机械自锁式气动夹紧机构
摘要：对于刚性较差的工件，如何在机械加工过程中保持合适的压紧力大小是一个十分棘手的工艺难题。过紧或过松都会造成工件的加工精度达不到设计要求，甚至造成工件报废。机械自锁式气动夹紧机构是通过液压与气动连锁压紧后卸去液压的方式实现工件夹紧，并在气动锁紧状态下完成工件的机械加工，从而实现工件加工的稳定性。
关键词：液压活塞缸；气压活塞杆；自锁
一、问题的提出
我们在设计液压夹具时，经常会遇到刚性差、夹紧易变形的工件。譬如，在柴油机机体的三大孔精加工工序中，我们通常都会把夹紧点位置放在机体顶面上。夹紧力太大会导致机体变形，镗出来的孔也会因机体的变形恢复而变成椭圆，位置度也会有影响；夹紧力太小，镗削过程中机体容易产生振动，加工出来的零件无论是加工精度还是形位公差都过不到设计要求。为了解决上述加工过程中出现的问题，我们设计一种机械自锁式气动夹紧机构，此机构能有效解决以上机体加工中出现的问题。
二、夹具的工作原理
在机床加工零件中，工件的夹紧一般都是采用机械式、液压式和气动式。而对于刚性较差的工件，单一采用上述夹紧方法则容易产生变形，进而影响加工工件的尺寸精度。
我们现以柴油机机体的缸孔加工来说明此夹具的工作原理：
如图一，首先将工件（9）推到夹具的升降机构（11）上，升降机构（11）下降，工件（9）通过定位销（10）实现“一面两销”定位。工件定位后，液压油进入液压活塞缸(6)并推动液压活塞杆（5）向上运动，继而推动压板（7）向上运动，再通过压板支架（8）上的支点带动压板（7）压在工件（9）的顶面，液压缸上的压力继电器发出信号给气压活塞缸（1）上的接近开关（3），气压活塞缸（1）通气，气动活塞杆（2）在气压作用下向左移动，气动活塞杆（2）的中间斜面与液压活塞杆（6）下端的斜面接触，并通过活动销（4）上平面的调整，在两自锁斜面形成自锁后卸去液压，从而保证了工件在夹紧不变形的情况下完成机械加工，实现工件加工的稳定性。
三、夹具的实施效果
该机械自锁式气动夹紧机构能够实现刚性较差的工件夹紧不变形的情况下完成机械加工，在实现工件夹紧可靠性的同时，保证了工件的加工精度。
两种定位夹紧机构工作原理分析 摘要：在生产中，我们时常会遇到需要夹紧工件的情况，对于不同形状的工件，我们需要不同类型的夹紧机构。本文主要介绍两类比较常用的快速夹紧机构，即斜楔式夹紧机构和偏心轮式夹紧机构的受力分析和自锁条件 关键词：夹紧力、自锁、升角、偏心轮 快速夹紧机构是指以快速简便的动作就能实现对物体施加某种形式的作用力，使之夹紧 固定、夹持移位或夹紧制动的机构。①根据其作用，分为定位夹紧机构、夹持位移机构和制 动夹紧机构。其中，定位夹紧机构是将工件定位夹紧后，能承受一定的外力作用而不松动的机构。如机床加工夹具和各种测试夹具等。本文介绍的两种快速夹紧机构即为定位夹紧机构。 一．斜块式斜楔夹紧机构（斜楔机构） 1.受力分析 斜楔夹紧机构的受力图如图1所示，作用力Q 推动楔块，顶块沿斜面向上的夹紧力为P ，法向力N 与沿接触面的摩擦力f 合成一个反力R 。顶块在Q 、P 和R 的作用下处于平衡状态，由里的封闭三角形可知，顶块的夹紧力为 tan() Q P =α+? 式中α———楔块斜面升角 φ———反力R 作用线与法向反力N 作用线之间的夹角，成为摩擦角。 α Q R N f P αφQ R P αφ 图1
αR f P α φ N Q P Q R φαγ L e h P O 1 O 2工件 A F α 图2 图3 2.自锁条件 夹紧后。顶块保持在夹紧状态，楔块不会自动松脱的现象，成为自锁。② 如图2所示，若顶块沿斜面向下相对滑动时，楔块将被推出。这时，P 为主动力，Q 为支持力，摩擦力f 向上。F 和法向力N 合成反力R 。可得 tan()Q P =?-α 由上式可知，若α>?，则Q<0，即力Q 的方向与图中所示相反。这时，只要存在力Q 就能使楔块松脱。若α
