幾種新型機床運動部件夾緊機構的分類及對比研究*

趙晶文

(四川工程職業技術學院機電工程系，四川 德陽618000)

機床運動部件夾緊機構主要工作原理是力學上的死點、壓力角和摩擦角。國內常用的有螺紋夾緊、偏心輪夾緊、斜楔夾緊、四桿機構夾緊等，夾緊動力源有電動機、液壓(或氣動)系統、電磁鐵等。

近幾年，隨著國內機床設計制造領域自主創新和對外交流的不斷深入，陸續出現了幾種新型機床運動部件夾緊機構，其動力源多采用液壓系統。根據夾緊部分的工作原理和結構特征可以分為:壓力形變夾緊型、直動壓緊夾緊型和扭桿死點夾緊型3 類。

1 壓力形變夾緊型

夾緊機構用液壓系統壓力使裝設于運動部件上的夾緊執行件局部產生法向彈性變形，與靜止元件(機床導軌、導柱)之間產生摩擦力，實現運動部件的夾緊。

1.1 鑲條浮動夾緊機構

1.1.1 鑲條浮動夾緊機構結構及工作原理

如圖1 所示，鑲條1 用壓板5、螺栓和頂絲6 將其固定到運動部件3 上，并經刮研使導軌4 與兩鑲條間分別存在0.015～0.02 mm 的間隙，在鑲條的正面(與導軌相對)開有兩個靜壓油腔，在鑲條的背面(與運動部件3 相對，具有1∶100 斜度面)與其中一靜壓油腔(靠近小端的)相對處開有一定面積和深度的夾緊油腔。為了防止高壓油在夾緊過程中泄掉，在油腔的四周開一環形槽用于放O 型密封圈。同時在鑲條兩面開如圖1a 所示的斜槽，以利鑲條變形。

鑲條浮動夾緊機構的液壓動作原理如圖2。當二位四通電磁換向閥右位工作時，壓力油經夾緊分油器和節流器向導軌兩側夾緊鑲條的夾緊油腔供油，而靜壓油腔中的靜壓油經換向閥流回油箱。夾緊鑲條在壓力油作用下產生彈性變形，使鑲條與導軌面接觸產生摩擦力;隨著供油壓力增大，當摩擦力達到一定值時，就可使運動部件停止運動，完成夾緊動作。二位四通電磁換向閥左位工作時，夾緊油腔接回油箱卸荷，鑲條回彈，夾緊松開。此時，壓力油經電磁換向閥進入靜壓油腔使鑲條恢復到初始狀態，并與導軌間始終保持固定的靜壓間隙，此時，運動部件可以移動。

在鑲條夾緊過程中，鑲條導軌板上其它靜壓油腔始終處于供油狀態，以保證機床部件的導向精度和油膜剛度［1］。

1.1.2 適用對象

鑲條浮動夾緊機構工作過程中，既需要有足夠的摩擦力保證夾緊可靠，又需要有足夠的接觸面積以免局部比壓過大，損傷機床導軌;同時又需要機床運動部件內部有足夠的空間容納鑲條浮動機構，因此適用于中型以上機床(包括中型、大型、重型機床)

1.1.3 設計制造

(1)鑲條浮動夾緊機構設計時需要精確計算所需夾緊力大小，合理選擇鑲條材料。鑲條材料選擇應以既保證夾緊要求，又要避免機床導軌磨損，同時又要保證足夠的彈性要求為原則。根據夾緊力大小，設定液壓系統夾緊工作壓力。

(2)鑲條制造:機械加工應留足余量，與機床導軌配研，保證配合間隙。

(3)導軌刮研過程中，應與鑲條配研;導軌采用配磨工藝時應留有與鑲條配研余量。

(4)檢驗檢測:鑲條與導軌應進行接觸斑點檢驗，并應進行鑲條工作面平面度檢測。

1.1.4 使用與維修

(1)液壓系統壓力變化:實驗表明，當鑲條磨損量超出0.02 mm 時，系統壓力下降較大，下降幅度可達30%～50%。

(2)夾緊行程監控:鑲條、導軌磨損，磨損后，會導致機床運動部件在開始夾緊后有一段移動行程，導致運動部件定位不準確。實驗發現，當鑲條磨損量達到0. 15 mm 時，夾緊行程可增加3～6 mm，并存在1～2 mm的變動量。

