臺(tái)虎鉗的集成夾緊系統(tǒng)研究

楊 茜 尹甜甜 蓋 蕾

（①河南科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，河南 洛陽 471023；②有色金屬共性技術(shù)河南省協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 洛陽 471023；③開封大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院，河南 開封 475004；④國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作北京中心，北京 100160）

臺(tái)虎鉗是機(jī)械制造中常用的一種夾持工具，是加工機(jī)床的隨機(jī)附件，固定在機(jī)床工作臺(tái)上，用來夾持工件進(jìn)行切削加工；也可以在鉗工加工時(shí)用來夾持工件。常用的臺(tái)虎鉗均采用絲桿加力，即活動(dòng)鉗口在絲桿的傳動(dòng)下前后移動(dòng)，與固定鉗口配合，實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的夾緊和固定[1-2]。這種機(jī)械式臺(tái)虎鉗結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但使用比較麻煩，鉗口間距調(diào)節(jié)速度慢，需要反復(fù)搖動(dòng)絲桿使鉗口開合，勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作效率低，夾持時(shí)增力倍數(shù)??；此外，一般用較大升角的絲桿螺紋以提高工作效率，在振動(dòng)影響下，臺(tái)虎鉗梯形螺旋副會(huì)產(chǎn)生松動(dòng)，影響其使用效果[1-4]。

在絲桿傳動(dòng)的基礎(chǔ)上增加增壓機(jī)構(gòu)，可產(chǎn)生大的夾緊力[5-7]。但工作效率仍然較低。通過增加齒輪齒條機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)活動(dòng)鉗身的快速運(yùn)動(dòng)[8]，但結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜。

針對(duì)目前臺(tái)虎鉗存在的問題，本文將筆者的2項(xiàng)發(fā)明專利（一種液壓臺(tái)鉗（ZL201910180581.4）、用于短行程液壓缸液壓裝置的雙速手動(dòng)加壓泵（ZL201910854093.7））進(jìn)行融合，提供一種全新的手動(dòng)液壓臺(tái)虎鉗，集絲桿柱塞加壓、液壓增壓和即時(shí)抱合機(jī)構(gòu)于一體的機(jī)械液壓集成夾緊系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱集成夾緊系統(tǒng)，直接推動(dòng)活動(dòng)鉗身抵住工件，然后輕輕轉(zhuǎn)動(dòng)數(shù)圈手柄，即可實(shí)現(xiàn)大壓力夾緊。

1 集成液壓夾緊系統(tǒng)

集成夾緊系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)思路是：將夾緊系統(tǒng)設(shè)置在臺(tái)虎鉗的活動(dòng)鉗身中，工作時(shí)，用手推動(dòng)活動(dòng)鉗身前進(jìn)，直至頂住工件，然后轉(zhuǎn)動(dòng)手柄，液壓系統(tǒng)加壓，抱合機(jī)構(gòu)抱住固定鉗身，給夾緊機(jī)構(gòu)提供支承，繼續(xù)加壓，即可實(shí)現(xiàn)工件的夾緊。

1.1 結(jié)構(gòu)原理

集成夾緊系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理見圖1，由液壓夾緊機(jī)構(gòu)3和斜楔抱合機(jī)構(gòu)4組成。夾緊機(jī)構(gòu)包括油泵（33～37）和油缸（31、32），兩者通過油路a連通。采用絲桿加壓機(jī)構(gòu)將手柄37上的作用力轉(zhuǎn)變?yōu)楸弥?6的推力，再根據(jù)連通器的原理，通過油缸將其推力進(jìn)行放大，驅(qū)動(dòng)臺(tái)虎鉗實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的夾緊。夾緊機(jī)構(gòu)的缸柱塞32與抱合機(jī)構(gòu)的斜楔42固定連接，相互協(xié)調(diào)作用，由液壓夾緊機(jī)構(gòu)為抱合機(jī)構(gòu)產(chǎn)生動(dòng)力，通過斜楔機(jī)構(gòu)使支承塊46與固定鉗身導(dǎo)軌12內(nèi)側(cè)的抱合面抱合，其抱合力反過來對(duì)夾緊機(jī)構(gòu)產(chǎn)生軸向（活動(dòng)鉗口22夾緊方向）支承，使斜楔42及缸柱塞32固定，而油缸的缸體31及活動(dòng)鉗身2向前移動(dòng)，完成夾緊動(dòng)作。

