机床夹具设计教程－基本夹紧机构

  5  基本夹紧机构
不论采用何种力源（手动或机动）形式，一切外力都要转化为夹紧力，这一转化过程都不得是通过夹紧机构实现的。因此夹紧机构是夹紧装置中的一个重要组成部分。在各种夹紧机构中，起基本夹紧作用的，多为斜楔、螺旋、偏心、杠杆、薄壁弹性元件等夹具元件，而其中以斜楔、螺旋、偏心以及由它们组合而成的夹紧装置应用最为普遍。
 5.1 斜楔夹紧机构
1.作用原理

图5-38 手动斜楔夹紧机构
1－斜楔　　2－工件　　3－夹具体
图5-38为一种斜楔夹紧机构。需要在工件上钻削互相垂直的φ8mm 与φ5mm 小孔，工件装入夹具后，在夹具体上定位后，锤击楔块大头，则楔块对工件产生夹紧力和对夹具体产生正压力，从而把工件楔紧。加工完毕后锤击楔块小头即可松开工件。
由此可见，斜楔主要是利用其斜面的移动和所产生的压力来夹紧工件的，即楔紧作用。

2. 夹紧力的计算
斜楔夹紧时的受力情况如图5-39 （a） 所示，斜楔受外力为，产生的夹紧力为，按斜楔受力的平衡条件，可推导出斜楔夹紧机构的夹紧力计算公式：


当、、均很小且＝＝时，上式可近似的简化为

式中：——夹紧力，单位为N；
——作用力，单位为N；
、分别为斜楔与支承面及与工件受压面间的摩擦角，常取＝＝50～8
0；
α—斜楔的斜角，常取α＝60～100。
3．斜楔的自锁条件
图6-39（b）所示，当作用力消失后，斜楔仍能夹紧工件而不会自行退出。根据力的平衡条件，可推导出自锁条件：
                         （6-1）
                                       （6-2）
                               （6-3）
将式（6-2）、（6-3）代入（6-1）式 ，得：
                 
      (设＝＝)
一般钢铁的摩擦系数μ＝0.1～0.15。摩擦角＝arctan(0.1～0.15)＝5°43′～8°32′,故 α≤11°～17°。但考虑到斜楔的实际工作条件，为自锁可靠起见，取α＝6°～8°。当α＝6°时，tanα≈0.1=,因此斜楔机构的斜度一般取1：10。
4．斜楔机构的结构特点
（1）斜楔机构具有自锁的特性
当斜楔的斜角小于斜楔与工件以及斜楔与夹具体之间的摩擦角之和时，满足斜楔的自锁条件。
（2）斜楔机构具有增力特性
斜楔的夹紧力与原始作用力之比称为增力比 （或称为增力系数）。
即：
当不考虑摩擦影时，，此时α愈小，增力作用愈大。
（3）斜楔机构的夹紧行程小
工件所要求的夹紧行程 h 与斜楔相应移动的距离 s 之比称为行程比  ：

因,故斜楔理想增力倍数等于夹紧行程的缩小倍数。因此，选择升角α时，必须同时考虑增力比和夹紧行程两方面的问题。
(4)斜楔机构可以改变夹紧力作用方向
由图6-39可知，当对斜楔机构外加一个水平方向的作用力时，将产生一个垂直方向的夹紧力。[yao_page]
5．适用范围
由于手动斜楔夹紧机构在夹紧工件时，费时费力，效率极低所以很少使用。因其夹紧行程较小，因此对工件的夹紧尺寸（工件承受夹紧力的定位基准至其受压面间的尺寸）的偏差要求很高，否则将会产生夹不着或无法夹紧的状况。因此，斜楔夹紧机构主要用于机动夹紧机构中，且毛坯的质量要求很高。
 5.2　螺旋夹紧机构
螺旋夹紧机构螺钉、螺母、螺栓或螺杆等带有螺旋的结构件与垫圈、压板或压块等组成。他不仅结构简单、制造方便，而且由于缠绕在螺钉面上的螺旋线很长，升角小。所以螺旋夹紧机构的自锁性能好，夹紧力和夹紧行程都较大，是目前应用较多的一种夹紧机构。
1．作用原理
螺旋夹紧机构中所用的螺旋，实际上相当于把斜楔绕在圆面积柱体上，因此，其作用原理与斜楔是一样的。只不过是这时通过转动螺旋，使绕在圆柱体上的斜楔高度发生变化，而产生夹紧力来夹紧工件。
2．结构特点

图6-40  典型螺旋压板机构
螺旋夹紧机构的结构形式很多，但从夹紧方式来分，可分为单个螺栓夹紧机构和螺旋村板夹紧机构两种。图6-40（a）为压板夹紧形式，图6-40（b）为螺栓直接夹紧形式，在夹紧机构中，螺旋压板的使用是很普遍的。
图6-41为最简单的单个螺栓夹紧机构。图6-41（a）为直接用螺钉压在工件表面，易损伤工件表面；图6-41（b）为典型的螺栓夹紧机构，在螺栓头部装有摆动压块，可以防止螺钉转动损伤工件表面或带动工件旋转。典型压块
的如图6-42所示。图6-42（a）为光面压块，用于用于压紧已加工过的表面；图6-42（b）为槽面压块，用于未加工过的毛坯表面；图6-42（c）为球面压块，可自动调心。压紧螺钉及压块已标准化，可查阅相关手册。

