Закрепление заготовок. Зажимные устройства  приспособлений.

План

1. Методика  расчета сил закрепления.
2. Назначение зажимных устройств.
3. Элементарные зажимные устройства.
4. Комбинированные зажимные устройства.

 {spoiler=Подробнее}

Расчет сил закрепления производят при конструировании новых приспособлений и при использовании имеющихся универсальных (и переналаживаемых) приспособлений. Для расчета сил закреп­ления в первом, наиболее общем случае необходимо знать условия проектируемой обработки величину, направление и место при­ложения сил, сдвигающих заготовку, а также схему ее установки и закрепления. Расчет сил закрепления в первом приближении может быть сведен к задаче статики на равновесие заготовки под действием приложенных к ней внешних сил,

     К обрабатываемой заготовке приложены силы, возникающие в процессе обработки, искомые силы закрепления и реакции опор. Под действием этих сил заготовка находится в равновесии. Сила закрепления Q должна быть достаточной для предупрежде­ния смещения установленной в приспособлении заготовки. Если величина Q оказывается больше Q', найденной из условий точности выполнения операции, то необходимо внести коррективы в ее построение (изменение схемы установки и закрепления заготовки, режима резания, условий выполнения операции), вследствие чего возможно уменьшение первоначальных значений погрешно­стей закрепления e_з и формы D_ф. При повторной проверке должно соблюдаться условие Q £ Q'.

     Во втором (более частом) случае расчет силы закрепления но­сит поверочный характер. Найденная из условий обработки необ­ходимая сила закрепления должна быть меньше силы, которую развивает зажимное устройство используемого приспособления, или равна ей. Если этого нет, то изменяют условия обработки в целях уменьшения необходимой силы закрепления  с последующим поверочным расчетом. Может решаться обратная задача – по силе закрепления находят режимы резания, число рабочих ходов (проходов) и другие условия обработки.

Состояние системы при наличии силы закрепления Q характе­ризуется вертикальной линией с – с, а состояние в момент отрыва заготовки от опор – линией   с₁–с₂. Смещение заготовки, соот­ветствующее полному упругому восстановлению системы уста­новочных элементов,

            (1)

На эту же величину возрастает упругая деформация зажимного устройства. Из рисунка следует, что Р₁=Q+DyJ₁, а из условия (1)

       (2)

Рис. 11. Упругие характеристики зажимных устройств.

Значение силы Р₁ характеризуется отрезком Q₁а {рис. 11, в). При зажимном устройстве второго типа сила Р_II при которой заготовка отрывается от опор приспособления, равна силе закреп­ления Q. На рис. 11, в сила Р_II характеризуется отрезком Q₁ Ь. Из выражения (2) следует, что

Ниже рассмотрены примеры расчета сил закрепления примени­тельно к схемам установки на рис. 12 и 13. Расчеты выполнены с учетом условия обеспечения плотного контакта заготовки с уста­новочными элементами приспособления в процессе обработки.

Рис. 12. Схемы для расчета сил закрепления заготовки от смещения

Рис. 13. Схемы для расчета сил закрепления заготовки от поворачивания

 Зажимное устройство, предупреждающее смещение заготовки от действия силы. 1. Сила Р, возникающая при обработке дета­лей, и сила закрепления Q прижимают заготовку к опорам приспо­собления (рис. 12, а). При постоянном значении силы Р сила Q=0. Этой схеме соответствуют операции обтачивания в центрах, протягивания отверстий, цекования бобышек. Если возникают дополнительные сдвигающие силы N, направлен­ные против силы закрепления, то

Q=kN

где k — коэффициент запаса (k > 1).

При нестабильной силе Р (например, при фрезеровании) должно быть Q > 0 для предупреждения вибраций, зазоров в си­стеме и для повышения ее жесткости.