(3)鑲條屬于易損件，每次機床大修時均需更換鑲條。

(4)靜壓與夾緊油路管路準確連接(做標記):試車、拆解、安裝、調試過程中，均需對靜壓與夾緊油路管路及接口同步標記，并確認密封可靠。

1.2 銅套變形夾緊機構

意大利PAMA 公司設計制造的AT -130McR 型加工中心Z 軸夾緊機構采用了銅套變形夾緊機構，利用銅套的徑向變形實現Z 軸夾緊動作。

1.2.1 夾緊機構的結構及工作原理

銅套變形夾緊機構的結構如圖3 所示。銅套2 被端蓋1 固定到殼體3 內，并使銅套內孔與夾緊杠5 之間存在0.015～0.02 mm 的配合問隙. 銅套中部與殼體之間形成夾緊油腔4。為了防止高壓油在夾緊過程中泄漏，在銅套1 的兩端各加工一環形槽，用于安裝O形密封圈和擋環，并在銅套內孔中加工了兩組螺旋槽，以利于夾緊部位產生變形。見圖3。

銅套變形夾緊機構的原理如圖4 所示。當二位四通電磁換向閥右位工作時，壓力油直接向銅套變形夾緊機構的夾緊油腔供油，銅套夾緊部位在壓力油作用下產生彈性變形，使銅套與夾緊杠表面接觸產生摩擦力。隨著供油壓力增大，沿夾緊杠軸向產生的摩擦力也就越大。當油腔內壓力達到一定值時，壓力繼電器動作，油泵即停止供壓力油，油路保壓，完成夾緊動作。當二位四通電磁換向閥左位工作時，壓力油打開液控單向閥，使夾緊油腔內的油卸荷(流入回油管)，壓力繼電器復位，夾緊松開［2］。

1.2.2 適用對象

銅套變形夾緊機構只是在運動部件導向銅套局部增設夾緊結構，幾乎不需要單獨占用機床空間，只要保證銅套與夾緊杠有足夠的接觸面積即可，因而適用于中型、大型、重型機床。

1.2.3 設計制造

(1)為保證銅套使用壽命，宜選用錳黃銅保證銅套耐磨性和一定的彈性，盡量避免使用鑄造青銅。

(2)夾緊杠和銅套夾緊部位之間應保證有足夠大的接觸面積，以防止接觸面比壓過大，損傷銅套。

(3)適當增加銅套夾緊部位螺旋槽深度尺寸，在保證銅套夾緊部位彈性變形量前提下減小液壓系統工作壓力。

(4)應用于大型、重型機床時，為保證夾緊部位有足夠的變形量，導向與夾緊部位可設計成組裝式，以降低銅套的加工工藝難度，節約銅材。

(5)保證夾緊油腔密封，選擇合理的密封結構，必要時可設置多個密封。

(6)液壓系統工作壓力應根據運動部件的總重量和銅材彈性變形力、摩擦系數(通常為0.012)設定。

(7)為保證夾緊可靠性，可采用雙液控單向閥組成液壓鎖取代系統中的液控單向閥。1.2.4 使用維修

(1)夾緊行程監控:長時間使用后，銅套夾緊部位會因磨損導致間隙增大，夾緊行程增大。實驗發現，當銅套磨損量達到0.12 mm 時，夾緊行程可增加7～11 mm，并存在2～5 mm 的變動量。

(2)壓力繼電器壓力標定值應根據實際機床進行現場調整，并根據使用過程中夾緊行程的變化及時調整。

(3)夾緊油路管路準確連接(做標記):試車、拆解、安裝、調試過程中，均需對夾緊油路管路及接口同步標記，并確認密封可靠。

(4)銅套屬于易損件，為保證夾緊可靠性，每次機床大修時均需更換銅套。

2 直動壓緊夾緊型

此類夾緊機構系采用液壓油推動移動摩擦件產生微量法向位移，與靜止元件(機床導軌、導柱)之間產生摩擦力，實現運動部件的夾緊。

2.1 活塞式壓板夾緊機構

2.1.1 活塞式壓板夾緊機構結構及工作原理

活塞式壓板夾緊機構設計在運動部件的導軌壓板上，如圖5 所示。當壓力油從進油嘴進入活塞腔后，壓力油推動橡膠活塞圈2，從而使壓塊1 向上移動(移動行程為1.5～2 mm)，使壓塊與導軌壓緊在一起，產生摩擦力，實現運動部件夾緊。松開時，活塞腔卸荷，壓塊失去正壓力，壓板正常工作，移動部件可往復運動。