圖1 集成加緊系統(tǒng)臺(tái)虎鉗結(jié)構(gòu)

（1） 手動(dòng)油泵結(jié)構(gòu)

斜楔抱合機(jī)構(gòu)進(jìn)行抱合時(shí)需要的油壓較小，產(chǎn)生夾緊動(dòng)作時(shí)需要的油壓很大。為減小泵柱塞的行程，減少手柄的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)，設(shè)計(jì)雙速手動(dòng)加壓油泵為夾緊機(jī)構(gòu)提供動(dòng)力。油泵的加壓元件采用泵柱塞36和加壓環(huán)33，泵柱塞上設(shè)有絲桿結(jié)構(gòu)，通過手柄和絲桿加壓機(jī)構(gòu)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，加壓環(huán)通過驅(qū)動(dòng)彈簧34提供動(dòng)力。非夾緊狀態(tài)泵柱塞處于上始點(diǎn)，并使加壓環(huán)處于最上端位置。工作時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)手柄37帶動(dòng)泵柱塞下行，同時(shí)解除對(duì)加壓環(huán)的約束，使其在驅(qū)動(dòng)彈簧作用下于大油腔c內(nèi)同步下行，進(jìn)行快速低壓泵油，推動(dòng)抱合機(jī)構(gòu)工作，此時(shí)的油壓由驅(qū)動(dòng)彈簧的剛度決定；當(dāng)加壓環(huán)到達(dá)下死點(diǎn)后停止運(yùn)動(dòng)，繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)手柄使泵柱塞在小油腔b下行泵油，為夾緊動(dòng)作提供低速高壓油。

（2） 油缸

油缸的缸體31固定在活動(dòng)鉗身2上，缸柱塞32與斜楔抱合機(jī)構(gòu)的斜楔42連接，泵油時(shí)油缸產(chǎn)生推力，使缸體與柱塞產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。

（3） 斜楔抱合機(jī)構(gòu)

斜楔抱合機(jī)構(gòu)4位于活動(dòng)鉗身2內(nèi)，通過斜楔機(jī)構(gòu)，將缸柱塞32的軸向運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹С袎K46的側(cè)向移動(dòng)，使其與固定鉗身導(dǎo)軌12內(nèi)側(cè)的抱合面抱合，進(jìn)而產(chǎn)生支承力，使斜楔42與缸柱塞固定不動(dòng)；繼續(xù)加壓時(shí)，迫使缸體31向左反向移動(dòng)，帶動(dòng)活動(dòng)鉗身2產(chǎn)生夾緊動(dòng)作。

支承塊46右側(cè)與活動(dòng)鉗身支撐體21間安裝有T形約束塊44和弧形彈簧47，弧形彈簧對(duì)約束塊進(jìn)行限位，保證支承塊在斜楔作用下只向外側(cè)移動(dòng)而不右移；弧形彈簧的壓縮變形又可為后續(xù)活動(dòng)鉗身2的左移夾緊動(dòng)作提供移動(dòng)空間。

斜楔抱合機(jī)構(gòu)的3個(gè)彈簧具有不同的復(fù)位功能：臺(tái)鉗松開時(shí)，弧形彈簧47的彈力使活動(dòng)鉗身2右移，同時(shí)復(fù)位彈簧43推動(dòng)斜楔42與缸柱塞32左移復(fù)位；U形彈簧41使支承塊46在斜楔左移時(shí)向內(nèi)側(cè)復(fù)位，從而使兩抱合面脫離接觸。

1.2 工作過程

工件置于固定鉗口和活動(dòng)鉗口間，對(duì)于較大尺寸工件，也可放在鉗口上面的臺(tái)階處。推動(dòng)活動(dòng)鉗身及鉗口沿導(dǎo)軌前進(jìn)，直至頂住工件；然后轉(zhuǎn)動(dòng)手柄，實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的夾緊。動(dòng)作過程如下：