夹具设计师手册丨十三种夹紧装置图例 本周为大家带来的是十四种夹紧装置图例 1.消除齿侧间隙 图1 注意左上图所示的齿抢C和齿轮E用键连接。具有弹簧加载的齿轮D在C和E之间的空间转动，如A-A剖面图所示。弹簧使齿轮C和E在一个方向转动，而使齿轮D在相反方向转动，这样便消除了C和E与工件相配轮齿之间的任何间隙。 C上的固定螺钉限制D的转动(见B-B剖面图)。压板上的两个指孔F使拆卸压板方便。 2.中心架 图2 当手柄摆到左边并离开F后，将爪A抬起。当H调整垂直位置时，可调正偏心轴G使爪A 和B水平移动。可调止动螺钉E用以防止夹紧动作。中心架只使工件定位，而不夹紧工件。 3.拉刀夹头 图3
推下才使三个夹爪B退出，便可卸下拉刀。 4.扭矩手轮 图4 当手柄上的扭矩很大时，弹簧加i载的钢球就会退出，使手柄打滑。轴与A用键连接。而B 固定在手轮上。 5.可调高度夹紧柱 图5 手柄只转动若干分之一转，即可使可调螺母产生夹紧动作。采用也是可调正的长螺母和螺栓则适应于高度不同的各个工件。 6.扭矩保护装置
图6 当捏手上的扭矩很大时，弹簧将使A打滑，A是用键与轴相连接的。这样，就不会夹得过紧。顺时针转动捏手可夹紧工件。 7.钻套移动装置 图7 手柄B移动两个钻套进入或离开工作位置；具有弹簧加载的销C使钻套在工作位置定位。 8.微调装置 图8 差动螺距可以获致一个极小的调整量。
图9 在只允许一齿和一槽相配之下，槽数和齿数的任意组合可使锁紧位置数量极大。9.半转夹紧螺钉 图10 螺钉转动半转，就把压板拉下并夹紧工件。弹簧柱塞掣子使压板保持在退出位置。 10.起重钩 图11 装有多个起重钩的桥式吊车常用来搬运大型零件和夹具。 11.手动液压泵
在夹具的各种夹紧机构中，以斜楔、螺旋、偏心、铰链机构以及由它们组合而成的夹紧装置应用最为普遍。 一、斜楔夹紧机构 1．夹紧力计算 图3-10夹紧受力图 由上面受力图可知，斜楔静力平衡条件为： F1＋FRX ＝FQ
其中：F1＝FW tanφ1 ； FRX＝FW tan(α＋φ2)代入上式计算得： 式中：FW 斜楔对工件夹紧力 α 斜楔升角 FQ 原始作用力 φ1 斜楔与工件之间的摩擦角 φ2 斜楔与夹具体之间的摩擦角 2．增力比计算 增力比iF＝夹紧力／原始作用力 如果不考虑摩擦影响理想增力比（即忽略摩擦角）： 3．夹紧行程比计算
图3-11 夹紧受力 工件所要求的夹紧行程h与斜楔相应移动的距离s之比成为行程比iS。由上图可知：夹紧行程＝工件被夹紧行程h/斜楔移动距离S 4．自锁条件
图3-12自锁受力 上图为原始作用力FQ停止作用后斜楔的受力情况。斜楔楔入后，原始力去除，斜楔体自锁条件为 F1>FRX FW tanφ1> FW tan(α-φ2) φ1> α-φ2或α〈φ1 ＋φ2 因此自锁条件是斜楔升角小于斜楔与工件、与夹具体之间的摩擦角之和，钢件：f＝0.1～0.15摩擦角φ＝5°43′～8°30′，故α<10°～17° 5．升角α的选择 手动夹紧α＝6°～8°，机动夹紧α≤12°，不需要自锁α＝15°～30° 6．结构设计
包括：手动夹紧机构、气动或液压夹紧、斜楔与压板与螺旋等组合结构。斜楔夹紧机构的计算见下表 二、螺旋夹紧机构
螺旋夹紧机构在生产中使用极为普遍。螺旋夹紧机构结构简单、夹紧行程大，特别是它具有增 力大、自锁性能好两大特点，其许多元件都已标准化，很适用于手动夹紧。它主要有两种典型的结 构形式。 1.单个螺旋夹紧机构 下图a所示为GB/T2161-91六角头压紧螺钉，它是螺钉头部直接压紧工件的一种结构。下图b所示在螺钉头部装上摆动压块，可防止螺钉转动时损伤工件表面或带动工件转动。下图c为用GB/T2149-91球面带肩螺母夹紧结构。 图3-13 单螺旋夹紧 2.螺旋压板夹紧机构 夹紧机构中，结构型式变化最多的是螺旋压板机构。下图中所示为常用的五种典型机构。
