王冠田

(齊重?cái)?shù)控裝備股份有限公司，黑龍江 齊齊哈爾 161005)

卡盤是車床重要的功能部件。通常情況下，小型通用車床采用三爪盤形扣傳動(dòng)的自定心卡盤。它適用于輕載切削，對(duì)軸類、盤類工件的夾緊。重型通用車床采用四爪絲杠傳動(dòng)的非自定心卡盤。它適用于重載切削，對(duì)軸類、盤類、異型工件的夾緊。然而，對(duì)于專用車床來講，卡盤結(jié)構(gòu)形式?jīng)]有固定的模式，通常是根據(jù)被加工工件的工藝要求、生產(chǎn)效率以及專用機(jī)床的總體結(jié)構(gòu)方案而專門設(shè)計(jì)。

近些年，筆者公司根據(jù)國(guó)內(nèi)火車輪生產(chǎn)廠的需求，研制了高效、強(qiáng)力切削，數(shù)控火車輪專用車床。依據(jù)火車輪的工藝要求及機(jī)床設(shè)計(jì)的總體方案，確定了卡盤采用串聯(lián)油缸、液力傳動(dòng)、杠桿增力、三爪自定心、自動(dòng)夾緊車輪的設(shè)計(jì)方案并取得了成功?，F(xiàn)就此卡盤的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作原理加以介紹。

1 車輪基本參數(shù)及工藝要求

車輪為鑄鋼輪，材質(zhì)ZG60，硬度300 HB，抗拉強(qiáng)度σb=104 MPa，車輪直徑Φ840 mm。工藝要求:鑄鋼毛坯車輪一次裝夾，同時(shí)完成車輪踏面、內(nèi)輪轂面、外輪輞面的粗、精加工。各加工面表面粗糙度Ra6.3 mm，踏面圓度公差0.5 mm，生產(chǎn)效率4.5 min/件。

2 車輪加工路徑及切削要素

本專機(jī)總體結(jié)構(gòu)為:立式斜定梁、三刀架(左、右刀架、中間垂直刀架)。各刀架刀具分布及加工路徑見圖1。

圖1 火車輪加工路徑

左刀架設(shè)1 個(gè)刀夾，次序分布3 把車刀對(duì)車輪踏面粗車。切削深度5～10 mm、進(jìn)給量2 mm/min、切削線速度80 m/min。

右刀架設(shè)1 個(gè)刀夾，1 把車刀對(duì)車輪踏面精車。切削深度2 mm、進(jìn)給量1.5 mm/min、切削線速度80 m/min。

立刀架設(shè)2 個(gè)刀夾、4 把車刀，前刀夾次序分布2把車刀對(duì)內(nèi)輪轂面粗車。切削深度10～28 mm、進(jìn)給量2 mm/min、切削線速度80 m/min。后刀夾次序分布2 把車刀對(duì)外輪輞面粗車。切削深度10～28 mm、進(jìn)給量2 mm/min、切削線速度80 m/min。

綜上所述，可以看出卡盤設(shè)計(jì)的技術(shù)關(guān)鍵在于:確定機(jī)床在強(qiáng)力切削時(shí)能夠滿足車輪夾緊力要求的動(dòng)力源;實(shí)現(xiàn)對(duì)車輪進(jìn)行快速、可靠、自定心、自動(dòng)夾緊的傳動(dòng)方式。

3 卡盤的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及工作原理

3.1 卡盤結(jié)構(gòu)組成及功能

卡盤主要由以下組件構(gòu)成:卡盤爪組件;杠桿組件;卡爪微調(diào)組件;卡盤體組件;串聯(lián)油缸組件;配油體組件(見圖2)。

卡盤爪組件:三組均布緊固在卡盤三等分梯型槽之上，是夾緊車輪的終端執(zhí)行部件。

杠桿組件:三組均布在卡盤內(nèi)部，杠桿一端與活塞桿相連，另一端與卡盤上的滑動(dòng)塊相連，并將液壓動(dòng)力擴(kuò)大3 倍傳至卡盤爪。它也是保證卡爪同步運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)件。

圖2 卡盤結(jié)構(gòu)圖

卡爪微調(diào)組件:三組均布在卡盤三等分矩形導(dǎo)軌槽內(nèi)部，主要用于調(diào)整二個(gè)滑動(dòng)塊體相對(duì)位置以補(bǔ)償因卡爪磨損后帶來的三個(gè)卡爪不同心問題。

卡盤體組件;卡盤體下端與空心主軸緊固，整體坐落于卡盤主傳動(dòng)底座上以支撐工件，帶動(dòng)工件旋轉(zhuǎn)。

串聯(lián)油缸組件;整體組件安裝在空心主軸之內(nèi)，可與主軸及卡盤一同旋轉(zhuǎn)。油缸為一個(gè)缸體雙活塞結(jié)構(gòu)。其優(yōu)點(diǎn)是:既能保證機(jī)床在強(qiáng)力切削時(shí)卡盤爪有可靠的夾緊力;又能使整個(gè)液壓傳動(dòng)系統(tǒng)處于低壓工作狀態(tài)(低壓傳動(dòng)可以大大降低液壓控制系統(tǒng)的制造成本)。

配油體組件:設(shè)在串聯(lián)油缸下端，配油體外套緊固在主傳動(dòng)底座內(nèi)側(cè)，配油軸緊固在串聯(lián)油缸下端發(fā)蘭盤上，來自液壓站的壓力油在電磁換向閥控制下經(jīng)配油體進(jìn)入油缸各腔，使活塞桿上下運(yùn)動(dòng)。

