前 言

綠色制造是一個綜合考慮環(huán)境影響和資源消耗的現(xiàn)代制造模式，其目標是使得產(chǎn)品從設計、制造、包裝、運輸、使用到報廢處理的整個生命周期中，對環(huán)境負面影響極小，資源利用率極高，并使企業(yè)經(jīng)濟效益和社會效益協(xié)調(diào)優(yōu)化。綠色制造實質(zhì)上是人類社會可持續(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

機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，無疑對整個制造過程的綠色化水平有著極為重要的影響，在不少場合甚至具有關(guān)鍵性的影響。夾具技術(shù)已經(jīng)成為嚴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、手動夾具替代機動夾具的研究

從能源形勢上看，手動夾具的綠色化程度是最高的。但長期以來其設計創(chuàng)新一直踏步不前，究其原因主要在于：手動提供的夾緊力有限，且目前自動化的大趨勢下更多的選擇液壓或氣動夾具。通過一些創(chuàng)新的設計方式，手動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手動夾具的技術(shù)進行研究探討：創(chuàng)新出基于多級串聯(lián)增力機構(gòu)的手動夾具；將手動沖擊的方式引入到夾具的設計中來。

1．基于多級串聯(lián)增力機構(gòu)的手動夾具

圖3為基于偏心凸輪與鋼球－雙錐面增力機構(gòu)的手動夾具。該機構(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)過手柄杠桿機構(gòu)的一次增力（長度效應）和偏心凸輪的二次增力（角度效應），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），通過力的輸出件作用于工件之上實現(xiàn)夾緊。其中圓錐體所受的來自于三個鋼球的徑向力，是一個合力為零的平衡力。也就是說，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構(gòu)的手動夾具工作原理圖

2．沖擊式手動夾具

手動夾具獲得較大輸出力的方式有兩種，除了利用多級串聯(lián)增力機構(gòu)外，我們還可以通過手動沖擊的方式來獲得，并配以自鎖機構(gòu)，在獲得較大夾緊力的同時，保證對工件的可靠夾緊。

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，下端均以過盈配合安裝于夾具體的相應孔中，鉆模板則通過螺母、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，再以人手通過工具給夾緊圓柱上部施加一個瞬間沖擊力R；由于圓錐斜角口的角度效應而使夾緊圓柱產(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的沖擊式自鎖式夾具

2．2該夾具具有如下優(yōu)點

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，通過更換不同尺寸規(guī)格的相應元件，或在不同尺寸規(guī)格的元件、零件中進行組合，便能適應相似形狀、尺寸不同的零件的加工。

3．通過以上分析計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)新設計理念與方法，可以根據(jù)工程實際需要，設計出銑削、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，能在簡化夾具結(jié)構(gòu)的同時，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，設計出適應裝夾其它幾何形體零件（如軸類零件等）的手動沖擊式自鎖夾具，是夾具技術(shù)綠色化的一個重要研究方向。

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

二、氣動及氣－液復合傳動的研究

氣壓傳動以空氣為傳力介質(zhì)，沒有污染問題，從綠色化發(fā)展的角度而言，氣動夾具明顯優(yōu)于液動夾具，當然氣壓傳動也存在嚴重的不足。與液壓傳動相比，氣壓傳動的夾緊力有限，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。針對氣壓傳動的如上缺點我們可以通過以下幾種途徑加以解決：

（1）設計結(jié)構(gòu)緊湊的高倍增力機構(gòu)，或采用新型的氣動原件如氣動肌肉

（2）利用氣動沖擊和自鎖機構(gòu)結(jié)合的方式來夾緊工件，解決系統(tǒng)壓力低、剛性不足的問題；

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

通過一定的技術(shù)方式彌補其不足之后，氣動夾具代替液動夾具是可行的。

1．機械增力氣動夾具

圖5 對稱式斜楔－杠桿－鉸桿三級增力氣動－機械復合傳動系統(tǒng)

