一種新型單向可調節夾具的設計與開發

霍天樞，潘鳴宇

（1.吉林廣播電視大學，長春 130000；2.長光衛星技術有限公司，長春 130000）

0 引言

材料試驗機在金屬與非金屬材料的靜力學測試分析中，可檢測其拉伸、壓縮、彎曲、剪切等條件下的材料性能。夾緊裝置提供足夠的夾緊力是試驗機正常工作的重要保障[1]。材料試驗機一般選擇液壓楔形夾具作為夾持式樣的主要手段，因其擁有夾持力大、方便操作等優點。液壓夾具采用活塞桿、夾具體內的液壓缸、夾具體楔面與夾塊共同作用的方式來產生對式樣的夾持力。在試驗機進行拉伸動作前，液壓楔形夾具內部通過液壓油的壓力使活塞桿和液壓缸之間產生壓力和相對位移，由于活塞桿固定在試驗機橫梁上，可視活塞桿在空間上靜止不動，夾具體在壓力的作用下沿活塞桿軸向移動，同時活塞桿另一端抵在夾塊上方，夾具體兩側的楔面則帶動2個夾塊相對靠攏，進而夾塊通過夾具體楔形結構對式樣產生夾持力直到將式樣夾緊。在拉伸試驗的過程中活塞桿固定在拉伸機橫梁上，由試驗機橫梁對夾具施加持續穩定可控的拉力。由于液壓油具有壓縮性，同時液壓楔形夾自身結構存在裝配間隙和不完全密封等原因，楔形夾具夾緊試樣后試樣會受初始軸向力，楔形夾具存在裝配間隙，在試驗曲線的彈性階段會出現鐮刀彎現象[2]。本文所設計的新型單向可調節夾具采用了水平方向的夾持力規避了液壓楔形夾具在軸向與楔面方向上的不穩定運動，進而在式樣夾緊受拉時不會發生式樣力學曲線的擾動變化。

1 夾具的基本結構及其特點

1.1 夾具的主要結構及夾持原理

該夾具采用壓縮空氣作為動力源，壓縮空氣通過氣路接口進入夾具體氣缸為夾持動作提供動力，氣缸中氣源壓力推動活塞在氣缸中產生相對運動和推力，活塞與推桿1為緊固結構，活塞在氣壓作用向前移動的過程中通過推桿1將力和運動傳遞給連桿上端，連桿上端有滑槽結構，推桿1端部的滾軸可沿滑槽移動，推桿1在保持水平位置不變的情況下可使連桿繞一定軸轉動并且做往復運動，同時推桿1可全程保持對連桿上端的推力，這樣通過連桿的增力結構將放大后的力從連桿下端輸出給推桿2，同時推桿2沿水平方向移動，推桿2與推力夾塊為緊固關系，故推桿2帶動推力夾塊一同位移將其推向夾具中心線，同時將放大后的力通過推力夾塊傳遞給式樣，在另一側調節夾塊的共同作用下形成對式樣的夾持力，在夾緊的全過程中夾持力始終保持水平方向，夾具原理結構如圖1所示。

圖1 夾具內部剖視圖

1.2 夾具的結構特點

夾持式樣的2個夾塊采用可更換式夾頭，夾塊帶有燕尾滑槽及定位裝置，夾頭有相對應的燕尾結構可在夾塊滑槽中前后滑動，同時夾頭靠近燕尾槽底部一面在中心區域帶有凹槽，當夾塊與夾頭中心重合時定位裝置的彈簧頂頭則頂入凹槽從而使夾頭固定，沿滑槽方向稍一用力則頂頭會通過夾頭凹槽提供的弧度自動壓回從而解除固定，更換不同的夾頭可夾持不同的材料及形狀的試樣。夾塊下方配有對中件，由兩個緊定螺釘固定，松開緊定螺釘對中件則可沿著自身滑槽來回滑動，根據試樣的尺寸不同調整對中件距夾具中心的位置，從而使試樣貼合對中件后正好處于夾具的夾持的中心位置，對中件結構如圖2所示。調節旋鈕與調節推桿為固定連接，通過旋轉調節旋鈕可以帶動調節推桿同步旋轉，調節旋鈕位置關系參見圖1與圖3，調節推桿與導向桿之間為螺旋配合，導向桿上有導向槽與導向螺釘配合，使導向桿自身不旋轉且沿導向槽方向平移，通過調節推桿與導向桿之間的螺旋傳動可以使固定在導向桿末端的調節夾塊發生水平位移，根據試樣的不同厚度旋轉調節旋鈕，從而改變調節夾塊距夾具中心的距離，可達到改變夾持范圍的效果。綜上，由夾持結構主體和以上獨立結構共同組成了由一側夾塊提供夾持力的單向可調節夾具。

