动力卡盘附件的材料磨损性能研究

2013-09-29钱善华闫俊霞张震宇刘科言

制造技术与机床 2013年3期

钱善华韦鸣闫俊霞张震宇刘科言

（①江南大学机械工程学院，江苏无锡214122;②江苏无锡建华机床附件集团有限公司，江苏无锡214044;③重庆建设工业集团有限责任公司，重庆400054）

随着超高速切削技术的发展，对工件夹紧系统的精度提出更高的要求，而工件的夹紧系统成为整个机床加工系统中最为薄弱的环节［1］。目前，在加工系统中，动力卡盘是被普遍使用的工件夹紧系统。随着主轴转速的急剧增加，被夹紧的工件可能脱离动力卡盘，从而对操作人员－机床－刀具－工件系统造成极大危害［2］。动力卡盘的失效是工件脱离卡盘的主要原因之一，探索卡盘的失效形式对提高超高速切削的可靠性具有重要的应用价值。

目前，许多学者对动力卡盘及附件的性能开展一系列研究，取得卓有成效的研究成果。卢学玉等［3］对动力卡盘进行受力分析，探讨其夹紧力与推拉力的变化规律。沈建［4］采用液压动力卡盘实现工件的自动夹紧。唐霞等［5］采用液压系统改善动力卡盘工件夹紧力的精度。周城等［6］曾对动力卡盘的夹紧力损失进行试验研究，提出了夹紧力损失分段模型。龚俊等［7］曾通过ANSYS对高速动力卡盘的有限元模型分析，发现在保证动力卡盘强度和刚度的前提下，应提高主要配合面的加工精度，并对高速精密动力卡盘的失效形式进行了分析［8］，认为动力卡盘的材料选择和热处理技术、摩擦磨损和精度对动力卡盘失效的影响。磨损是随工作时间的增加而逐渐发生的失效形式。动力卡盘所有相对运动的零件接触表面都有可能发生磨损，例如楔心套、滑座、盘体等主要配合面、卡爪和工件夹紧部分等均存在磨损的可能性。然而，目前针对动力卡盘附件的材料磨损研究相对较少。因此，鉴于动力卡盘与其附件的运动形式，本文拟采用销盘摩擦配副对其卡盘附件的材料磨损进行研究，并对其磨损机理展开初步的讨论。

1 试样与方法

在机床加工中，动力卡盘与滑座和楔心套相联，实现对工件的夹紧功能。试验前，选用圆销作为滑座和楔心套的外形，其直径均为4.8 mm，其材质均为20CrMnTi，并进行渗碳和淬火处理，其硬度不低于57HRC。选用环块作为盘体的外形，其内外直径分别为38、54 mm，其材质为42CrMo。与滑座配合的盘体材料，半精加工前需调质处理T235，磨削前需表面高频淬火至45 HRC;而与楔心套配合的盘体，仅需调质处理T235。试验前后，均用超声波清洗器和化学试剂（石油醚和酒精）对试样进行清洗，清洗结束后在GZX－9076MBE电热鼓风干燥箱进行烘干，再用电子天平（0.01 mg，Ohaus，Germany）对试样进行称重，进而获得试样的磨损量。

动力卡盘及附件的材料磨损试验是在MMW－1A万能摩擦磨损试验机（济南益华摩擦学测试技术有限公司）上进行的。图1所示为销盘摩擦副的工作示意图。试验时，载荷直接加载在环块试样的端面上，而将圆销试样固定在夹具上，主轴电动机带动夹具旋转，实现圆销与环块的相对滑动，模拟动力卡盘中滑座与盘体、楔心套与盘体的相对运动，进而评价滑座和楔心套的材料磨损性能。试验时采用载荷为10 N，对应的单位应力为0.553 N/mm2。

试验时，滑座和楔心套的工作行程是不同的，如表1所示;但两组配副是同步运行的，则滑座与盘体、楔心套与盘体的线速度分别是35、168 mm/s。润滑方式为微量脂润滑，即试验前在摩擦副接触表面涂一层均匀的润滑脂（K05，Smw －autoblok，Germany），而在试验时将不再添加任何润滑脂。试验时，采用两种运动形式:一是连续滑动，即一次试验完成一年的工作行程;二是间歇滑动，模拟实际工况中每3个月换一次润滑脂的工况，即一年的工作行程分为4段完成，在相邻两段中，更换一次润滑脂。值得说明的是，每一组试验均采用新的销体和盘体。