2.1.2 適用對象

活塞式壓板夾緊機構直接設計在壓板內，幾乎不占用機床內部空間，結構緊湊簡單，在結構設計上不受過多限制，總夾緊力大小可以通過液壓系統壓力或夾緊活塞數量設定，所以適用于小型、中型、大型、重型各類機床。

2.1.3 設計制造

(1)可根據移動工作臺的長度和工作臺導軌的寬度及所需夾緊力的大小，確定壓塊的數量和直徑尺寸。

(2)壓塊材料選用應注意既要減磨，又要保證足夠的剛度。

2.1.4 使用維修

(1)壓塊的磨損與變形。因壓塊軸向尺寸小，變形后容易卡在安裝孔內，導致動作不到位或接觸不良，影響夾緊效果。

(2)橡膠活塞的磨損及液壓油泄漏。

(3)壓板整體大修理時要精確校準，必要時更換壓板。

2.2 皮囊式壓板鎖緊機構

2.2.1 皮囊式壓板鎖緊機構結構及工作原理

皮囊式壓板鎖緊機構結構原理如圖6 所示。夾緊壓板是一厚為2～2.5 mm 的薄鋼板件，皮囊為專業廠家生產的橡膠制件，用戶可根據需要截取，然后用堵頭將兩端用粘結劑粘合。其截面規格根據工作臺的導軌寬度來選取。進油接頭的數量可根據壓板的長度來確定(長壓板一般設定為2 個進油口，以提高夾緊速度)，在距皮囊端部50 mm 處，加工一孔，用粘結劑將壓塊接頭與皮囊粘接在一起，以避免漏油。鎖緊時，輸入液壓油，頂起皮囊和壓板，移動件被鎖緊。松開時，液壓油泄壓，壓板的壓力卸去，移動件被松開［3］。

2.2.2 適用對象

皮囊式壓板鎖緊機構要求機床壓板有足夠的強度和剛度，且壓板安裝槽對機床壓板強度削弱較大，適用于中型、大型、重型機床。

2.2.3 設計制造

(1)根據移動工作臺的長度和工作臺導軌的寬度及所需夾緊力的大小，確定壓板的長度與寬度尺寸。

(2)壓板材料選用應綜合考慮減磨和剛度要求。

(3)應考慮壓板制造過程中局部應力的消除及選擇適當的熱處理方法。

(4)夾緊壓板安裝槽對機床導軌壓板的強度不應有過大的影響。

2.2.4 使用維修

(1)壓板的磨損與變形。因壓板長度尺寸較大，厚度尺寸小，變形后容易局部卡滯，導致接觸不良，影響夾緊效果。

(2)皮囊兩端的粘接及皮囊與壓塊接頭處的粘接及夾緊皮囊供油及泄漏情況。

(3)液壓系統供油壓力設定。

(4)制定大修理皮囊、壓板檢測、修換原則。

2.3 油缸壓塊夾緊機構

2.3.1 油缸壓塊夾緊機構結構及工作原理

如圖7 所示，機床壓板1 上開設圓形截面孔安裝液壓油缸2，當壓力油進入液壓油缸2 后，推動活塞桿3，使壓塊4 右移(移動行程為1. 5～2 mm)，使壓塊與導軌5 壓緊在一起，產生摩擦力，實現運動部件夾緊。松開時，液壓油缸2 卸荷，壓塊4 失去正壓力，機床壓板1 正常工作，移動部件可往復運動。

2.3.2 適用對象

由于液壓缸直徑尺寸較大，要求機床壓板寬度較大，適用于大型、重型機床;如用于中型機床時，可以通過適當提高液壓系統工作壓力，減小液壓油缸直徑尺寸，以適應較小的機床壓板寬度。

2.3.3 設計制造

(1)根據移動部件的長度及所需夾緊力的大小，確定夾緊機構的數量和壓塊直徑尺寸。

(2)壓塊材料選用應考慮減小對機床導軌的磨損。

(3)壓塊與機床導軌接觸面邊緣應加工較大的倒角。

(4)為簡化液壓系統，液壓油缸可使用單作用式油缸。

2.3.4 使用維修

(1)夾緊行程監控:長時間使用后，壓塊會因磨損導致夾緊行程增大。

(2)液壓系統壓力應根據實際機床進行現場調整，并根據使用過程中夾緊行程的變化及時調整。

(3)夾緊油路管路準確連接(做標記):試車、拆解、安裝、調試過程中，均需對夾緊油路管路及接口同步標記，并確認密封可靠。

(4)壓塊屬于易損件，為保證夾緊可靠性，每次機床大修時均需更換壓塊。

3 扭桿死點夾緊型

此類夾緊機構采用桿件死點增力效應，在桿件一端裝設壓塊，通過桿件到達死點位置時產生的位移量使壓塊產生一定角度的擺動(或移動)，法向壓緊靜止元件(機床導軌、導柱)工作面，產生摩擦力，實現運動部件的夾緊。

