數控機床動力卡盤選型方法

■ 清華大學機械工程系 （北京 100084） 張 云 姜 楠

■ ■呼和浩特眾環集團 （內蒙古 010051） 張國斌

HTC50型機床是原CK3263型數控轉塔車床的升級換代產品，繼承了原機床的多項優點。具有驅動功率大、剛性好和刀具半徑補償等多種性能，能車削直線，斜線，圓弧，公、英制螺紋，直、錐形螺紋，平面螺紋和多頭螺紋。因此適合形狀復雜、精度較高的軸、盤及套類零件加工。特別適合電子產品、航空和有色金屬等行業，零件使用小切削量、高轉速和大批量加工。設備結構如圖1所示，數控機床如圖2所示。

圖1 HTC50 數控臥式車床結構

圖2 HTC50 數控臥式車床

1.HTC50數控臥式車床技術參數

HTC50數控臥式車床部分技術參數如表1所示。

2.動力卡盤選型分析

（1）動力卡盤工作條件如表2所示。

表1 HTC50數控臥式車床技術參數

（2）動力卡盤工作參數如表3所示。

（3）動力卡盤設計要求如表4所示。

表2 動力卡盤工作條件

表3 動力卡盤工作參數

表4 動力卡盤設計要求

（4）動力卡盤初步選型：根據HTC50數控車床性能特點，應選擇適合形狀復雜、精度較高的軸、盤及套類零件加工的動力卡盤。

卡盤公稱直徑的確定：機床床身最大回轉直徑600mm，考慮到加工零件的廣泛性，有可能加工軸類零件，也可能加工盤類零件，所以將卡盤回轉直徑確定為床身最大回轉直徑的約50%較合理。查閱相關標準，卡盤規格直徑選擇315mm。

卡盤與機床連接形式的確定：卡盤與機床主軸的搭配關系如表5所示。

表5 卡盤與機床主軸的搭配關系（JB/T 11771─2014中表1）

機床主軸頭型式為短圓錐A2-8型，參照表5的規定，卡盤也為短圓錐A2-8型，這樣安裝方便，卡盤懸伸短，剛性好。

卡盤傳動結構型式的確定：動力卡盤的傳動結構型式有幾十種，最常用的一般為楔式動力卡盤，HTC50數控臥式車床為通用型車床，加工范圍廣。因此選用中實楔式動力卡盤基本上能滿足使用要求，卡盤性價比也高，故選用中實楔式動力卡盤。該動力卡盤的結構具有高轉速、高精度、高剛性、夾緊力大、高安全性和高可靠性等特點。

加工的零件為三通管接頭，材料ZG45鋼，工件質量3.5kg，如圖3所示。

圖3 加工零件

頂爪是夾持工件的重要零件，根據加工零件的特點及批量，頂爪為硬頂爪，夾持部位鋸齒狀，其形狀及尺寸如圖4所示。

圖4 頂爪

按實際零件進行初始夾緊力計算。根據零件特點，卡盤需夾持φ30mm，加工φ60mm端面及外圓，表面粗糙度值Ra＝6.3μm。切削用量為56.52m/min（加工轉速300r/min），進給量S＝0.3mm/r，切削深度t＝2.0mm。

刀具材料牌號為硬質合金YT15，刀具切削部分幾何參數為前角γo＝15°，后角αo＝8°，副后角αo′＝6°，刃傾角λs＝0°，主偏角Kr＝30°，副偏角Kr′＝10°，刀尖圓弧半徑re＝0.5mm。

主切削力Fs的計算。t＝2.0mm，S＝0.3mm/r，查《金屬切削手冊》得到：Ks＝2.7kN/mm2，

Fs＝S·t·Ks＝0.3×2×2.7＝1.62（kN）。

動力卡盤所受的靜態夾緊力Fspz的計算。查《金屬切削手冊》得到：Sz＝2；usp＝0.1～0.45，取：usp＝0.33，dz＝60mm，dsp＝30mm，dz為工件加工面的直徑，dsp為夾緊部分的直徑。則：Fspz＝[（Fs·Sz）/usp]·（dz/dsp）＝[（1.62×2）/0.33]×（60/30）＝19.64（kN）。

在頂爪設計過程中，可以得到頂爪質心到頂爪底部的距離為56.32mm，則頂爪質心到卡盤中心的距離r＝15＋56.32＝71.32（mm），頂爪質量（3塊爪）為8.38kg。

離心力Fc的計算：Fc＝2mr×（2πn/60）2＝2×8.38×0.071 32×[（2×3.14×300）/60]2＝1 179（N）＝1.179（kN）。

離心力損失ΔFc的計算。K值總小于1，楔式動力卡盤自身剛性好，工作轉速不高，取K＝0.7，則：ΔFc＝K×Fc＝0.7×1.179＝0.83（kN）。

動態夾緊力Fdy的計算。楔式動力卡盤不帶有離心力補償，所以Fc1＝0，i為杠桿比，則Fdy＝Fspz＋ΔFc＋iFc1（外夾緊工件時）＝19.64＋0.83＋0＝20.47（kN）。

初始夾緊力Fsp的計算。考慮加工的安全性，夾緊力安全系數Ssp＝1.5，Fsp＝Ssp×Fdy＝1.5×20.47＝30.71（kN）。

卡盤精度按JB/T 11771─2014標準執行。

3.選擇動力卡盤

根據以上計算分析，選擇呼和浩特眾環（集團）有限公司生產的KT54T315 B/A28二爪楔式動力卡盤（見圖5）。卡盤直徑：304mm；連接形式：A2-8；爪行程（直徑）：10.6mm；許用推力：27.5kN；最大夾緊力：104kN；最高轉速：3 200r/min；夾緊范圍：26～304mm。

圖5 KT54T315 B/A28二爪楔式動力卡盤

4.校核

前面的計算結果和所選卡盤的對比如表6所示。

5.動力源的選擇

根據動力卡盤選擇的是呼和浩特眾環（集團）有限公司生產的KT54T315 B/A28二爪楔式動力卡盤，因此油缸也同樣選擇呼和浩特眾環（集團）有限公司生產的油缸。卡盤為中實卡盤，油缸也選擇中實油缸，即型號為P24系列高速回轉油缸。該油缸采用優質鋁合金材料，具有體積小、質量輕、轉速高和密封性好等特點，并配有逆止閥、安全閥。

呼和浩特眾環（集團）有限公司推薦的油缸為P24160，與KT54T315 B/A28匹配，如表7所示。

表6 計算和所選卡盤對比表

表7 卡盤與油缸性能對比

6.結語

本文以HTC50型機床為例，詳細介紹了動力卡盤的選型流程，對于實際工作具有一定的指導作用。本課題為國家科技重大專項資助（2014ZX04011031-01）項目。