绿色夹具理论体系及技术创新

前  言

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。绿色制造实质上是人类社会可持续发展战略在现代制造业中的体现。

图1绿色制造工艺目标

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”。夹具技术绿色化的途径如图2。

图2绿色夹具技术框架体系

绿色夹具的三种技术创新研究

一、手动夹具替代机动夹具的研究

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：手动提供的夹紧力有限，且目前自动化的大趋势下更多的选择液压或气动夹具。通过一些创新的设计方式，手动夹具可以部分的替代气、液压夹具，并且满足加工的需求，符合绿色化的发展理念。以下将从以下方面着手对手动夹具的技术进行研究探讨：创新出基于多级串联增力机构的手动夹具；将手动冲击的方式引入到夹具的设计中来。

1.基于多级串联增力机构的手动夹具

图3为基于偏心凸轮与钢球-双锥面增力机构的手动夹具。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晶，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，也就不存在摩擦损失。

图3基于偏心凸轮与钢球一双锥面增力机构的手动夹具工作原理图

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，我们还可以通过手动冲击的方式来获得，并配以自锁机构，在获得较大夹紧力的同时，保证对工件的可靠夹紧。

2.1冲击式自锁式夹具的工作原理：

如图，冲击式自锁夹具组成为两只支承圆柱、两只支承圆锥、两只支承钉及一只定位销，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，再以人手通过工具给夹紧圆柱上部施加一个瞬间冲击力R；由于圆锥斜角口的角度效应而使夹紧圆柱产生的水平方向力E，便将工件夹紧

图4 基于圆柱-圆锥面组合角度效应的冲击式自锁式夹具

2.2该夹具具有如下优点

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。不仅制造工艺好。成本低，而日制造周期也能大大缩短。支承圆柱、支承圆锥、支承钉及定位销，与夹具体是可拆卸分离的。因此，通过更换不同尺寸规格的相应元件，或在不同尺寸规格的元件、零件中进行组合，便能适应相似形状、尺寸不同的零件的加工。

3.通过以上分析计算我们可以得到以下结论：

（1）根据上述夹具中所体现的创新设计理念与方法，可以根据工程实际需要，设计出铣削、刨削及平面磨削等不同用途的夹具。

（2）以回转几何形体代替平砸组合几何形体，能在简化夹具结构的同时，改善其制造工艺性，从而能大幅度降低夹具制造成本，并显著缩短制造周期。

（3）上述两种夹具，仅适用于板类零件的定位与夹紧。基于同一创新理念与方法，设计出适应装夹其它几何形体零件(如轴类零件等)的手动冲击式自锁夹具，是夹具技术绿色化的一个重要研究方向。

（4）以圆柱体为夹紧元件的手动冲击式自锁夹具，能得到远大于一般手动夹具的夹紧力；这就使得该类夹具能在一定场合，代替耗能较高且容易产生污染的气动、液压等机动夹具。

二、气动及气-液复合传动的研究

气压传动以空气为传力介质，没有污染问题，从绿色化发展的角度而言，气动夹具明显优于液动夹具，当然气压传动也存在严重的不足。与液压传动相比，气压传动的夹紧力有限，由于空气的压缩性，夹紧的刚度不够高，重载下的稳定性不够。针对气压传动的如上缺点我们可以通过以下几种途径加以解决：

（1）设计结构紧凑的高倍增力机构，或采用新型的气动原件如气动肌肉

（2）利用气动冲击和自锁机构结合的方式来夹紧工件，解决系统压力低、刚性不足的问题；

（3）采用气-液增压装置。流体介质封闭式循环，降低污染。通过一定的技术方式弥补其不足之后，气动夹具代替液动夹具是可行的。

1.机械增力气动夹具

图5 对称式斜楔-杠杆-铰杆三级增力气动-机械复合传动系统

图5所示系统将无杆活塞做成双面斜楔，当活塞在气缸左腔气体压力的作用下向右运动时，活塞上的斜面作用于滚轮，通过斜楔增力机构进行一次力放大；滚轮驱动杠杆式压板绕固定铰链轴摆动，通过杠杆进行二次力放大；最后通过斜置铰杆增力，由力输出件施加输出力只，从而夹紧工件。工件夹紧后，在保持气压不变的情况下可对工件进行加工。加工完毕后使换向阀切换至右位工作，活塞向左运动，杠杆式压板在复位弹簧作用下反向摆动，从而松开工件。这是一种对称型夹紧机构，力输出件在竖直方向上所受的力是对称平衡的，所以不存在力输出件与其约束件的导向孔内壁之间的摩擦损失，机构的实际输出效率大大提高；其次，由于采用了三次增力机构与气压传动的组合，具有显著的力放大效果，成功弥补了气动系统压力不足的缺点。

