有动态刚性好、磨削精度高的优点，以下将结合附图进行详细说明。

一种弹性夹头的设计方法，参阅图1和图2，弹性夹头包括夹头套2、筒夹1和顶杆5，顶杆5设于筒夹1内，筒夹1设于夹头套2内，弹性夹头的设计方法包括：

步骤s1、确定弹性夹头的结构；

步骤s2、根据所述弹性夹头的结构确定所述弹性夹头需要达到的功能要求；

步骤s3、获取所述弹性夹头工作状态下的必要夹紧力，以及根据所述必要夹紧力，获取所述弹性夹头的夹头套2的受力；

步骤s4、根据所述必要夹紧力和所述夹头套2的受力，优化设计所述夹头套2的整体结构。

弹性夹头的设计方法中，夹头套2的结构通过优化设计，以达到在夹紧工件状态下夹头套2与筒夹1配合且零间隙刚性接触，并且在实际应用当中可通过调整夹头拉力以弥补理论计算及理想模型的误差，从而保证高速磨削时夹头具备良好的动态刚性和较高的磨削精度。

在步骤s1、确定弹性夹头的结构中，具体包括：

参阅图1，该弹性夹头的基本结构包括筒夹1、夹头套2和卡簧3，弹性夹头设置在一个中空的主轴4内。筒夹1的夹持部11为圆台状，夹持部11锥度为α，筒夹1包括本体12，本体12的一端连接于夹持部11，本体12的另一端远离夹持部11且端面为直径为d2的圆柱面。夹头套2的外表面为锥度为γ的外圆锥面，该外圆锥面和主轴4的内壁贴合。夹持部11的长度为l2，用于夹持直径为d1的工件8。夹头套2内设有一根顶杆5，顶杆5的直径略小于筒夹1的孔径，顶杆5与主轴4固联为一体，顶杆5的主要作用是当夹持部11夹紧工件8时精确限定工件8的轴向位置。卡簧3卡于夹头套2的第三凹槽211内，并且卡簧3的一端贯穿于夹头套2的第一端21的第一通孔212且并止于筒夹1的一个第二凹槽132a内，该卡簧3主要作用是可靠保证在磨削工件8的过程中筒夹1夹头套2不能相对旋转，以防筒夹1松动。

弹性夹头还包括拉杆7，拉杆7套设在本体12的远离夹持部11的一端，夹头套2还包括相对于第一端21设置的第二端22。弹性夹头工作时，拉杆7在回转油缸的作用下通过设于其端部的螺纹连接拉动筒夹1向着夹头套2的第二端22的方向运动，使得筒夹1在夹头套2的夹紧力的作用下，夹持部11收缩夹紧工件8。工件8磨削完之后拉杆7又由回转油缸推动筒夹1向夹头套2的第一端21的方向运动从而松开工件8，并由专用机构来卸载工件8。为保证磨削时磨屑和磨液不渗入筒夹1与夹头套2的配合面，主轴4后端通过旋转接头接有一路压缩空气，工作时压缩空气通过中空的主轴4和拉杆7，并透过顶杆5与筒夹1的配合间隙而持续不断地向工件8方向吹气，以进行有效气密封。

步骤s2、根据所述弹性夹头的结构确定所述弹性夹头需要达到的功能要求，具体包括：

步骤s21、筒夹1的夹持部11设有内孔113，夹持部11自身的长度和内孔113的直径之比在4～6之间取值，比如夹持部11自身的长度和内孔113的直径之比取值为4、5或者6。

具体地，在本步骤中，由于影响工件8磨削精度的主要因素除了筒夹1、夹头套2等核心零件锥面的制造精度之外，主要还有以下几方面：一是筒夹1前端夹持部11的l2的长度。从理论上讲，该l2长度越长，其直线度越好。但由于加工气门类零件时该孔径很小，过长的l2值会影响制造的精度。另一方面，过长的l2值会减少该夹持部11位单位面积的夹持力，影响夹紧的可靠性。同时在cbn(cubicboronnitride立方氮化硼)高速磨削中，在同等磨削负荷条件下，实际磨削力会低于普通砂轮6磨削。考虑到以上因素，本实施例优选的筒夹1夹持部11内孔113的长径比在4～6之间取值，比如该长径比取值为5。

步骤s22、筒夹1包括与夹持部11相对设置的尾端14，参阅图3，尾端14设于夹头套2内，尾端14的横截面直径与夹头套2的内壁面间隙配合，配合间隙δ在0.006㎜～0.008㎜之间取值。

