前 言

綠色制造是一個(gè)綜合考慮環(huán)境影響和資源消耗的現(xiàn)代制造模式，其目標(biāo)是使得產(chǎn)品從設(shè)計(jì)、制造、包裝、運(yùn)輸、使用到報(bào)廢處理的整個(gè)生命周期中，對(duì)環(huán)境負(fù)面影響極小，資源利用率極高，并使企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益協(xié)調(diào)優(yōu)化。綠色制造實(shí)質(zhì)上是人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略在現(xiàn)代制造業(yè)中的體現(xiàn)。

圖1綠色制造工藝目標(biāo)

機(jī)床夾具作為制造系統(tǒng)中不可或缺的重要一環(huán)，它的綠色化程度，無(wú)疑對(duì)整個(gè)制造過(guò)程的綠色化水平有著極為重要的影響，在不少場(chǎng)合甚至具有關(guān)鍵性的影響。夾具技術(shù)已經(jīng)成為嚴(yán)重制約綠色制造技術(shù)發(fā)展的“瓶頸”。夾具技術(shù)綠色化的途徑如圖2。

圖2綠色夾具技術(shù)框架體系

綠色夾具的三種技術(shù)創(chuàng)新研究

一、手動(dòng)夾具替代機(jī)動(dòng)夾具的研究

從能源形勢(shì)上看，手動(dòng)夾具的綠色化程度是最高的。但長(zhǎng)期以來(lái)其設(shè)計(jì)創(chuàng)新一直踏步不前，究其原因主要在于：手動(dòng)提供的夾緊力有限，且目前自動(dòng)化的大趨勢(shì)下更多的選擇液壓或氣動(dòng)夾具。通過(guò)一些創(chuàng)新的設(shè)計(jì)方式，手動(dòng)夾具可以部分的替代氣、液壓夾具，并且滿足加工的需求，符合綠色化的發(fā)展理念。以下將從以下方面著手對(duì)手動(dòng)夾具的技術(shù)進(jìn)行研究探討：創(chuàng)新出基于多級(jí)串聯(lián)增力機(jī)構(gòu)的手動(dòng)夾具；將手動(dòng)沖擊的方式引入到夾具的設(shè)計(jì)中來(lái)。

1．基于多級(jí)串聯(lián)增力機(jī)構(gòu)的手動(dòng)夾具

圖3為基于偏心凸輪與鋼球－雙錐面增力機(jī)構(gòu)的手動(dòng)夾具。該機(jī)構(gòu)主要由帶手柄的偏心凸輪、固定套筒、圓錐體、傳力鋼球、導(dǎo)向板及力輸出件組成。人手作用于手柄球頭上的力晶，經(jīng)過(guò)手柄杠桿機(jī)構(gòu)的一次增力（長(zhǎng)度效應(yīng)）和偏心凸輪的二次增力（角度效應(yīng)），以及外錐面與鋼球之間、鋼球與內(nèi)錐面之間的三次和四次增力（均為角度效應(yīng)），通過(guò)力的輸出件作用于工件之上實(shí)現(xiàn)夾緊。其中圓錐體所受的來(lái)自于三個(gè)鋼球的徑向力，是一個(gè)合力為零的平衡力。也就是說(shuō)，圓錐體與固定套筒內(nèi)壁之間，理論上不存在作用力，也就不存在摩擦損失。

圖3基于偏心凸輪與鋼球一雙錐面增力機(jī)構(gòu)的手動(dòng)夾具工作原理圖

2．沖擊式手動(dòng)夾具

手動(dòng)夾具獲得較大輸出力的方式有兩種，除了利用多級(jí)串聯(lián)增力機(jī)構(gòu)外，我們還可以通過(guò)手動(dòng)沖擊的方式來(lái)獲得，并配以自鎖機(jī)構(gòu)，在獲得較大夾緊力的同時(shí)，保證對(duì)工件的可靠夾緊。

2．1沖擊式自鎖式夾具的工作原理：

如圖，沖擊式自鎖夾具組成為兩只支承圓柱、兩只支承圓錐、兩只支承釘及一只定位銷，下端均以過(guò)盈配合安裝于夾具體的相應(yīng)孔中，鉆模板則通過(guò)螺母、墊圈固定在兩只支承圓柱上。將工件首先放置在兩只支承釘?shù)纳掀矫嫔�，然后使其相互垂直的兩個(gè)定位側(cè)面分別靠緊兩只支承圓柱和定位銷（下圖），定位工作即告完成。此后，將夾緊圓柱塞入工件左側(cè)面和兩只支承圓錐之間，再以人手通過(guò)工具給夾緊圓柱上部施加一個(gè)瞬間沖擊力R；由于圓錐斜角口的角度效應(yīng)而使夾緊圓柱產(chǎn)生的水平方向力E，便將工件夾緊

