小型夹紧装置的作用及使用方法

在夹具中，用以防止工件在加工过程中产生位移或振动的装置，称为夹紧装置。它通常在实际生产应用中用来保证工件在夹紧过程中不改变位置；夹紧力大小应能保证工件在加工过程中不产生位移或振动，又不致压伤工件表面或引起变形；操作方便、夹紧动作迅速，以提高生产率；结构简单、易于制造，以降低夹具的成本；能自锁，即在原始力去除后，仍能保持工件的夹紧状态；操作安全、劳动强度小。常见简单夹紧装置分类如图4.3所示。

图4.3　常见简单夹紧装置

1.楔块夹紧装置

楔块夹紧装置是利用楔的斜面将楔块的推力转变为夹紧力从而将工件夹紧的一种机构。在装配焊接过程中常作为独立的夹具而被广泛应用。

在装配中应用该装置来对齐两块对接的板材或者曲板，并使其保持必要的装配间隙等。通常使用时用手锤直接敲击楔块的端部以获得夹紧力，有时将楔块与杠杆、螺旋、偏心轮、气动或液压装置等配合使用。楔块夹紧机构及其作用力如图4.4所示。

图4.4　楔块夹紧结构及其作用力

当施以原始作用力FQ时，在工件与斜模间产生夹紧力Fj和摩擦力F1，而夹具体与斜楔间产生正压力FN和摩擦力F2。而FN和F2的合力为Fr2，Frx为Fr2在原始作用力FQ方向上的分力。

在进行楔块机构设计时，最关键的是设计楔块升角α，该参数不仅决定了夹紧力，还能在外力作用消失的条件下保证装置实现自锁，因此在确定斜楔夹紧装置的升角α时，应兼顾増力比、行程大小和自锁条件在不同工作条件下的实际需要。一般来说，升角α越小则増力比i越大，当原始作用力FQ恒定时则夹紧力Fj随α减小而增大，自锁越可靠。但在斜楔移动距离s增大，影响夹紧速度。反之升角α越大，则夹紧力Fj越小，自锁性差，夹紧迅速。为了既夹紧迅速又自锁可靠，可采用双升角斜楔，如图4.5所示，前部用大升角α1(30°～45°)，实现快速夹紧，后部用小升角α (6° ～8°)，实现自锁。

通常来说楔块夹紧机构的摩擦损失是很大的。如果单面斜楔升角α=5°，若不计摩擦损失时，Fj=11.5FQ；若计算摩擦损失时，则Fj=3.4FQ，其损失为70%。如果α=45°，不计摩擦损失时，Fj=FQ：若考虑摩擦损失时，Fj=0.8FQ，即摩擦损失为 20%。要减少斜楔的摩擦损失，可以采用滚子进行传动。

图4.5　双升角斜楔

2.螺旋夹紧装置

利用螺旋直接夹紧或与其他元件组合实现夹紧工件的装置，统称螺旋夹紧装置。这类夹紧装置由于结构简单、夹紧可靠、通用性强，既可独立使用，也可以安装在夹具上和定位器配合使用，所以在焊接生产中广为应用。其缺点是夹紧和松开工件时比较费时费力。

螺旋夹紧装置有螺钉夹紧机构和螺母夹紧机构两种基本形式，目前已实现标准化，在特殊需要时根据情况自行设计。如图4.6（a）所示为简单螺钉夹紧机构，由于螺钉的脚部与工件为点接触，易将工件压伤，且夹紧力集中，易引起不允许的变形。为保护工件表面不被压伤，往往在下面装上压块，如图 4.6（b）所示。旋转螺杆1通过压块4将工件压紧。压块4的作用是防止在旋紧螺杆时带动工件一起转动，并避免螺杆头部直接与工件接触而造成压痕，同时也可增大与工件的接触面积，使夹紧更可靠。在成批生产用的夹具上，与螺杆相配的螺孔，如结构上允许，最好做在螺纹衬套2上，而不直接做在夹具体上，以便于修理更换。止动销3用来防止螺纹衬套2松动。

