Закрепление заготовок и зажимные устройства (элементы) приспособлений

 

f – коэффициент трения в направляющих

 

6. Пружинные механизмы.

 

В станочных  приспособлениях широкое применение получили винтовые цилиндрические пружины  сжатия. Накопленная при сжатии потенциальная  энергия используется для зажима обрабатываемых деталей. Кроме того, они используются в качестве возвратных пружин в пневмо- и гидроцилиндрах одностороннего действия, в регуляторах давления, клапанах, фиксаторах и т.п.

 

Р_н – начальная (предварительная) нагрузка пружины;

Р_к – конечная,

Р_пр – предельная нагрузка, при которой пружина сжимается до соприкосновения витков, а напряжения почти достигают предела упругости.

f_н, f_к , f_пр – осадка пружины при начальной, конечной и предельной нагрузках,

- рабочий ход пружины;

Н₀, Н_н, Н_к, Н_пр – длина пружины в свободном состоянии, после приложения начальной, конечной и предельной нагрузок.

j – постоянная величина – жесткость пружины, выражающая усилие в кгс, необходимое для сжатия (растяжения) пружины на  1 мм.

Для цилиндрических винтовых пружин круглого сечения жесткость  можно определить по формуле:

где D_cp – средний диаметр пружины в мм;

d – диаметр проволоки, мм;

n – число рабочих витков пружины;

G – модуль сдвига, для стали G = 8000 кгс/мм²

Пружина для  приспособления может быть выбрана  по таблицам [1, 7] или  на основании расчета.

Расчет цилиндрических пружин сжатия сводится к определению  диаметра d проволоки, среднего диаметра пружины, числа n рабочих витков.

Пружины приближенно  рассчитывают на кручение, считая, что  нагрузка Р (в кгс) направлена вдоль оси пружины и вызывает в поперечном сечении проволоки крутящий момент:

.

 

 

Величина  наибольших касательных напряжений t_max в крайних точках сечения определяется по формуле:

где W_p – полярный момент сопротивления, для круглых сечений:

Тогда условие  прочности будет:

,

отсюда находится  максимальная (предельная) допускаемая  нагрузка:

.

По этой формуле, задаваясь нагрузкой Р_пр можно найти диаметр пружины D_ср если известен диаметр проволоки d, или d если известен диаметр пружины D_ср. В случаях, когда d и D_cp определяются по конструктивным соображениям, по формуле определяется допускаемая рабочая нагрузка.

Начальная нагрузка Р_н на пружину необходима для нормальной работы механизма, т.к. она обеспечивает выборку зазоров в сопряжениях.

Для получения  одной и той же силы зажима W при проектировании можно подобрать различные значения допустимых осадок f_k. Осадку можно увеличить уменьшая жесткость пружины или увеличивая число ее витков. Чем больше осадка f_к, тем эластичнее работает зажим, тем меньше колеблется сила зажима в связи с колебаниями размера закрепляемых деталей.

Комбинированные зажимы.

С их помощью  можно:

1. увеличить силу зажима,
2. обеспечить самоторможение;
3. сделать возможным зажим заготовки в наиболее выгодном месте и направлении.

Из двух или нескольких простых механизмов комбинируют  один, например:

• винтовая пара – клин;
• винтовая пара – рычаг;
• эксцентрик – клин;
• эксцентрик – рычаг и т.д.

Количество простых  силовых механизмов ограничено, и  все они в основе своей являются клиновыми или рычажными. Следовательно, комбинированные механизмы представляют собой систему из клиновых, рычажных или клино-рычажных механизмов.

Рычажно-шарнирные  механизмы.

Одной из разновидностей комбинированных механизмов являются рычажно-шарнирные. Чаще всего они используются в качестве усилителей в механизированных приводах. По конструкции делятся на однорычажные и двухрычажные одностороннего действия, а также двухрычажные двухстороннего действия (самоцентрирующие). Свойствами самоторможения эти механизмы не обладают.

 

 

А. Однорычажные шарнирные механизмы.

 

В однорычажном механизме с роликом зажим осуществляется зажимным рычагом-прихватом. Исходная сила Q при помощи рычага и прихвата преобразуется в зажимную силу W.

Сила Q и реакция N состороны опоры ролика заменяются равнодействующей R, направленной вдоль рычага. После разложения R в точке С получим силы W и Q.

Из треугольника сил WCR для идеального механизма находим:

Видно, что  при . Сила, развиваемая таким реальным механизмом определяется из формулы:

где b - дополнительный угол к углу наклона a, который учитывает потери на трение скольжения в шарнирах (при f = 0,1, b » 1…2°):

;

- приведенный коэффициент трения, которым учитываются потери на  трение в роликовой опоре:

;

d – диаметр осей шарниров и внутренний диаметр ролика;

D – наружный диаметр ролика;

l – расстояние между осями отверстий рычага;

f – коэффициент трения скольжения в шарнирах и на оси ролика;

- коэффициент трения скольжения  на опоре ролика.

При коэффициенте трения f = 0,1, угол b незначитетелен: при d/D = 0,2 .

 

 

Б. Двухрычажные шарнирные механизмы одностороннего действия.

 

Для идеальных  механизмов:

,

т.е. эти механизмы  при равных исходных силах развивают  в 2 раза меньшее зажимное усилие, чем  однорычажные.

Для реального  механизма:

 

 

 

 

В. Двухрычажные шарнирные механизмы двухстороннего действия.

Для идеальных  механизмов:

,

Для реального  механизма:

Основные  характеристики простых и комбинированных  механизмов.

Для любого простого механизма можно определить передаточное отношение сил и передаточное отношение перемещений.