（1）支承塊與固定鉗身抱合

轉(zhuǎn)動(dòng)手柄37，泵柱塞36和加壓環(huán)33同時(shí)下行，對(duì)油缸夾緊機(jī)構(gòu)提供大流量低壓油，推動(dòng)缸柱塞32與斜楔42右行，支承塊46向外側(cè)移動(dòng)，兩抱合面咬合抱緊，使支承塊及缸柱塞與固定鉗身1固定，并產(chǎn)生軸向支承力，其支承力隨著夾緊力增加而增大。

（2）夾緊工件

繼續(xù)旋轉(zhuǎn)手柄，泵柱塞36進(jìn)入油泵下部小油腔b并下行，產(chǎn)生高壓油，由于缸柱塞32被固定，只能使油缸缸體31左移，帶動(dòng)活動(dòng)鉗身夾緊工件，其夾緊力由油缸直徑和油壓決定。

（3）松開工件

反向旋轉(zhuǎn)手柄，泵柱塞36回程，液壓夾緊機(jī)構(gòu)卸壓，弧形彈簧47的彈力迫使活動(dòng)鉗身2右移，解除對(duì)工件的夾緊；繼續(xù)反轉(zhuǎn)手柄，泵柱塞帶動(dòng)加壓環(huán)33回程，在復(fù)位彈簧43作用下，斜楔42與缸柱塞32回程，同時(shí)，支承塊46在U形彈簧41的彈力作用下，向內(nèi)側(cè)移動(dòng)，抱合面脫離接觸。

2 集成夾緊系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)計(jì)算

采用雙速手動(dòng)加壓泵，快速加壓用于抱合機(jī)構(gòu)的抱合動(dòng)作，慢速高壓加壓用于夾緊工件動(dòng)作。臺(tái)虎鉗整體尺寸、扭矩和夾緊力可參考臺(tái)虎鉗國家標(biāo)準(zhǔn)及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，夾緊系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)計(jì)計(jì)算如下：

2.1 加壓泵參數(shù)設(shè)計(jì)

（1） 絲桿扭矩

式中：T為扭矩，N·mm；P0為作用于手柄的力，N；b為手柄的有效長度，mm。

（2） 絲桿螺紋升角

為了提高夾緊效率可選擇較大的螺紋升角，但要滿足自鎖條件。

式中：ψ為螺旋升角，（°）；t為螺距，mm；d1為絲桿中徑，mm；各參數(shù)可按國家標(biāo)準(zhǔn)選擇[9]。

（3） 絲桿（泵柱塞）的推力和油壓[10]

式中：F為絲桿的推力，即泵柱塞的推力，N；η為傳動(dòng)效率，約為0.9～0.95；φ為摩擦角，φ=5.72°～8.5°；p為泵柱塞產(chǎn)生的油壓，MPa；d為泵柱塞直徑，mm。

（4） 泵柱塞的高壓夾緊行程

式中：h2為泵柱塞的高壓夾緊行程，mm；D為油缸直徑，mm；L2為油缸夾緊行程，mm。

（5） 絲桿加壓機(jī)構(gòu)的增壓比

式中：λ1為絲桿加壓機(jī)構(gòu)的增壓比。

（6） 加壓環(huán)的推力和行程

式中：F1為加壓環(huán)的推力，即加壓彈簧的彈力，N；P1為產(chǎn)生抱合動(dòng)作時(shí)斜楔的推力，N；h1為加壓環(huán)的行程，即加壓彈簧的工作行程，mm；L1為斜楔的行程，mm；D1為加壓環(huán)的外徑，mm。

（7） 絲桿的行程及轉(zhuǎn)數(shù)

式中：h為絲桿的行程，mm；N為完成夾緊動(dòng)作需要絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)，r。

2.2 抱合機(jī)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)

（1） 斜楔的推力和行程

斜楔機(jī)構(gòu)將油缸的軸向運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為支承塊的側(cè)向移動(dòng)，斜楔的推力P1為[11-12]：

式中：Fa為支承塊的運(yùn)動(dòng)阻力，包括支承塊的摩擦力和U形彈簧的彈力，N；α為斜楔的斜角，即斜楔的斜面與運(yùn)動(dòng)方向的夾角，（°）；R2為復(fù)位彈簧彈力，N。

斜楔的行程L1為

式中：S為支承塊的抱合行程；m為支承塊的滑動(dòng)行程。

（2） 抱合面結(jié)構(gòu)參數(shù)

