提高楔式動力卡盤定心精度的裝配方法研究*

陳會金　馮平法　王健健　張建富　郭　忠

(①清華大學機械工程系，北京 100084；②煙臺大學機電汽車工程學院，山東 煙臺 264000)

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提高楔式動力卡盤定心精度的裝配方法研究*

國家數控重大專項: 高精度動力卡盤和回轉油缸規?；圃旒夹g與裝備開發(2012ZX04002-061)

陳會金①②馮平法①王健健①張建富①郭忠②

(①清華大學機械工程系，北京 100084；②煙臺大學機電汽車工程學院，山東 煙臺 264000)

為提高楔式動力卡盤的定心精度，基于分組互換法的原理，結合實際生產中的需要，建立了卡盤盤體和楔心套的分組互換裝配法，并對基于該方法生產的動力卡盤高爪配車后的定心精度進行了實驗研究。實驗結果表明，對于型號為KT55200的卡盤，使用分組互換法將盤體和楔心套裝配間隙控制在10 μm以內，可以有效提高卡盤的重復定心精度。該方法對高精度動力卡盤的設計制造有重要的實踐意義。

楔式動力卡盤；定心精度；分組互換法

現代制造業對數控機床及其功能部件的性能提出了更高的要求。液壓動力卡盤是數控機床重要的功能部件之一，是數控機床上用于夾緊工件和定位的機床附件[1]。

理想的車床卡盤應保持車床主軸軸心線與工件軸心線重合，這樣不會對工件的形位精度造成不利的影響。工件的形狀誤差和位置誤差主要是由于卡盤夾持不精確引起的[2]，稱為卡盤的夾持精度，具體有自定心精度、圓柱度和圓度。

由動力卡盤精度分析及其精度檢驗可知，卡盤的制造及裝配誤差將對加工零件的形位精度帶來很大的影響。如何減小卡盤零件的制造和安裝誤差是卡盤設計時需重點考慮的問題。江南大學的盧學玉[3]對零部件設計和卡盤加工時怎樣提高精度提出了幾種措施。青島科技大學的趙欣等[4]對卡盤進行的精度分析，給出了卡盤精度的檢驗方法，提出了提高卡盤精度的方案。清華大學的王健健等對楔式動力卡盤的定心精度及其保持特性進行了理論分析，表明卡盤的盤體與楔心套的配合間隙(如圖1所示)是決定卡盤配車后定心精度的主要因素[5-6]。本文在如何提高卡盤盤體和楔心套裝配精度方面，運用分組互換的方法設計了3種盤體公差下的裝配方案。并對盤體公差為T=36 μm情況下的卡盤進行了實驗驗證，對實際加工生產提供了理論依據。

1　卡盤盤體和楔心套的分組互換裝配方法

1.1分組互換法的原理

分組互換法是提高裝配精度的一種裝配方法，是將組成環公差增大若干倍(一般為3～6倍)，使組成環零件能按經濟公差加工，然后再通過零件測量將各組成環按原公差大小分組，按相應組進行裝配的方法[7]。

采用分組互換法必須保證在裝配中各組的配合精度和配合性質(間隙或過盈)與原來的要求相同。前期研究表明[5-6]：批量生產的楔式動力卡盤在對高爪進行配車后，其重復定位精度的大小等于盤體與楔心套的配合間隙。對于KT55200楔式動力卡盤而言，如果要將其重復定位精度提升為0.01 mm(高精度卡盤)，則要求楔心套外圓與盤體內圓的配合間隙不大于0.01 mm。由于還要保證盤體與楔心套之間的自由相對運動，因此楔心套外圓與盤體內圓的配合間隙也不能過小，在本文的分組互換公差設計中，設定該間隙不小于0.002 mm。即：配合間隙設計為0.002～0.01 mm，要求楔心套外圓與盤體內圓的公差為：(0.1-0.002)/2=0.004 mm=4 μm。

1.2盤體和楔心套分組互換裝配方法設計

楔心套和盤體的配合采用基孔制。為了提高楔心套和盤體的配合精度，采用粗車-半精車-高頻淬火-粗磨-精磨-研磨的加工路線，最終的加工精度達到IT5-IT6。查標準公差數值表，盤體基本尺寸為φ117.5 mm，公差等級取IT6，Th=22 μm；公差等級取IT5，Th=15 μm。為了便于分組，這里取盤體的公差T=20 μm、和16 μm分別進行分組互換方案設計。

以上是所要求的卡盤重復定心精度為10 μm的高精度卡盤的裝配方案設計。如果重復定心精度要求為20 μm，可以取消研磨工序，加工路線為粗車-半精車-高頻淬火-粗磨-精磨，最終的加工精度達到IT7。查標準公差數值表，盤體基本尺寸為φ117.5 mm，公差等級取IT7，Th=35 μm。配合間隙設計為0.002～0.02 mm，要求楔心套外圓與盤體內圓的公差為(0.02-0.002)/2=0.009 mm=9 μm。相應的分組互換裝配方案如下。