3.2 工作原理

圖3 串聯(lián)油缸及配油體結(jié)構(gòu)圖

卡盤在裝夾車輪工件之前，應(yīng)首先調(diào)整卡爪同心度。調(diào)整方法:將已加工好的標(biāo)準(zhǔn)車輪放置在卡盤卡爪定位面上，轉(zhuǎn)動(dòng)卡盤用百分表找正標(biāo)準(zhǔn)車輪外圓，用卡爪微調(diào)機(jī)構(gòu)調(diào)整卡爪，調(diào)整同心后由螺母鎖定。(卡爪同心調(diào)整不是每加工一個(gè)車輪都需要調(diào)整，只是卡爪磨損后才進(jìn)行調(diào)整)，然后放入毛坯車輪，在啟動(dòng)油泵電動(dòng)機(jī)前，將油泵流量調(diào)整到最大值，啟動(dòng)油泵電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)5 min 后卡盤夾緊油缸工作，將系統(tǒng)壓力調(diào)整到3.5 MPa，溢流閥調(diào)整壓力為4.0 MPa(溢流閥起安全閥作用。此壓力值是根據(jù)多把車刀同時(shí)參與切削加工時(shí)所產(chǎn)生的最大切削扭矩計(jì)算而得)。來自壓力站的壓力油經(jīng)配油體進(jìn)入串聯(lián)油缸B、D 腔(見圖3)，液力推動(dòng)活塞使活塞桿向下移動(dòng)，活塞桿上端3 個(gè)等分槽，同時(shí)拉動(dòng)3 個(gè)L 型杠桿(長(zhǎng)邊)以鉸鏈軸1 為支點(diǎn)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)(杠桿傳動(dòng)比為3∶1)，L 型杠桿短邊驅(qū)動(dòng)卡盤矩形導(dǎo)軌槽內(nèi)滑動(dòng)塊向卡盤中心方向移動(dòng)，與滑動(dòng)塊連接的撥塊驅(qū)動(dòng)卡爪杠桿(杠桿傳動(dòng)比為1∶1)以鉸鏈軸2 為支點(diǎn)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，完成對(duì)車輪幅板面內(nèi)撐下壓夾緊。接下來3 個(gè)刀架在PLC 程序控制下開始進(jìn)入切削。

當(dāng)工件放松時(shí)，按動(dòng)工件放松按扭，壓力油在電磁換向閥控制下經(jīng)配油體進(jìn)入串聯(lián)油缸A、C 腔，液力推動(dòng)活塞使活塞桿向上移動(dòng)，推動(dòng)杠桿(長(zhǎng)邊)以鉸鏈軸1 為支點(diǎn)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，L 型杠桿短邊驅(qū)動(dòng)卡盤矩形導(dǎo)軌槽內(nèi)滑動(dòng)塊向遠(yuǎn)離卡盤中心方向移動(dòng)，與滑動(dòng)塊連接的撥塊驅(qū)動(dòng)卡爪杠桿以鉸鏈軸2 為支點(diǎn)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，完成對(duì)工件的放松。至此，火車輪加工一個(gè)工作循環(huán)結(jié)束，進(jìn)入下一個(gè)工作循環(huán)。

液力傳動(dòng)系統(tǒng)工作流程如圖4 所示。

圖4 液力傳動(dòng)系統(tǒng)工作流程圖

在整個(gè)卡盤傳動(dòng)系統(tǒng)中串聯(lián)油缸是保證工件快速、可靠夾緊的動(dòng)力源。根據(jù)機(jī)床切削力及扭矩計(jì)算最終確定油缸直徑為Φ210 mm，活塞桿直徑B、C 腔為55 mm，D 腔為80 mm。由此推算出液壓系統(tǒng)壓力為3.5 MPa，屬于低壓傳動(dòng)。這樣對(duì)串聯(lián)油缸的設(shè)計(jì)、制造及液壓系統(tǒng)液壓元件、密封件的選用相對(duì)比較簡(jiǎn)單、可靠。在液力傳動(dòng)系統(tǒng)中有兩點(diǎn)不可忽視:一是L 型杠桿結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、零件材質(zhì)選擇、熱處理方法及零件的加工精度保證，它關(guān)系到系統(tǒng)傳動(dòng)剛度及卡盤三爪的傳動(dòng)精度。二是配油體組件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、關(guān)鍵零件的加工精度保證及密封件的選用。它是壓力油在無泄漏情況下進(jìn)入串聯(lián)油缸的可靠保障。此兩項(xiàng)目技術(shù)關(guān)鍵我公司經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，最終得已解決。

4 結(jié)語

該卡盤經(jīng)過實(shí)踐驗(yàn)證，采用串聯(lián)油缸、液力傳動(dòng)、杠桿增力傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。滿足了車輪在高效、強(qiáng)力切削時(shí)所需夾緊力的要求，實(shí)現(xiàn)了車輪在裝夾過程中的自動(dòng)定心、準(zhǔn)確定位、快速自動(dòng)夾緊。為提高機(jī)床生產(chǎn)效率奠定了重要的基礎(chǔ)。

［1］《機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》編寫組.機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)(第三冊(cè))［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1986:700 -740.

［2］雷天覺.液壓工程手冊(cè)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1990:738 -791.

［3］《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》聯(lián)合編寫組.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)(中冊(cè))［M］.北京:化學(xué)工業(yè)工版社，1982:1 -40.

［4］《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》聯(lián)合編寫組.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)(下冊(cè))［M］.北京:石油化學(xué)工業(yè)工版社，1978:47 -67.