具体地，影响磨削精度的还有一个重要因素是本体12的远离夹持部11的端部为直径为d2的圆柱面，该圆柱面与对应夹头套2的内壁面配合间隙δ。从理论上分析，在保证工作时筒夹1相对夹头套2能顺利夹紧和前推松开的前提下，该间隙越小，对工件8定位与加工精度越有利。但考虑到在可能存在的一定磨屑渗入该配合面间隙情况，所以还需要保证筒夹1夹紧与松开的可靠性，即需要该配合面有一定范围的配合间隙δ。同时，本弹性夹头还有一项重要的功能设计要点就是要实现在夹紧工件状态下通过夹头套2的第二端22的薄壁的均匀收缩以使远离夹持部11的端部为直径为d2的圆柱面夹头套2的配合面达到零间隙刚性接触。综合以上分析，本实施例将配合面沿着直径方向配合间隙δ定为0.006mm～0.008mm。只需要在这一范围内对配合间隙δ取值。

影响夹头动态刚度的因素除了筒夹1等核心零件配合面的制造精度外，主要还有以下两方面：一是单独考虑筒夹1夹紧工件8时的动刚度。这一因素要求筒夹1前端夹持部11的长度l2尽可能长。但如前述的综合考虑，筒夹1夹持部11内孔113的长径比在4至6之间取值。二是夹紧状态下筒夹1相对于夹头套2(因相对而言夹头套2与主轴4的接触刚性好，此时可将夹头套2与主轴4视为一个整体件)的动刚度。影响这一因素的一个关键要素是要求在夹紧状态下筒夹1的远离夹持部11的直径为d2的圆柱面与对应夹头套2的孔的配合间隙δ要为零，即达到刚性接触。此种状态需要两个方面的精确设计，一是合适的拉力fq，另一方面是合理设计的夹头套2结构，尤其是夹头套2后端的壁厚，以保证在此拉力作用下收拢间隙。如果夹紧状态下该配合间隙未能有效收拢消除，则会大大降低整个弹性夹头的动态刚度。但拉力fq并非越大越好，一方面过大的拉力会增大相关机构的结构尺寸设计，这不利于高速磨削对较低转动惯量的要求；另一方面，fq过大会导致夹头套2受过大的主轴4锥孔压力n1作用而发生微量径向收缩，继而在fq作用下进一步向左产生微量轴向位移。若该轴向位移较显著，使得弹性夹头在拉力fq卸荷状态下由于斜楔自锁原理而残留大部分轴向位移不能复位，则此时弹性筒夹1的远离夹持部11的一端就会“卡”在夹头套2的第二端22内，需要借助较大外力推移松开。这一方面不利于自动下料的可靠性，另一方面工件8每一次上、下料时对精密弹性夹头内部均会产生摩擦，在频繁上下料的工况下精密弹性夹头的精度难以保持，而且弹性夹头的使用寿命也会受到影响。

步骤s23、调整所述弹性夹头所受的拉力，直至筒夹1与夹头套2达到良好的刚性接触状态。

具体地，适当范围内的拉力fq可避免上述不利影响，因为此时在工件8夹紧状态下只有夹头套2的第二端22的最薄的部位产生微量弹性收缩，而其它较厚处的极小收缩量不足以使夹头套2在拉力fq作用下发生轴向位移，等fq卸载后该最薄处弹性收缩又可恢复，不影响松开工件8。因此，拉力fq的取值关键在于达到必要夹紧力条件下，使筒夹1与夹头套2之间的后端配合圆柱面恰好达到良好的刚性接触状态。考虑到理论计算和理论模型与实际生产有一定误差，为保证实际应用中弹性夹头达到良好的动态刚度，本发明在精确理论计算和仿真分析的前提下，在设计中预留了一定的现场参数调整空间，主要是在一定范围内调整回转油缸的拉力fq，通过评判工件8磨削质量和工件8是否可靠自动卸料来推断拉力fq是否达到一定最佳值。

步骤s3：获取所述弹性夹头的必要夹紧力，以及根据所述必要夹紧力，获取所述弹性夹头的夹头套2的受力，具体步骤如下：

参阅图1，设磨削工件8时砂轮6和工件8旋转速度分别为n2、n1(r/min)，砂轮6电机的额定功率为p(w)，砂轮6磨削线速度为v(m/s)，磨削工作时砂轮6以v进(m/s)速度径向进给磨削工件8。设工件8磨削时受到的磨削扭矩为t(n·m)，受到的切向磨削分力为ft，受到的径向磨削分力为fy，受到的轴向磨削分力为fx。由于该弹性夹头应用于现有已成熟的气门杆磨削工艺和磨削机床，磨床砂轮6电机的额定功率p已确定。为便于估算磨削力，可以假定稳定磨削时在极限情况下砂轮6电机的额定功率p全部转化为磨削力的做功运动(事实上存在轴承摩擦、气动阻力等因素，p不可能全部转化，因此该方法更趋于保守)。

