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。
) {7 o8 C/ c+ y  H" G: P% o工作原理
) u- D2 ?8 A+ j+ R6 D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。
( H# v+ C% R* T+ w8 A" ~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。
4 p7 @9 Z: q, }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。
4 |. `- A9 |; O8 f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
4 ^7 \: Q2 L0 Q, h: {, i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)：
7 X9 x! R# N! c. q* W+ H# ^Ft=m2r2w2+
m1r1w2
(N)
tga
) c, y' v2 H6 \/ J* k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)：
7 ]5 V! \2 M1 P; t# LFp=m2r2w2+
m1r1w2
(N)
% S  |" k' S. \% Dtg(a+fp)
5 B5 B; k$ [6 H4 I& I/ R式(1)、(2)中：
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°)。
% m  Q# [  o0 X' J: l+ C! t( G2 S1 Bfp=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。
1 E1 B. D8 z! a/ C驱动转矩的计算
, n; `, L3 R4 g. A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)：
/ q7 W5 Q. c6 }8 B# u& f& m% TTt=µD0Ft=µD0[m2r2w2+
# R( |' _+ z' M' rm1r1w2
]
tga
# b- V- C8 K7 u) L# F) a# hTp=µD0Fp=µD0[m2r2w2+
m1r1w2
]
( I( Z0 D$ O3 U8 E: Dtg(a+fp)