Передаточное  отношение сил:

где W – сила, развиваемая на ведомом звене (сила зажима);

Q – сила, приложенная к ведущему звену механизма.

Соответственно  для идеального механизма, т.е. механизма  без трения:

Передаточное  отношение перемещений:

где S_W – перемещение ведомого звена;

S_Q – перемещение ведущего звена;

Передаточное  отношение i и i_ид всегда >1 и характеризуют выигрыш в силе; i_п – всегда <1, и характеризует проигрыш в пути.

КПД механизма:

Для комбинированных  механизмов, состоящих из нескольких последовательно сблокированных простых, передаточное отношение сил, перемещений  и КПД определяется по формулам:

где k – число простых механизмов в комбинированном приводе.

Сила зажима W, развиваемая комбинированным механизмом, определяется по формуле:

,

где Q – исходная сила зажима на рукоятке или штоке привода;

Так, например, если в комбинированном  механизме, состоящем из последовательно  сблокированных винтового, клинового  и рычажного механизмов, первый повышает исходную силу Q на рукоятке в 75 раз (i₁ =75), второй повышает силу первого в 3 раза (i₂ =3), а третий повышает силу второго в 2 раза (i₃ =2), то:

Если  характеристики простых механизмов заранее неизвестны, то расчет силы зажима W, развиваемой комбинированным механизмом,  можно выполнить последовательно.

Вначале определяем силу , развиваемую первым простым механизмом; затем рассматривая ее как исходную силу , развиваемую вторым механизмом, и т.д. Количество простых силовых механизмов ограничено, и все они в основе своей являются клиновыми или рычажными. Следовательно, комбинированные механизмы представляют собой систему из клиновых, рычажных или клино-рычажных механизмов.

Установочно-зажимные механизмы (УЗМ).

 

В этих механизмах элемент, передающий заготовке усилие зажима, одновременно имеет и установочные функции. От установочных элементов  требуется точность, а зажимные должны развивать определенную силу. Эти  два требования совмещаются в  одном механизме, но при движении под нагрузкой установочные элементы механизма изнашиваются и теряют точность. Поэтому эти механизмы  требуют расчета на точность.

 

 

 

 

 

 

 

Конструктивно УЗМ могут быть выполнены:

1. В виде цельных центровых оправок с тугой посадкой детали отверстием (см. выше).
2. В виде приспособления с одним подвижным установочно-зажимным элементом.

 

Деталь опорной  плоскостью прижимается к приспособлению за счет поднутрения призмы на угол b = 3…5°.

3. В виде приспособлений с самоцентрирующим зажимным устройством.

Они позволяют производить установку  заготовок по ее геометрической оси  или по двум плоскостям симметрии. Самоцентрирующие зажимные устройства имеют 2 или 3 установочно-зажимных элемента, которые связаны между собой так, что они могут одновременно и с равной скоростью сближаться друг с другом или удаляться, а после соприкосновения с поверхностью детали затягиваться до необходимого усилия Q.

 

 

 

По конструкции  различают следующие самоцентрирующие зажимные устройства:

1. Призматические
2. Плунжерные
3. Цанговые (см. выше)
4. Гидропластмассовые (см. выше)
5. Мембранные
6. С тарельчатыми пружинами
7. 2-х и 3-х кулачковые патроны
8. Рычажные.

1. Призматические механизмы.

Действуют от винта с правой и левой резьбой. Упор служит для регулирования положения  ползуна на винте.

 

2.Плунжерные.

 

Деталь закрепляется тремя плунжерами, расположенными через 120°, которые перемещаются в пазах ползушки. кольцевая пружина круглого сечения прижимает плунжеры к пазам. Для коротких деталей используют один ряд плунжеров, для длинных – 2 ряда.

 

 

 

 

 

3. Мембранные.

Мембранные патроны используются для точной центровки заготовок  по наружной или внутренней цилиндрической поверхности. Они состоят из круглой  привернутой к планшайбе станка пластины (мембраны) 1  с симметрично  расположенными выступами-кулачками 2 (6 – 12 шт.). Внутри шпинделя проходит шток 3 пневмоцилиндра. Включая пневматическое устройство прогибают пластину и тем самым раздвигают кулачки. При отходе штока назад пластина, стремясь вернуться в исходное положение, сжимает своими кулачками заготовку 4. Материал мембраны – стали 65Г, 30ХГС или У7А, закаленные до твердости HRC 40…45. Мембранные патроны обеспечивают точность центрирования 0,003 – 0,005 мм. Кулачки могут

 

быть выточены из одной заготовки  с пластиной или изготовлены  отдельно, а затем приварены к  пластине. Окончательная обработка  выполняется совместно.

k – коэффициент запаса;

n– число кулачков;

f – коэффициент трения между заготовкой и кулачками (0,15 – 0,18).

b – плечо приложения силы Q.

 

 

 

4. Кулачковые патроны.

А. Двухкулачковые.

 

Используются для закрепления  несимметричных заготовок или фасонных деталей и обычно являются самоцентрирущими. Могут быть с ручным (ключевым) или механизированным приводом. Пневматические патроны бывают двух видов:

1. реечные;
2. клинорычажные.

 

Б. Трехкулачковые.

Наиболее  распространены клиновые (ГОСТ16886-71) и  рычажно-клиновые (ГОСТ 16862-71) патроны  с механизированным приводом. В крупносерийном производстве используются рычажные патроны  с пневмоприводом.

В мелкосерийном, единичном и серийном производстве применяются патроны  с ручным (ключевым) приводом спирально  реечные с плоской архимедовой  спиралью и конической зубчатой передачей  к спиральному диску.