專利名稱：組合虎鉗及其球形楔窩對接定位副的制作方法
本專利屬機(jī)械工程領(lǐng)域，涉及一種可用作機(jī)床附件的組合虎鉗和一種可用于對接包括組合虎鉗元件在內(nèi)的各種機(jī)械零部件的球形楔窩對接定位副。
按使用范圍，虎鉗分臺虎鉗(安裝在鉗工臺上使用的虎鉗)、機(jī)用虎鉗(安裝在銑、刨、鉆、鏜等機(jī)床工作臺上使用的中大規(guī)格虎鉗，往往簡稱虎鉗)和精密虎鉗(在工具的磨削、電火花等精密加工及檢測中使用的小規(guī)格虎鉗)。一般來說，無論何種虎鉗都可看成是由鉗體、固定鉗爪、活動鉗爪和驅(qū)動部件四部分組成的。固定鉗爪在鉗體上固定不動，活動鉗爪在驅(qū)動部件的驅(qū)動下，沿鉗體上的爪軌滑向或滑離固定鉗爪，以夾緊或松開兩爪間的工件。
按總體結(jié)構(gòu)，虎鉗分組合虎鉗和非組合虎鉗。組合虎鉗的外在形式是固定鉗爪和鉗體分體，內(nèi)在實質(zhì)應(yīng)當(dāng)是選擇不同的鉗體、不同的固定鉗爪、不同的活動鉗爪、不同的驅(qū)動部件可組合成各種不同的可再組裝成各式多鉗站的單臺虎鉗。由于整體鉗體的固定鉗爪凸臺影響大鉗體的精密加工性能，因而固定鉗爪與鉗體分體不僅僅是虎鉗自身組合化進(jìn)程的需要，同時也是改善機(jī)用虎鉗的精密加工性能的需要。
按驅(qū)動動力，虎鉗分手動和機(jī)動(包括液動、氣動、電動等)；在手動虎鉗里，又分絲杠操作式(活動鉗爪直接由絲杠或絲母驅(qū)動)和螺栓操作式(活動鉗爪由螺栓及螺母間的緊固力驅(qū)動)；在絲杠操作虎鉗里，按絲杠部件相對鉗體的爪軌的安裝位置，還分上驅(qū)動式(絲杠驅(qū)動式)和下驅(qū)動式(絲母驅(qū)動式)。絲杠操作結(jié)構(gòu)的傳動效率高而夾緊力大，可滿足機(jī)用虎鉗的要求；螺栓操作結(jié)構(gòu)的傳動效率低而夾緊力小，可滿足精密虎鉗的需要。一般來說，用液、氣或電動部件替換絲杠操作部件后，手動虎鉗就變成機(jī)動虎鉗，活動鉗爪的驅(qū)動件就由絲杠或絲母變成活塞桿或電動桿。
就機(jī)用虎鉗而言，在傳統(tǒng)手動銑、刨床上使用時，只面對大切削力的粗加工，因而夾緊力大的絲杠操作結(jié)構(gòu)和加工精度有限的整鉗體結(jié)構(gòu)是可行的；在現(xiàn)代數(shù)控及數(shù)控加工中心機(jī)床上使用時，在一次裝夾中不僅要面對粗加工而且還要面對精加工，必須同時滿足高夾緊力和高精度的要求，因而加工精度有限的整鉗體結(jié)構(gòu)就變得不可行了；此外，數(shù)控及數(shù)控加工中心機(jī)床還需求多鉗站一立式機(jī)床需求多臺相同虎鉗并排臥裝，臥式機(jī)床需求單臺或多臺相同虎鉗豎裝，以盡量加大每次自動交換工件的數(shù)量，降低平攤在單件上的交換停機(jī)時間；因此，隨著數(shù)控加工技術(shù)的發(fā)展，機(jī)用虎鉗正在以固定鉗爪分離鉗體為起點，逐步向完全組合式發(fā)展，以至于選擇不同的鉗體、不同的固定鉗爪、不同的活動鉗爪、不同的驅(qū)動部件和不同的附件，或選擇相同的零部件進(jìn)行不同的組裝或調(diào)整，就可得到滿足不同需要的各式虎鉗，而且這些虎鉗還可進(jìn)一步組裝成各種不同類型的多鉗站。
就組合虎鉗而論，和組合夾具、組合模具、組合機(jī)床等一樣，組合零部件是通過基準(zhǔn)面及基準(zhǔn)面上的定位要素對接的，因而對接定位要素直接影響組合零部件的制造成本的高低和包括對接精度、對接剛性、對接重復(fù)性、對接快速性以及對接磨損在內(nèi)的對接性能的好壞。零部件間通過平面對接的現(xiàn)有對接定位方式有“一面兩孔”和“一面兩槽”。其中“一面兩孔”的現(xiàn)有對接定位副是圓柱銷/孔副和錐銷/孔副，也有專利申請?zhí)岢鲞^球/錐窩副；其中“一面兩槽”的現(xiàn)有對接定位副是鍵/槽副(槽包括淺鍵槽和T形槽)，也有專利申請?zhí)岢鲞^圓柱銷/V形槽副。
就活動鉗爪而論，對其滑動間隙的處置，長期以來一直就是虎鉗創(chuàng)新的焦點?；瑒娱g隙對活動鉗爪的滑動是必不可少的，但對工件的夾緊和定位卻又是有害的。理想的活動鉗爪應(yīng)當(dāng)能在工件夾緊過程中自動逐步徹底消除活動鉗爪的滑動間隙的同時，還能使活動鉗爪對工件產(chǎn)生一個下行定位夾持力。如果活動鉗爪的滑動間隙在工件的夾緊過程中得不到自動逐步徹底消除，則活動鉗爪的受力歪斜會影響工件的定位和夾緊剛性及穩(wěn)定性。如果活動鉗爪在夾緊過程中能對工件自動產(chǎn)生一下行定位夾持分力，則還可消除工件的非常定位間隙?，F(xiàn)有技術(shù)的下驅(qū)動式虎鉗通過驅(qū)動絲母對活動鉗爪施加一個斜向復(fù)合推力一水平分力司工件夾緊，鉛垂分力司間隙消除，僅僅實現(xiàn)了對滑動間隙的消除，沒能實現(xiàn)對工件的復(fù)合夾緊?，F(xiàn)有技術(shù)的上驅(qū)動式虎鉗通過一彈簧支撐的楔形鉗口墊—當(dāng)夾緊力引起楔形鉗口墊下滑的分力大于其彈簧撐力時，楔形鉗口墊就夾著工件一道往下滑動，實現(xiàn)對活動鉗爪滑動間隙引起的爪體歪斜所至的工件定位間隙的補(bǔ)償或抵消，卻沒能絲毫消除滑動間隙及其所至的爪體歪斜對夾緊穩(wěn)定性和夾緊剛性的影響。
