一種新型單向可調(diào)節(jié)夾具的設(shè)計(jì)與開發(fā)

霍天樞，潘鳴宇

（1.吉林廣播電視大學(xué)，長(zhǎng)春 130000；2.長(zhǎng)光衛(wèi)星技術(shù)有限公司，長(zhǎng)春 130000）

0 引言

材料試驗(yàn)機(jī)在金屬與非金屬材料的靜力學(xué)測(cè)試分析中，可檢測(cè)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(yàn)機(jī)正常工作的重要保障[1]。材料試驗(yàn)機(jī)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(yōu)點(diǎn)。液壓夾具采用活塞桿、夾具體內(nèi)的液壓缸、夾具體楔面與夾塊共同作用的方式來產(chǎn)生對(duì)式樣的夾持力。在試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸動(dòng)作前，液壓楔形夾具內(nèi)部通過液壓油的壓力使活塞桿和液壓缸之間產(chǎn)生壓力和相對(duì)位移，由于活塞桿固定在試驗(yàn)機(jī)橫梁上，可視活塞桿在空間上靜止不動(dòng)，夾具體在壓力的作用下沿活塞桿軸向移動(dòng)，同時(shí)活塞桿另一端抵在夾塊上方，夾具體兩側(cè)的楔面則帶動(dòng)2個(gè)夾塊相對(duì)靠攏，進(jìn)而夾塊通過夾具體楔形結(jié)構(gòu)對(duì)式樣產(chǎn)生夾持力直到將式樣夾緊。在拉伸試驗(yàn)的過程中活塞桿固定在拉伸機(jī)橫梁上，由試驗(yàn)機(jī)橫梁對(duì)夾具施加持續(xù)穩(wěn)定可控的拉力。由于液壓油具有壓縮性，同時(shí)液壓楔形夾自身結(jié)構(gòu)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(huì)受初始軸向力，楔形夾具存在裝配間隙，在試驗(yàn)曲線的彈性階段會(huì)出現(xiàn)鐮刀彎現(xiàn)象[2]。本文所設(shè)計(jì)的新型單向可調(diào)節(jié)夾具采用了水平方向的夾持力規(guī)避了液壓楔形夾具在軸向與楔面方向上的不穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而在式樣夾緊受拉時(shí)不會(huì)發(fā)生式樣力學(xué)曲線的擾動(dòng)變化。

1 夾具的基本結(jié)構(gòu)及其特點(diǎn)

1.1 夾具的主要結(jié)構(gòu)及夾持原理

該夾具采用壓縮空氣作為動(dòng)力源，壓縮空氣通過氣路接口進(jìn)入夾具體氣缸為夾持動(dòng)作提供動(dòng)力，氣缸中氣源壓力推動(dòng)活塞在氣缸中產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)和推力，活塞與推桿1為緊固結(jié)構(gòu)，活塞在氣壓作用向前移動(dòng)的過程中通過推桿1將力和運(yùn)動(dòng)傳遞給連桿上端，連桿上端有滑槽結(jié)構(gòu)，推桿1端部的滾軸可沿滑槽移動(dòng)，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(zhuǎn)動(dòng)并且做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)推桿1可全程保持對(duì)連桿上端的推力，這樣通過連桿的增力結(jié)構(gòu)將放大后的力從連桿下端輸出給推桿2，同時(shí)推桿2沿水平方向移動(dòng)，推桿2與推力夾塊為緊固關(guān)系，故推桿2帶動(dòng)推力夾塊一同位移將其推向夾具中心線，同時(shí)將放大后的力通過推力夾塊傳遞給式樣，在另一側(cè)調(diào)節(jié)夾塊的共同作用下形成對(duì)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(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 夾具內(nèi)部剖視圖

1.2 夾具的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

夾持式樣的2個(gè)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(duì)應(yīng)的燕尾結(jié)構(gòu)可在夾塊滑槽中前后滑動(dòng)，同時(shí)夾頭靠近燕尾槽底部一面在中心區(qū)域帶有凹槽，當(dāng)夾塊與夾頭中心重合時(shí)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(huì)通過夾頭凹槽提供的弧度自動(dòng)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(duì)中件，由兩個(gè)緊定螺釘固定，松開緊定螺釘對(duì)中件則可沿著自身滑槽來回滑動(dòng)，根據(jù)試樣的尺寸不同調(diào)整對(duì)中件距夾具中心的位置，從而使試樣貼合對(duì)中件后正好處于夾具的夾持的中心位置，對(duì)中件結(jié)構(gòu)如圖2所示。調(diào)節(jié)旋鈕與調(diào)節(jié)推桿為固定連接，通過旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)旋鈕可以帶動(dòng)調(diào)節(jié)推桿同步旋轉(zhuǎn)，調(diào)節(jié)旋鈕位置關(guān)系參見圖1與圖3，調(diào)節(jié)推桿與導(dǎo)向桿之間為螺旋配合，導(dǎo)向桿上有導(dǎo)向槽與導(dǎo)向螺釘配合，使導(dǎo)向桿自身不旋轉(zhuǎn)且沿導(dǎo)向槽方向平移，通過調(diào)節(jié)推桿與導(dǎo)向桿之間的螺旋傳動(dòng)可以使固定在導(dǎo)向桿末端的調(diào)節(jié)夾塊發(fā)生水平位移，根據(jù)試樣的不同厚度旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)旋鈕，從而改變調(diào)節(jié)夾塊距夾具中心的距離，可達(dá)到改變夾持范圍的效果。綜上，由夾持結(jié)構(gòu)主體和以上獨(dú)立結(jié)構(gòu)共同組成了由一側(cè)夾塊提供夾持力的單向可調(diào)節(jié)夾具。

