台虎钳的集成夹紧系统研究

杨 茜 尹甜甜 盖 蕾

（①河南科技大学材料科学与工程学院，河南 洛阳 471023；②有色金属共性技术河南省协同创新中心，河南 洛阳 471023；③开封大学机械与汽车工程学院，河南 开封 475004；④国家知识产权局专利局专利审查协作北京中心，北京 100160）

台虎钳是机械制造中常用的一种夹持工具，是加工机床的随机附件，固定在机床工作台上，用来夹持工件进行切削加工；也可以在钳工加工时用来夹持工件。常用的台虎钳均采用丝杆加力，即活动钳口在丝杆的传动下前后移动，与固定钳口配合，实现对工件的夹紧和固定[1-2]。这种机械式台虎钳结构简单，但使用比较麻烦，钳口间距调节速度慢，需要反复摇动丝杆使钳口开合，劳动强度大、工作效率低，夹持时增力倍数小；此外，一般用较大升角的丝杆螺纹以提高工作效率，在振动影响下，台虎钳梯形螺旋副会产生松动，影响其使用效果[1-4]。

在丝杆传动的基础上增加增压机构，可产生大的夹紧力[5-7]。但工作效率仍然较低。通过增加齿轮齿条机构，可实现活动钳身的快速运动[8]，但结构过于复杂。

针对目前台虎钳存在的问题，本文将笔者的2项发明专利（一种液压台钳（ZL201910180581.4）、用于短行程液压缸液压装置的双速手动加压泵（ZL201910854093.7））进行融合，提供一种全新的手动液压台虎钳，集丝杆柱塞加压、液压增压和即时抱合机构于一体的机械液压集成夹紧系统，简称集成夹紧系统，直接推动活动钳身抵住工件，然后轻轻转动数圈手柄，即可实现大压力夹紧。

1 集成液压夹紧系统

集成夹紧系统的总体设计思路是：将夹紧系统设置在台虎钳的活动钳身中，工作时，用手推动活动钳身前进，直至顶住工件，然后转动手柄，液压系统加压，抱合机构抱住固定钳身，给夹紧机构提供支承，继续加压，即可实现工件的夹紧。

1.1 结构原理

集成夹紧系统的结构原理见图1，由液压夹紧机构3和斜楔抱合机构4组成。夹紧机构包括油泵（33～37）和油缸（31、32），两者通过油路a连通。采用丝杆加压机构将手柄37上的作用力转变为泵柱塞36的推力，再根据连通器的原理，通过油缸将其推力进行放大，驱动台虎钳实现对工件的夹紧。夹紧机构的缸柱塞32与抱合机构的斜楔42固定连接，相互协调作用，由液压夹紧机构为抱合机构产生动力，通过斜楔机构使支承块46与固定钳身导轨12内侧的抱合面抱合，其抱合力反过来对夹紧机构产生轴向（活动钳口22夹紧方向）支承，使斜楔42及缸柱塞32固定，而油缸的缸体31及活动钳身2向前移动，完成夹紧动作。

图1 集成加紧系统台虎钳结构

（1） 手动油泵结构

斜楔抱合机构进行抱合时需要的油压较小，产生夹紧动作时需要的油压很大。为减小泵柱塞的行程，减少手柄的旋转圈数，设计双速手动加压油泵为夹紧机构提供动力。油泵的加压元件采用泵柱塞36和加压环33，泵柱塞上设有丝杆结构，通过手柄和丝杆加压机构进行驱动，加压环通过驱动弹簧34提供动力。非夹紧状态泵柱塞处于上始点，并使加压环处于最上端位置。工作时，转动手柄37带动泵柱塞下行，同时解除对加压环的约束，使其在驱动弹簧作用下于大油腔c内同步下行，进行快速低压泵油，推动抱合机构工作，此时的油压由驱动弹簧的刚度决定；当加压环到达下死点后停止运动，继续转动手柄使泵柱塞在小油腔b下行泵油，为夹紧动作提供低速高压油。

（2） 油缸

油缸的缸体31固定在活动钳身2上，缸柱塞32与斜楔抱合机构的斜楔42连接，泵油时油缸产生推力，使缸体与柱塞产生相对运动。

（3） 斜楔抱合机构

斜楔抱合机构4位于活动钳身2内，通过斜楔机构，将缸柱塞32的轴向运动转变为支承块46的侧向移动，使其与固定钳身导轨12内侧的抱合面抱合，进而产生支承力，使斜楔42与缸柱塞固定不动；继续加压时，迫使缸体31向左反向移动，带动活动钳身2产生夹紧动作。

支承块46右侧与活动钳身支撑体21间安装有T形约束块44和弧形弹簧47，弧形弹簧对约束块进行限位，保证支承块在斜楔作用下只向外侧移动而不右移；弧形弹簧的压缩变形又可为后续活动钳身2的左移夹紧动作提供移动空间。

斜楔抱合机构的3个弹簧具有不同的复位功能：台钳松开时，弧形弹簧47的弹力使活动钳身2右移，同时复位弹簧43推动斜楔42与缸柱塞32左移复位；U形弹簧41使支承块46在斜楔左移时向内侧复位，从而使两抱合面脱离接触。

