一種新型增力夾緊裝置

夏向陽

(江蘇新瑞重工科技有限公司, 江蘇 常州 213166)

目前大型動梁式龍門鏜銑床、門動梁動型龍門鏜銑床的橫梁當機床W軸上下進給到某個位置后一般采用液壓夾緊裝置來將橫梁夾緊在機床立柱導軌上。液壓夾緊裝置夾緊力大，但能耗高、由于有液壓環節，夾緊故障率高；夾緊裝置無自適應和自我調節功能；夾緊裝置無增力機構，對液壓系統壓力要求高、成本高、能耗高；無自鎖功能，夾緊不可靠。

為了解決上述問題，開發了一種新型增力夾緊裝置：采用碟形彈簧預裝反力推動斜楔增力夾緊單元的斜楔平移，斜楔推動杠桿式增力夾緊單元的杠桿對移動部件實現串聯式夾緊，夾緊力經過兩次放大可以達到7.6～8.8倍，有效提高夾緊的可靠度；該新型增力夾緊裝置夾緊原動力為碟形彈簧預裝反力，不需要額外的能量消耗，夾緊時省去了液壓壓力，降低了能耗，低碳環保，同時也降低了機床故障率；該新型增力夾緊裝置有自鎖功能，只有在液壓力反向推動斜楔后自鎖才會撤銷，夾緊安全可靠；該新型增力夾緊裝置有夾緊面角度自適應和自我調節功能，能夠保證最終夾緊力始終垂直于被夾緊零件的夾緊面。下面從機械結構、工作原理 、力學計算幾方面對該新型增力夾緊裝置進行詳細介紹。

1 新型增力夾緊裝置的機械結構

如圖1該新型增力夾緊裝置由3部分構成：杠桿式增力夾緊單元1、斜楔式增力夾緊單元2和夾緊松開油缸單元3。各單元結構示意如圖2～4所示。

2 新型增力夾緊裝置的工作原理

如圖4所示，夾緊松開油缸單元3的活塞缸36通過螺釘320固定在固定不動的底座上。活塞桿31的右側安裝有碟形彈簧35，碟形彈簧可以幾組并聯，提供單個碟形彈簧幾倍的變形反力，碟形彈簧的預緊變形通過預緊力調節空心螺塞32調節，該螺塞通過外螺紋與內螺紋壓蓋33配合，該螺塞露出內螺紋壓蓋33的部分有四處削扁以便于裝配和調整，通過該內外螺紋結構可以調整碟形彈簧的預緊反力；活塞桿31的左側安裝有球面墊圈39、310、316、317、鎖緊螺母315，通過這些零件將斜楔體21固定在中間，兩組球面墊圈的作用是使活塞桿31輸出的力始終垂直于斜楔體21的受力作用面，使其具有一定的角度自適應和自我調節功能；光電開關312、發信盤314的作用是檢測活塞桿31左側通入液壓油時活塞桿復位是否到位。

如圖3所示，斜楔式增力夾緊單元2的斜楔體21做成L形結構，其底面與固定不動的底座上表面接觸，斜楔體21可以在固定不動的底座上表面上前后移動，移動時通過安裝在斜楔體21底面鍵槽內的導向平鍵23導向，使斜楔體21只能沿著導向平鍵前后移動，橫向被限位不能移動。斜楔體的作用面斜角為7°。楔形體底面與底座上表面之間的當量摩擦角為φ2=5.7°，滾子與斜楔面之間的當量摩擦角為φ2=2.3°,斜楔面斜角為α，為了能夠自鎖，要滿足α≤φ1+φ2，故將α設定為7°。通過該斜楔式增力單元增力后，夾緊力被增大為原來的i2=1 /[tan(α+φ1)+ tanφ2]=1 /[tan9.3+ tan5.7]=3.8倍。由于斜角為7°，斜楔體有自鎖能力，常態下斜楔式增力夾緊單元2一直處于自鎖狀態，只有夾緊松開油缸單元3的活塞桿31左側通入液壓油后，活塞桿31反向推動斜楔體后自鎖才會撤銷，所以夾緊安全可靠。

