超高溫旋轉夾緊油缸優化設計與應用研究

任小鴻，陳麗

(1. 四川化工職業技術學院機械工程系，四川瀘州646005;2. 瀘州華西機械有限責任公司，四川瀘州646300)

以液壓為動力的旋轉夾緊夾具歷史悠久。由于液壓技術本身的一些局限(如加工精度要求高、易泄漏等)，過去，夾具大部分采用氣動夾緊，只有在重負荷切削中或某些機床本身帶有液壓系統的組臺機床上，才用液壓夾具。由于空氣具有壓縮性、工作壓力低，因此氣動夾具體積大，夾緊剛性差。機床工作臺空間有限的情況下或重負荷切削中，這一問題尤為突出。同時也有采用機械機構進行旋轉夾緊，但是，由于機械機構本身的局限(部分機械機構有死點)造成在應用機械機構時，夾緊時不能進入下一循環，從而影響機構的正確運轉與動作。根據以上特點，要求旋轉夾緊機構具有安全性、可靠性、準確性、甚至承受高溫的特點。而根據多年從事液壓缸設計與制造的經驗，完成能設計出滿足以上特點的機構，這樣的機構是必須的，而且也是急迫需要的。

1 傳統旋轉夾緊缸的結構特點

隨著我國金屬冶煉技術的飛速發展，對爐蓋的起升與旋轉夾緊鎖定方面要求更高，提出安全性、可靠性、準確性的設計理念。國內部分企業對液壓夾緊裝置進行研發，但絕大部分企業所研制的旋轉夾緊機構是在充分消化國外新技術、新工藝的基礎上研制出的，某鋼鐵集團總公司第一煉鋼廠板坯連鑄機鋼包回轉臺夾具設計就是其中之一。由于現場環境溫度高、沖擊載荷大、座包過程中甚至有鋼水飛濺，因此多年來一直缺少經久耐用的夾具。作者發現傳統旋轉夾緊機構一般是通過電氣控制兩套液壓缸完成爐蓋的提升和爐蓋的旋轉鎖定，或采用機械機構進行旋轉夾緊鎖定，其缺點表現如下:

(1)采用的兩套液壓轉油缸漏油是影響使用壽命的主要原因。由于現場環境灰塵較多，溫度較高，其內部各個零部件均存在不同程度的磨損。如果只是單純地更換油缸內密封件，只能是治標不治本，不能從根本上解決回轉油缸漏油這一問題。

(2)由于現場環境溫度高、灰塵多，采用機械結構聯結部分的磨損相當嚴重，部分部件受到交變載荷的影響，出現變形，甚至斷裂，給生產帶來較大的安全隱患。

(3)多年來，單作用夾緊元件在液壓夾具中占統治地位，尤其在小型夾具系統中。但工作節拍嚴格的流水線上或在加工時間較長(即油缸長期在高壓下工作)及大的夾具系中，會出現不協調的現象。出于安全的考慮，應該采用雙作用夾緊元件。

(4)機械機構本身的局限，如部分機械機構有死點，造成在應用機械機構時，夾緊時不能及時進入下一循環，從而影響機構的正確運轉與動作，甚至會影響生產的正常進行。

為此，作者對旋轉夾緊結構進行改造，提出應用高溫旋轉夾緊液壓缸，并將提升與爐蓋旋轉鎖定集成在一起。

2 超高溫旋轉夾緊缸的設計

2.1 液壓缸旋轉機構的結構設計

圖1 所示帶控制閥高溫旋轉夾緊液壓缸的工作原理:當左端進油，液壓缸無桿腔進油，推動活塞桿3往上運動，定位銷6 上開設了一條槽(由兩根槽和一根螺旋槽組成，直線距離短，約長于導向軸的直徑)，活塞相對定位銷作直線運動，固定在活塞下端孔的導向軸18 繞著定位銷6 作微距離直線運動—旋轉—微距離直線運動，從而帶動整體活塞桿3 作微距離直線運動—旋轉—微距離直線運動，實現夾具的松開旋轉運動。當有桿腔進油時，推動整體活塞桿3 往下運動，活塞上的導向軸18 在槽里運動，從而帶動活塞桿3 作微距離直線運動—旋轉—微距離直線運動，當液壓系統中液壓油保壓時，實現了活塞桿的夾緊。由于直線段距離較短，導向軸在槽中有自鎖功能，完全能保證夾具的夾緊功能。

