一種綠色化的氣動(dòng)－液壓－機(jī)械復(fù)合傳動(dòng)夾具

高新新，郭旭紅，黃星

(蘇州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇蘇州215021)

傳統(tǒng)的機(jī)床夾具往往是液壓夾具。液壓夾具的主要優(yōu)點(diǎn)是:系統(tǒng)壓力高，夾緊力大;主要缺點(diǎn)是:能量利用率低，液壓泵噪聲較大，且容易發(fā)生因油液泄漏及揮發(fā)造成環(huán)境污染。而沒有蓄能器保壓的液壓傳動(dòng)系統(tǒng)，夾緊后切削加工過(guò)程中，液壓泵仍需要運(yùn)轉(zhuǎn)，以保持對(duì)被夾緊工件的夾緊力;不僅多消耗能量，而且溢流回路會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)溫度升高。針對(duì)此問(wèn)題作者設(shè)計(jì)了帶有鉸桿增力機(jī)構(gòu)[1－2]的氣動(dòng)－液壓－機(jī)械復(fù)合傳動(dòng)夾具，這種夾具能夠迅速地夾緊和松開工件，提高了工作的效率。

1 工作原理

圖1是作者設(shè)計(jì)的氣動(dòng)－液壓－機(jī)械復(fù)合傳動(dòng)夾具的原理圖。在氣缸和主動(dòng)活塞之間設(shè)計(jì)一個(gè)鉸桿增力機(jī)構(gòu)，主動(dòng)活塞和復(fù)合缸利用無(wú)液壓泵式液壓機(jī)構(gòu)[3]。

圖1 工作原理圖

1.1 工件的夾緊

當(dāng)氣動(dòng)換向閥處于圖1中的左位狀態(tài)時(shí)，壓縮空氣進(jìn)入氣缸左腔，推動(dòng)氣缸活塞向右運(yùn)動(dòng);通過(guò)鉸桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行了第一次力放大，推動(dòng)主動(dòng)活塞壓縮油液，進(jìn)入復(fù)合缸左腔中，在這個(gè)過(guò)程中由于兩個(gè)液壓缸的截面積不同，利用面積增力效應(yīng)進(jìn)行了第二次力放大;最后復(fù)合缸左腔中的液壓油受壓產(chǎn)生壓力推動(dòng)復(fù)合缸的活塞夾緊工件。

在這個(gè)夾具系統(tǒng)中，采用了非線性的鉸桿增力機(jī)構(gòu)，開始時(shí)α角較大，夾緊元件的速度較快，縮短了時(shí)間。當(dāng)工件被夾緊時(shí)，隨著α角變小，可獲得更大的夾緊力。

由于氣壓傳動(dòng)是利用壓縮空氣的勢(shì)能工作。在工件被夾緊后的切削加工過(guò)程中，可保持對(duì)工件的持續(xù)夾緊而不消耗能量。而如果采用沒有蓄能器的液壓傳動(dòng)系統(tǒng)，為了持續(xù)保持對(duì)工件的夾緊力，液壓泵需要不斷運(yùn)轉(zhuǎn)以提供動(dòng)力，溢流回路的持續(xù)溢流會(huì)造成不必要的能源浪費(fèi)。由于文中設(shè)計(jì)的夾具初始能源為氣壓傳動(dòng)，所以能夠解決這個(gè)問(wèn)題[4]。

此外，由于輸出液壓腔與復(fù)合缸左腔之間采用管路連接，因此，復(fù)合缸的空間位置可以隨意布置，提高了柔性化。

1.2 工件的松開

工件加工完成后，使氣動(dòng)換向閥處于右位狀態(tài)，壓縮空氣進(jìn)入復(fù)合缸的右腔中，同時(shí)進(jìn)入氣缸右腔，通過(guò)鉸桿機(jī)構(gòu)推動(dòng)氣缸的活塞將多余的空氣排出。