针对磨削力更详细的分析如下：参阅图8，由于气门杆磨削区域的加工余量基本均匀，可将工件8成形面磨削区沿x方向均匀分为近似直线段ac和圆弧段ce，其中，b是ac的中点，d是ce中点。而h又是bd连线的中点。气门杆部直径为d1，盘部直径为d3，b、d、h各点到气门杆回转中心的距离分别为rb、rd、rh。根据该磨削区域形状特点，可近似将ac段以及ce段磨削力的合力作用点分别归结为b点和d点。由于这两段的砂轮6线速度和磨削余量基本相同，因此可近似认为这两段磨削区域上分别作用在b点和d点上的切向磨削合力及径向磨削合力相等。从而可进一步将整个磨削区域的切向磨削合力ft及径向磨削合力fy作用点均归结为h点。但对于轴向磨削力，由于采用y方向切入式磨削，ac段基本没有轴向磨削力，只有ce段有。而ce段形状接近于1/4段圆弧，可近似认为ce段的轴向磨削力等于该段区域所受的径向磨削力fy/2，并且其合力作用点位于d点，也即整个磨削区域的轴向磨削合力fx作用点位于d点，其大小等于fy/2。则此时有：

p＝ft×v，(1)

而t＝ft×rh，(2)

其中，

而根据《磨削原理》，在切入式磨削时，根据砂轮6钝化程度的不同，法向磨削力与切向磨削力比值一般为3:1～5:1，其中砂轮6钝化越严重，该比值越大。因此，在本设计中取最不利工况下的值5:1，即：

fy＝5ft，(4)

而fx＝fy/2＝2.5ft，(5)

根据《机床夹具设计手册》，对于以工件8外圆定位的弹性夹头，为防止工件8绕轴线转动和沿轴线移动所需的夹紧力wk(n)为：

其中，k为安全系数，μ2为筒夹1与工件8的摩擦系数。将公式(1)～公式(5)式代入(6)式，有：

以下是根据必要夹紧力wk来计算夹头套2的受力的步骤：

参阅图1和图8以及图9，根据《现代实用机床设计手册》，在有轴向定位的情况下弹性夹头要获得径向夹紧力wk,则需要对筒夹1施加的拉力fq为：

其中，为筒夹1与夹头套2的摩擦角，为筒夹1与工件8的摩擦角，α为筒夹1的圆锥角。

且

μ1为筒夹1与夹头套2的摩擦系数。

且

μ2为筒夹1与工件8的摩擦系数。

fr为夹紧时筒夹1夹爪13的变形阻力，

其中，参阅图8和图9，h为簧瓣薄壁厚度(mm)，d为簧瓣的外径(mm)，δ2为筒夹1夹爪13与工件8的直径间隙(mm)，l为筒夹1夹爪13计算长度，即由夹爪13锥面中点到簧瓣根部的距离(mm)，k1为根据筒夹1形状特点的换算系数(参见《现代实用机床设计手册》)。

下面计算在夹紧工件状态下顶杆5的顶紧力f顶。

f顶＝wk×μ，(12)

则夹头套2所受的拉紧力：f套拉＝fq-f顶，(13)

相应的，夹头套2受到主轴4施加的压力：

同理，夹头套2前部圆锥面受到筒夹1施加的压力：

步骤s31、根据所述必要夹紧力校核所述弹性夹头的强度，该步骤具体如下：

步骤s311、校核弹性筒夹1的尾端14(尾端14的最小截面处为危险截面)的强度要求。具体地，筒夹1的最小截面位于筒夹1的尾端14。由于这类夹持工件8的弹性夹头精度要求高，而工作时筒夹1与夹头套2之间的摩擦比较严重，为了减少筒夹1和夹头套2之间磨损对夹持精度的影响，在使用寿命期间内筒夹1的拉紧松开频次不会很高，因此本步骤只校核该最小截面的屈服强度，而不校核疲劳强度。即需校核该截面处的应力σ需满足：