圖2 對(duì)中件部分結(jié)構(gòu)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(dòng)力，通過連接銷將夾具固定在試驗(yàn)機(jī)橫梁上，將氣源氣路連接至夾具的氣路接口。確定試驗(yàn)所夾持試樣的規(guī)格后，通過調(diào)節(jié)旋鈕調(diào)整調(diào)節(jié)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(diào)整夾具對(duì)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(nèi)，按下夾具氣源開關(guān)兩側(cè)夾塊自動(dòng)將試樣夾緊。當(dāng)兩夾塊對(duì)試樣夾緊后開始試驗(yàn)機(jī)拉伸動(dòng)作，夾塊在水平方向上始終對(duì)試樣保持著穩(wěn)定的夾持力。通過更換不同種類的夾塊，同時(shí)合理控制調(diào)節(jié)旋鈕改變夾持范圍可以對(duì)板試樣、棒試樣、布帶試樣、金屬絲試樣等形式的試樣進(jìn)行拉伸測(cè)試。

3 夾具體結(jié)構(gòu)分析

3.1 夾具體結(jié)構(gòu)及主要參數(shù)計(jì)算

在夾具體的設(shè)計(jì)中應(yīng)該重點(diǎn)考慮缸的內(nèi)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(shù)選擇，并根據(jù)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(shè)計(jì)的最大夾持力為35 kN，配備的動(dòng)力源為0.6 MPa壓力的工業(yè)用氣源。理論模型計(jì)算中夾具的增力結(jié)構(gòu)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(jìn)而得到理論氣壓缸直徑為d理=96.4 mm。在實(shí)際的產(chǎn)品設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)中增力結(jié)構(gòu)所能提供的實(shí)際增力倍數(shù)為7.7倍，故反推可得F夾=π×(d理/2)2×p×n實(shí)=33.7 kN，其中n實(shí)為實(shí)際增力倍數(shù)，F(xiàn)夾為夾具提供的實(shí)際夾持力。

3.2 夾具體的有限元分析

夾具在夾持動(dòng)作時(shí)，夾具體開口兩側(cè)的結(jié)構(gòu)在夾持力的作用下會(huì)受到較大載荷，若發(fā)生形變過大，會(huì)影響夾頭夾持效果，造成打滑，使試驗(yàn)機(jī)拉伸動(dòng)作時(shí)掉力，嚴(yán)重情況下可能發(fā)生夾具體開裂。采用有限元軟件對(duì)處于夾緊狀態(tài)下的夾具體進(jìn)行有限元分析，如圖4所示。

圖4 夾緊狀態(tài)下夾具體所受應(yīng)力

夾具體選用鋁合金7075，其屈服強(qiáng)度為455 MPa[4]。在夾具體開口兩側(cè)施加夾持力F夾=33.7 kN。夾具體薄弱環(huán)節(jié)在夾具體開口的右上方直角處，最大應(yīng)力為138.3 MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于鋁合金7075的屈服強(qiáng)度，夾具體的力學(xué)結(jié)構(gòu)滿足使用條件。

4 結(jié)語

通過介紹該夾具的夾持原理，對(duì)主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，驗(yàn)證了該夾具結(jié)構(gòu)的可行性，對(duì)完善材料試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)和提高試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性起到了積極有效的作用。本文中所設(shè)計(jì)的新型單向可調(diào)節(jié)夾具通過自身特殊的增力結(jié)構(gòu)輸出了完全獨(dú)立且水平的夾持力，區(qū)別于傳統(tǒng)液壓楔形夾具利用液壓產(chǎn)生的軸向力通過楔面轉(zhuǎn)化為水平方向夾持力的方式，規(guī)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(jié)構(gòu)產(chǎn)生的軸向擾動(dòng)、鐮刀彎等影響力學(xué)曲線的現(xiàn)象。