1308-機(jī)床夾具柔性化技術(shù)研究及設(shè)計(jì)
1308-機(jī)床夾具柔性化技術(shù)研究及設(shè)計(jì),機(jī)床,夾具,柔性,技術(shù)研究,設(shè)計(jì)
新技術(shù)開(kāi)發(fā)一種新型的鋼球增力液壓夾具蘇東寧 ,鐘康民(濟(jì)南大學(xué) ,山東 濟(jì)南 250000)摘要 :介紹了一種新型的鋼球增力液 (氣 )夾具 ,推出了其理論增力系數(shù)和實(shí)際增力系數(shù)的計(jì)算公式 ,并對(duì)它與其他兩種鋼球增力液壓夾具的性能進(jìn)行了比較。關(guān)鍵詞 :對(duì)稱(chēng) ;鋼球增力機(jī)構(gòu) ;無(wú)桿液壓缸 ;增力系數(shù) ;夾具 ;壓力角 ;摩擦損失中圖分類(lèi)號(hào) : TH13715 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 :B 文章編號(hào) :1006 - 0316(2003) 04 - 0066 - 03A ne w kind of hydraulic f ixture combined with steel — ball amplif ierSU Dong2ning , ZHON G Kang2min(Dept1of Mechanical Engineering of Jinan University , Jinan 250002 , China)Abstract :This paper introduces a new kind of hydraulic fixture combined with steel2ball amplifier , gives the formulas of ideal forceincreasing ratio and actual force increasing ratio1 The comparison in performance characteristics with other two kinds of hydraulic fix2tures combined with steel2ball amplifier was also shown1Key words :steel2ball amplifier ;rodless hydraulic cylinder ;force increasing ratio ;fixture ,symmetry ;pressure angle ;friction loss1收稿日期 :2003 - 01 - 13作者簡(jiǎn)介 :蘇東寧 (1965 - ) ,機(jī)械工程碩士 ,講師。機(jī)械增力機(jī)構(gòu)與液壓夾具相結(jié)合 ,能有效地降低系統(tǒng)的工作壓力 ,延長(zhǎng)工作壽命 ,減小系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)尺寸。在各種增力機(jī)構(gòu)中 ,鋼球增力機(jī)構(gòu)具有力傳遞效率高 ,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 ,制造工藝簡(jiǎn)便的優(yōu)點(diǎn)。文獻(xiàn)\[1 \]中介紹了兩種基于鋼球增力機(jī)構(gòu)的液壓夾具 ,但其僅給出了理論增力系數(shù)的計(jì)算公式 ,這給實(shí)際應(yīng)用帶來(lái)不便。本文將簡(jiǎn)單介紹這兩種夾具的工作原理 ,推出其實(shí)際增力系數(shù)。同時(shí)我們還要介紹一種新型的具有雙活塞無(wú)桿液壓缸的鋼球增力液壓夾具 ,給出其理論增力系數(shù)和實(shí)際增力系數(shù) ,最后 ,對(duì)這三種增力機(jī)構(gòu)的性能作一下比較。1 鋼球增力機(jī)構(gòu)與單活塞無(wú)桿液壓缸111 工作原理圖 1、圖 2 所示分別為文獻(xiàn) \[ 1 \]所介紹的在液壓夾具中與單活塞無(wú)桿液壓缸組合使用的雙鋼球和三鋼球增力機(jī)構(gòu) ,其工作原理為 :當(dāng)換向閥位于左位時(shí) ,壓力油進(jìn)入液壓缸左腔 ,在壓力油的作用下 ,活塞向右移動(dòng) ,置于活塞中部孔中的鋼球隨之推動(dòng)上方的鋼球向上運(yùn)動(dòng) (圖 2 中將活塞中部銑扁 ,并加工出一個(gè)通孔 ,工作時(shí)中間鋼球在下面的鋼球作用下推動(dòng)上方鋼球向上運(yùn)動(dòng) ) 。在這個(gè)過(guò)程中 ,鋼球?qū)⑤斎肓M(jìn)行了放大 ,并由右上方的鋼球?qū)⒎糯蠛蟮牧o 傳遞出去 ,推動(dòng)夾具上的元件 (未示出 ) 夾緊工件。當(dāng)換向閥位于右位時(shí) ,活塞向左移動(dòng) ,右上方鋼球下降 ,夾具將工件松開(kāi)。需注意的是 ,圖 2 所示系統(tǒng)中的右上方鋼球與右下方鋼球的中心線應(yīng)位于同一垂直線上。