摘要：本文分析了大型重載四爪單動卡盤設(shè)計應(yīng)注意的問題，提出應(yīng)根據(jù)每個卡盤的具體結(jié)構(gòu)而不是zui大直徑來確定卡盤的zui高限速。
目前我事業(yè)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(guī)格的卡盤，這種卡盤由于產(chǎn)量少，卡盤廠家缺少相關(guān)的技術(shù)數(shù)據(jù)。比方說卡盤限制轉(zhuǎn)速問題，在樣本和產(chǎn)品介紹中只是根據(jù)經(jīng)驗給出數(shù)值，多是與卡盤直徑相關(guān)，見下表：
很顯然，這是一個相對保守的數(shù)據(jù)，已經(jīng)有很多用戶反饋他們經(jīng)常使用超過上表數(shù)值的轉(zhuǎn)速來加工。這樣的數(shù)據(jù)在使用說明書中給出，不利于機床性能的發(fā)揮。
而針對高承重，大直徑的重型卡盤，國內(nèi)的卡盤廠家并沒有給出轉(zhuǎn)速、卡持力等數(shù)據(jù)，如果只是根據(jù)卡盤的直徑對重型卡盤的速度限制給出數(shù)據(jù)，則這個數(shù)據(jù)又過于危險。所以，有必要對大直徑卡盤進行一個系統(tǒng)的分析，找出規(guī)律。
對卡盤轉(zhuǎn)速進行限制，主要是因為卡持工件加工時，由于高速旋轉(zhuǎn)，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(zhuǎn)速范圍，就會發(fā)生工件夾持力不夠，甚至卡爪飛出等事故。對卡盤機構(gòu)進行驗算時，也應(yīng)當(dāng)以此為依據(jù)，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(zhì)量，通常指的是單個卡爪的質(zhì)量
v-------卡盤旋轉(zhuǎn)時，移動部件（卡爪）的線速度
r--------卡爪質(zhì)心處的半徑
n-------卡盤的轉(zhuǎn)速
由公式①可知，當(dāng)轉(zhuǎn)速增加時，卡持力的損失會以轉(zhuǎn)速的平方迅速增加。而大型卡盤的回轉(zhuǎn)半徑和移動部件質(zhì)量都比較大，所以這三方面應(yīng)該給予綜合考慮。
一個卡盤在加工時的極限轉(zhuǎn)速應(yīng)該與下面幾個因素相關(guān)：
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(zhuǎn)速通常不是很高（500r/min以下），但是卡爪的質(zhì)量和卡爪質(zhì)心處半徑r的數(shù)值很大，另外，zui大卡持力也會根據(jù)結(jié)構(gòu)和驅(qū)動件的不同而不同。
卡盤的zui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(fā)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(dāng)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(chǎn)生的彎矩也應(yīng)當(dāng)給予考慮。
不使用增力絲桿時，可以選擇使用下面的結(jié)構(gòu)來增加操作時的輸入力矩：
工件的重量，這項參數(shù)比較復(fù)雜，因為除了工件的質(zhì)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(chǎn)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(shè)施，都會對卡爪施加正面的或負(fù)面的影響。對我們來說，可以將卡持力乘以一個安全系數(shù)，大于工件重量，我們可以認(rèn)為其是安全的。但是對于加工者來說，工件的重量是zui直觀的參數(shù)。下圖是一重公司給出的不同機床根據(jù)工件重量選擇卡盤轉(zhuǎn)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(jù)自己工件的形狀（直徑、長度等）總結(jié)處來的經(jīng)驗數(shù)據(jù)。
針對不同的結(jié)構(gòu)，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(yīng)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(zhuǎn)切應(yīng)力
4.過長的絲桿，有可能會產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象
綜上所述，對于大型、重載的四爪單動卡盤，設(shè)計時應(yīng)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(yīng)當(dāng)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(yīng)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(biāo)示出合適的zui高轉(zhuǎn)速，保證安全又能zui大限度發(fā)揮卡盤性能
國外卡盤廠家對卡盤zui高轉(zhuǎn)速的定義是，離心力=2/3卡持力時，此時的轉(zhuǎn)速是卡盤的zui高轉(zhuǎn)速。
根據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)，拿同樣直徑為2000mm，但是承重和結(jié)構(gòu)不同的兩個卡盤進行分析：
a結(jié)構(gòu)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(jù)不同的工件直徑調(diào)整卡爪在卡盤上的位置。操作費時。增力絲桿直徑80mm，zui大卡持力為200kn。機床zui大承重40噸。
b結(jié)構(gòu)為普通梯形螺紋絲桿，全行程由絲桿實現(xiàn)。絲桿較長。絲桿直徑65mm，機床zui大承重25噸。
首先計算zui高轉(zhuǎn)速。
取卡爪在極限位置，ra=rb=1000
卡爪的質(zhì)量ma=130kgmb=50kg
卡持力fa=100000nfb=62500n
根據(jù)公式①取2/3zui大卡持力損失時的轉(zhuǎn)速為zui大轉(zhuǎn)速，有：
求得na=225r/min
求得nb=275r/min
由此可見，這兩種結(jié)構(gòu)的卡盤的極限轉(zhuǎn)速都有很大的潛力可挖。但是上面的結(jié)果是直接利用國外卡盤廠家2/3卡持力損失的經(jīng)驗數(shù)據(jù)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zui大轉(zhuǎn)速的計算依據(jù)。所以以上數(shù)據(jù)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(jù)公式①我給出了不同轉(zhuǎn)速下，兩種卡盤卡持力損失的圖表：
a結(jié)構(gòu)卡根據(jù)材料力學(xué)公式校核這兩個卡盤在zui大轉(zhuǎn)速時，薄弱點的強度，如下圖：
注意此時對于a結(jié)構(gòu)卡盤，計算薄弱點a1時，應(yīng)當(dāng)將整個卡爪座（包含增力絲桿）的質(zhì)量計算為移動部件的質(zhì)量，計算薄弱點a2時，應(yīng)當(dāng)將增力絲桿與卡爪的重量之和作為移動部件的質(zhì)量。
對于b結(jié)構(gòu)卡盤，應(yīng)當(dāng)將絲桿與卡爪的質(zhì)量之和一起計算。
如果強度不夠，應(yīng)當(dāng)考慮增加固定鍵的厚度，增加螺栓數(shù)量，采用高等級的螺栓等方法來增加強度。
根據(jù)滑動螺旋副結(jié)構(gòu)來校核絲桿的強度、耐磨性能、穩(wěn)定性。保證使用性能的前提下，盡量使用短的絲桿。
參考文獻(xiàn)
1.宋樹藩.關(guān)于提高卡盤速度.keycomponentsforcncmachinetool,2006（2）
2.中國*重型集團公司.<重型機械工藝手冊>
（作者：代利國. 代麗芬）