薄壁件內(nèi)撐自平衡柔性?shī)A具設(shè)計(jì)

楊中寶 張杰剛 劉海燕 殷 偉 李玉辰 胡順璽

(①天津航天長(zhǎng)征火箭制造有限公司，天津 300462；②首都航天機(jī)械有限公司，北京 100076)

薄壁筒狀產(chǎn)品因其具有節(jié)材減重、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，而被廣泛應(yīng)用于多種機(jī)械產(chǎn)品中。由于薄壁筒狀產(chǎn)品存在剛度和強(qiáng)度不足的特點(diǎn)，在裝夾和加工過(guò)程中極易出現(xiàn)受力變形[1]。尤其對(duì)需要進(jìn)行兩端車(chē)削加工的薄壁筒狀件，因兩端內(nèi)撐力難以均衡及受力不均等原因，很容易產(chǎn)生異形變形而導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量問(wèn)題[2]。同時(shí)，隨著產(chǎn)品更新?lián)Q代速度的加快，采用專(zhuān)用夾具存在研制周期長(zhǎng)、經(jīng)濟(jì)成本高等問(wèn)題。因此，適應(yīng)性和工藝性強(qiáng)的柔性?shī)A具將是現(xiàn)代夾具發(fā)展的主要方向[3]。如圖1所示，本文以?xún)啥塑?chē)削的薄壁筒狀件為例，設(shè)計(jì)了一種兩端內(nèi)撐力可自動(dòng)平衡的柔性?shī)A具。

1 夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本夾具采用定心夾緊方式，結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中圖2a為夾具的裝配圖，圖2b為經(jīng)過(guò)局部剖切的三維軸測(cè)圖。夾具通過(guò)自身的連接盤(pán)與外部機(jī)床轉(zhuǎn)盤(pán)連接，通過(guò)機(jī)床轉(zhuǎn)盤(pán)帶動(dòng)夾具和工件轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)工件的整個(gè)車(chē)削加工過(guò)程。

帶錐孔的連接盤(pán)3通過(guò)細(xì)螺栓1與機(jī)床轉(zhuǎn)盤(pán)連接。左導(dǎo)向盤(pán)4利用銷(xiāo)軸24和粗螺栓2與連接盤(pán)3固定。內(nèi)撐滑套17裝入卡位螺母18的半圓卡槽后，通過(guò)螺紋與套筒14連接并插入限位銷(xiāo)15進(jìn)行導(dǎo)向，再利用螺母10、限位螺柱11、導(dǎo)向銷(xiāo)12和墊圈13將內(nèi)撐軸9與套筒14定位連接，該組合狀態(tài)記為組件1。用同樣方式將左導(dǎo)向盤(pán)4和右導(dǎo)向盤(pán)16定位連接，記為組件2，并將組件1通過(guò)銷(xiāo)槽配合裝入組件2內(nèi)。分別依次將推桿6、彈簧23和限位套7裝入左、右導(dǎo)向盤(pán)導(dǎo)向孔中，并利用緊定螺釘8通過(guò)預(yù)置孔將限位套7固定。最后利用定位銷(xiāo)19和螺釘20將托板22與撐塊21連接，并通過(guò)連接銷(xiāo)5將托板22安裝到推桿6上。

2 夾具工作原理

利用增力工具(未示出)向不同方向旋轉(zhuǎn)卡位螺母18，可通過(guò)螺紋傳動(dòng)利用限位銷(xiāo)15和卡槽控制內(nèi)撐滑套17相對(duì)內(nèi)撐軸9在一定行程內(nèi)沿軸向向左或向右平移。由于內(nèi)撐滑套17和內(nèi)撐軸9均與推桿6通過(guò)相同升角的楔面貼合，進(jìn)而帶動(dòng)撐塊21在相應(yīng)行程內(nèi)沿徑向以相同速度外伸或內(nèi)縮，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)筒狀產(chǎn)品的撐緊和松開(kāi)。夾具左右兩端撐塊均為6個(gè)且沿周向同位均布，可保證內(nèi)撐力均布向同位均布，可保證內(nèi)撐力均布對(duì)稱(chēng)分布。在一定范圍內(nèi)，通過(guò)更換不同半徑的撐塊21，可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同內(nèi)徑產(chǎn)品的撐緊。同時(shí)通過(guò)觀察孔和操作孔，可實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)外兩側(cè)限位螺柱11沿軸向進(jìn)行限位間距的調(diào)節(jié)，進(jìn)而改變左右兩端撐塊21的軸向間距以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同長(zhǎng)度產(chǎn)品的撐緊。

