气液增压-铰杆机构增力双工位高效夹具

肖莹华，钟康民

XIAO Ying-hua, ZHONG Kang-min

（苏州大学 机电工程学院，苏州 215000）

0 引言

机械制造业中应用最为广泛的机动夹具，是液压与气压传动夹具。气压传动夹具的优点是，夹紧动作迅速，不会产生环境污染，便于自动化控制，系统故障少；夹紧后的切削加工过程中，依靠压缩空气的势能，能够持续保持对被夹紧工件的夹紧力，不再消耗能源，所以能量利率高。主要缺点是压缩空气容易泄露，所以系统压力较低（一般为0.4～0.7MPa）,因而造成夹紧力不可能很大。液压传动夹具的主要优点，是系统压力高，夹紧力大。主要缺点能量利用率低，液压泵噪音较大，且容易发生因油液泄露及挥发造成环境污染。而没有蓄能器保压的液压传动系统，夹紧后的切削加工过程中，液压泵仍需要运转，以保持对被夹紧工件的夹紧力；不仅多消耗能量，而且溢流回路会导致系统温度升高。

此外，为了缩短装夹工件的辅助时间，大批量生产中，往往采用装夹时间与切削加工时间重合的双工位高效夹具[1～4]。因此，创新设计出兼有液压与气压传动优点的双工位高效夹具，是许多夹具设计人员长期追求的目标。下面，介绍我们设计的一种双工位夹具。

1 工作原理

图1是夹具的工作原理图，其设计创意来自气液增压双工位液压拉伸机[5]。当气动换向阀的电磁铁得电时，阀芯处于上图所示左位状态，压缩空气进入左气腔，推动气缸活塞向右运动；右主动液压活塞压缩右液压腔的油液，将油液增压后作用到右工位输出活塞上；右工位输出活塞杆则通过右边的连杆及双边铰杆增力机构，由右夹紧元件对右工位的工件进行夹紧。此时，压缩空气同时进入左工位输出活塞的左腔，左工位输出活塞杆拉动左边的连杆及双边铰杆增力机构，使得左夹紧元件向上运动，从而松开左工位的工件以进行装卸。

当右边工件的切削加工过程完成后，控制系统使得气动换向阀的电磁铁失电，其阀芯切换至下图所示右位工作状态，压缩空气进入右气腔，推动气缸活塞向左运动。该状态下，左工位的工件被夹紧，而右工位的工件被松开。

左右两个工位如此循环工作。由于工件的切削加工时间与装卸时间重合，因而大幅度提高了生产效率。

2 力学计算与运动特性分析

2.1 力学计算

图1所示夹具中，气缸所提供的推力FP的计算公式为：

而夹紧元件作用于工件的夹紧力FC，由下式进行计算：

以上两式中，D、d1、d2分别为气缸活塞、主动液压缸活塞和输出液压缸活塞的直径，p为压缩空气压力，P为气缸的力传递效率，一般可取P≈0.85；H为液压缸的力传递效率，一般可取H≈0.92。T为铰杆增力机构的力传递效率，一般可取T≈0.90。

显然，FC与FP的比值i，就是气液增压装置与铰杆增力机构串联作用的增力系数，即

图1 工作原理图

2.2 夹紧元件运动特性分析

对公式（3）进一步分析可知，双边铰杆增力机构的理想增力系数，即不考虑摩擦损失的增力系数iTI＝。因此，只有在即理论压力角 ＜27.5°时，双边铰杆增力机构才在理论上是一个力放大机构。而当 ＞27.5°时，它实际上是一个减力机构，同时是一个行程放大机构。也就是说，当 角较大时，夹紧元件运动速度相对快，所能提供的夹紧力相对小；而当角较小时，夹紧元件运动速度相对慢，所能提供的夹紧力相对小。由铰杆增力机构的这一力学特性可以得知，图1所示夹具夹紧元件的运动速度，夹紧过程刚刚开始时快，以后逐渐变慢，夹紧时由于压力角角变得很小，因而能够提供较大的夹紧力。这较为符合一般夹具对夹紧元件运动速度特性的要求。

3 结束语

本文介绍的双工位高效夹具，具有以下显著优点：

1）气压传动利用的是压缩空气的压力势能，在工件处于被夹紧状态时，由于夹紧元件没有位移，所以不消耗能量，因而较液压传动夹具，节能显著。

2）仅采用一个驱动气缸，能实现二个工位工件的顺序夹紧，工件的切削加工时间与装卸时间重合，经济性好，生产效率高。

3）液体是密闭静压传递的，不存在液压泵和开放式油箱，能基本杜绝因油液泄露而造成的环境污染；且不存在高速运转的电机及液压泵，噪音小，振动轻。

4）驱动气缸部分与夹紧液压缸之间用油管连接，为夹具的总体布局设计提供了很大柔性。

5）夹紧元件的运动速度由快到慢，最终得到较大的夹紧力，符合一般夹具对夹紧元件运动速度特性与夹紧力特性的要求。

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