圖4 基于圓柱－圓錐面組合角度效應(yīng)的沖擊式自鎖式夾具

2．2該夾具具有如下優(yōu)點(diǎn)

夾具的主要零件是回轉(zhuǎn)幾何形體，其夾具體與鉆模板為板狀，是最為簡(jiǎn)單的平面組合幾何形體。不僅制造工藝好。成本低，而日制造周期也能大大縮短。支承圓柱、支承圓錐、支承釘及定位銷，與夾具體是可拆卸分離的。因此，通過(guò)更換不同尺寸規(guī)格的相應(yīng)元件，或在不同尺寸規(guī)格的元件、零件中進(jìn)行組合，便能適應(yīng)相似形狀、尺寸不同的零件的加工。

3．通過(guò)以上分析計(jì)算我們可以得到以下結(jié)論：

（1）根據(jù)上述夾具中所體現(xiàn)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)理念與方法，可以根據(jù)工程實(shí)際需要，設(shè)計(jì)出銑削、刨削及平面磨削等不同用途的夾具。

（2）以回轉(zhuǎn)幾何形體代替平砸組合幾何形體，能在簡(jiǎn)化夾具結(jié)構(gòu)的同時(shí)，改善其制造工藝性，從而能大幅度降低夾具制造成本，并顯著縮短制造周期。

（3）上述兩種夾具，僅適用于板類零件的定位與夾緊�；�于同一創(chuàng)新理念與方法，設(shè)計(jì)出適應(yīng)裝夾其它幾何形體零件（如軸類零件等）的手動(dòng)沖擊式自鎖夾具，是夾具技術(shù)綠色化的一個(gè)重要研究方向。

（4）以圓柱體為夾緊元件的手動(dòng)沖擊式自鎖夾具，能得到遠(yuǎn)大于一般手動(dòng)夾具的夾緊力；這就使得該類夾具能在一定場(chǎng)合，代替耗能較高且容易產(chǎn)生污染的氣動(dòng)、液壓等機(jī)動(dòng)夾具。

二、氣動(dòng)及氣－液復(fù)合傳動(dòng)的研究

氣壓傳動(dòng)以空氣為傳力介質(zhì)，沒(méi)有污染問(wèn)題，從綠色化發(fā)展的角度而言，氣動(dòng)夾具明顯優(yōu)于液動(dòng)夾具，當(dāng)然氣壓傳動(dòng)也存在嚴(yán)重的不足。與液壓傳動(dòng)相比，氣壓傳動(dòng)的夾緊力有限，由于空氣的壓縮性，夾緊的剛度不夠高，重載下的穩(wěn)定性不夠。針對(duì)氣壓傳動(dòng)的如上缺點(diǎn)我們可以通過(guò)以下幾種途徑加以解決：

（1）設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)緊湊的高倍增力機(jī)構(gòu)，或采用新型的氣動(dòng)原件如氣動(dòng)肌肉

（2）利用氣動(dòng)沖擊和自鎖機(jī)構(gòu)結(jié)合的方式來(lái)夾緊工件，解決系統(tǒng)壓力低、剛性不足的問(wèn)題；

（3）采用氣－液增壓裝置。流體介質(zhì)封閉式循環(huán)，降低污染。

通過(guò)一定的技術(shù)方式彌補(bǔ)其不足之后，氣動(dòng)夾具代替液動(dòng)夾具是可行的。

1．機(jī)械增力氣動(dòng)夾具

圖5 對(duì)稱式斜楔－杠桿－鉸桿三級(jí)增力氣動(dòng)－機(jī)械復(fù)合傳動(dòng)系統(tǒng)

