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在夾具設計中，采用適當的機械增力機構與液壓傳動(dòng)技術(shù)相結合，可以有效地降低液壓系統的工作壓力，延長(cháng)其使用壽命。但是，將常見(jiàn)的杠桿增力機構、鉸桿增力機構和斜楔增力機構用于液壓夾具時(shí)，往往造成夾具結構不緊湊，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(diǎn)。
1 雙鋼球增力機構與無(wú)桿液壓缸
1) 工作原理
圖1所示為雙鋼球增力機構與無(wú)桿液壓缸組成的液壓夾具，其工作原理是：當換向閥在圖示位置，壓力油通往液壓缸左腔，活塞向右運動(dòng)，置于活塞中部孔中的鋼球推動(dòng)在其右上方的鋼球向上運動(dòng)；其右上方的鋼球以輸出力F推動(dòng)夾具上的夾緊元件來(lái)對工件進(jìn)行夾緊。當換向閥切換至右位工作時(shí)，活塞向左運動(dòng)，使工件松開(kāi)。
1.鋼球 2.液壓缸體 3.力作用線(xiàn) 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(guò)程中的摩擦損失，圖1所示系統的理論輸出力Ft(單位N)、理論增力系數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所示系統的實(shí)際輸出力Fp(單位N)及實(shí)際增力系數ip，可由下面的近似計算公式求得。
| (3) | ||||||||
| (4) |
式中φ為活塞與液壓缸內壁之間的摩擦角，單位為rad或(°)，即φ=arctanµ(µ為活塞與液壓缸內壁之間的摩擦系數)。
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)行夾具結構設計時(shí)還要注意，應對活塞設置周向定位裝置。
2 三鋼球增力機構與無(wú)桿液壓缸
圖2所示為三鋼球增力機構與無(wú)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(gè)通孔，孔內置有一個(gè)鋼球。當換向閥在圖示位置時(shí)，壓力油通往液壓缸左腔，活塞向右運動(dòng)，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(dòng)，并推動(dòng)其右上方的鋼球向上運動(dòng)；其右上方的鋼球以輸出力F推動(dòng)夾具上的夾緊元件來(lái)對工件進(jìn)行夾緊。
1、5.鋼球 2.液壓缸體 3.力作用線(xiàn) 4.活塞
圖2
圖2所示系統中，若右上方和右下方的兩個(gè)鋼球的中心位于同一條垂直線(xiàn)上，則其理論輸出力Ft、理論增力系數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，由于力在傳遞過(guò)程中的摩擦損失較小，故其實(shí)際輸出力Fp和實(shí)際增力系數ip，可以用理論公式來(lái)代替，進(jìn)行近似計算。
3 技術(shù)性能比較
圖1和圖2所示兩種系統的技術(shù)性能比較如下：
1) 在結構緊湊性和結構剛性上，圖1系統優(yōu)于圖2系統。
2) 活塞的有效位移相同時(shí)，圖2系統中右上角鋼球的輸出位移，是圖1系統的2倍。
3) 在活塞受力條件上，圖2系統優(yōu)于圖1系統。不難看出，圖1系統中的活塞要承受很大的徑向力，而圖2系統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所示系統的摩擦損失要顯著(zhù)大于圖2所示系統。盡管從計算公式(2)、(6)對比來(lái)看，圖1所示系統的理論增力系數it的值，是圖2所示系統的2倍。但由于圖1所示系統的摩擦損失較大，所以當理論壓力角較小時(shí)，這兩種系統的實(shí)際增力系數ip的值，差距并不顯著(zhù)。例如，設αt=8°，φ=6°，圖1及圖2所示系統的實(shí)際增力系數由式(4)及式(6)得ip1≈4.01，ip2≈3.56，圖1所示系統的實(shí)際增力系數僅是圖2所示系統的1.13倍。
4 結 論
1) 鋼球增力機構與無(wú)桿液壓缸組合而成的夾具系統，優(yōu)點(diǎn)是結構簡(jiǎn)單緊湊，制造工藝簡(jiǎn)便；缺點(diǎn)是鋼球與其接觸的元件之間皆為點(diǎn)接觸，不宜承受過(guò)大的負載。
2) 三鋼球增力機構與無(wú)桿液壓缸組合而成的系統，綜合技術(shù)性能指標優(yōu)于雙鋼球增力機構與無(wú)桿液壓缸組合而成的系統，設計夾具時(shí)應優(yōu)先選用。
3) 鋼球增力式液壓夾具適合在要求夾緊自動(dòng)化的中小型機床上使用。
