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          1. 常州豐和機床附件有限公司
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            大型重載四爪單動卡盤設計中相關問題的探討

            瀏覽: 發表時間:2017-05-08 23:04:52

            摘要: 本文分析了大型重載四爪單動卡盤設計應注意的問題,提出應根據每個卡盤的具體結構而不是最大直徑來確定卡盤的最高限速

                      關鍵詞: 大型卡盤, 卡盤限速 


                      目前我事業部的臥車用的卡盤大多在直徑1000mm以上的四爪單動卡盤,相對于小規格的卡盤,這種卡盤由于產量少,卡盤廠家缺少相關的技術數據。比方說卡盤限制轉速問題,在樣本和產品介紹中只是根據經驗給出數值,多是與卡盤直徑相關,見下表:

                      


                      很顯然,這是一個相對保守的數據,已經有很多用戶反饋他們經常使用超過上表數值的轉速來加工。這樣的數據在使用說明書中給出,不利于機床性能的發揮。
                      而針對高承重,大直徑的重型卡盤,國內的卡盤廠家并沒有給出轉速、卡持力等數據,如果只是根據卡盤的直徑對重型卡盤的速度限制給出數據,則這個數據又過于危險。所以,有必要對大直徑卡盤進行一個系統的分析,找出規律。

                      對卡盤轉速進行限制,主要是因為卡持工件加工時,由于高速旋轉,卡爪自身的向外的離心力抵消了卡持力,如果超出了一定的轉速范圍,就會發生工件夾持力不夠,甚至卡爪飛出等事故。對卡盤機構進行驗算時,也應當以此為依據,找出薄弱點加以校核。

            卡爪離心力計算公式: 

              公式 ①


            式中:
            m------卡盤上移動部件的質量,通常指的是單個卡爪的質量
            v-------卡盤旋轉時,移動部件(卡爪)的線速度
            r--------卡爪質心處的半徑
            n-------卡盤的轉速

                      由公式①可知,當轉速增加時,卡持力的損失會以轉速的平方迅速增加。而大型卡盤的回轉半徑和移動部件質量都比較大,所以這三方面應該給予綜合考慮。

                      一個卡盤在加工時的極限轉速應該與下面幾個因素相關:
            1. 卡爪的重量
            2. 卡盤的卡持力
            3. 卡持工件的重量
            4. 卡持工件的直徑
                      對于大型卡盤來說,轉速通常不是很高(500r/min以下),但是卡爪的質量和卡爪質心處半徑r的數值很大,另外,最大卡持力也會根據結構和驅動件的不同而不同。
                      卡盤的最大卡持力:是由卡盤采用的絲桿所受的輸入扭矩決定的,理論上說,只要絲桿不發生機械破壞,卡持力就能隨著輸入扭矩的增大而一直增加。使用增力絲桿只是能使卡盤在相同輸入扭矩的情況下,獲得較大的卡持力。當工件重量較大時,從絲桿強度、易操作性能等方面考慮選擇合適的絲桿,然后按照滑動螺旋副來進行各種強度驗算。懸卡時,較長工件對卡爪產生的彎矩也應當給予考慮。
            不使用增力絲桿時,可以選擇使用下面的結構來增加操作時的輸入力矩:

                      
             
                      工件的重量,這項參數比較復雜,因為除了工件的質量對卡持有影響外,工件重心的位置,也就是工件的形狀也會對卡持力產生影響。另外,加工過程中的切削力、加工中是否使用尾座、是否使用托輥和中心架等輔助設施,都會對卡爪施加正面的或負面的影響。對我們來說,可以將卡持力乘以一個安全系數,大于工件重量,我們可以認為其是安全的。但是對于加工者來說,工件的重量是最直觀的參數。下圖是一重公司給出的不同機床根據工件重量選擇卡盤轉速的圖表。
                       

                      卡持工件的直徑(即卡爪的位置)決定著r值的大小,因此上圖很可能是一重公司根據自己工件的形狀(直徑、長度等)總結處來的經驗數據。

                      針對不同的結構,大型卡盤有可能因為下列幾種原因失效:
            1. 固定絲桿的或卡爪座的定位鍵受剪切應力過大而斷裂
            2. 堵頭處固定絲桿的螺栓被拉斷
            3. 輸入扭矩過大,使絲桿受扭轉切應力
            4. 過長的絲桿,有可能會產生失穩現象

                      綜上所述,對于大型、重載的四爪單動卡盤,設計時應主要考慮以下幾點:
            1. 保證強度的前提下,盡量減少可移動部件的重量。
            2. 選擇絲桿時,還應當考慮懸卡時,作用在卡爪上的彎矩力。
            3. 校核絲桿固定處和卡爪固定處的剪切應力。
            4. 考慮到可操作性,盡量使用增力絲桿或者其它增力裝置。
            5. 標示出合適的最高轉速,保證安全又能最大限度發揮卡盤性能
                      國外卡盤廠家對卡盤最高轉速的定義是,離心力=2/3卡持力時,此時的轉速是卡盤的最高轉速。
            根據此標準,拿同樣直徑為2000mm,但是承重和結構不同的兩個卡盤進行分析:
             
                       

                       A結構使用增力絲桿&卡爪座形式,絲桿行程短,受力好,但是需要根據不同的工件直徑調整卡爪在卡盤上的位置。操作費時。增力絲桿直徑80mm,最大卡持力為  200kN 。機床最大承重40噸。
                      B結構為普通梯形螺紋絲桿,全行程由絲桿實現。絲桿較長。絲桿直徑65mm,機床最大承重25噸。

            首先計算最高轉速。
            取卡爪在極限位置,ra=rb=1000
            卡爪的質量 ma= 130kg   mb= 50kg  
            卡持力Fa= 100000N         Fb=62500N

            根據公式① 取2/3最大卡持力損失時的轉速為最大轉速,  有:

               
            求得  na=225r/min

               
            求得  nb=275r/min

                         由此可見,這兩種結構的卡盤的極限轉速都有很大的潛力可挖。但是上面的結果是直接利用國外卡盤廠家2/3卡持力損失的經驗數據計算的,而一些相對保守的廠家如SMW則將卡持力損失1/2時作為最大轉速的計算依據。所以以上數據是否適用于大型重載的卡盤還有待實驗驗證。為了便于操作者參考,根據公式①我給出了不同轉速下,兩種卡盤卡持力損失的圖表:

                           


                          A結構卡          根據材料力學公式校核這兩個卡盤在最大轉速時,薄弱點的強度,如下圖:
                      注意此時對于A結構卡盤,計算薄弱點A1時,應當將整個卡爪座(包含增力絲桿)的質量計算為移動部件的質量,計算薄弱點A2時,應當將增力絲桿與卡爪的重量之和作為移動部件的質量。
                      對于B結構卡盤,應當將絲桿與卡爪的質量之和一起計算。

                       
                      如果強度不夠,應當考慮增加固定鍵的厚度,增加螺栓數量,采用高等級的螺栓等方法來增加強度。
                      根據滑動螺旋副結構來校核絲桿的強度、耐磨性能、穩定性。保證使用性能的前提下,盡量使用短的絲桿。


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