其中，s为筒夹1危险截面的面积，ks为安全系数，σs为筒夹1材料的屈服极限。

步骤s312、校核顶杆5的稳定性。具体地，根据材料力学关于细长压杆稳定性理论，长为l顶杆、直径为d顶杆的顶杆5其能承受的临界压力f顶临为：

其中，e为顶杆5的弹性模量，k顶杆为校核顶杆5稳定性的安全系数，i为顶杆5横截面的惯性矩，且对于实心顶杆5，有：

步骤s4、根据所述必要夹紧力和所述夹头套的受力以及所述弹性夹头需要达到的功能要求，优化设计所述夹头套的结构，具体包括：

步骤s41、设定所述夹头套2最薄处的壁厚值为h1；

步骤s42、采用有限元仿真分析，得到在所述必要夹紧力和所述夹头套2的受力下所述夹头套2最薄处的收缩量，比较所述收缩量和所述配合间隙δ；

步骤s43：若所述收缩量和所述配合间隙δ不等，则继续调整h1的值，重复采用有限元仿真分析，得到在所述必要夹紧力和所述夹头套2的受力下所述夹头套2最薄处的所述收缩量，比较所述收缩量和所述配合间隙δ这一步骤，直至所述收缩量和所述配合间隙δ相等，将所述收缩量和所述配合间隙δ相等时的h1作为所述夹头套优化设计后的最薄处壁厚值。

具体地，参阅图1，在前述步骤s3计算得到的必要拉力fq作用下，主轴4对夹头套2施加的压力n1使得夹头套2后端最薄处的均匀收缩量刚好达到未施加拉紧力前筒夹1与夹头套2的配合面的间隙δ，从而使得弹性夹头可以达到磨削时的高动态刚性和高回转精度。步骤s2所述的一系列精确计算已得到了拉紧力fq作用下的压力n1值，这样，可通过先初设一个夹头套2最薄处的壁厚值h1，再采用有限元仿真分析，得到此压力n1作用下夹头套2最薄处的收缩量值，并与δ值进行比较，再行调整初设的h1值，直到该收缩量值与δ值相等。这样就得到最优设计的h1值，继而整个夹头套2的基本尺寸即可确定下来。此外，该夹头套2的第二端22还可以设有一段外螺纹，以便于必要时可用一个有相同规格内螺纹的拉板将夹头套2从主轴4的孔中拆卸下来。

通过以上四个步骤，即可完成对本发明的高速精密磨削专用弹性夹头的设计。

以下以具体实例来说明弹性夹头的设计方法如何应用。

现以某公司生产的一种发动机排气门的成形面磨削为例。工件8形状参阅图1和图8，其杆部直径d1＝6mm，盘部直径d3＝28mm，气门伸出夹头的长度l1＝34mm，磨削时砂轮6线速度为v＝100m/s，砂轮6电机额定功率p为15kw，则：

估算夹紧力wk:

由式(1)得，切向磨削分力磨削扭矩轴向磨削分力fx＝2.5ft＝375(n)。因筒夹1、夹头套2及工件8材料均为钢类，取摩擦系数μ1＝μ2＝0.15，安全系数k设为2.5。则由式(6)得：

推算拉紧力fq:

本实例取α＝17°30′30″,筒夹1簧瓣数取3，则由《现代实用机床设计手册》查得，k1＝6000。取簧瓣薄壁厚h＝4mm，簧瓣外径d＝19mm，取筒夹1夹爪13与工件8的直径间隙δ2＝0.4mm，设计夹爪13锥面中点到簧瓣根部的距离l＝42mm，则由式(11)得夹紧时筒夹1的夹爪13的变形阻力：fr＝888.8(n)，

则由式(8)得所需的拉紧力：fq＝4766.4(n)，

由式(12)推算顶杆5在夹紧状态下的顶紧力f顶＝1417(n)，则夹头套2所受的拉紧力f套拉＝3349.4(n)，相应的，由式(14)可得夹头套2受到主轴4锥孔的压力：n1＝1.677×10⁴(n)

校核筒夹1危险截面的强度：

请参阅图3和图5，本实例设计的筒夹1危险截面位于尾端14处，其最小外圆处直径为ф18.5mm，而对应处内孔113直径为ф11mm，筒夹1材料的屈服极限σs取为375mpa，安全系数ks取2，则由式(15)得该危险截面的应力：

校核顶杆5稳定性：

本实例设计的顶杆5直径d顶杆＝ф10.8mm，长l顶杆＝180mm，安全系数k顶杆取2，材料的弹性模量e取210×10⁹pa，则由式(16)可得该顶杆5能承受的临界压力f顶杆为：