但是，并非全部夹紧机构都具备上述三部分，有时可能缺少其中的某一部分，例如手动夹紧机构往往就很筒单。 组合机床夹具的夹紧机构，就其夹紧特性而言，可以分为直接夹紧机构和自锁夹紧机构两大类。如果按夹紧动力的来源区分，可以分为手动夹紧机构和自动夹紧机构，在自动夹紧机构中，又有气动夹紧、液压夹紧、自动扳手夹紧和弹簧夹紧等机构。 设计夹具时，工件夹紧方法的确定，是在工件定位基准、夹具定位机构和导向装置的结构确定之后进行的，但工件的夹紧同工件的定位和导向装置是密切联系着的，因此在设计夹具时，这几个方面应当同时考虑。 在进行夹紧机构的结构设计之前，必须首先确定夹紧机构的下列主要项目：夹紧力的作用点、方向和大小；夹紧动力的种类；最合理的夹紧结构示意图及传动方式等。其中夹紧力的作用点和方向，在制定机床方案进行工艺分析时就已经确定了，并且以特殊的符号表示在被加工零件工序图中,以作为夹具结构设计的依据。设计时要根据工件特点、工艺方法、加工情况(粗、精加工；单面、多面加工等)以及工件的定位安装形式等因素来选择夹紧机构的形式。 设计夹紧机构时，应注意满足以下基本要求： (1)保证加工精度夹紧机构应能保证工件可靠地接触相应的定位基面，夹紧后不许破坏工件的正确位置。 夹紧后，工件在加工过程中，不应由于切削力的作用而产生位移和晃动。为此，必须保证夹紧机构能产生定够的夹紧力，同时还要求具有较高的刚性。由于组合机床通常都是多面多刀同时进行加工，夹具往往在较大的切削力作用下工作，提高夹紧机构的刚性，是十分重要的，因此组合机床夹具的夹紧螺栓、压板和传动杠杆等通常都比较粗大，以保证其足够的刚性。 夹紧工件时，不应破坏的已加工表面，也不应引起工件过大的变形，夹紧机构应力求使工件夹紧稳定和变形较小。为此，应当正确地选择夹紧部位和设置辅助支承等。 当加工刚性很差的工件时，或在精加工机床夹具上，夹紧机构应能保证夹紧力有调节的可能性。 ⑵保证生产率夹紧机构应当具有适当的自动化程度。夹紧动作要力求迅速，多压板夹紧时要力求采用联动夹紧机构，以缩短辅助时间。 由于组合机床是适用于成批和大量生产的专用机床，因此有条件采用比较完善的夹紧机构和实现夹紧自动化。 ⑶保证工作可靠一具有自锁性能夹紧机构除了应当能产生足够的夹紧力外，通常还要求具有自锁性能以保证它的工作可靠性。 在自动夹紧或用自动扳手夹紧的夹紧机构中，通常使其中间传动机构具有自锁性，以保证在撤除夹紧动力后工件仍不致于松开。 气动夹紧通常也需要有自锁环节，以保证在压缩空气中断或失压时，工件在加工过程中不致松开。只有当切削过程比较稳定和切削力不大的情况下，例如在攻丝机床上，采用气动夹紧才可以不带自锁环节。 液压夹紧不—定需要有自锁环节，但有了自锁环节以后，不仅可以使油路卸荷,而且也是一种安全的保险措施。 组合机床夹具常用的自锁夹紧机构有：螺旋夹紧机构；楔铁夹紧机构和偏心轮夹紧机构。 (4)结构紧凑简单在保证加工精度、满足生产率要求和工作可靠性的原则下，夹紧力应越小越好，这样碎以避免使用庞大而复杂的夹紧机构和减小夹压变形。 (5)操作方便，使用安全由于组合机床生产率较高，操作比较频繁，因此夹紧机
第三十四讲工件在夹具中的夹紧 一、夹紧装置的组成和要求 1．夹紧装置的组成 工件在夹具中正确定位后，由夹紧装置将工件夹紧。夹紧装置的组成有： 1）动力装置：产生夹紧动力的装置。 2）夹紧元件：直接用于夹紧工件的元件。 3）中间传力机构：将原动力以一定的大小和方向传递给夹紧元件的机构。 图34－1夹紧装置的组成 1－气缸2－斜楔3－滚子4－压板 在有些夹具中，夹紧元件（例如图34－1中的压板4）往往就是中间传力机构的一部分，难以区分，统称为夹紧机构。 2．对夹紧装置的要求 1）夹紧过程不得破坏工件在夹具中占有的定位位置。 2）夹紧力要适当，既要保证工件在加工过程中定位的稳定性，又要防止因夹紧力过大损伤工件表面或使工件产生过大的夹紧变形。
3）操作安全、省力。 4）结构应尽量简单，便于制造，便于维修。 二、夹紧力的确定 1．夹紧力作用点的选择 1）夹紧力的作用点应正对定位元件或位于定位元件所形成的支承面内 2）夹紧力的作用点应位于工件刚性较好的部位 3）夹紧力作用点应尽量靠近加工表面，使夹紧稳固可靠 图34－2夹紧力作用点的选择 1－定位元件2－工件 图34－3夹紧力的作用点应位于工件刚性较好的部位
图34－4夹紧力的作用点应位于靠近加工表面 1－压盖 2－基座 2．夹紧力作用方向的选择 1）夹紧力的作用方向应垂直于工件的主要定位基面 2）夹紧力的作用方向应与工件刚度最大的方向一致，以减小工件的夹紧变形 3）夹紧力作用方向应尽量与工件的切削力、重力等的作用方向一致，这样可以减小夹紧力。 图34－5 夹紧力应垂直于主要定位基面
