超高溫旋轉(zhuǎn)夾緊油缸優(yōu)化設(shè)計與應(yīng)用研究

任小鴻，陳麗

(1. 四川化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院機械工程系，四川瀘州646005;2. 瀘州華西機械有限責(zé)任公司，四川瀘州646300)

以液壓為動力的旋轉(zhuǎn)夾緊夾具歷史悠久。由于液壓技術(shù)本身的一些局限(如加工精度要求高、易泄漏等)，過去，夾具大部分采用氣動夾緊，只有在重負(fù)荷切削中或某些機床本身帶有液壓系統(tǒng)的組臺機床上，才用液壓夾具。由于空氣具有壓縮性、工作壓力低，因此氣動夾具體積大，夾緊剛性差。機床工作臺空間有限的情況下或重負(fù)荷切削中，這一問題尤為突出。同時也有采用機械機構(gòu)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)夾緊，但是，由于機械機構(gòu)本身的局限(部分機械機構(gòu)有死點)造成在應(yīng)用機械機構(gòu)時，夾緊時不能進(jìn)入下一循環(huán)，從而影響機構(gòu)的正確運轉(zhuǎn)與動作。根據(jù)以上特點，要求旋轉(zhuǎn)夾緊機構(gòu)具有安全性、可靠性、準(zhǔn)確性、甚至承受高溫的特點。而根據(jù)多年從事液壓缸設(shè)計與制造的經(jīng)驗，完成能設(shè)計出滿足以上特點的機構(gòu)，這樣的機構(gòu)是必須的，而且也是急迫需要的。

1 傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)夾緊缸的結(jié)構(gòu)特點

隨著我國金屬冶煉技術(shù)的飛速發(fā)展，對爐蓋的起升與旋轉(zhuǎn)夾緊鎖定方面要求更高，提出安全性、可靠性、準(zhǔn)確性的設(shè)計理念。國內(nèi)部分企業(yè)對液壓夾緊裝置進(jìn)行研發(fā)，但絕大部分企業(yè)所研制的旋轉(zhuǎn)夾緊機構(gòu)是在充分消化國外新技術(shù)、新工藝的基礎(chǔ)上研制出的，某鋼鐵集團總公司第一煉鋼廠板坯連鑄機鋼包回轉(zhuǎn)臺夾具設(shè)計就是其中之一。由于現(xiàn)場環(huán)境溫度高、沖擊載荷大、座包過程中甚至有鋼水飛濺，因此多年來一直缺少經(jīng)久耐用的夾具。作者發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)夾緊機構(gòu)一般是通過電氣控制兩套液壓缸完成爐蓋的提升和爐蓋的旋轉(zhuǎn)鎖定，或采用機械機構(gòu)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)夾緊鎖定，其缺點表現(xiàn)如下:

(1)采用的兩套液壓轉(zhuǎn)油缸漏油是影響使用壽命的主要原因。由于現(xiàn)場環(huán)境灰塵較多，溫度較高，其內(nèi)部各個零部件均存在不同程度的磨損。如果只是單純地更換油缸內(nèi)密封件，只能是治標(biāo)不治本，不能從根本上解決回轉(zhuǎn)油缸漏油這一問題。

(2)由于現(xiàn)場環(huán)境溫度高、灰塵多，采用機械結(jié)構(gòu)聯(lián)結(jié)部分的磨損相當(dāng)嚴(yán)重，部分部件受到交變載荷的影響，出現(xiàn)變形，甚至斷裂，給生產(chǎn)帶來較大的安全隱患。

(3)多年來，單作用夾緊元件在液壓夾具中占統(tǒng)治地位，尤其在小型夾具系統(tǒng)中。但工作節(jié)拍嚴(yán)格的流水線上或在加工時間較長(即油缸長期在高壓下工作)及大的夾具系中，會出現(xiàn)不協(xié)調(diào)的現(xiàn)象。出于安全的考慮，應(yīng)該采用雙作用夾緊元件。

(4)機械機構(gòu)本身的局限，如部分機械機構(gòu)有死點，造成在應(yīng)用機械機構(gòu)時，夾緊時不能及時進(jìn)入下一循環(huán)，從而影響機構(gòu)的正確運轉(zhuǎn)與動作，甚至?xí)绊懮a(chǎn)的正常進(jìn)行。

為此，作者對旋轉(zhuǎn)夾緊結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，提出應(yīng)用高溫旋轉(zhuǎn)夾緊液壓缸，并將提升與爐蓋旋轉(zhuǎn)鎖定集成在一起。

2 超高溫旋轉(zhuǎn)夾緊缸的設(shè)計

2.1 液壓缸旋轉(zhuǎn)機構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖1 所示帶控制閥高溫旋轉(zhuǎn)夾緊液壓缸的工作原理:當(dāng)左端進(jìn)油，液壓缸無桿腔進(jìn)油，推動活塞桿3往上運動，定位銷6 上開設(shè)了一條槽(由兩根槽和一根螺旋槽組成，直線距離短，約長于導(dǎo)向軸的直徑)，活塞相對定位銷作直線運動，固定在活塞下端孔的導(dǎo)向軸18 繞著定位銷6 作微距離直線運動—旋轉(zhuǎn)—微距離直線運動，從而帶動整體活塞桿3 作微距離直線運動—旋轉(zhuǎn)—微距離直線運動，實現(xiàn)夾具的松開旋轉(zhuǎn)運動。當(dāng)有桿腔進(jìn)油時，推動整體活塞桿3 往下運動，活塞上的導(dǎo)向軸18 在槽里運動，從而帶動活塞桿3 作微距離直線運動—旋轉(zhuǎn)—微距離直線運動，當(dāng)液壓系統(tǒng)中液壓油保壓時，實現(xiàn)了活塞桿的夾緊。由于直線段距離較短，導(dǎo)向軸在槽中有自鎖功能，完全能保證夾具的夾緊功能。