2. Сила Р направлена против зажимного устройства (рис. 12, б). Для зажимного устройства второго типа Q=kP. Силу Q при на­личии зажимного устройства первого типа найдем по формуле (2)

3. Силы, возникающие при обработке, стремятся отодвинуть заготовку от опор (рис. 12, в). Эта схема характерна для случаев, когда направление подачи инструмента меняется (маятниковое фрезерование, фрезерование замкнутых контуров). Смещение заготовки предупреждается силами трения, возникающими в ме­стах контакта заготовки с опорами и зажимными элементами. Согласно этому условию должно соблюдаться неравенство P<Qf₁ + Qf₂,

где f₁ f₂ — коэффициенты трения заготовки с установочными и зажимными элементами.

Вводя   коэффициент   запаса   k > 1,   получим   окончательно

Эта расчетная схема применима также для случая установки на два пальца и перпендикулярную к ним плоскость (см. рис. 9).

Из условий точности обработки и предохранения базового отвер­стия от вмятин ромбического пальца сила резания должна воспри­ниматься  силой трения  на  базовой   плоскости  заготовки,  т. е. пальцы должны быть  полностью разгружены.

4. Силы, возникающие при обработке (рис. 12, г), направлены против опор (сила Р₁) и одновременно стремятся сдвинуть заго­товку в боковом направлении (сила Р₂). При достаточной жесткости опор и наличии зажимного устройства второго типа силу Q находим по аналогии с предыдущим случаем:

Если kP₂ < P₁f₂ и вибраций при обработке нет, то Q = 0.

В приспособлениях с зажимами первого типа действие силы  может вызвать изменение установившихся реакций опорных и зажимных элементов.

   (3)

Силы трения, препятствующие сдвигу заготовки,

F = f₁R₁ + f₂R₂

Из условий закрепления F = kP₂ подставляя вместо F его значение из формулы , а вместо R₁ и R₂ значения из уравне­ний (3), получим

При J₁ = J₂

Если f₁ = f₂=f   то

5. Сила Р₁ направлена навстречу силе закрепления (рис. 12, д). Сила закрепления Q должна быть достаточной для обеспечения контакта заготовки с опорами приспособления и предупреждения ее сдвига в направлении действия силы P₂. При зажимном устройстве второго типа первому  условию отве­чает равенство Q' = k₁ Р₁, а второму – равенство k₂P₂=Q^”+(Q^” – P₁)f₂; отсюда

Из найденных значений Q' и Q" выбирают большее

При использовании зажимного устройства первого типа первому условию удовлетворяет равенство

Второму условию должно отвечать равенство

откуда

Силу закрепления Q принимают по большему из значений Q'' и Q".

При выборе схем установки нужно обеспечивать три условии: заготовка должна занимать устойчивое положение до приложения сил закрепления; в процессе закрепления заготовки не должно быть нарушено приданное ей при установке положение; силы, возникающие при обработке, не должны смещать заготовку. Пер­вое условие обеспечивают правильной расстановкой элементов относительно центра тяжести заготовки, второе – выбором на­правления и места приложения силы закрепления, выполнение третьего условия рассмотрено в приведенных выше примерах расчета.

На рис. 12, е показана схема обработки заготовки, закрепленной горизонтально приложением силы Q. Рассмотрим на примере этой схемы два последних условия расчета силы закрепления. Плечо а силы Q (рис. 12, ж} должно быть выбрано таким, чтобы заготовка была плотно прижата к установочным элементам приспособления. До начала обработки на заготовку кроме силы закрепления Q действуют реакции опор R и R₁, а также силы тре­ния F, F₁ и F₂ (массу заготовки не учитываем). Последние четыре силы препятствуют повороту заготовки по часовой стрелке от действия силы Q. Приравняв сумму моментов сил относительно точки О нулю, получим

Из суммы моментов сил относительно точки 0₁,  равной нулю, находим

Q (n +f₂m)= R(c–f b).

где f, f₁, f₂ –коэффициенты трения в местах касания заготовки опор приспособления и зажимных элементов.

Зажимное устройство, предотвращающие проворачивание заготовки от действия момента. Заготовка установляется в техкулачковом патроне, находиться под действием момента М и осевой силы Р. Силу закрепления можно найти из равенства

              (4)

где R – радиус заготовки;

      f – коэффициент трения ее поверхности в кулачках.   

ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ   ЗАЖИМНЫЕ!   УСТРОЙСТВА

К элементарным зажимным устройствам относятся простей­шие механизмы, используемые для закрепления заготовок или выполняющие роль промежуточных звеньев в сложных зажимных системах. При конструировании приспособлений по требуемой силе закрепления заготовки устанавливают основные размеры зажимного устройства и определяют исходную силу (момент) на рукоятке или силовом узле привода приспособления.

Винтовые зажимы  применяют в приспособлениях с ручным закреплением  заготовок, приспособлениях механизированного типа, а также на автоматических линиях при использовании прис­пособлений-спутников; они просты, компактны и надежны в ра­боте. Номинальный диаметр винта (мм)

                     (5)

где

С-1,4 коэффициент для основной метрической резьбы;
Q – сила закрепления заготовки, Н;

s - напряжение растяже­ния (сжатия); для винтов из стали 45 с учетом износа резьбы s= 80¸100 МПа,     

Диаметр округляют до ближайшего большего значения. В приспособлениях применяют резьбы от М8 до М42.

Момент, развиваемый на рукоятке или маховике, для полу­чения заданной силы закрепления Q

                 (6)

где

r_ср – средний радиус резьбы;

a - угол подъема резьбы

р - угол трения в резьбе;

М_тр -  момент трения на опорном торце гайки или винта;

Принимая a =2⁰30' (для резьб от M8 до М42 a меняется от 3°10' до 1°57'), р=10°30', r_ср=0,45 D_н=1,7 d,d_в=d и f=0,15, получим приближению формулу для момента на опор­ном торце гайки

Момент открепления винтового зажима при р>a

М^’=r_срtg(r-a)+M_тр

При откреплении приходится преодолевать трение покоя, и поэтому значения p и f нужно брать на 30 –50% большими, чем при закреплении. После преобразования получим приближенную формулу

         Если заготовка в процессе обработки нагревается, то момент открепления может возрасти.

         Для винтов со сферическим торцом (рис. 14, а)

    (7)

здесь момент трения на торце из – за своей малости не учетен (М_тр<0,03).

         Для винтов с плоским торцом (рис. 14, б)

Рис. 14. Влияние трения на торце винта (гайки) на момент затяжки при постоянной силе закрепления: d=14 мм; Q=10 кН

а для винтов с башмаком (рис. 14, в) предупреждающим порчу поверхности заготовки,

.

         При a=120⁰ и f=0,16

На рис. 14, е показано влияние трения на опорном торце на момент, который необходимо развить при затяжке винта (гайки) с основной метрической резьбой для получения одной и той же силы, закрепления. При построении принято: r = 6 мм (см. рис. 14,a); D_H/d=0,8 (см. рис. 14, б); r=10 мм; α=118⁰, f=0,15 (см. рис.14, в); D_H/d=1,7 (см, рис, 14,г); D_H/d=2,5 (см. рис. 14, д).

Пользуясь данными таблицы 12 [1], можно обоснованно выбирать конструкцию головки по найденному значению М. Винты рекомен­дуется выполнять из стали 45, твердость конца винта HRC 33-38.

Эксцентриковые зажимы рекомендуется изготовлять из стали 20Х с цементацией на глубину 0,8—1,2 мм и последующей за­калкой до твердости HRC 55-60, Исходными данными для расчета основных размеров круглого эксцентрика (рис. 15) являются: δ–допуск  на размер заготовки от ее установочной базы до места приложения силы закрепления, мм; α – угол  поворота эксцентри­ка от нулевого (начального) положения; Q-сила закрепления заготовки, Н.

Если угол поворота эксцентрика не ограничен, то

где S₁ – зазор для свободного ввода заготовки под эксцентрик;

      S₂ – запас хода эксцентрика, предохраняющий его от перехода через меретвую точку (учитывает износ эксцентрика )

       J – Жесткость зажимного устройства, Н/мм.    

Рис. 15. Эксцентриковые зажимы:

а) – дисковый эксцентрик; б – эксцентрик с Г-образным прихватом.