图34－6夹紧力应与工件刚度最大方向一致 3．夹紧力的估算 设计夹具，估算夹紧力是一件十分重要的工作。夹紧力过大会增大工件的夹紧变形，还会无谓地增大夹紧装置，造成浪费；夹紧力过小工件夹不紧，加工中工件的定位位置将被破坏，而且容易引发安全事故。 在确定夹紧力时，可将夹具和工件看成一个整体，将作用在工件上的切削力、夹紧力、重力和惯性力等，根据静力平衡原理列出静力平衡方程式，即可求得夹紧力。为使夹紧可靠，应再乘一安全系数k，粗加工时取k＝2.5～3，精加工时取k＝1.5～2。 加工过程中切削力的作用点、方向和大小可能都在变化，估算夹紧力时应按最不利的情况考虑。 三、典型夹紧机构 1．斜楔夹紧机构 斜楔是夹紧机构中最为基本的一种形式，它是利用斜面移动时所产生的力来夹紧工件的，常用于气动和液压夹具中。在手动夹紧中，斜楔往往和其他机构联合使用。 斜楔夹紧机构的缺点是夹紧行程小，手动操作不方便。斜楔夹紧机构常用在气动、液压夹紧装置中，此时斜楔夹紧机构不需要自锁。 2．螺旋夹紧机构 采用螺旋装置直接夹紧或与其他元件组合实现夹紧的机构，统称螺旋夹紧
多工位自动夹紧装置的设 计 Prepared on 24 November 2020
无锡太湖学院 毕业设计（论文）题目：多工位自动夹紧装置的设计工学院机械工程及自动化专业 学号： 1223120 学生姓名：费佳伟 指导教师： XXX （职称：XXX） 2016年5月25日
摘要 在对多工位自动夹紧装置系统结构的设计工作，可以分为计划方案的定制、传动设备、夹紧构造的设计包括基本部件的设计，最后针对部分设计的效果进行检验。在对多功能自动夹紧装置的设计中设有两个夹具杆，节省了零件下料到夹紧以及放松的时间，减轻人工的负担，更加智能化、人性化，机体结构简单，可适应加工零件的不同厚度。拆卸和装配简单，节省资源。整体机构采用立式布置，结构紧凑，并使用电机作为动力来源，省时省力。在对能源设计方面，重新选择动力来源，改进切削方法，不仅增强了家用切片切丝机的加工能力，还提高了使用的安全性。 关键词：多工位；自动；PLC
ABSTRACT In the overall structure of the multi station automatic clamping device design process, including the principle of design, transmission mechanism, a clamping mechanism design of the main components and the structure design and on the part of the design results are checked. In the design of multi function automatic clamping device is provided with two jig rod, saving parts under the expected clamping and relax time, lighten the burden of artificial, more intelligent, humane and body structure simple, adapt to the different thickness of the parts processing. Disassembly and assembly is simple, save resources. The overall mechanism adopts the vertical layout, compact structure, and use the motor as a power source, saving time and effort. In design of energy, re select the source of power, to improve the cutting method, not only to enhance the household slicing and shredding machine processing capacity, but also improve the safety of use. Keywords: automatic cutting machine; PLC;