优化设计确定夹头套2后端圆柱孔部位的最小壁厚h1：

如步骤s1所述，本实例将夹头套2后端圆柱孔与夹头套2对应圆柱面的直径间隙δ定为0.006～0.008mm。经过几次试算，本实例现将夹头套2后端圆柱孔部位的最小壁厚h1设为1.5mm。这样，夹头套2的整体尺寸即定确定下来。采用上述步骤5的方法，用有限元仿真分析夹头套2受力变形情况，将上面计算得到的分布压力n1施加到夹头套2壁上，得到受力变形仿真结果图(参阅图10)。由图10可知，在夹紧状态下，该夹头套2后端圆柱孔部位的最小壁厚处在半径方向收缩约0.0032mm，基本等于直径间隙δ的一半，即此时在夹紧工件状态下筒夹1和夹头套2的配合面刚好能收拢间隙。达到本发明设计目的。此时提供fq＝4766.4n的液压回转油缸(最大油压4mpa)其输出油压约为1.2mpa。由于油缸提供的拉力在一定范围内可调，经实际使用验证，在回转油缸工作压力1.2～1.5mpa范围内高速磨削气门杆，均能获得良好的磨削质量。但油压低于1.0mpa时，工件8磨削面会有振纹出现。而当油压大于1.7mpa后，会出现油缸卸荷松开工件8时筒夹1与夹头套2之间偶有卡滞未能有效松开工件8现象。这些现象与本发明前述分析相符合。

在一个实施例中，弹性夹头根据上述所述的弹性夹头的设计方法进行设计。请参阅图3、图5以及图6，该弹性夹头包括筒夹1，筒夹1包括用于夹持工件8的夹持部11，夹持部11的内壁上设有第一凹槽111，夹持部11包括用于放入工件8的入口端112，第一凹槽111包括远离入口端112设置的第一槽壁111a，第一槽壁111a和夹持部11的内壁连接处设有倒角114。

本实施例提供的弹性夹头通过在夹持部11的内壁上设有第一凹槽111，第一凹槽111的第一槽壁111a和所述夹持部11的内壁连接处设有倒角114。该第一凹槽111的设置有利于减少工件8和夹持部11内壁的接触面积，进而有利于增加夹持部11在夹持工件8时的单位压强。另外，筒夹1在生产时需要经过磨削，第一凹槽111的设置有利于减少筒夹1需要被磨削的面积，提高加工筒夹1的效率。倒角114的设置有效防止工件8在进入夹持部11时由于顶到第一凹槽111而无法顺利上料，保证上料的顺利进行。

在一个实施例中，请参阅图5和图6，第一凹槽111环形设置于夹持部11的内壁，倒角114为环状倒角114，内壁上设置至少两个第一凹槽111，第一凹槽111平行排布。比如，夹持部11的内壁上开设两个平行设置的第一凹槽111，每个第一凹槽111的第一槽壁111a和夹持部11的内壁连接处均设置有环状倒角114。当夹持部11夹持工件8时，由于夹持部11开设了第一凹槽111，工件8和夹持部11的接触面积减少，即该第一凹槽111的设置有利于减少工件8和夹持部11内壁的接触面积，进而有利于增加夹持部11在夹持工件8时的单位压强。另外，筒夹1在生产时需要经过磨削，第一凹槽111的设置有利于减少筒夹1需要被磨削的面积，提高加工筒夹1的效率。进一步地，工件8在进入夹持部11的过程中，工件8容易抵触到第一凹槽111的第一槽壁111a上，但是由于第一槽壁111a和夹持部11的内壁连接处设有环状倒角114。工件8沿着环状倒角114可以顺利滑出第一凹槽111，进而深入夹持部11内且被夹持部11紧紧夹住。环状倒角114的设置可以有效防止工件8在进入夹持部11时由于顶到第一凹槽111而无法顺利上料，保证上料的顺利进行。倒角面和夹持部11的内壁面夹角为20°～40°。比如，倒角面和夹持部11的内壁面夹角β为20°、30°或40°等。可以理解的是，第一凹槽111的个数可以为两个，还可以为一个，三个等。第一凹槽111的具体数目在本实施例中不做具体限定。