本專利的目的首先是提出一種新的對接定位副，降低組合零部件的制造成本，提高組合零部件包括對接精度，對接剛性、對接重復(fù)性、對接快速性和對接磨損小在內(nèi)的對接性能，并改善組合系統(tǒng)的組合性以提出一種具有完全組合性的組合虎鉗，即選擇不同的鉗體、不同的固定鉗爪、不同的活動鉗爪、不同的驅(qū)動部件和不同的附件，或選擇相同的零部件進(jìn)行不同的組裝或調(diào)整，就可得到滿足不同需要的各式虎鉗，而且這些虎鉗還可進(jìn)一步組裝成各種不同類型的多鉗站；其次是提出一種活動爪的復(fù)合驅(qū)動結(jié)構(gòu)和一種活動爪的復(fù)合夾緊結(jié)構(gòu)，理想地使活動鉗爪的滑動間隙隨夾緊進(jìn)程而自動逐步徹底消除的同時，還使活動鉗爪自動產(chǎn)生一可預(yù)調(diào)的下行定位夾持分力以消除工件的非常定位間隙。
本專利的第一項發(fā)明是一種球形楔窩對接定位副—一種由球形楔和球形窩組成的對接定位副，可廣泛用作兩個機(jī)械零部件通過基準(zhǔn)面對接時的定位要素，其特征是，如

圖1所示，所述的球形楔是一顆兩邊對稱截頂?shù)那蚣磳ΨQ幾何球臺，所述的球形窩是一附設(shè)在對接基準(zhǔn)面上的空心半球窩，球截頂窩空心的實質(zhì)是確定球為楔的增力性，保證球為楔的有效性以及空出適度的配合接觸面積和球窩材料變形流動空間；所述的球為楔的增力性是指配合接觸角(α)的大小，所述的球為楔的有效性是指球端面是否未超出其配合球窩底，未超出者為無效楔，非未超出者為有效楔；所述的配合接觸角(α)就是球楔于最底配合接觸點的斜楔角，球截頂越多或窩空心越多，配合接觸角(α)就越小，球為楔的增力能力就越強(qiáng)，同時配合接觸面積也就越少，越有利于受力變形；如果相對球截頂過多或相對窩空心過少，就會導(dǎo)致球楔端面未超出其配合窩底，以至于球楔一擠就會因其端面受窩壁變形約束而喪失擠出窩底的自由度，使球為楔的擠擴(kuò)功能不起作用；如果不顧及結(jié)構(gòu)緊湊，則球不截頂而僅窩空心也可行，因為窩一空心就可同時空出全形球頂擠出窩底的自由度和球窩材料變形流動空間，窩空心多少就可決定球為楔的增力性和配合接觸面積。
可想而知，對這種球形楔窩對接副的要求應(yīng)當(dāng)是，如圖11和圖12所示，當(dāng)兩個具有球形窩的基準(zhǔn)面通過壓力及球形楔對接在一起時，球形楔應(yīng)當(dāng)正好完成與兩邊的球形窩的緊密配合，球形楔的球心正好在對接面上。
如果以全形球與全形窩對接，顯然，球頂一旦觸及全封閉剛性球窩底，球大圓附近的楔功能不可能獲得起作用所需的推力或移動進(jìn)而放大出任何半點對球窩壁的擠擴(kuò)力以使球窩“吞下”球心高出對接基準(zhǔn)面的球而排除對接不攏的問題，而配合本身也不允許對接中出現(xiàn)球心低于對接基準(zhǔn)面而引起的無定位對接狀況，那末，“正好”的出路只能是難以勝任的現(xiàn)有機(jī)械加工。
然而，球適度截頂后，如圖1所示，就是一顆增力球形楔，如果能有效利用之，則有可能擠擴(kuò)配合球窩正好“吞下”其高出的球心至對接基準(zhǔn)面。窩空心后，如圖2所示，假設(shè)加工窩的理想刃具球頭大圓最終只進(jìn)到位置I而未進(jìn)到理想足位位置II，相關(guān)小圓也只進(jìn)到位置I′而未進(jìn)到理想足位位置II′，則在位置II-窩口的直徑殘留量是D-d=2(r-b)=2(r-r2-a2),]]>在位置I′-窩底的直徑殘留量是D′-d′=2(r2-(r2-r′2-a)2-r′);]]>通過對常用規(guī)格球窩的直徑殘留量(D-d)及(D′-d′)的計算列表考查就可發(fā)現(xiàn)，大致控制欠位量(a)，例如，對于r′＝9mm(即α＝30°)、r＝10mm的空心球窩，控制a＝0.05-0.10mm，就可獲得一個比理想足位窩口僅小約0.65μm的欠位窩口，一個比相應(yīng)理想足位圓小約0.07mm的欠位窩底，以至欠位窩口層正好可隨工件滲碳淬硬作球楔壓入定位，欠位窩底尖角附近易變形又可隨工件不淬硬的直徑殘留量正好可用作球楔的擠擴(kuò)加工余量，也就是說，適度空心的欠位球窩—一種窩心稍高于窩口基準(zhǔn)面的空心球窩，就正適合接受球楔擠擴(kuò)矯正“吞下”高出的球楔球心至對接基準(zhǔn)面，或者說正適合實施球楔對球窩的足位擠擴(kuò)配合或?qū)崿F(xiàn)球楔與球窩的足位緊密配合—一種把球楔球心剛好擠平至配合欠位球窩基準(zhǔn)面的配合。