1.2 工作过程

工件置于固定钳口和活动钳口间，对于较大尺寸工件，也可放在钳口上面的台阶处。推动活动钳身及钳口沿导轨前进，直至顶住工件；然后转动手柄，实现对工件的夹紧。动作过程如下：

（1）支承块与固定钳身抱合

转动手柄37，泵柱塞36和加压环33同时下行，对油缸夹紧机构提供大流量低压油，推动缸柱塞32与斜楔42右行，支承块46向外侧移动，两抱合面咬合抱紧，使支承块及缸柱塞与固定钳身1固定，并产生轴向支承力，其支承力随着夹紧力增加而增大。

（2）夹紧工件

继续旋转手柄，泵柱塞36进入油泵下部小油腔b并下行，产生高压油，由于缸柱塞32被固定，只能使油缸缸体31左移，带动活动钳身夹紧工件，其夹紧力由油缸直径和油压决定。

（3）松开工件

反向旋转手柄，泵柱塞36回程，液压夹紧机构卸压，弧形弹簧47的弹力迫使活动钳身2右移，解除对工件的夹紧；继续反转手柄，泵柱塞带动加压环33回程，在复位弹簧43作用下，斜楔42与缸柱塞32回程，同时，支承块46在U形弹簧41的弹力作用下，向内侧移动，抱合面脱离接触。

2 集成夹紧系统参数设计计算

采用双速手动加压泵，快速加压用于抱合机构的抱合动作，慢速高压加压用于夹紧工件动作。台虎钳整体尺寸、扭矩和夹紧力可参考台虎钳国家标准及行业标准进行设计，夹紧系统的相关设计计算如下：

2.1 加压泵参数设计

（1） 丝杆扭矩

式中：T为扭矩，N·mm；P0为作用于手柄的力，N；b为手柄的有效长度，mm。

（2） 丝杆螺纹升角

为了提高夹紧效率可选择较大的螺纹升角，但要满足自锁条件。

式中：ψ为螺旋升角，（°）；t为螺距，mm；d1为丝杆中径，mm；各参数可按国家标准选择[9]。

（3） 丝杆（泵柱塞）的推力和油压[10]

式中：F为丝杆的推力，即泵柱塞的推力，N；η为传动效率，约为0.9～0.95；φ为摩擦角，φ=5.72°～8.5°；p为泵柱塞产生的油压，MPa；d为泵柱塞直径，mm。

（4） 泵柱塞的高压夹紧行程

式中：h2为泵柱塞的高压夹紧行程，mm；D为油缸直径，mm；L2为油缸夹紧行程，mm。

（5） 丝杆加压机构的增压比

式中：λ1为丝杆加压机构的增压比。

（6） 加压环的推力和行程

式中：F1为加压环的推力，即加压弹簧的弹力，N；P1为产生抱合动作时斜楔的推力，N；h1为加压环的行程，即加压弹簧的工作行程，mm；L1为斜楔的行程，mm；D1为加压环的外径，mm。

（7） 丝杆的行程及转数

式中：h为丝杆的行程，mm；N为完成夹紧动作需要丝杆转动的圈数，r。

2.2 抱合机构参数设计

（1） 斜楔的推力和行程

斜楔机构将油缸的轴向运动转换为支承块的侧向移动，斜楔的推力P1为[11-12]：

式中：Fa为支承块的运动阻力，包括支承块的摩擦力和U形弹簧的弹力，N；α为斜楔的斜角，即斜楔的斜面与运动方向的夹角，（°）；R2为复位弹簧弹力，N。

斜楔的行程L1为

式中：S为支承块的抱合行程；m为支承块的滑动行程。

（2） 抱合面结构参数

支承块与固定钳身在侧向压紧力下抱合，使支承块与固定钳身固定，对夹紧机构产生支承力，其支承力必须大于台虎钳对工件的夹紧力，取安全系数为n1，则单个支承块对固定钳身的支承力等于台虎钳的夹紧力，即

取n1=2，则

式中：W为单个支承块对固定钳身的支承力，N；P为台虎钳对工件的夹紧力，N。

受摩擦系数的影响，难以通过平面摩擦副的方法对夹紧机构提供足够的支承力。故采用具有横向齿槽的抱合面结构，为夹紧机构提供支承力。图2a为具有横向梯形齿槽结构示意图，如图所示，下部为支承块部分的齿槽，上部为固定钳身部分的齿槽，均为横向齿槽结构。

抱合后，支承块齿形的右侧面与固定钳身齿形的左侧面配合，形成支承面，如图2b。各支承面共同作用产生抱合力，对工件的夹紧提供轴向支承力。抱合面设计主要是形状尺寸设计，要求工作效率高且稳定可靠。

