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基于斜楔增力的离心式内孔夹具

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发表于 2011-8-8 21:35:22 | 显示全部楼层 |阅读模式

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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。( Q9 ?7 y  @- i1 l7 u* P* L
工作原理+ E9 s4 J7 x8 R' a3 p; R% N+ l' W
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。
! u0 V% S) l7 ]! f9 q% ]7 o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。
. X( ]# q4 |( G4 G' A6 J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。2 o( W6 K4 J) B
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。4 @0 k+ K! {7 F/ w; A' h: f6 W/ b
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。
) g+ E8 m/ s0 c9 ?" ^力学计算. l# a. I9 ~. V! f1 E' @! k/ Z* B/ u
输出力的计算
8 \* l0 u  B; {) k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):/ Z' K- x  e" T% h1 V
Ft=m2r2w2+
9 a/ {# S/ G; s% {3 im1r1w2
& w! Y* V: u) b+ C3 Q2 e/ h(N): j2 {9 V7 z% @4 A/ ?  K, f
tga
0 `4 ~! j* \) J2 Q" E: v7 n) |8 h9 }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):
% g( y9 f: l; a" M# Y  r! s  `Fp=m2r2w2+8 M' c# E9 q" }+ j1 y; j
m1r1w2. [; }; A+ w) V# r' H4 f% ^9 W
(N)
0 @3 d# s& {  n9 t: l4 X4 L: T2 Ftg(a+fp)) R; C3 A/ N& ~# g# u8 |- a
式(1)、(2)中:
5 p/ }% I% P8 \( E) ~- hm1、m2——增力重块、驱动重块的质量(kg);
0 A! y: ]2 f- B8 V$ @6 ]6 @r1、r2——增力重块、驱动重块的质心至夹具回转中心的距离(m);
- J: q$ m; f% |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;0 e. j1 A0 a$ |7 E" T) g
fp——滚轮的当量摩擦角(rad或°)。
# z8 B; L, @# e3 v3 nfp=arctg[(d/D)tgf]/ }' ], L+ t( a5 w7 c
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。- h* I( N$ r' g) s9 ^$ X
驱动转矩的计算
8 h  w( c; }: f! ~0 U: N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):
! t5 l5 B" N7 I2 u' u2 GTt=µD0Ft=µD0[m2r2w2+& Q+ F4 d( r9 N3 n
m1r1w2( G2 @/ S- M" L0 F3 y$ S8 ]9 M2 N
]
: i: c$ W! o7 D/ R* Y. Etga
0 b7 f8 M" C5 n4 S% OTp=µD0Fp=µD0[m2r2w2+
: n. \# @1 Z2 k- K! k, sm1r1w2
0 k  U& d7 o4 D9 V]! t( i& r6 E* [  Z6 G/ _/ n) D" ^
tg(a+fp)
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