一個有效的球截頂與窩空心結(jié)構(gòu)的球楔對球窩的擠擴(kuò)能力十分富裕，輕易就可實現(xiàn)球楔對欠位量相當(dāng)大(尺寸偏差相當(dāng)大)的切削欠位球窩的足位擠擴(kuò)配合矯正，因此，當(dāng)球楔的精度足夠高時，同規(guī)格的任何精密球楔與適度非精密(適當(dāng)欠位量范圍)的任何切削球窩都可實現(xiàn)足位擠擴(kuò)配合，并以不同的窩壁塑性變形塑造出精度相同的精密擠擴(kuò)球窩，達(dá)到有效降低球窩切削加工要求的目的。由于彈性變形的緣故，經(jīng)首次足位擠擴(kuò)配合矯正過的球窩仍然還是一欠位球窩，一個欠位量減少的但至少再次配合還會發(fā)生彈性變形的欠位球窩，因此，按足位擠擴(kuò)配合加工獲得的球窩都是欠位球窩，與球楔的理想工作配合狀態(tài)都正好是所需要的足位緊密配合。也就是說，用精密球楔與適度空心及欠位的球窩對接，依靠球楔與球窩間的擠擴(kuò)配合過程而不依靠精密機(jī)械加工就可實現(xiàn)球楔與球窩的程度正好的緊密配合—當(dāng)兩對接基面一受壓合攏，球窩就自動對稱“吞下”球楔而完成壓配合，當(dāng)一卸壓松開，球楔就被球窩“彈出”而退出壓配合。由于現(xiàn)有技術(shù)球的經(jīng)濟(jì)加工精度非常高，因此，球形楔窩對接副及其零部件的精度高而成本低。
由于球楔的入窩配合過程幾乎無相對滑動、無磨損，因而球窩可以與其它定位副中相應(yīng)的孔、槽及錐窩不一樣，可以不為耐磨而淬硬；不淬硬的軟質(zhì)塑性球窩結(jié)構(gòu)不僅不會影響窩的耐磨性，反而還會大大降低對相對更硬的配合球楔的磨損，提高球形楔窩副的總體耐磨性；實際上，由于欠位球窩的磨損趨勢是足位球窩，而足位球窩的基準(zhǔn)面的磨損或微量修磨是回歸欠位球窩，因此，幾乎無磨損而磨損又可恢復(fù)的球窩及其零部件的壽命幾乎是無限的。由于球窩可以不淬硬，因此，與其它定位副中相應(yīng)必須淬硬的孔、槽及錐窩相比，不僅球窩的切削性能最好球窩的制造工序最短，而且還可避開昂貴的磨削工序。由于每次工作配合過程都是一次高硬度的球楔對軟質(zhì)欠位球窩的足位擠擴(kuò)矯正過程，因而微粒雜物可被擠入球窩而不至于敏感地影響到球形楔窩副的對接精度。由于球形楔窩副的定位要素(球)的中心是無大小的點，不可能產(chǎn)生影響定位要素大小和位置的形位誤差，加工中只須簡單分別保證定位要素(球)的尺寸公差和位置公差，而相應(yīng)的銷孔副的定位要素的軸線、鍵槽副的定位要素的對稱面、銷V槽副的定位要素的軸線與對稱面、球錐窩副的定位要素中的軸線的形位誤差不僅影響相關(guān)定位要素的位置度而且還影響相關(guān)定位要素的尺寸大小，因此，球形楔窩副對包括機(jī)床和工裝的類型、結(jié)構(gòu)、控制、操作、調(diào)整等在內(nèi)的加工技術(shù)的要求是最簡單的。由于球形楔窩副提供的位置要素(點)與面為對接基準(zhǔn)的對接需求是一致的，對接中沒有諸如軸線類和對稱面類多余誤差干涉，因此，球形楔窩副包括對接穩(wěn)定性和對接精度在內(nèi)的對接性能也是最好的。由于槽結(jié)構(gòu)要或深或淺割斷基準(zhǔn)面(多余破壞表面和或多或少損害基體強(qiáng)度)，孔結(jié)構(gòu)不僅要為銷的裝卸而貫穿基體(影響它向結(jié)構(gòu)設(shè)計)而且還要為可制造性而節(jié)外生枝地要求一些附加空間(如空刀結(jié)構(gòu)和孔粘接結(jié)構(gòu)等)，而球窩結(jié)構(gòu)既不需要割斷基準(zhǔn)面也可不貫穿基體，不僅不節(jié)外生枝地要求任何附加結(jié)構(gòu)反而還可利用緊固螺釘沉孔而立，或者說球窩底還可順便結(jié)構(gòu)緊固螺釘?shù)倪^孔、沉孔或螺紋孔，以至于凡可結(jié)構(gòu)出緊固結(jié)構(gòu)的地方就可結(jié)構(gòu)出球窩對接結(jié)構(gòu)，凡有一組定位與緊固對接結(jié)構(gòu)的地方就可對接一個組合元件，反之亦然，凡是需要對接一個組合元件的地方，只要有最起碼的緊固結(jié)構(gòu)的布置條件就可實現(xiàn)，因此，可以說球窩結(jié)構(gòu)具有極佳的構(gòu)造組合元件的性能，或者說，以球形楔窩副為對接定位要素的組合系統(tǒng)具有極佳的組合性能。另外，球楔的入窩對準(zhǔn)象錐銷的入孔對準(zhǔn)那樣輕松隨便，而不象鍵入槽和銷入孔對準(zhǔn)那樣牽涉注意力；球形楔窩副中的球楔可象銷槽副中的銷和球錐窩副中的球那樣快速放取，而不象鍵和銷那樣需要花費相當(dāng)?shù)姆湃r間；球形楔窩副象錐銷孔副那樣是耐磨性和剛性都最好的面接觸配合，而鍵槽副和銷孔副是耐磨性差、剛性良好的面接觸配合，銷槽配合副和球錐窩配合副是耐磨性和剛性都最差的線接觸配合。
