ЛЕКЦИЯ 6. Зажимные устройства технологической оснастки (продолжение)

6.1. Винтовые зажимные устройства 

Применяются в приспособлениях с ручным закреплением заготовок, в механизированных приспособлениях и на автоматических линиях в приспособлениях-спутниках. Они просты и надежны в работе.

Расчет винтовых зажимных устройств проводится в следующей последовательности.

Определяется номинальный (наружный) диаметр резьбы винта по формуле

,

где С - коэффициент, для основной метрической резьбы С= 1,4;

W - потребная сила зажима, Н; [σ] - допускаемое напряжение растяжения (сжатия), для винтов из стали 45 с учетом износа резьбы можно принимать [σ]=80...100 МПа.

Полученное значение d округляется до ближайшего большего стандартного значения.

Далее определяют момент М, который нужно развить на винте (гайке) для обеспечения заданной зажимной силы W :

Рекомендуемые материалы

где - r_cp средний радиус резьбы (можно принимать r_cp =0,45d); α - угол подъема резьбы (для резьб от М8 до М52 а изменяется от 30 10’ до 10 51’); φ - угол трения в резьбе;

 М_тр - момент трения на опорном торце гайки или в месте контакта торца нажимного винта (рисунок а, б, в):

r_пр - приведенный радиус кольцевого торца, для гаек

 D - наружный диаметр кольцевого торца гайки.

Момент открепления винтового зажимного устройства (при φ′>α)

С учетом того что при откреплении преодолевается трение покоя, φ’  (коэффициент трения в резьбе) следует брать на 30...50 % большим, чем в случае закрепления заготовки.

Затем выявляется длина рукоятки (ключа) 1 по заданной силе воздействия (при ручном зажиме Р150Н) из условия равновесия гайки (винта): Р_пр=М∙L. Отсюда L=М/Р.

Если длина рукоятки известна, из условия равновесия находится Р_пр, т. е. Р=М/ L, и сравнивается с силой, прикладываемой рабочим или развиваемой механическим приводом.

6.2. Центрирующие установочно-зажимные устройства

Выполняют одновременно функции установочных и зажимных элементов. Поэтому установочные элементы таких механизмов должны быть подвижными в направлении зажима, а для сохранения установочных свойств закон их относительного перемещения должен быть задан и реализован в конструкции приспособления с достаточной точностью. К самоцентрирующим устройствам относятся патроны (трехкулачковые, цанговые, клиноплунжерные, клиношариковые, мембранные, упругие с гидропластмассой); тиски с реечно-зубчатым или винтовым механизмами; оправки с различными разжимными элементами. В качестве установочно-зажимных элементов устройств используются кулачки, цанги, шарики, гофрированные кольца, тонкостенные втулки, тарельчатые пружины п т. п.

Цангами называются разрезные пружинящие втулки, которые могут центрировать заготовки по внешним и внутренним цилиндрическим поверхностям. Продольные прорези превращают каждый лепесток цанги в консольно закрепленную балку, которая получает радиальные упругие перемещения при продольном движении за счет взаимодействия конусов цанги и корпуса. Так как радиальные перемещения всех лепестков цанги происходят одновременно и с одинаковой скоростью, то механизм приобретает свойство самоцентрирования. Для сохранения работоспособности цанги деформация ее лепестков не должна выходить за пределы упругой зоны. Это определяет повышенные требования к точности выполнения диаметра базовой поверхности заготовки, который должен быть выполнен не грубее 9-го квалитета точности.

Каждый лепесток цанги представляет собой односкосный клин. Поэтому для расчета силы тяги (привода) Р цанги можно пользоваться формулами для расчета клина. Но рассчитанная таким образом сила тяги не будет полностью соответствовать фактически потребной силе Р, так как она должна затрачиваться и на деформацию лепестков цанги на величину y, равную половине зазора между цангой и заготовкой.

Силу тяги (привода) цанги при работе без упора можно определять по формуле

где W - потребная сила зажима заготовки, Н; W’ - сила сжатия лепестков цанги для выбора зазора между ее губками и заготовкой, Н; α - половина угла конуса цанги, град; φ₁ - угол трения в стыке конических поверхностей цанги и корпуса, град.

Силу W‘ можно найти из рассмотрения зависимости прогиба консольно закрепленной балки (лепестка) с вылетом L: у=W′L³/(3ЕI). Тогда для всех лепестков

где Е - модуль упругости материала цанги; I- момент инерции сектора сечения (тонкого кольца) цанги в месте заделки лепестка, мм⁴ , у - стрела прогиба лепестка, мм: у=s/2 (здесь s - радиальный зазор между цангой и заготовкой); n - число лепестков цанги;  L - длина (вылет) лепестка цанги от места заделки до середины конуса, мм.

