一种针对偏心零件车削加工用的专用卡盘

施文秀

摘要：新时代发展背景下，随着经济发展和社会生产水平的提升，很多产品的生产、加工，都不适合通过传统的方式来完成，必须在传统机械制造的基础上进行改进，用精密加工工作母机和更加符合工件的工装夹具来保证加工零件的精度。在机械行业有很多偏心零件，传统的车削加工多是用不同偏心夹具进行分序车削，效率低且偏心量不易保证。本文提及的卡盘是专门针对偏心零件车削加工设计开发的，可实现自动调心，从而提高偏心零件的加工精度和加工效率。文章针对偏心零件的车削加工工艺与本专用卡盘结构进行分析，以期为推动偏心零件车削加工工艺的发展提供参考。

关键词：机械;偏心工件;加工工艺;专用卡盘;自动调心

0  引言

数控机床已成为制造业的主流装备，它不仅是机电工业的重要基础装备，还是汽车、航空、航天、石化、化工、交通等产业现代化的主要手段。近年来国产数控机床发展迅猛，但是无论技术水平还是产品质量与国外产品相比仍有较大差距，分析其原因是多方面的，但是重要原因之一是国产功能部件发展滞后。由于品种少、品质差、产业化能力低，远不能满足市场需求，数控机床所配功能部件主要依赖进口。数控车床功能部件中专用夹具有很多品种，广泛用于特定零件的加工中。偏心量可自动调节的偏心卡盘是专用夹具中的一种。国外数控车床专用夹具与其数控车床发展历史一样，起步较早，产品发展已经成熟。主要特点是：产品品种多、规格齐全、技术成熟、性能优良、可靠性高、精度保持性好、使用寿命长、易维修保养、售前售后服务周到等。数控车床专用夹具主要产品有：快换爪动力卡盘、后拉式卡盘、浮动式卡盘、分度卡盘、轴加工卡盘、斜柱式卡盘、薄膜卡盘、弹簧夹头、气动/液压前置式卡盘等。此外还有针对特殊加工对象用端面驱动二次夹紧式卡盘、加工汽车轮毂用专用卡盘、加工薄壁件用六点夹紧专用卡盘、加工管箍、阀门用翻转卡盘等。其主要代表公司有：德国罗姆公司、雄克公司，日本北川公司，意大利奥图布鲁克公司等。上述公司普遍研发能力强、投入资金多、注重基础理论研究、与市场结合紧密、研发人员相对稳定因而积累了丰富的经验。这些都是中国企业值得学习借鉴的。在国内目前生产数控车床夹具的公司主要是呼和浩特机床附件公司和烟台机床附件公司，但该公司都主要是生产通用夹具，研制专用夹具刚起步;产品品种少、性能质量与国外产品相比尚有较大差距，还未被用户认可和接受。

本文论述的偏心量可自动调节的偏心卡盘正是基于这一市场需求开发的，并可取代同类进口产品，为用户提供品质优良、价格适中的专用偏心卡具。偏心量可自动调节的偏心卡盘是通用数控车床专用卡盘，适用于加工偏心类工件，在汽车、石油机械、纺织机械、办公机械、军工等众多机械行业中有很多这种零件。对于这类零件，用偏心量可自动调节的偏心卡盘，可以大幅提高零件加工偏心量的精度等级和偏心零件的生产效率。

1  传统工艺分析

对于偏心零件的加工目前通常采用的方法有：①采用四爪卡盘人工调心，缺点是工件装夹调整困难，加工效率低、精度也难以保证，适于单件小批量、精度较低的零件加工;②通过辅助的偏心工装夹具来实现，但该方法对于不同偏心距的零件，需设计制造不同的专用工装夹具，即一种偏心距就要对应做一套工装夹具，導致工装夹具种类繁多，生产效率低、制造成本高。该类专用工装夹具一般是采用弹簧夹头对被加工工件进行自动夹紧，通过安装在机床主轴尾端的夹紧气缸或油缸，带动拉杆和与拉杆相连的弹簧夹头沿主轴轴向移动，实现对被加工工件的夹紧、松开。