此方法適合大批量的卡盤生產。由于加工零件精度的不確定性，可能相應組所對應的零件數量不是相等的，如果不是大批量生產可能會導致裝配后有剩余零件?？梢钥紤]將剩余零件裝配起來，但精度不能保證。任汝南[8]針對數量不配套的情況提出了不等公差分組互換法，可改善對應零件數量配套的問題。

2　卡盤定心精度的實驗驗證

為了驗證本文設計的分組互換裝配方案能否達到提高卡盤定心精度的目的，對不同裝配方法的卡盤定心精度進行了對比試驗。

實驗平臺包括表1中列出的設備，其中4臺卡盤中的3臺是按照分組互換法裝配，盤體和楔心套間隙在0.01 mm左右；1臺按照企業目前采用的試配法裝配，盤體和楔心套間隙在0.03 mm左右。

表1實驗設備

設備名稱規格(型號)數控車床CK1440A/PG實驗卡盤4臺楔式動力卡盤潤滑油介質企業自配潤滑脂千分表德國馬爾測試棒直徑32mm

實驗方法：將4臺卡盤分別安裝到數控車床上，并分別對軟爪進行兩次配車，每配車一次后重復夾緊測試棒。

定心精度測量方法：為了測量卡盤的定心精度，用千分表測量測試棒的跳動值，用米尺測量測試棒的弧長, 如圖5和圖6所示，以爪1的中心線為基準，測量中心線與千分表測頭間的弧長EF，其中E點表示爪1的中心位置，F點表示千分表順時針方向示數最大處。每車一次軟爪測50組值。則卡盤定心精度可按下式計算。

θ=LEF/πd

(1)

P=D/2

(2)

式中：θ為弧長LEF對應的角度，LEF為EF點之間的短弧長，d為測試棒的直徑，P為定心精度，D為千分表測得的圓跳動值。

圖7是使用圖5和圖6所示的定心精度測量方法，獲得的幾臺不同卡盤的定心精度坐標圖。從圖7中可以看出，當盤體與楔心套的配合間隙小于0.01 mm時，卡盤的定心誤差不超過0.01 mm；同樣，當盤體與楔心套的配合間隙小于0.03 mm時，卡盤的定心誤差不超過0.03 mm。這與我們理論研究的結果是一致的：配車后，卡盤的定心誤差不大于楔心套與盤體的配合間隙。從圖7可以看出，所有的夾持中心坐標點都在理論預測的邊界之內。因此在生產中，要特別注意通過控制盤體與楔心套的配合間隙來提高卡盤的定心精度。圖中0.01 mm的間隙是通過本文提出的分組互換裝配方法獲得的，而0.03 mm的是常規方法生產的卡盤間隙?？梢缘玫浇Y論：本文所提出的通過分組互換法來控制盤體與楔心套的配合間隙，從而提高卡盤定心精度的方法是有效的。

3　結語

本文通過實驗的方法證明了楔式動力卡盤的盤體與楔心套的配合間隙是決定其配車后定心精度的主要因素。通過分組互換法，將該配合間隙控制在一定的范圍內(建議0.01 mm)，可以有效提高卡盤的定心精度。分組互換法對高精度動力卡盤的設計制造有重要的實踐意義。

[1]楊華勇,周城.自定心液壓動力卡盤的研究綜述[J].中國機械工程,2007,18(2):244-251.

[2]Wang J, Zhang J, Feng P, et al. Modeling and simulation for the critical bending force of power chucks to guarantee high machining precision[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2015, 79(5-8): 1081-1094.

[3]盧學玉.何提高新型動力卡盤的精度[J].金屬加工，2008(7):46-61.

[4]趙欣，盧學玉，常德功.動力卡盤的精度分析和檢驗方法[J].機床與液壓，2006(2):90-158.

[5]王健健,馮平法,張建富,等.卡盤定心精度建模及其保持特性與修復方法[J].吉林大學學報：工學版,2016,46(2):487-493.

[6]王健健,張建富,馮平法,等.楔式動力卡盤靜態夾持精度建模與綜合[J].西安交通大學學報，2013,47(3):90-95.

[7]韓進宏.互換性與技術測量[M].北京：機械工業出版社,2010.

[8]任汝南.不等公差分組互換裝配法[J].機械工藝師，2001(2):42-44.

(編輯汪藝)

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Research on centering precision of power-operated wedge hook chuck

CHEN Huijin①②, FENG Pingfa①, WANG Jianjian①, ZHANG Jianfu①, GUO Zhong②

(①Department of Mechanical Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, CHN;②College of Mechanical and Automotive Engineering, Yantai University, Yantai 264000, CHN)

In order to improve the centering accuracy of wedge-hook power chuck, the grouping exchange method for assembling the chuck body and wedge plunger was developed, on the basis of the principle of grouping exchange method and actual production requirement. Using this method, series of power chucks were produced. Experiments on the centering accuracy after turning top jaws were conducted. The experimental results show that, when the interval between chuck body and wedge plunger is limited within 10 μm, the grouping exchange method is effective to improve the centering method of chuck KT55200. This method has important practical significance in the design and manufacture of power chuck.

power chuck; centering accuracy; grouping exchange method

TG802

A

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.07.002

2016-03-29)

160711