数控机床动力卡盘选型方法

2018-07-27清华大学机械工程系北京100084

金属加工(冷加工) 2018年7期

■ 清华大学机械工程系（北京 100084）张云姜楠

■ ■呼和浩特众环集团（内蒙古 010051）张国斌

HTC50型机床是原CK3263型数控转塔车床的升级换代产品，继承了原机床的多项优点。具有驱动功率大、刚性好和刀具半径补偿等多种性能，能车削直线，斜线，圆弧，公、英制螺纹，直、锥形螺纹，平面螺纹和多头螺纹。因此适合形状复杂、精度较高的轴、盘及套类零件加工。特别适合电子产品、航空和有色金属等行业，零件使用小切削量、高转速和大批量加工。设备结构如图1所示，数控机床如图2所示。

图1 HTC50 数控卧式车床结构

图2 HTC50 数控卧式车床

1.HTC50数控卧式车床技术参数

HTC50数控卧式车床部分技术参数如表1所示。

2.动力卡盘选型分析

（1）动力卡盘工作条件如表2所示。

表1 HTC50数控卧式车床技术参数

（2）动力卡盘工作参数如表3所示。

（3）动力卡盘设计要求如表4所示。

表2 动力卡盘工作条件

表3 动力卡盘工作参数

表4 动力卡盘设计要求

（4）动力卡盘初步选型：根据HTC50数控车床性能特点，应选择适合形状复杂、精度较高的轴、盘及套类零件加工的动力卡盘。

卡盘公称直径的确定：机床床身最大回转直径600mm，考虑到加工零件的广泛性，有可能加工轴类零件，也可能加工盘类零件，所以将卡盘回转直径确定为床身最大回转直径的约50%较合理。查阅相关标准，卡盘规格直径选择315mm。

卡盘与机床连接形式的确定：卡盘与机床主轴的搭配关系如表5所示。

表5 卡盘与机床主轴的搭配关系（JB/T 11771─2014中表1）

机床主轴头型式为短圆锥A2-8型，参照表5的规定，卡盘也为短圆锥A2-8型，这样安装方便，卡盘悬伸短，刚性好。

卡盘传动结构型式的确定：动力卡盘的传动结构型式有几十种，最常用的一般为楔式动力卡盘，HTC50数控卧式车床为通用型车床，加工范围广。因此选用中实楔式动力卡盘基本上能满足使用要求，卡盘性价比也高，故选用中实楔式动力卡盘。该动力卡盘的结构具有高转速、高精度、高刚性、夹紧力大、高安全性和高可靠性等特点。

加工的零件为三通管接头，材料ZG45钢，工件质量3.5kg，如图3所示。

图3 加工零件

顶爪是夹持工件的重要零件，根据加工零件的特点及批量，顶爪为硬顶爪，夹持部位锯齿状，其形状及尺寸如图4所示。

图4 顶爪

按实际零件进行初始夹紧力计算。根据零件特点，卡盘需夹持φ30mm，加工φ60mm端面及外圆，表面粗糙度值Ra＝6.3μm。切削用量为56.52m/min（加工转速300r/min），进给量S＝0.3mm/r，切削深度t＝2.0mm。

刀具材料牌号为硬质合金YT15，刀具切削部分几何参数为前角γo＝15°，后角αo＝8°，副后角αo′＝6°，刃倾角λs＝0°，主偏角Kr＝30°，副偏角Kr′＝10°，刀尖圆弧半径re＝0.5mm。

主切削力Fs的计算。t＝2.0mm，S＝0.3mm/r，查《金属切削手册》得到：Ks＝2.7kN/mm²，

Fs＝S·t·Ks＝0.3×2×2.7＝1.62（kN）。

动力卡盘所受的静态夹紧力Fspz的计算。查《金属切削手册》得到：Sz＝2；usp＝0.1～0.45，取：usp＝0.33，dz＝60mm，dsp＝30mm，dz为工件加工面的直径，dsp为夹紧部分的直径。则：Fspz＝[（Fs·Sz）/usp]·（dz/dsp）＝[（1.62×2）/0.33]×（60/30）＝19.64（kN）。

在顶爪设计过程中，可以得到顶爪质心到顶爪底部的距离为56.32mm，则顶爪质心到卡盘中心的距离r＝15＋56.32＝71.32（mm），顶爪质量（3块爪）为8.38kg。

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

离心力损失ΔFc的计算。K值总小于1，楔式动力卡盘自身刚性好，工作转速不高，取K＝0.7，则：ΔFc＝K×Fc＝0.7×1.179＝0.83（kN）。

动态夹紧力Fdy的计算。楔式动力卡盘不带有离心力补偿，所以Fc1＝0，i为杠杆比，则Fdy＝Fspz＋ΔFc＋iFc1（外夹紧工件时）＝19.64＋0.83＋0＝20.47（kN）。

初始夹紧力Fsp的计算。考虑加工的安全性，夹紧力安全系数Ssp＝1.5，Fsp＝Ssp×Fdy＝1.5×20.47＝30.71（kN）。

卡盘精度按JB/T 11771─2014标准执行。

3.选择动力卡盘

根据以上计算分析，选择呼和浩特众环（集团）有限公司生产的KT54T315 B/A28二爪楔式动力卡盘（见图5）。卡盘直径：304mm；连接形式：A2-8；爪行程（直径）：10.6mm；许用推力：27.5kN；最大夹紧力：104kN；最高转速：3 200r/min；夹紧范围：26～304mm。

图5 KT54T315 B/A28二爪楔式动力卡盘

4.校核

前面的计算结果和所选卡盘的对比如表6所示。

5.动力源的选择

根据动力卡盘选择的是呼和浩特众环（集团）有限公司生产的KT54T315 B/A28二爪楔式动力卡盘，因此油缸也同样选择呼和浩特众环（集团）有限公司生产的油缸。卡盘为中实卡盘，油缸也选择中实油缸，即型号为P24系列高速回转油缸。该油缸采用优质铝合金材料，具有体积小、质量轻、转速高和密封性好等特点，并配有逆止阀、安全阀。

呼和浩特众环（集团）有限公司推荐的油缸为P24160，与KT54T315 B/A28匹配，如表7所示。