所以，與現(xiàn)有技術(shù)相比，球形楔窩對接副集中了所有現(xiàn)有對接副的優(yōu)點而避開了所有現(xiàn)有對接副的缺點，達(dá)到了降低組合零部件的制造成本、提高組合零部件包括對接精度、對接剛性、對接重復(fù)性、對接快速性以及對接磨損小在內(nèi)的對接性能、改善組合系統(tǒng)的組合性的最佳境界。
毫無疑問，雙截頂球等同雙錐銷，空心球窩等同空心錐窩，因此，公開球形楔窩副也就自然公開出雙錐楔窩副—一種由雙錐銷和錐形窩組成的對接定位副，與球形楔窩副同樣，可廣泛用作兩個機(jī)械零部件通過基準(zhǔn)面對接時的定位要素，其特征是，如圖3所示，所述的雙錐銷是一顆中間大兩頭小的對稱錐銷，所述的錐形窩是一附設(shè)在對接基準(zhǔn)面上的空心錐窩，形錐窩空的實質(zhì)是確定銷為楔的增力性即楔的楔角大小，保證銷為楔的有效性即楔的擠出窩底自由度，空出適度的配合接觸面積及窩壁材料變形流動空間，以提供有利的銷為楔的對配合窩的擠擴(kuò)變形條件。雙錐楔窩副與球形楔窩副的性能差異在于，球形楔窩副的可加工性要稍優(yōu)于雙錐楔窩副，雙錐楔窩副的自鎖性可優(yōu)于球形楔窩副，球形楔窩副無而雙錐楔窩副有軸線類誤差影響，還有就是二者的欠位直徑殘留量的分布不一樣；這些差異既不影響二者的等同性也不影響二者相對其它對接定位副的優(yōu)越性，但可引起不同實施者的不同選擇，因此，如果不將雙錐楔窩副作為本專利的第二項發(fā)明加以保護(hù)，則有的就可能會有意選擇雙錐楔窩副而避開球形楔窩副。與錐銷孔副相比，雙錐楔窩副的對接窩是以對接面對稱的兩個錐窩，只能分體分別制造，適用于可互換的標(biāo)準(zhǔn)零部件；而錐銷孔副的對接孔是以對接面接續(xù)的一個孔，只能兩件一體同時配作，不適用于可互換的標(biāo)準(zhǔn)零部件，只適用于無互換性的專用零部件。
實際上，球形楔窩副的可用性基礎(chǔ)是楔對窩的可擠擴(kuò)加工性，因此，披露球形楔窩副也就同時披露出本專利的第三項發(fā)明—一種楔窩欠位保障加工法—一種利用陽楔對配合陰窩的擠擴(kuò)功能實現(xiàn)陽楔與欠位陰窩的足位緊密配合達(dá)到降低陰窩加工成本的方法，其特征是所述陽楔和陰窩的形狀可以是球形、圓錐形或棱錐形，所述的欠位陰窩是指稍小于配合陽楔的陰窩或陽楔基準(zhǔn)面(楔最大截面或端面)稍高于配合窩口基準(zhǔn)面的陰窩，其中陽楔相對配合陰窩的基準(zhǔn)高出量叫欠位陰窩的欠位量，所述的足位緊密配合，也可叫足位擠擴(kuò)配合，是指陽楔基準(zhǔn)面剛好被擠平至配合欠位陰窩基準(zhǔn)面的配合狀態(tài)；在結(jié)構(gòu)設(shè)計上適度考慮楔的增力性、減少配合接觸面積及增加窩底材料塑性，就可輕易實現(xiàn)陽楔與欠位量相當(dāng)大(尺寸偏差相當(dāng)大)的切削欠位陰窩的足位擠擴(kuò)配合，達(dá)到過飽和降低陰窩切削加工要求的地步；由于陽楔的經(jīng)濟(jì)精度足夠高，因此，同規(guī)格的任何精密陽楔與適度非精密(適度欠位量范圍)的任何切削陰窩都可實現(xiàn)足位擠擴(kuò)配合，并以不同的窩壁塑性變形塑造出精度相同的精密擠擴(kuò)陰窩，達(dá)到有效降低精密陰窩加工成本的目的；由于彈性變形的緣故，經(jīng)首次足位擠擴(kuò)配合矯正過的陰窩仍然還是一個欠位陰窩，一個欠位量變少的但至少再次配合還會發(fā)生彈性變形的欠位陰窩，因此，經(jīng)足位擠擴(kuò)配合加工獲得的楔窩都是欠位陰窩，與陽楔的理想工作配合過程同樣都是足位擠擴(kuò)配合過程；當(dāng)窩壁的材料彈性過大時，為了獲得較小欠位量的欠位陰窩，可對非精密的切削球窩適度實施過位擠擴(kuò)配合矯正，當(dāng)窩壁磨損而導(dǎo)致欠位量過小時，可通過窩口基準(zhǔn)面的微量修磨而重新恢復(fù)；總之，無論是切削加工還是擠擴(kuò)加工乃至修復(fù)加工，都必須保障配合窩是適度欠位陰窩，以保證陽楔與陰窩的工作配合都是足位擠擴(kuò)配合即足位緊密配合，這就是所謂的楔窩欠位保障加工法。
