基于斜楔增力的离心式内孔夹具

大祭司

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。
工作原理
& g4 h$ O# O" X) A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。
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。
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。
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。
; s2 V2 v( B4 v! E: e3 O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。
力学计算
输出力的计算
( r+ P/ ^) r- M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)：
% l- O8 ~9 y5 F6 i0 ~2 J8 AFt=m2r2w2+
m1r1w2
(N)
1 ]' \9 g& H8 l' o* \: X" ytga
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)：
* Q% }& g, [$ n2 R$ m. [6 A$ AFp=m2r2w2+
8 i) t! q: _3 {3 }( q3 u* [) i/ {m1r1w2
* m3 C& x4 x7 d" S" k(N)
$ U4 j: @: g# h/ Qtg(a+fp)
式(1)、(2)中：
) v- ^; `, W& ^0 `" W, [m1、m2——增力重块、驱动重块的质量(kg)；
r1、r2——增力重块、驱动重块的质心至夹具回转中心的距离(m)；
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；
fp——滚轮的当量摩擦角(rad或°)。
fp=arctg[(d/D)tgf]
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。
驱动转矩的计算
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)：
" X9 o2 I& ]! ?Tt=µD0Ft=µD0[m2r2w2+
! T# b# V" U: R5 s2 f- V/ _m1r1w2
]
tga
; J/ B9 q. m, k5 A* {. G3 YTp=µD0Fp=µD0[m2r2w2+
7 Q6 {# ?9 g6 C6 m% t2 Xm1r1w2
]
tg(a+fp)