一種內(nèi)置氣缸式動(dòng)力卡盤的設(shè)計(jì)

袁禮彬

（常州南車鐵馬科技實(shí)業(yè)有限公司，江蘇常州213125）

卡盤是機(jī)床中傳遞力與運(yùn)動(dòng)的重要部件。由于氣動(dòng)卡盤工作可靠、動(dòng)作迅速、操作方便，故為現(xiàn)代機(jī)床廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)的氣動(dòng)卡盤一般裝在主軸前端部，而與主軸同步旋轉(zhuǎn)的氣缸安裝在主軸后部，兩者由一拉桿通過主軸孔連接，通過活塞的軸向移動(dòng)使卡盤產(chǎn)生徑向移動(dòng)，以松夾工件［1］。筆者經(jīng)過研究，設(shè)計(jì)出一種內(nèi)置氣缸式動(dòng)力卡盤，改變了動(dòng)力卡盤的傳統(tǒng)拉桿式結(jié)構(gòu)，將缸體和卡盤連成一整體裝在主軸前端部，只要有一定壓力的壓縮空氣氣源，再配以簡單的氣動(dòng)回路，就可以實(shí)現(xiàn)工件的自動(dòng)裝夾。

1 卡盤的結(jié)構(gòu)和工作原理

本文研究的內(nèi)置氣動(dòng)式卡盤（圖1）由卡盤體、動(dòng)力楔塊、T形鍵、活塞、卡爪、前蓋、Y形密封圈等零件組成，盤體尺寸為200 mm。動(dòng)力楔塊與前蓋滑動(dòng)配合，活塞裝在卡盤體內(nèi)，活塞后部與卡盤體之間形成第一腔室，活塞前部與卡盤體之間形成第二腔室?；钊系膶?dǎo)桿伸出卡盤體之外，且與卡盤體的孔滑動(dòng)密封配合，導(dǎo)桿帶有兩氣道，第一氣道通往第一腔室，第二氣道通往第二腔室。

當(dāng)導(dǎo)桿的第一氣道處于進(jìn)氣狀態(tài)時(shí)，氣體進(jìn)入第一腔室，推動(dòng)活塞向右運(yùn)動(dòng)，使活塞上的凸楔推動(dòng)動(dòng)力楔塊的斜槽，動(dòng)力楔塊向卡盤中心移動(dòng)，從而夾緊工件;當(dāng)導(dǎo)桿的第二氣道處于進(jìn)氣狀態(tài)，氣體進(jìn)入第二腔室，推動(dòng)活塞向左運(yùn)動(dòng)，使活塞的凸楔推動(dòng)動(dòng)力楔塊的斜槽，動(dòng)力楔塊向卡盤外圍移動(dòng)，從而快速松開工件。該卡盤適用于齒輪、盤類、短軸類等工件裝夾加工。

1.1 活塞設(shè)計(jì)

活塞是傳遞動(dòng)力的一個(gè)極其重要的零件，其左端部通過接頭與空壓系統(tǒng)連接。該活塞（圖2）只能軸向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，而不能相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)?；钊叶司哂?個(gè)凸楔并構(gòu)成3對(duì)，每對(duì)凸楔均相互平行，可分別與動(dòng)力楔塊兩側(cè)的斜槽滑動(dòng)配合，因此該活塞結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。活塞上凸楔采用斜面結(jié)構(gòu)，活塞通過斜面與斜槽接觸傳遞動(dòng)力。為了使活塞具有較好的耐磨性和較高的強(qiáng)度，材料選用38CrMoAlA，先調(diào)質(zhì)T300后經(jīng)氮化，可以達(dá)到900 HV硬度，足以滿足使用要求。

1.2 動(dòng)力楔塊

動(dòng)力楔塊（圖3）的斜槽與活塞的凸楔形成滑動(dòng)配合，它在活塞動(dòng)力的傳遞下產(chǎn)生徑向運(yùn)動(dòng)，又通過頂面的梳形齒與卡爪配合迫使卡爪完成夾緊和放松動(dòng)作。由于動(dòng)力楔塊的移動(dòng)有一定限制，夾持工件直徑的范圍較小，當(dāng)工件的外徑尺寸改變量較大時(shí)，可以調(diào)整卡爪在動(dòng)力楔塊的徑向位置，以適應(yīng)裝夾的需要。調(diào)整時(shí)，把卡爪和T形鍵的緊固螺釘旋松，使卡爪與梳形齒脫開，這時(shí)就可以使卡爪和T形鍵在動(dòng)力楔塊的槽內(nèi)徑向移動(dòng)，但要注意3個(gè)卡爪對(duì)中心的距離相等，然后旋緊兩螺釘即可。

