许 鑫
(太原工业学院 机械工程系，山西 太原 030008)
摘要：针对普通夹具在使用过程中的局限性，创新地在夹具中设计了夹持力调整机构和多种能适应曲面形态工件的夹头，以实现对异形工件更好地夹持和保护。
关键词：夹持力；夹具；设计
在日常的生产生活中，我们会见到一些不同形状、不同表面的物件在钻孔或打磨的过程中需要被夹持固定，以便于加工。如一些被人们喜爱的把玩物件、葫芦、千眼菩提等，这些物件表面形态以曲面为主，且表面要求光滑、细腻、手感好。在这些物件加工的过程中，如果我们采用普通夹具夹持则会导致夹具的刚性平面与工艺物件的曲面直接接触，这样可能会对工艺物件表面造成刚性损伤，降低其观赏性和把玩的手感。另外在普通夹具夹紧工件的过程中，夹紧力恒定，而且为了夹紧工件往往会对工件施加较大的夹紧力。在工程实践中我们发现，有时夹紧力不当，有的脆性工件出现了直接被夹碎的现象，工件报废，造成了直接的经济损失。实践证明，普通夹具并不能对曲面形态为主的异形工件进行有效夹持，有些施工现场甚至出现工人直接用双手把持工件进行加工的现象。为了避免施工过程中人员受伤，以及减少夹具对工件整体和表面的损伤，笔者尝试设计了一种既宜于夹持具有曲面形态的异形工件，又能在夹紧过程中提供弹性夹持力的多功能通用夹具。
本文设计的这款夹具具有夹持力可调整的功能，主要用于具有不规则形状和不同材质工件的夹持固定。夹具为对称分布，整体分两大部分，一部分为直线运动部分，另一部分为静止部分。夹具的主体结构如图1所示。
2.1 多功能夹具直线运动部分结构设计
移动部分夹具支撑架4为直线运动部分主体，滑动杆18装于移动部分夹具支撑架4的孔中，两者过盈配合无相对运动；两根滑动杆的另一端通过滑动杆固定件14固定在一起，同为过盈配合(通过旋紧螺钉使滑动杆18与滑动杆固定件14处于过盈配合状态)，丝杠无螺纹端2与移动部分夹具支撑架4通过卡簧19来轴向限位，二者不能发生轴向移动，只能转动；丝杠螺纹端15与丝杠无螺纹端2为同一零件的两个部分，丝杠螺纹端15与静止部分夹具支撑架16为螺纹连接，通过旋杆3带动丝杠无螺纹端2转动，使直线运动部分整体沿丝杠螺纹端轴向作直线运动来夹紧或松开工件。
移动部分夹具支撑架4上的夹头固定装置较普通夹具也有所改良，传统夹具在夹紧工件时往往力是不可以控制的，一用力就可能使质地较软的工件变形或工件表面出现较大损伤；固定端夹头9的固定机构由螺母5、滑杆7、弹簧6、夹头固定件8组成，通过旋转螺母5可以适当地放松或收紧弹簧以调整该夹具的预紧力；夹头固定件8与滑杆7紧固在一起，由于夹头固定件8与移动部分夹具支撑架4组成简易的直线导轨，故夹头固定件8可在移动部分夹具支撑架4上滑动，滑杆7与移动部分夹具支撑架4为轴孔间隙配合连接，二者可相对滑动起导向作用，同时又防止在夹紧时由于转矩过大造成对夹头固定件8和移动部分夹具支撑架4的损坏。弹簧6要求具有较高的弹性系数，弹簧6套在滑杆7上使夹紧工件时夹紧力有一个缓变的过程，当夹紧工件时通过控制丝杠无螺纹端2的转动来控制弹簧的压缩量进而控制夹紧工件的力的大小，当需要的夹紧力很大时，旋转丝杠无螺纹端2使弹簧压缩至夹头固定件8与移动部分夹具支撑架4圆柱形突出部分右端面接触，此时弹簧6不再起到自身弹力调整夹持力的作用。
2.2 多功能夹具静止部分结构设计
静止部分夹具支撑架16为静止部分主体，静止部分夹具支撑架16通过底座连接件17与底座用螺钉紧固在一起，转轮轴13与静止部分夹具支撑架16用键联结在一起，使二者不发生相对运动；转轮轴13与单向轴承11内圈通过键连接，单向轴承11的外圈与转轮10通过键连接，由于有单向轴承11的存在使得转轮10只能逆时针旋转，反向自锁；转轮10上有3个安装旋转端夹头12的位置，针对不同的工件在转轮10上安装与工件表面相适应的旋转端夹头，这样在更换旋转端夹头时，只需旋转转轮即可，也可取下旋转端夹头进行更换，而且通过旋转转轮还可以按照需要使夹头在与水平面呈一定夹角(例如固定楔形工件)，由于旋转端夹头与转轮的安装形式为六棱柱槽型形配合，所以夹头有6个安装角度，可根据工件需要或个人习惯安装夹头。
针对不同外形的工件使用不同的夹头，夹头可以根据使用需要设计为多种形式，如图2所示。第1种形式的夹头适用于外形具有棱角类的零件(有多种常用角度的夹头)；第2种形式的夹头适用于外形是平面的零件；第3种形式的夹头适用于外形为球面的零件；第4种形式的夹头适用于外形为不规则曲面的零件。
1-底座；2-丝杠无螺纹端；3-旋杆；4-移动部分夹具支撑架；5-螺母；6-弹簧；7-滑杆；8-夹头固定件；9-固定端夹头；10-转轮；11-单向轴承；12-旋转端夹头；13-转轮轴；14-滑动杆固定件；15-丝杠螺纹端；16-静止部分夹具支撑架；17-底座连接件；18-滑动杆；19-卡簧
图1 夹具的主体结构
图2 可更换夹头结构示意图
这种可调整夹持力的多功能夹具，经过多次的论证和修改最终确立了设计方案。我们用SolidWorks软件建立了该夹具的模型，进行了运动仿真分析，证实了结构设计的合理性。这款夹具携带方便，操作简单，为具有曲面结构的异形工件的夹持固定提供了可靠的保障。
我们已经将这款多功能夹具的设计方案向中国国家知识产权局提交了专利申请，并获得了专利授权。该专利名称为：一种可调整夹持力的夹具，专利号：ZL201520445857.4。下一步我们将积极争取项目资助，早日试制样机。