氣液增壓-鉸桿機構增力雙工位高效夾具

肖瑩華，鐘康民

XIAO Ying-hua, ZHONG Kang-min

（蘇州大學 機電工程學院，蘇州 215000）

0 引言

機械制造業中應用最為廣泛的機動夾具，是液壓與氣壓傳動夾具。氣壓傳動夾具的優點是，夾緊動作迅速，不會產生環境污染，便于自動化控制，系統故障少；夾緊后的切削加工過程中，依靠壓縮空氣的勢能，能夠持續保持對被夾緊工件的夾緊力，不再消耗能源，所以能量利率高。主要缺點是壓縮空氣容易泄露，所以系統壓力較低（一般為0.4～0.7MPa）,因而造成夾緊力不可能很大。液壓傳動夾具的主要優點，是系統壓力高，夾緊力大。主要缺點能量利用率低，液壓泵噪音較大，且容易發生因油液泄露及揮發造成環境污染。而沒有蓄能器保壓的液壓傳動系統，夾緊后的切削加工過程中，液壓泵仍需要運轉，以保持對被夾緊工件的夾緊力；不僅多消耗能量，而且溢流回路會導致系統溫度升高。

此外，為了縮短裝夾工件的輔助時間，大批量生產中，往往采用裝夾時間與切削加工時間重合的雙工位高效夾具[1～4]。因此，創新設計出兼有液壓與氣壓傳動優點的雙工位高效夾具，是許多夾具設計人員長期追求的目標。下面，介紹我們設計的一種雙工位夾具。

1 工作原理

圖1是夾具的工作原理圖，其設計創意來自氣液增壓雙工位液壓拉伸機[5]。當氣動換向閥的電磁鐵得電時，閥芯處于上圖所示左位狀態，壓縮空氣進入左氣腔，推動氣缸活塞向右運動；右主動液壓活塞壓縮右液壓腔的油液，將油液增壓后作用到右工位輸出活塞上；右工位輸出活塞桿則通過右邊的連桿及雙邊鉸桿增力機構，由右夾緊元件對右工位的工件進行夾緊。此時，壓縮空氣同時進入左工位輸出活塞的左腔，左工位輸出活塞桿拉動左邊的連桿及雙邊鉸桿增力機構，使得左夾緊元件向上運動，從而松開左工位的工件以進行裝卸。

當右邊工件的切削加工過程完成后，控制系統使得氣動換向閥的電磁鐵失電，其閥芯切換至下圖所示右位工作狀態，壓縮空氣進入右氣腔，推動氣缸活塞向左運動。該狀態下，左工位的工件被夾緊，而右工位的工件被松開。

左右兩個工位如此循環工作。由于工件的切削加工時間與裝卸時間重合，因而大幅度提高了生產效率。

2 力學計算與運動特性分析

2.1 力學計算

圖1所示夾具中，氣缸所提供的推力FP的計算公式為：

而夾緊元件作用于工件的夾緊力FC，由下式進行計算：

以上兩式中，D、d1、d2分別為氣缸活塞、主動液壓缸活塞和輸出液壓缸活塞的直徑，p為壓縮空氣壓力，P為氣缸的力傳遞效率，一般可取P≈0.85；H為液壓缸的力傳遞效率，一般可取H≈0.92。T為鉸桿增力機構的力傳遞效率，一般可取T≈0.90。

顯然，FC與FP的比值i，就是氣液增壓裝置與鉸桿增力機構串聯作用的增力系數，即

圖1 工作原理圖

2.2 夾緊元件運動特性分析

對公式（3）進一步分析可知，雙邊鉸桿增力機構的理想增力系數，即不考慮摩擦損失的增力系數iTI＝。因此，只有在即理論壓力角 ＜27.5°時，雙邊鉸桿增力機構才在理論上是一個力放大機構。而當 ＞27.5°時，它實際上是一個減力機構，同時是一個行程放大機構。也就是說，當 角較大時，夾緊元件運動速度相對快，所能提供的夾緊力相對小；而當角較小時，夾緊元件運動速度相對慢，所能提供的夾緊力相對小。由鉸桿增力機構的這一力學特性可以得知，圖1所示夾具夾緊元件的運動速度，夾緊過程剛剛開始時快，以后逐漸變慢，夾緊時由于壓力角角變得很小，因而能夠提供較大的夾緊力。這較為符合一般夾具對夾緊元件運動速度特性的要求。

3 結束語

本文介紹的雙工位高效夾具，具有以下顯著優點：

1）氣壓傳動利用的是壓縮空氣的壓力勢能，在工件處于被夾緊狀態時，由于夾緊元件沒有位移，所以不消耗能量，因而較液壓傳動夾具，節能顯著。

2）僅采用一個驅動氣缸，能實現二個工位工件的順序夾緊，工件的切削加工時間與裝卸時間重合，經濟性好，生產效率高。

3）液體是密閉靜壓傳遞的，不存在液壓泵和開放式油箱，能基本杜絕因油液泄露而造成的環境污染；且不存在高速運轉的電機及液壓泵，噪音小，振動輕。

4）驅動氣缸部分與夾緊液壓缸之間用油管連接，為夾具的總體布局設計提供了很大柔性。

5）夾緊元件的運動速度由快到慢，最終得到較大的夾緊力，符合一般夾具對夾緊元件運動速度特性與夾緊力特性的要求。

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