火車輪專用車床三爪自定心卡盤設計

王冠田

(齊重數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的自定心卡盤。它適用于輕載切削，對軸類、盤類工件的夾緊。重型通用車床采用四爪絲杠傳動的非自定心卡盤。它適用于重載切削，對軸類、盤類、異型工件的夾緊。然而，對于專用車床來講，卡盤結構形式沒有固定的模式，通常是根據被加工工件的工藝要求、生產效率以及專用機床的總體結構方案而專門設計。

近些年，筆者公司根據國內火車輪生產廠的需求，研制了高效、強力切削，數控火車輪專用車床。依據火車輪的工藝要求及機床設計的總體方案，確定了卡盤采用串聯油缸、液力傳動、杠桿增力、三爪自定心、自動夾緊車輪的設計方案并取得了成功。現就此卡盤的結構設計及工作原理加以介紹。

1 車輪基本參數及工藝要求

車輪為鑄鋼輪，材質ZG60，硬度300 HB，抗拉強度σb=104 MPa，車輪直徑Φ840 mm。工藝要求:鑄鋼毛坯車輪一次裝夾，同時完成車輪踏面、內輪轂面、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，生產效率4.5 min/件。

2 車輪加工路徑及切削要素

本專機總體結構為: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1 個刀夾，次序分布3 把車刀對車輪踏面粗車。切削深度5～10 mm、進給量2 mm/min、切削線速度80 m/min。

右刀架設1 個刀夾，1 把車刀對車輪踏面精車。切削深度2 mm、進給量1.5 mm/min、切削線速度80 m/min。

立刀架設2 個刀夾、4 把車刀，前刀夾次序分布2把車刀對內輪轂面粗車。切削深度10～28 mm、進給量2 mm/min、切削線速度80 m/min。后刀夾次序分布2 把車刀對外輪輞面粗車。切削深度10～28 mm、進給量2 mm/min、切削線速度80 m/min。

綜上所述，可以看出卡盤設計的技術關鍵在于:確定機床在強力切削時能夠滿足車輪夾緊力要求的動力源;實現對車輪進行快速、可靠、自定心、自動夾緊的傳動方式。

3 卡盤的結構設計及工作原理

3.1 卡盤結構組成及功能

卡盤主要由以下組件構成:卡盤爪組件;杠桿組件;卡爪微調組件;卡盤體組件;串聯油缸組件;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行部件。

杠桿組件:三組均布在卡盤內部，杠桿一端與活塞桿相連，另一端與卡盤上的滑動塊相連，并將液壓動力擴大3 倍傳至卡盤爪。它也是保證卡爪同步運動的傳動件。

圖2 卡盤結構圖

卡爪微調組件:三組均布在卡盤三等分矩形導軌槽內部，主要用于調整二個滑動塊體相對位置以補償因卡爪磨損后帶來的三個卡爪不同心問題。

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底座上以支撐工件，帶動工件旋轉。

串聯油缸組件;整體組件安裝在空心主軸之內，可與主軸及卡盤一同旋轉。油缸為一個缸體雙活塞結構。其優點是:既能保證機床在強力切削時卡盤爪有可靠的夾緊力;又能使整個液壓傳動系統處于低壓工作狀態(低壓傳動可以大大降低液壓控制系統的制造成本)。

配油體組件:設在串聯油缸下端，配油體外套緊固在主傳動底座內側，配油軸緊固在串聯油缸下端發蘭盤上，來自液壓站的壓力油在電磁換向閥控制下經配油體進入油缸各腔，使活塞桿上下運動。

3.2 工作原理

圖3 串聯油缸及配油體結構圖

卡盤在裝夾車輪工件之前，應首先調整卡爪同心度。調整方法:將已加工好的標準車輪放置在卡盤卡爪定位面上，轉動卡盤用百分表找正標準車輪外圓，用卡爪微調機構調整卡爪，調整同心后由螺母鎖定。(卡爪同心調整不是每加工一個車輪都需要調整，只是卡爪磨損后才進行調整)，然后放入毛坯車輪，在啟動油泵電動機前，將油泵流量調整到最大值，啟動油泵電動機運轉5 min 后卡盤夾緊油缸工作，將系統壓力調整到3.5 MPa，溢流閥調整壓力為4.0 MPa(溢流閥起安全閥作用。此壓力值是根據多把車刀同時參與切削加工時所產生的最大切削扭矩計算而得)。來自壓力站的壓力油經配油體進入串聯油缸B、D 腔(見圖3)，液力推動活塞使活塞桿向下移動，活塞桿上端3 個等分槽，同時拉動3 個L 型杠桿(長邊)以鉸鏈軸1 為支點順時針旋轉(杠桿傳動比為3∶1)，L 型杠桿短邊驅動卡盤矩形導軌槽內滑動塊向卡盤中心方向移動，與滑動塊連接的撥塊驅動卡爪杠桿(杠桿傳動比為1∶1)以鉸鏈軸2 為支點逆時針旋轉，完成對車輪幅板面內撐下壓夾緊。接下來3 個刀架在PLC 程序控制下開始進入切削。

當工件放松時，按動工件放松按扭，壓力油在電磁換向閥控制下經配油體進入串聯油缸A、C 腔，液力推動活塞使活塞桿向上移動，推動杠桿(長邊)以鉸鏈軸1 為支點逆時針旋轉，L 型杠桿短邊驅動卡盤矩形導軌槽內滑動塊向遠離卡盤中心方向移動，與滑動塊連接的撥塊驅動卡爪杠桿以鉸鏈軸2 為支點順時針旋轉，完成對工件的放松。至此，火車輪加工一個工作循環結束，進入下一個工作循環。

液力傳動系統工作流程如圖4 所示。

圖4 液力傳動系統工作流程圖

在整個卡盤傳動系統中串聯油缸是保證工件快速、可靠夾緊的動力源。根據機床切削力及扭矩計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壓力為3.5 MPa，屬于低壓傳動。這樣對串聯油缸的設計、制造及液壓系統液壓元件、密封件的選用相對比較簡單、可靠。在液力傳動系統中有兩點不可忽視:一是L 型杠桿結構設計、零件材質選擇、熱處理方法及零件的加工精度保證，它關系到系統傳動剛度及卡盤三爪的傳動精度。二是配油體組件的結構設計、關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入串聯油缸的可靠保障。此兩項目技術關鍵我公司經過反復試驗，最終得已解決。

4 結語

該卡盤經過實踐驗證，采用串聯油缸、液力傳動、杠桿增力傳動機構。滿足了車輪在高效、強力切削時所需夾緊力的要求，實現了車輪在裝夾過程中的自動定心、準確定位、快速自動夾緊。為提高機床生產效率奠定了重要的基礎。

［1］《機床設計手冊》編寫組.機床設計手冊(第三冊)［M］.北京:機械工業出版社，1986:700 -740.

［2］雷天覺.液壓工程手冊［M］.北京:機械工業出版社，1990:738 -791.

［3］《機械設計手冊》聯合編寫組.機械設計手冊(中冊)［M］.北京:化學工業工版社，1982:1 -40.

［4］《機械設計手冊》聯合編寫組.機械設計手冊(下冊)［M］.北京:石油化學工業工版社，1978:47 -67.