2.2.3 Расчёт сил зажима

Эффективность зажима в значительной степени зависит от направления и места приложения силы. При выборе направления силы зажима необходимо учитывать ряд правил (2).

1. Сила зажима должна быть направлена перпендикулярно плоскостям установочных элементов, чтобы обеспечить надёжный контакт с базовыми поверхностями и исключить сдвиг заготовки при зажиме.

2. При базировании заготовки по нескольким базовым плоским поверхностям сила зажима должна быть направлена к тому установочному элементу, с которым заготовка имеет наибольшую площадь контакта.

3. Направление силы зажима и силы тяжести заготовки должны совпадать (это повысит эффективность использования зажимного устройства).

4. Направление силы зажима по возможности должно совпадать с направлением силы резанья.

На практике после анализа различных вариантов выбирают наиболее приемлемое направление силы зажима. Выбору рационального направления сила зажима способствует введению в силовую схему закрепления заготовки упоров. Которые воспринимают действующие на заготовку силы и способствуют уменьшению необходимых сил зажима или изменяют их направления.

При выборе места приложения сил зажима необходимо придерживаться следующих правил:

1. Сила зажима не должна приводить к опрокидыванию заготовки или ее сдвигу по установочным элементам. Для этого необходимо чтобы точка приложения силы зажима проецировалась:

а) как можно ближе к центру установочного элемента или к центру тяжести треугольника, образованного линиями, соединяющими центры установочных

элементов, расположенных в одной плоскости;

б) на участок поверхности заготовки параллельной поверхности плоских установочных элементов, воспринимающих силу зажима.

2. Действие силы зажима и вызываемых ею реакции опор не должно приводить к созданию изгибающих моментов, способных снизить точность обработки не жестких заготовок.

3. Место приложения силы зажима должно находится как можно ближе к месту обработки, особенно для не жестких заготовок:

2.3 Расчет на прочность элементов станочных приспособлений

После выполнения силовых расчетов и расчета точности изготовления приспособления необходимо выбрать конструкционные материалы для деталей приспособления, назначить химико-термическую обработку или вид покрытия и рассчитать размеры элементов из условий прочности.

Рекомендации по применению конструкционных материалов для различных элементов приспособлений, применяемая химико-термическая обработка, достигаемая твердость и технологические свойства материалов в состоянии поставки представлены в приложении.

Покрытия деталей станочных приспособлений применяются в защитных (от коррозии, старения, биоповреждения) и защитно-декоративных целях. Они подразделяются на лакокрасочные, металлические и неметаллические неорганические. В зависимости от условий эксплуатации покрытия делятся на легкие (Л) - для работы в закрытых сухих помещениях, средние (С) - в закрытых помещениях с относительной влажностью не выше 80%, жесткие (Ж) - на открытом воздухе или в помещениях с относительной влажностью свыше 80%.

При работе приспособлений в масляной среде, не вызывающей коррозии, можно не применять покрытий.

Виды, обозначения и область применения лакокрасочных покрытий регламентируются ГОСТ 22133. - 86.

Общие требования к выбору металлических покрытий определены ГОСТ 14623 - 69, а виды, ряды толщин слоев и обозначения покрытий приведены в ГОСТ 9.073 - 77.

Прочность - одно из основных требований, предьявляемым к элементам и приспособлениям в целом. По коэффициентам запаса или по номинальным допускаемым напряжениям. Расчеты по номинальным допускаемым напряжениям менее точны, но значительно проще и вполне могут быть использованы для оценки прочности элементов приспособлений.

Расчеты элементов на прочность позволяют решать две задачи:

а) проверку на прочность соответствующих деталей с известными размерами сечений путем сравнения фактических напряжений (моментов, сил) с допускаемыми проверочный расчет;

б) определение размеров сечений деталей - предварительный проектный расчет.

Расчет на прочность (Задача а) детали в виде стержня круглого сечения ,нагруженного осевой силой, по допускаемым напряжениям растяжения (сжатия) осуществляются по формуле

где  - фактическое напряжение растяжения (сжатия), МПа;

Р - расчетная осевая сила, Н;

d - диаметр опасного сечения (для резьбового стержня - внутренний диаметр резьбы), мм;

 - допускаемое напряжение растяжения (

Определение необходимого размера опасного сечения производиться по формуле

Полученное значение округляется в сторону увеличения до целого или ближайшего стандартного значения. При наличии шпоночного паза в опасном сечении детали полученное расчетом значение диаметра следует увеличить на 5...10%.