在一个实施例中，请参阅图3和图5以及图7，夹持部11为圆台形，夹持部11还包括与入口端112相对设置的连接端115，入口端112的直径大于连接端115。进一步地，筒夹1还包括与连接端115相连接的本体12，本体12内部设有中空的第一管道121，第一管道121和夹持部11相连通。第一管道121的设计有利于弹性夹头夹持细长的工件8，即该弹性夹头适用于夹持细长杆类工件8的高速精密磨削。本体12上开设有气密封孔122，气密封孔122贯通本体12的管壁。弹性夹头还包括夹头套2，筒夹1套设于夹头套2内。夹头套2和筒夹1紧密贴合，形成配合面。工件8在高速磨削时产生的磨屑和磨液容易渗入筒夹1与夹头套2的配合面。为了防止磨屑和磨液进入筒夹1和夹头套2的配合面内，弹性夹头从外界接入压缩空气。当弹性夹头处于夹紧工件状态下，该压缩空气从弹性夹头的端部沿着筒夹1和顶杆5的配合间隙面进入弹性夹头的内部，穿过筒夹1上的气密封孔122，持续不断地向工件8方向吹气，将磨屑和磨液吹出筒夹1和夹头套2外，可以有效防止磨屑和磨液进入筒夹1和夹头套2的配合面内以及筒夹1内，对弹性夹头进行有效气密封。具体地，气密封孔122可以为三个且均匀分布在筒夹1的本体12的外周。可以理解的是，气密封孔122还可以为两个、四个、五个等其他数目，在此不做具体限定。

在一个实施例中，请参阅图4，夹持部11包括夹爪13，夹爪13环状排布。夹爪13包括第一内壁面131和第一外壁面132，第一内壁面131上开设第一凹槽111，第一外壁面132的靠近入口端112处开设有第二凹槽132a。具体地，夹持部11包括三个相同的夹爪13，三个夹爪13均匀分布，且三个夹爪13上在靠近入口端112的位置均开设一个第二凹槽132a，第二凹槽132a位于夹爪13的正中央位置。该第二凹槽132a的作用如下：将每瓣夹爪13中央上方的材料剔除一块之后，则从入口端112方向看，每瓣夹爪13头部中央区域的半径方向壁厚要略小于其两侧的壁厚。当夹紧工件8时夹头套2沿着夹爪13的第一外壁面132至第一内壁面131的方向对夹爪13施加压力，此时作用在每个夹爪13上的压紧应力并不均匀，每个夹爪13的中央区域受力略小，两侧区域受力略大(壁厚不同决定了局部刚性的差异)，这样三个夹爪13夹持工件8时，起主要夹持作用的是每个夹爪13的两侧区域，即工件8受到六个区域的夹持作用。实际上三个夹爪13对工件8进行六点夹紧，相对于在没有凹槽情况下的三点夹紧，本实施例提供的夹爪13对工件8的夹持更牢固可靠。此外，该第二凹槽132a为在不拆卸夹头套2的情况下采用专用工装逆时针旋转拆装筒夹1提供了合适的作用点。可以理解的是，夹爪13的数量可以为三个，还可以为四个、五个等其他数量，在此不做具体限定。

在一个实施例中，请参阅图2、图7，弹性夹头还包括卡簧3，夹头套2包括第一端21，夹头套2的第一端21靠近入口端112设置。夹头套2的第一端21设有环状的第三凹槽211，卡簧3设于第三凹槽211内。夹头套2的第一端21还设有第一通孔212，卡簧3的一端穿过第一通孔212后固定于第二凹槽132a内。如此，筒夹1和夹头套2通过卡簧3实现固定连接，能可靠保证弹性夹头在高速磨削工作状态下筒夹1与夹头套2不会相对旋转，保证磨削的精度。

本实施例提供的弹性夹头的设计方法中，夹头套2的结构通过优化设计，以达到在夹紧工件状态下夹头套2与筒夹1配合且零间隙刚性接触，并且在实际应用当中可通过调整夹头拉力以弥补理论计算及理想模型的误差，从而保证高速磨削时夹头具备良好的动态刚性和较高的磨削精度。

此外，本实施例提供的弹性夹头通过在夹持部11的内壁上设有第一凹槽111，第一凹槽111的第一槽壁111a和所述夹持部11的内壁连接处设有倒角114。该第一凹槽111的设置有利于减少工件8和夹持部11内壁的接触面积，进而有利于增加夹持部11在夹持工件8时的单位压强。另外，筒夹1在生产时需要经过磨削，第一凹槽111的设置有利于减少筒夹1需要被磨削的面积，提高加工筒夹1的效率。倒角114的设置有效防止工件8在进入夹持部11时由于顶到第一凹槽111而无法顺利上料，可以保证上料的顺利进行。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。