大型重载四爪单动卡盘设计应注意的问题分析
摘要：本文分析了大型重载四爪单动卡盘设计应注意的问题，提出应根据每个卡盘的具体结构而不是zui大直径来确定卡盘的zui高限速。
目前我事业部的卧车用的卡盘大多在直径1000mm以上的四爪单动卡盘，相对于小规格的卡盘，这种卡盘由于产量少，卡盘厂家缺少相关的技术数据。比方说卡盘限制转速问题，在样本和产品介绍中只是根据经验给出数值，多是与卡盘直径相关，见下表：
很显然，这是一个相对保守的数据，已经有很多用户反馈他们经常使用超过上表数值的转速来加工。这样的数据在使用说明书中给出，不利于机床性能的发挥。
而针对高承重，大直径的重型卡盘，国内的卡盘厂家并没有给出转速、卡持力等数据，如果只是根据卡盘的直径对重型卡盘的速度限制给出数据，则这个数据又过于危险。所以，有必要对大直径卡盘进行一个系统的分析，找出规律。
对卡盘转速进行限制，主要是因为卡持工件加工时，由于高速旋转，卡爪自身的向外的离心力抵消了卡持力，如果超出了一定的转速范围，就会发生工件夹持力不够，甚至卡爪飞出等事故。对卡盘机构进行验算时，也应当以此为依据，找出薄弱点加以校核。
卡爪离心力计算公式：
公式①
式中：
m------卡盘上移动部件的质量，通常指的是单个卡爪的质量
v-------卡盘旋转时，移动部件（卡爪）的线速度
r--------卡爪质心处的半径
n-------卡盘的转速
由公式①可知，当转速增加时，卡持力的损失会以转速的平方迅速增加。而大型卡盘的回转半径和移动部件质量都比较大，所以这三方面应该给予综合考虑。
一个卡盘在加工时的极限转速应该与下面几个因素相关：
1.卡爪的重量
2.卡盘的卡持力
3.卡持工件的重量
4.卡持工件的直径
对于大型卡盘来说，转速通常不是很高（500r/min以下），但是卡爪的质量和卡爪质心处半径r的数值很大，另外，zui大卡持力也会根据结构和驱动件的不同而不同。
卡盘的zui大卡持力：是由卡盘采用的丝杆所受的输入扭矩决定的，理论上说，只要丝杆不发生机械破坏，卡持力就能随着输入扭矩的增大而一直增加。使用增力丝杆只是能使卡盘在相同输入扭矩的情况下，获得较大的卡持力。当工件重量较大时，从丝杆强度、易操作性能等方面考虑选择合适的丝杆，然后按照滑动螺旋副来进行各种强度验算。悬卡时，较长工件对卡爪产生的弯矩也应当给予考虑。
不使用增力丝杆时，可以选择使用下面的结构来增加操作时的输入力矩：
工件的重量，这项参数比较复杂，因为除了工件的质量对卡持有影响外，工件重心的位置，也就是工件的形状也会对卡持力产生影响。另外，加工过程中的切削力、加工中是否使用尾座、是否使用托辊和中心架等辅助设施，都会对卡爪施加正面的或负面的影响。对我们来说，可以将卡持力乘以一个安全系数，大于工件重量，我们可以认为其是安全的。但是对于加工者来说，工件的重量是zui直观的参数。下图是一重公司给出的不同机床根据工件重量选择卡盘转速的图表。
卡持工件的直径（即卡爪的位置）决定着r值的大小，因此上图很可能是一重公司根据自己工件的形状（直径、长度等）总结处来的经验数据。
针对不同的结构，大型卡盘有可能因为下列几种原因失效：
1.固定丝杆的或卡爪座的定位键受剪切应力过大而断裂
2.堵头处固定丝杆的螺栓被拉断
3.输入扭矩过大，使丝杆受扭转切应力
4.过长的丝杆，有可能会产生失稳现象
综上所述，对于大型、重载的四爪单动卡盘，设计时应主要考虑以下几点：
1.保证强度的前提下，尽量减少可移动部件的重量。
2.选择丝杆时，还应当考虑悬卡时，作用在卡爪上的弯矩力。
3.校核丝杆固定处和卡爪固定处的剪切应力。
4.考虑到可操作性，尽量使用增力丝杆或者其它增力装置。
5.标示出合适的zui高转速，保证安全又能zui大限度发挥卡盘性能