2 力學(xué)計(jì)算

2.1 輸出力計(jì)算

不考慮摩擦?xí)r，夾緊裝置的夾緊力稱為理想夾緊力，其計(jì)算公式為:

考慮摩擦損失后的夾緊力稱為實(shí)際夾緊力，其計(jì)算公式為

式中:p為氣壓泵輸入的壓力;

D1為氣缸的直徑;

D2為復(fù)合缸的直徑;

d為主動(dòng)活塞直徑;

ηP為氣缸的力傳遞效率，一般可取ηP≈0.85[5];

ηH為液壓缸的力傳遞效率，一般可取ηH≈0.92[5]。

由以上公式可看出:在夾緊工件過(guò)程中，隨α角的減小夾緊力不斷增大。由此，前面所提到的夾緊力增大得以證明。

2.2 鉸桿增力機(jī)構(gòu)力學(xué)分析

文中介紹的氣液機(jī)械復(fù)合夾具應(yīng)用了鉸桿增力機(jī)構(gòu)，下面對(duì)鉸桿增力機(jī)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析。

不考慮摩擦，鉸桿增力機(jī)構(gòu)的理想增力系數(shù)為:

考慮摩擦損失后實(shí)際的增力系數(shù)為:

當(dāng)鉸桿角度從α1變小到α2時(shí)，鉸桿夾緊端的行程so為:

圖2是鉸桿增力機(jī)構(gòu)的力學(xué)特性圖，可以看出:在選擇α角度時(shí)，不應(yīng)小于一定的值，一般情況下，α 應(yīng)為7°～10°。但需要指出的是:這類機(jī)構(gòu)不能象斜鍥機(jī)構(gòu)那樣具有自鎖功能，僅在α角很小時(shí)，也就是說(shuō)，當(dāng)α角趨于零時(shí)，理論上才能自鎖。但這時(shí)，夾緊力將急劇增大，工件及機(jī)構(gòu)中的元件可能會(huì)受力過(guò)大而發(fā)生變形，因此趨向零的α角實(shí)際上是不存在的[6]。

圖2 鉸桿增力機(jī)構(gòu)力學(xué)特性圖

3 結(jié)論

文中介紹的氣動(dòng)－液壓－機(jī)械復(fù)合傳動(dòng)夾具，具有以下顯著的優(yōu)點(diǎn):

(1)氣壓傳動(dòng)利用的是壓縮空氣的壓力勢(shì)能，在夾具處于夾緊工件狀態(tài)時(shí)，不消耗能量，因而較液壓傳動(dòng)夾具節(jié)能顯著。

(2)主動(dòng)活塞和復(fù)合缸間的液體是采用密閉靜壓傳遞的，不存在液壓泵和開放式油箱，不存在油液揮發(fā)，泄漏極少，污染極小。

(3)可實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的快速夾緊和松開，提高了生產(chǎn)效率。

(4)可將驅(qū)動(dòng)氣缸部分設(shè)置于機(jī)床底部，節(jié)省空間，使整體布局更加簡(jiǎn)潔。

【1】司廣琚，鐘康民.基于鉸桿增力自鎖機(jī)構(gòu)的沖擊式氣動(dòng)夾具[J].機(jī)械制造，2008，46(2):67－68.

【2】柏青，鐘康民.一種采用鉸桿連接的氣－液增壓裝置[J].流體傳動(dòng)與控制，2006，9(5):31－35.

【3】竇云霞，鐘康民.無(wú)液壓泵式氣液增壓雙工位液壓拉伸機(jī)[J].制造技術(shù)與機(jī)床，2010(10):58－59.

【4】鐘康民.雙作用雙級(jí)氣－液傳動(dòng)增壓裝置[J].新技術(shù)新工藝，2003(11):17－18.

【5】林文煥，陳本通.機(jī)床夾具設(shè)計(jì)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社，1987.

【6】陳志嵩，鐘康民.鉸桿－杠桿串聯(lián)組合機(jī)構(gòu)分析及其應(yīng)用[J].機(jī)械設(shè)計(jì)，2010(1):58－59.