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浅谈德国卡盘的选用 |
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作者：合肥工业大学 沈健 |
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近年来，德国的许多先进机械产品进入了中国市场。了解这些产品的结构和性能特点，掌握正确的选型方法，可以使用户买到满足自己要求、性能价格比好的产品。本文介绍了德国卡盘的接口型式，举例分析了德国卡盘的结构和性能特点，期望能对用户在选购德国卡盘时有所帮助。
1 德国卡盘的接口型式
德国车床的主轴接口型式
德国的车床主轴与卡盘接口部位(即主轴接口)的尺寸有三个德国工业标准：DIN55026(老标准DIN55021)、DIN55027(老标准DIN55022)和DIN55029。这三个标准中的主轴接口都是采用1:4的圆锥面定位，但在卡盘的紧固方式上有所不同。德国车床主轴的尺寸系列分为9种，并以数字3、4、5、6、8、11、15、20、28表示。
DIN55026标准中的车床主轴配符合标准DIN55028的A型和B型接口的卡盘。这两种接口型式的卡盘不经常拆卸。根据车床主轴上固定卡盘的螺孔位置的不同，车床主轴接口分为A型和B型，A型的螺孔在车床主轴法兰上，B型在车床主轴法兰和端面上都有螺孔。卡盘从前面用内六角圆柱头螺钉固定到车床主轴上。
DIN55027标准中的车床主轴配符合标准DIN55028的C型接口的卡盘，通过若干个插销螺栓和一个卡口垫从卡盘后部将卡盘固定在车床主轴上。这种连接方式的卡盘便于经常更换，实现快速连接。
标准DIN55029规定了凸轮锁紧型车床主轴和相配的卡盘接口尺寸。主轴和卡盘由若干个装在卡盘后面的拉杆通过凸轮锁紧实现连接。
德国卡盘的接口型式
德国卡盘的接口型式有圆柱面定心接口和1:4的圆锥面定心接口。与车床主轴接口型式相对应，卡盘1:4的圆锥面定心接口有四种型式：标准DIN55028中规定的A型、B型和C型接口，标准DIN55029中规定的卡盘接口。
在卡盘接口标准DIN55028中：A型卡盘接口配符合标准DIN55026的A型或B型车床主轴；B型卡盘接口配符合标准DIN55026的B型车床主轴；C型卡盘接口配符合标准DIN55027的车床主轴。
符合标准DIN55029的卡盘接口配符合标准DIN55029的车床主轴。
圆柱面定心接口的卡盘通过中间(过渡)法兰可以配1:4的圆锥面定心接口的车床主轴。关于中间(过渡)法兰有德国工业标准DIN6352。
符合标准DIN55027和DIN55029的车床主轴通常配手动卡盘，而动力卡盘一般配符合标准DIN55026的车床主轴。
关于车床主轴和卡盘接口的德国工业标准DIN55026、DIN55027、DIN55028、DIN55029采用了国际标准ISO702/Ⅰ～702/Ⅲ-1975，只在几处做了调整。我国关于车床主轴和卡盘接口有国家标准GB/T5900.1～5900.3-1997《车床法兰式主轴端部与花盘互换性尺寸》，该标准等效采用了国际标准ISO702/Ⅰ～702/Ⅲ-1975，只有几处做了调整。
表1列出了德国工业标准(DIN)、中国国家标准(GB)和国际标准(ISO)关于车床主轴和卡盘接口型式的对照。表1 车床主轴和卡盘接口型式对照表
| 德国工业标准(DIN) | 中国国家标准(GB) | 国际标准(ISO) | | 车床主轴 | 卡盘 | 车床主轴和卡盘 | 车床主轴和卡盘 | | DIN55026 A型 | DIN55028 A型 | GB/T5900.1-1997 A2型 | ISO 702/Ⅰ-1975 | | DIN55026 B型 | DIN55028 A型或B型 | GB/T5900.1-1997 A1型 | ISO 702/Ⅰ-1975 | | DIN55027 | DIN55028 C型 | GB/T5900.3-1997卡口型 | ISO 702/Ⅲ-1975 | | DIN55029 | DIN55029 | GB/T5900.2-1997凸轮锁紧型 | ISO 702/Ⅱ-1975’ |
2 德国卡盘的选型
卡盘选型时，首先要使选择的卡盘能满足自己的使用要求，这包括：卡盘能夹持的工件直径范围、允许的最高转速、工作转速下的夹持力、精度、每只卡爪的运动行程、使用寿命等。这又涉及到卡盘的结构和卡爪的选择；同时，要根据车床主轴的接口型式选择卡盘的接口型式，若卡盘接口不能直接和车床主轴相配，可以在二者之间加中间(过渡)法兰；另外，还要考虑卡盘的价格，选择性能价格比好的卡盘。下面以德国雄克(Schunk)公司的卡盘为例，浅述德国卡盘的选型。
手动和气动卡盘的选择
在普通车床和需要手动夹紧的车床上选择手动卡盘。德国手动卡盘，如ROTA-SPlus、RPTA-G系列卡盘，采用了斜齿条滑块机构，与盘丝卡盘相比，这类卡盘具有更高的夹持回转精度和重复装夹精度，驱动机构磨损极小，夹紧力更大，尤其是在高速下仍能保持很大的夹紧力。这类卡盘还具有卡爪快换功能。
