對手柄螺旋夾緊器可調角便利性的改造與創新

付豪，楊洋，王琦，雷鴻謙

對手柄螺旋夾緊器可調角便利性的改造與創新

付豪，楊洋，王琦，雷鴻謙

（武漢理工大學 汽車工程學院，湖北 武漢 430000）

針對原有手柄螺旋夾緊器在細小空間裝夾工況下容易產生干涉，導致工件夾緊效果不好、工件焊接時變形大的問題，結合現有的夾緊器特點，對夾緊器在可調角方面做了改造與創新。達到了夾緊器在裝夾時可調角的效果，有效減小了干涉，設計在滿足實用性的同時也滿足了經濟性。

手柄螺旋夾緊器；夾緊效果；可調角；改造創新

本文涉及的是針對原有的手柄螺旋夾緊器的創新改造設計。手柄螺旋夾緊器是三維焊接平臺上常使用的夾緊器之一，如圖1所示，其具有剛度強、使用操作簡單方便的優點。但其缺點是在使用時裝夾角度不易改變，在某些特殊的夾緊工況下容易產生干涉，導致工件夾緊效果不好，工件焊接時變形大的后果。該夾緊器在使用時只能垂直夾緊，當兩個被夾工件在垂直方向上距離比較小時，夾緊器的手柄處容易與工件之間產生干涉，導致另外一個工件夾持不了。另外，在其他空間比較小的夾持工況下也容易出現此問題。為此，需要一種新型夾緊器來克服原有的夾緊器的缺點。

圖1 現有普通手柄螺旋夾緊器

1 項目背景及研究意義

在車架的設計和焊接的過程中，首先要解決的就是焊接鋼管的夾持和固定問題。因為在焊接的過程中，鋼管的連接需先沿兩根或多根鋼管的相貫線去打磨坡口，使得焊接的兩根或多根鋼管在焊接時保證焊接度，保證焊縫的融合。為保證鋼管在焊接時定位的準確性和穩定性，需要對焊接的鋼管進行夾持和有效的固定。目前在車隊中，使用的是購買的三維柔性焊接平臺及其配套的夾具。

在實際操作中存在以下幾個問題：①對鋼管夾持的操作中，使用現有的夾具固定空間連接的兩根或多根鋼管，需要使用多個手柄螺旋夾緊器和不同種類的定位角尺。過多的夾具和角尺的使用不僅無法快速有效地固定鋼管，而且也會占

用較大的空間，不利于焊接的操作和后續其他鋼管的固定，影響焊接的質量和焊縫的美觀，尤其會對后續鋼管的夾持產生干涉，需要等先前完成焊接的鋼管應力散去后才可以進行下一根鋼管的固定及焊接，延長了加工時間。②在固定較高的鋼管時，夾具容易受重力和外界震動的影響，沿定位角尺的滑槽產生偏移。由于平臺和夾具的限制，對于位置特殊、操作空間有限的鋼管無法直接固定，產生了焊接精度和強度較低、操作風險較大的影響。③手柄螺旋夾緊器及平尺角尺制造工藝復雜，購買和加工的成本過高。因此，基于當前使用的焊接平臺的基礎上，對焊接的夾具，特別是對空間中夾具的結構和使用方法進行優化和設計研究。使新的夾具可滿足在焊接車架時對鋼管的固定和夾持的要求，便于后續焊接工作的進行，提高焊接的精度和效率。

角鐵的種類雖然不多，但通過不同的組合搭建方式，就如同積木一般會得到許多種樣式，從而能夠滿足各種情況下的使用需求。與之相對的就是夾緊器，在所使用的一套組合夾具中僅僅只有一種而不能滿足各種情況下的使用。而目前市面上的夾緊器按照夾緊方向分為平面、垂直、45°壓緊器。按照操作方式的不同可分為螺栓夾緊、快速夾緊、手柄螺旋夾緊，還有手工、氣動或液壓。