支承塊與固定鉗身在側(cè)向壓緊力下抱合，使支承塊與固定鉗身固定，對(duì)夾緊機(jī)構(gòu)產(chǎn)生支承力，其支承力必須大于臺(tái)虎鉗對(duì)工件的夾緊力，取安全系數(shù)為n1，則單個(gè)支承塊對(duì)固定鉗身的支承力等于臺(tái)虎鉗的夾緊力，即

取n1=2，則

式中：W為單個(gè)支承塊對(duì)固定鉗身的支承力，N；P為臺(tái)虎鉗對(duì)工件的夾緊力，N。

受摩擦系數(shù)的影響，難以通過平面摩擦副的方法對(duì)夾緊機(jī)構(gòu)提供足夠的支承力。故采用具有橫向齒槽的抱合面結(jié)構(gòu)，為夾緊機(jī)構(gòu)提供支承力。圖2a為具有橫向梯形齒槽結(jié)構(gòu)示意圖，如圖所示，下部為支承塊部分的齒槽，上部為固定鉗身部分的齒槽，均為橫向齒槽結(jié)構(gòu)。

抱合后，支承塊齒形的右側(cè)面與固定鉗身齒形的左側(cè)面配合，形成支承面，如圖2b。各支承面共同作用產(chǎn)生抱合力，對(duì)工件的夾緊提供軸向支承力。抱合面設(shè)計(jì)主要是形狀尺寸設(shè)計(jì)，要求工作效率高且穩(wěn)定可靠。

圖2 抱合面齒槽形狀及抱合狀態(tài)

（1） 抱合行程計(jì)算

支承塊的抱合行程為

式中：S為支承塊的抱合行程，mm；s為非抱合狀態(tài)時(shí)兩抱合面齒頂?shù)拈g隙，mm；l為齒高，mm。

支承塊側(cè)向移動(dòng)進(jìn)行抱合，支承塊的齒槽與固定鉗身的齒槽在剛接觸時(shí)，可能出現(xiàn)以下幾種情況：①支承塊的齒與固定鉗身的槽相對(duì)應(yīng)，此時(shí)，支承塊直接向外側(cè)移抱合；②支承塊右齒面碰到固定鉗身左齒面，如圖3a，隨后支承塊會(huì)沿著接觸面斜向左移抱合，此情況會(huì)減小支承塊的滑動(dòng)行程；③支承塊左齒面碰到固定鉗身右齒面，之后，支承塊會(huì)沿著接觸面斜向右移抱合，此情況會(huì)增加支承塊的滑動(dòng)行程；④支承塊齒頂碰到固定鉗身齒頂后，如圖3b，隨后支承塊會(huì)先沿齒頂右移，再沿齒面斜向右移抱合，此情況支承塊的滑動(dòng)行程最大，為

圖3 支承塊抱合移動(dòng)路徑

式中：t1為齒距，mm；α1為支承面斜角，（°）。

支承塊在抱合時(shí)的右向滑動(dòng)，增加了斜楔的行程，從而影響油泵的行程。

（2） 齒槽承壓面斜度設(shè)計(jì)

抱合面在承受支承力時(shí)，有出現(xiàn)滑脫的可能。其不發(fā)生脫滑的條件為，支承塊受到的滑脫力小于斜楔對(duì)其產(chǎn)生的壓緊力，即

式（13）代入得

將式（17）和式（18）代入式（16）得

（3） 抱合面尺寸計(jì)算

對(duì)于微凸凹槽抱緊面結(jié)構(gòu)，支承力W為

又

則

式中：e為齒槽梯形齒的寬度；B為齒槽的長度；z為牙數(shù)；A為支承塊抱合面有效長度；n2為安全系數(shù)，取n2=2～4；τ為材料剪切強(qiáng)度，當(dāng)支承塊和固定鉗身材料為 45 鋼時(shí)，σs=355 MPa，τ=178 MPa[13]。