本專利的第四項發(fā)明是一種活動鉗爪的復(fù)合驅(qū)動結(jié)構(gòu)，其特征是，如圖5所示，活動鉗爪的原始單向驅(qū)動球頭，通過活動鉗爪體上的斜面或中心線稍高于驅(qū)動球頭軸線的錐形窩施力，使活動鉗爪受到復(fù)合力F驅(qū)動；在所述驅(qū)動球頭的頸部和鉗體的爪約束面(爪支撐面對面)間懸掛一嵌入活動鉗爪體內(nèi)的扣板以限制驅(qū)動球頭受力上翹，在所述驅(qū)動球頭與所述扣板間的驅(qū)動球頭頸部再插掛一開口彈性鎖板以把驅(qū)動球頭直接鎖定在活動鉗爪的驅(qū)動錐窩上和通過扣板間接鎖定在活動鉗爪的扣板嵌入槽上，所述扣板的作用等同一驅(qū)動球頭上翹約束力P，所述開口彈性鎖板的作用是把驅(qū)動球頭與活動鉗爪鎖為一體并消除進(jìn)退間隙；驅(qū)動球頭前進(jìn)時，通過驅(qū)動錐窩推動活動鉗爪，活動鉗爪帶著嵌入其體內(nèi)的扣板一道沿鉗體上的爪軌向前滑至受到工件阻礙時，驅(qū)動球頭的復(fù)合推力F將隨夾緊進(jìn)程的繼續(xù)而漸增，驅(qū)動球頭的上翹約束力P將隨驅(qū)動錐窩對驅(qū)動球頭的鉛垂反作用力而漸增，漸增的水平分力司管逐漸夾緊工件，漸增的鉛垂分力司管逐漸消除活動鉗爪的滑動間隙以保證鉗口面及鉗口面所夾持的工件不至于受力歪斜，漸增的驅(qū)動球頭的約束力P司管平衡驅(qū)動錐窩對驅(qū)動球頭的鉛垂反作用力，驅(qū)動球頭后退時，通過鎖板和扣板帶動活動鉗爪后退。圖6是本發(fā)明實施例圖5中的鉗體的B-B剖視圖，其中面a是活動鉗爪沿其滑動的爪軌的爪支撐面，面b是活動鉗爪沿其滑動的爪軌的爪導(dǎo)向面，面c是活動鉗爪沿其滑動的爪軌的爪約束面；圖7是圖5的活動鉗爪與鉗體的裝配B-B剖視圖，從中可以看出，活動鉗爪是通過固定在其上的T型壓板被爪約束面約束在鉗體爪軌上的?？上攵绻?qū)動頭軸線與驅(qū)動錐窩軸線重合，或如果水平驅(qū)動球頭不是頂錐窩或斜面而是頂鉛垂面，則活動鉗爪在原始單一水平動力驅(qū)動下，鉗口面受工件夾緊反作用力如Pt作用時必然隨爪體一同歪斜，導(dǎo)致其夾持著的工件歪離定位面以及導(dǎo)致爪體歪離爪支撐面使爪約束結(jié)構(gòu)受轉(zhuǎn)矩而降低夾緊剛性和穩(wěn)定性?，F(xiàn)有技術(shù)上驅(qū)動式虎鉗的驅(qū)動球頭就是頂在鉛垂面上的，其保持鉗口面不至于受力過分歪斜的措施是提高爪軌約束面c對活動鉗爪T型壓板的約束配合精度，對難于實施精加工的爪軌約束面c提出了過高的要求，大大增加了制造成本。因此，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明通過簡單的活動鉗爪滑動間隙自動消除機(jī)構(gòu)，大大降低了虎鉗制造成本，顯著提高了活動鉗爪的夾緊精度、夾緊剛性和夾緊穩(wěn)定性。顯然，通過力矩平衡式FxL12＝PtxL1′2和FxL34＝PbxL3′4′以及圖5展示的F與Pt/Pb間和L12/L1′2/L34/L3′4′間的相關(guān)幾何關(guān)系，就可完成與驅(qū)動錐窩有關(guān)的活動鉗爪的結(jié)構(gòu)設(shè)計，其中F是驅(qū)動球頭施加在驅(qū)動錐窩上的復(fù)合驅(qū)動力，Pt是薄板工件被夾緊在最頂時對鉗口的反作用力，Pb是薄板工件被夾緊在最底時對鉗口的反作用力，Pt和Pb的大小正好都等于F的水平分力，L12/L1′2/L34/L3′4′是相關(guān)力的力臂。
本專利的第五項發(fā)明是一種活動鉗爪的復(fù)合夾緊結(jié)構(gòu)，其特征是，如圖8所示，它是一個由壓縮彈簧、墊圈、鋼球和調(diào)節(jié)螺套組成的經(jīng)螺孔裝入活動鉗爪體內(nèi)的可調(diào)彈簧鋼球撐起結(jié)構(gòu)，擰所述調(diào)節(jié)螺套入螺孔的程度就可通過所述鋼球和所述墊圈同時調(diào)整所述壓縮彈簧的壓縮程度即調(diào)整活動鉗爪的下行夾緊始動力度和所述鋼球突出活動鉗爪滑動表面的程度即調(diào)整活動鉗爪的下行夾緊行程，更換所述壓縮彈簧就可調(diào)整活動鉗爪的下行夾緊臨終力度。調(diào)小活動鉗爪的下行行程同時也在調(diào)大活動鉗爪的下行始動力度，可保護(hù)軟質(zhì)精密工件表面免遭夾緊鉗口劃傷，必要時可調(diào)為零行程以完全關(guān)閉下行夾持分力。對設(shè)有彈簧鋼球撐起結(jié)構(gòu)的活動鉗爪來說，在復(fù)合力的驅(qū)動下，活動鉗爪將一直被彈簧鋼球撐著在鉗體的爪軌上滑動直至觸及被夾工件而受阻，這既可減少活動鉗爪的滑動阻力又可減輕接觸件的滑動磨損；此后，受阻活動鉗爪的水平驅(qū)動分力和鉛垂驅(qū)動分力將隨夾緊進(jìn)程的繼續(xù)而同時漸增，當(dāng)活動鉗爪的鉛垂驅(qū)動分力增至大于彈簧鋼球?qū)顒鱼Q爪的預(yù)調(diào)撐力時，活動鉗爪將夾著工件一道下行直至活動鉗爪的滑動表面觸及鉗體的爪支撐面和工件的定位面觸及虎鉗的工件定位面，達(dá)到同時自動最終徹底消除活動鉗爪的滑動間隙和工件的非常定位間隙。