圖2 對中件部分結構圖

圖3 夾具右視圖

2 夾具的使用

夾具采用壓縮空氣為試樣的夾緊和松開提供動力，通過連接銷將夾具固定在試驗機橫梁上，將氣源氣路連接至夾具的氣路接口。確定試驗所夾持試樣的規格后，通過調節旋鈕調整調節夾塊和夾具中心線之間的距離，從而獲得合理的夾持范圍，調整夾具對中件使試樣幾何中心與夾具的前后中心面重合，確定好上述范圍后將試樣放入夾持范圍內，按下夾具氣源開關兩側夾塊自動將試樣夾緊。當兩夾塊對試樣夾緊后開始試驗機拉伸動作，夾塊在水平方向上始終對試樣保持著穩定的夾持力。通過更換不同種類的夾塊，同時合理控制調節旋鈕改變夾持范圍可以對板試樣、棒試樣、布帶試樣、金屬絲試樣等形式的試樣進行拉伸測試。

3 夾具體結構分析

3.1 夾具體結構及主要參數計算

在夾具體的設計中應該重點考慮缸的內外徑、活塞桿直徑、壓力、活塞行程、缸蓋的固定及密封等的參數選擇，并根據試樣夾持力的大小及夾具所要夾持試樣的夾持范圍確定夾具體主要尺寸[3]。本夾具設計的最大夾持力為35 kN，配備的動力源為0.6 MPa壓力的工業用氣源。理論模型計算中夾具的增力結構可提供8倍增力，由p= F/S可得理論壓力面積為S理=2322 mm2，進而得到理論氣壓缸直徑為d理=96.4 mm。在實際的產品設計結構中增力結構所能提供的實際增力倍數為7.7倍，故反推可得F夾=π×(d理/2)2×p×n實=33.7 kN，其中n實為實際增力倍數，F夾為夾具提供的實際夾持力。

3.2 夾具體的有限元分析

夾具在夾持動作時，夾具體開口兩側的結構在夾持力的作用下會受到較大載荷，若發生形變過大，會影響夾頭夾持效果，造成打滑，使試驗機拉伸動作時掉力，嚴重情況下可能發生夾具體開裂。采用有限元軟件對處于夾緊狀態下的夾具體進行有限元分析，如圖4所示。

圖4 夾緊狀態下夾具體所受應力

夾具體選用鋁合金7075，其屈服強度為455 MPa[4]。在夾具體開口兩側施加夾持力F夾=33.7 kN。夾具體薄弱環節在夾具體開口的右上方直角處，最大應力為138.3 MPa，遠遠小于鋁合金7075的屈服強度，夾具體的力學結構滿足使用條件。

4 結語

通過介紹該夾具的夾持原理，對主體結構進行有限元分析，驗證了該夾具結構的可行性，對完善材料試驗標準和提高試驗數據的準確性起到了積極有效的作用。本文中所設計的新型單向可調節夾具通過自身特殊的增力結構輸出了完全獨立且水平的夾持力，區別于傳統液壓楔形夾具利用液壓產生的軸向力通過楔面轉化為水平方向夾持力的方式，規避了液壓楔形夾具裝配間隙與密封的問題。這樣可解決試樣拉伸過程中因夾具結構產生的軸向擾動、鐮刀彎等影響力學曲線的現象。