         Последний член формулы характеризует увеличение расстояния между эксцентриком и заготовкой в результате упругой деформации зажимной системы. При s₁=0,2¸0,4 мм и s₂=0,4¸0,6 мм

         Радиус цапфы эксцентрика (мм) найдем, принимая ширину b:

где s_см – допускаемое напряжение на смятие (15 – 20 МПа).

         При b=2r

         Радиус эксцентрика находим из условий самоторможения.  Из схемы действующих сил на эксцентрик (рис. 16, а) следует, что равнодействующая Т реакция Q и силы трения F должна быть равна реакции со стороны цапфы, проходящей касательно кругу трения радиуса р, и направлена противоположна её:

где j - угол трения покоя.

         Отсюда

         При e£ p  R_min=e+r+D ult D толщина перемычки (рис. 16, б)

         Обычные круглые эксцентрики широко используют в приспособлениях, так как они просты в изготовлении. Их недостатки: самотормозящие свойства изменяются с углом поворота, который всегда меньше180⁰ (на 20⁰–30⁰). Поэтому иногда применяют криволинейные (не круглые) эксцентрики. Их самотормозящие свойства повышаются с угла поворота, который может быть больше 180⁰. Рабочая поверхность таких эксцентриков обычно выполняется по эвольвенте или спирали Архимеда.

Рис. 16. Схемы для силового расчета эксцентриков

Клиновые зажимы применяют в качестве промежуточного
эвена в сложных зажимных системах. Они просты в изготовлении,
компактны, легко размещаются в приспособлении, позволяют уве­личивать и изменять направление передаваемой силы. При оп­ределенных углах клиповой механизм обладает свойствами само­торможения.

Рычажные зажимы аналогично клиновым применяют в соче­тании с другими  элементарными зажимами, образуя более сложные зажимные системы. С помощью рычага изменяют величину и направление передаваемой силы, осуществляют одновременное и равномерное закрепление заготовки в двух местах.

Рис. 17. Действие сил в рычажных механизмах.

         Центрирующие зажимы применяют для установки заготовок по наружным и внутренним цилиндрическим поверхностям. К ним относят цанги, разжимные оправки, зажимные втулки с гидропластмассой, а также мембранные патроны.

         Цанги представляют собой разрезные пружинные гильзы. Конструктивные разновидности цанг показаны на рис. 18. Их выполняют из высокоуглеродистой стали У10А и термически обрабатывают до твердости HRC 58–62  в местах губок и HRC 39–45 в хвостовой части. В последние время цанги выполняют из легированных сталей, содержащих 0,6–0,7 %С; 1 %Si; 1%Mn и 0,5 % Cr. Марганец и хром придает цангам высокие твердость и износостойкость. Угол конуса цанги a=30¸40⁰. При меньших углах возможно заклинивание цанги, в этом случае применяют специальный съемник. Угол конуса сжимающей втулки делают на 1⁰ меньше или больше угла конуса цанги. Цанги обеспечивают концентричность установки 0,02—0,05 мм. Базовую поверхность заготовок для закрепления в цангах следует обрабатывать по 6—9–му  квалитетам точности.

Комбинированные зажимные устройства сочетают в себе эле­ментарные зажимы различного типа; их применяют для увеличе­ния сил закрепления, изменения величины хода зажимающего элемента, изменения направления сил зажима, уменьшения габа­ритных размеров зажимного устройства в местах его контакта с заготовкой, а также для создания наибольших удобств управления. Комбинированные зажимные устройства могут также обеспечивать одновременное крепление заготовки в нескольких местах. Они приводятся в действие от ручного привода или от пневмати­ческих, гидравлических и других силовых узлов. В устройствах с большим количеством звеньев имеют место значительные потери передаваемых сил, в результате чего их КПД невелик.

Рис. 18. Цанговые зажимные устройства.

Вопросы для самоповторения.

1. Методы  расчета сил закрепления.
2. Какую функцию выполняют зажимные устройства?
3. Какие механизмы относятся к элементарным зажимным устройствам?
4. Где применяется комбинированные зажимные устройства?

{/spoilers}