增力机构中夹具设计

增力机构中的夹具设计
作者：孙俊杰，指导教师：赵冉
（山东农业大学,讲师）
【摘要】本文介绍了手动夹具的现状及发展方向，针对污染较为严重的液压夹具，提出了手动夹具替代机动夹具改进与替代方法。

本文主要内容是创新增力机构、增力机构的组合及类型，手动夹具绿色化程度最高，而其能提供的初始作用力较小，通过采用多级串联增力机构，将手动作用力进行放大以达到工作要求;另外利用手动冲击方式来得到相对大得多的初始作用力，以弥补手动作用力不足的缺陷。

关键词：夹具增力机构初始作用力
The Force of the Institutions For Fixture Design
Author:Sun Junjie, Supervisor:Zhao Ran
(Shandong Agricultural University , lecturer)
Abstract This paper describes the manual fixture status and development for more polluting hydraulic clamp, made a manual alternative to motorized fixture fixture improvements and alternatives.This article contents is an innovative force amplifier, by a combination of force and type of institution, highest degree of manual clamps green, and its initial force can provide a smaller, growing through the use of multi-level power sector in series, the manual force toamplification to achieve the work requirements; another way to use manual to get a relatively larger impact of the initial force, enough force to compensate for hand defects.
Keywords: fixture force amplifier initial force
1绪论
1.1技术背景
从能源形势上看，手动夹具的绿色化程度是最高的。

但长期以来其设计创新一直踏步不前，究其原因主要在于:（1）目前工程设计人员盲目追求自动化，认为手动是落后的标志，因而不假思索的选择了液动或气动方式;(2)认为手动提供的夹紧力有限，无法满足较大夹紧力的要求。

将着手对手动夹具的技术进行研究,创新出基于多级串联增力机构的手动夹具。

1.2绿色制造发展概况
生态环境与经济发展联结为一个互为因果的有机整体，认为经济发展要考虑到自然生态环境的长期承载能力，使环境和资源既能满足经济发展的需要，又使其作为人类生存的要素之一而直接满足人类长远生存的需要，从而形成了一种综合性的发展战略。

制造业是创造人类财富的支柱产业，但同时又大量消耗掉人类社会的有限资源，并且是造成当前环境污染问题的主要根源，为此制造业实施可持续发展战略已势在必行。

绿色制造是一个综合考虑环境影响和资源消耗的现代制造模式，其目标是使得产品从设计、制造、包装、运输、使用到报废处理的整个生命周期中，对环境负面影响极小，资源利用率极高，并使企业经济效益和社会效益协调优化。

1.2.1绿色制造定义
绿色制造它是一个综合考虑环境影响和资源效率的现代制造模式，其目标是使产品从设计、制造、包装、运输、使用到报废处理的整个产品生命周期中，资源利用率最高,如图1-1所示，并使企业经济效益和社会效益协调优化。

图1-1绿色制造工艺目标
1.2.2绿色制造的内涵
制造业在创造了高度发达的现代物质文明的同时，也造成了严重的环境问题。

这不仅制约了制造业的进一步发展，而且也危及到了人类的生存空间。

从可持续发展的角度出发，绿色制造技术向人们展示了一个美好的发展前景。

绿色制造是一种综合考虑环境影响和资源效率的现代制造模式，是人类可持续发展战略在现代制造业中的体现。

毫无疑问，采用绿色设计与制造是制造业实施可持续发展战略、解决环境问题、实现新的腾飞的必由之路。

绿色制造涉及的问题包括三部分:制造问题，包括产品生命周期全过程;环境保护问题;资源优化利用问题。

绿色制造就是这三部分的交叉和集成，如图1-2所示。

图1-2绿色制造领域交叉状况
1.3发展现状
绿色制造研究非常活跃。

如1996年，美国制造工程师学会发表了关于绿色制造的兰皮书《Green manufacturing》，提出绿色制造的概念，并对其内涵发表了“绿色制造的发展趋势”的网上主题报告。

