基于斜楔-铰杆-偏心轮的冲击式自锁柔性夹具*

王 晨 王明娣

(苏州大学机电工程学院,江苏苏州 215021)

随着NC机床和加工中心在生产中的普遍使用,以及柔性制造系统(FMS)、计算机集成制造系统(CIMS)等的发展,多品种中小批量生产日益受到重视。柔性夹具理所当然成为现代夹具的一个主要发展方向。同时采用绿色设计与制造是制造业实施可持续发展战略、解决环境污染问题的必由之路,因此机床夹具必然要向柔性化、绿色化方向发展。手动冲击式夹具就是一种典型的绿色夹具。但是由于人手作用力的限制(对于操作频率较高的夹具,人手作用力不应大于150 N),其输出的夹紧力不可能很大,这无疑极大地制约了手动夹具的应用范围。本文设计了一种基于斜楔,铰杆和偏心轮的冲击式手动柔性夹具,不仅可以对夹紧力进行放大,而且结构简单,经济环保,并且满足柔性要求[1-2]。

1 工作原理

如图1所示,该夹具系统主要由斜楔、滑块、铰杆、复位弹簧、偏心轮等组成。

在滑块内部加工一个方形的孔,其宽度为铰杆联接处的直径大小,当夹具工作时,斜楔推动滑块运动,铰杆联接处可以在方孔内滑动,解决了自由度不足的问题;斜楔的楔角α小于斜楔与滑块表面的摩擦角,故斜楔可以自锁;偏心轮的安装如图2所示,力输出点与偏心轮转轴的夹角θ大于偏心轮与物件的摩擦角,故偏心轮不可以自锁,只是对夹紧力进行一定的放大作用,又因为偏心轮有一定的夹紧范围,所以可实现柔性化。

当用工具(如锤子)在斜楔的大端敲击一下,对斜楔施加一个冲击力Q时,经斜楔的一次力放大后作用力驱动滑块向右滑动;滑块的运动带动铰杆的运动,使铰杆角度β减小,同时压缩复位弹簧,夹紧力经铰杆二次放大后作用到偏心轮上;偏心轮在对夹紧力进行第三次力放大后夹紧物件。又因为斜楔的自锁作用,整个夹具保持夹紧状态。当需要松开物件时,只需用工具在斜楔的小端敲击一下,使斜楔退回,这时滑块在复位弹簧的弹力作用下向左滑动,同时带动铰杆运动,增大铰杆角度β,铰杆的运动又带动偏心轮转动,从而松开物件。

2 力学计算与分析

如图1和图2所示,通过建立力学模型,可算得该夹具系统的理论增力系数iot和实际增力系数iop分别为

式中:α为斜楔斜角;β为铰杆与铅垂线的夹角;ρ为偏心轮力输出点到旋转中心的距离,ρ=;e,R为偏心轮的偏心距和半径;L3为偏心轮力输入点到旋转中心的距离,L3=2e;γ为偏心轮力输入点与旋转中心O3的连线相对于铅垂线的夹角;θ为偏心轮输出点处偏心轮升角,θ=arctan[esinγ/(R-ecosγ)];φ1、φ2为斜楔分别与支座和滑块的摩擦角,当支座和滑块采用相同的材料时,φ1=φ2=φ;φ3为铰链副的当量摩擦角,φ3=arctan(fd/l)(d为铰杆上铰链孔的直径;l为铰杆上两铰链孔的中心距;f为铰链副的摩擦系数);Φ1、Φ2分别为偏心轮在力输出点处对压紧表面的摩擦角以及偏心轮对回转轴的摩擦角,通常 Φ1=Φ2=5°43'[3-4]。

由式(1)和式(2)可算得该系统的理论输出力Fot和实际输出力Fop分别为:

图3描绘出了力放大系数与铰杆的角度β和斜楔楔角α的关系。

由图3可以看出,斜楔楔角α一定时,力放大系数随着铰杆角度β的变小而变大;在铰杆的角度β一定时,力放大系数随着斜楔楔角α的变小而变大。因此,在设计夹具结构时,应将斜楔的斜角α取为较小值,同时应使铰杆的工作范围取在铰杆角度β较小的范围内,从而可以获得较大的力放大系数。

3 应用举例

设机构中各参数如下:α=8°,β=10°,γ=45°,φ=φ3=5.7°,e=30 mm,R=60 mm,L3=2e=60 mm。 将数据代入式(1)和式(2)得夹具的理论和实际力放大倍数为:iot=35.41,iop=6.18。

该系统中,通过工具敲击斜楔的瞬间冲击力Q无法利用公式计算,但获得2 kN的瞬间作用力是很轻松的。假设Q=2 kN,代入式(3)和式(4)可以得到理论和实际的夹紧力为:Fot=70.82 kN,Fop=12.36 kN,满足一般的工件夹紧要求。

4 结语

通过上述计算可知,该夹具系统中,给斜楔一个较小的瞬间作用力,经过斜楔-铰杆-偏心轮三次增力后,可以得到较大的输出夹紧力,解决了手动夹具夹紧力较小的问题,可以在某些方面代替耗能较高的液压和气动夹具,符合绿色制造技术的发展要求;另一方面,该夹具系统采用偏心轮夹紧机构,对一定尺寸范围内的物件均可进行夹紧,满足柔性夹具的设计要求,具有广阔的发展前景。因此,对其进行较为系统的研究及创新开发,具有重要的意义。

[1]崔金岭,钟康民.基于杠杆-斜楔-铰杆三级增力的冲击式手动夹具[J].工具技术,2008,42(7):85-86.

[2]钟康民,詹葵华,司广琚.基于冲击与自锁原理以圆柱体位夹紧元件的手动夹具[J].工具技术,2007,41(8):62-63.

[3]李旦.机械加工工艺手册(2版)[M].北京:机械工业出版社,2007.

[4]李月琴,何培英,张文辉.无杆活塞气缸与二级杠杆-偏心轮复合的浮动式传动系统[J].现代制造工程,2008(8):105-107.