图4.6　螺钉夹紧机构

1—螺杆；2—螺纹衬套；3—止动销；4—压块。

由于螺旋夹紧机构操作费时，因此需设计快速操作机构，如图4.7（a）所示为悬臂式回转夹紧器，只需将螺栓松两扣，然后将夹紧器主体旋转一角度，即可退出工件，压紧时也可快速动作。如图4.7（b）所示为带回转支承的夹紧器，夹紧工件时，合上回转支承，靠销钉挡在工作位置；松开时，倒下回转支承，螺杆和螺母便可迅速后退。如图4.7（c）所示为枪栓螺旋式快速夹紧器，用于夹紧件头部需要退出一定长度才能装卸工件的情况。夹紧时，先推动手柄，使销子沿直槽前进，当夹紧头靠近工件后，转动手柄，用销子带动螺纹套旋转，从而夹紧工件。如图 4.7（d）所示为带闭锁套的螺旋夹紧器，当杆上的凸块在A —A剖面位置时，即可夹紧工件；当螺杆反转90° 时，螺杆的凸块可通过螺套的内槽迅速退出，直至碰到右端的挡销为止。

图4.7　快速动作的螺旋夹紧器

螺旋夹紧时，螺杆可认为是绕在圆柱体上的一个斜面，螺母看成是斜面上的一个滑块，因此其夹紧力可根据楔的工作原理来计算，这里不详细叙述。螺旋夹紧产生的夹紧力Fj见表4.1。选用时，夹紧工件的力应小于表中所列的数值。

表4.1　单个螺旋夹紧的许用夹紧力

3.偏心夹紧装置

偏心夹紧机构是指用偏心件直接或间接夹紧工件的机构。偏心件有圆偏心和曲线偏心（即凸轮）两种。圆偏心外形为圆，制造方便，应用最广。曲线偏心的外形是某种曲线，目的是为了使升角不变，从而保持夹紧性能稳定，一般常用阿基米德螺线及对数曲线。但曲线偏心的制造不如圆偏心方便，故只在夹紧工件行程较大时采用。这两类偏心轮虽然结构形式不同，但其夹紧原理完全一样。下面将着重讨论圆偏心夹紧机构。

如图4.8（a）所示，圆偏心轮1上有一偏心孔，通过此孔自由地安装在轴2上并绕该轴旋转，手柄3是用来控制圆偏心轮旋转的。当转动手柄使圆偏心轮的工作表面与焊件或中间机构在K点接触后，圆偏心轮应能依靠其自锁性将焊件夹紧。圆偏心轮的几何中心C与轴心O之间的距离e为偏心距。垂直于轴向和接触点连线的直线与接触点切线之间所形成的锐角λ，称为该接触点的升高角（升角）。

由图4.8（a）可以看出，在偏心机构上实际起夹紧作用的是图上画有细实线的部分，将它展开后即近似于楔的形状，如图4.8（b）所示，也即偏心夹紧相当于楔夹紧。

图4.8　圆偏心夹紧装置

1—圆偏心轮；2—轴；3—手柄。

实际应用过程中，圆偏心夹紧装置的扩力比远小于螺旋夹紧装置的扩力比小。由于圆偏心夹紧机构的扩力比小，且自锁性能随升高角的变化而变化，因而夹紧稳定性不够，所以多用在夹紧力不大、振动较小、开合频繁的场合。

偏心夹紧机构的特点明显，在理论上偏心轮的工作段可取回转角为±90°，但实际应用时，为了加大工件的装卸空间，非工作部分可削去一部分，有效工作区一般取升角最大点左、右各30°～50°。在这一工作段内，各点升角变化较小，近似常数，夹紧力稳定，但自锁性能较差。

偏心夹紧机构的主要优点是操作迅速，且具有自锁作用，其构造也不复杂。其主要缺点是工作行程小，故适用于被夹紧表面的位置尺寸公差较小的情况。同时偏心夹紧机构只靠摩擦锁紧，而且夹紧力不算大，故不宜用于振动较大的场合。因其需要带手柄，故也不宜用于旋转的夹具，若手柄设计成活动的，可取下，就不受此限制。通常选取的偏心轮材料为T7A钢（45～50 HRC）或T8A钢（50～55 HRC），也可采用20钢或20Cr钢（渗碳0.8～1.2 mm，淬火55～60 HRC）。

斜楔、螺旋和偏心夹紧机构的对比分析见表4.2。

表4.2　斜模、螺旋和偏心夹紧机构的对比分析

4.弹簧夹紧装置

弹簧夹紧装置是利用弹簧变形产生的力作为持续动力，然后将力转变为夹紧力将工件夹紧。弹簧夹紧装置有以下主要优点：限制并稳定夹紧力。在夹紧状态下调整弹簧的变形量，则夹紧力被限定在某范围内；在批量生产使用时，夹紧力稳定，大小无变化；弹簧夹紧容易实现自动夹紧。

