基于斜楔-鉸桿-偏心輪的沖擊式自鎖柔性夾具*

王 晨 王明娣

(蘇州大學機電工程學院,江蘇蘇州 215021)

隨著NC機床和加工中心在生產中的普遍使用,以及柔性制造系統(FMS)、計算機集成制造系統(CIMS)等的發展,多品種中小批量生產日益受到重視。柔性夾具理所當然成為現代夾具的一個主要發展方向。同時采用綠色設計與制造是制造業實施可持續發展戰略、解決環境污染問題的必由之路,因此機床夾具必然要向柔性化、綠色化方向發展。手動沖擊式夾具就是一種典型的綠色夾具。但是由于人手作用力的限制(對于操作頻率較高的夾具,人手作用力不應大于150 N),其輸出的夾緊力不可能很大,這無疑極大地制約了手動夾具的應用范圍。本文設計了一種基于斜楔,鉸桿和偏心輪的沖擊式手動柔性夾具,不僅可以對夾緊力進行放大,而且結構簡單,經濟環保,并且滿足柔性要求[1-2]。

1 工作原理

如圖1所示,該夾具系統主要由斜楔、滑塊、鉸桿、復位彈簧、偏心輪等組成。

在滑塊內部加工一個方形的孔,其寬度為鉸桿聯接處的直徑大小,當夾具工作時,斜楔推動滑塊運動,鉸桿聯接處可以在方孔內滑動,解決了自由度不足的問題;斜楔的楔角α小于斜楔與滑塊表面的摩擦角,故斜楔可以自鎖;偏心輪的安裝如圖2所示,力輸出點與偏心輪轉軸的夾角θ大于偏心輪與物件的摩擦角,故偏心輪不可以自鎖,只是對夾緊力進行一定的放大作用,又因為偏心輪有一定的夾緊范圍,所以可實現柔性化。

當用工具(如錘子)在斜楔的大端敲擊一下,對斜楔施加一個沖擊力Q時,經斜楔的一次力放大后作用力驅動滑塊向右滑動;滑塊的運動帶動鉸桿的運動,使鉸桿角度β減小,同時壓縮復位彈簧,夾緊力經鉸桿二次放大后作用到偏心輪上;偏心輪在對夾緊力進行第三次力放大后夾緊物件。又因為斜楔的自鎖作用,整個夾具保持夾緊狀態。當需要松開物件時,只需用工具在斜楔的小端敲擊一下,使斜楔退回,這時滑塊在復位彈簧的彈力作用下向左滑動,同時帶動鉸桿運動,增大鉸桿角度β,鉸桿的運動又帶動偏心輪轉動,從而松開物件。

2 力學計算與分析

如圖1和圖2所示,通過建立力學模型,可算得該夾具系統的理論增力系數iot和實際增力系數iop分別為

式中:α為斜楔斜角;β為鉸桿與鉛垂線的夾角;ρ為偏心輪力輸出點到旋轉中心的距離,ρ=;e,R為偏心輪的偏心距和半徑;L3為偏心輪力輸入點到旋轉中心的距離,L3=2e;γ為偏心輪力輸入點與旋轉中心O3的連線相對于鉛垂線的夾角;θ為偏心輪輸出點處偏心輪升角,θ=arctan[esinγ/(R-ecosγ)];φ1、φ2為斜楔分別與支座和滑塊的摩擦角,當支座和滑塊采用相同的材料時,φ1=φ2=φ;φ3為鉸鏈副的當量摩擦角,φ3=arctan(fd/l)(d為鉸桿上鉸鏈孔的直徑;l為鉸桿上兩鉸鏈孔的中心距;f為鉸鏈副的摩擦系數);Φ1、Φ2分別為偏心輪在力輸出點處對壓緊表面的摩擦角以及偏心輪對回轉軸的摩擦角,通常 Φ1=Φ2=5°43'[3-4]。

由式(1)和式(2)可算得該系統的理論輸出力Fot和實際輸出力Fop分別為:

圖3描繪出了力放大系數與鉸桿的角度β和斜楔楔角α的關系。

由圖3可以看出,斜楔楔角α一定時,力放大系數隨著鉸桿角度β的變小而變大;在鉸桿的角度β一定時,力放大系數隨著斜楔楔角α的變小而變大。因此,在設計夾具結構時,應將斜楔的斜角α取為較小值,同時應使鉸桿的工作范圍取在鉸桿角度β較小的范圍內,從而可以獲得較大的力放大系數。

3 應用舉例

設機構中各參數如下:α=8°,β=10°,γ=45°,φ=φ3=5.7°,e=30 mm,R=60 mm,L3=2e=60 mm。 將數據代入式(1)和式(2)得夾具的理論和實際力放大倍數為:iot=35.41,iop=6.18。

該系統中,通過工具敲擊斜楔的瞬間沖擊力Q無法利用公式計算,但獲得2 kN的瞬間作用力是很輕松的。假設Q=2 kN,代入式(3)和式(4)可以得到理論和實際的夾緊力為:Fot=70.82 kN,Fop=12.36 kN,滿足一般的工件夾緊要求。

4 結語

通過上述計算可知,該夾具系統中,給斜楔一個較小的瞬間作用力,經過斜楔-鉸桿-偏心輪三次增力后,可以得到較大的輸出夾緊力,解決了手動夾具夾緊力較小的問題,可以在某些方面代替耗能較高的液壓和氣動夾具,符合綠色制造技術的發展要求;另一方面,該夾具系統采用偏心輪夾緊機構,對一定尺寸范圍內的物件均可進行夾緊,滿足柔性夾具的設計要求,具有廣闊的發展前景。因此,對其進行較為系統的研究及創新開發,具有重要的意義。

[1]崔金嶺,鐘康民.基于杠桿-斜楔-鉸桿三級增力的沖擊式手動夾具[J].工具技術,2008,42(7):85-86.

[2]鐘康民,詹葵華,司廣琚.基于沖擊與自鎖原理以圓柱體位夾緊元件的手動夾具[J].工具技術,2007,41(8):62-63.

[3]李旦.機械加工工藝手冊(2版)[M].北京:機械工業出版社,2007.

[4]李月琴,何培英,張文輝.無桿活塞氣缸與二級杠桿-偏心輪復合的浮動式傳動系統[J].現代制造工程,2008(8):105-107.