2.增力自锁气动夹具

夹具在夹紧工件时需要提供持续的夹紧力，对于气动夹具而言就要求提供持续的气压以维持夹紧状态，如果增力机构具备自锁功能，夹紧工件时气压产生系统就可以停止工作节省能源。图6给出了一种基于增力自锁机构的气动夹具，其工作原理为：如图所示，当气阀处于一定位置时，气压通往气压缸左腔压迫活塞向右移动。活塞的移动迫使球头滑柱向上推动两个钢球作向上运动；其上方的压紧件以输出力凡压迫夹紧元件并将工件夹紧。当气阀切换至相反位工作时，活塞向左运动压紧件、钢球和球头滑柱可通过弹簧作用自动复位，使加工完毕的工件得以松开。

图6 增力自锁气动夹具工作原理图

3.冲击式气动夹具

在气缸内放置一个无杆的活塞，活塞的中部加工有一通过活塞中心的轴向长槽，其轴向长度远大于驱动偏心凸轮转动的驱动杠杆球头直径。初始位置时，驱动杠杆球头位于长槽的右侧。当活塞在缸左腔压缩空气的作用下，以一定加速度向右运动一段距离后，轴向槽左壁才与驱动杠杆球头部相接触，并给球头施加一个冲击力。在此冲击力的作用下，驱动杠杆驱动偏心凸轮以O2为轴心，作顺时针方向摆动。活塞所受的轴向力，经过驱动杠杆与偏心凸轮的作用放大后，由偏心凸轮向外输出作用力F0夹紧工件(图示即为夹紧位置)，此后便可对工件进行切削加工。由于偏心凸轮夹紧机构具有自锁功能，切削加工过程中可停止向气缸供气，以实现节能。

图7 基于偏心凸轮增力自锁机构的冲击式气动夹具

切削加工完毕后，气动换向阀换位，使压缩空气进入气缸右腔。活塞同样以一定加速度向左运动一段距离后，通过轴向槽右壁给驱动杠杆球头施加一个冲击力，从而驱动偏心凸轮作逆时针方向摆动，工件即被松开。由于松开偏心凸轮夹紧机构所需要的作用力，要显著大于夹紧时旋加的作用力。因此，活塞冲击力的主要意义在于，松开工件时能提供远大于静力平衡状态下作用于活塞上的轴向力。

4.气动肌腱驱动的夹具

气动肌腱是一种功率．重量比高、能提供双向拉力的柔性执行元件气动肌腱能够提供比普通气缸大得多的力，但是在要求输出力较大的场合，可能仍不能满足要求。因此将气动肌腱与适当的增力机构组合，可以大大简化系统结构，在需要较大输出力且结构尺寸受限制的场合下，有很大的应用空间。

图8 基于气动肌腱与对称性铰杆二次增力机构的气动夹具

工作原理：如图8，当气动肌腱内部充入压缩空气后，就会在产生径向膨胀的同时伴随着轴向收缩，从而提供一个收缩力。该收缩力通过增力铰杆机构的角度效应进行二次力放大后，传递到力输出件上，最后由力输出件输出力F0，作用于相应的工作对象上。

三、加工过程低、无能耗液压夹具研究

传统液压传动夹具系统是通过两个液压泵同时提供压力油，空行程快速趋近工件，遇载荷后，低压泵并通过顺序阀卸荷，此时高压泵继续提供高压油液完成对工件的夹紧，并持续运转以维持系统压力。在加工时间较长的情况下，为节省能源，会使用压力继电器来控制电机的启动和停止，并配以蓄能器来保持系统压力。传统液压夹具系统的缺点：结构复杂，成本高，体积大。

