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(chǎn)中的普遍使用,以及柔性制造系統(tǒng)(FMS)、計算機集成制造系統(tǒng)(CIMS)等的發(fā)展,多品種中小批量生產(chǎn)日益受到重視。柔性夾具理所當然成為現(xiàn)代夾具的一個主要發(fā)展方向。同時采用綠色設計與制造是制造業(yè)實施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略、解決環(huán)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(fā)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(jié)構(gòu)簡單,經(jīng)濟環(huán)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(tǒng)主要由斜楔、滑塊、鉸桿、復位彈簧、偏心輪等組成。

在滑塊內(nèi)部加工一個方形的孔,其寬度為鉸桿聯(lián)接處的直徑大小,當夾具工作時,斜楔推動滑塊運動,鉸桿聯(lián)接處可以在方孔內(nèi)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(zhuǎn)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(xiàn)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(jīng)斜楔的一次力放大后作用力驅(qū)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(jīng)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(tài)。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(zhuǎn)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(tǒng)的理論增力系數(shù)iot和實際增力系數(shù)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(zhuǎn)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(zhuǎn)中心的距離,L3=2e;γ為偏心輪力輸入點與旋轉(zhuǎn)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(shù));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(zhuǎn)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(tǒng)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(shù)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(shù)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(shù)隨著斜楔楔角α的變小而變大。因此,在設計夾具結(jié)構(gòu)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(nèi),從而可以獲得較大的力放大系數(shù)。

3 應用舉例

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

該系統(tǒng)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(jié)語

通過上述計算可知,該夾具系統(tǒng)中,給斜楔一個較小的瞬間作用力,經(jīng)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(fā)展要求;另一方面,該夾具系統(tǒng)采用偏心輪夾緊機構(gòu),對一定尺寸范圍內(nèi)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(fā)展前景。因此,對其進行較為系統(tǒng)的研究及創(chuàng)新開發(fā),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(yè)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(tǒng)[J].現(xiàn)代制造工程,2008(8):105-107.