现就以凸轮轴为例，详细介绍偏心零件的加工工艺，以及应用可调心卡盘在偏心零件加工上的应用。偏心轴加工图纸见图1：偏心轴加工图纸。

在传统加工工艺中，此偏心轴通常通过以下几道工序完成车削加工：OP1：铣打机铣端面、打中心孔;OP2：夹持？准14.2外圆，尾架顶紧中心孔，加工？准16.2外圆;OP3：夹持？准16.2外圆，加工？准14.2外圆;OP4：采用偏心夹具夹持？准16.2外圆，加工偏心外圆？准24.3，偏心量由偏心夹具精度保证。按照传统的加工工艺，因分多序完成车削加工，且OP4采用特定偏心夹具夹持，即对应不同偏心量e的偏心轴，就必须设计不同的偏心夹具。图1中，仅列举了几个规格的偏心零件，如应对偏心量e的种类比较多时，所需的偏心夹具数量将会非常大，造成非常大的浪费，而且受到偏心夹具制造精度和二次夹持误差的影响，偏心量e的精度要求也很难保证。

2  卡盘结构原理的设计

针对传统加工工艺的弊端，提出文章所述的可实现偏心量自动调节的偏心卡盘，可以实现夹头与卡盘体的偏心量自动调整是本卡盘的核心关键技术。为此我们专门设计开发了卡盘体和偏心盘体两个具有相同偏心量的盘体结构，只要使偏心盘体对卡盘体发生相对转动，就可以实现不同偏心量的自动调节，而卡爪的夹紧动作由偏心拉套拉动卡爪实现，偏心盘体与卡盘体可通过摩擦盘进行连接。其具体卡盘结构见图2：卡盘结构简图。

偏心量可自动调节的偏心卡盘，其主体为卡盘体（5），卡盘体左端安装有盘根（1），盘根（1）可与机床主轴轴头连接，在卡盘体的右端内安装有可旋转的偏心盘体（6），偏心盘体（6）通过与摩擦盘（4）之间的连接，保证偏心盘体（6）可与卡盘体（5）相对旋转以实现偏心距可调，压盘（2）与卡盘体（5）通过螺钉连接，卡盘体（5）内安装有压盘（3），压盘与卡盘体之间通过键（12）连接，压盘（3）与压盘（2）之间安装有压簧（11），通过压簧（11）将压盘（3）压紧在摩擦盘（4）上，在偏心盘体（6）上开有与弹簧夹头（8）相配的锥孔，该锥孔与偏心盘体的旋转中心有一定的偏心量，拉杆螺钉（14）通过拉套（7）与弹簧夹头相连;液压油缸拉动拉杆螺钉（14），从而实现弹簧夹头（8）夹紧、松开工件（13）;在偏心盘体和摩擦盘上开有连通的垂直于偏心盘体端面的通孔（10）。

3  使用调心卡盘加工偏心零件的工艺分析

使用偏心量可自动调节的偏心卡盘加工偏心工件，可实现一次装夹工件，完成OP3和OP4两序的加工内容，从而大大提高加工效率，更重要的是偏心量由机床自动调整，可准确保证偏心精度，使工件加工质量得到提升和保障。应用偏心量可自动调节的偏心卡盘加工工件（13），可同时完成OP3和OP4两序，具体步骤如下：

第1步：将工件装上夹头，驱动油缸夹紧工件？准16.2外圆，车削？准14.2外圆及左端面。

第2步：将外部高压气体通过连接头（9）与偏心盘体上的通孔（10）相连，高压气体由偏心盘体和摩擦盘上的通孔进入摩擦盘端面，推动压盘向左移动，此时，蝶形弹簧被压缩，压盘与摩擦盘的结合面松开，转动机床主轴，此时盘根、卡盘体、压盘随主轴同时转动，偏心盘体由连接头与机床固定，卡盘体与偏心盘体产生相对转动，通过控制主轴旋转角度，使偏心盘体对机床主轴产生指定的偏心量e，此时，撤去外接气路，在蝶形弹簧的弹力作用下，压盘压紧摩擦盘，由于摩擦力的作用下，机床主轴连同卡盘体带动偏心盘体、弹簧夹头和被加工工件旋转，机床完成偏心圆？准24.3的车削加工。