圖5所示系統(tǒng)將無(wú)桿活塞做成雙面斜楔，當(dāng)活塞在氣缸左腔氣體壓力的作用下向右運(yùn)動(dòng)時(shí)，活塞上的斜面作用于滾輪，通過(guò)斜楔增力機(jī)構(gòu)進(jìn)行一次力放大；滾輪驅(qū)動(dòng)杠桿式壓板繞固定鉸鏈軸擺動(dòng)，通過(guò)杠桿進(jìn)行二次力放大；最后通過(guò)斜置鉸桿增力，由力輸出件施加輸出力只，從而夾緊工件。工件夾緊后，在保持氣壓不變的情況下可對(duì)工件進(jìn)行加工。加工完畢后使換向閥切換至右位工作，活塞向左運(yùn)動(dòng)，杠桿式壓板在復(fù)位彈簧作用下反向擺動(dòng)，從而松開(kāi)工件。這是一種對(duì)稱型夾緊機(jī)構(gòu)，力輸出件在豎直方向上所受的力是對(duì)稱平衡的，所以不存在力輸出件與其約束件的導(dǎo)向孔內(nèi)壁之間的摩擦損失，機(jī)構(gòu)的實(shí)際輸出效率大大提高；其次，由于采用了三次增力機(jī)構(gòu)與氣壓傳動(dòng)的組合，具有顯著的力放大效果，成功彌補(bǔ)了氣動(dòng)系統(tǒng)壓力不足的缺點(diǎn)。

2．增力自鎖氣動(dòng)夾具

夾具在夾緊工件時(shí)需要提供持續(xù)的夾緊力，對(duì)于氣動(dòng)夾具而言就要求提供持續(xù)的氣壓以維持夾緊狀態(tài)，如果增力機(jī)構(gòu)具備自鎖功能，夾緊工件時(shí)氣壓產(chǎn)生系統(tǒng)就可以停止工作節(jié)省能源。圖6給出了一種基于增力自鎖機(jī)構(gòu)的氣動(dòng)夾具，其工作原理為：如圖所示，當(dāng)氣閥處于一定位置時(shí)，氣壓通往氣壓缸左腔壓迫活塞向右移動(dòng)�；钊�的移動(dòng)迫使球頭滑柱向上推動(dòng)兩個(gè)鋼球作向上運(yùn)動(dòng)；其上方的壓緊件以輸出力凡壓迫夾緊元件并將工件夾緊。當(dāng)氣閥切換至相反位工作時(shí)，活塞向左運(yùn)動(dòng)壓緊件、鋼球和球頭滑柱可通過(guò)彈簧作用自動(dòng)復(fù)位，使加工完畢的工件得以松開(kāi)。

圖6 增力自鎖氣動(dòng)夾具工作原理圖

3．沖擊式氣動(dòng)夾具

在氣缸內(nèi)放置一個(gè)無(wú)桿的活塞，活塞的中部加工有一通過(guò)活塞中心的軸向長(zhǎng)槽，其軸向長(zhǎng)度遠(yuǎn)大于驅(qū)動(dòng)偏心凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)杠桿球頭直徑。初始位置時(shí)，驅(qū)動(dòng)杠桿球頭位于長(zhǎng)槽的右側(cè)。當(dāng)活塞在缸左腔壓縮空氣的作用下，以一定加速度向右運(yùn)動(dòng)一段距離后，軸向槽左壁才與驅(qū)動(dòng)杠桿球頭部相接觸，并給球頭施加一個(gè)沖擊力。在此沖擊力的作用下，驅(qū)動(dòng)杠桿驅(qū)動(dòng)偏心凸輪以O(shè)2為軸心，作順時(shí)針?lè)较驍[動(dòng)�；钊�所受的軸向力，經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)杠桿與偏心凸輪的作用放大后，由偏心凸輪向外輸出作用力F0夾緊工件（圖示即為夾緊位置），此后便可對(duì)工件進(jìn)行切削加工。由于偏心凸輪夾緊機(jī)構(gòu)具有自鎖功能，切削加工過(guò)程中可停止向氣缸供氣，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能。

圖7 基于偏心凸輪增力自鎖機(jī)構(gòu)的沖擊式氣動(dòng)夾具

切削加工完畢后，氣動(dòng)換向閥換位，使壓縮空氣進(jìn)入氣缸右腔。活塞同樣以一定加速度向左運(yùn)動(dòng)一段距離后，通過(guò)軸向槽右壁給驅(qū)動(dòng)杠桿球頭施加一個(gè)沖擊力，從而驅(qū)動(dòng)偏心凸輪作逆時(shí)針?lè)较驍[動(dòng)，工件即被松開(kāi)。由于松開(kāi)偏心凸輪夾緊機(jī)構(gòu)所需要的作用力，要顯著大于夾緊時(shí)旋加的作用力。因此，活塞沖擊力的主要意義在于，松開(kāi)工件時(shí)能提供遠(yuǎn)大于靜力平衡狀態(tài)下作用于活塞上的軸向力。