3.1 扭桿死點夾緊機構工作原理

扭桿死點夾緊機構工作原理如圖8 所示，夾緊時，壓力油進入油缸5 有桿腔，活塞桿4 右移，兩側球面螺釘3 同時將兩根頂桿2 沿其軸線分別向兩端撐開，頂桿2 與活塞桿4 之間的夾角增大，當夾角達到90°時，頂桿2 被球面螺釘3 撐開至死點位置，兩根頂桿2 和球面螺釘3 處于同軸狀態，在頂桿2 的作用下，兩端的壓塊1 將繞支點7 向外旋轉，帶動銅滑板6 緊壓在床身的導軌上，實現運動部件夾緊。夾緊力的大小可通過調節球面螺釘3 伸出頂桿的長度來調整。

松開時，壓力油進入油缸5 無桿腔，活塞桿4 左移，兩側球面螺釘隨活塞桿移動，兩根頂桿2 和球面螺釘3 處于不同軸狀態，頂桿2 與活塞桿4 之間的夾角減小，當夾角小于90°時，兩端的壓塊1 將繞支點7 向內旋轉，帶動銅滑板6 離開床身導軌，運動部件松開［4］。

3.1.1 適用對象

扭桿死點夾緊機構夾緊力較大，要求機床床身強度、剛度均較大，適用于大型、重型機床，中小型機床由于機體結構尺寸較小，夾緊力過大會導致床身產生較大的變形，影響機床幾何精度。

3.1.2 設計制造

(1)設計時需要準確計算夾緊點比壓，通過調節銅滑板與機床導軌的接觸面積降低夾緊點比壓，避免夾緊部位損傷。

(2)為了在夾緊后機構能夠自鎖，在夾緊后萬向球銷必須略微超越死點，即頂桿與活塞桿之間的夾角略大于90°，此時夾緊動作已完成，液壓泵停止工作后，夾緊機構可自鎖。實驗表明，頂桿與活塞桿之間的夾角達到90°30＇～91°15＇之間時，自鎖效果良好;必要時，可設置機械限位裝置或在液壓系統中使用單向閥保證活塞桿在油泵停止工作后處于超越死點位置。

(3)頂桿與其安裝孔的配合精度控制，要求頂桿在安裝孔內沿其軸線可自由移動。

(4)扭桿死點夾緊機構活塞桿上球面螺釘孔與機座頂桿安裝孔在活塞桿右移終點處要同軸。

3.1.3 使用維修

(1)鎖緊力大小的標定與調整。新機床投入使用前，用專用工具、儀器測試機床夾緊后運動部件不產生位移時的最大操縱力，作為大修后測定操縱力的標準值。夾緊后的運動部件如能移動，說明夾緊力不足，需調整球面螺釘直至運動部件不動為止;測試時，需要同時進行夾緊位移監控。

(2)維修后調整液壓系統工作壓力;在活塞桿右側終點位置調整活塞桿孔與頂桿同軸;調整球面螺釘長度滿足夾緊力的需要;夾緊力標定后進行機構自鎖點(角度)位置調整。

(3)維修過程中需要制作專用檢驗工具。

4 結語

本文對國內外幾種新型機床運動部件夾緊機構的工作原理、結構特征進行歸納，提出了一種分類方法，對每類夾緊機構給出了定義;通過對比研究確定了每類夾緊機構的適用對象、設計制造要點，并結合實驗研究確定了部分使用維修數據，給出了使用維修方法、要點(見表1)，可供機床運動部件夾緊機構的選用、設計制造和使用維修參考。

表1 各類夾緊機構要點

［1］王景海，汪雪瑤，李德秀.新型鑲條浮動夾緊機構［J］.制造技術與機床，2000(2):28 -29.

［2］張暉，張珂.新型夾緊機構及其改進［J］.機械工程師，2002(11):41-42.

［3］李明.國外機床先進結構的原理及功能分析［J］. 機床與液壓，2006(7):261 -262.

［4］周立友.大型鏜床液壓鎖緊機構的調整［J］.一重技術，2006(6):74-75.