動力卡盤附件的材料磨損性能研究

錢善華 韋 鳴 閆俊霞 張震宇 劉科言

（①江南大學機械工程學院，江蘇無錫214122;②江蘇無錫建華機床附件集團有限公司，江蘇無錫214044;③重慶建設工業集團有限責任公司，重慶400054）

隨著超高速切削技術的發展，對工件夾緊系統的精度提出更高的要求，而工件的夾緊系統成為整個機床加工系統中最為薄弱的環節［1］。目前，在加工系統中，動力卡盤是被普遍使用的工件夾緊系統。隨著主軸轉速的急劇增加，被夾緊的工件可能脫離動力卡盤，從而對操作人員－機床－刀具－工件系統造成極大危害［2］。動力卡盤的失效是工件脫離卡盤的主要原因之一，探索卡盤的失效形式對提高超高速切削的可靠性具有重要的應用價值。

目前，許多學者對動力卡盤及附件的性能開展一系列研究，取得卓有成效的研究成果。盧學玉等［3］對動力卡盤進行受力分析，探討其夾緊力與推拉力的變化規律。沈建［4］采用液壓動力卡盤實現工件的自動夾緊。唐霞等［5］采用液壓系統改善動力卡盤工件夾緊力的精度。周城等［6］曾對動力卡盤的夾緊力損失進行試驗研究，提出了夾緊力損失分段模型。龔俊等［7］曾通過ANSYS對高速動力卡盤的有限元模型分析，發現在保證動力卡盤強度和剛度的前提下，應提高主要配合面的加工精度，并對高速精密動力卡盤的失效形式進行了分析［8］，認為動力卡盤的材料選擇和熱處理技術、摩擦磨損和精度對動力卡盤失效的影響。磨損是隨工作時間的增加而逐漸發生的失效形式。動力卡盤所有相對運動的零件接觸表面都有可能發生磨損，例如楔心套、滑座、盤體等主要配合面、卡爪和工件夾緊部分等均存在磨損的可能性。然而，目前針對動力卡盤附件的材料磨損研究相對較少。因此，鑒于動力卡盤與其附件的運動形式，本文擬采用銷盤摩擦配副對其卡盤附件的材料磨損進行研究，并對其磨損機理展開初步的討論。

1 試樣與方法

在機床加工中，動力卡盤與滑座和楔心套相聯，實現對工件的夾緊功能。試驗前，選用圓銷作為滑座和楔心套的外形，其直徑均為4.8 mm，其材質均為20CrMnTi，并進行滲碳和淬火處理，其硬度不低于57HRC。選用環塊作為盤體的外形，其內外直徑分別為38、54 mm，其材質為42CrMo。與滑座配合的盤體材料，半精加工前需調質處理T235，磨削前需表面高頻淬火至45 HRC;而與楔心套配合的盤體，僅需調質處理T235。試驗前后，均用超聲波清洗器和化學試劑（石油醚和酒精）對試樣進行清洗，清洗結束后在GZX－9076MBE電熱鼓風干燥箱進行烘干，再用電子天平（0.01 mg，Ohaus，Germany）對試樣進行稱重，進而獲得試樣的磨損量。

動力卡盤及附件的材料磨損試驗是在MMW－1A萬能摩擦磨損試驗機（濟南益華摩擦學測試技術有限公司）上進行的。圖1所示為銷盤摩擦副的工作示意圖。試驗時，載荷直接加載在環塊試樣的端面上，而將圓銷試樣固定在夾具上，主軸電動機帶動夾具旋轉，實現圓銷與環塊的相對滑動，模擬動力卡盤中滑座與盤體、楔心套與盤體的相對運動，進而評價滑座和楔心套的材料磨損性能。試驗時采用載荷為10 N，對應的單位應力為0.553 N/mm2。

試驗時，滑座和楔心套的工作行程是不同的，如表1所示;但兩組配副是同步運行的，則滑座與盤體、楔心套與盤體的線速度分別是35、168 mm/s。潤滑方式為微量脂潤滑，即試驗前在摩擦副接觸表面涂一層均勻的潤滑脂（K05，Smw －autoblok，Germany），而在試驗時將不再添加任何潤滑脂。試驗時，采用兩種運動形式:一是連續滑動，即一次試驗完成一年的工作行程;二是間歇滑動，模擬實際工況中每3個月換一次潤滑脂的工況，即一年的工作行程分為4段完成，在相鄰兩段中，更換一次潤滑脂。值得說明的是，每一組試驗均采用新的銷體和盤體。

表1 不同型號盤體摩擦副的參數值

2 試驗結果與討論

圖2所示為滑座與盤體的摩擦系數隨工作行程的變化曲線。可以看出，隨著工作行程的增加，摩擦系數在0.145處上下波動，但總體上還是處于平穩狀態，表明低速下工作行程對摩擦系數的影響較小。當工作行程為1×105、2×105和3×105mm時，連續滑動下對應滑座材料的摩擦系數分別為0.145、0.147和0.144。當工作行程為3×105mm時，連續滑動和間歇滑動對應滑座材料的摩擦系數分別為0.144和0.147，表明運動形式對滑座與盤體的摩擦系數影響較小。