弹簧夹紧机构应用较多的有圆柱形螺旋弹簧（拉伸弹簧和压缩弹簧）和碟形弹簧两种结构形式。若要夹紧力很大，轴向尺寸较小时，则采用碟形弹簧，如图4.9所示。图（a）中碟形弹簧受压缩产生原始力，将心轴下移使弹簧夹头向外扩张，将工件夹紧、心轴往上顶动时，弹簧夹头内缩，工件被松开。图（b）为碟形弹簧产生原始力，由摆动压板将工件夹紧。松开时将可卸手柄1套在偏心轮2的短柄上，操作偏心轮而将压板压向中间则松开工件。夹紧与松开工件时，弹簧都处在压缩状态。

图4.9　弹簧夹紧装置

1—可卸手柄；2—偏心轮；3—碟形弹簧；4—工件。

弹簧的热处理是保证弹簧夹紧的关键，其热处理规范可参见表4.3。(www.xing528.com)

表4.3　弹性夹头的材料及热处理规范

5.液压压紧装置

液压压紧装置，一般来说包括液压缸、推动杆、滑块、压板、转轴、压紧支座、固定工作台等。通过滑块在液压缸和推动杆的作用下来回移动，驱动压块以转轴为支点旋转，从而松开或压紧移动工作台或工作台上的工件，可以大大缩短装夹时间，因此液压压紧装置的可控性强，结构简单合理。

如图4.10所示为液压千斤顶工作原理，它由手动柱塞液压泵和液压缸两大部分组成。当千斤顶处于工作状态时，放油阀8处于关闭状态。此时若向上提动杠杆1，小活塞3上升，在油液压力作用下单向阀7关闭，油腔4的容积增大并形成局部真空，于是油箱6中的油液在大气压力作用下推动单向阀5打开，油液沿吸油管道进入油腔4。再向下压动杠杆1时，小活塞3将向下运动，在油液压力作用下，单向阀5关闭，而单向阀7打开，油腔4中的油液通过管道9进入油腔10，推动活塞11向上运动，举起重物12。反复提压杠杆1，就能使活塞11不断上升，达到起重的目的。

图4.10　液压千斤顶工作原理

1—杠杆；2—小液压缸；3—小活塞；4，10—油腔； 5，7—单向阀；6—油箱；8—放油阀；9—管道； 11—活塞；12—重物。

从液压千斤顶这个简单例子可以看到：

（1）在液压传动中，以油液为工作介质来传递动力和能量，油液是传动件。而在机械传动中，轴、齿轮、带和带轮等是传动件，用来进行动力和运动的传递。所以液压传动和机械传动是两种完全不同的传动方式。

（2）液压传动是在密封容器内，利用液体传递压力能，然后通过执行机构，把压力能转换成机械能而做功的一种传动方式。

（3）液压传动中的工作介质是在受控制、受调节的状态下进行工作的。

液压传动具有下列优点：液体的工作压力比气体工作压力高，一般为 1.96～7.84 MPa，有时可达9.8 MPa以上，传递的力或力矩大。与气压传动相比，在同等功率下，液压执行元件体积小、质量小、结构紧凑；液体具有不可压缩性，夹紧刚性较高；液压传动装置工作平稳，由于质量小、惯性小，液体（一般是油液）又有吸振能力，便于实现快速启动、制动和频繁换向；使用油液作为工作介质时，可以自行润滑运动构件，有利于提高元件使用寿命；由于液压传动的压力、流量及方向是可控制的，再加上电子技术的配合，便于实现自动化，控制方便，可在很大范围内实现无级变速，调速范围可达2 000∶1，还可以在运动过程中进行调速，容易实现直线运动；液压传动的元件已实现标准化、系列化，对于设计、制造和使用都很方便。

液压传动的缺点：液压系统结构复杂，液压元件制造精度要求高，使加工制造比较困难，尤其是用于控制的液压阀，为防止油液的泄漏，对零件的加工精度要求非常严格，因而成本比气压元件高；为防止泄漏对工作效率及工作平衡性的影响，对密封要求较为严格，即便如此，泄漏也难以避免；油液的黏度随温度的变化而变化，会直接影响传动机构的工作性能，因此在低温及高温条件下采用液压传动较为困难；控制部分比气压传动复杂，不适合远距离操纵，除非采用电液联合控制。