第3步：被加工件偏心圆加工完成后，主轴停止转动，根据第2步的调心方法，反向旋转机床主轴，使偏心盘体与机床主轴轴线同轴，油缸动作松开工件，完成偏心轴工件的全部加工内容。

偏心量可自动调节的偏心卡盘通过对目前采用弹簧夹头卡盘的改进，设计了带有一定偏心量的偏心盘体，通过偏心盘体相对于卡盘体的转动，就可实现在一定范围内调节被加工工件的偏心量，如设计的偏心盘体中与弹簧夹头相配的锥孔与偏心盘体旋转中心的偏心量为12mm时，该偏心卡盘就可加工偏心量在0-12mm之间的偏心类零件的外圆或内孔。

偏心量可自动调节的偏心卡盤结构紧凑、合理。通过外接高压气体，就可将压盘与摩擦盘脱开，旋转机床主轴或偏心卡盘就可方便调整偏心量，从而可避免多套工装夹具造成的成本浪费。

4  卡盘的结构特点

①通过对目前弹簧夹头式卡盘的改进，设计了带有一定偏心量的偏心盘体，通过偏心盘体相对于卡盘体的转动，就可方便的在一定范围内调节被加工工件的偏心量，如设计的偏心盘体中与弹簧夹头相配的锥孔和偏心盘体旋转中心的偏心量为12mm时，该偏心卡盘就可加工偏心量在0-12mm之间的偏心类零件的外圆或内孔;

②结构紧凑、合理。通过外接高压气体，就可将压盘与摩擦盘脱开，旋转机床主轴或偏心卡盘就可方便调整偏心量;

③可有效降低生产成本。由于本技术方案卡盘既可作为普通卡盘使用，又可作为偏心卡盘使用，且偏心量可在一定范围内调整，可有效减少由于被加工零件偏心量的改变，需配置不同偏心量卡盘所需的成本;

④卡盘体与机床主轴直接相连，刚性好、精度高，由于卡盘结构简单、防尘效果好偏心调整快速可靠，所以偏心卡盘具有使用简单、调整方便、寿命长、精度保持性好等优点。

5  偏心卡盘主要创新点

①制造工艺上创新：针对偏心零件的加工，从根本上改变了传统加工工艺方法，大幅度的提高了零件加工偏心量的精度，使零件的制造质量、成本、效率有重大突破。创造显著经济效益和社会效益。

②结构设计上创新：学习借鉴国内外类似产品的优点，形成了自己产品的特点，在产品性能及适应性方面有所突破，产品在性能上可以向国外同类先进产品靠近。

③产品制造上创新：通过对卡盘生产过程进行跟踪控制，对制造工艺进行技术公关，保证产品的制造最终达到预期各项技术指标。

④高性价比创新：将本可调心卡盘进行系列化生产，将该卡盘扩充为不同规格产品。也可以根据客户机床主轴的情况配置不同盘根。而产品的最终售价也远低于国外同类产品的价格。

6  结语

偏心量可自动调节的偏心卡盘是针对偏心零件加工的专用卡盘，为国内数控车床提供了非常好的卡盘品种，打破了偏心卡盘长期受限于国外同类产品的格局。该卡盘能够满足众多行业中偏心类零件的加工需求，尤其对大批量生产的零件，优点更加突出，市场需求量大、可加工零件覆盖面广。该偏心卡盘除可产生可观的经济效益还会带来明显的社会效益。从长远看，有良好的推广发展前景。

参考文献：

[1]隋秀凛，高安邦.实用机床设计手册[M].北京：机械工业出版社，2010.

[2]《机床设计手册》编写组.机床设计手册：第二册[M].北京：机械工业出版社，1980.

[3]机械设计手册编委会编.机械设计手册.1-6卷新版[M].北京.机械工业出版社，2004.