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。
: s6 ]' y0 O2 e( f* m9 b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。
% v% Q* A5 @4 T) ^0 [6 p' E  f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。
0 [3 Y" w! o' g. h; x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
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)：
Ft=m2r2w2+
m1r1w2
(N)
* s% T. F; d0 S" w- g  L( Qtga
  Y/ h  P/ |! c6 A8 z! X2 [) Z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)：
Fp=m2r2w2+
" v7 X  k( t' ?& f! I" D* Nm1r1w2
(N)
tg(a+fp)
式(1)、(2)中：
m1、m2——增力重块、驱动重块的质量(kg)；
) n1 l7 X9 K+ Cr1、r2——增力重块、驱动重块的质心至夹具回转中心的距离(m)；
$ m/ I9 p8 Q6 l' A# ma——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；
7 ^. P: O9 Q9 K' Nfp——滚轮的当量摩擦角(rad或°)。
2 F+ c/ r2 Y2 W3 R1 {+ H2 x5 O8 Cfp=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)：
" E0 g" h; v' O% D2 x- R' zTt=µD0Ft=µD0[m2r2w2+
m1r1w2
! n8 i; Q) W6 U% i]
tga
8 y$ ~' R3 W0 r& QTp=µD0Fp=µD0[m2r2w2+
m1r1w2
: P* Y8 w! s8 J) X; Z5 B]
' q: K; B" w4 r& H3 `tg(a+fp)