3 機(jī)構(gòu)受力分析

如圖2a所示，內(nèi)撐滑套17和內(nèi)撐軸9沿周向各均布6個(gè)升角和位置分布相同的楔面。將內(nèi)撐軸9、套筒14、內(nèi)撐滑套17、卡位螺母18及相關(guān)連接件視為一組合剛體，受力圖如圖3所示。在產(chǎn)品處于夾緊平衡狀態(tài)下，組合剛體也處于受力平衡狀態(tài)，徑向力相互抵消，而軸向受力平衡。

由圖3受力分析可得

(1)

內(nèi)撐滑套17和內(nèi)撐軸9采用相同材料，故二者與推桿6間的摩擦系數(shù)μ相等，可得

(2)

(3)

由式(1)～(3)可得左右兩端楔面法向壓力相等并記為N，即

(4)

經(jīng)分析內(nèi)撐軸9和內(nèi)撐滑套17均可與推桿組件構(gòu)成等效斜楔式夾緊機(jī)構(gòu)。由于斜楔機(jī)構(gòu)與外部零件接觸面光滑，摩擦力在此忽略不計(jì)，等效斜楔機(jī)構(gòu)受力簡(jiǎn)圖如圖4所示。由于軸向力Q通過(guò)套筒14和卡位螺母18間的螺紋傳動(dòng)提供，而螺紋副可實(shí)現(xiàn)自鎖，故在撐緊產(chǎn)品時(shí)撐塊21可處于鎖緊狀態(tài)。

以推桿組件和楔塊整體作為研究對(duì)象，根據(jù)受力平衡可知Q與Q′、P與P′等大反向。以處于平衡狀態(tài)的推桿組件為研究對(duì)象，結(jié)合作用力與反作用力關(guān)系，由力的矢量封閉三角形可得

P=R×cos(α+β)

(5)

全反力R為法向壓力N與沿貼合面的摩擦力F的合力，可得

(6)

由摩擦角與摩擦系數(shù)的關(guān)系[4]，可得

β=arctanμ

(7)

由式(5)～(7)可得

(8)

因組合剛體兩端各楔面升角α與摩擦系數(shù)μ均為定值且各自相等，故兩端各撐塊的內(nèi)撐力相等。可見(jiàn)在產(chǎn)品處于撐緊平衡狀態(tài)下其兩端內(nèi)撐力等大均布，夾具具有自動(dòng)平衡內(nèi)撐力的功能。

4 設(shè)計(jì)創(chuàng)新及特點(diǎn)

該夾具在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)創(chuàng)新和功能特點(diǎn)方面主要體現(xiàn)為如下幾點(diǎn)：

(1)夾具具有自動(dòng)平衡兩端內(nèi)撐力功能，有效保證產(chǎn)品在夾緊狀態(tài)下的受力一致性及均勻性，在一定程度上可有效防止產(chǎn)品發(fā)生異形變形。

(2)先前傳統(tǒng)夾具多為兩端分別進(jìn)行獨(dú)立夾緊，而該夾具采用單端施力結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在無(wú)需拆除夾具與機(jī)床轉(zhuǎn)盤(pán)連接的情況下，僅通過(guò)對(duì)卡位螺母一端進(jìn)行旋轉(zhuǎn)操作即可實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品兩端的同時(shí)夾緊與松開(kāi)。

(3)在無(wú)需拆裝任何零部件的前提下，僅通過(guò)導(dǎo)向盤(pán)筒體上的操作孔和觀察孔對(duì)內(nèi)外側(cè)限位螺柱進(jìn)行軸向限位間距的調(diào)節(jié)，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)夾具兩端撐塊間距的調(diào)整，進(jìn)而使夾具在一定范圍內(nèi)可適用于不同長(zhǎng)度尺寸的產(chǎn)品。

(4)針對(duì)一定范圍內(nèi)不同內(nèi)徑的產(chǎn)品，僅需簡(jiǎn)單更換最外側(cè)撐塊即可滿(mǎn)足變內(nèi)徑產(chǎn)品的裝夾需求。

5 結(jié)語(yǔ)

該夾具設(shè)計(jì)主要從產(chǎn)品變形、便捷操作及柔性裝夾等方面考慮，有效改善了產(chǎn)品車(chē)削加工的工藝性，提高了裝夾便捷性，并可在一定范圍內(nèi)適用于變內(nèi)徑變長(zhǎng)度的產(chǎn)品，保證了產(chǎn)品更新速度，降低了夾具研制成本。同時(shí)，該設(shè)計(jì)思路為相似薄壁易變形工件的夾具設(shè)計(jì)提供了參考。