袁禮彬

（常州南車鐵馬科技實業(yè)有限公司，江蘇常州213125）

卡盤是機床中傳遞力與運動的重要部件。由于氣動卡盤工作可靠、動作迅速、操作方便，故為現(xiàn)代機床廣泛應用。傳統(tǒng)的氣動卡盤一般裝在主軸前端部，而與主軸同步旋轉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使卡盤產(chǎn)生徑向移動，以松夾工件［1］。筆者經(jīng)過研究，設計出一種內置氣缸式動力卡盤，改變了動力卡盤的傳統(tǒng)拉桿式結構，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，再配以簡單的氣動回路，就可以實現(xiàn)工件的自動裝夾。

1 卡盤的結構和工作原理

本文研究的內置氣動式卡盤（圖1）由卡盤體、動力楔塊、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。動力楔塊與前蓋滑動配合，活塞裝在卡盤體內，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U伸出卡盤體之外，且與卡盤體的孔滑動密封配合，導桿帶有兩氣道，第一氣道通往第一腔室，第二氣道通往第二腔室。

當導桿的第一氣道處于進氣狀態(tài)時，氣體進入第一腔室，推動活塞向右運動，使活塞上的凸楔推動動力楔塊的斜槽，動力楔塊向卡盤中心移動，從而夾緊工件;當導桿的第二氣道處于進氣狀態(tài)，氣體進入第二腔室，推動活塞向左運動，使活塞的凸楔推動動力楔塊的斜槽，動力楔塊向卡盤外圍移動，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 活塞設計

活塞是傳遞動力的一個極其重要的零件，其左端部通過接頭與空壓系統(tǒng)連接。該活塞（圖2）只能軸向往復運動，而不能相對轉動?；钊叶司哂?個凸楔并構成3對，每對凸楔均相互平行，可分別與動力楔塊兩側的斜槽滑動配合，因此該活塞結構較為復雜。活塞上凸楔采用斜面結構，活塞通過斜面與斜槽接觸傳遞動力。為了使活塞具有較好的耐磨性和較高的強度，材料選用38CrMoAlA，先調質T300后經(jīng)氮化，可以達到900 HV硬度，足以滿足使用要求。

1.2 動力楔塊

動力楔塊（圖3）的斜槽與活塞的凸楔形成滑動配合，它在活塞動力的傳遞下產(chǎn)生徑向運動，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作。由于動力楔塊的移動有一定限制，夾持工件直徑的范圍較小，當工件的外徑尺寸改變量較大時，可以調整卡爪在動力楔塊的徑向位置，以適應裝夾的需要。調整時，把卡爪和T形鍵的緊固螺釘旋松，使卡爪與梳形齒脫開，這時就可以使卡爪和T形鍵在動力楔塊的槽內徑向移動，但要注意3個卡爪對中心的距離相等，然后旋緊兩螺釘即可。

動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度。

1.3 前蓋設計

前蓋的作用在于為動力楔塊徑向運動提供滑動導軌。前蓋（圖4）上設有徑向T形滑槽和內型腔，T形滑槽與動力楔塊的兩側凸翼形成滑動配合，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 卡盤夾緊力的計算及影響因素

夾緊力是衡量動力卡盤性能好壞的最重要指標之一，它直接反應了產(chǎn)品的機械效率及工件的加工質量，因此首先計算卡盤的夾緊力，總結出影響動力卡盤夾緊力的主要因素。

2.1 靜態(tài)夾緊力

動力卡盤是通過夾緊傳統(tǒng)系統(tǒng)將氣缸活塞產(chǎn)生的軸向力轉化為徑向夾緊力，卡盤通過動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導軌移動而夾緊工件。在夾緊傳動系統(tǒng)中存在著兩組摩擦副，即楔面和導軌面，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象進行受力分析;圖6是以動力楔塊和卡爪組合體為研究對象的受力分析。

活塞受到壓縮空氣的推力為P，每對凸楔斜面受力為P/3，N為作用在楔面的正壓力，α為楔角，f為活塞凸楔與動力楔塊之間的摩擦力，摩擦系數(shù)為μ;當夾緊工件時，動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，但同時將增加楔面的工作行程，影響夾緊的快速性。考慮自鎖性能，從力學中知道，當楔角的升角小于其摩擦角時將保證自鎖。假設摩擦角為β，摩擦系數(shù) μ（=tanβ），一般在0.1～0.15之間，因此當tanβ=0.1 時，α≤11°;當 tanβ =0.15 時，α≤17°，所以通常楔角選取在10°～15°之間。為了夾緊可靠，本設計方案取α=9°。同時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各相對運動表面采取合理的潤滑方法，減小實際摩擦系數(shù)。從計算知道，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 動態(tài)夾緊力

當動力卡盤處在工作狀態(tài)，由于卡盤隨車床主軸旋轉，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主要因素:（1）卡盤旋轉時，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，稱為動態(tài)夾緊力。

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

考慮到離心力對夾緊力的影響，可得到卡爪僅受離心力影響而產(chǎn)生的動態(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，其彈性恢復力與離心力抗衡的結果，是靜態(tài)夾緊力減小的程度不像式（2）嚴重。因此綜合考慮卡爪離心力和變形的雙重影響時，我們可以得到卡盤三爪的動態(tài)夾緊力為:

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

3 動平衡和極限轉速

動平衡和極限轉速是動力卡盤必備的兩項重要指標。所謂極限轉速，即指卡盤在夾緊力損失不得超過實測最大夾緊力的2/3時的速度，參照日本JIS B6151－1986標準中規(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部存在空腔，動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。在此基礎上，確定各規(guī)格卡盤的極限轉速。

關于動平衡精度等級，即最大剩余不平衡數(shù)值的確定，考慮到動力卡盤是由許多零件組成，結構大多是非圓件，對稱性差，而有的零件是相對運動件，處于不同位置則有不同平衡狀態(tài)，其平衡做起來相當困難;加上結構過于緊湊，許多場合平衡孔無法加工。鑒于上述實際困難，在參照日本標準確定原則的基礎上來確定平衡值，即在一定規(guī)格范圍內給定某一平衡精度等級，如160～315 mm為G16。

4 卡盤性能試驗驗證

卡盤使用性能均通過國家權威機構夾緊力測試儀檢測，所有附件均符合相關的國家標準，在3 MPa水壓下試驗卡盤結構不變形，所有零部件不受損，內置氣缸式動力卡盤主要通過氣壓與斜楔角度產(chǎn)生力的轉換，除夾持力大之外還具有超強的自鎖功能，并且在斷開氣源的情況下，仍能牢牢夾緊工件進行切削，保證了產(chǎn)品的安全性、可靠性。

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

5 結語

（1）內置氣缸式動力卡盤相對于傳統(tǒng)楔式動力卡盤，結構上作了重要改進，卡盤使用時無需回轉氣缸，簡化了安裝結構，具有較強的推廣使用價值。

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

（3）運用力學原理建立了卡盤動態(tài)夾緊力方程，分析出夾緊力不僅取決于靜態(tài)夾緊力，還取決于機床轉速高低以及卡盤剛度。

［1］盧學玉.動力卡盤的設計與計算［J］.機械制造，2004（11）:65－66.

［2］沈健.氣動動力卡盤的結構、性能和應用［J］.組合機床與自動化加工技術，2004（11）:82 －83.