夾緊器的工作方式雖多有不同，但總會有三個角度的限定，在某些環境下就難以使用了，因此對夾緊器在可調節和靈活性方面的改造也是有必要的，同時這也將避免重復購買，這對于改善焊接生產效率、降低生產成本也是具有重要意義的。

2 新型夾緊器設計

為解決多種夾緊工況下的干涉問題，在原來手柄螺旋夾緊器兩根夾角為90°桿之間設計了一個轉動關節，該設計的優點是增加了手柄螺旋夾緊器夾持工件時的夾緊角度調節范圍，減少了多種夾緊工況下的干涉情況；但其缺點是剛度相比之前有所減小。

2.1 工作原理

如圖2所示為轉動關節的分解圖，齒槽片鏈接在螺桿一端，限位片和關節筒則鏈接在另一桿上；組合后限位片的下表面與齒槽片的上表面接觸，齒槽片的下表面與關節筒的上表面接觸，齒總成的上段穿過限位片、齒槽片與齒蓋相鏈接。

圖2 轉動關節分解圖

在未對機構施加力時，齒總成中的齒與齒槽片中的齒槽相嚙合，同時彈簧的彈力使齒總成不下落，限位片中孔洞的直徑與齒總成的上段圓柱相同，即使齒不會脫出，限位片和彈簧共同限制了齒總成中齒的位置，使齒槽片和齒總成中的齒始終保持嚙合，同時齒總成的下端中心開方孔與關節筒中方柱配合保證齒總成不可旋轉，此時機構不可轉動。

當通過齒蓋對機構施加壓力時，齒總成的齒從齒槽片中脫出，此時齒槽片可以自由轉動，當螺桿調整到所需角度后停止施力，彈簧回彈的彈力使齒總成恢復原位，齒槽片和齒總成的齒再次相互嚙合，機構被固定，因此達到了調整夾緊器夾緊角度的作用。

以上為機構的工作原理，夾緊器便通過以上的過程實現角度的變化，從而實現在多種角度下工作。

2.2 受力分析

在CATIA建模完成后利用ANSYS進行靜力學分析，根據實際夾緊工況下的壓力，對手柄加了1 000 N的力偶，加緊頭加了一個豎直向上的2 000 N的力，然后把兩根桿和加緊頭的底面固定約束，最終分析得出來的夾緊器總變形結果如圖3所示。

圖3 ANSYS受力形變分析

根據ANSYS分析結果可得出，夾緊器受力后應力分布比較均勻、應變較小、強度滿足要求，因此該設計結構滿足使用條件。

3 應用實例

將加工出來的產品實際應用于三維焊接平臺上裝夾工件如圖4所示，與普通手柄螺旋夾緊器使用方式相同，將夾緊器下端的桿插到三維焊接平臺的孔里，利用擋圈固定位置不讓它往下掉，然后通過順時針旋轉手柄利用梯形螺桿上的螺紋作用將工件夾緊，可達到預期的夾緊效果。

圖4 夾緊器應用實例圖

4 應用效果

普通手柄螺旋夾緊器的使用工況，可以明顯看出其只能在垂直方向夾緊，當被夾工件夾持空間較小時，夾緊器容易與被夾工件干涉。對比改造前后，新設計出的夾緊器可調角的裝夾特點，可以避開垂直方向上的干涉物，減少了干涉，增強了裝夾效果。

5 總結

文中所述的夾緊器不僅能夠達到原有夾緊器的夾緊效果，另外在轉動關節的作用下還能實現可調角的裝夾，極大減少了細小空間下裝夾的干涉情況。同時該設計是在原有的手柄螺旋夾緊器的基礎上改裝的，設計時已經考慮了將原有的夾緊器部件能拆下來的部件盡可能用于該改裝的夾緊器，所以也降低了制作成本，使設計在滿足實用性的同時滿足經濟性。

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2095－6835（2020）10－0137－02

U 270.6+4

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10.15913/j.cnki.kjycx.2020.10.061

〔編輯：王霞〕