圖5所示系統(tǒng)將無桿活塞做成雙面斜楔，當活塞在氣缸左腔氣體壓力的作用下向右運動時，活塞上的斜面作用于滾輪，通過斜楔增力機構(gòu)進行一次力放大；滾輪驅(qū)動杠桿式壓板繞固定鉸鏈軸擺動，通過杠桿進行二次力放大；最后通過斜置鉸桿增力，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工件進行加工。加工完畢后使換向閥切換至右位工作，活塞向左運動，杠桿式壓板在復位彈簧作用下反向擺動，從而松開工件。這是一種對稱型夾緊機構(gòu)，力輸出件在豎直方向上所受的力是對稱平衡的，所以不存在力輸出件與其約束件的導向孔內(nèi)壁之間的摩擦損失，機構(gòu)的實際輸出效率大大提高；其次，由于采用了三次增力機構(gòu)與氣壓傳動的組合，具有顯著的力放大效果，成功彌補了氣動系統(tǒng)壓力不足的缺點。

2．增力自鎖氣動夾具

夾具在夾緊工件時需要提供持續(xù)的夾緊力，對于氣動夾具而言就要求提供持續(xù)的氣壓以維持夾緊狀態(tài)，如果增力機構(gòu)具備自鎖功能，夾緊工件時氣壓產(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構(gòu)的氣動夾具，其工作原理為：如圖所示，當氣閥處于一定位置時，氣壓通往氣壓缸左腔壓迫活塞向右移動�；钊�的移動迫使球頭滑柱向上推動兩個鋼球作向上運動；其上方的壓緊件以輸出力凡壓迫夾緊元件并將工件夾緊。當氣閥切換至相反位工作時，活塞向左運動壓緊件、鋼球和球頭滑柱可通過彈簧作用自動復位，使加工完畢的工件得以松開。

圖6 增力自鎖氣動夾具工作原理圖

3．沖擊式氣動夾具

在氣缸內(nèi)放置一個無桿的活塞，活塞的中部加工有一通過活塞中心的軸向長槽，其軸向長度遠大于驅(qū)動偏心凸輪轉(zhuǎn)動的驅(qū)動杠桿球頭直徑。初始位置時，驅(qū)動杠桿球頭位于長槽的右側(cè)。當活塞在缸左腔壓縮空氣的作用下，以一定加速度向右運動一段距離后，軸向槽左壁才與驅(qū)動杠桿球頭部相接觸，并給球頭施加一個沖擊力。在此沖擊力的作用下，驅(qū)動杠桿驅(qū)動偏心凸輪以O2為軸心，作順時針方向擺動�；钊�所受的軸向力，經(jīng)過驅(qū)動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），此后便可對工件進行切削加工。由于偏心凸輪夾緊機構(gòu)具有自鎖功能，切削加工過程中可停止向氣缸供氣，以實現(xiàn)節(jié)能。

圖7 基于偏心凸輪增力自鎖機構(gòu)的沖擊式氣動夾具

切削加工完畢后，氣動換向閥換位，使壓縮空氣進入氣缸右腔�；钊�同樣以一定加速度向左運動一段距離后，通過軸向槽右壁給驅(qū)動杠桿球頭施加一個沖擊力，從而驅(qū)動偏心凸輪作逆時針方向擺動，工件即被松開。由于松開偏心凸輪夾緊機構(gòu)所需要的作用力，要顯著大于夾緊時旋加的作用力。因此，活塞沖擊力的主要意義在于，松開工件時能提供遠大于靜力平衡狀態(tài)下作用于活塞上的軸向力。

4．氣動肌腱驅(qū)動的夾具

氣動肌腱是一種功率．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合，可能仍不能滿足要求。因此將氣動肌腱與適當?shù)脑隽�機構(gòu)組合，可以大大簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，在需要較大輸出力且結(jié)構(gòu)尺寸受限制的場合下，有很大的應用空間。