如果活動鉗爪無復(fù)合驅(qū)動功能，則活動鉗爪無下行驅(qū)動分力源，不可能克服彈簧鋼球的撐力而帶著工件一道下行，因此，可以肯定無復(fù)合驅(qū)動結(jié)構(gòu)的活動鉗爪的彈簧鋼球撐起結(jié)構(gòu)不起消除工件的非常定位間隙作用，只起減少活動鉗爪的滑動阻力和減輕接觸件的滑動磨損作用；反之，如果活動鉗爪只有復(fù)合驅(qū)動結(jié)構(gòu)而無彈簧鋼球撐起結(jié)構(gòu)，則活動鉗爪只有自動消除活動鉗爪滑動間隙功能而無自動消除工件非常定位間隙功能。凡是有復(fù)合驅(qū)動功能的活動鉗爪，無論是上驅(qū)動式還是下驅(qū)動式，都有不改變原結(jié)構(gòu)而直接增設(shè)本復(fù)合夾緊結(jié)構(gòu)的條件，改進(jìn)使用性能。對于無驅(qū)動動力源的固定鉗爪，如圖10a和圖10b所示，在固定鉗爪的鉗口上附設(shè)一塊內(nèi)裝彈簧鋼球的不自鎖楔形墊，這塊作固定鉗口的楔形墊就可象前述的受復(fù)合驅(qū)動的活動鉗爪的鉗口一樣，在工件的受夾過程中，當(dāng)楔形墊的下滑力增至大于彈簧鋼球的撐力時，就會夾著工件一道下行直至楔形鉗口墊觸及鉗體的爪支撐面和工件的定位面觸及虎鉗的工件定位面，達(dá)到自動最終徹底消除工件的非常定位間隙。由于現(xiàn)有技術(shù)上驅(qū)動式虎鉗的活動鉗爪無復(fù)合驅(qū)動功能，其復(fù)合夾緊結(jié)構(gòu)與前述的固定鉗爪的復(fù)合夾緊結(jié)構(gòu)一樣，下行驅(qū)動力是靠楔形鉗口墊提供的，不僅結(jié)構(gòu)本身需要增加楔墊結(jié)構(gòu)空間而且還需要楔墊保持結(jié)構(gòu)空間，加之現(xiàn)有技術(shù)楔形鉗口墊的彈簧支撐是撐在爪體的一專門臺階上不象本發(fā)明的彈簧鋼球是撐在鉗體的爪支撐面上的，又引出一個嚴(yán)重影響爪體特別是斜面的可加工性的異形爪體，因此，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本活動鉗爪的復(fù)合夾緊結(jié)構(gòu)發(fā)明，不僅可簡化和縮小要復(fù)合夾緊功能的活動鉗爪結(jié)構(gòu)而且還可簡化要復(fù)合夾緊功能的固定鉗爪結(jié)構(gòu)(去掉楔墊專用支撐臺階)，大大提高加工性能，降低制造成本提高加工精度。
綜上所述，本專利的活動爪的復(fù)合驅(qū)動結(jié)構(gòu)和復(fù)合夾緊結(jié)構(gòu)兩項發(fā)明，可簡單而又理想地使活動鉗爪的滑動間隙隨夾緊進(jìn)程得到自動逐步徹底消除的同時，還使活動鉗爪自動產(chǎn)生一個可預(yù)調(diào)的下行定位夾持分力使工件的非常定位間隙得到自動消除，達(dá)到了提出該兩項發(fā)明的目的。
圖9a/b/c和圖10a/b/c所示的是按前述四項結(jié)構(gòu)發(fā)明提出的一種組合虎鉗系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)視圖，同時也是以具體實例進(jìn)一步說明前述四項結(jié)構(gòu)發(fā)明的結(jié)構(gòu)及實施要點的視圖。
首先，圖9a和圖10a是選用相同的鉗體、相同的活動鉗爪、相同的驅(qū)動部件和不同的固定鉗爪組合成的兩種不同的虎鉗；圖9a的固定鉗爪按圖示方位安裝時是提供一種V型鉗口固定鉗爪，可用于豎夾精密圓柱形工件，把固定鉗爪旋轉(zhuǎn)180°安裝便可提供一種平鉗口固定鉗爪，可用于裝夾精密軟質(zhì)工件；圖10a的固定鉗爪按圖示配置時是提供一種有復(fù)合夾緊功能的固定鉗爪，卸去楔墊就可用于臥夾圓柱形工件；利用固定鉗爪和活動鉗爪側(cè)面的螺孔可安裝一可調(diào)定位器，用于提供工件的第三定位；利用固定鉗爪和活動鉗爪鉗口面上的螺孔可增設(shè)各種軟質(zhì)異型鉗口，利用固定鉗爪和活動鉗爪頂面的定位楔窩和緊固螺孔可安裝對刀塊和鉆模板；調(diào)節(jié)活動鉗爪和固定鉗爪楔形鉗口墊內(nèi)裝的彈簧鋼球的突起高度，可調(diào)整或關(guān)閉鉗爪的下行定位夾持分力；用氣、液、電動等驅(qū)動部件替換圖中的絲杠驅(qū)動部件，可變手動虎鉗為機(jī)動虎鉗。