美国机械工程师学会也在网上公布了不少研究论文。

美国Berkeley加州大学不仅设立了关于环境意识设计和制造的研究机构，而且还在国际互联网上建立了可系统查询的绿色制造专门网页。

美国麻省理工学院也在这方面开展了不少研究，国际生产工程学会CI砂近几年均有不少论文对环境意识制造和多生命周期工程等与绿色制造本质一致的问题进行了研究，美国AT&T和许多企业以企业行为投入大量研究。

还有其他许多文献，也分别对绿色制造及相关问题作了初步的研究和探索。

特别是近年来，国际标准化组织提出了关于环境管理的14000系列标准，如14001[9]、14040后，推动着绿色制造的研究更加活跃。

可以不夸张地说，绿色制造研究的国内一些高等院校和研究院所在国家科委、国家自然科学基金会和有关部门的支持下对绿色制造技术进行了广泛的研究
探索。

清华大学为创建绿色大学，己将绿色工程技术列为优先发展和支持项目，在美国基金和国家自然科学基金会的支持下，已与美国，先进制造实验室建立了关于绿色设计技术研究的国际合作关系，对全生命周期建模等绿色设计理论和方法进行系统研究，取得了一定进展。

国内已形成了一支从事绿色制造技术研究的专业队伍，为我国发展绿色制造技术奠定了基础。

1.3.1手动夹具技术发展现状
夹具最早出现在18世纪后期。

随着科学技术的不断进步，夹具已从一种辅助工具发展成为门类齐全的工艺装备。

有关统计表明，目前的中小批多品种生产的工件品种已占工件种类总数的85%左右。

现代生产要求企业所制造的产品品种经常更新换代，以适应市场的需求与竞争。

然而，一般企业都仍习惯于大量采用传统的专用夹具，一般自具有中等生产能力的工厂里，约拥有数千甚至数万套专用夹具；另一方面，在多品种生产的企业中，每隔3～4年就要更新50～80左右专用夹具，而夹具的实际磨损仅为10～20%左右。

特别是近年来，数控机床、加工中心、成组技术、柔性制造系统等新加工技术的应用，对手动夹具提出了如下新的要求：
（1）能迅速而方便地装备新产品的投产，以缩短生产准备周期，降低生产成本；
（2）能装夹一组具有相似特征的工件；
（3）能使用于精密加工的高精度手动夹具；
（4）能适用于现代制造技术的新型手动夹具；
（5）采用以液压站等为动力源的高效夹紧装置，以进一步减轻劳动强度和提高劳动生产率；
（6）提高机床的标准化程度。

所以，老式的夹具已经不能满足生产的需要了，更经济化、高效化的夹具也就慢慢的发展出来。

当前绿色化机械加工技术主要从选材、加工方法、加工设备三方面来展开,如图1-3所示。

其中人们对切削工艺及刀具、机床的绿色化给予了较多关注，但对于绿色制造的夹具技术对策问题，却鲜有涉及。

机床夹具作为制造系统中不可或缺的重要一环，它的绿色化程度，无疑对整个制造过程的绿色化水平有着极为重要的影响，在不少场合甚至具有关键性的影响。

夹具技术已经成为严重制约绿色制造技术发展的“瓶颈”。

这种现象如持续下去，无疑将显著影响绿色制造技术的整体发展进程。

图1-3 绿色机械加工主要技术类别
1.4本文研究的内容及意义
1.4.1本文研究的内容
本文研究将针对一般机床夹具的工作特性，以夹紧力来源为基本出发点，以极易产生污染且能源利用率极低的液压传动夹具为重点目标，设计出多级增力机构夹具。