圖8 基于氣動肌腱與對稱性鉸桿二次增力機構(gòu)的氣動夾具

工作原理：如圖8，當氣動肌腱內(nèi)部充入壓縮空氣后，就會在產(chǎn)生徑向膨脹的同時伴隨著軸向收縮，從而提供一個收縮力。該收縮力通過增力鉸桿機構(gòu)的角度效應進行二次力放大后，傳遞到力輸出件上，最后由力輸出件輸出力F0，作用于相應的工作對象上。

三、加工過程低、無能耗液壓夾具研究

傳統(tǒng)液壓傳動夾具系統(tǒng)是通過兩個液壓泵同時提供壓力油，空行程快速趨近工件，遇載荷后，低壓泵并通過順序閥卸荷，此時高壓泵繼續(xù)提供高壓油液完成對工件的夾緊，并持續(xù)運轉(zhuǎn)以維持系統(tǒng)壓力。在加工時間較長的情況下，為節(jié)省能源，會使用壓力繼電器來控制電機的啟動和停止，并配以蓄能器來保持系統(tǒng)壓力。傳統(tǒng)液壓夾具系統(tǒng)的缺點：結(jié)構(gòu)復雜，成本高，體積大。

我們兩種途徑加以解決，一是將機械增力自鎖機構(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，電機功率可以減小；自鎖后，液壓泵無需工作，達到了節(jié)能的目的。二是結(jié)合電機調(diào)速技術(shù)實現(xiàn)泵的大幅變量，設計出小功率低壓大流量、高壓小流量的雙作用雙級壓力泵。

1．增力自鎖液壓夾具

考慮到加工時間較長的情況，選擇采用自鎖機構(gòu)，這樣在加工過程中液壓系統(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，一對斜楔對稱布置在活塞桿兩側(cè)，斜楔另一端加工一圓孔，并在其中放置復位彈簧，對稱型鉸桿的上下兩個輸出端，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，液體進入活塞上部油腔，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，機構(gòu)產(chǎn)生運動，作用力E通過斜楔機構(gòu)的角度效應，進行第一次力放大，推動斜楔分別在各自的導向孔內(nèi)向左右兩側(cè)滑動，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，推動力輸出件向下運動，并對作用對象施加輸出力夾緊后，機構(gòu)自鎖，完成所需的機械加工。當換向閥切換車右位工作狀態(tài)時，液壓缸活塞下部油腔進油，上部油腔回油，即當作用力E反向時，在作用力F作用下，活塞桿上拉，復位彈簧推動斜楔向機構(gòu)中心方向運動，鉸桿壓力角a增大，力輸出件向上運動，從而松開工件，完成復位。

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液壓泵

如圖10，泵的柱塞在軸向上呈對稱階梯狀；并將液體分隔成四個密閉腔：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)速電機輸出軸固接。當偏心輪從圖示位置沿順時針轉(zhuǎn)動時，單向閥吸入液體，下部大腔與小腔通過單向閥，同時向外排出低壓液體。當活塞隨偏心輪的轉(zhuǎn)動向上運動時，單向閥吸入液體，上部大腔與小腔通過單向閥，同時向外排出低壓液體。排出的低壓液體匯合后進入執(zhí)行裝置，使執(zhí)行元件快速趨近工作部位。一旦執(zhí)行元件遇到負載，系統(tǒng)壓力便會升高，此時單向閥會自動關(guān)閉，而順序閥會自動打開；各大腔的液體經(jīng)相應的順序閥流回油箱，實現(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液壓泵工作原理

3．以上對液壓夾具綠色化技術(shù)中的節(jié)能技術(shù)進行了初探，一是通過機械增力自鎖機構(gòu)與液壓傳動相結(jié)合，以達到降低系統(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。

綠色夾具設計總結(jié)

對以上的三種設計思路以及具體實例進行歸納，得出的結(jié)論如下：

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

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

3．以氣液復合傳動代替液壓傳動，作為夾具的夾緊力來源，相對于單純的液壓傳動夾具，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夾具的場合，通過采用獨特的小功率變頻調(diào)速變流量雙作用雙級液壓泵，可根據(jù)負載變化實現(xiàn)低壓大流量到高壓極小流量的自動切換，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。