液壓動(dòng)力卡盤結(jié)構(gòu)分析

徐相榮

（博世力士樂(lè)（常州）有限公司技術(shù)部，常州 213164）

卡盤是用來(lái)夾緊工件的裝置，一般由卡盤本體、活動(dòng)基爪、頂爪以及驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)四部分組成。卡盤直徑一般為65～1600mm，中央可以設(shè)置通孔，以便通過(guò)細(xì)長(zhǎng)工件或棒料；背部有短圓柱或短錐形結(jié)構(gòu)，直接或通過(guò)法蘭盤與機(jī)床主軸相聯(lián)接。卡盤通常安裝在車床、內(nèi)外圓磨床上使用，也可與分度裝置進(jìn)行配合用于自動(dòng)化產(chǎn)線上。

1 斜楔式動(dòng)力卡盤內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析

卡盤驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是卡盤的核心技術(shù)，文本就針對(duì)斜楔式動(dòng)力卡盤內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行分析。根據(jù)具體應(yīng)用要求，本文研究的卡盤結(jié)構(gòu)外漲薄壁管，需要5t的外漲緊力，單個(gè)卡爪行程ΔD為5mm，后拉動(dòng)力油缸內(nèi)部油壓為7.5MPa，

內(nèi)部結(jié)構(gòu)選用斜楔式，如圖1所示。

圖1 斜楔式卡盤手里內(nèi)部結(jié)構(gòu)受力圖

通過(guò)圖1可得夾角θ求解方式，如式（1）、式（2）所示。

已知FW=5t；油缸壓力為7.5MPa。假設(shè)選擇油缸活塞直徑d為200mm

1.1 求斜楔式結(jié)構(gòu)角度θ

先求回轉(zhuǎn)油缸作用力FL,如式（3）所示。

代入式（2），可得結(jié)構(gòu)角度θ≈12.02°

1.2 求油缸后拉行程S

這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將油缸的軸向運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變成卡爪徑向運(yùn)動(dòng)，而卡爪徑向夾緊力FW=FL·tgθ，所以，其大小由斜楔結(jié)構(gòu)夾角θ決定。該卡盤優(yōu)點(diǎn)為整體結(jié)構(gòu)緊湊，分布合理，零部件較少，易于制造和維護(hù)保養(yǎng)；缺點(diǎn)是為高轉(zhuǎn)速時(shí)離心力損失較大，夾緊力顯著降低。國(guó)外卡盤系列中也不乏此類結(jié)構(gòu)產(chǎn)品，但大多數(shù)都會(huì)在內(nèi)部集成設(shè)計(jì)潤(rùn)滑油槽、排氣孔道等輔加結(jié)構(gòu)，便于潤(rùn)滑與排屑。

目前，國(guó)內(nèi)卡盤對(duì)于輔助結(jié)構(gòu)重視程度不夠，假如潤(rùn)滑油槽設(shè)計(jì)能顯著降低內(nèi)部各滑動(dòng)部件的磨損，延長(zhǎng)卡盤使用壽命。此外，通過(guò)排氣孔道能夠及時(shí)吹除鐵屑和切削液，避免滑動(dòng)部件被微小鐵屑夾傷或受切削液滲透發(fā)生銹蝕。上述幾種輔助結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與卡盤核心驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)同等重要，研究人員應(yīng)予以足夠重視。

2 卡盤驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的發(fā)展脈絡(luò)

隨著進(jìn)口機(jī)床大量普及以及機(jī)床隨機(jī)附件的成熟應(yīng)用，國(guó)外卡盤品牌，如Rohm、SMW、Schunk以及Forkardt等系列產(chǎn)品驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)也趨于透明化，不同驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)比如表1所示。

通過(guò)分析可以得出，不同驅(qū)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)基本都是圍繞如何解決高轉(zhuǎn)速下離心力損失進(jìn)行設(shè)計(jì)的。設(shè)計(jì)初期，將后拉油缸的軸向運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為3個(gè)等分卡爪的徑向夾緊運(yùn)動(dòng)；后期逐步改進(jìn)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使得基爪底部通過(guò)延切向布置的楔塊機(jī)構(gòu)進(jìn)行二次轉(zhuǎn)換，防止基爪在高轉(zhuǎn)速下延徑向滑槽甩出，其中延圓周切向布置的楔塊槽體就是防止楔塊在高速回轉(zhuǎn)時(shí)離心力損失的最好保障。

