一種機加工用通用柔性虎鉗的設計與開發*

申賓德，陳佰旺

(武威職業學院，甘肅 武威 733000)

0 引 言

平口虎鉗是銑床、刨床、鉆床等機床的常用夾具之一，與機床工作臺配合，對加工毛坯件起定位和夾緊的作用，廣泛應用于平面、臺階、溝槽和角度等表面形狀的加工。在長期使用過程中，平口虎鉗存在著鉗口開合時間長，夾持力大且不穩定，裝夾對象局限性大等許多缺點，需要加以改進。隨著先進制造業的不斷發展，機械零件的輪廓形狀越來越復雜，精度也越來越高，而機床的裝夾問題一直影響著零部件質量的高低。另外，為應對加工制造業的信息化、自動化、專業化等市場競爭的需求，工裝夾具的設計及制造顯得尤為重要。此設計通過對平口虎鉗移動、夾緊方式，鉗口鐵等關鍵部件的改進，使其工作過程安全可靠，極大地改善了勞動強度，提高了工作效率，具有很好的推廣價值和再利用意義。

1 傳統平口虎鉗的特點及運動分析

目前國內外夾具設計及制造主要面向的是高端復雜的組合專用夾具，價格高，不太適應中小企業的需求，對小批量生產帶來了困難，而傳統的平口虎鉗雖在裝備制造業中廣泛應用，尤其是在銑、刨、鉆等機床的加工中，由于存在著眾多的不便，有待于提高其性能和效率。虎鉗的工作原理主要通過螺旋傳動來實現工件的夾緊，具有夾持可靠、夾緊力大的優點。在實際生產當中，由于零件的外形各異、大小不同，常常需要頻繁地打開或閉合固定鉗口與活動鉗口，受螺旋傳動螺距和頭數的影響，往往在轉動夾緊螺桿上花費較長的時間，才能使待加工零件夾緊或松開，操作費時費力，勞動強度高，效率低下，且對精密零部件外形有一定的損傷等缺陷[1]，此外，現有虎鉗大多為平口，鉗口自適應性差，無法適用于復雜形狀零件的裝夾，如圖1所示。

圖1 傳統平口虎鉗示意圖

2 機加工用平口虎鉗缺點及解決思路

2.1 活動鉗口座及其改進

傳統的平口虎鉗其活動鉗口與固定鉗口的開合，主要通過螺旋傳動來實現，為了增大夾緊力，多采用普通粗牙螺紋或矩形螺紋的螺旋傳動裝置，為了減小鉗口的開合時間，常采用較大導程的螺旋副，大導程的螺旋副對應著大的螺旋升角，絲桿轉動一圈，活動鉗口前后移動的位移量就大，操作人員費力，這樣會出現裝夾行程長，效率低，裝夾費力，強度大等問題。為解決此問題，將活動鉗口座改造成可調鉗口座和活動鉗口(后面詳細說明)兩部分，其中可調鉗口座與虎鉗體底座用走馬槽配合連接，裝夾時先按照待夾持零件的大小，水平快速移動可調鉗口座至合適的位置(具備與待夾持零件有微調的間隙)，鎖緊可調鉗口座上的偏心鎖緊裝置。這既滿足該虎鉗能適應多種尺寸大小的零件，又大大縮小夾具的裝夾時間，提高了工作效率[2]。

2.2 活動鉗口鉗口鐵及其改進

傳統的平口虎鉗的鉗口與鉗口鐵之間為剛性連接，且鉗口鐵與夾持工件的接觸面是平面，在裝夾零件的時候由于鉗口鐵的功能單一，所以裝夾的零件有一定的局限性。為解決這個問題，將活動鉗口的鉗口鐵改造成兩個類似于1/4圓盤的旋轉鉗口塊，該旋轉鉗口鐵與活動鉗口用鉸制孔螺栓連接，鉗口塊在轉動的時候，利用徑向半徑的不一致性而實現了不規則零件的安裝與夾緊，如圓形件、凸輪件和不規則多邊形等。這樣實現了平口虎鉗的自調節功能，達到了柔性裝夾的目的。