圖 1 雙鋼球增力機(jī)構(gòu)圖 2 三鋼球增力機(jī)構(gòu)·66· 機(jī)械 2003 年第 30 卷第 4 期 112 力學(xué)計(jì)算在忽略了鋼球與各接觸面間的滾動(dòng)摩擦的前提下 ,經(jīng)建模分析計(jì)算 ,圖 1 所示系統(tǒng)的理論增力系數(shù)it 與實(shí)際增力系數(shù) i p 的計(jì)算公式分別為 :it = Fotπ d24 p= 1tanα (1)i p = Fopπ d24 p= 1 - tan (α +β ) tanγtan (α +β ) + tanφ (2)圖 2 所示系統(tǒng)的理論增力系數(shù) it 與實(shí)際增力系數(shù) i p 的計(jì)算公式分別為 :it = Fotπ d24 p= 12tanα (3)ip = Fopπ d24 p= [1 - tan(α +β ) tanγ \]\[1 - tan(α +β ) tanθ ]2tan(α +β ) [1 + tanφ tanθ ](4)式中 : Fot為理論輸出力 ; Fop為實(shí)際輸出力 ; d 為活塞直徑 ; p 為液壓缸左腔壓力 ;α 為理論壓力角 ;β 為兩鋼球間的滑動(dòng)摩擦角 ;γ 為力輸出件 (即右上方鋼球 ) 與導(dǎo)向孔間的滑動(dòng)摩擦角 ;φ 為液壓缸與活塞間的滑動(dòng)摩擦角 ;θ 為中間鋼球與活塞內(nèi)孔間的滑動(dòng)摩擦角。2 鋼球增力機(jī)構(gòu)與雙活塞無(wú)桿液壓缸在圖 1、圖 2 所示兩種系統(tǒng)的基礎(chǔ)上 ,我們研究開(kāi)發(fā)出一種新型的鋼球增力液壓夾具 ,即圖 3 所示的具有對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)的三鋼球增力機(jī)構(gòu)與雙活塞無(wú)桿液壓缸組合而成的液壓夾具 。此機(jī)構(gòu)的工作原理同圖1、圖 2 所示系統(tǒng) ,區(qū)別在于結(jié)構(gòu) :在圖 2 系統(tǒng)的基礎(chǔ)上 ,增添了與其對(duì)稱(chēng)布置的另一增力裝置。工作時(shí) ,兩邊機(jī)構(gòu)同時(shí)動(dòng)作 ,共同完成將輸入力放大并將工件夾緊的功能。圖 3 液壓夾具經(jīng)分析計(jì)算 ,此系統(tǒng)的任一邊增力機(jī)構(gòu)的理論增力系數(shù)的計(jì)算公式與公式 (3) 完全相同 ,即 :it = Fotπ d24 p= 12tanα (5)系統(tǒng)任一邊實(shí)際增力系數(shù) i p 的計(jì)算公式為 :i p = Fopπ d24 p= 1 - tan (α +β ) tanθ2tan (α +β ) [1 + tanφ tanθ ] (6)式中符號(hào)含義同公式 (4) 。3 性能比較311 增力效益由公式 (1) 、式 (3) 、式 (5) 可看出 ,在忽略了各接觸面的摩擦的條件下 ,圖 1 所示系統(tǒng)的理論增力系數(shù) it 是圖 2、圖 3 系統(tǒng)的 2 倍 。但在考慮了滑動(dòng)摩擦后 ,它們的差別并非如此大。例如 ,設(shè)理論壓力角α = 8° ,各滑動(dòng)摩擦角 β =γ =θ =φ = 5° 時(shí) ,由公式(2) 、式 (4) 、式 (6) 計(jì)算出的實(shí)際增力系數(shù) i p 分別為31076 ,21063 ,21106 ,即圖 1 所示系統(tǒng)的增力效益分別是圖 2 圖 3 所示系統(tǒng)的 1149 及 1146 倍 。上述討論可看出 ,從增力效益看 ,圖 1 系統(tǒng)最佳 ,圖 3 所示系統(tǒng)次之 ,圖 2 系統(tǒng)相對(duì)較差 。我們?cè)賮?lái)比較一下式 (4) 、式 (6) ,會(huì)發(fā)現(xiàn) :它們的區(qū)別在于式 (6) 中的 ip 表達(dá)式少了一項(xiàng) [1 - tan (α+β ) tanγ \] ,而這一項(xiàng)恰恰是因?yàn)檩敵黾撉蚺c導(dǎo)向孔間的摩擦影響的結(jié)果。而這一結(jié)果的原因在于 :由于圖 3 系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上的對(duì)稱(chēng)性 ,使得系統(tǒng)的力輸出件在水平方向的受力平衡 ,輸出件與導(dǎo)向孔間不存在摩擦 \[2 \],從而使得圖 3 所示的具有對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)的三鋼球增力機(jī)構(gòu)與雙活塞無(wú)桿液壓缸組合而成的液壓夾具的增力效益較圖 2 所示的三鋼球增力機(jī)構(gòu)與單活塞無(wú)桿液壓缸組合而成的液壓夾具的要高。這一結(jié)論在較大載荷工作情況下尤顯其意義。312 輸出件的行程經(jīng)分析計(jì)算 ,當(dāng)活塞的有效水平位移相同時(shí) ,圖2 與圖 3 所示系統(tǒng)力輸出件的輸出位移相等 ,是圖 1所示系統(tǒng)的兩倍。即圖 1 所示系統(tǒng)的增力效益雖佳 ,但它的行程卻不如圖 2 與圖 3 所示系統(tǒng)。