一种绿色化的气动－液压－机械复合传动夹具

高新新，郭旭红，黄星

(苏州大学机电工程学院，江苏苏州215021)

传统的机床夹具往往是液压夹具。液压夹具的主要优点是:系统压力高，夹紧力大;主要缺点是:能量利用率低，液压泵噪声较大，且容易发生因油液泄漏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。针对此问题作者设计了带有铰杆增力机构[1－2]的气动－液压－机械复合传动夹具，这种夹具能够迅速地夹紧和松开工件，提高了工作的效率。

1 工作原理

图1是作者设计的气动－液压－机械复合传动夹具的原理图。在气缸和主动活塞之间设计一个铰杆增力机构，主动活塞和复合缸利用无液压泵式液压机构[3]。

图1 工作原理图

1.1 工件的夹紧

当气动换向阀处于图1中的左位状态时，压缩空气进入气缸左腔，推动气缸活塞向右运动;通过铰杆机构进行了第一次力放大，推动主动活塞压缩油液，进入复合缸左腔中，在这个过程中由于两个液压缸的截面积不同，利用面积增力效应进行了第二次力放大;最后复合缸左腔中的液压油受压产生压力推动复合缸的活塞夹紧工件。

在这个夹具系统中，采用了非线性的铰杆增力机构，开始时α角较大，夹紧元件的速度较快，缩短了时间。当工件被夹紧时，随着α角变小，可获得更大的夹紧力。

由于气压传动是利用压缩空气的势能工作。在工件被夹紧后的切削加工过程中，可保持对工件的持续夹紧而不消耗能量。而如果采用没有蓄能器的液压传动系统，为了持续保持对工件的夹紧力，液压泵需要不断运转以提供动力，溢流回路的持续溢流会造成不必要的能源浪费。由于文中设计的夹具初始能源为气压传动，所以能够解决这个问题[4]。

此外，由于输出液压腔与复合缸左腔之间采用管路连接，因此，复合缸的空间位置可以随意布置，提高了柔性化。

1.2 工件的松开

工件加工完成后，使气动换向阀处于右位状态，压缩空气进入复合缸的右腔中，同时进入气缸右腔，通过铰杆机构推动气缸的活塞将多余的空气排出。

2 力学计算

2.1 输出力计算

不考虑摩擦时，夹紧装置的夹紧力称为理想夹紧力，其计算公式为:

考虑摩擦损失后的夹紧力称为实际夹紧力，其计算公式为

式中:p为气压泵输入的压力;

D1为气缸的直径;

D2为复合缸的直径;

d为主动活塞直径;

ηP为气缸的力传递效率，一般可取ηP≈0.85[5];

ηH为液压缸的力传递效率，一般可取ηH≈0.92[5]。

由以上公式可看出:在夹紧工件过程中，随α角的减小夹紧力不断增大。由此，前面所提到的夹紧力增大得以证明。

2.2 铰杆增力机构力学分析

文中介绍的气液机械复合夹具应用了铰杆增力机构，下面对铰杆增力机构进行力学分析。

不考虑摩擦，铰杆增力机构的理想增力系数为:

考虑摩擦损失后实际的增力系数为:

当铰杆角度从α1变小到α2时，铰杆夹紧端的行程so为:

图2是铰杆增力机构的力学特性图，可以看出:在选择α角度时，不应小于一定的值，一般情况下，α 应为7°～10°。但需要指出的是:这类机构不能象斜锲机构那样具有自锁功能，仅在α角很小时，也就是说，当α角趋于零时，理论上才能自锁。但这时，夹紧力将急剧增大，工件及机构中的元件可能会受力过大而发生变形，因此趋向零的α角实际上是不存在的[6]。

图2 铰杆增力机构力学特性图

3 结论

文中介绍的气动－液压－机械复合传动夹具，具有以下显著的优点:

(1)气压传动利用的是压缩空气的压力势能，在夹具处于夹紧工件状态时，不消耗能量，因而较液压传动夹具节能显著。

(2)主动活塞和复合缸间的液体是采用密闭静压传递的，不存在液压泵和开放式油箱，不存在油液挥发，泄漏极少，污染极小。

(3)可实现对工件的快速夹紧和松开，提高了生产效率。

(4)可将驱动气缸部分设置于机床底部，节省空间，使整体布局更加简洁。

【1】司广琚，钟康民.基于铰杆增力自锁机构的冲击式气动夹具[J].机械制造，2008，46(2):67－68.

【2】柏青，钟康民.一种采用铰杆连接的气－液增压装置[J].流体传动与控制，2006，9(5):31－35.

【3】窦云霞，钟康民.无液压泵式气液增压双工位液压拉伸机[J].制造技术与机床，2010(10):58－59.

【4】钟康民.双作用双级气－液传动增压装置[J].新技术新工艺，2003(11):17－18.

【5】林文焕，陈本通.机床夹具设计[M].北京:国防工业出版社，1987.

【6】陈志嵩，钟康民.铰杆－杠杆串联组合机构分析及其应用[J].机械设计，2010(1):58－59.