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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。
, S y" [6 M) e2 ]- p$ [6 g9 h/ d工作原理
/ F* m/ |1 ]9 }; g8 S% d9 N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。. i1 B" y- ]9 b5 R/ F# s! L2 v
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。
" k3 Z" w; p( Y& m$ t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。
& { I% }5 o; |0 ?( A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。
1 A) t/ A3 Y5 y# L; d& P. K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。8 [; ]: H U2 f$ v
力学计算5 C2 v, K2 ^, q9 W
输出力的计算
. y+ H+ b; @' h1 S, Q8 h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):
s2 H0 ~4 Y( o6 V% F& @' MFt=m2r2w2+
8 N% y# v+ [; @# `; u. R5 m* }m1r1w2+ O5 ]' K6 N7 n
(N)+ N/ @! n- S7 H$ M4 o% w, q
tga. |: y$ G& b% }7 y+ K
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):
2 X5 G+ C! N! A, R6 f2 a9 \% cFp=m2r2w2+
7 {9 O' z) Q5 H) T! U- ~m1r1w2
4 }1 v0 L9 h. e: v% t8 _+ g1 r/ k3 R8 O! O(N)
3 T- _3 V: v$ x9 e, u: Jtg(a+fp); [/ G! l( \+ R+ X x2 u9 r
式(1)、(2)中:- ^3 _ D' O6 E/ {" V8 u; H5 w- z
m1、m2——增力重块、驱动重块的质量(kg);+ R! e' r4 [6 l- J( n
r1、r2——增力重块、驱动重块的质心至夹具回转中心的距离(m);3 F; R7 R4 U" U" F* Z
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;
. ~& r) E* e/ S: j4 B1 ffp——滚轮的当量摩擦角(rad或°)。$ X _: V& e6 X' o5 `3 F9 N
fp=arctg[(d/D)tgf]& n2 `* q' `9 f( G
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。
3 L7 ~; u+ T) s0 t2 F驱动转矩的计算
+ b' J: {* t) ` r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):# h* R+ k% f0 w
Tt=µD0Ft=µD0[m2r2w2+- y: Y& M; R: Q! X, C- y, v1 w# Q' C
m1r1w20 S' F, ], ?. M. I1 o1 D1 E ^) q0 H* E
]
- f8 G" R" @& z# o3 Z$ j% Rtga! q c& r9 F, Q5 ?' M [2 `
Tp=µD0Fp=µD0[m2r2w2+
: `/ h v1 K$ p- Em1r1w2
c! [4 ~7 i% H4 i7 d8 F* d]
2 H# v z& q6 }! Etg(a+fp) |
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