其次，圖9a和圖10a所示的虎鉗是上驅(qū)動式(絲杠驅(qū)動式)虎鉗，驅(qū)動部件安裝在鉗體的爪支撐面上，活動鉗爪直接由位于鉗體上方的短絲杠頭驅(qū)動，與下驅(qū)動式(絲母驅(qū)動式)虎鉗有一根絲杠縱貫鉗體的情況不一樣，無絲杠貫穿鉗體，因而沿鉗體縱向中心線按需設(shè)置了一些虎鉗安裝螺栓過/沉孔，需要時也可以螺栓過/沉槽取代之；由于楔窩對接副的優(yōu)異可結(jié)構(gòu)性一其定位陰窩可依緊固螺栓過/沉孔或過/沉槽而立，因此，在虎鉗安裝螺栓沉孔上按需同軸設(shè)置了一些有級調(diào)整驅(qū)動部件位置的定位陰窩，在鉗體底部兩端和中心的三個過孔下同軸設(shè)置了三個虎鉗安裝定位陰窩；由于楔窩對接副的快速精密可對接性，因此，使虎鉗通過固定鉗爪和活動鉗爪及其驅(qū)動部件下面的安裝孔進(jìn)行的安裝變得完全可行；由于鉗體縱向中心線沿線是鉗體原本狹長的虎鉗的最適當(dāng)?shù)陌惭b緊固位置，但此前卻未能被人發(fā)現(xiàn)和利用，因此，沿鉗體縱向中心線最大跨度地同時對虎鉗實施最有效的對接定位和緊固，不僅革新和增加了虎鉗的可安裝性或相互組合性，而且還可免除現(xiàn)有技術(shù)鉗體兩側(cè)的虎鉗安裝結(jié)構(gòu)和壓板空間，縮小虎鉗體積和虎鉗安裝空間，甚至還大大提高了虎鉗的安裝精度、剛性和可靠性；一為安裝更靈活二又因不增加虎鉗體積，因而仍然在鉗體兩側(cè)設(shè)置了虎鉗安裝壓板槽。利用圖4所示的一端是鍵另端是陽楔的過渡鍵楔和鉗體底部的定位陰窩，可簡單可靠地實現(xiàn)虎鉗與機(jī)床工作臺T形槽的臥式快速對接，必要時，利用楔窩對接副的旋轉(zhuǎn)可調(diào)性還可簡單可靠地實現(xiàn)虎鉗同機(jī)床工作臺的旋轉(zhuǎn)可調(diào)對接；通過在鉗體側(cè)面同軸增設(shè)一個定位陰窩和一個緊固螺孔把分度游尺對接在鉗體側(cè)面上，再通過一副楔窩對接副把鉗體對接在分度轉(zhuǎn)座上，再通過可在分度靜座中精密轉(zhuǎn)動的分度轉(zhuǎn)座帶著鉗體和游尺一道相對分度靜座上的分度定尺轉(zhuǎn)動分度，最后通過對接緊固螺釘把虎鉗和分度轉(zhuǎn)座同時壓緊在分度靜座上，可簡單可靠地實現(xiàn)虎鉗通過分度座進(jìn)行精密游標(biāo)分度；通過固定鉗爪端的鉗體底部楔窩對接副把虎鉗對接在豎式單鉗座上，豎式單鉗座再通過對接副對接在機(jī)床工作臺上，最后通過豎式單鉗座上的斜置緊定螺釘和鉗體側(cè)面的壓板槽端再把虎鉗重復(fù)夾壓在機(jī)床工作臺上，可簡單可靠地實現(xiàn)單臺虎鉗在機(jī)床工作臺上的豎式安裝；通過鉗體底部兩頭的楔窩對接副把虎鉗背靠背或背靠背與肩并肩相結(jié)合地對接在上下兩塊座板上，下座板再通過對接副對接在機(jī)床工作臺上，可簡單可靠地組裝成臥式加工中心所需要的各種豎式多鉗站。
因此，不難看出，本專利依據(jù)楔窩對接定位副發(fā)明提出的組合虎鉗系統(tǒng)具有完全的組合性，即選擇不同的鉗體、不同的固定鉗爪、不同的活動鉗爪、不同的驅(qū)動部件和不同的附件，或選擇相同的零部件進(jìn)行不同的組裝或調(diào)整，就可得到滿足不同需要的各式虎鉗，而且這些虎鉗還可進(jìn)一步組裝成各種不同類型的多鉗站。
圖1是球形楔窩對接定位副的典型結(jié)構(gòu)圖，圖2是空心定位球窩的欠位進(jìn)給切削加工分析說明圖，圖3是雙錐楔窩對接定位副的典型結(jié)構(gòu)圖，圖4是過渡鍵球的典型結(jié)構(gòu)圖，圖5是虎鉗活動鉗爪的復(fù)合驅(qū)動結(jié)構(gòu)說明圖，圖6是圖5中的鉗體B-B剖視圖，圖7是圖5的B-B剖視圖，圖8是為活動鉗爪和固定鉗爪楔口墊提供復(fù)合夾緊功能的彈簧鋼球撐起結(jié)構(gòu)剖視圖。圖9a是固定鉗爪為V型鉗口與平鉗口的虎鉗，圖9b是將圖9a中的固定鉗爪移走而將其對接緊固件和定位球楔留在原處以及將活動鉗爪移走而將其彈簧鋼球撐起結(jié)構(gòu)件留在原處的視圖，圖9c是把圖9b中的移出活動鉗爪翻轉(zhuǎn)180°后進(jìn)一步展示其底部結(jié)構(gòu)和扣板嵌入槽的視圖。圖10a是固定鉗爪有復(fù)合夾緊功能的虎鉗，圖10b是將圖10a中的固定鉗爪楔形鉗口墊移走而將其彈簧鋼球撐起結(jié)構(gòu)件和保持件(螺釘)留在原處以及將驅(qū)動部件移走而將其對接緊固件和定位球楔留在原處的視圖，圖10c是把圖10b中的移出驅(qū)動部件旋轉(zhuǎn)180°后進(jìn)一步展示其扣板和鎖板結(jié)構(gòu)及安裝的視圖。圖11是驅(qū)動部件與鉗體間的球形楔窩對接定位副的結(jié)構(gòu)及理想工作配合狀態(tài)剖視圖，圖12是固定鉗爪與鉗體間的球形楔窩對接定位副的結(jié)構(gòu)及理想工作配合狀態(tài)剖視圖。
權(quán)利要求
1 一種由球形楔和球形窩組成的球形楔窩對接定位副，可廣泛用作兩個機(jī)械零部件通過基準(zhǔn)面對接時的定位要素，其特征是，所述的球形楔是一顆兩邊對稱截頂?shù)那蚣磳ΨQ幾何球臺，所述的球形窩是一附設(shè)在對接基準(zhǔn)面上的空心半球窩；如果不顧及結(jié)構(gòu)緊湊，則球不截頂而僅窩空心也是可行的。
