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。
1 f1 B" o5 p! V  d工作原理
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。
4 B$ M8 H( I: i5 R' M8 l7 p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。
" e. M3 ]2 X$ [7 o* x/ t0 V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。
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
  e. S; p; V7 U( A/ T! t输出力的计算
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)：
* }  `* p' [' h; D; S) i" UFt=m2r2w2+
5 ?* P9 y0 ~- ym1r1w2
) _! u& p, \: b: m. T8 i! o(N)
tga
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)：
0 \. J) C9 M; f# }Fp=m2r2w2+
m1r1w2
(N)
4 L4 N1 z3 w5 e% k; Mtg(a+fp)
式(1)、(2)中：
* [4 B( k) h% Ym1、m2——增力重块、驱动重块的质量(kg)；
, G0 \9 z0 w3 p0 Z! v! Z$ qr1、r2——增力重块、驱动重块的质心至夹具回转中心的距离(m)；
$ c  x& ?& C) k) ]6 p9 |+ H8 Ea——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；
( M2 A3 A- M% A3 Y0 J7 Afp——滚轮的当量摩擦角(rad或°)。
fp=arctg[(d/D)tgf]
4 y0 Y. e% `+ H& h' Z% w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。
- d9 x, {* S) Q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)：
' R+ Q" O0 g, Z8 lTt=µD0Ft=µD0[m2r2w2+
) n# b( m% `3 f' x- pm1r1w2
5 w/ m' Y' ^# {* L]
7 C. ?8 T" M  I' y  s  S+ atga
Tp=µD0Fp=µD0[m2r2w2+
' b6 N% |( A3 }& V& v: pm1r1w2
% t: F( t9 R) X' Y. @# R]
tg(a+fp)