Закрепление заготовок и зажимные устройства (элементы) приспособлений

Закрепление заготовок и зажимные устройства (элементы) приспособлений.

1. Назначение зажимных устройств.

Основное  назначение зажимных устройств состоит  в обеспечении надежного контакта заготовки с установочными элементами и предупреждении ее смещения и вибраций в процессе обработки.

Зажимные  устройства используются также для  обеспечения правильной установки  и центрирования заготовки. В  этом случае выполняют функцию установочно-зажимных элементов. К ним относятся самоцентрирующие патроны, цанговые зажимы и др. устройства.

 

Заготовка может не закрепляться, если

1. обрабатывается тяжелая деталь (устойчивая), по сравнению с весом которой силы резания незначительны.
2. сила, возникающая в процессе резания, приложена так, что не нарушает установки детали.

В процессе обработки на заготовку  могут действовать следующие  силы:

1. силы резания, которые могут быть переменными вследствие разного припуска на обработку, свойств материала, затупления режущего инструмента;
2. вес заготовки (при вертикальном положении детали);
3. центробежные силы, возникающие в результате смещения центра тяжести детали относительно оси вращения.

 

инерционные силы, имеющие место  при возвратно-поступательном движении.

К зажимным устройствам приспособлений предъявляются следующие основные требования:

1. При закреплении заготовки не должно нарушаться ее положение, достигнутое установкой;
2. Силы зажима должны исключать возможность перемещения детали и ее вибрацию в процессе обработки;
3. Деформация детали под действием зажимных сил должна быть минимальной.
4. Смятие базирующих поверхностей должно быть минимальным, поэтому усилие зажима должно быть приложено так, чтобы деталь прижималась к установочным элементам приспособления плоской базирующей поверхностью, а не цилиндрической или фасонной.
5. Зажимные устройства должны быть быстродействующими, удобно расположенными, просты по конструкции и требовать минимальных усилий от рабочего.
6. Зажимные устройства должны быть износоустойчивыми, а наиболее изнашиваемые детали – сменными.
7. Силы зажима должны быть направлены на опоры, чтобы не деформировать деталь, особенно нежесткую.

 

2. Методика расчета потребных сил  зажима.

Величину  потребных сил зажима определяют решая задачу статики на равновесие твердого тела под действием всех приложенных к нему сил и моментов.

Расчет  сил зажима производится в 2-х основных случаях:

1. при использовании имеющихся универсальных приспособлений с зажимными устройствами, развивающими определенную силу;
2. при конструировании новых приспособлений.

В первом случае расчет зажимной силы носит проверочный характер. Найденная из условий обработки необходимая зажимная сила должна быть меньше или равна той силе, которую развивает зажимное устройство используемого универсального приспособления. Если это условие не выдерживается, то производят изменение условий обработки в целях уменьшения необходимой зажимной силы с последующим новым проверочным расчетом.

Во  втором случае методика расчета зажимных сил заключается в следующем:

1. Выбирается наиболее рациональная схема установки детали, т.е. намечается положение и тип опор, места приложения сил зажима с учетом направления сил резания в самый неблагоприятный момент обработки.
2. На выбранной схеме стрелками отмечаются все приложенные к детали силы, стремящиеся нарушить положение детали в приспособлении (силы резания, силы зажима) и силы, стремящиеся сохранить это положение (силы трения, реакции опор).  При необходимости учитываются и силы инерции.
3. выбирают уравнения равновесия статики, применимые к данному случаю и определяют искомое значение величины сил зажима Q₁.
4. Приняв коэффициент надежности закрепления (коэффициент запаса), необходимость которого вызывается неизбежными колебаниями сил резания в процессе обработки, определяется фактически потребная сила зажима: 
                                                 

Коэффициент запаса К рассчитывается применительно к конкретным условиям обработки по формуле:

,

где К₀ = 1,5 – гарантированный коэффициент запаса для всех случаев;

К₁ – коэффициент, учитывающий состояние поверхности заготовок:

К₁ = 1,2 – для черновой поверхности;

К₁ = 1 – для чистовой поверхности;

К₂ – коэффициент, учитывающий увеличение сил резания от прогрессирующего затупления инструмента (К₂ = 1,0 – 1,9 – См. табл.83, стр 164, Антонюк В.Е. Минск, 1975)

К₃ – коэффициент, учитывающий увеличение сил резания при прерывистом резании (К₃ = 1,2).

К₄ – коэффициент, учитывающий постоянство силы зажима, развиваемой силовым приводом приспособления. 
К₄ = 1 – для механизированных силовых приводов (пневматических, гидравлических); 
К₄ =1,3 – для ручного привода с удобным расположением рукояток; 
К₄ =1,6 – для ручного привода с неудобным расположением рукояток (угол поворота рукояток более 90°, неудобное для работы расположение);

К₅ – данный коэффициент учитывается только при наличии крутящих моментов, стремящихся повернуть обрабатываемую деталь. 
К₅ = 1 – при установке детали базовой плоскостью на опоры с ограниченной поверхностью контакта (штыри); 
К₅ = 1,5 – если деталь устанавливается на планки и др. элементы с большой поверхностью контакта.

 

 

Укрупненный алгоритм расчета зажимных устройств:

3. Примеры  расчета зажимных усилий.

Расчет  устройства, предупреждающего смещение заготовки под действием силы.

