螺旋夹紧机构原理及应用

由螺钉、螺母、垫圈、压板等元件组成的夹紧机构，称为螺旋夹紧机构。螺旋夹紧机构不仅结构简单、容易制造，而且自锁性好，夹紧力大，是夹具上用得最多的一种夹紧机构。

螺旋夹紧机构可分为简单螺旋夹紧机构、螺旋压板夹紧机构和快速螺旋夹紧机构3大类。

（1）简单螺旋夹紧机构

1）作用原理

夹紧机构中所用的螺旋，实际上相当于把斜楔绕在圆柱体上。因此，它的夹紧作用原理与斜楔是一样的，不过这里是通过转动螺旋，使绕在圆柱体上的斜楔高度发生变化来夹紧工件的。

2）结构形式

简单螺旋夹紧机构有两种，螺钉夹紧和螺母夹紧机构。如图4.22所示为螺钉螺旋夹紧机构。如图4.22（a）所示用螺钉直接夹压工件，易夹伤工件表面且在夹紧过程中可能使工件转动因此这种方法较少被采用。如图4.22（b）所示，可在螺钉头部加上摆动压块消除上述缺点。

图4.22　螺钉螺旋夹紧机构

1—螺钉；2—螺纹套；3—夹具体；4—工件；5—摆动压块

如图4.23所示为摆动压块的结构形式。图4.23（a）为光滑压块，用于夹紧经过加工的光滑面；图4.23（b）为槽面压块，用于夹压未经加工的粗糙表面；当夹紧要求螺杆不转动时，可采用图4.23（c）的结构。

图4.23　摆动压块

如图4.24所示为螺母夹紧机构。图4.24（a）中螺母1用扳手拧动，螺母下移通过球面垫圈3夹紧工件2，球面垫圈3可使工件受到的夹紧力均匀，避免螺杆弯曲。图4.24（b）的星形螺母1可直接用手拧动。

图4.24　螺母夹紧

1—螺母；2—工件；3—球面垫圈

3）夹紧力计算

螺旋夹紧机构的工作原理如图4.25（a）所示，与斜楔相似。若将螺旋沿中径展开，得到如图4.25（b）所示的斜楔，其斜角等于该螺旋面的螺旋升角。转动螺杆，相当于移动斜楔夹紧工件。

原始作用力为施加在手柄上的力矩MQ。工件对螺杆的反作用力有：垂直于螺杆端部的反作用力即夹紧力FW和摩擦力F1（与接触形式有关）。此两力分布于整个接触面，计算时可视为集中于半径r′的圆环上，r′称为当量摩擦半径，其合力为R1。螺母对螺杆的作用力有垂直于螺纹面上的力N′和螺纹面上的摩擦力F2，其合力为R2。此力分布于整个螺纹面上，计算时，可视为集中在螺纹中径处。

图4.25　螺杆受力分析

以螺杆为受力对象进行研究，工件作用于螺杆下端部的摩擦阻力矩M1及螺母作用于螺杆上的摩擦阻力矩M2应与外力矩MQ平衡，即有

MQ＝M1＋M2

其中

MQ＝QL

M1＝R1r′＝FWtanφ1r′

M2＝R2sin（α＋φ2）r2＝FWtan（α＋φ2）r2

可得

式中　Q——作用螺杆手柄上的源动力，N；

L——力Q作用点到螺杆中心的距离，mm；

FW——夹紧力，N；

α——螺杆的螺旋升角，（°）；

r2——螺杆上的螺纹中径的一半，mm；

r′——夹紧螺杆端部的当量摩擦半径，其值与螺杆头部的结构形式有关，见表4.7；

φ1——螺杆头部与工件间的摩擦角，（°）；

φ2——螺旋副的摩擦角，（°）。

表4.7　螺杆端部与工件的当量摩擦半径计算公式

注：β1＝120°，D≈2DO。

4）普通螺纹的选择

人手作用在不同结构类型的手柄上，能够发挥的力是不同的。对同一直径的螺纹，当采用不同类型、臂长的手柄时，它所产生的力矩、夹紧力也不同。如图4.26所示，公称直径为10mm的螺钉，用左边第一个d′＝20mm的滚花把手能产生150 N·mm的扭矩；用右边d′＝150 N·mm的手柄可产生1 500 N·mm的扭矩，后者是前者的10倍。因此，设计螺旋夹紧机构时，为保证螺纹的强度和所需的夹紧力，应合理选择螺纹的直径和手柄。当夹紧方案确定后，可按以下方法和步骤设计：