要實現以上運動，需要有液壓系統進行支撐，提供動力源及控制系統，配以PLC (可編程控制器技術)，可以實現智能控制，有效、安全地保證液壓旋轉夾緊動作的可靠性與安全性。

圖1 旋轉夾緊油缸

2.2 液壓缸活塞導向裝置的設計

在此產品中，導向軸是關鍵零件，它在螺旋槽中的運動較為重要，不能太過于松動，松動會造成鎖緊功能消失，并且間隙過大會影響旋轉的準確角度，因此要保證導向軸在槽內運動自如，又要保證間隙小。經過一段時間的試驗，最后采用將導向軸的外形設計成橢圓形［4］(已獲專利)，采用數控車削加工，效果較好，完全保證其在旋轉槽中順利運動。定位銷中螺旋槽采用帶圓弧形狀設計，由于此螺旋槽的加工難度大，采用一般機床難以加工，采用數控車銑中心加工效果較好，且表面光潔。將此夾具裝配后，轉動靈活、定位準確。

2.3 液壓缸密封結構的設計

用于旋轉夾緊油缸的液壓油防滲裝置在液壓缸的工作過程中相當重要，作者采用的是對導向套內部進行改進，在防塵圈內側增加一槽，并裝入“O”型密封圈。裝配好后的液壓缸，外界灰塵進入缸內的可能性減少，液壓油不產生滲漏現象，運動自如，液壓系統的壽命提高3 倍。此裝置已獲專利［2］。

穩定旋轉活塞桿。由于活塞桿長期作往復運動，其失穩現象較為頻繁，現在活塞桿外圓處增加一支撐環，并填入支撐環材料。裝配好后的旋轉夾緊機構，往上提升穩定，未發生失穩現象，運動自如，使整個液壓系統的壽命提高3 倍。

2.4 液壓缸密封材料的設計

氟橡膠是含有氟原子的合成橡膠，具有優異的耐熱性、耐氧化性、耐油性和耐藥品性，它主要用于航空、化工、石油、汽車等工業部門，作為密封材料、耐介質材料以及絕緣材料。分子結構中含有氟原子的合成橡膠，通常以共聚物中含氟單元的氟原子數目來表示，如氟橡膠23 是偏二氟乙烯同三氟氯乙烯的共聚物。由于氟橡膠耐高溫、耐油、耐化學腐蝕，采用氟膠作為防塵圈，對高溫的適應性增強，外界灰塵不易進入缸內，使液壓缸在超高溫狀態(大約200 ℃)下工作可靠。

3 應用效果

該產品的主要技術與性能指標見表1。

表1 參數表

由表1 可知，此產品能在高溫環境(相對于液壓缸來講200 ℃較高)中工作，可用較輕質量的液壓缸提升金屬冶煉中的爐蓋及高端裝備的動作，產生的壓力較大，效果顯著。圖2 為液壓缸的實物圖。

圖2 產品實物圖

4 結論

由于此產品開發中采用了液壓與機械相結合的技術，利用了兩者的優點，避免了兩者的缺點，特總結如下:

(1)操作方便省力，大大降低工人勞動強度。采用旋轉夾緊液壓缸，為爐蓋的起升提供了穩定的動力與控制;

(2)使用這種旋轉夾緊液壓缸，滿足產品的需要的同時成本大大減少;

(3)節省輔助時間，提高效率。這種高溫旋轉夾緊缸節省了較大的空間(傳統產品空間較大)和減少了較多的成本。

(4)為在高溫環境中工作的類似夾具提供理論與實際參考。

［1］劉榮，任小鴻，高朝祥，等．用于旋轉夾緊油缸的液壓油防滲裝置:中國，CN202418103U［P］．2012－09－05．

［2］劉榮，任小鴻，陳麗，等．旋轉夾緊油缸用導向軸:中國，CN202418218U［P］．2012－09－05．

［3］張明，彭榮濟，毛謙德．活塞環與缸套間潤滑狀態的分析［J］．潤滑與密封，1987(6):27－34．

［4］蔡祖光．常用液壓缸國產密封件的選用［J］．潤滑與密封，1996(2):54－57．

［5］程廣振，江桂蘭．旋轉夾緊液壓支輕拆卸機［J］．煤礦機械，2008(4):107－109．

［6］陳麗，劉榮，任小鴻，等．夾緊油缸:中國，CN202531531U［P］．2012－11－14．