一种楔块增力式自锁液压卡爪装置的研究与应用

郑凤玲，张燕红

（山东华宇工学院，山东德州 253034）

0 引言

应用于高铁桥梁的支座可承受7000 t 的冲击力，使高铁在运行中能够保持平稳安全。支座的作用之一是使反作用力清晰地作用在墩台的指定位置，并将集中反作用力分散到足够大的区域，以确保墩台的稳定性和可靠性。由此可见，支座起着极其重要的作用。在现有的技术基础上加工高铁桥梁支座工件时，需要对工件进行固定和夹紧。夹紧工件时，动作笨拙、耗时费力、安全性和可靠性差、容易松动。进行更换夹具时，需要将夹具上的所有紧固螺钉拆下才能调换其他夹具，使用不便，耗费了极大的工作量。随着科技的发展和技术的进步，要求机械工业不断在原有技术上创新和创造新的装备种类。研究提供了一种楔块増力式自锁液压卡爪装置，能有效的解决加工高铁桥梁支座时遇到的装夹问题。

1 高铁桥梁支座装夹装置的背景

1.1 国内背景

中国机床产业的整体发展水平与国外发达国家之间相比存在一定的差距。作为机床的主要配件，卡盘的设计和制造也存在相同的情况[1]。国内的动力卡盘普遍存在功能质量可靠性差、精度低、抱轴卡死等问题。液压卡盘被称为机床实现智能化与自动化的主要产品，在国内有着良好的发展前景。

中国装备制造业需求量显著增长，相应地，液压卡盘行业也在快速发展。我国液压卡盘产品技术虽然在精度、可靠性等方面还是和一些发达国家的先进水平存在较大差距，但是无论是在复合化、精密化或是高速化等方面都取得了突破性进展。我国装备制造业发展的最大薄弱环节和产业升级的最大障碍都在液压卡盘行业，针对这一情况，国家计划实施了与液压卡盘相关的重大专项。随着液压卡盘行业各项研究的推进，使我国液压卡盘技术得到了显著提高，这为扩大国内机床市场提供了良好的条件，同样重要的是推动了液压卡盘及数控系统和相关功能部件的市场发展。

1.2 国际背景

动力卡盘分为液压动力卡盘和气动动力卡盘。动力卡盘在国外已经被大量采用，特别是欧洲国家，更多的应用在加工中高精度数控机床中，应用在普通机床的数量逐渐减少。目前，国外的液压缸产品已足够成熟，其中优秀的品牌有英国的SHEFFIELD（钢盾）、美国的Honeywell（霍尼韦尔）以及德国的西德宝。西方发达国家的动力卡盘已占据很大的市场，手动卡盘逐渐退出。德国雄克公司（Mengen）分厂具有数十年的生产卡盘类产品的经验，大概有800 种不同规格的机床卡盘，雄克动力卡盘具有夹持精度高、磨损小、夹紧力大、工作稳定等特点[2]。

KY95210 液压动力卡盘（图1）是我国某机械厂从英国引进的样件，经过消化吸收生产的产品，其夹紧力的大小及结构都优于其他液压卡盘。

图1 KY95210 动力卡盘结构

K51 型动力卡盘（图2），与国内刚开始试制的此类卡盘相比，国外卡盘性能及结构上具有大通孔、高转速、大油压和大的活塞行程等特点。

图2 K51 动力卡盘结构

在今天的工业自动化生产过程中，德国SCHUNK 卡爪受到很多企业欢迎，尤其是在中国市场，福州法拉第供应的SCHUNK 卡爪应用广泛。我国卡盘的发展目前处于略逊色的位置。

2 楔块增力式自锁液压卡爪装置的研究

2.1 研究目的

为高铁桥梁支座加工而设计的楔块增力式自锁液压卡爪装置，有效的解决目前杠杆式夹紧装置所带来的问题，如固定夹持时、动作笨拙、耗时耗力、安全性和可靠性差、容易松动，增加使用者的工作量等问题。用于高铁桥梁支座的楔块增力式自锁液压卡爪装置结构新颖，巧用斜燕尾，形成自锁，保证了加工的安全性。

