液壓動力卡盤結構分析

徐相榮

（博世力士樂（常州）有限公司技術部，常州 213164）

卡盤是用來夾緊工件的裝置，一般由卡盤本體、活動基爪、頂爪以及驅動機構四部分組成?？ūP直徑一般為65～1600mm，中央可以設置通孔，以便通過細長工件或棒料；背部有短圓柱或短錐形結構，直接或通過法蘭盤與機床主軸相聯接?？ūP通常安裝在車床、內外圓磨床上使用，也可與分度裝置進行配合用于自動化產線上。

1 斜楔式動力卡盤內部結構分析

卡盤驅動機構的結構設計是卡盤的核心技術，文本就針對斜楔式動力卡盤內部結構設計進行分析。根據具體應用要求，本文研究的卡盤結構外漲薄壁管，需要5t的外漲緊力，單個卡爪行程ΔD為5mm，后拉動力油缸內部油壓為7.5MPa，

內部結構選用斜楔式，如圖1所示。

圖1 斜楔式卡盤手里內部結構受力圖

通過圖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。假設選擇油缸活塞直徑d為200mm

1.1 求斜楔式結構角度θ

先求回轉油缸作用力FL,如式（3）所示。

代入式（2），可得結構角度θ≈12.02°

1.2 求油缸后拉行程S

這種結構設計，將油缸的軸向運動轉變成卡爪徑向運動，而卡爪徑向夾緊力FW=FL·tgθ，所以，其大小由斜楔結構夾角θ決定。該卡盤優點為整體結構緊湊，分布合理，零部件較少，易于制造和維護保養；缺點是為高轉速時離心力損失較大，夾緊力顯著降低。國外卡盤系列中也不乏此類結構產品，但大多數都會在內部集成設計潤滑油槽、排氣孔道等輔加結構，便于潤滑與排屑。

目前，國內卡盤對于輔助結構重視程度不夠，假如潤滑油槽設計能顯著降低內部各滑動部件的磨損，延長卡盤使用壽命。此外，通過排氣孔道能夠及時吹除鐵屑和切削液，避免滑動部件被微小鐵屑夾傷或受切削液滲透發生銹蝕。上述幾種輔助結構的設計與卡盤核心驅動機構設計同等重要，研究人員應予以足夠重視。

2 卡盤驅動結構設計的發展脈絡

隨著進口機床大量普及以及機床隨機附件的成熟應用，國外卡盤品牌，如Rohm、SMW、Schunk以及Forkardt等系列產品驅動機構設計也趨于透明化，不同驅動機構對比如表1所示。

通過分析可以得出，不同驅動機設計基本都是圍繞如何解決高轉速下離心力損失進行設計的。設計初期，將后拉油缸的軸向運動轉換為3個等分卡爪的徑向夾緊運動；后期逐步改進內部結構，使得基爪底部通過延切向布置的楔塊機構進行二次轉換，防止基爪在高轉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時離心力損失的最好保障。

隨著機械加工技術的發展，對于卡盤結構的要求越來越高，杠桿式驅動機構應運而生，首先通過倒置斜楔機構將后拉油缸的軸向運動轉換為杠桿下端的外漲運動，再通過杠桿機構傳導至另一端向內夾緊，從而帶動頂爪夾緊工件。該機構將基爪轉換成了圓柱杠桿，重量有明顯下降，相應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了外漲運動的漲緊力，經杠桿傳導至另一端，頂爪夾持力得到了加強，從某種意義上講這種結構是將有害的離心力轉變成了有益的夾緊力補償。

斜柱式結構則是直接通過斜柱機構將油缸的軸向運動轉換為向下和徑向夾緊兩個方向運動，這種結構既提供了徑向夾緊力，又產生了向下的分力，保證工件能與底部定位面貼合，提供了更為精準的加工夾持定位方式。

表1 不同驅動機構對比

總之，卡盤驅動機構設計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構，對卡盤體內各種零件材質也提出更高要求。

3.卡盤零部件材料分析

國內外卡盤材質選用存在較大差異，國外卡盤大多采用鉻錳合金鋼材質（1.7131）制造，所有運動零部件都進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部韌性，此外零件尺寸經過磨削處理，精度也達到很高的一致性，能有效保證重復定位精度和夾持可靠性。

反觀國內卡盤主要在中低端市場應用，迫于成本壓力，更傾向于選用普通合金鋼材質甚至直接使用碳素鋼制造，利用局部淬火替代表面淬火，不同工藝要求導致國內外卡盤零部件質量產生巨大差距，導致卡盤穩定性、壽命以及重復精度都急劇下降。

但事實上，國內的生產技術是完全有能力生產出優質卡盤產品的，但是主要的問題在于熱處理和細節工藝處理上與進口卡盤有差異。加上國內市場競爭激烈，廠商不得不盡可能的控制產品成本，以較低的售價換取市場競爭力。

4 結語

事實上，國內的生產技術完全有能力生產出優質卡盤產品的，但是影響卡盤質量的主要原因在于熱處理和細節工藝處理上存在之處，再加上國內市場競爭激烈，廠商不得不考量產品成本影響，以較低的售價換取市場競爭力?？傊?，選配一個合適的卡盤會有效提升數控機床工作性能，無論是驅動結構還是材質方面，相關廠家一定要根據自身產品實際需求選擇合適卡盤，促進自身經濟效益提升。