6.磁力夹紧装置

磁力夹紧装置通常来说分为永磁夹紧装置和电磁夹紧装置两种。永久磁铁常用镍钴合金和铁氧体等永磁材料来制作，特别是后者中的锶钙铁氧体，其资源丰富、性能好、价格低廉，得到了广泛的应用。电磁夹紧装置是利用电磁力来夹紧焊件的一种器具，其夹紧力较大，按供电电源不同，又可分为直流和交流两种。

直流电磁夹紧器，其电磁铁励磁线圈内通过的是直流电，所建立的磁通是不随时间变化的恒定值，在铁心中没有涡流和磁滞损失，铁心材料可用整块工业纯铁制作，吸力稳定、结构紧凑，在电磁夹紧器中应用较多。交流电磁夹紧器，其电磁铁励磁线圈内通过的是交流电，所建立的磁通随电源频率而变化，因而磁铁吸力是变化的，工作时易产生振动和噪声，且有涡流和磁滞损耗，结构尺寸较大，故使用较少。

电磁夹紧装置的应用如图 4.11 所示，焊件筒体两端的法兰被定位销定位后，其定位不受破坏，就是靠固定和移动式电磁夹紧器来实现的。

图4.11　电磁夹紧装置的应用

1—夹具体；2—V形定位器；3—固定电磁夹紧器（同时起横向定位作用）； 4—焊件（法兰）；5—焊件（篱体）：6—定位销； 7—移动式电磁夹紧器；8—汽缸；
9—燕尾栅块。

机床用的直流电磁铁，又称电磁吸盘，在我国许多机床附件厂都有定型产品，型号很多，主要有圆形和矩形两种结构形式，单位面积吸力多在 0.5～1.5 MPa。也有个别厂家还生产圆形和矩形的永磁吸盘（特殊形式的还可以定制），单位面积吸力在0.6～1.8 MPa。机床上使用的电磁吸盘，也可用在焊接工装夹具的磁力夹紧机构上，如板材拼接用的电磁平台就是由电磁吸盘拼装而成的。

7.真空夹紧装置

真空夹紧装置是利用真空泵或以压缩空气为动力的喷嘴所射出的高速气流，使夹具内腔形成真空，借助大气压力将焊件压紧的装置。它适用于夹紧特别薄的或挠性的焊件，以及用其他方法夹紧容易引起变形或无法夹紧的焊件，在仪表、电器等小型器件的装焊作业中应用较广泛。

一般来讲，在设计真空夹紧机构时，要考虑突然断电导致夹具松夹带来的危险。如图4.12所示的真空泵抽气控制系统就较好地解决了这一问题。当电磁阀通电后，阀芯左移，真空泵与夹具内腔接通进行抽气，使腔内形成真空而吸附焊件。当电磁阀断电、阀芯复位、电磁阀通电、阀芯左移后，夹具内腔与大气接通，焊件松夹。若突然断电，则阀芯因弹簧作用而处在图示位置，将夹具内腔通道封死；如果夹具密封性好，就不会立即造成松夹事故。另外，为了使夹具内腔很快形成真空，可在系统内设一真空罐，夹具工作时，内腔中的空气迅速进入真空罐，然后由真空泵抽走。这样不仅提高了夹具的工作效率，而且也增加了工作过程的可靠性。

图4.12　真空夹紧装置

通过喷嘴喷射气流而形成真空的夹紧装置如图4.12（b）所示，由于利用车间内的压缩空气为动力，省去了真空泵等设备，比较经济。但因其夹具内腔的吸力与气源气压和流量有关，所以要求提供比较稳定的气源。另外，工作时会发出刺耳的噪声，不宜用在要求工作安静的场所。通常在设计这种喷嘴式真空夹紧机构时，要注意喷嘴结构尺寸，如孔径、长度、锥角等对夹具工作的稳定性、吸力的大小和耗气量的多少都有直接影响。喷嘴通道长度不能过长；通道内壁表面粗糙度Ra应控制在3.2 μm以下；各通道截面的过渡处不能出现涡流，否则，气流会受到很大的阻碍。上述这些结构尺寸，往往通过实验最后确定。通常，喷嘴的尺寸d1取1～1.8 mm，d2取3～3.5mm。喷嘴常采用青铜制造。