 

Силы резания Р и силы зажима Q одинаково наравлены и действуют на опоры.

При постоянном значении Р сила Q = 0. Этой схеме соответствует протягивание отверстий, обтачивание в центрах, цекование бобышек и др.

1. Сила резания Р направлена против зажимного усилия.

,

где k – коэффициент запаса > 1.

 

 

2. Сила резания стремится сдвинуть заготовку с установочных элементов.

 

Эта схема характерна для тех  случаев, когда подача инструмента меняется в разных направлениях: маятниковое фрезерование, фрезерование замкнутых контуров и т.д. Смещение заготовки предупреждается силами трения, возникающими в местах контакта заготовки с установочными и зажимными элементами.

,

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

С учетом коэффициента запаса k > 1, получим:

коэффициент трения f₂ принимается при контакте с опорными пластинами 0,1 – 0,16. Если поверхность заготовки не обработана, при контакте со сферическими штырям f₂ = 0,2 – 0,3. При контакте с рифлеными опорами или кулачками f₂ до 0,7 в зависимости от рисунка рифлений и глубины.

 

Усилия резания направлены на опоры (Р₁) и одновременно сдвигают деталь по установочным элементам.

 

3. Сила резания Р₁ направлена против зажимного усилия и одновременно сдвигает заготовку(Р₂).

 

 

Рассчитывают  2 силы:

Из  полученных значений Q₁ и Q₂ выбирают большее и принимают за расчетную величину Q необходимой силы зажима.

Направление действия сил P₁ и Р₂ зависит от ориентации сил Р_х, Р_у, и Р_z при обработке.

Зажимные  устройства, предотвращающие провертывание  заготовки в закреплении от действия момента.

 

1)Заготовка, установлена в патроне  и находится под действием  момента М и осевой силы P.

 

где Q_c – суммарная сила зажима всеми кулачками:

,

где z – число кулачков в патроне.

С учетом коэффициента запаса k потребная сила, развиваемая каждым кулачком, будет:

 

 

 

2) Заготовка центрируется по  выточке и прижимается к трем  опорам двумя или несколькими  прихватами.

 

В процессе обработки возникают сдвигающий момент и осевая сила. При равных реакциях опор и при наличии жесткой установки в тангенциальном направлении (т.е. касательно к поверхности заготовки в месте приложения зажимной силы) сила Q находится из равенства:

откуда:

 

3) Заготовка центрируется с помощью  оправки и удерживается от  проворота моментом трения на кольцевой площадке бурта оправки и между зажимом и заготовкой.

 

 

Если тангенциальная жесткость зажима незначительна, то сила трения (момент трения) между прихватами и заготовкой не учитывается.

 

 

 

 

 

4) Цилиндрическая заготовка закреплена  в призме с углом a без упора в торец.

 

При действии на заготовку момента  сил резания М_р, стремящегося провернуть заготовку вокруг оси и осевой силы Р_х потребная сила зажима определяется из условий:

здесь N (из треугольника векторов):

Откуда:

,

 

Классификация зажимных механизмов.

Силовые механизмы приспособлений делятся  на простые и комбинированные, т.е. состоящие из двух или трех сблокированных простых механизмов.

К простым механизмам относятся клиновые, винтовые, эксцентриковые рычажные и др. Простые механизмы называют зажимами.

Комбинированные механизмы обычно выполняются как винто-рычажные, эксцентрико-рычажные и др.

В тех случаях, когда простые или  комбинированные механизмы используются в компоновках с механизированными  приводами (пневматическими и др.) их называют механизмами-усилителями.

По  числу ведомых звеньев механизмы  делятся на однозвенные, двухзвенные и многозвенные.

Каждый  силовой механизм имеет ведущее  звено, к которому прикладывается исходная сила, и одно или несколько ведомых  звеньев (прижимных планок, плунжеров, кулачков), передающих обрабатываемой детали силы зажима. Многозвенные механизмы  зажимают одну деталь в нескольких точках или несколько деталей  в многоместном приспособлении одновременно и с равными силами.

По  степени механизации силовые  механизмы бывают ручные, механизированные и автоматизированные. Механизированные зажимы работают от энергии, передаваемой приводом. Автоматизированные зажимы приводятся в действие перемещающимися  столами, суппортами, шпинделями станков  или центробежными силами вращающихся  масс и осуществляют зажим и раскрепление без участия рабочего.

 

 

Простые механизмы.

1. Винтовые механизмы.

Применяют в приспособлениях с ручным закреплением заготовок, в приспособлениях механизированного  типа, а также в автоматических приспособлениях. Они просты, компактны  и надежны в работе.

Винтовые  зажимы – самые используемые. К  их особенностям следует отнести: большие  зажимные усилия при малых исходных; универсальность – для закрепления  самых разнообразных деталей; самоторможение – исходное усилие действует только в момент закрепления. К недостаткам  следует отнести малую производительность, износ. Применяются в основном в  единичном и мелкосерийном производстве.

На  показан пример закрепления винтовым зажимом:

Номинальный диаметр винта в мм определяется из соотношения:

где С= 1,4 коэффициент для метрической резьбы;

Q – сила закрепления заготовки, Н;

s - допустимое напряжение растяжения (сжатия) (для винтов из стали 45 - s = 80 – 100 МПа).

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

 

 

Расчётные формулы:

здесь: r_ср- средний радиус резьбы (по ГОСТ)