如圖2所示，杠桿式增力夾緊單元1上的支承座14通過螺釘112固定在固定不動的底座上。杠桿壓板13中間開有貫穿上下的方形孔以便容放支承座14，并為杠桿壓板13沿支點旋轉預留出空間，在方孔兩側開有貫穿左右的圓孔，支承座14上端也開有相同大小的貫穿左右的圓孔，芯軸15依次套裝在這些通孔內，芯軸15通過螺釘111固定在杠桿壓板13的一個側面上，芯軸15是杠桿式增力夾緊單元的支點，支點左側為長力臂端，壓板13在長力臂端端部中間開有U型槽以便容放壓緊輪11，在U型槽兩側開有貫穿左右的圓孔，壓緊輪11上也開有相同大小的貫穿左右的圓孔，芯軸12依次套裝在這些通孔內，芯軸12通過螺釘110固定在杠桿壓板13的長力臂端的一個側面上，壓緊輪11采用滾輪形式，是因為滾輪有一定的角度自適應和調整功能；在支點右側為短力臂端,壓板13在短力臂端下平面開有貫穿左右的半圓柱形凹槽用來容放半圓柱形的角度自調整壓塊17。如圖5所示，在角度自調整壓塊17的半圓柱面中部開有U型凹槽，該凹槽用來容放軸向限位螺釘16。軸向限位螺釘16通過螺紋安裝在固定杠桿壓板13的短力臂端上平面上。在角度自調整壓塊17的下平面上開有U型凹槽，該凹槽用來容放錫青銅墊18。錫青銅墊18通過螺釘19安裝在角度自調整壓塊17的U型凹槽內使其只能進行圓周方向運動而不能軸向移動。錫青銅墊18下表面直接與被夾緊的移動部件接觸，錫青銅比較耐磨且比鋼件軟，不會劃傷被夾緊部件表面。通過角度自調整壓塊17的半圓柱形外圓面和杠桿壓板13的短力臂端的半圓柱形凹槽配合，使該杠桿式增力夾緊單元夾緊被夾緊的移動部件時錫青銅墊18下表面始終與被夾緊的移動部件的表面緊密接觸，使夾緊力始終垂直于被夾緊面，而且具有角度自適應和自我調節功能。角度自調整壓塊17的半圓柱面上的U型凹槽與固定在杠桿壓板13上表面的軸向限位螺釘16配合，使角度自調整壓塊17只能沿著半圓柱面圓周方向進行角度自適用調整，軸向運動被限制住。通過杠桿式增力夾緊單元增力后，夾緊力可以被增大為原來的i1=F出/F入=L長/L短, 由于要綜合考慮整個增力裝置的尺寸問題，不能將i1設計的太大，一般取i1=F出/F入=L長/L短=2較為合理 。因此整個增力夾緊裝置的總的增力比為i=i1×i2=2×3.8=7.6倍。

如圖1所示，該新型增力夾緊裝置是由杠桿式增力夾緊單元1、斜楔式增力夾緊單元2、夾緊松開油缸單元3組合而成，是一種串聯式復合型增力夾緊裝置，具有角度自適應和自我調節功能，并且具有自鎖功能，夾緊力大，夾緊可靠，夾緊時不需要額外的液壓動力，是環保低碳型結構。該新型增力夾緊裝置常態下活塞桿31左側液壓油卸荷沿著萬向管接頭319回到液壓站油箱，活塞桿31在右側的碟形彈簧35的反力作用下向左運動推動斜楔體21向左運動，斜楔體21的斜面推動壓緊輪11，使杠桿壓板13長力臂端沿著芯軸15向上旋轉，使杠桿壓板13的短力臂端沿著芯軸15向下旋轉，將下壓力傳遞到角度自調整壓塊17上，在角度自調整壓塊17自適應角度調整后，將夾緊壓力通過錫青銅墊18垂直地傳遞到被夾緊的移動部件表面。斜楔式增力單元增力后，夾緊力被增大為原來的3.8～4.4倍，通過杠桿式增力夾緊單元增力后，夾緊力可以再被增大2倍左右，因此該新型增力夾緊裝置可以使碟形彈簧的夾緊力被增大為原來的7.6～8.8倍，通過增加碟形彈簧的并聯使用的片數可以進一步將夾緊力增大，通過調整預緊力調節空心螺塞32也可以進一步增大夾緊力。由于斜楔式增力夾緊單元2有自鎖功能，因此常態下該新型增力夾緊裝置能夠保持自鎖狀態，使該裝置的夾緊可靠性大大提高。當被移動部件需要解除夾緊狀態，重新運行時，活塞桿31左側通過萬向管接頭319通入液壓油，推動活塞桿31向右運動并壓縮碟形彈簧35，活塞桿31拉動斜楔體21向右運動，斜楔體21的斜面遠離壓緊輪11，使杠桿壓板13長力臂端沿著芯軸15向下旋轉，使杠桿壓板13的短力臂端沿著芯軸15向上旋轉，自調整壓塊17上的下壓力解除，錫青銅墊18上的夾緊力解除，當夾緊松開油缸單元3的活塞桿復位到位后，發信開關321發信，該新型增力夾緊裝置夾緊松開，復位成功。