2.3 活動鉗口運動方式及其改進

傳統的平口虎鉗大多采用大螺距的螺旋傳動，由于螺旋副間存在著大的間隙，在旋合過程中將產生較大的竄動，而活動鉗口座與虎鉗體底座之間多采用大面積的滑動摩擦，同樣存在著大的間隙，這樣在水平移動過程中，加劇了螺旋傳動在縱向方向上的不穩定性，多次裝夾一致性差。此時，如果繼續施力來夾緊工件時，靠近活動鉗口一側的工件有可能會被下壓或抬高，工件表面也因為過大的夾持力而導致壓傷。為解決這個問題，除了將活動鉗口座改造成小間隙的可調鉗口座以外，將活動鉗口改造成與可調鉗口座用導向銷小間隙配合連接的微調裝置，小螺距的螺旋傳動使得螺旋副間的間隙更小，這樣不僅實現了省力的目的，還減小了整個裝夾過程中的不穩定，對零件表面的損傷小。

3 柔性虎鉗設計

3.1 裝夾過程及工作原理

虎鉗底座安裝在機床等水平工作臺上，利用待夾持工件的特點，通過可調鉗口座與虎鉗底座的走馬槽小間隙配合，快速水平調整可調鉗口座在虎鉗底座的位置，等活動鉗口與待夾持工件粗接觸時，并緊固可調鉗口座上的偏心鎖緊裝置。根據零件外形特點，適當調整旋轉鉗口塊的旋轉位置，然后旋轉控制活動鉗口水平移動的絲桿，使活動鉗口帶動旋轉鉗口塊在適應不同工件外形的情況下均勻、平穩的移動，夾持好零件，如圖2所示。

圖2 通用柔性虎鉗示意圖1.固定鉗口 2.活動鉗口 3.可調鉗口 4.旋轉鉗口塊 5.調節絲桿 6.偏心鎖緊裝置 7.固定鉗口鐵

3.2 活動鉗口的快速微調設計

可調鉗口座固定以后，其與活動鉗口通過一個導向銷連接在一起，可調鉗口座兩側分別增加兩個調節旋轉絲桿，通過旋轉絲桿帶動活動鉗口與柔性鉗口塊一起在導向銷的作用下水平微量移動[3]。活動鉗口上嵌鑲有與導向銷緊密配合的銷套，銷與套之間選用小間隙配合，這樣既縮短了裝夾時旋轉、驅動絲桿的時間，同時也有效避免了活動鉗口在水平移動過程中因導向間隙過大，而導致的活動鉗口上下的竄動，防止裝夾零件的下壓或抬高[4]，如圖3所示。

圖3 活動鉗口的快速微調工作示意圖1.旋轉絲桿 2.活動鉗口 3.銷套 4.導向銷 5.可調鉗口座

3.3 柔性鉗口塊的自適應設計

柔性鉗口塊設計成1/4圓盤的旋轉鉗口塊，用兩個鉸制孔螺栓連接在活動鉗口的兩端，代替原來平口虎鉗的活動鉗口鐵，柔性鉗口塊可在0°～90°之間轉動，利用其徑向半徑的變化，適應曲面、多邊形等不規則零件輪廓的夾持需要，實現了柔性鉗口的自適應性，鉗口功能大大提升，如圖4所示。

隨著裝備制造企業的創新驅動和制造工藝的多樣化需求，此通用柔性虎鉗的設計改造，不僅凸顯了再制造技術的一個方向，更是傳統制造技術革新的必然要求。設計過程中，可調鉗口座與虎鉗體底座之間采用具有鎖緊功能的平動連接，大大縮短了夾具的裝夾時間，提高了工作效率；活動鉗口與可調鉗口座之間采用導向銷作用下的微調裝置，實現了省力的目的，減小了裝夾的不穩定性和對零件的損傷程度；利用鉗口快在旋轉時徑向半徑的變化，實現了虎鉗的自調節功能，達到了柔性裝夾的目的。此設計在使用過程中，通用功能大大加強，裝夾過程安全、快速、可靠，在多品種、小批量生產中取得良好的應用效果，具有一定的市場占有率和保持度。

4 結 語

該通用柔性虎鉗的設計，利用柔性鉗口塊的自調節功能，適用于不規則曲面的裝夾，活動鉗口的快速移動設計，縮短了零件的裝夾時間，提高了生產效率，采用微調裝置，避免了大間隙配合對零件裝夾的穩定性，省力且減小了對零件表面的破壞，易于實現和維護，具有很好的實用價值和廣泛的應用前景。