Момент инерции сектора сечения лепестка цанги определяется по формуле

где D - наружный диаметр поверхности лепестка в месте сечения, мм; h -толщина стенки лепестка, мм; α₁ - половина угла сектора лепестка цанги, рад.

При наличии осевого упора сила тяги (привода)

где φ₂ - угол трения в контакте между цангой и заготовкой.

ЛЕКЦИЯ 7. Зажимные устройства технологической оснастки (продолжение)

Оправки служат для закрепления заготовок деталей с центральным отверстием: втулок, колец, шестерен, обрабатываемых на многорезцовых, шлифовальных и других станках. При изготовлении партии таких деталей требуется получить высокую соосность наружных и внутренних поверхностей и заданную перпендикулярность торцов к оси детали.

В зависимости от способа установки и центрирования обрабатываемых заготовок оправки можно подразделить на следующие виды:

Жесткие (гладкие) для установки заготовок с зазором или натягом;

С центрирующей упругой втулкой.

С тарельчатыми пружинами;

Самозажимные (кулачковые);

Гидропластовые

7.1. Гладкие оправки.

Тяга 5, закрепленная на штоке пневмоцилиндра, при перемещении поршня со штоком влево головкой 5 нажимает на быстросменную шайбу 4 и зажимает заготовку 3 на гладкой оправке 2, которая конической частью 1 вставляется в конус шпинделя станка. При зажиме заготовки на оправке осевая сила  на штоке механизированного привода вызывает между торцами шайбы 4, уступом оправки и обрабатываемой деталью 3 момент от силы трения, больший, чем М_рез от силы резания Р_z. Зависимость между моментами:

откуда сила на штоке механизированного привода  

или по уточненной формуле

где К=1,5-2,0 - коэффициент запаса; Р_z -  составляющая сила резания, н ; D - наружный диаметр поверхности обрабатываемой детали, мм; D₁ - наружный диаметр быстросменной шайбы, мм; d - диаметр цилиндрической установочной части оправки, мм; f=0,1-0,15 - коэффициент трения.

7.2. Оправка  с разрезной втулкой.

Конической частью 1 оправку 2 вставляют в конус шпинделя станка. Зажим и разжим детали на оправке производится механизированным приводом. Тяга 7 движется влево и головка 5 тяги с шайбой 4 перемещает разрезную втулку 6 по конусу оправки, пока она не зажмет заготовку на оправке.

Крутящий момент от вертикальной силы резания Р должен быть меньше момента от сил трения на цилиндрической поверхности разрезной втулки 6 оправки. Осевая сила на штоке механизированного привода для оправки.

где α =15° - половина угла конуса оправки, град; φ = 6⁰ - угол трения на поверхности контакта оправки с разрезной втулкой, град; f=0,15-0,2 - коэффициент трения.

7.3. Оправки с тарельчатыми пружинами.

Обеспечивают прочное закрепление по внут­ренней или наружной цилиндрической поверхности и точное центрирование в пределах 0,01-0,02 мм. Оправка для за­крепления заготовки 2 по внутренней ци­линдрической поверхности. Втулка 3, сидящая на штоке 4 механизирован­ного привода, своим торцом сжимает набор тарельчатых пружин 1. пружина представ­ляет собой коническое кольцо сплошное или с двумя рядами прорезей для повы­шения эластичности. От осевой силы пружины частично сплющиваются, и диа­метр их наружной поверхности увеличивается на 0,1-0,4 мм в зависимости от их размеров. Пружины выполняют из стали 60С2А и термически обрабатывают до твердости НRС 40-45. Толщина пла­стины берется 0,5- 1,25 мм. При пере­мещении штока механизированного привода вправо пружины возвраща­ются в исходное положение, и деталь легко снимается с оправки. На корпус 1 надеты два пакета тарельчатых пружин 4, между которыми расположена втулка 3. Если стержень 5 будет пере­мещаться влево, то пакеты сплющива­ются, увеличиваются в диаметре и за­готовка 2 центрируется и закрепляется. Базирующие поверхности заготовок могут быть 7-11 квалитета.

Для определения необходимой величины осевой силы W  рассмотрим равновесие тарельчатой пружины в конечном положении. Наличие радиальных прорезей позволяют с достаточной точностью рассматривать пружину как наклонную распорку между корпусом 1 и заготовкой 2 . Из силового треугольника

где β - угол наклона пружины с d < 50 мм в деформированном состоянии; для пружин β =9-10⁰; с d> 50 мм β =12°; коэф­фициент 0,75 введен из расчета, что 25% силы тяги расходуется на деформацию пружины в пределах за­зора между базовым отверстием заготовки и пружиной в недеформированном в виде.