8.电动夹紧装置

电动夹紧装置一般由电动机、传动机构、控制设备和电源等基本环节组成，其中电动机是一个机电能量转换元件，它把从电源输入的电能转换为生产机械所需要的机械能。传动机构则用以传递动力，实现速度和运动方式的变换。电力传动系统按电流类型可分为交流传动系统和直流传动系统。

交流传动系统用同步电动机或异步电动机作为执行元件，具有结构简单、价格便宜、维护方便、单机容量大以及能实现高速传动等优点。在某些不适合用直流电动机的场合，如需要防爆、防腐蚀及高转速的场合，交流电动机都能应用。但是交流电动机调速装置复杂，某些简单的方案存在功率因数低或效率低的缺点。随着变频技术的发展，特别是大功率的电力电子器件的出现，为交流调速开辟了广阔的前景，是一个主要发展方向。

直流传动系统采用各种形式的直流电动机，有良好的调速性能，在需要进行调速，特别是需要进行精确控制的场合，直流调速系统一直占据统治地位。例如，焊接变位机、滚轮架、回转台等大多采用直流电动机进行无级调速。

在电力传动系统中除了作为动力的交、直流电动机以外，还有用作检测、放大、执行和计算用的各种小功率交、直流电动机，称为控制电动机或伺服电动机。就电磁过程以及所遵循的基本规律而言，控制电动机和一般旋转电动机没有本质上的区别，只是后者的主要任务是完成机电能量的转换，要求有较高的力能指标。而前者除了实现能量转换外，更主要的是完成信号的传递和变换，因此对它们的要求是运行可靠、响应速度快及定位精确。控制电动机的种类繁多，但在焊接工装中常用作电气驱动功能的有直流伺服电动机、力矩电动机和步进电动机。

不同传动方式的特点比较见表4.4。

表4.4　不同传动方式的特点比较

9.气动夹紧装置

通常来讲气动夹紧装置可分为三个部分，如图4.13所示。第一部分为气源部分，包括空压机、冷却器、蓄气罐三个主要装置，这一部分一般置于单独的动力站内，也可以采用小型移动式空压机。第二部分为控制部分，包括分水滤气部件、减压阀、压力继电器等，这些部件一般安装在工装的附近。第三部分为执行部分，包括汽缸等，它把气体压力能转变为机械能，以便实现所需要的动作，如定位、夹紧等，通常直接装在夹具上。压缩空气经分水滤气部件滤去水分和杂质，再经减压阀，使压力降低至工作压力（0.3～0.6 MPa），然后通过油雾器混以雾化油，以保证系统中各元件内部有良好的润滑条件。最后经过单向阀和换向阀进入汽缸。需要注意的是，气动琴键式焊接夹具采用消防水带作为气囊时，不得使用油雾器。

图4.13　气动夹紧装置的组成

1—空压机：2—冷却器；3—蓄气罐；4—油水分离器；5—截止阀；6—过滤器； 7—减压阀；8—油雾器；9—单向阀；10—换向阀；11—动力汽缸；
12—被加工工件；13—气动夹紧机构。

为防止因冲击破坏定位或导致工件变形，可在汽缸内部或气动回路的适当部位设置节流阀，起缓冲作用。当气动夹具动作频繁或集中时，可在换向阀或快速排气阀的排气口安装消声器，以减小噪声。

气压传动与液压传动相比，气压传动动作迅速、反应快（汽缸或活塞的平均速度一般为0.5～1 m/s），操作控制方便，每次夹紧或松开所用的辅助时间极少；压缩空气来源于大气，用后排入大气，不需要回收装置，万一管路有泄漏，除引起能量损失外，不致产生不利于工作的严重影响；对环境的适应性强，在易燃、易爆、多尘、强磁、辐射、潮湿、振动及温度变化大的场合下也能可靠地工作，并便于实现过载保护，比液压、电气控制优越；结构简单，维护方便。由于压缩空气的工作压力较低（一般为0.3～0.6 MPa），因而气动回路结构较为简单；空气黏度小，在管道中压力损失较小，一般其阻力损失不到油路损失的千分之一，对元件的材质和制造质量要求较低；管道不易堵塞，也无介质变质、补充和更换等问题；便于集中供应和远距离输送；气动元件均已标准化和系列化，便于维护；容易集中控制、程序控制和实现工序自动化，因此，比液压传动的成本低。

由于空气具有可压缩性，与液压传动相比，气压传动还有一些不足之处：载荷变化时，传递运动不够平稳、均匀，夹紧的刚性较低；执行元件的结构尺寸较大；排气噪声较大。