此外，将提供若干个关键方向上具有典型示范意义的技术创新案例。

具体内容包括:
（1）机床夹具工作特性分析研究;
（2）增力机构理论构建。

1.4.2本文研究的意义
本文研究的主要意义在于:
（1）有利于绿色制造技术的平衡协调发展。

毫无疑问，没有夹具技术的绿色化，绿色制造技术的体系肯定是不完整的。

在某些场合中，夹具技术的绿色化，甚至可能成为绿色制造体系中最为关键的一环。

因此，对绿色夹具技术进行系统的理论研究和关键技术创新，将突破制约现有绿色制造技术发展的“瓶颈”，有利于绿色制造技术的平衡协调发展与整体推进。

（2）建立起相对较为完整的绿色夹具技术，不仅能基本奠定绿色夹具技术的理论基础，而且能给从事夹具研究与设计的人员，提供创新绿色夹具的思想、途径与研发方向。

也就是说，该项目研究的理论成果，对绿色夹具的技术创新，具有较明确的导向功能。

（3）本文研究将在几个关键方向上，提供具有典型示范意义的绿色夹具技术创新案例。

2绿色夹具技术构建
本文重点介绍了绿色夹具技术，对构成绿色夹具技术的各类技术进行了详细阐述，并给出了绿色夹具技术理论体系四级框架图。

夹具技术绿色化的途径夹具技术绿色化主要通过以下几种途径来实现.
（1）能源提供方式的绿色化;
（2）流体传动介质的绿色化;
（3）加工过程低能耗或无能耗技术;
（4）其他绿色夹具技术。

2.1能源提供方式的绿色化
在考虑机床夹具能源的绿色化问题时，必须与夹具依附的机床所使用的能源形式一起，进行整合性的设计，而不能孤立地进行。

例如，以绿色化程度极高的太阳能作为机床夹具的能源，在短时期内便不可能推而广之。

我们认为，在目前的制造技术条件下，机床夹具能源绿色化的途径，一是重新认识和发展以人力为能源的手动夹具，二是重视对电动夹具技术的研究与开发。

手动夹具代替机动夹具的技术：从目前的能源形式上来看，手动夹具的绿色化程度是最高的。

然而十分不幸的是，在我国制造技术领域中长期存在着一个几乎根深蒂固的错误观念，即手动夹具意味着落后的夹具技术。

制造技术的现代化其实并不排斥手动夹具的发展。

即使工业化程度很高的美国，在其最近的权威性夹具专著《jig and fixture design》中，手动夹具的图例仍然占据绝对主导的地位，特别是美国工程界，对手动夹具极为重视。

这与我们国家的现实状况形成了极为鲜明的反差。

实际上，只要操作工人的劳动强度在许可范围内，手动夹具应成为优先选择、甚至首先选择的技术。

加工过程低能耗或无能耗夹具技术：
提高能源的利用率，降低能耗无疑是绿色化程度的一个重要标志，在加工过程中尽可能降低夹具耗能也就成为绿色化夹具技术研究中不可缺少的一环。

加工过程零耗能与极低耗能的夹具技术既然一般机床夹具，在刀具对工件进行切削加工的过程中，理论上并不需要消耗能量，那么，设计出工作过程零耗能与极低耗能的夹具，便应该是顺理成章的事情。

实际上，在制造领域己经得到应用的切削力夹紧、离心力夹紧，以及具有自锁功能的夹紧装置等，工作过程就是零耗能与极低耗能的。

2.2绿色夹具技术理论
基于上述技术，构建了绿色夹具技术理论，如图2-1所示
图2-1绿色夹具技术理论体系框架
3机械增力机构及其串联合
由于在本课题研究所涉及的夹具设计，采用了机械增力机构。