要實現(xiàn)以上運動，需要有液壓系統(tǒng)進(jìn)行支撐，提供動力源及控制系統(tǒng)，配以PLC (可編程控制器技術(shù))，可以實現(xiàn)智能控制，有效、安全地保證液壓旋轉(zhuǎn)夾緊動作的可靠性與安全性。

圖1 旋轉(zhuǎn)夾緊油缸

2.2 液壓缸活塞導(dǎo)向裝置的設(shè)計

在此產(chǎn)品中，導(dǎo)向軸是關(guān)鍵零件，它在螺旋槽中的運動較為重要，不能太過于松動，松動會造成鎖緊功能消失，并且間隙過大會影響旋轉(zhuǎn)的準(zhǔn)確角度，因此要保證導(dǎo)向軸在槽內(nèi)運動自如，又要保證間隙小。經(jīng)過一段時間的試驗，最后采用將導(dǎo)向軸的外形設(shè)計成橢圓形［4］(已獲專利)，采用數(shù)控車削加工，效果較好，完全保證其在旋轉(zhuǎn)槽中順利運動。定位銷中螺旋槽采用帶圓弧形狀設(shè)計，由于此螺旋槽的加工難度大，采用一般機床難以加工，采用數(shù)控車銑中心加工效果較好，且表面光潔。將此夾具裝配后，轉(zhuǎn)動靈活、定位準(zhǔn)確。

2.3 液壓缸密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計

用于旋轉(zhuǎn)夾緊油缸的液壓油防滲裝置在液壓缸的工作過程中相當(dāng)重要，作者采用的是對導(dǎo)向套內(nèi)部進(jìn)行改進(jìn)，在防塵圈內(nèi)側(cè)增加一槽，并裝入“O”型密封圈。裝配好后的液壓缸，外界灰塵進(jìn)入缸內(nèi)的可能性減少，液壓油不產(chǎn)生滲漏現(xiàn)象，運動自如，液壓系統(tǒng)的壽命提高3 倍。此裝置已獲專利［2］。

穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)活塞桿。由于活塞桿長期作往復(fù)運動，其失穩(wěn)現(xiàn)象較為頻繁，現(xiàn)在活塞桿外圓處增加一支撐環(huán)，并填入支撐環(huán)材料。裝配好后的旋轉(zhuǎn)夾緊機構(gòu)，往上提升穩(wěn)定，未發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象，運動自如，使整個液壓系統(tǒng)的壽命提高3 倍。

2.4 液壓缸密封材料的設(shè)計

氟橡膠是含有氟原子的合成橡膠，具有優(yōu)異的耐熱性、耐氧化性、耐油性和耐藥品性，它主要用于航空、化工、石油、汽車等工業(yè)部門，作為密封材料、耐介質(zhì)材料以及絕緣材料。分子結(jié)構(gòu)中含有氟原子的合成橡膠，通常以共聚物中含氟單元的氟原子數(shù)目來表示，如氟橡膠23 是偏二氟乙烯同三氟氯乙烯的共聚物。由于氟橡膠耐高溫、耐油、耐化學(xué)腐蝕，采用氟膠作為防塵圈，對高溫的適應(yīng)性增強，外界灰塵不易進(jìn)入缸內(nèi)，使液壓缸在超高溫狀態(tài)(大約200 ℃)下工作可靠。

3 應(yīng)用效果

該產(chǎn)品的主要技術(shù)與性能指標(biāo)見表1。

表1 參數(shù)表

由表1 可知，此產(chǎn)品能在高溫環(huán)境(相對于液壓缸來講200 ℃較高)中工作，可用較輕質(zhì)量的液壓缸提升金屬冶煉中的爐蓋及高端裝備的動作，產(chǎn)生的壓力較大，效果顯著。圖2 為液壓缸的實物圖。

圖2 產(chǎn)品實物圖

4 結(jié)論

由于此產(chǎn)品開發(fā)中采用了液壓與機械相結(jié)合的技術(shù)，利用了兩者的優(yōu)點，避免了兩者的缺點，特總結(jié)如下:

(1)操作方便省力，大大降低工人勞動強度。采用旋轉(zhuǎn)夾緊液壓缸，為爐蓋的起升提供了穩(wěn)定的動力與控制;

(2)使用這種旋轉(zhuǎn)夾緊液壓缸，滿足產(chǎn)品的需要的同時成本大大減少;

(3)節(jié)省輔助時間，提高效率。這種高溫旋轉(zhuǎn)夾緊缸節(jié)省了較大的空間(傳統(tǒng)產(chǎn)品空間較大)和減少了較多的成本。

(4)為在高溫環(huán)境中工作的類似夾具提供理論與實際參考。

［1］劉榮，任小鴻，高朝祥，等．用于旋轉(zhuǎn)夾緊油缸的液壓油防滲裝置:中國，CN202418103U［P］．2012－09－05．

［2］劉榮，任小鴻，陳麗，等．旋轉(zhuǎn)夾緊油缸用導(dǎo)向軸:中國，CN202418218U［P］．2012－09－05．

［3］張明，彭榮濟，毛謙德．活塞環(huán)與缸套間潤滑狀態(tài)的分析［J］．潤滑與密封，1987(6):27－34．

［4］蔡祖光．常用液壓缸國產(chǎn)密封件的選用［J］．潤滑與密封，1996(2):54－57．

［5］程廣振，江桂蘭．旋轉(zhuǎn)夾緊液壓支輕拆卸機［J］．煤礦機械，2008(4):107－109．

［6］陳麗，劉榮，任小鴻，等．夾緊油缸:中國，CN202531531U［P］．2012－11－14．