楔心套與盤體的摩擦系數隨工作行程的變化如圖3所示。可以看出，隨著工作行程的增加，摩擦系數在0.176處上下波動，其波動幅值顯著高于滑座與盤體的波幅值，這可能是由于楔心套線速度高于滑座線速度所產生的。當工作行程為0.5×106、1×106和1.5×106mm時，連續滑動下對應楔心套材料的摩擦系數分別為0.176、0.177和0.173。當工作行程為1×106mm時，連續滑動和間歇滑動對應楔心套材料的摩擦系數分別為0.177和0.176，表明運動形式也對楔心套材料與盤體材料的摩擦系數影響較小。

連續和間歇滑動下滑座和楔心套的材料磨損量如圖4所示。可以看出，在連續滑動下楔心套的磨損量為0.13 mg，而其余的磨損量為0.01～0.02 mg，表明楔心套在連續滑動下的磨損量遠遠高于間歇滑動的磨損量，而滑座在連續滑動下的磨損量略高于間歇滑動的磨損量。因此，運行方式對材料的磨損性能的評價具有一定的影響，在后續的研究中應該考慮間歇式的滑動方式。總之，在間歇滑動下，滑座和楔心套的材料在一年內磨損量極低，接近于零磨損。

摩擦是摩擦副表面在相互滑動中發生能量轉換并產生能量損耗的過程，而磨損是由摩擦副之間力學、物理、化學作用造成的表面損傷和材料剝落［9］，分別表現為摩擦系數和磨損量。摩擦與磨損密切相關，但并不存在確定的量化關系。往復滑動和旋轉滑動是摩擦磨損試驗常用的方法，在滑動方式上，往復滑動和旋轉滑動在運動方向上存在顯著差異，但在運動速率上基本保持恒定。而兩者不同之處在于:往復滑動在滑動位移的終點處（滑動改變方向時）產生速度突變，從某一恒定值突然降低到零，又從零升至某一恒定值;而旋轉滑動的運動速率能夠保持恒定，但在滑動方向上瞬時改變。在低速輕載工況下，往復滑動和旋轉滑動在評價金屬材料的磨損性能上并無顯著的差異。因此，本文的試驗結果對卡盤附件的材料磨損評價仍具有一定的借鑒意義。

滑座和楔心套所對應的摩擦系數和磨損量與其對應的試驗條件有關，主要表現為滑動速度和盤體熱處理工藝的差別。在滑動速度上，滑座滑動速度vs約為楔心套速度vw的21%;與滑座配合的盤體進行表面高頻淬火，而與楔心套配合的盤體只進行調質T235，這可能是滑座配副的摩擦系數小于楔心套配副的摩擦系數、對連續滑動下楔心套的磨損量高于滑座磨損量的原因之一。試驗時，在摩擦配副添加一層潤滑脂，有助于減小摩擦配副表面的接觸，也易于將摩擦過程中產生的微熱量散發出去。在間歇滑動下，滑座和楔心套的材料磨損量約為0.01～0.02 mg，這表明動力卡盤附件在一年內的磨損量極低，接近于零磨損。這也突顯K59250型號的動力卡盤附件有良好的耐磨性能，在正常的工作壽命內所夾持的工件脫離該動力卡盤的可能性極小。

3 結語

（1）在20CrMnTi為滑座和楔心套、42CrMo為盤體的銷盤摩擦副中，工作行程對滑座和楔心套配副的摩擦系數影響較小，即隨摩擦配副工作行程的增加，連續滑動和間歇滑動的材料摩擦系數均無顯著變化，但滑座配副的摩擦系數低于楔心套配副的摩擦系數。

（2）盤體的熱處理工藝和滑動方式對滑座和楔心套的磨損性能有較大影響，即在連續滑動下，表面高頻淬火盤體對應的滑座磨損量低于調質處理盤體對應的楔心套磨損量;在間歇滑動下，滑座和楔心套在一年內磨損量極低，接近于零磨損。

［1］艾興.高速切削加工技術［M］.北京:國防工業出版社，2003.

［2］Spur G，Mette U.Clamping－force optimization allows high－speed turning［J］.Product ion Engineering，1998，5（1）:55 －58.

［3］盧學玉，常德功.動力卡盤的設計與計算［J］.組合機床與自動化加工技術，2004（12）:89 －90.

［4］沈健.液壓動力卡盤的結構和性能分析［J］.組合機床與自動化加工技術，2004（12）:103 －104.

［5］唐霞，謝利民.數控車床動力卡盤液壓回路的控制與實現［J］.液壓與氣動，2010（10）:41－43.

［6］周城，楊華勇，張國斌，等.高速動力卡盤的夾緊力損失分段模型與實驗研究［J］.中國科學:技術科學，2011，41（4）:449 －459.

［7］龔俊，湯文成，劉世德，等.基于ANSYS的高速動力卡盤有限元分析［J］.中國制造業信息化，2012，41（5）:44 －48.

［8］龔俊，湯文成，韋鳴，等.高速精密動力卡盤的失效形式分析研究［J］.中國制造業信息化，2012，41（3）:70 －73.

［9］溫詩鑄.材料磨損研究的進展與思考［J］.摩擦學學報，2008，28（1）:1－5.