2 一種由雙錐銷和錐形窩組成的雙錐楔窩對接定位副，可廣泛用作兩個機(jī)械零部件通過基準(zhǔn)面對接時的定位要素，其特征是，所述的雙錐銷是一顆中間大兩頭小的對稱錐銷，所述的錐形窩是一附設(shè)在對接基準(zhǔn)面上的空心錐窩。
3 一種利用陽楔對配合陰窩的擠擴(kuò)功能實現(xiàn)陽楔與欠位陰窩的足位緊密配合達(dá)到降低陰窩加工成本的楔窩欠位保障加工方法，其特征是，所述陽楔和陰窩的形狀可以是球形、圓錐形或棱錐形，所述的欠位陰窩是指稍小于配合陽楔的陰窩或陽楔基準(zhǔn)面(楔最大截面或端面)稍高于配合窩口基準(zhǔn)面的陰窩，其中陽楔相對配合陰窩的基準(zhǔn)高出量叫欠位陰窩的欠位量，所述的足位緊密配合，也可叫足位擠擴(kuò)配合，是指陽楔基準(zhǔn)面剛好被擠平至配合欠位陰窩基準(zhǔn)面的配合狀態(tài)；在結(jié)構(gòu)設(shè)計上適度考慮楔的增力性、減少配合接觸面積及增加窩底材料塑性，就可輕易實現(xiàn)陽楔與欠位量相當(dāng)大(尺寸偏差相當(dāng)大)的切削欠位陰窩的足位擠擴(kuò)配合，達(dá)到過飽和降低陰窩切削加工要求的地步；由于陽楔的經(jīng)濟(jì)精度足夠高，因此，同規(guī)格的任何精密陽楔與適度非精密(適度欠位量范圍)的任何切削陰窩都可實現(xiàn)足位擠擴(kuò)配合，并以不同的窩壁塑性變形塑造出精度相同的精密擠擴(kuò)陰窩，達(dá)到有效降低精密陰窩加工成本的目的；由于彈性變形的緣故，經(jīng)首次足位擠擴(kuò)配合矯正過的陰窩仍然還是一個欠位陰窩，一個欠位量變少的但至少再次配合還會發(fā)生彈性變形的欠位陰窩，因此，經(jīng)足位擠擴(kuò)配合加工獲得的楔窩都是欠位陰窩，與陽楔的理想工作配合過程同樣都是足位擠擴(kuò)配合過程；當(dāng)窩壁的材料彈性過大時，為了獲得較小欠位量的欠位陰窩，可對非精密的切削球窩適度實施過位擠擴(kuò)配合矯正，當(dāng)窩壁磨損而導(dǎo)致欠位量過小時，可通過窩口基準(zhǔn)面的微量修磨而重新恢復(fù)；總之，無論是切削加工還是擠擴(kuò)加工乃至修復(fù)加工，都必須保障配合窩是適度欠位陰窩，以保證陽楔與陰窩的工作配合都是足位擠擴(kuò)配合即足位緊密配合，這就是所謂的楔窩欠位保障加工法。
4 一種活動鉗爪有復(fù)合驅(qū)動結(jié)構(gòu)的虎鉗，其特征是，活動鉗爪的原始單向驅(qū)動頭，通過活動鉗爪體上的斜面或中心線稍高于驅(qū)動頭軸線的錐形窩施力，使活動鉗爪受到復(fù)合力驅(qū)動。
5 一種按權(quán)利要求4所述的活動鉗爪有復(fù)合驅(qū)動結(jié)構(gòu)的虎鉗，其特征是，在所述驅(qū)動頭的頸部和鉗體的爪約束面(爪支撐面對面)間懸掛一嵌入活動鉗爪體內(nèi)的扣板以限制驅(qū)動頭受力上翹，在所述驅(qū)動頭與所述扣板間的驅(qū)動頭頸部再插掛一開口彈性鎖板以把驅(qū)動頭直接鎖定在活動鉗爪的驅(qū)動錐窩上和通過扣板間接鎖定在活動鉗爪的扣板嵌入槽上，所述扣板的作用等同一驅(qū)動頭上翹約束力，所述開口彈性鎖板的作用是把驅(qū)動頭與活動鉗爪鎖為一體并消除進(jìn)退間隙。
6 一種活動鉗爪有復(fù)合夾緊結(jié)構(gòu)的虎鉗，其特征是，虎鉗的活動鉗爪有一個由壓縮彈簧、墊圈、鋼球和調(diào)節(jié)螺套組成的經(jīng)螺孔裝入活動鉗爪體內(nèi)的可調(diào)彈簧鋼球撐起結(jié)構(gòu)。
7 一種安裝結(jié)構(gòu)布局最有效的虎鉗，其特征是，虎鉗安裝螺栓過/沉孔或螺栓過/沉槽沿鉗體縱向中心線布置。
全文摘要
本發(fā)明屬機(jī)械工程領(lǐng)域,涉及一種可用作機(jī)床附件的組合虎鉗和一種可用于對接各種機(jī)械零部件的球形楔/窩對接定位副。虎鉗元件由壓配合球形楔/窩副對接,對接快速精密,配合過程幾乎無滑動無磨損,縱使磨損也可修復(fù),使用壽命幾乎是無限的?；顒鱼Q爪在復(fù)合力驅(qū)動下,首先由彈簧鋼球一直撐著往前至某一整定夾緊程度,而后夾著工件一道往下直至最終完全消除工件的非常定位間隙和爪的滑動間隙。組合虎鉗可作為一個組合元,進(jìn)一步快速追加組裝成分度虎鉗和各種立式單、多鉗站。利用球楔對空心球窩的擠擴(kuò)功能可大幅降低球窩切削加工要求及其零部件成本。
文檔編號B23Q3/00GK1422724SQ0113056
公開日2003年6月11日 申請日期2001年12月3日 優(yōu)先權(quán)日2001年12月3日
發(fā)明者徐長祥 申請人:徐長祥