我们两种途径加以解决，一是将机械增力自锁机构与液压缸结合，这样在输出力及液压缸直径一定的条件下，可以降低系统压力，电机功率可以减小；自锁后，液压泵无需工作，达到了节能的目的。二是结合电机调速技术实现泵的大幅变量，设计出小功率低压大流量、高压小流量的双作用双级压力泵。

1.增力自锁液压夹具

考虑到加工时间较长的情况，选择采用自锁机构，这样在加工过程中液压系统就可以停止工作，以降低能源消耗。

如图9所示，活塞杆外伸下端加工成楔面，一对斜楔对称布置在活塞杆两侧，斜楔另一端加工一圆孔，并在其中放置复位弹簧，对称型铰杆的上下两个输出端，分别与一只斜楔相连接，另一端与力输出件相铰接。在换向阀处于图示左位工作状态时，液体进入活塞上部油腔，下部油腔回油，液体向液压缸活塞施加作用力E，在作用力的作用之下，机构产生运动，作用力E通过斜楔机构的角度效应，进行第一次力放大，推动斜楔分别在各自的导向孔内向左右两侧滑动，并将放大后的力分别作用在左右二只铰杆上，铰杆压力角口逐渐变小，二只斜楔铰杆便在一次放大力的作用下，推动力输出件向下运动，并对作用对象施加输出力夹紧后，机构自锁，完成所需的机械加工。当换向阀切换车右位工作状态时，液压缸活塞下部油腔进油，上部油腔回油，即当作用力E反向时，在作用力F作用下，活塞杆上拉，复位弹簧推动斜楔向机构中心方向运动，铰杆压力角a增大，力输出件向上运动，从而松开工件，完成复位。

图9 增力自锁液压夹具工作原理图

2.变频调速变量小功率双作用双级液压泵

如图10，泵的柱塞在轴向上呈对称阶梯状；并将液体分隔成四个密闭腔：上部小腔、上部大腔、下部小腔、下部大腔。大活塞中部加工出一方形孔，内置偏心轮，偏心轮在其偏心处与可调速电机输出轴固接。当偏心轮从图示位置沿顺时针转动时，单向阀吸入液体，下部大腔与小腔通过单向阀，同时向外排出低压液体。当活塞随偏心轮的转动向上运动时，单向阀吸入液体，上部大腔与小腔通过单向阀，同时向外排出低压液体。排出的低压液体汇合后进入执行装置，使执行元件快速趋近工作部位。一旦执行元件遇到负载，系统压力便会升高，此时单向阀会自动关闭，而顺序阀会自动打开；各大腔的液体经相应的顺序阀流回油箱，实现所谓卸荷；各小腔经单向阀排出的高压小流量液体，进入执行装置，使执行元件获得所需要的输出力。

图10 变频调速变量小功率双作用双级液压泵工作原理

3.以上对液压夹具绿色化技术中的节能技术进行了初探，一是通过机械增力自锁机构与液压传动相结合，以达到降低系统压力，节约能源的目的：二是用变频调速变量小功率双作用双级液压泵代替传统液压泵，降低能耗，节约能源。

绿色夹具设计总结

对以上的三种设计思路以及具体实例进行归纳，得出的结论如下：

1.在不加大操作工人劳动强度的前提下，通过采用多级串联增力机构将人手作用力进行放大，或采用手动冲击方式获得较大的初始作用力，能使手动夹具输出力显著提高，从而可部分取代耗能高且容易产生污染的机动夹具。

2.通过采用机械增力机构将气缸活塞的作用力进行放大，或采用气动肌腱来获得较传统刚性气缸大得多的原始初始作用力，可相对弥补传统气动夹具因气压低而造成输出力受局限的不足，使得采用气动夹具，在更大范围内取代液压传动夹具，成为了可能与现实。

3.以气液复合传动代替液压传动，作为夹具的夹紧力来源，相对于单纯的液压传动夹具，可在一定程度上降低油液泄露造成的污染。

4.在不得不使用液压传动夹具的场合，通过采用独特的小功率变频调速变流量双作用双级液压泵，可根据负载变化实现低压大流量到高压极小流量的自动切换，与采用传统液压泵的夹具相比，效率与节能效果都有显著提高。

（夹具侠）

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