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在夾具設(shè)計(jì)中，采用適當(dāng)?shù)臋C(jī)械增力機(jī)構(gòu)與液壓傳動(dòng)技術(shù)相結(jié)合，可以有效地降低液壓系統(tǒng)的工作壓力，延長(zhǎng)其使用壽命。但是，將常見的杠桿增力機(jī)構(gòu)、鉸桿增力機(jī)構(gòu)和斜楔增力機(jī)構(gòu)用于液壓夾具時(shí)，往往造成夾具結(jié)構(gòu)不緊湊，或摩擦損失較大。我們研究的鋼球增力式液壓夾具，則基本克服了上述缺點(diǎn)。

1 雙鋼球增力機(jī)構(gòu)與無(wú)桿液壓缸

1) 工作原理

圖1所示為雙鋼球增力機(jī)構(gòu)與無(wú)桿液壓缸組成的液壓夾具，其工作原理是：當(dāng)換向閥在圖示位置，壓力油通往液壓缸左腔，活塞向右運(yùn)動(dòng)，置于活塞中部孔中的鋼球推動(dòng)在其右上方的鋼球向上運(yùn)動(dòng)；其右上方的鋼球以輸出力F推動(dòng)夾具上的夾緊元件來(lái)對(duì)工件進(jìn)行夾緊。當(dāng)換向閥切換至右位工作時(shí)，活塞向左運(yùn)動(dòng)，使工件松開。

1.鋼球 2.液壓缸體 3.力作用線 4.活塞
圖1

2) 力學(xué)計(jì)算

經(jīng)建立力學(xué)模型并進(jìn)行分析后可知，如果忽略力傳遞過(guò)程中的摩擦損失，圖1所示系統(tǒng)的理論輸出力Ft(單位N)、理論增力系數(shù)it的計(jì)算公式為

F_t=(pd²p/4)/tana_t (1)
i_t=F_t/(pd²p/4)=1/tana_t (2)

式中 d——活塞直徑，m
p——液壓缸左腔壓力，Pa
αt——理論壓力角，rad或(°)

圖1所示系統(tǒng)的實(shí)際輸出力Fp(單位N)及實(shí)際增力系數(shù)ip，可由下面的近似計(jì)算公式求得。

式中φ為活塞與液壓缸內(nèi)壁之間的摩擦角，單位為rad或(°)，即φ=arctanµ(µ為活塞與液壓缸內(nèi)壁之間的摩擦系數(shù))。

需要注意的是，式(3)、(4)是在忽略鋼球之間、鋼球與其約束孔之間的摩擦損失的條件下得到的。此外，在進(jìn)行夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)還要注意，應(yīng)對(duì)活塞設(shè)置周向定位裝置。

2 三鋼球增力機(jī)構(gòu)與無(wú)桿液壓缸

圖2所示為三鋼球增力機(jī)構(gòu)與無(wú)桿液壓缸組成的液壓夾具，其工作原理是：活塞中部銑扁，并加工有一個(gè)通孔，孔內(nèi)置有一個(gè)鋼球。當(dāng)換向閥在圖示位置時(shí)，壓力油通往液壓缸左腔，活塞向右運(yùn)動(dòng)，置于活塞中部孔中的鋼球，在其右下方鋼球的作用下，便在孔中向上運(yùn)動(dòng)，并推動(dòng)其右上方的鋼球向上運(yùn)動(dòng)；其右上方的鋼球以輸出力F推動(dòng)夾具上的夾緊元件來(lái)對(duì)工件進(jìn)行夾緊。

1、5.鋼球 2.液壓缸體 3.力作用線 4.活塞
圖2

圖2所示系統(tǒng)中，若右上方和右下方的兩個(gè)鋼球的中心位于同一條垂直線上，則其理論輸出力Ft、理論增力系數(shù)it的計(jì)算公式為

F_t=(pd²p/4)/2tana_t (5)
i_t=F_t/(pd²p/4)=1/2tana_t (6)

對(duì)于圖2所示系統(tǒng)，由于力在傳遞過(guò)程中的摩擦損失較小，故其實(shí)際輸出力Fp和實(shí)際增力系數(shù)ip，可以用理論公式來(lái)代替，進(jìn)行近似計(jì)算。

3 技術(shù)性能比較

圖1和圖2所示兩種系統(tǒng)的技術(shù)性能比較如下：

1) 在結(jié)構(gòu)緊湊性和結(jié)構(gòu)剛性上，圖1系統(tǒng)優(yōu)于圖2系統(tǒng)。

2) 活塞的有效位移相同時(shí)，圖2系統(tǒng)中右上角鋼球的輸出位移，是圖1系統(tǒng)的2倍。

3) 在活塞受力條件上，圖2系統(tǒng)優(yōu)于圖1系統(tǒng)。不難看出，圖1系統(tǒng)中的活塞要承受很大的徑向力，而圖2系統(tǒng)中的活塞所受的徑向力極小，可以忽略不計(jì)。

4) 由活塞受力條件所決定，圖1所示系統(tǒng)的摩擦損失要顯著大于圖2所示系統(tǒng)。盡管從計(jì)算公式(2)、(6)對(duì)比來(lái)看，圖1所示系統(tǒng)的理論增力系數(shù)it的值，是圖2所示系統(tǒng)的2倍。但由于圖1所示系統(tǒng)的摩擦損失較大，所以當(dāng)理論壓力角較小時(shí)，這兩種系統(tǒng)的實(shí)際增力系數(shù)ip的值，差距并不顯著。例如，設(shè)αt=8°，φ=6°，圖1及圖2所示系統(tǒng)的實(shí)際增力系數(shù)由式(4)及式(6)得ip1≈4.01，ip2≈3.56，圖1所示系統(tǒng)的實(shí)際增力系數(shù)僅是圖2所示系統(tǒng)的1.13倍。

4 結(jié) 論

1) 鋼球增力機(jī)構(gòu)與無(wú)桿液壓缸組合而成的夾具系統(tǒng)，優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，制造工藝簡(jiǎn)便；缺點(diǎn)是鋼球與其接觸的元件之間皆為點(diǎn)接觸，不宜承受過(guò)大的負(fù)載。

2) 三鋼球增力機(jī)構(gòu)與無(wú)桿液壓缸組合而成的系統(tǒng)，綜合技術(shù)性能指標(biāo)優(yōu)于雙鋼球增力機(jī)構(gòu)與無(wú)桿液壓缸組合而成的系統(tǒng)，設(shè)計(jì)夾具時(shí)應(yīng)優(yōu)先選用。

3) 鋼球增力式液壓夾具適合在要求夾緊自動(dòng)化的中小型機(jī)床上使用。