3 增力機構的力學計算

杠桿式增力夾緊單元的增力比i1為：

i1=F出/F入=L長/L短

式中：L長杠桿的長力臂， mm；L短杠桿的短力臂， mm。

理論上L長/L短比值越大增力效果越好，但是這也會帶來該增力夾緊單元尺寸變大，結構不緊湊的問題。綜合考慮L長/L短比值取2比較合適。

斜楔式增力夾緊單元的增力比i2為：

i2=F出/F入

=1 /[tan(α+φ1)+ tanφ2]

式中：α為斜楔的斜角；φ1為滾子與斜楔面的當量摩擦角，φ1=arctan[μ1·(d/D)]；μ1為滾子與斜楔面的摩擦因數；d為滾子支承軸直徑，D為滾子直徑，根據滾子和支承軸實際尺寸d/D=0.4；φ2為斜楔體底面與固定座平面間的當量摩擦角，φ2= arctanμ2；μ2為斜楔體底面與固定座平面間的摩擦因數。

斜楔式增力夾緊單元的能夠自鎖的條件:

α≤φ1+φ2

斜楔式增力夾緊單元的行程比is為：

is=S/S1=tanα

式中：S為斜楔增力夾緊單元的夾緊行程；S1為斜楔增力夾緊單元的斜楔移動行程。

理論上當α≤10°時斜楔式增力單元可以獲得較大的增力比。α越小增力比越大，但α越小，行程比越小，傳動效率越低。綜合考慮上述因素及自鎖條件，α取7°比較合適。當α≥35°行程比增大，傳動效率提高，但是沒有明顯的增力效果，沒有實用價值，故斜楔夾緊機構的斜角一般取α≤10°。

整個增力夾緊裝置的增力比i為：

i=i1·i2

=(L長/L短)×1 /[tan(α+φ1)+ tanφ2]

本案中斜楔體底面與固定座平面間的摩擦因數μ2=0.1。

φ2= arctanμ2=arctan0.087=5.7°

滾子與斜楔面的摩擦因數為μ1=0.1。

φ1=arctan[μ1·(d/D)]=arctan(0.1×0.4)=2.3°

α≤φ1+φ2=2.3+5.7=8°

為了確保斜楔自鎖，斜楔斜角α取7°。本案L長/L短=2.0。

增力夾緊裝置的增力比為：

i=i1·i2

=(L長/L短)×1 /[tan(α+φ1)+ tanφ2]

=2.0×1/( tan9.3°+ tan5.7°)

=2.0×3.8

=7.6

此時斜楔式增力夾緊單元的行程比is=S/S1=tanα=tan7°=0.12,如果把斜楔的斜角進一步減小到5°，is=S/S1=tanα=tan5°=0.087，斜楔增力夾緊單元的夾緊行程S設定為0.25mm,那么斜楔增力夾緊單元的斜楔移動行程S1=S/is=S/ tan5°=2.8 mm,只要夾緊松開油缸單元的碟形彈簧變形量遠遠大于2.8 mm就可以了，因此斜楔的斜角取5°也是可行的。

此時整個串聯式增力夾緊裝置的增力比可達

i=i1×i2

=(L長/L短)×1 /[tan(α+φ1)+tanφ2]

=2.0×1/(tan7.3°+tan5.7°)

=2.0×4.4

=8.8

通過計算可知，該串聯式增力夾緊裝置如果斜角取7°,增力比為7.6倍，如果斜角取5°，增力比可以做到8.8倍。

4 結語

(1)該新型增力夾緊裝置采用碟形彈簧、杠桿、斜楔串聯組合的夾緊機構在保證結構緊湊的前提下實現了輸出力的兩次放大，使夾緊裝置夾緊力更大更可靠，增力比可達7～8倍。

(2)該新型增力夾緊裝置能夠自鎖，帶有多處角度自適應和自我調節機構，自適應和自我調節能力強。

(3)該新型增力夾緊裝置正常夾緊時靠碟形彈簧的預緊反力提供夾緊原動力，不需要額外動力，節能環保，可靠性高。

[1]王光斗.機床夾具設計手冊[M].上海：上海科學技術出版社，2000.