在普通车床和没有液压回转油缸的车床上，若要求实现自动装夹工件，可以选择气动卡盘。例如TP、TB系列气动卡盘。这类卡盘为气动楔式动力卡盘，自带回转气缸，只要有0.6MPa的压缩空气气源，配以简单的气动控制回路，就可以实现工件的自动装夹。同时，TB系列卡盘具有大的通孔直径，尤其适合于大直径长管材的加工。TB系列气动卡盘最大外径为Ø1000mm，最大中孔直径为Ø534mm。
当卡盘外径相同时，一般斜齿条滑块式手动卡盘的价格低于气动卡盘的价格。
(液压)动力卡盘的选择
在CNC车床和自动车床上通常使用(液压)动力卡盘，它需要与液压回转油缸配套使用。液压回转油缸有通孔回转油缸和非通孔回转油缸两类。
(液压)动力卡盘的结构有楔式和斜齿条滑块式，楔式卡盘又有普通楔式卡盘和带离心力平衡装置的楔式卡盘。
普通楔式卡盘通过楔槽机构将卡盘活塞的轴向运动转换成卡爪的径向移动。这类卡盘结构简单，但在高速时由于卡爪的离心力作用，夹持力丧失较多。为了弥补这类卡盘高速性能的不足，在楔式卡盘中加入离心力平衡装置，使卡盘在高速时仍有较大的夹持力，提高卡盘的允许工作转速，这就是带离心力平衡装置的楔式卡盘。楔式卡盘通过采用活塞双导向结构，可以使卡盘夹持精度提高。例如ROTA NC(普通楔式卡盘)、ROTA NCF(带离心力平衡装置的楔式卡盘)型卡盘均采用活塞双导向结构，它们的径向和端面回转精度均高于德国工业标准(DIN)规定的2倍。
斜齿条滑块式动力卡盘先通过楔槽机构将卡盘活塞的轴向移动转换成三个滑块在其滑槽内的移动，这三个滑块的顶部带有斜齿，和卡爪底部的齿构成斜面啮合关系，通过滑块的移动再带动卡爪径向移动从而夹紧工件。由于滑块的移动方向基本上垂直于卡爪的离心力方向，卡盘的夹持力受离心力的影响很小。因此，这种结构的卡盘具有很好的高速性能。此外，这类卡盘还有夹持力大、夹持精度高、机构磨损小的特点。例如ROTA NCD型卡盘。斜齿条滑块式卡盘ROTANCW、ROTA THW还具有卡爪快换功能。
在上述三种(液压)动力卡盘中，普通楔式卡盘结构简单，价格最便宜，但允许的最高转速没有其它两种卡盘高，高速性能也相对差一些。带离心力平衡装置的楔式卡盘的高速性能很好，夹持力随转速提高的变化很小。斜齿条滑块式卡盘也具有很好的高速性能，但由于这种卡盘的结构复杂，价格也相对较高。以外径为Ø250mm的(液压)动力卡盘为例，用表2列出了不同结构卡盘的技术数据，来比较这些卡盘的高速性能。表2 Ø250mm(液压)动力卡盘的技术数据
| 型号 | 最大驱动力
(kN) | 最大夹紧力
(kN) | 允许的最高转速
(r/min) | 4000r/min 时的夹紧力
(kN) | 最高转速时的夹紧力
(kN) | | ROTA NC 250-71 普通楔式 | 57 | 137.5 | 4000 | 75 | 75 | | ROTA NCF 250-71离心力平衡、楔式 | 57 | 137.5 | 4500 | 114 | 110 | | ROTA NCD 250-86斜齿条滑块式 | 70 | 160 | 5000 | 95 | 57 |
在上述三种结构的(液压)动力卡盘中，如果它们的高速性能都能满足用户的使用要求，可以首选普通楔式卡盘。但若用户对高速性能要求很高或者有充足的资金，则可以选择另外两种高品质的(液压)动力卡盘。
卡爪的选择
卡爪是卡盘上直接夹持工件的部分，不同的加工工序、不同的加工对象需要用不同的卡爪来夹紧工件。
整体爪可以被直接装入卡盘的卡爪槽内并夹紧工件。整体爪有硬爪和软爪两种。分体爪由滑座和爪子组成，滑座装在卡盘的卡爪槽内，在滑座上可以安装各种不同的爪子以满足不同加工情况的需要。滑座一般由高强度渗碳钢经磨削加工制成，爪子也有硬爪和软爪两种。硬爪通常用于工件的初次夹紧，夹紧面上的齿可以轻度地嵌入工件表面；软爪的材料未经硬化处理，使用者可以根据具体情况将软爪的夹紧面加工成所需的形状，用软爪夹紧工件可以避免损伤工件表面。
嵌入爪常用于大进刀量的粗切削加工，它的夹紧面带有坚硬的齿，可以较深地嵌入被夹持工件的表面，从而传递较大的转矩。嵌入爪有整体爪，也有分体爪。
扇形卡爪具有较大的周向夹紧面，用于夹持较易变形的工件。自适应卡爪可以在一个小范围内摆动，以自动适应工件的外形。塑料爪由特种工程塑料制成，用于夹持加工过的表面或软材料的表面。特种卡爪是为了夹持特殊形状的工件而设计、制造的专用卡爪。
德国卡盘上一般都配有分体爪的滑座，用户要根据需要选择并购买爪子。在德国卡盘样本上一般都列出了与卡盘配套的卡爪类型和夹持直径范围，供用户选择时参考。对于软、硬爪都需要的用户，选择分体爪比较合适。
3 结束语
先进的金属切削加工机床为机械制造业提供了高效的加工手段，但要充分发挥金属切削加工机床的加工能力，还要充分重视机床附件的正确选择和应用。车床卡盘是连接车床主轴和工件的关键环节，它直接影响到加工精度和加工效率。德国卡盘代表了当前国际金属切削加工领域中工件夹持技术的先进水平，引进、使用德国卡盘也会使我国机械制造业的水平得到提高。 (end)
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(4/15/2008) |
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