因此，对基本机械增力机构及其串联组合，进行必要的综合分析研究，并给出某些组合创新机构。

3.1一级增力机构
机械增力机构可分为长度效应和角度效应两大类。

长度效应增力机构即古老的阿基米得杠杆及其变形机构，角度效应增力机构则包括斜面机构与铰杆机构。

3.1.1基于长度效应的增力机构
基于长度效应的机构有杠杆、滑轮传动机构等。

此类机构的主要特点是:能够将力扩大，或者改变力的方向，结构简单，制造容易。

缺点是:在阻力臂一定的条件下，要想获得较大的增力比，机构的长度或体积必须增大，这样一来，机构的刚性会变差，另外，此类机构不能自锁。

3.1.2基于角度效应的增力机构
斜楔机构·斜楔增力机构具有制造容易、结构简单、调整方便等优点，在机械化传动中应用较广。

在斜角较小的情况下，它有自锁特性。

在实际应用中可以根据需要设计成许多不同的形式，如单向斜楔、单向棱形楔、多向截面角的锥形楔或圆锥楔等。

斜楔机构也存在明显的缺点，即所产生的夹紧力会随着楔角的减小而增大，但有效行程随之减小，同时摩擦损失增加，工作效率降低。

为减小摩擦损失，提高工作效率，可以采用带滚轮的楔式扩力机构。

对于不带滚轮的机构，楔角从45度减少到5度，摩擦损失增加了2倍。

若采用滚轮，当斜楔角为8度-12度时(机械传动常用角度)，摩擦损失显著减小，夹紧力可以增加35-50%。

采用带滚轮的斜楔机构效率有了明显的提高，但其自锁角度要求更小(一般取5度)，这样有效行程会变的更短。

对于上述问题，我们最终可以通过带滚轮的双斜楔角增力机加以
解决。

如3-1所示。

图3-1带滚轮的双斜楔角增力机构
图3-1中，角度为α1的斜楔不具备自锁功能，其角度较大，目的是增加
有效行程;角度α2值较小，以实现增力及保证机构自锁;滚轮的使用可以减
小摩擦，提高效率。

斜楔机构的变形机构，包括螺旋增力机构、凸轮增力机
构等。

铰杆(斜杠)机构铰杆增力机构可以分为单边式铰杆机构和双边式铰杆
机构等。

图3-2单边式铰杆增力机构 图3-3双边式铰杆增力机构
增力系数是机构的输出力与输入力之比值，常用i 表示。

不考虑摩擦损失的
增力系数为理论增力系数，用it 表示;考虑摩擦损失的增力系数为实际增力系
数，用ip 表示。

图3-2、3-3所示单边式及双边式铰杆机构的实际增力系数
计算公式分别为:
()[]ϕβαt a n t a n 21
++=p i （3-1）
()ϕ
βαt a n t a n 1++=p i （3-2） 式中: ip 实际增力系数;α-铰杆的斜角;β-当量摩擦角;ψ-滑块上的摩擦
角； f l r 2arcsin =β （3-3）
式中: l-铰杆两端铰链中心距; r-铰链轴的半径;β-铰链副的摩擦系数;
3.2多级串联增力机构
如图3-4所示，一种在极小的空间内，两次利用斜面的角度效应而形成的斜面-斜面串联合二级力放大装置，其中间的力传递元件，是几何形体最为简单的球体。

1-圆锥体 2-固定内锥面 3-钢球 4-力输出件
5-复位弹簧 6-导向板 7-作用对象
图3-4 斜面-斜面组合力放大装置
该装置的理论力放大系数为:
β
αt a n t a n 11+=t i （3-4） 在图3-4所示装置的力输入端，再串联上手动偏心轮机构，便可形成四级力放大装置，该机构我们将会详细介绍。

如通过机构串联的方式我们还可以设计出许增力机构，如图3-5，3-6，3-7，3-8所示。

一般说来，串联式组合力放大装置的力放大系数i ，为各级装置力放大系数乘积,即i =i 1i 2i 3·····i n （式中，Fi 为输入力，Fo 为输出力）。

图3-5 单边杠杆-铰杆增力机构图3-6 增力型杠杆-铰杆增力机构
图3-7 双边杠杆-铰杆增力机构图3-8 二级铰杆增力机构虽然在理论上，人们能够得到任意多级的串联组合力放大装置，但是，较多级的串联装置无疑将造成结构繁杂拖沓。

所以在工程实际中，超过四级串联组合的力放大装置，就极为罕见了。

就四级以内机构的组合串联，其容量也是相当庞大的，但在组合设计时，应当注意结构刚性、效率以及工程实际要求等原则。

4手动夹具替代机动夹具的途径
本文介绍了两种手动夹具代替机动夹具的途径，利用多级串联增力机构将人手的作用力放大，以达到输出力要求;通过手动冲击的方式来弥补人手所能提供的作用力有限的问题。

4.1基于多级串联增力机构的手动夹具
本文介绍了多级串联增力机构的设计方法，并给出了许多设计实例，只要添加必要的手动及夹紧元件，就可以设计出漂亮的手动夹具，下面通过典型案例加以说明。

1-偏心轮 2-圆锥体 3-固定套筒 4-钢球
5-力输出件 6-导向板 7-复位弹簧 8-工件
图4-1 基于偏心凸轮与钢球-双锥面增力机构的手动夹具工作原理图
工作原理：图4-1为基于偏心凸轮与钢球-双锥面增力机构的手动夹具。

