浮动夹紧双向定心夹紧机构

1　引言

　　在进行批量生产的自动机床或组合机床生产线上，经常遇到一些以毛坯表面作定位基准的不规则的回转体类零件。由于这类零件其本身存在着铸造误差，所以很难保证其对中和均匀夹紧的要求，这是工程技术人员都在努力探讨的问题。我们经过大量的实践，设计了浮动夹紧双向定心夹紧机构，解决了以毛坯表面作定位基准时的浮动夹紧问题。该机构在大批量生产中有着十分重要的现实意义。

2　工作原理

　　浮动夹紧双向定心夹紧机构的基本工作原理是：当被夹持工件的尺寸有误差时，它的两对卡爪可以在设计的范围内自动进行调节，通过钢球与锥面的补偿作用，使夹持的工件对中，并使夹紧力均匀作用在四个卡爪上。其工作过程分析如下。

图1　卡爪位置示意图

　　为便于说明，将图1所示的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四个卡爪按相互垂直方向分成两对。以外夹为例，根据传动原理图(见图2)，这时与Ⅰ、Ⅱ这一对卡爪相连的杠杆3 分别插入外锥套4的孔中，与Ⅲ、Ⅳ这一对卡爪相连的杠杆9分别插入内锥套6的孔中。需要说明的是，图2所示的仅仅是两对卡爪中各自只有一个卡爪的杠杆分别插入内、外锥套时的工作情况。
　　当油缸拉杆7向左移动时，拉动拉杆套8，并压迫钢球5，通过锥面推动外锥套4和内锥套6同时向左运动。外锥套4 推动杠杆3，内锥套6推动杠杆9，各自带动与之相连的卡爪1、滑块2和卡爪11、滑块10动作，如图2所示。在夹紧过程中，假定工件存在着定位尺寸误差，标号为Ⅰ、Ⅱ的这一对卡爪先接触工件，标号为Ⅲ、Ⅳ的另一对卡爪距离工件还相差一个间隙Δl1(设两卡爪距工件间隙值相等，即ΔlⅢ＝ΔlⅣ)，此时外锥套4尽管受到钢球5的作用力，但由于与其相连的Ⅰ、Ⅱ卡爪已夹住工件，行程受到限制s，所以外锥套4不能向左移动。而内锥套6由于与其相连的Ⅲ、 Ⅳ两卡爪各自与工件的间隙值相等，因此内锥套6在钢球5的作用下，可以产生与外锥套4的相对滑移，即向左移动，直到Ⅲ、Ⅳ这一对卡爪均移动同样距离夹紧工件后停止，其移动距离的大小即误差补偿值大小，是由设计的结构参数决定的。

图2　传动原理图
1.卡爪Ⅰ　2、10.滑块　3、9.杠杆　4.外锥套　5.钢球
　6.内锥套　7.拉杆　8.拉杆套　11.卡爪Ⅲ

　　以上讨论的是Ⅲ、Ⅳ这一对卡爪距离工件的间隙相等时的情况。当工件处于偏夹状态，即Ⅲ、Ⅳ卡爪离工件的间隙ΔlⅢ≠ΔlⅣ(假定ΔlⅢ＜ΔlⅣ)时，这样在夹紧时，由于内外锥套的相动滑移而使卡爪Ⅲ与卡爪Ⅰ、Ⅱ同时接触工件。在卡爪Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的同时作用下，工件具有向不产生约束力作用的卡爪Ⅳ的方向移动的趋势。此时，在卡爪Ⅲ的作用力下，工件会自动地向不受约束的方向移动，使得ΔlⅢ＝ΔlⅣ，然后四个卡爪均匀施力夹紧工件后停止。
　　前述是Ⅰ、Ⅱ卡爪先接触工件后Ⅲ、Ⅳ卡爪的动作，当Ⅲ、Ⅳ卡爪先接触工件时，Ⅰ、Ⅱ卡爪的动作过程分析方法与上述完全一致。
　　夹紧动作完成后，工件自动对中，夹紧力均匀作用在四个卡爪上。工件的夹紧对中精度和重复定位精度均由卡盘制造精度来保证。对于大直径的工件卡盘，在制造工艺中采用在整体装配后用超硬硬质合金刀具修卡爪齿面的方法，来补偿装配尺寸中的误差。通过修磨调整垫，可以调整机构的间隙，以提高重复定位精度。

3　结构特点

　　夹紧机构的主要结构特点如下：
　　(1)工件误差调节范围大，设计指标单爪误差调节值为±3.5mm，即单向实际可达7mm，可以适应大批量生产中毛坯的变化要求。
　　(2)夹紧力大，输入油缸作用力为100kN,实际四爪夹持力最大为250kN。
　　(3)定位精度高，重复定位精度为0.02mm。
　　(4)结构可靠，易于制造。

图3　夹紧机构简图
1.夹具体　2.钢球　3.内锥套　4.外锥套　5.杠杆　6.销轴　7.滑块　
8.T型压板　9.卡爪Ⅰ　10.盖板　11.拉套　12.调整垫　13.卡爪Ⅲ

4　卡爪误差补偿间隙计算

　　由工作原理可知，钢球与锥面误差补偿机构中钢球的质心运动轨迹为沿着外锥套4或内锥套6的表面作平移(如图4)，卡爪对工件误差补偿值的大小取决于钢球直径及锥面的尺寸。在设计中考虑到被夹持工件的铸造公差，取单爪补偿量为Δl＝3．5mm，杠杆比为L1/L2＝2．5，这样，补偿机构中钢球在水平和垂直两个方向的最大移动距离为Δlx＝Δly＝2．5，Δl＝8．75mm，两个卡爪间最大误差补偿间隙为Δlmax＝2Δl＝7mm，这已能满足一般毛坯的公差要求。

图4

　　该卡爪夹紧主要结构见图3所示。

　　浮动夹紧双向定心夹紧机构由于其独特的结构，而在批量生产中有助于提高生产效率，特别适用于数控机床和组合机床。值得一提的是，此种结构也可用于车床卡盘上，只要配一个动力油缸就可以使用。该机构通过换用不同规格的夹爪，还可夹持非对称的偏心工件(如图5)，也可设计专用夹爪来夹持各种异形件。

图5

5　结束语

　　本文介绍了夹紧机构的结构特点和工作原理，解决了夹具设计中的浮动夹紧问题，该机构在大批量生产中具有重要的现实意义。对卡盘的设计制造也有一定的参考价值。