国外卡盘厂家对卡盘zui高转速的定义是，离心力=2/3卡持力时，此时的转速是卡盘的zui高转速。
根据此标准，拿同样直径为2000mm，但是承重和结构不同的两个卡盘进行分析：
a结构使用增力丝杆&卡爪座形式，丝杆行程短，受力好，但是需要根据不同的工件直径调整卡爪在卡盘上的位置。操作费时。增力丝杆直径80mm，zui大卡持力为200kn。机床zui大承重40吨。
b结构为普通梯形螺纹丝杆，全行程由丝杆实现。丝杆较长。丝杆直径65mm，机床zui大承重25吨。
首先计算zui高转速。
取卡爪在极限位置，ra=rb=1000
卡爪的质量ma=130kgmb=50kg
卡持力fa=100000nfb=62500n
根据公式①取2/3zui大卡持力损失时的转速为zui大转速，有：
求得na=225r/min
求得nb=275r/min
由此可见，这两种结构的卡盘的极限转速都有很大的潜力可挖。但是上面的结果是直接利用国外卡盘厂家2/3卡持力损失的经验数据计算的，而一些相对保守的厂家如smw则将卡持力损失1/2时作为zui大转速的计算依据。所以以上数据是否适用于大型重载的卡盘还有待实验验证。为了便于操作者参考，根据公式①我给出了不同转速下，两种卡盘卡持力损失的图表：
a结构卡根据材料力学公式校核这两个卡盘在zui大转速时，薄弱点的强度，如下图：
注意此时对于a结构卡盘，计算薄弱点a1时，应当将整个卡爪座（包含增力丝杆）的质量计算为移动部件的质量，计算薄弱点a2时，应当将增力丝杆与卡爪的重量之和作为移动部件的质量。
对于b结构卡盘，应当将丝杆与卡爪的质量之和一起计算。
如果强度不够，应当考虑增加固定键的厚度，增加螺栓数量，采用高等级的螺栓等方法来增加强度。
根据滑动螺旋副结构来校核丝杆的强度、耐磨性能、稳定性。保证使用性能的前提下，尽量使用短的丝杆。
参考文献
1.宋树藩.关于提高卡盘速度.keycomponentsforcncmachinetool,2006（2）
2.中国*重型集团公司.<重型机械工艺手册>
（作者：代利国. 代丽芬）
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很显然，这是一个相对保守的数据，已经有很多用户反馈他们经常使用超过上表数值的转速来加工。这样的数据在使用说明书中给出，不利于机床性能的发挥。
而针对高承重，大直径的重型卡盘，国内的卡盘厂家并没有给出转速、卡持力等数据，如果只是根据卡盘的直径对重型卡盘的速度限制给出数据，则这个数据又过于危险。所以，有必要对大直径卡盘进行一个系统的分析，找出规律。
对卡盘转速进行限制，主要是因为卡持工件加工时，由于高速旋转，卡爪自身的向外的离心力抵消了卡持力，如果超出了一定的转速范围，就会发生工件夹持力不够，甚至卡爪飞出等事故。对卡盘机构进行验算时，也应当以此为依据，找出薄弱点加以校核。
卡爪离心力计算公式：
公式①
式中：
m------卡盘上移动部件的质量，通常指的是单个卡爪的质量
v-------卡盘旋转时，移动部件（卡爪）的线速度
r--------卡爪质心处的半径
n-------卡盘的转速
由公式①可知，当转速增加时，卡持力的损失会以转速的平方迅速增加。而大型卡盘的回转半径和移动部件质量都比较大，所以这三方面应该给予综合考虑。
一个卡盘在加工时的极限转速应该与下面几个因素相关：
1.卡爪的重量
2.卡盘的卡持力
3.卡持工件的重量
4.卡持工件的直径
对于大型卡盘来说，转速通常不是很高（500r/min以下），但是卡爪的质量和卡爪质心处半径r的数值很大，另外，zui大卡持力也会根据结构和驱动件的不同而不同。