4 結(jié)論上述所介紹的三種鋼球增力液壓夾具 ,從增力效益看 ,圖 1 系統(tǒng)最佳 ,圖 3 所示系統(tǒng)次之 ,圖 2 系統(tǒng)相對(duì)較差。就行程看 ,圖 2 及圖 3 (下轉(zhuǎn)第 71 頁(yè) )·76· 機(jī)械 2003 年第 30 卷第 4 期 表 1 實(shí)驗(yàn)值與理論值比較實(shí)驗(yàn)裝置號(hào) 1 號(hào) 2 號(hào)試驗(yàn)次數(shù)測(cè)點(diǎn)載荷 ε 0° 差值 ε 45° 差值 ε 90° 差值 ε 0° 差值 ε 45° 差值 ε 90° 差值12N - 38 40 66 - 43 40 704N - 76 - 38 76 36 132 66 - 89 - 46 78 38 143 736N - 116 - 40 111 35 196 64 - 134 - 45 116 38 215 728N - 154 - 38 146 35 266 70 - 178 - 44 155 39 287 7210N - 192 - 38 182 36 332 66 - 223 - 45 195 40 358 71差值均值 - 3815 3515 6615 - 4510 3818 721022N - 3910 35 66 - 44 41 744N - 79 - 40 71 36 131 65 - 89 - 45 80 39 147 736N - 118 - 39 108 37 198 67 - 134 - 45 118 38 218 718N - 158 - 40 142 34 263 65 - 180 - 46 158 40 290 7210N - 198 - 40 177 35 331 68 - 230 - 43 197 39 363 73差值均值 - 3918 3515 6613 - 4418 3910 721532N - 40 36 - 40 36 - 44 42 774N - 79 - 39 71 - 79 - 39 71 - 89 - 45 81 39 148 716N - 118 - 39 107 - 118 - 39 107 - 134 - 45 119 38 221 738N - 157 - 39 144 - 157 - 39 144 - 178 - 44 159 40 291 7010N - 196 - 39 179 - 196 - 39 179 - 223 - 45 197 38 365 74差值均值 - 3910 3518 6718 - 4418 3818 7210表 2 實(shí)驗(yàn)值與理論值比較實(shí)驗(yàn)裝置號(hào) 測(cè)點(diǎn)應(yīng)變 三次測(cè)量應(yīng)變均值 2N 下應(yīng)變理論值1ε 0°ε 45°ε 90°- 391335156615- 4116331465102ε 0°ε 45°ε 90°- 441838197211- 421736196714參考文獻(xiàn) :\[ 1 \]刑世建 1 材料力學(xué)實(shí)驗(yàn) \[ M \] .重慶 :重慶大學(xué)出版社 ,19981\[2 \]王紹銘 ,熊莉 ,等 1 材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo) \[ M \] .北京 :中國(guó)鐵道出版社 ,20001\[3 \]陳鋒 ,段自力 ,等 1 材料力學(xué)實(shí)驗(yàn) \[ M \] .武漢 :華中理工大學(xué)出版社 ,19991\[ 4 \]顧立成 1 材料力學(xué)實(shí)驗(yàn) \[ M \] .陜西 :西安地圖出版社 ,19941\[ 5 \]劉鴻文 1 材料力學(xué)上冊(cè) \[ M \] .北京 :高等教育出版社 ,19961\[ 6 \]鄭大素 ,江允正 ,楊淳 . 用優(yōu)化方法確定直角應(yīng)變花貼片最佳位置振動(dòng) \[J \] .測(cè)試與診斷 ,1997 ,12 (4) :53 - 55.(上接第 67 頁(yè) )所示系統(tǒng)的行程是圖 1 所示系統(tǒng)的 2倍。若在承受較大工作載荷的場(chǎng)合下使用 ,可考慮采用圖 3 所示的系統(tǒng)。參考文獻(xiàn) :\[1 \]鐘康民 ,宋強(qiáng) ,郭培全 . 鋼球增力式液壓夾具 . 制造技術(shù)與機(jī)床 ,1999 ,11\[ 2 \] Zhong Kangmin , Guo Peiquan1 Orthogonal reinforcement mecha2nism and hydraulic drive1 In : Proceedings of tenth world congresson the theory of machines and mechanisms (Vol5) 1 Oulu , Finland :Oulu University Press , 1999 : 2037 - 20421·17· 機(jī)械 2003 年第 30 卷第 4 期
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