7.4. Оправки кулачковые шпиндельные.

Кулачковая шпиндельная оправка крепится на шпинделе 1 токарного или круглошлифовального cтанка. При перемещении штока механизированного зажима перемещается и коническая деталь 1, которая раздвигает кулачки 2, в результате чего происходит зажим заготовки.

Клиноплунжерные механизмы часто используют в патронах для токарной обработки для центрирования, как по внутренней, так и наружной цилиндрической поверхностям. Три плунжера 2, расположенных  под углом 120° друг к другу, перемещаются в трех радиальных пазах корпуса 1. Перемещение плунжеров осуществляется клином 3, имеющим соответственно три клиновых скоса. Клин 3 соединен со штоком силового привода. При движении клина 3 влево плунжеры расходятся, центрируя и закрепляя заготовку. При движении клина 3 вправо плунжеры сходятся к центру под действием усилия сжатия пружины 4.

Силу тяги привода W, необходимую для обеспечения силы зажима Q можно определить по формуле, приняв, что tgφ₂ = 0, так как клин 3 под действием трех одинаковых сходящихся в его центре сил как бы плавает, не прижимаясь к направляющим:

Погрешность центрирования в клиноплунжерных механизмах составляет 0,2-0,5 мм. Поэтому патроны с механизмами обычно применяют для установки по черным базам на черновых операциях.

7.5. Оправки и патроны с гидропластмассой.

Применяют для установки по наружной или внутренней поверхности заготовок обрабатываемых на токарных или круглошлифовальных станках. На приспособлениях с тонкостенной втулкой, заготовки наружной или внутренней поверхностью устанавливают на цилиндрическую поверхность втулки. При разжиме втулки гидропластмассой заготовки центрируются и зажимаются. Формы и размеры тонкостенной втулки должны обеспечивать достаточную ее деформацию для надежного зажима заготовки на втулке при обработке на станке.

При конструировании патронов и оправок с тонкостенными втулками с гидропластмассой рассчитывают:

1. Основные размеры тонкостенных втулок;

2. Размеры нажимных винтов и плунжеров у приспособлений с ручным зажимом;

З. Размеры плунжеров, диаметр цилиндра и ход поршня для приспособлений с механизированным приводом.

Исходными данными для расчета тон­костенных втулок является диаметр и длина L_з отверстия изготавливаемой де­тали. Для расчета тонкостенной са­моцентрирующей втулки примем сле­дующие обозначения: D - диаметр ус­тановочной поверхности центрирую­щей втулки 2, мм; h - толщина тонко­стенной втулки, мм; Т - длина опор­ных поясков втулки, мм; t - толщина опорных поясков  втулки, мм; ΔD_доп наибольшая диаметральная упругая дефор­мация втулки (увеличение или уменьшение диаметра в ее средней части), мм; S_max - максимальный зазор между установочной поверхностью втулки и базовой по­верхностью обрабатываемой заготовки 1 в свободном состоянии, мм; L_k - длина контактного участка упругой втулки с установочной поверхностью заготовки по­сле разжима втулки, мм; L - длина тонкостенной части втулки, мм; L_з - длина обрабатываемой заготовки, мм; Dз- диаметр базовой поверхности обрабатываемой заготовки, мм; d - диаметр отверстия опорных поясков втулки, мм; р - давление гидропластмассы, требуемой для деформации тонкостенной втулки, Мн/м²; r1 - радиус закругления втулки, мм; М_рез =Р ∙r - допустимый крутящий момент, возникающий от силы резания, н•мм; Р - сила резания, н; r - плечо момента силы резания, мм.

Расчет тонкостенной втулки осуществляется в следующей последовательности: диаметр D принимают по рабочему чертежу изготавливаемой детали.

1. Определяют наружный или внутренний диаметр D=2а в зависимости от наружного или внутреннего диаметра Dз базовой поверхности заготовки. Базовая поверхность заготовки должна быть обработана по 6 - 7 квалитету точности. Такую же точность должна иметь и установочная поверхность тонкостенной втулки с посадкой с зазором;

2. Длину  L средней части тонкостенной втулки (без утолщенных бортов) принимают L =( 1,0 - 1,2) L_з

3. Толщина  h тонкостенной части L втулки:

При D > 150 мм и L > 0,3 D    

при D > 150 мм и L < 0,3 D  

где р - удельное давление гидропластмассы в полости втулки, Мн/м²; R - радиус установочной поверхности втулки, мм.