由图可见，该机构主要由带手柄的偏心凸轮、固定套筒、圆锥体、传力钢球、导向板及力输出件组成。

人手作用于手柄球头上的力F H，经过手柄杠杆机构的一次增力(长度效应)和偏心凸轮的二次增力(角度效应)，以及外锥面与钢球
之间、钢球与内锥面之间的三次和四次增力(均为角度效应)，通过力的输出件作用于工件之上实现夹紧。

其中圆锥体所受的来自于三个钢球的径向力，是一个合力为零的平衡力。

也就是说，圆锥体与固定套筒内壁之间，理论上不存在作用力，当然也就不存在摩擦损失。

增力比计算：常见的用手柄驱动的偏心凸轮机构，实质上是一个由杠杆与凸轮复合的串联式二次增力机构。

该机构的理论增力系数i il 的计算公式为
αρt a n L i il =
（4-1）
式中：α-力输出点处偏心凸轮的升角，
ββαcos sin arctan e R e -=（e 为偏心距，R 为偏心轮的半径，β如图4-1所示);ρ-偏心轮转动中心与其力输出点间的距离，βρcos Re 222-+=e R 。

该机构的实际增力系数ip1的计算公式为
()[]21t a n t a n ϕϕαρ++=L
i p (4-2) 式中:ψ1-偏心轮在力输出点处与圆锥体上平面之间的摩擦角;ψ2-转轴
处（O2）的摩擦角。

根据正交增力机构的定义，可以认为从圆锥体到力输出件之间的钢球-双锥面增力机构，是一个二次正交增力机构。

钢球-双锥面增力机构的理论增力系数ir2与实际增力系数ip2的计算公式为:
λγt a n t a n 1
12+=t i (4-3) ⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛++-+=λγλt a n t a n 11t a n 211222
f f f i p (4-4)
式中:f-外锥面与钢球、钢球与内锥面、钢球与力输出件之间摩擦因数，为简化计算起见，认为三者是相等的;γ、λ-压力角，如图4-1所示。

图4-1
所示手动夹具的扩力部分是偏心凸轮机构与钢球-双锥面机构的串联组合，显然，其实际增力系数ip 从数值上应为ip1与ip2的乘积，即
()[]⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+++-+⨯++=λγλϕϕαρt a n t a n 11t a n 211t a n t a n 2221f f f L
i p (4-5) 力传递效率计算:
机构的力传递效率η从数值上应为实际增力系数ip ，与理论增力系数i γ之比值。

显然，偏心凸轮机构的力传递效率η1为:
211t a n )t a n (t a n ϕϕαα
η++= (4-6)
钢球-双锥面增力机构的力传递效率2η为:
ληt a n 21122
2f f f +-+= (4-7) 图4-1所示手动夹具的总的力传递效率η=1η2η，即
()λϕϕααηt a n 211t a n t a n t a n 22
21f
f f +-+⨯++= (4-8) 设e=30mm ，R=30mm,β=90°(计算得α=6.34°)，ψ1=ψ2=6°，f=0.1，代入公式(4-5)、(4-8)，经matlab 编辑运算后可得出该手动夹具的实际增力比曲线及效率曲线，如图4-2、4-3所示。

自锁与输出位移的讨论：
图4-1所示手动夹具要求偏心凸轮应当自锁，而钢球则要求不自锁。

由参考文献可知压紧装置的自锁条件为:
()d D f e +≤2 （4-9）
式中：D-偏心轮直径d-转轴直径,而钢球-双锥面增力机构不能自锁，钢球不自锁的条件为:
212a r c t a n f f
-≥λ （4-10） 如果取f=0.10，则又须大于12°。

为保证输出位移不至于太小及钢球不自锁，选取γ=8°，λ=15°，根据式(4-8)，可计算得该手动夹具的力传递效率系数η≈20%。

尽管这一效率值凭直观感觉相对较低，但由于该压紧装置的理论增力系数很大，故其实际增力系数的值仍然相对较大。

假定上述参数不变，并取L=200mm ，根据式(4-5)，可计算得该手动夹具的实际增力系数ip ≈328.在如此小的空间结构内达到如此大的力放大效果，这是一般增力机构极难做到的。