（a）                                 （b）
图6-41 单个螺旋夹紧机构

   图6-42 摆动压块
螺旋夹紧机构中，螺旋升角α≤4°，因此自锁性能好，能耐振动。由于螺旋相当于长斜楔绕在圆柱体上，所以夹紧行程不受限制，可以任意加大，不会使机构增大。
设计螺旋夹紧机构时应根据所需的夹紧力的大小选择合适的螺纹直径。
3．适用范围
由于螺旋夹紧机构结构简单、制造方便，增力比大，夹紧行程不受限制，所以在手动夹紧机构中应用广泛。但其夹紧动作慢、辅助时间长，效率低。
为了克服螺旋夹动作紧慢，效率缺点，出现了各种快速夹紧机构。如图6-43所示。输入法6-43（a）中，在螺母一方的增加开口垫圈，螺母的外径小于工件内孔直径，只要稍微放松螺母，即可抽出垫圈，工件便可螺母取出。图6-43（b）为快卸螺母，螺母孔内钻有光孔，其孔径略大于螺纹的外径，螺母斜向沿光孔套入螺杆，然后将螺母摆正，使螺母的螺纹与螺杆啮合，再拧动螺母，便可夹紧工件。但螺母的螺纹部分被切去一部分，因此啮合部分减小，夹紧力不能太大。

图 5-43  快速螺旋夹紧机构
  3　偏心夹紧机构　
用偏心元件直接夹紧或与其它元件组合而实现对工件的夹紧机构称为偏心夹紧机构，它是利用转动中心与几何中心偏移的圆盘或轴等为夹紧元件。图 5-40所示为常见的各种偏心夹紧机构，其中图 5-40（a）是偏心轮和螺栓压板的组合夹紧机构；图 5-40（b)是利用偏心轴夹紧工件的。

图 5-44　偏心夹紧机构实例
1．偏心夹紧的工作特性

图 5-45  圆偏心特性及工作段
如图 5-45（a）所示的圆偏心轮，其直径为 D，偏心距为 e，由于其几何中心 C 和回转中心 O 不重合，当顺时针方向转动手柄时，就相当于一个弧形楔卡紧在转轴和工件受压表面之间而产生夹紧作用。将弧形楔展开，则得如图 5-45（b)所示的曲线斜楔，曲线上任意一点的切线和水平线的夹角即为该点的升角。设αx 为任意夹紧点 x 处的升角，其值可由 ΔOxC中求得：

式中转角  的变化范围为 00≤≤1800，由上式可知，当＝00时，m 点的升角最小，＝00，随着转角的增大，升角也增大，当＝900时（即 T 点），升角为最大值，此时：

因很小，故取max≈2e/D。
当 继续增大时，将随着 的增大而减小，＝1800，即 n 点处，此处的。
偏心轮的这一特性很重要，因为它与工作段的选择，自锁性能，夹紧力的计算以及主要结构尺寸的确定关系极大。
2．偏心轮工作段的选择
从理论上讲，偏心轮下半部整个轮廓曲线上的任何一点都可以用来做夹紧点，相当于偏心轮转过1800，夹紧的总行程为 2e，但实际上为防止松夹和咬死，常取 P 点左右圆周上的1/6～1/4 圆弧，即相当于偏心轮转角为 600～900的范围所对应的圆弧为工作段。如图 5-45 （c）所示的 AB 弧段。由图  5-45（c）可知，该段近似为直线，工作段上任意点的升角变化不大，几乎近于常数，可以获得比较稳定的自锁性能。因而，在实际工作中，多按这种情况来设计偏心轮。
3．偏心轮夹紧的自锁条件
使用偏心夹紧时，必须保证自锁，否则将不能使用。要保证偏心轮夹紧时的自锁性能，和前述斜楔夹紧机构相同，应满足下列条件
≤
式中　——偏心轮工作段的最大升角；
——偏心轮与工件之间的摩擦角；
——偏心
轮转角处的摩擦角。
因为，tan≤ tan(+)，已知 tan＝ 2e/D。为可靠起见，不考虑转轴处的摩擦，又 tanφ1＝，故得偏心轮夹紧点自锁时的外径 D 和偏心量 e 的关系:
2e/D≤
当＝ 0.10 时，
D/e ≥ 20；
＝ 0.15 时，D/e ≥ 14
称 D/e 之值为偏心率或偏心特性。按上述关系设计偏心轮时，应按已知的摩擦系数和需要的工作行程定出偏心量 e 及偏心轮的直径 D。一般摩擦系数取较小的值，以使偏心轮的自锁更可靠。
4．适用范围
偏心夹紧机构的特点是结构简单、动作迅速，但它的夹紧行程受偏心距 e 的限制，夹紧力较小，故一般用于工件被夹压表面的尺寸变化较小和切削过程中振动不大的场合，多用于小型工件的夹具中。对于受压面的表面质量有一定的要求，受压面的位置新变化也要较小。