Расчеты на прочность валов и осей с целью определения их размеров (Задача б)можно производить по формулам:

на изгиб (детали круглого сечения)

на изгиб (детали кольцевого сечения)

на кручение

на изгиб с кручением ( детали круглого сечения)

на изгиб с кручением (детали кольцевого сечения)

где М_из - изгибающий момент, Н мм;

М_кр - крутящий момент , Н мм;

 _из - допускаемое напряжение при изгибе, МПа;

 _кр  - допускаемое напряжение при кручении, МПа;

К₀ = d₀ / d - отношение внутреннего диаметра вала ( оси ) d₀ к

наружному d.

Необходимо помнить, что оси рассчитываются только на изгиб, так как они не передают крутящего момента.

Валы и оси можно рассчитывать на жесткость, но диаметр деталей в этом случае получается большим, чем при расчете на прочность. Расчет на изгибную жесткость состоит из определения углов наклона и прогибов упругой линии осей и валов и сравнения их с допускаемыми значениями. Следует отметить и сложность расчетов деталей на жесткость. Например, расчет валов на жесткость (Задача а) при кручении производится по формуле:

,

где  - действительный угол закручивания вала, град;

 - допускаемый угол закручивания (можно принимать для боль шинства валов  = 15 на 1м длины; для менее ответственных валов  принимается до 2⁰);

М_кр - крутящий момент, Нмм;

L - длина скручиваемой части вала, мм;

G - модуль упругости при сдвиге, МПа (для стали G = 810⁴ МПа);

I_р - полярный момент инерции сечения вала,мм⁴ ( I_р =  d⁴ / 32 - для круглого сечения и I_р = d⁴ / 32  (1 - К⁴₀) - для кольцевого сечения ).

Уточненный расчет валов на прочность, в случае возникновения такой необходимости, заключается в определении коэффициентов запаса для опасных сечений.

При нагружении соединения силами в плоскости (по поверхности) стыка деталей и случаях установки штифта ( цилиндрического гладкого стержня, винта) без зазора и работы на срез проверочный расчет ( Задача а) штифта может осуществляться по формуле:

где Р - срезающая сила, Н;

d - диаметр штифта, мм;

i - число стыков (количество штифтов или винтов) в соединении;

 _ср  - допустимое напряжение среза, МПа.

Расчет на прочность шпоночных и шлицевых соединений заключается в сравнении фактически передаваемого крутящего момента с допускаемым моментом из условий их прочности.

Расчет на прочность шпоночных соединений (Задача а) производится по формулам

на смятие:

(для призматических шпонок);

( для сегментных шпонок );

на срез:

(для призматических и сегментных шпонок),

где М_кр - крутящий момент (рассчитывается по передаваемой мощности и частоте вращения вала), Нмм;

D - наружный диаметр вала, мм;

h - высота призматической шпонки, мм;

К_ш - размер выступающей из паза части сегментной шпонки, мм;

L - рабочая длина шпонки,мм;

b - ширина шпонки, мм;

- допустимые напряжения, соответственно смятия и среза, МПа.

Расчет на прочность шлицевых соединений (Задача а) может осуществляться по формулам:

на смятие:

(прямобочный профиль);

(эвальвентный профиль);

на срез:

(прямобочный и эвольвентный профили),

гле М_кр - крутящий момент, Нмм;

z - число шлицев;

h - высота поверхности контакта (для прямобочного профиля h = 0,5 ( D - d ) - 2fm, здесь fm - фаска зуба и паза шпоночного соединения, по сандарту СЭВ 188 - 75 фаска принимается равной 0,3...0,5 мм с допуском +0,2...0,3; для эвольвентных шлицев с центрированием по боковым поверхностям h = m, с центрированием по наружной цилиндрической поверхности h + 0,9 m);

D - наружный диаметр вала, мм;

d - внутренний диаметр отверстия, мм;

b - ширина шлица, мм;

m - модуль эвольвентного соединения, мм;

 - коэффициент, учитывающий неравномерность распределения нагрузки по шлицам (  принимается равным 0,7...0,8).

При необходимости расчеты на прочность сварных соединений, пружин, подшипников, клинорешенных, зубчатых передач и других специфических деталей и узлов приспособлений следует выполнять используя рекомендации, изложенные в монографиях и справочниках.

2.6 Предпроектный анализ

Целью предпроектного анализа является разработка наиболее эффективного варианта компоновки приспособления для конкретных условий производства. Достижение указанной цели предполагает изучение условий производства-«Среды обитания» объекта проектирования. При этом важно установить границы среды и состав определяющих ее элементов. Выбор компоновок станочных приспособлений будет зависеть от подлежащих обработке деталей и выполняемых технологических операций, используемого оборудования, типа производства и его организационной формы (рис). Логика такой модели строится на том, что первичным является конкретная технологическая операция или операции обрабатываемой детали, которые могут выполняться на различных типах станков, станках разных поколений, с разной степенью автоматизации, а число и трудоемкость операций обрабатываемых деталей будет определять тип производства и в значительной степени его организационные формы.