表1 不同型号盘体摩擦副的参数值

2 试验结果与讨论

图2所示为滑座与盘体的摩擦系数随工作行程的变化曲线。可以看出，随着工作行程的增加，摩擦系数在0.145处上下波动，但总体上还是处于平稳状态，表明低速下工作行程对摩擦系数的影响较小。当工作行程为1×105、2×105和3×105mm时，连续滑动下对应滑座材料的摩擦系数分别为0.145、0.147和0.144。当工作行程为3×105mm时，连续滑动和间歇滑动对应滑座材料的摩擦系数分别为0.144和0.147，表明运动形式对滑座与盘体的摩擦系数影响较小。

楔心套与盘体的摩擦系数随工作行程的变化如图3所示。可以看出，随着工作行程的增加，摩擦系数在0.176处上下波动，其波动幅值显著高于滑座与盘体的波幅值，这可能是由于楔心套线速度高于滑座线速度所产生的。当工作行程为0.5×106、1×106和1.5×106mm时，连续滑动下对应楔心套材料的摩擦系数分别为0.176、0.177和0.173。当工作行程为1×106mm时，连续滑动和间歇滑动对应楔心套材料的摩擦系数分别为0.177和0.176，表明运动形式也对楔心套材料与盘体材料的摩擦系数影响较小。

连续和间歇滑动下滑座和楔心套的材料磨损量如图4所示。可以看出，在连续滑动下楔心套的磨损量为0.13 mg，而其余的磨损量为0.01～0.02 mg，表明楔心套在连续滑动下的磨损量远远高于间歇滑动的磨损量，而滑座在连续滑动下的磨损量略高于间歇滑动的磨损量。因此，运行方式对材料的磨损性能的评价具有一定的影响，在后续的研究中应该考虑间歇式的滑动方式。总之，在间歇滑动下，滑座和楔心套的材料在一年内磨损量极低，接近于零磨损。

摩擦是摩擦副表面在相互滑动中发生能量转换并产生能量损耗的过程，而磨损是由摩擦副之间力学、物理、化学作用造成的表面损伤和材料剥落［9］，分别表现为摩擦系数和磨损量。摩擦与磨损密切相关，但并不存在确定的量化关系。往复滑动和旋转滑动是摩擦磨损试验常用的方法，在滑动方式上，往复滑动和旋转滑动在运动方向上存在显著差异，但在运动速率上基本保持恒定。而两者不同之处在于:往复滑动在滑动位移的终点处（滑动改变方向时）产生速度突变，从某一恒定值突然降低到零，又从零升至某一恒定值;而旋转滑动的运动速率能够保持恒定，但在滑动方向上瞬时改变。在低速轻载工况下，往复滑动和旋转滑动在评价金属材料的磨损性能上并无显著的差异。因此，本文的试验结果对卡盘附件的材料磨损评价仍具有一定的借鉴意义。

滑座和楔心套所对应的摩擦系数和磨损量与其对应的试验条件有关，主要表现为滑动速度和盘体热处理工艺的差别。在滑动速度上，滑座滑动速度vs约为楔心套速度vw的21%;与滑座配合的盘体进行表面高频淬火，而与楔心套配合的盘体只进行调质T235，这可能是滑座配副的摩擦系数小于楔心套配副的摩擦系数、对连续滑动下楔心套的磨损量高于滑座磨损量的原因之一。试验时，在摩擦配副添加一层润滑脂，有助于减小摩擦配副表面的接触，也易于将摩擦过程中产生的微热量散发出去。在间歇滑动下，滑座和楔心套的材料磨损量约为0.01～0.02 mg，这表明动力卡盘附件在一年内的磨损量极低，接近于零磨损。这也突显K59250型号的动力卡盘附件有良好的耐磨性能，在正常的工作寿命内所夹持的工件脱离该动力卡盘的可能性极小。