Для определения  h  можно пользоваться следующими формулами:

4. Максимальный радиальный зазор S_max между установочной поверхностью тонкостенной втулки и базовой поверхностью заготовки, когда она не зажата:

при зажиме по внутренней поверхности заготовки S_max= Dз_max – D_min

при зажиме по наружной поверхности заготовки S_max= D_min – Dз_max

Практически принимают S_max =0,01-0,3 мм.

5. Допустимая деформация тонкостенной части втулки (увеличение диаметра) в ее средней части:

где σ_Т - предел текучести материала центрирующей втулки, Мн/м²;

 Е=2,06∙10¹¹  - предел упругости, Мн/м²;

К= σ_Т /[σ]_доп= 1,2-1,5- коэффициент запаса прочности втулки, принимают К= 1,4; [σ] - допустимое напряжение стальной втулки, Мн/м².

При L > 0,3 D   ΔD_доп=0,003D

В случае деформации короткой втулки при L < 0,3 D в зоне контакта тонкостенной втулки с опорными поясками возникают сложные напряжения, создаваемые изгибающим моментом, поэтому коэффициент запаса прочности принимают К=2, тогда максимальное увеличение диаметра втулки: ΔD_доп=0,002D

Натяг при зажиме заготовки

При  втулка центрирует и зажимает заготовку; при  втулка только центрирует, но не зажимает заготовку; при  втулка не центрирует и не зажимает заготовку, т.е. ее нельзя применять.

Гидростатическое давление Мн/м² в полости тонкостенной втулки, требуемое для зажима заготовки:         

8. Определяют, допустимый крутящий момент н•см (кгс•см) при резании М3, который стремится повернуть обрабатываемую заготовку на втулке. Чтобы заготовка во время обработки не повернулась на втулке, максимальный крутящий момент М_max от силы трения на поверхности втулки и заготовки должен быть больше М_рез:

где h, D, δ  выражены в мм.

9. Требуемая продольная сила H зажима заготовки на тонкостенной втулке:

10. Коэффициент длины контакта: 

11. Высота рабочей полости тонкостенной втулки под гидропластмассу:

12. Длина посадочного пояска втулки:

13. Диаметр d отверстия для втулки с наружной установочной поверхностью для заготовки с базовой поверхностью, изготовленной по 7 квалитету точности

 , по 8-му квалитету точности

Материал для изготовления тонкостенных втулок: при D <40 мм - сталь 40Х с термообработкой до НRС 40; при D > 40 мм сталь У7А с термообработкой до НRС 36.

Технические требования на изготовление тонкостенных втулок

1. Допускаемая разностенность тонкостенной части втулки - 0,03 мм при D < 40 мм; 0,05 мм при D > 40 мм.

2. Допускаемое биение установочной поверхности тонкостенной втулки относительно поверхности посадочных поясков и базовой поверхности приспособления не более 0,01 мм;

Сопряжение втулки с корпусом выполняют по посадке с натягом 7 квалитета точности.

Диаметр  d₀ плунжера для передачи внешней силы давления на гидропластмассу, находящуюся в полости тонкостенных втулок:  

Материал плунжеров сталь 45 с термообработкой до HRС 40-45.

Для лучшей герметичности плунжеры притираются по отверстию для получения зазора не более 0,01 мм.

Приспособления с тонкостенной втулкой рассчитываются в следующей последовательности:

Определяют силу Q на штоке гидроцилиндра. При этом по формулам находят диаметр d₀‚ плунжера и гидростатическое давление р Мн/м² в полости приспособления и подставляют в формулу для определения силы н:

2. Определяют диаметр поршня цилиндра:

Рекомендуем посмотреть лекцию "165 Политика".

где p_в - давление воздуха в сети, Мн/м²; η=0,85 - коэффициент полезного действия привода.

3. Определяют ход поршня и плунжера:

где К₁=1,15-1,2 - коэффициент запаса гидропласта в каналах; К₂=5∙10⁵р - коэффициент упругости гидропласта при заданном давлении гидропластмассы.

Консольная оправка с тонкостенной втулкой и гидропластмассой. Обрабатываемую заготовку 4 с базовым отверстием устанавливают на наружную поверхность тонкостенной втулки 5. При подаче сжатого воздуха в полость пневмоцилиндра поршень со штоком перемещается в пневмоцилиндре влево и шток через тягу 6 и рычаг 1 передвигает плунжер 2, который нажимает на гидропластмассу 3. Гидропластмасса равномерно давит на внутреннюю поверхность втулки 5, втулка разжимается; наружный диаметр втулки увеличивается, и она центрирует и закрепляет заготовку 4.