動(dòng)力楔塊材料采用滲碳鋼或氮化鋼如14NiCrl4。

熱處理后，表面有高的硬度（約55～58 HRC），芯部又有高的柔韌性和強(qiáng)度。

1.3 前蓋設(shè)計(jì)

前蓋的作用在于為動(dòng)力楔塊徑向運(yùn)動(dòng)提供滑動(dòng)導(dǎo)軌。前蓋（圖4）上設(shè)有徑向T形滑槽和內(nèi)型腔，T形滑槽與動(dòng)力楔塊的兩側(cè)凸翼形成滑動(dòng)配合，前蓋通過緊固螺釘與盤體固定連接。前蓋材料為40Cr鋼，硬度要求為26～30 HRC。

2 卡盤夾緊力的計(jì)算及影響因素

夾緊力是衡量動(dòng)力卡盤性能好壞的最重要指標(biāo)之一，它直接反應(yīng)了產(chǎn)品的機(jī)械效率及工件的加工質(zhì)量，因此首先計(jì)算卡盤的夾緊力，總結(jié)出影響動(dòng)力卡盤夾緊力的主要因素。

2.1 靜態(tài)夾緊力

動(dòng)力卡盤是通過夾緊傳統(tǒng)系統(tǒng)將氣缸活塞產(chǎn)生的軸向力轉(zhuǎn)化為徑向夾緊力，卡盤通過動(dòng)力楔塊的楔面將活塞的軸向力P傳給卡爪，使卡爪沿前蓋的徑向?qū)к壱苿?dòng)而夾緊工件。在夾緊傳動(dòng)系統(tǒng)中存在著兩組摩擦副，即楔面和導(dǎo)軌面，其摩擦力是影響夾緊效率的主要因素。圖5和圖6分別給出了活塞一對(duì)凸楔和卡爪的受力分析圖。

圖5是以活塞上一凸楔為研究對(duì)象進(jìn)行受力分析;圖6是以動(dòng)力楔塊和卡爪組合體為研究對(duì)象的受力分析。

活塞受到壓縮空氣的推力為P，每對(duì)凸楔斜面受力為P/3，N為作用在楔面的正壓力，α為楔角，f為活塞凸楔與動(dòng)力楔塊之間的摩擦力，摩擦系數(shù)為μ;當(dāng)夾緊工件時(shí)，動(dòng)力楔塊和卡爪組合體受到夾緊力的反作用力Wr，活塞凸楔正壓力N'，動(dòng)力楔塊與前蓋之間正壓力N1，摩擦力f1。

根據(jù)力平衡條件可以得到下列方程:

由上述各式可求得單爪夾緊力:

三爪卡盤總的夾緊力為W=3Wr，即

從夾緊力的計(jì)算公式（1）可以看出:摩擦系數(shù)μ和楔角α是影響夾緊力的最主要因素。楔角α愈小，夾緊力愈大，但同時(shí)將增加楔面的工作行程，影響夾緊的快速性?？紤]自鎖性能，從力學(xué)中知道，當(dāng)楔角的升角小于其摩擦角時(shí)將保證自鎖。假設(shè)摩擦角為β，摩擦系數(shù) μ（=tanβ），一般在0.1～0.15之間，因此當(dāng)tanβ=0.1 時(shí)，α≤11°;當(dāng) tanβ =0.15 時(shí)，α≤17°，所以通常楔角選取在10°～15°之間。為了夾緊可靠，本設(shè)計(jì)方案取α=9°。同時(shí)在推力一定條件下要提高卡盤的夾緊力，最有效的方法就是對(duì)各相對(duì)運(yùn)動(dòng)表面采取合理的潤滑方法，減小實(shí)際摩擦系數(shù)。從計(jì)算知道，如果把μ值正常值0.15減小至0.12，靜態(tài)夾緊力可提高13%。

2.2 動(dòng)態(tài)夾緊力

當(dāng)動(dòng)力卡盤處在工作狀態(tài)，由于卡盤隨車床主軸旋轉(zhuǎn)，必然引起卡盤靜態(tài)夾緊力的下降，其下降的程度取決于以下兩個(gè)主要因素:（1）卡盤旋轉(zhuǎn)時(shí)，作用在卡爪的離心力迫使靜態(tài)夾緊力的下降;（2）卡盤的彎曲變形力產(chǎn)生的彈性恢復(fù)力與上述離心力相抗衡，使靜態(tài)夾緊力下降程度減弱。把卡爪處在工作狀態(tài)下的夾緊力，稱為動(dòng)態(tài)夾緊力。

式中:R為作用在卡爪質(zhì)心上的慣性力;G為卡爪重量;g為重力加速度;D為工件直徑;h為卡爪質(zhì)心到工件表面的距離;n為車床主軸轉(zhuǎn)速。

考慮到離心力對(duì)夾緊力的影響，可得到卡爪僅受離心力影響而產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)夾緊力為:

在式（2）中，僅考慮離心力作用而使卡爪夾緊力的減小量。但實(shí)際使用中卡盤的約束形式為懸臂梁，受離心力作用而產(chǎn)生彎曲變形，其彈性恢復(fù)力與離心力抗衡的結(jié)果，是靜態(tài)夾緊力減小的程度不像式（2）嚴(yán)重。因此綜合考慮卡爪離心力和變形的雙重影響時(shí)，我們可以得到卡盤三爪的動(dòng)態(tài)夾緊力為:

式（3）中，ξ為卡盤的剛度系數(shù)，這個(gè)系數(shù)從變形的角度反映了夾緊力下降的程度。ξ的實(shí)際值可通過試驗(yàn)加以測定。

3 動(dòng)平衡和極限轉(zhuǎn)速

動(dòng)平衡和極限轉(zhuǎn)速是動(dòng)力卡盤必備的兩項(xiàng)重要指標(biāo)。所謂極限轉(zhuǎn)速，即指卡盤在夾緊力損失不得超過實(shí)測最大夾緊力的2/3時(shí)的速度，參照日本JIS B6151－1986標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的圓周線速度:鋼盤件一般在45 m/s以下［2］。我們一方面考慮產(chǎn)品圓周線速度限制，另一方面還考慮盤體內(nèi)部存在空腔，動(dòng)平衡做起來更加困難的諸多因素，把鋼盤體的圓周線速度限制在40 m/s以下。在此基礎(chǔ)上，確定各規(guī)格卡盤的極限轉(zhuǎn)速。

關(guān)于動(dòng)平衡精度等級(jí)，即最大剩余不平衡數(shù)值的確定，考慮到動(dòng)力卡盤是由許多零件組成，結(jié)構(gòu)大多是非圓件，對(duì)稱性差，而有的零件是相對(duì)運(yùn)動(dòng)件，處于不同位置則有不同平衡狀態(tài)，其平衡做起來相當(dāng)困難;加上結(jié)構(gòu)過于緊湊，許多場合平衡孔無法加工。鑒于上述實(shí)際困難，在參照日本標(biāo)準(zhǔn)確定原則的基礎(chǔ)上來確定平衡值，即在一定規(guī)格范圍內(nèi)給定某一平衡精度等級(jí)，如160～315 mm為G16。

4 卡盤性能試驗(yàn)驗(yàn)證

卡盤使用性能均通過國家權(quán)威機(jī)構(gòu)夾緊力測試儀檢測，所有附件均符合相關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)，在3 MPa水壓下試驗(yàn)卡盤結(jié)構(gòu)不變形，所有零部件不受損，內(nèi)置氣缸式動(dòng)力卡盤主要通過氣壓與斜楔角度產(chǎn)生力的轉(zhuǎn)換，除夾持力大之外還具有超強(qiáng)的自鎖功能，并且在斷開氣源的情況下，仍能牢牢夾緊工件進(jìn)行切削，保證了產(chǎn)品的安全性、可靠性。

圖7顯示了內(nèi)置氣缸式動(dòng)力卡盤（規(guī)格200 mm）的夾緊力與轉(zhuǎn)速的關(guān)系，可看到卡盤的夾緊力隨轉(zhuǎn)速的變化而變化，說明了由于卡爪離心力的作用，夾緊力有一定程度的減弱。曲線終點(diǎn)的轉(zhuǎn)速為該規(guī)格卡盤的極限轉(zhuǎn)速。

5 結(jié)語

（1）內(nèi)置氣缸式動(dòng)力卡盤相對(duì)于傳統(tǒng)楔式動(dòng)力卡盤，結(jié)構(gòu)上作了重要改進(jìn)，卡盤使用時(shí)無需回轉(zhuǎn)氣缸，簡化了安裝結(jié)構(gòu)，具有較強(qiáng)的推廣使用價(jià)值。

（2）楔角和摩擦系數(shù)是影響動(dòng)力卡盤靜態(tài)夾緊力的主要因素，考慮到夾緊力和卡盤斷氣時(shí)的自鎖要求，選擇楔角為9°，合理地選擇潤滑條件，對(duì)夾緊力的提高有著重要意義。

（3）運(yùn)用力學(xué)原理建立了卡盤動(dòng)態(tài)夾緊力方程，分析出夾緊力不僅取決于靜態(tài)夾緊力，還取決于機(jī)床轉(zhuǎn)速高低以及卡盤剛度。

［1］盧學(xué)玉.動(dòng)力卡盤的設(shè)計(jì)與計(jì)算［J］.機(jī)械制造，2004（11）:65－66.

［2］沈健.氣動(dòng)動(dòng)力卡盤的結(jié)構(gòu)、性能和應(yīng)用［J］.組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2004（11）:82 －83.