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在夾具設(shè)計中，采用適當(dāng)?shù)臋C械增力機構(gòu)與液壓傳動技術(shù)相結(jié)合，可以有效地降低液壓系統(tǒng)的工作壓力，延長其使用壽命。但是，將常見的杠桿增力機構(gòu)、鉸桿增力機構(gòu)和斜楔增力機構(gòu)用于液壓夾具時，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。
1 雙鋼球增力機構(gòu)與無桿液壓缸
1) 工作原理
圖1所示為雙鋼球增力機構(gòu)與無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，活塞向右運動，置于活塞中部孔中的鋼球推動在其右上方的鋼球向上運動；其右上方的鋼球以輸出力F推動夾具上的夾緊元件來對工件進(jìn)行夾緊。當(dāng)換向閥切換至右位工作時，活塞向左運動，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的計算公式為
Ft=(pd2p/4)/tanat (1)
it=Ft/(pd2p/4)=1/tanat (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)的實際輸出力Fp(單位N)及實際增力系數(shù)ip，可由下面的近似計算公式求得。
| (3) | ||||||||
| (4) |
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)計時還要注意，應(yīng)對活塞設(shè)置周向定位裝置。
2 三鋼球增力機構(gòu)與無桿液壓缸
圖2所示為三鋼球增力機構(gòu)與無桿液壓缸組成的液壓夾具，其工作原理是：活塞中部銑扁，并加工有一個通孔，孔內(nèi)置有一個鋼球。當(dāng)換向閥在圖示位置時，壓力油通往液壓缸左腔，活塞向右運動，置于活塞中部孔中的鋼球，在其右下方鋼球的作用下，便在孔中向上運動，并推動其右上方的鋼球向上運動；其右上方的鋼球以輸出力F推動夾具上的夾緊元件來對工件進(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的計算公式為
Ft=(pd2p/4)/2tanat (5)
it=Ft/(pd2p/4)=1/2tanat (6)
對于圖2所示系統(tǒng)，由于力在傳遞過程中的摩擦損失較小，故其實際輸出力Fp和實際增力系數(shù)ip，可以用理論公式來代替，進(jìn)行近似計算。
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，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。
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)。盡管從計算公式(2)、(6)對比來看，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，這兩種系統(tǒng)的實際增力系數(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) 鋼球增力機構(gòu)與無桿液壓缸組合而成的夾具系統(tǒng)，優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單緊湊，制造工藝簡便；缺點是鋼球與其接觸的元件之間皆為點接觸，不宜承受過大的負(fù)載。
2) 三鋼球增力機構(gòu)與無桿液壓缸組合而成的系統(tǒng)，綜合技術(shù)性能指標(biāo)優(yōu)于雙鋼球增力機構(gòu)與無桿液壓缸組合而成的系統(tǒng)，設(shè)計夾具時應(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化的中小型機床上使用。