由以上分析可知，支承力的大小與抱合面的有效面積（AB）有關(guān)，與齒槽的尺寸大小無關(guān)，另一方面，抱合行程與齒槽的齒距和齒高有關(guān)，齒槽尺寸越小，需要的抱合行程越小，斜楔及泵柱塞的行程隨之變小，故為提高夾緊效率，齒槽可以采用亞毫米級(jí)尺寸；齒槽結(jié)構(gòu)可以采用雙弧面、正弦曲面等，只要其支承面斜角滿足式（19）即可，進(jìn)一步講，選較小的支承面斜角α1，支承效果更好，如可選鋸齒狀齒槽，α1=2°～5°；在此條件下，斜楔可采用較大的斜角，以提高夾緊效率和減小固定鉗身的受力變形。

（3） 抱合機(jī)構(gòu)各彈簧的彈力和行程

式中：R1為單個(gè)U形彈簧彈力，N；R2為復(fù)位彈簧彈力，N；R3為單個(gè)弧形彈簧彈力，取R3=R2，N；x為安全系數(shù)，x=1.2～1.5；μ為摩擦系數(shù)，在潤滑條件下，μ=0.1～0.12；w1為支承塊的重量，N；w2為斜楔的重量，N）；臺(tái)虎鉗中的斜楔和支承塊的重量都不會(huì)大于1 kg，可以按1kg計(jì)算；H為柱塞的高度，可取H=（0.6～1）D，mm；x1為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，x1=（4.5～5）×10-5；b1為 U 形彈簧行程；b2為復(fù)位彈簧行程；b3為弧形彈簧行程；L為油缸行程，mm；L2為油缸夾緊行程，粗加工時(shí)約1.5 mm，精加工時(shí)可取1 mm。

（4） 支承塊抱合運(yùn)動(dòng)阻力

2.3 液壓缸相關(guān)參數(shù)

（1） 高壓下行時(shí)的油缸的推力

式中：F2為油缸推力，N；P為夾緊力，N。由于R3遠(yuǎn)小于P，可以忽略不計(jì)，故取

（2） 油缸直徑

由P=p(πD2/4)，得

（3） 液壓增壓機(jī)構(gòu)的增壓比λ2

（4） 液壓夾緊機(jī)構(gòu)增壓比λ

（5） 油缸行程L

式中：L為油缸行程，mm。

2.4 設(shè)計(jì)實(shí)例

臺(tái)虎鉗總體結(jié)構(gòu)可參照GB 4344-84機(jī)床用平口虎鉗結(jié)構(gòu)進(jìn)行，表1所示為輕重兩種臺(tái)虎鉗夾緊系統(tǒng)的相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)。梯形絲桿的直徑和螺距按GB 5796[1].1-86選取。

表1 夾緊系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)

續(xù)表1

3 結(jié)語

集成夾緊系統(tǒng)集絲桿加壓、雙速柱塞泵增壓、機(jī)械抱合機(jī)構(gòu)抱合和液壓缸驅(qū)動(dòng)夾緊為一體，可以實(shí)現(xiàn)工件的輕松快速夾緊；手工快速推動(dòng)活動(dòng)鉗身，可適合不同大小工件的夾緊，方便快捷。

（1） 通過液壓機(jī)構(gòu)推動(dòng)斜楔換向機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)抱合機(jī)構(gòu)抱合，抱合機(jī)構(gòu)又為液壓夾緊動(dòng)作提供支承力，實(shí)現(xiàn)手推快進(jìn)與液壓夾緊有機(jī)結(jié)合。（2） 采用帶齒槽的抱合面結(jié)構(gòu)進(jìn)行抱合止滑，抱合結(jié)構(gòu)對(duì)稱布置，具有很大的軸向支承力和夾持剛度，可有效防止夾緊工件時(shí)活動(dòng)鉗口的后退和傾斜。（3） 采用雙速油泵，可以實(shí)現(xiàn)低壓快速抱合、高壓慢速夾緊，有效減少油泵的夾緊行程及手柄的轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)，所需手柄的轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)很少。（4） 通過絲桿機(jī)構(gòu)加壓，液壓機(jī)構(gòu)增壓，可實(shí)現(xiàn)極大的增壓倍數(shù)，所需手動(dòng)力很小。（5） 集成化設(shè)計(jì)思路，使臺(tái)虎鉗結(jié)構(gòu)緊湊、夾緊力大、工作效率高。（6） 可用作各種臺(tái)虎鉗的夾緊系統(tǒng)，特別適合工件尺寸范圍大、大小工件調(diào)換頻繁的場(chǎng)合。