图4.26　手柄类型与力矩的关系

①据定位夹紧方案算出所需夹紧力FWK与夹紧机构的组合形式，求出螺旋所承受的轴向力F′W；再根据强度条件，算出外螺纹的公称直径，即

式中　d——外螺纹公称直径，mm；

c——系数，普通螺纹，c＝1.4；(www.xing528.com)

σb——抗拉强度，45钢σb＝600 N／mm2。

如果螺纹已选定，可用式（4.7）对所选直径进行强度核算。

③按力矩M的大小，由图4.26选择手柄的类型和尺寸。图中中间的曲线为平均力矩，虚线表示变动范围。例如，需要产生M＝600 N·cm的力矩，可选用d′＝35mm的滚花把手。

螺旋夹紧机构绝大部分用于手动夹紧，无须做精确计算。在实际设计中，应根据现场经验，由表4.8、表4.9选取螺纹的结构尺寸。必要时，对夹紧力进行核算，算出的单个螺旋实际夹紧力应小于表中相应规格螺旋的夹紧力。

表4.8中，夹紧力数值建立在φ2＝5′34，f1＝0.1等条件基础上，并考虑了螺纹所能承受的强度。

表4.8　螺旋夹紧机构夹紧力的计算

表4.9　螺母夹紧力的计算

简单螺旋夹紧机构的结构简单，易于制造，夹紧可靠，增力系数大，自锁性能好，且夹紧行程几乎不受限制。但为了保证自锁性能，夹紧螺杆的螺纹升角一般较小，因此，螺纹的螺距一般较小，导致此种机构的夹紧动作慢，夹紧辅助时间长。故广泛应用于手动夹紧机构中，而在快速夹紧机构中很少采用。

（2）螺旋压板夹紧机构

采用压板作为夹紧元件的机构称为螺旋压板夹紧机构。此种夹紧机构结构简单，夹紧力和夹紧行程较大，可通过调节杠杆比来调整夹紧力和行程。因此，它在手动夹紧机构中应用较多。

如图4.27所示为较典型的螺旋压板夹紧机构。图4.27（a）、（b）为两种移动压板式螺旋夹紧机构。图4.27（a）为减力增大夹紧行程的场合，图4.27（b）不增力但改变夹紧力的方向，图4.27（c）为铰链压板式螺旋夹紧机构，主要用来增大夹紧力，但减小了夹紧行程。它们是利用杠杆原理来实现夹紧作用的，由于这3种夹紧机构的夹紧点、支点和原动力作用点之间的相对位置不同，因此杠杆比各异，夹紧力也不同。其中，图4.27（c）增力倍数最大。

图4.27（d）为钩头压板夹紧机构。其特点是结构紧凑，使用方便，很适应夹具上安装夹紧机构位置受到限制的场合。图4.27（e）为万能自调压板夹紧机构。它能适应工件高度由0～200mm变化，且无须调节，使用方便，节省辅助时间，故得到广泛应用。

图4.27　螺旋压板夹紧机构

1—工件；2—压板；3—T形槽用螺母

（3）快速螺旋夹紧机构

为了减少辅助时间，可使用各种快速接近或快速撤离工件的螺旋夹紧机构，如图4.28所示。

图4.28（a）是带有GB／T 12871—1991快卸垫圈的螺母夹紧机构，螺母最大外径小于工件孔径，松开螺母取下快卸垫圈4，工件即可穿过螺母被取出。

图4.28（b）为快卸螺母。螺孔内钻有光滑斜孔，其直径略大于螺纹公称直径。螺母旋出一段距离后，就可倾斜取下螺母。

图4.28　快速螺旋夹紧机构

1—螺杆；2—手柄；3—摆动压块；4—垫圈、快换垫圈；5—螺母；6—回转压板；7—螺钉

图4.28（c）是GB／T 2189—1991回转压板夹紧机构，旋松螺钉7后，将回转压板6逆时针转过适当角度，工件便可从上面取出。

图4.28（d）为快卸螺杆，螺杆1下端做成T形扁舌。使用时，螺杆穿过工件和夹具体底座上有长方形孔的板后，再转动90°使扁舌钩住板的底面，然后旋动螺母5，便可夹紧工件。卸下工件时，稍松螺母，转动螺杆使扁舌对准长方孔，就可把螺母5、垫圈4连同螺杆一起抽出。

图4.28（e）中，螺杆1上的直槽连着螺旋槽，当转动手柄2松开工件，并将直槽对准螺钉头时，便可迅速抽动螺杆1，装卸工件。前4种结构的夹紧行程小，后一种的夹紧行程较大。

（4）适用范围

由于螺旋夹紧机构具有结构简单、制造容易、夹紧可靠、扩力比大以及夹紧行程不受限制等特点，因此，在手动夹紧装置中被广泛使用。