4．氣動(dòng)肌腱驅(qū)動(dòng)的夾具

氣動(dòng)肌腱是一種功率．重量比高、能提供雙向拉力的柔性執(zhí)行元件氣動(dòng)肌腱能夠提供比普通氣缸大得多的力，但是在要求輸出力較大的場(chǎng)合，可能仍不能滿足要求。因此將氣動(dòng)肌腱與適當(dāng)?shù)脑隽�機(jī)構(gòu)組合，可以大大簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，在需要較大輸出力且結(jié)構(gòu)尺寸受限制的場(chǎng)合下，有很大的應(yīng)用空間。

圖8 基于氣動(dòng)肌腱與對(duì)稱性鉸桿二次增力機(jī)構(gòu)的氣動(dòng)夾具

工作原理：如圖8，當(dāng)氣動(dòng)肌腱內(nèi)部充入壓縮空氣后，就會(huì)在產(chǎn)生徑向膨脹的同時(shí)伴隨著軸向收縮，從而提供一個(gè)收縮力。該收縮力通過(guò)增力鉸桿機(jī)構(gòu)的角度效應(yīng)進(jìn)行二次力放大后，傳遞到力輸出件上，最后由力輸出件輸出力F0，作用于相應(yīng)的工作對(duì)象上。

三、加工過(guò)程低、無(wú)能耗液壓夾具研究

傳統(tǒng)液壓傳動(dòng)夾具系統(tǒng)是通過(guò)兩個(gè)液壓泵同時(shí)提供壓力油，空行程快速趨近工件，遇載荷后，低壓泵并通過(guò)順序閥卸荷，此時(shí)高壓泵繼續(xù)提供高壓油液完成對(duì)工件的夾緊，并持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)以維持系統(tǒng)壓力。在加工時(shí)間較長(zhǎng)的情況下，為節(jié)省能源，會(huì)使用壓力繼電器來(lái)控制電機(jī)的啟動(dòng)和停止，并配以蓄能器來(lái)保持系統(tǒng)壓力。傳統(tǒng)液壓夾具系統(tǒng)的缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，體積大。

我們兩種途徑加以解決，一是將機(jī)械增力自鎖機(jī)構(gòu)與液壓缸結(jié)合，這樣在輸出力及液壓缸直徑一定的條件下，可以降低系統(tǒng)壓力，電機(jī)功率可以減�。蛔枣i后，液壓泵無(wú)需工作，達(dá)到了節(jié)能的目的。二是結(jié)合電機(jī)調(diào)速技術(shù)實(shí)現(xiàn)泵的大幅變量，設(shè)計(jì)出小功率低壓大流量、高壓小流量的雙作用雙級(jí)壓力泵。

1．增力自鎖液壓夾具

考慮到加工時(shí)間較長(zhǎng)的情況，選擇采用自鎖機(jī)構(gòu)，這樣在加工過(guò)程中液壓系統(tǒng)就可以停止工作，以降低能源消耗。

如圖9所示，活塞桿外伸下端加工成楔面，一對(duì)斜楔對(duì)稱布置在活塞桿兩側(cè)，斜楔另一端加工一圓孔，并在其中放置復(fù)位彈簧，對(duì)稱型鉸桿的上下兩個(gè)輸出端，分別與一只斜楔相連接，另一端與力輸出件相鉸接。在換向閥處于圖示左位工作狀態(tài)時(shí)，液體進(jìn)入活塞上部油腔，下部油腔回油，液體向液壓缸活塞施加作用力E，在作用力的作用之下，機(jī)構(gòu)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，作用力E通過(guò)斜楔機(jī)構(gòu)的角度效應(yīng)，進(jìn)行第一次力放大，推動(dòng)斜楔分別在各自的導(dǎo)向孔內(nèi)向左右兩側(cè)滑動(dòng)，并將放大后的力分別作用在左右二只鉸桿上，鉸桿壓力角口逐漸變小，二只斜楔鉸桿便在一次放大力的作用下，推動(dòng)力輸出件向下運(yùn)動(dòng)，并對(duì)作用對(duì)象施加輸出力夾緊后，機(jī)構(gòu)自鎖，完成所需的機(jī)械加工。當(dāng)換向閥切換車右位工作狀態(tài)時(shí)，液壓缸活塞下部油腔進(jìn)油，上部油腔回油，即當(dāng)作用力E反向時(shí)，在作用力F作用下，活塞桿上拉，復(fù)位彈簧推動(dòng)斜楔向機(jī)構(gòu)中心方向運(yùn)動(dòng)，鉸桿壓力角a增大，力輸出件向上運(yùn)動(dòng)，從而松開(kāi)工件，完成復(fù)位。