2.2 工作原理

在使用时，先将固定板固定在车床或铣床工作台上，固定板上设置有螺孔和防滑凸起，方便将固定板固定；然后根据需要夹紧的工件将卡爪结构固定在固定板上，通过固定板上的锁紧结构对支撑板进行固定（图3）。在使用本装置时，固定板上转动连接有旋转轴，旋转轴转动带着齿轮转动，齿轮通过齿条带着动力轴在固定板内滑动，动力轴带着3 对压紧块滑动，3 对压紧块会挤压锁紧柱上固接的3 对受压块，3 对受压块带着锁紧柱滑动，锁紧柱上的凸起会卡在支撑板的凹槽内，防止凹槽滑动。通过3对压紧块推动锁紧柱滑动并卡死支撑板，对支撑板进行固定，提高了本装置的便利性。

图3 固定装置结构

楔块増力式自锁液压卡爪装置包括卡爪结构和与卡爪结构相配合的固定结构（图4）。当油缸无活塞杆腔充油，活塞向前运动推动増力楔块，増力楔块通过斜燕尾导轨推动伸缩块伸出；当油缸有活塞杆腔充油，活塞向后运动拉动増力楔块，増力楔块通过斜燕尾导轨拉动伸缩块退回。伸缩块伸出时可以用于夹紧待加工工件，夹紧力通过伸缩块传递至斜燕尾导轨，由于斜燕尾导轨斜度角小于摩擦角，工件夹紧力不会通过斜燕尾导轨传递至油缸活塞形成自锁，并且蜗杆能够带动蜗轮，蜗轮能够带动齿条，进而齿条带动伸缩快，伸缩快能够调节行程，增大对不同长度工件的加持力，保证工作时的稳定性。即使系统断电油缸泄压工件夹紧力也不会因此松开，保证了加工的安全性[3]。

图4 楔块增力式自锁液压卡爪装置结构

2.3 楔块增力式自锁液压卡爪装置的优势

（1）对楔块机构进行受力分析，由于斜燕尾导轨斜度角小于摩擦角，由于摩擦，无论力如何增加，都不能移动而形成自锁，实现工件的自动夹紧，即使系统断电或油缸泄压，工件夹紧力也不会撤掉，从而保证了加工环境的安全性，并且通过蜗轮蜗杆能够实现伸缩块的调节，保证工作的稳定性。

（2）此机械加持技术采用楔块増力式自锁液压卡爪装置，因属于液压卡盘，故采用全封闭式结构，零部件选择严格，夹持精度高，所有配合面均具有防尘功能，加上独特的选材与热处理工艺，使用寿命大大增加；其次，液压卡盘夹持力大，力量稳定，大小可调；最后，安装方便，极大程度上解决了使用不方便的问题，进一步保证了机械夹持的技术效果。

（3）具有楔块自锁机构，并采用液压装置，两者结合，既提高了卡盘使用寿命，也提高了操作者的安全性，使用更便捷可靠。

3 高铁桥梁支座装夹装置的应用

高铁桥梁支座系统作为高速铁路桥梁的重要组成部分，对桥梁结构设计有着非常重要的影响。高速铁路桥梁多采用静定结构，设计比较简单，但是其中支座系统由于道床铁轨相互作用，构造较为复杂。为满足高速铁路大跨度桥梁的大承载力和大位移的需要，要求支座具有大吨位大位移性能，同时具有一定的减震性能。因此在设计时减少目前杠杆式夹紧装置所带来的问题显得尤为重要。

4 结语

楔块增力式自锁液压卡爪装置解决了使用固定装夹装置加工高铁桥梁支座时装夹笨拙、耗时耗力、安全可靠性差、易松动，更换时需要将紧固螺纹全部取下再更换其他夹具等诸多缺陷与不便，降低了生产工作量，提高了便捷度。