图4-2 压力角λ、γ与实际增力系数的关系
图4-3 压力角λ与实际效率的关系
4.2冲击式手动夹具
手动夹具获得较大输出力的方式有两种，除了利用多级串联增力机构外，还可以通过手动冲击的方式来获得，并配以自锁机构，在获得较大夹紧同时，保证对工件的可靠夹紧。

第一种途径前面已经进行了详细的阐述，二种途径是本节研究的重点。

参考文献给出了一种以平面-平面组合角度效应为基本原理、以圆柱夹紧元件的自锁型敲击式钻模。

在对其进行分析研究后，以提高和完善为目标，进行了结构改进，并进行了力学分析与计算。

在此基础上，又了以圆柱-圆锥面组合角度效应为基本原理的冲击式自锁夹具。

该夹具在上更为简约，而且制造工艺性极好。

4.2.1基于平面-平面组合角度效应的冲击式自锁夹具
基于平面-平面组合角度效应、以圆柱体为夹紧元件的冲击式自锁夹具的工作原理，如图4-4所示。

工件在侧面与底面的两块定位板上获得正确定位后，将夹紧圆柱塞入斜支承板与工件之间，而后人手通过工具给夹紧圆柱上部施加一个瞬间冲击力F k;由于倾斜α角的作用，夹紧圆柱将在水平方向给工件施加一个夹紧力Fc。

如果倾斜角α在自锁范围内的话，工件将被可靠
夹紧。

此后便可由钻套引导钻头进行切削加工。

当钻孔完成之后，只需在夹紧圆柱底部施加一个向上的瞬间冲击力，即可抽出夹紧圆柱，从而卸下工件。

显而易见，由于摒弃了传统的夹紧机构，而仅采用一只简单的圆柱体作为夹紧元件，所以使得该夹具相对于一般夹具，在结构上变得相对简约，且操作也较为方便。

图4-4所示夹具中的夹具体、定位板与斜支承板，都是基于平面组合的几何形体。

而平面的加工工艺性，要显著差于圆柱、圆锥等回转面。

因此，在夹具设计、以至于机械设计中，尽量以回转几何形体代替平面组合几何形体，既是一个极为重要的设计原则，也是对现有设计进行改进，以及创新设计的一条重要方法或途径。

4.2.2基于圆柱一圆锥面组合角度效应的冲击式自锁式夹具
本文根据以回转几何形体代替平面组合几何形体的理念，设计了如图4-5所示的基于圆柱-圆锥面组合角度效应、以圆柱体为夹紧元件的冲击式自锁夹具。

其工作原理如下:
1-钻套 2-钻模板 3-工件 4-夹紧圆柱 5-斜支撑板 6-定位板 7-夹具体
图4-4基干平面一平面组合角度效应的手动冲击式自锁式夹具
两只支承圆柱、两只支承圆锥、两只支承钉及一只定位销(下图示)，下端均以过盈配合安装于夹具体的相应孔中，钻模板则通过螺母、垫圈固定在两只支承圆柱上。

将工件首先放置在两只支承钉的上平面上，然后使其相互垂直的两个定位侧面分别靠紧两只支承圆柱和定位销(下图)，定位工作即告完成。

此后，将夹紧圆柱塞入工件左侧面和两只支承圆锥之间，再以人手通过工具圆柱上部施加一个瞬间冲击力Fk;由于圆锥斜角 的角度效应而使夹紧圆柱产生的水平方向力Fc，便将工件夹紧。

虽然图4-4与图4-5所示两种夹具的工作原理是一样的，但后者相对于前者，具有以下显著优点:
（1）图4-5所示夹具的主要零件是回转几何形体，其夹具体与钻模板为板状，是最为简单的平面组合几何形体。

因此，图4-5所示夹具不仅制造工艺性好，成本低，而且制造周期也能大大缩短。

1-螺母 2-垫圈 3-钻模板 4钻套 5-支撑圆柱
6-夹紧圆柱 7-支撑圆锥 8-支承钉 9-夹具体 10-定位销
图4-5 基于圆柱-圆锥面组合角度效应的手动冲击式自锁式夹具。