一种多功能可拆配式平动夹钳的机构设计与实现

王 晖，张涛川

（河源职业技术学院机电工程学院，广东 河 源 517000）

平常实施数控机床维修过程中，由于数控机床的复杂性，在对零件的拆卸、装配、维修及调试过程中，需携带大量的手持夹钳、扳手、起子等工具，经常因工具不齐备或使用不方便，造成工作效率低下。

在工作中最经常使用的为手用普通夹钳（如图1），该夹钳由于在夹持物体的时候，钳口呈V字形张开。对其实施受力分析（如图2），在夹持的过程中，存在一个向钳口外的分力，使得钳口对物体的夹持力随着钳口形状的变化而不断变化。若夹持的物体越大，钳口张开就越大，用于夹持物体的分力（即夹持力）也越小，因而越不稳固，更不适用于夹持较大的物体。

图1 手用普通夹钳

图2 钳口夹持受力分析

基于五金工具种类和花样繁多，且常用工具夹持力的不稳定性考虑，具有多功能的，便于使用和操作的五金工具，成为很多技术人员的需求。本文所阐述的多功能可拆配式平动夹钳的设计，便是围绕上述问题而进行的。

1 总体结构方案的确定

1.1 需实现的两个目的

我们所研究的多功能可拆配式平动夹钳，其需实现两个目的：

（1）要解决钳口张开后，张得越大，其夹持力越小的问题。这就需要在原来的结构上使得钳口的开合实现平行开合，以保证在钳口开合过程中，其夹持的力始终与钳口保持垂直，能够保持不变（如图3）。

图3 钳口形式的更改

确定结构方案为：平动夹钳机构由一对齿条钳口、扇形齿钳柄及夹板组成（如图4）。当人手作用于钳把时，钳把的转动以主轴为支点，并通过杠杆原理带动扇形齿轮转动，扇形齿轮带动直齿条运动，因钳口固定于直齿条上面的，从而实现钳口的平行开合。

图4 平口夹钳机构简图

（2）作为多功能可拆卸式手用夹钳，根据手用夹钳的共同特点，不同之处在于钳口的不同，若能实施钳口的快速更换，便可实现一把钳子的多种功能。

1.2 确定结构方案

（1）为实现该平动夹钳的多功能性，同时保证拆配的钳口在工作的时候，能够稳固不脱落，将平动夹钳的卡槽，做成容易固定的燕尾槽结构，加以配合以不同功能的工作块，这样就使其具有了多功能性。

（2）应在直齿条上设计弹簧锁紧机构。配合多种工作块，保证其工作块在装上去后，不会轻易地从燕尾槽中滑落出来，从而确保夹钳的正常工作。

2 各部分机构设计与实现

2.1 平行开合传动机构设计

（1）为保证直齿条与扇形齿轮的相互传动，以及在使用时候的左右两个钳柄不会发生活动干涉。以日常使用手持夹钳向内握紧钳柄用力咬紧，向外打开钳柄松开零件的习惯，我们采取齿轮啮合的方式如图5所示，平行开合传动机构装配如图6所示。

图5 平行开合传动机构

图6 平行开合传动机构装配图

此时，当右扇形齿轮钳柄向右张开的时候，其扇形齿轮逆时针方向转动，带动左直齿条向左方向移动；同理，与其对称的左扇形齿轮钳柄向左张开，造成右直齿条向右运动，就实现了平动夹钳的张开；与之相反，就实现了平动夹钳的咬紧。整个过程，与普通手用夹钳完全一致，符合技术人员的工作习惯。

（2）普通夹钳钳口张角过小，最大开口为16 mm，最大张角为23°，造成使用范围限制。因此，该夹钳的直齿条设计为可拆卸结构，配备多种长度的齿条，就可以通过初始啮合位置的不同，在夹板允许的范围内，调节钳口夹持大小。其可使得开口达到32 mm以上。