Последующие действия предпроектного анализа должны достаточно полно раскрыть факторы «Среды обитания» объекта проектирования (рис), чтобы обеспечить обоснованный выбор системы станочных приспособлений пользуясь общепринятым рекомендациями.

В каждой системе, в свою очередь, могут быть реализованы один или несколько вариантов компоновок. Чтобы выбрать наиболее предпочтительный вариант, необходима разработка структурных схем компоновок по каждой выбранной системе и возможному варианту в системе, если они имеют существенные различия, с последующей оценкой технологичности конструкций.

Для оценки технологичности целесообразно использовать коэффициент технологичности, определяемый из зависимости вида:

,

где n- число деталей, входящих в расматриваемый вариант конструкции;

m- число стыков в конструкции;

7. число подвижных соединений в конструкции.

Такой набор параметров позволяет дать косвенную оценку трудоемкости и стоимости изготовления расматриваемого варианта компоновки, его жесткости и точности. Из зависимости ( ) видно, что чем выше по абсолютной величине коэффициента технологичности, тем предпочтительнее конструкция приспособления из анализируемых вариантов.

Рассмотрим предпроектный анализ вариантов компоновок приспособлений для сверления отверстия в пластине, представленной на рис….. , на агрегатном станке с вертикальным расположением шпинделя в условиях массового производства. Структурная схема варианта компоновки специального приспособления для сверления отверстия в пластине представлена на рис…..,

При установке заготовки в приспособлении принята классическая схема базирования, когда установочной базой является поверхность с наибольшей площадью основания, направляющей  наиболее протяженная боковая поверхность и опорной короткая боковая поверхность. Над заготовкой располагается кондуктор, обеспечивающий направление перемещения сверла при обработке отверстия. Установка и снятие заготовки в приспособлении возможны путем ее перемещения в направлении осей ОХ и ОУ.

Предпочтительным является направление по оси ОУ, как обеспечивающее более точную ориентацию обрабатываемой детали. Тогда,в качестве установочных элементов по направляющей базе целесообразно выбрать штыри, что упростит конструкцию и работу выталкивателя для удаления заготовки из зоны обработки. Конструкция прихвата, компоновка зажима и привода выбраны из условий совмещения операций закрепления заготовки и обеспечения контакта ее боковых базовых поверхностей с установочными элементами приспособления. Это достигается путем применения прихвата в виде угольника шарнирно установленного с одной стороны двух плечного рычага, который с другой стороны связан с приводом. Рычаг может поворачиваться на оси, жестко установленной в корпусе. Для отвода прихвата при раскреплении заготовки может использоваться пружина, закрепленная на оси рычага.

На основе предложенной схемы можно спроектировать вполне работоспособное специальное приспособление с довольно сложной конструкцией корпуса. Кроме того, подача и установка, снятие и удаление заготовки в таком приспособлении предъявляют довольно жесткие требования к транспортным и ориентирующим устройствам. Поэтому следует рассмотреть варианты упрощающие компоновку и, по возможности, лишенные указанных недостатков.

В частности, это может быть достигнуто изменением схемы обработки отверстия путем использования агрегатного станка с горизонтальным расположением шпинделя.

На рис представлена структурная схема компоновки специального приспособления для такой обработки отверстия. Заготовка в таком приспособлении устанавливается на боковую, наиболее протяженную поверхность, что снижает устойчивость заготовки, но не настолько, чтобы повлиять на точность ее ориентации.

Вместе с тем такая компоновка проще по конструктивному исполнению, удобнее для установки и снятия детали в направлении осей ОZ и ОУ. При установке и снятии заготовки в направлении координаты Оz длина рабочего хода прихвата (зажима) и перемещения рабочего органа привода минимальны. В этом случае возможно применение пружин для закрепления заготовки различного рода приводами для ее раскрепления. Такого рода зажима более надежны с точки зрения безопасности обслуживания и экономичнее по расходу энергии привода.

Анализ технологичности конструкции вариантов компоновок приспособлений показывает, что при числе элементов, соответственно, 13 и 10,числе неподвижных соединений 8 и 6, числе подвижных соединений 3 и 2, значения коэффициентов технологичности для расcматриваемых вариантов имеют следующие значения.

Для варианта, представленного на рис

.

Для варианта, показанного на рис.

,

Проведенный анализ вариантов компоновок показывает, что второй из них более предпочтителен и может быть рекомендован для последующей проработки.