图2 抱合面齿槽形状及抱合状态

（1） 抱合行程计算

支承块的抱合行程为

式中：S为支承块的抱合行程，mm；s为非抱合状态时两抱合面齿顶的间隙，mm；l为齿高，mm。

支承块侧向移动进行抱合，支承块的齿槽与固定钳身的齿槽在刚接触时，可能出现以下几种情况：①支承块的齿与固定钳身的槽相对应，此时，支承块直接向外侧移抱合；②支承块右齿面碰到固定钳身左齿面，如图3a，随后支承块会沿着接触面斜向左移抱合，此情况会减小支承块的滑动行程；③支承块左齿面碰到固定钳身右齿面，之后，支承块会沿着接触面斜向右移抱合，此情况会增加支承块的滑动行程；④支承块齿顶碰到固定钳身齿顶后，如图3b，随后支承块会先沿齿顶右移，再沿齿面斜向右移抱合，此情况支承块的滑动行程最大，为

图3 支承块抱合移动路径

式中：t1为齿距，mm；α1为支承面斜角，（°）。

支承块在抱合时的右向滑动，增加了斜楔的行程，从而影响油泵的行程。

（2） 齿槽承压面斜度设计

抱合面在承受支承力时，有出现滑脱的可能。其不发生脱滑的条件为，支承块受到的滑脱力小于斜楔对其产生的压紧力，即

式（13）代入得

将式（17）和式（18）代入式（16）得

（3） 抱合面尺寸计算

对于微凸凹槽抱紧面结构，支承力W为

又

则

式中：e为齿槽梯形齿的宽度；B为齿槽的长度；z为牙数；A为支承块抱合面有效长度；n2为安全系数，取n2=2～4；τ为材料剪切强度，当支承块和固定钳身材料为 45 钢时，σs=355 MPa，τ=178 MPa[13]。

由以上分析可知，支承力的大小与抱合面的有效面积（AB）有关，与齿槽的尺寸大小无关，另一方面，抱合行程与齿槽的齿距和齿高有关，齿槽尺寸越小，需要的抱合行程越小，斜楔及泵柱塞的行程随之变小，故为提高夹紧效率，齿槽可以采用亚毫米级尺寸；齿槽结构可以采用双弧面、正弦曲面等，只要其支承面斜角满足式（19）即可，进一步讲，选较小的支承面斜角α1，支承效果更好，如可选锯齿状齿槽，α1=2°～5°；在此条件下，斜楔可采用较大的斜角，以提高夹紧效率和减小固定钳身的受力变形。

（3） 抱合机构各弹簧的弹力和行程

式中：R1为单个U形弹簧弹力，N；R2为复位弹簧弹力，N；R3为单个弧形弹簧弹力，取R3=R2，N；x为安全系数，x=1.2～1.5；μ为摩擦系数，在润滑条件下，μ=0.1～0.12；w1为支承块的重量，N；w2为斜楔的重量，N）；台虎钳中的斜楔和支承块的重量都不会大于1 kg，可以按1kg计算；H为柱塞的高度，可取H=（0.6～1）D，mm；x1为经验系数，x1=（4.5～5）×10-5；b1为 U 形弹簧行程；b2为复位弹簧行程；b3为弧形弹簧行程；L为油缸行程，mm；L2为油缸夹紧行程，粗加工时约1.5 mm，精加工时可取1 mm。

（4） 支承块抱合运动阻力

2.3 液压缸相关参数

（1） 高压下行时的油缸的推力

式中：F2为油缸推力，N；P为夹紧力，N。由于R3远小于P，可以忽略不计，故取

（2） 油缸直径

由P=p(πD2/4)，得

（3） 液压增压机构的增压比λ2

（4） 液压夹紧机构增压比λ

（5） 油缸行程L

式中：L为油缸行程，mm。

2.4 设计实例

台虎钳总体结构可参照GB 4344-84机床用平口虎钳结构进行，表1所示为轻重两种台虎钳夹紧系统的相关设计参数。梯形丝杆的直径和螺距按GB 5796[1].1-86选取。

表1 夹紧系统相关参数

续表1

3 结语

集成夹紧系统集丝杆加压、双速柱塞泵增压、机械抱合机构抱合和液压缸驱动夹紧为一体，可以实现工件的轻松快速夹紧；手工快速推动活动钳身，可适合不同大小工件的夹紧，方便快捷。

（1） 通过液压机构推动斜楔换向机构实现抱合机构抱合，抱合机构又为液压夹紧动作提供支承力，实现手推快进与液压夹紧有机结合。（2） 采用带齿槽的抱合面结构进行抱合止滑，抱合结构对称布置，具有很大的轴向支承力和夹持刚度，可有效防止夹紧工件时活动钳口的后退和倾斜。（3） 采用双速油泵，可以实现低压快速抱合、高压慢速夹紧，有效减少油泵的夹紧行程及手柄的转动圈数，所需手柄的转动圈数很少。（4） 通过丝杆机构加压，液压机构增压，可实现极大的增压倍数，所需手动力很小。（5） 集成化设计思路，使台虎钳结构紧凑、夹紧力大、工作效率高。（6） 可用作各种台虎钳的夹紧系统，特别适合工件尺寸范围大、大小工件调换频繁的场合。