基于斜楔增力的离心式内孔夹具

现代车床主轴转速日趋提高，为离心夹具的发展和应用推广提供了极为良好的条件。但是，对于以内孔定位的工件装夹来说，传统的离心夹具只能适应较小直径的工件。这是因为工件内孔直径较大时，势必造成安装离心重块的部分结构尺寸过于庞大。造成该部分尺寸过于庞大的根本原因，在于传统离心夹具中的离心重块，不是直接地作用于工件内壁,而是通过机构传递至夹紧元件后再作用于工件内壁。这无疑在很大程度上限制了离心夹具的应用范围。此前，钟康民、郭培全等人提出了将离心夹具中的离心重块，依照功能分为增力重块和驱动重块，并在二者之间设置增力机构的设想，使得采用离心夹具装夹内孔直径较大的工件成为了可能。下面我们要介绍的，是基于斜楔增力机构的离心式内孔夹具的工作原理及力学计算问题。

图1 工作原理图

工作原理采用斜楔增力机构的离心式内孔夹具的工作原理见图1。由图1可见，该夹具具有功能不同的两类离心重块——增力重块和驱动重块，二者之间通过斜楔增力机构进行力的传递；增力重块和驱动重块的周向位置及运动方向，由固定在夹具体上的导向销确定。正常工作时，驱动重块的外圆弧面与工件内壁始终保持接触，而增力重块与工件内壁始终是不接触的。 工件以精加工或半精加工过的内孔在夹具体上定位，二者之间的间隙较小；而夹具体则联结在车床主轴上。当夹具体在车床主轴的驱动下以角速度w旋转时，增力重块和驱动重块便分别产生离心力Fc1、Fc2。在离心力的作用下，增力重块和驱动重块将沿各自的离心方向向外运动，驱动重块的外圆弧面便与工件内壁接触，并对工件内壁施加作用力F。 该作用力F由以下两部分组成∶(1)驱动重块自身产生的离心力Fc2；(2)增力重块产生的离心力Fc1，经斜楔增力后，作用在驱动重块运动方向、即力Fc2、F的方向上的分力。在两个等值、反向的力F所产生的摩擦转矩的驱动下，工件便与夹具体同向同步旋转。切削过程开始后，这两个等值、反向的力F所产生的摩擦转矩，便抵抗由切削力所产生的切削力矩。 需要注意的是，为每个驱动重块导向的导向销数量是2只，而为每个增力重块导向的导向销数量是1只。其原因在于，工件是以内孔为基准在夹具体上定位的，如果为每个增力重块导向的导向销数量也是2只，则无法保证两个驱动重块对工件内壁施加相等的作用力，甚至无法保证两个驱动重块都能与工件内壁接触。 此外还应当注意，图1所示离心式内孔夹具仅是原理性的。在进行具体结构设计时，一般应为增力重块、驱动重块等设置防护装置，并为驱动重块设置复位弹簧。 力学计算

• 输出力的计算 当夹具体以角速度w旋转时，每个增力重块产生的离心力Fc1=m1r1w2，每个驱动重块产生的离心力Fc2=m2r2w2。如果忽略力传递过程中的摩擦损失，每个驱动重块对工件内壁的理论作用力的计算公式如式(1)：

  Ft=m2r2w2+ m1r1w2 (N) tga

  (1)
  如果考虑摩擦损失，则每个驱动重块对工件内壁的实际作用力的计算公式如式(2)：

  Fp=m2r2w2+ m1r1w2 (N) tg(a+fp)

  (2)
  式(1)、(2)中： m1、m2——增力重块、驱动重块的质量(kg)； r1、r2——增力重块、驱动重块的质心至夹具回转中心的距离(m)； a——理论压力角(rad或°)，为增力重块上斜面的法面与驱动重块运动方向之间所夹的锐角； fp——滚轮的当量摩擦角(rad或°)。 fp=arctg[(d/D)tgf]
  其中d为滚轮内孔直径；D为滚轮外径；f为滚轮与转轴间的摩擦角。
  • 驱动转矩的计算 当夹具体以角速度w旋转时，两个驱动重块所能产生的理论驱动转矩Tt和实际驱动转矩Tp的计算公式如式(3)、(4)(单位N.m)：

    Tt=µD0Ft=µD0[m2r2w2+ m1r1w2 ] tga

    (3)

    Tp=µD0Fp=µD0[m2r2w2+ m1r1w2 ] tg(a+fp)

    (4)
    式中: µ——驱动重块外圆弧面与工件内壁之间的摩擦系数； D0——工件内径(m)。 (1)～(4)式括号中的后一项：m1r1w2/tga及m1r1w2/tg(a+fp)，就是增力重块产生的离心力Fc1，经斜楔增力后，作用在驱动重块运动方向上的理论分力和实际分力；而1/tga及1/tg(a+fp)就是斜楔的 理论增力系数it及实际增力系数ip。由于理论压力角a的值可取得较小(推荐取amin=8°)，所以，斜楔增力机构能获得较大的增力系数。例如设：a=8°，d/D=0.30，tgf=0.10(fp=arctg0.03=1.72°)。斜楔的理论增力系数it=7.12，实际增力系数ip=5.84。其增力效果是极为显著的。而增力系数大无疑意味着能得到的驱动转矩大。 如果经计算所产生的驱动转矩不能满足加工要求，可从以下两个方面采取措施：
    • 在驱动重块与工件内壁接触的部位采用摩擦系数较大的材料；
      • 在增力重块内部嵌入密度较大的材料，如添加重金属铅等。
    结语
    • 斜楔增力机构结构比较简单，且具有高倍增力功能；其增力效果由其理论压力角和滚轮的当量摩擦角决定。
      • 基于斜楔增力的离心夹具，由于驱动重块直接与工件内壁接触，较传统的离心夹具结构紧凑，从而使夹具体积缩小。
        • 基于斜楔增力的离心夹具，由于驱动转矩较大，可用其驱动重块直接夹紧孔径尺寸较大的工件的内孔。