圖9 增力自鎖液壓夾具工作原理圖

2．變頻調(diào)速變量小功率雙作用雙級(jí)液壓泵

如圖10，泵的柱塞在軸向上呈對(duì)稱階梯狀；并將液體分隔成四個(gè)密閉腔：上部小腔、上部大腔、下部小腔、下部大腔。大活塞中部加工出一方形孔，內(nèi)置偏心輪，偏心輪在其偏心處與可調(diào)速電機(jī)輸出軸固接。當(dāng)偏心輪從圖示位置沿順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，單向閥吸入液體，下部大腔與小腔通過(guò)單向閥，同時(shí)向外排出低壓液體。當(dāng)活塞隨偏心輪的轉(zhuǎn)動(dòng)向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，單向閥吸入液體，上部大腔與小腔通過(guò)單向閥，同時(shí)向外排出低壓液體。排出的低壓液體匯合后進(jìn)入執(zhí)行裝置，使執(zhí)行元件快速趨近工作部位。一旦執(zhí)行元件遇到負(fù)載，系統(tǒng)壓力便會(huì)升高，此時(shí)單向閥會(huì)自動(dòng)關(guān)閉，而順序閥會(huì)自動(dòng)打開(kāi)；各大腔的液體經(jīng)相應(yīng)的順序閥流回油箱，實(shí)現(xiàn)所謂卸荷；各小腔經(jīng)單向閥排出的高壓小流量液體，進(jìn)入執(zhí)行裝置，使執(zhí)行元件獲得所需要的輸出力。

圖10 變頻調(diào)速變量小功率雙作用雙級(jí)液壓泵工作原理

3．以上對(duì)液壓夾具綠色化技術(shù)中的節(jié)能技術(shù)進(jìn)行了初探，一是通過(guò)機(jī)械增力自鎖機(jī)構(gòu)與液壓傳動(dòng)相結(jié)合，以達(dá)到降低系統(tǒng)壓力，節(jié)約能源的目的：二是用變頻調(diào)速變量小功率雙作用雙級(jí)液壓泵代替?zhèn)鹘y(tǒng)液壓泵，降低能耗，節(jié)約能源。

綠色夾具設(shè)計(jì)總結(jié)

對(duì)以上的三種設(shè)計(jì)思路以及具體實(shí)例進(jìn)行歸納，得出的結(jié)論如下：

1．在不加大操作工人勞動(dòng)強(qiáng)度的前提下，通過(guò)采用多級(jí)串聯(lián)增力機(jī)構(gòu)將人手作用力進(jìn)行放大，或采用手動(dòng)沖擊方式獲得較大的初始作用力，能使手動(dòng)夾具輸出力顯著提高，從而可部分取代耗能高且容易產(chǎn)生污染的機(jī)動(dòng)夾具。

2．通過(guò)采用機(jī)械增力機(jī)構(gòu)將氣缸活塞的作用力進(jìn)行放大，或采用氣動(dòng)肌腱來(lái)獲得較傳統(tǒng)剛性氣缸大得多的原始初始作用力，可相對(duì)彌補(bǔ)傳統(tǒng)氣動(dòng)夾具因氣壓低而造成輸出力受局限的不足，使得采用氣動(dòng)夾具，在更大范圍內(nèi)取代液壓傳動(dòng)夾具，成為了可能與現(xiàn)實(shí)。

3．以氣液復(fù)合傳動(dòng)代替液壓傳動(dòng)，作為夾具的夾緊力來(lái)源，相對(duì)于單純的液壓傳動(dòng)夾具，可在一定程度上降低油液泄露造成的污染。

4．在不得不使用液壓傳動(dòng)夾具的場(chǎng)合，通過(guò)采用獨(dú)特的小功率變頻調(diào)速變流量雙作用雙級(jí)液壓泵，可根據(jù)負(fù)載變化實(shí)現(xiàn)低壓大流量到高壓極小流量的自動(dòng)切換，與采用傳統(tǒng)液壓泵的夾具相比，效率與節(jié)能效果都有顯著提高。