卡盘的zui大卡持力：是由卡盘采用的丝杆所受的输入扭矩决定的，理论上说，只要丝杆不发生机械破坏，卡持力就能随着输入扭矩的增大而一直增加。使用增力丝杆只是能使卡盘在相同输入扭矩的情况下，获得较大的卡持力。当工件重量较大时，从丝杆强度、易操作性能等方面考虑选择合适的丝杆，然后按照滑动螺旋副来进行各种强度验算。悬卡时，较长工件对卡爪产生的弯矩也应当给予考虑。
不使用增力丝杆时，可以选择使用下面的结构来增加操作时的输入力矩：
工件的重量，这项参数比较复杂，因为除了工件的质量对卡持有影响外，工件重心的位置，也就是工件的形状也会对卡持力产生影响。另外，加工过程中的切削力、加工中是否使用尾座、是否使用托辊和中心架等辅助设施，都会对卡爪施加正面的或负面的影响。对我们来说，可以将卡持力乘以一个安全系数，大于工件重量，我们可以认为其是安全的。但是对于加工者来说，工件的重量是zui直观的参数。下图是一重公司给出的不同机床根据工件重量选择卡盘转速的图表。
卡持工件的直径（即卡爪的位置）决定着r值的大小，因此上图很可能是一重公司根据自己工件的形状（直径、长度等）总结处来的经验数据。
针对不同的结构，大型卡盘有可能因为下列几种原因失效：
1.固定丝杆的或卡爪座的定位键受剪切应力过大而断裂
2.堵头处固定丝杆的螺栓被拉断
3.输入扭矩过大，使丝杆受扭转切应力
4.过长的丝杆，有可能会产生失稳现象
综上所述，对于大型、重载的四爪单动卡盘，设计时应主要考虑以下几点：
1.保证强度的前提下，尽量减少可移动部件的重量。
2.选择丝杆时，还应当考虑悬卡时，作用在卡爪上的弯矩力。
3.校核丝杆固定处和卡爪固定处的剪切应力。
4.考虑到可操作性，尽量使用增力丝杆或者其它增力装置。
5.标示出合适的zui高转速，保证安全又能zui大限度发挥卡盘性能
国外卡盘厂家对卡盘zui高转速的定义是，离心力=2/3卡持力时，此时的转速是卡盘的zui高转速。
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a结构使用增力丝杆&卡爪座形式，丝杆行程短，受力好，但是需要根据不同的工件直径调整卡爪在卡盘上的位置。操作费时。增力丝杆直径80mm，zui大卡持力为200kn。机床zui大承重40吨。
b结构为普通梯形螺纹丝杆，全行程由丝杆实现。丝杆较长。丝杆直径65mm，机床zui大承重25吨。
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取卡爪在极限位置，ra=rb=1000
卡爪的质量ma=130kgmb=50kg
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根据公式①取2/3zui大卡持力损失时的转速为zui大转速，有：
求得na=225r/min
求得nb=275r/min
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a结构卡根据材料力学公式校核这两个卡盘在zui大转速时，薄弱点的强度，如下图：
注意此时对于a结构卡盘，计算薄弱点a1时，应当将整个卡爪座（包含增力丝杆）的质量计算为移动部件的质量，计算薄弱点a2时，应当将增力丝杆与卡爪的重量之和作为移动部件的质量。
对于b结构卡盘，应当将丝杆与卡爪的质量之和一起计算。
如果强度不够，应当考虑增加固定键的厚度，增加螺栓数量，采用高等级的螺栓等方法来增加强度。
根据滑动螺旋副结构来校核丝杆的强度、耐磨性能、稳定性。保证使用性能的前提下，尽量使用短的丝杆。
参考文献
1.宋树藩.关于提高卡盘速度.keycomponentsforcncmachinetool,2006（2）
2.中国*重型集团公司.<重型机械工艺手册>
（作者：代利国. 代丽芬）
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