隨著機(jī)械加工技術(shù)的發(fā)展，對(duì)于卡盤結(jié)構(gòu)的要求越來(lái)越高，杠桿式驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)應(yīng)運(yùn)而生，首先通過(guò)倒置斜楔機(jī)構(gòu)將后拉油缸的軸向運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為杠桿下端的外漲運(yùn)動(dòng)，再通過(guò)杠桿機(jī)構(gòu)傳導(dǎo)至另一端向內(nèi)夾緊，從而帶動(dòng)頂爪夾緊工件。該機(jī)構(gòu)將基爪轉(zhuǎn)換成了圓柱杠桿，重量有明顯下降，相應(yīng)離心力損失得到控制。不僅如此，杠桿下端外甩的離心力增強(qiáng)了外漲運(yùn)動(dòng)的漲緊力，經(jīng)杠桿傳導(dǎo)至另一端，頂爪夾持力得到了加強(qiáng)，從某種意義上講這種結(jié)構(gòu)是將有害的離心力轉(zhuǎn)變成了有益的夾緊力補(bǔ)償。

斜柱式結(jié)構(gòu)則是直接通過(guò)斜柱機(jī)構(gòu)將油缸的軸向運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為向下和徑向夾緊兩個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，這種結(jié)構(gòu)既提供了徑向夾緊力，又產(chǎn)生了向下的分力，保證工件能與底部定位面貼合，提供了更為精準(zhǔn)的加工夾持定位方式。

表1 不同驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)比

總之，卡盤驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要原則就是減少離心力損失、降低重量以及提高夾持可靠性，隨著加工定位要求提高，衍生出多種多樣的夾持結(jié)構(gòu)，對(duì)卡盤體內(nèi)各種零件材質(zhì)也提出更高要求。

3.卡盤零部件材料分析

國(guó)內(nèi)外卡盤材質(zhì)選用存在較大差異，國(guó)外卡盤大多采用鉻錳合金鋼材質(zhì)（1.7131）制造，所有運(yùn)動(dòng)零部件都進(jìn)行表面淬火后磨削處理，很大程度上提升了零件表面硬度和內(nèi)部韌性，此外零件尺寸經(jīng)過(guò)磨削處理，精度也達(dá)到很高的一致性，能有效保證重復(fù)定位精度和夾持可靠性。

反觀國(guó)內(nèi)卡盤主要在中低端市場(chǎng)應(yīng)用，迫于成本壓力，更傾向于選用普通合金鋼材質(zhì)甚至直接使用碳素鋼制造，利用局部淬火替代表面淬火，不同工藝要求導(dǎo)致國(guó)內(nèi)外卡盤零部件質(zhì)量產(chǎn)生巨大差距，導(dǎo)致卡盤穩(wěn)定性、壽命以及重復(fù)精度都急劇下降。

但事實(shí)上，國(guó)內(nèi)的生產(chǎn)技術(shù)是完全有能力生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)卡盤產(chǎn)品的，但是主要的問(wèn)題在于熱處理和細(xì)節(jié)工藝處理上與進(jìn)口卡盤有差異。加上國(guó)內(nèi)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈，廠商不得不盡可能的控制產(chǎn)品成本，以較低的售價(jià)換取市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

4 結(jié)語(yǔ)

事實(shí)上，國(guó)內(nèi)的生產(chǎn)技術(shù)完全有能力生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)卡盤產(chǎn)品的，但是影響卡盤質(zhì)量的主要原因在于熱處理和細(xì)節(jié)工藝處理上存在之處，再加上國(guó)內(nèi)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈，廠商不得不考量產(chǎn)品成本影響，以較低的售價(jià)換取市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。總之，選配一個(gè)合適的卡盤會(huì)有效提升數(shù)控機(jī)床工作性能，無(wú)論是驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)還是材質(zhì)方面，相關(guān)廠家一定要根據(jù)自身產(chǎn)品實(shí)際需求選擇合適卡盤，促進(jìn)自身經(jīng)濟(jì)效益提升。