介绍一种快速夹紧机构 崔丽娟 (燕山大学继续教育学院,河北 秦皇岛 066004) 众所周知, 螺旋夹紧机构是应用最广的一种夹紧机构,它主要是利用螺纹直接夹紧工件,或者是与其他元 件或机构组成复合夹紧机构来夹紧工件。螺旋夹紧机构具有结构简单、制造容易、夹紧可靠、增力比大、行程不受限制等优点。但同时也具有夹紧动作慢、辅助时间长、效率低等缺点,尤其是当用同一夹具频繁交替夹紧大小不同的工件时,更要不停的转动螺杆以改变行程(如型材切割机)。为了使螺旋夹紧机构更好的发挥作用,扬长避短。人们设计了各种各样的能快速夹紧的螺 旋夹紧机构,本文就是笔者设计的快速夹紧机构。整个夹紧机构结构如图1所示:夹紧螺杆与夹具体为螺纹联结。为便于旋转,夹紧螺杆右端安装手轮(或手柄);顶杆与夹紧螺杆间为较大的间隙配合,以使螺杆能滑动自如;防转销是可以防止螺杆转动的,在夹紧螺杆上防转螺钉的另一侧装有防止顶杆后退的定位销;为了改善夹紧效果,避免因顶杆转动带动工件偏转而破坏定位、破坏工件表面,还可在顶杆头部装上可摆动的光面压块或槽面压块。 图1 夹紧机构结构示意图 整个操作过程极其简单,放置好工件后,根据工件 大小直接将顶杆向左推抵工件或接近工件,此时定位销自动卡住顶杆,使之不能右移;此时转动夹紧螺杆,即可完成工件夹紧工作。 本机构具有以下特点:a.机构结构简单,尺寸、精度要求低 ,便于加工制造。即使利用现有夹具改造也不复杂,只要把现有夹具螺杆稍做加工,再加工一顶杆即可。 b.夹紧迅速、快捷。一般夹紧时转动螺杆不超过一圈。例:夹紧螺杆螺纹为M48×5,顶杆上齿条间距为5,则 无论工件大小如何,推动顶杆时顶杆到工件的最小距离L <5,此时,夹紧螺杆最多再转动一周,便可将工件夹紧。 c.夹紧螺杆、顶杆和定位销为主要受力元件,在设计时要进行强度校核。一般夹紧螺杆为铸钢或铸铁材料,顶杆、定位销采用45#钢,顶杆和定位销的齿牙部位要求进行适当热处理,以提高耐磨性和机械强度。 d.本机构行程调节快速方便,彻底避免了传统夹具频繁转动夹紧螺杆的繁琐工作,尤其适用于小修理厂或加工厂频繁更换工件的场合。 收稿日期:2003-3-20 技术经验 2003年第10期 砖瓦 2003Brick&Tile www. brick -tile .com 23
4.5.4 常见夹紧机构 夹紧机构的种类很多，这里只简单介绍其中一些典型装置。 （1）斜楔夹紧机构 图 4.52所示是一些斜楔夹紧实例。斜楔夹紧机构是利用斜面的楔紧作用，将外力传递给工件，完成工件的夹紧。当楔块的升角α在 6 0 ~10 0 时具有自锁性能。但自锁的稳定性较差，主要用于夹紧机构中来改变力的方向。 （ 2）螺旋夹紧机构 螺旋夹紧机构结构简单、容易制造，而且螺旋相当于一个斜楔缠绕在圆柱体的表面形成的；由于其升角小（ 3 0 左右）则螺旋机构具有较好的自锁性能，获得的夹紧力大，是应用最广泛的一种夹紧机构。如图 4.53、4.56所示 1）单个螺旋夹紧机构如图4.53（a）（b）中直接用螺钉或螺母夹紧工件的机构。螺钉头部直接压在工件表面上，可能会损伤工件或带动工件旋转。为克服这一缺点在其头部加装浮动压块，以增加接触面积，减少损伤。如图4.54所示 夹紧动作慢使这一机构的另一缺点。通常采用一些快速结构，如快卸垫圈、快换螺母、快速机构等，如图 4.55所示。
2）螺旋压板夹紧机构图4.56是螺旋压板夹紧机构的几种典型结构，其在夹紧机构中广泛的使用。
3）钩形压板夹紧机构图4.57是螺旋钩形压板夹紧机构的一些结构，其特点是结构紧凑，使用灵活、方便。 （3）偏心夹紧机构 它是利用偏心间直接或间接夹紧工件的机构。偏心夹紧分圆偏心和曲线偏心两种，其特点是结构简单、操作方便、夹紧迅速，缺点是夹紧力小，夹紧行程短，用于振动小、切削力不大的场合。图 4.58是几种 典型的偏心夹紧机构的实例，图4.59是圆偏心轮的几种结构。