相关尺寸数据设计如下：

分度圆直径：50 mm；

啮合角：20°；

钳柄齿数：10；

直齿条最大运动距离：单边32 mm；

啮合齿轮厚度：根据普通手持工具受力情况，取其厚度为5 mm。

2.2 钳口卡槽结构设计

（1）选择燕尾槽结构（如图7）。

图7 燕尾槽与钳口模块

主要设计机构及尺寸说明如下：

燕尾槽具有尺寸紧凑、调整间隙方便和夹紧可靠的特点，可限制5个自由度，能够承担颠覆力矩。满足钳口装夹要求钳口装上去以后，能够保证钳口不松动，不移动的要求。

其卡槽大小，为了方便不同钳口的装夹，设计倾斜角20°，小端大小为4 mm，，深3 mm，其长度与直齿条夹持部分高度相同。

为保证钳口工作时候卡槽有足够受力硬度，选用钢制材料，后续工艺实施高频淬火。

（2）采用弹簧定位的结构来限制钳口滑脱。其由钢珠柱塞、弹簧、柱塞螺帽、拉环组成，其弹簧定位机构如图8所示。

图8 弹簧定位机构

2.3 其他结构设计与改良

（1）根据杠杆增长可省力原理，在平口钳的手柄底端开设M8螺钉孔，孔深12 mm，该孔可以与任何M8可卸手柄一起使用，增加主动力臂，达到省力的作用（如图9）。

（2）在手柄与扇形齿轮钳柄的连接上，采用卡位及双销钉连接方式，手柄上开设卡槽，将扇形齿轮钳柄卡在其内，利用手柄自身材料刚性，保证使用过程中施加的握紧力（如图9）。

图9 夹钳手柄的结构设计与改良

（3）实行可拆配式钳口的模块化结构，能够实现多功能，按照其特点，配置普通夹钳、尖嘴钳、剥线钳、压线钳、卡簧钳、绞杆扳手、套筒扳手、剪刀等不同钳口，可实现不同功能的转化。

3 整体结构及设计细节

多功能可拆配式平动夹钳其整体结构如图10。

图10 多功能可拆配式平动夹钳整体结构

设计细节如下：

（1）所做弹簧定位机构中，钢珠柱塞的长度应略大于弹簧孔+顶壁的厚度，以保证在弹力的作用下，有足够的位移顶住钳口，如图11中A图；

（2）所做直齿条应注意两者之间的配合，做台阶面将直齿条支撑在夹板顶上，同时使两直齿条紧密贴合，防止晃动，如图11中B图；

（3）做扇形齿轮钳柄，其结构为上小下大，上面小，可与另一个扇形齿轮钳柄进行紧密贴合，实现张合动作；下面大，可填满两夹板之间的空隙，使用机构更加紧凑，防止晃动。同时，应将旋转销钉孔开在厚板处，提高机构的耐用度，如图11中C图；

（4）压板与扇形齿轮钳柄之间，应注意当扇形齿轮钳柄进行开合的时候，是否相互干涉，其两者之间的间隙应大于扇形齿轮钳柄在最大张开在夹板内所移动的距离，如图11中D图。

图11 多功能可拆配式平动夹钳细节设计

4 结束语

多功能可拆配式平动夹钳，采用齿轮齿条传动的结构设计原理，实现了钳口的平行钳合，其优点是实现了夹持力方向、大小的稳定。同时由于实行了快速可拆配钳口的模块化结构，能很好很方便地进行钳口的迅速更换，因此按照其特点，配置普通夹钳、尖嘴钳、剥线钳、压线钳、卡簧钳、绞杆扳手、套筒扳手、剪刀等不同钳口，其能够实现非常多的功能。通过对该夹钳的设计与实现，可以用较小的空间和较低的成本，实现了一整套工具箱的功能，在实际工作过程中，起到了较好的作用，提高了工作效率。

[1]王忠国.多用途定位垫块[J].金属加工：冷加工，2009，（22）：46-46.

[2]王安民，等.一种新型机用平口钳[J].机床与液压，1997，（1）：54-55.

[3]刘湘晨，等.液压增力平口钳的改进设计[J].液压与气动，2006，（6）：39-40.