氣液增壓-鉸桿機(jī)構(gòu)增力雙工位高效夾具

肖瑩華，鐘康民

XIAO Ying-hua, ZHONG Kang-min

（蘇州大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，蘇州 215000）

0 引言

機(jī)械制造業(yè)中應(yīng)用最為廣泛的機(jī)動(dòng)夾具，是液壓與氣壓傳動(dòng)夾具。氣壓傳動(dòng)夾具的優(yōu)點(diǎn)是，夾緊動(dòng)作迅速，不會(huì)產(chǎn)生環(huán)境污染，便于自動(dòng)化控制，系統(tǒng)故障少；夾緊后的切削加工過程中，依靠壓縮空氣的勢(shì)能，能夠持續(xù)保持對(duì)被夾緊工件的夾緊力，不再消耗能源，所以能量利率高。主要缺點(diǎn)是壓縮空氣容易泄露，所以系統(tǒng)壓力較低（一般為0.4～0.7MPa）,因而造成夾緊力不可能很大。液壓傳動(dòng)夾具的主要優(yōu)點(diǎn)，是系統(tǒng)壓力高，夾緊力大。主要缺點(diǎn)能量利用率低，液壓泵噪音較大，且容易發(fā)生因油液泄露及揮發(fā)造成環(huán)境污染。而沒有蓄能器保壓的液壓傳動(dòng)系統(tǒng)，夾緊后的切削加工過程中，液壓泵仍需要運(yùn)轉(zhuǎn)，以保持對(duì)被夾緊工件的夾緊力；不僅多消耗能量，而且溢流回路會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)溫度升高。

此外，為了縮短裝夾工件的輔助時(shí)間，大批量生產(chǎn)中，往往采用裝夾時(shí)間與切削加工時(shí)間重合的雙工位高效夾具[1～4]。因此，創(chuàng)新設(shè)計(jì)出兼有液壓與氣壓傳動(dòng)優(yōu)點(diǎn)的雙工位高效夾具，是許多夾具設(shè)計(jì)人員長(zhǎng)期追求的目標(biāo)。下面，介紹我們?cè)O(shè)計(jì)的一種雙工位夾具。

1 工作原理

圖1是夾具的工作原理圖，其設(shè)計(jì)創(chuàng)意來自氣液增壓雙工位液壓拉伸機(jī)[5]。當(dāng)氣動(dòng)換向閥的電磁鐵得電時(shí)，閥芯處于上圖所示左位狀態(tài)，壓縮空氣進(jìn)入左氣腔，推動(dòng)氣缸活塞向右運(yùn)動(dòng)；右主動(dòng)液壓活塞壓縮右液壓腔的油液，將油液增壓后作用到右工位輸出活塞上；右工位輸出活塞桿則通過右邊的連桿及雙邊鉸桿增力機(jī)構(gòu)，由右夾緊元件對(duì)右工位的工件進(jìn)行夾緊。此時(shí)，壓縮空氣同時(shí)進(jìn)入左工位輸出活塞的左腔，左工位輸出活塞桿拉動(dòng)左邊的連桿及雙邊鉸桿增力機(jī)構(gòu)，使得左夾緊元件向上運(yùn)動(dòng)，從而松開左工位的工件以進(jìn)行裝卸。

當(dāng)右邊工件的切削加工過程完成后，控制系統(tǒng)使得氣動(dòng)換向閥的電磁鐵失電，其閥芯切換至下圖所示右位工作狀態(tài)，壓縮空氣進(jìn)入右氣腔，推動(dòng)氣缸活塞向左運(yùn)動(dòng)。該狀態(tài)下，左工位的工件被夾緊，而右工位的工件被松開。

左右兩個(gè)工位如此循環(huán)工作。由于工件的切削加工時(shí)間與裝卸時(shí)間重合，因而大幅度提高了生產(chǎn)效率。

2 力學(xué)計(jì)算與運(yùn)動(dòng)特性分析

2.1 力學(xué)計(jì)算

圖1所示夾具中，氣缸所提供的推力FP的計(jì)算公式為：

而夾緊元件作用于工件的夾緊力FC，由下式進(jìn)行計(jì)算：

以上兩式中，D、d1、d2分別為氣缸活塞、主動(dòng)液壓缸活塞和輸出液壓缸活塞的直徑，p為壓縮空氣壓力，P為氣缸的力傳遞效率，一般可取P≈0.85；H為液壓缸的力傳遞效率，一般可取H≈0.92。T為鉸桿增力機(jī)構(gòu)的力傳遞效率，一般可取T≈0.90。

顯然，F(xiàn)C與FP的比值i，就是氣液增壓裝置與鉸桿增力機(jī)構(gòu)串聯(lián)作用的增力系數(shù)，即

圖1 工作原理圖

2.2 夾緊元件運(yùn)動(dòng)特性分析

對(duì)公式（3）進(jìn)一步分析可知，雙邊鉸桿增力機(jī)構(gòu)的理想增力系數(shù)，即不考慮摩擦損失的增力系數(shù)iTI＝。因此，只有在即理論壓力角 ＜27.5°時(shí)，雙邊鉸桿增力機(jī)構(gòu)才在理論上是一個(gè)力放大機(jī)構(gòu)。而當(dāng) ＞27.5°時(shí)，它實(shí)際上是一個(gè)減力機(jī)構(gòu)，同時(shí)是一個(gè)行程放大機(jī)構(gòu)。也就是說，當(dāng) 角較大時(shí)，夾緊元件運(yùn)動(dòng)速度相對(duì)快，所能提供的夾緊力相對(duì)小；而當(dāng)角較小時(shí)，夾緊元件運(yùn)動(dòng)速度相對(duì)慢，所能提供的夾緊力相對(duì)小。由鉸桿增力機(jī)構(gòu)的這一力學(xué)特性可以得知，圖1所示夾具夾緊元件的運(yùn)動(dòng)速度，夾緊過程剛剛開始時(shí)快，以后逐漸變慢，夾緊時(shí)由于壓力角角變得很小，因而能夠提供較大的夾緊力。這較為符合一般夾具對(duì)夾緊元件運(yùn)動(dòng)速度特性的要求。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹的雙工位高效夾具，具有以下顯著優(yōu)點(diǎn)：

1）氣壓傳動(dòng)利用的是壓縮空氣的壓力勢(shì)能，在工件處于被夾緊狀態(tài)時(shí)，由于夾緊元件沒有位移，所以不消耗能量，因而較液壓傳動(dòng)夾具，節(jié)能顯著。

2）僅采用一個(gè)驅(qū)動(dòng)氣缸，能實(shí)現(xiàn)二個(gè)工位工件的順序夾緊，工件的切削加工時(shí)間與裝卸時(shí)間重合，經(jīng)濟(jì)性好，生產(chǎn)效率高。

3）液體是密閉靜壓傳遞的，不存在液壓泵和開放式油箱，能基本杜絕因油液泄露而造成的環(huán)境污染；且不存在高速運(yùn)轉(zhuǎn)的電機(jī)及液壓泵，噪音小，振動(dòng)輕。

4）驅(qū)動(dòng)氣缸部分與夾緊液壓缸之間用油管連接，為夾具的總體布局設(shè)計(jì)提供了很大柔性。

5）夾緊元件的運(yùn)動(dòng)速度由快到慢，最終得到較大的夾緊力，符合一般夾具對(duì)夾緊元件運(yùn)動(dòng)速度特性與夾緊力特性的要求。

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