4. Разработка кулачкового самоцентрирующего патрона.

Студенту выдается задание на проектирование патрона с механизированным приводом, исходные данные, для расчёта представлены в приложении 1.

В качестве примера выполним разработку патрона для базирования и закрепления заготовки типа вала при одновременном точении двух диаметров.

4.1 Расчет патрона

4 .1.1 Сбор исходных данных

Вид и материал заготовки - штамповка, сталь δ_В=850 МПа, НВ 180 - 220. Вид обработки - черновая.

Матерная и геометрия режущей части резца - резец сборный со сменной четырёхгранной неперетачиваемой пластиной из Т5К10 φ =45°, γ=-2^о, λ=0^о.

Режимы резания: глубина t=3,6 мм, подача S=0,5 мм/об, скорость резания V=85 м/мин.

Тип приспособления - одноместное универсальное наладочное (УНП) со сменными кулачками.

Металлорежущий станок - 16К20ФЗ наибольший диаметр патрона 400мм, внутренний конус шпинделя-Морзе 6 [1] , основные размеры конусов шпинделя по ГОСТ 12595-72 (Приложение 2)

4.1.2 Расчёт сил резания.

Расчёт сил резания выполним по методике изложенной в [3, стр. 271] При наружном продольном и поперечном точении составляющие P_z, Р_у силы резания рассчитываются по формуле:

P_z,y=10C_рt^XS^YVⁿK_p (4.1)

где: С_р ,X , Y ,n - постоянная и показатели степени для конкретных условий обработки. При обработке стали резцом, оснащенным пластиной из твёрдого сплава, равны; для расчёта Р_z -

C_pz=300, Х_pz=1,0, Y_pz=0,75, n_pz=-0,15

для Р_у- C_ру=243, X_py=0,9, Y_py=0,6, n_ру=03 (Приложение 3)

Поправочный коэффициент Кр представляет собой произведение ряда коэффициентов, учитывающих фактические условия резания:

К_р=К_мрК_φK_γPK_λр (4.2)

где: K_mp= (δ _b/750)ⁿ -коэффициент, учитывающий влияние качества обрабатываемого материала на силовые зависимости (n' = 0,75 для стали ) (Приложение 4) .

К_φр - коэффициент, учитывающий влияние угла в плане резца на силы, равный при φ=45°для сил

К_φpz=1,0; K_φpy=1,0 (Приложение 5)

К_ур - коэффициент, учитывающий влияние переднего угла резца на силы - при у= -2° (принимаем по (Приложение 5) ближайшее у= -0°). К_φpz=1/0; K_φpy=l ,4.

К_λр - коэффициент, учитывающий влияние угла наклона режущей кромки: K_λрz=1,0_, K_λрy=1,0 (при λ=0).

Подставив исходные данные в формулы 4.1 и 4.2, получим: P_z=3998 Н, Р_у=2030 Н.

4.1.3 Расчёт усилия зажима.

В процессе обработки заготовки на нее воздействует система сил, С одной стороны действуют составляющие силы резания, которые стремятся вырвать заготовку из кулачков, с другой - сила зажима препятствующая этому. Из условия равновесия моментов данных сил и с учётом коэффициента запаса определяются необходимые зажимное и исходное усилия.

В процессе выполнения задания необходимо разработать схему закрепления заготовки, согласно варианту задания, и выполнить необходимые расчёты.

Например, на рис. 4.2. представлена схема закрепления заготовки типа вала в кулачковом патроне при одновременном точении резцами двух шеек вала. Практика показывает, что при закреплении заготовок с соотношением диаметров и длины менее 2,5 (d_ср/l_общ <2,5) можно использовать схему консольного закрепления заготовка При d_ср/l> 2,5 для поддержки вала со второго конца используется вращающийся центр, устанавливаемый в пиноль задней бабки станка. В данном примере примем консольное расположение заготовки.

Суммарный крутящий момент от касательной составляющей силы резания стремится провернуть заготовку в кулачках, и равен для данного примера:

M_p’=(P_z’d₁/2)+(P_z”d₁/2)=(2P_z’d₁)/2=Pz’d₁

(4.3)

Провороту заготовки момент силы зажима, определяемый следующим образом:

M₃’=(Td₂)/2=(Wfd₂)/2

(4.4)

где W - суммарное усилие зажима приходящееся на 3 кулачка, Н.

f - коэффициент трения на рабочей поверхности сменного кулачка.

Из равенства моментов М_р и Мз определим необходимое усилие зажима, препятствующее провороту заготовки в кулачках.

W’=2KM_p/(fd₂)=(2KPz’dl)/fd₂

Значение коэффициента запаса К, в зависимости от конкретных условий выполнения технологической операции, определяется по формуле.

K=K₀K₁K₂K₃K₄K₅K₆, (4.6)

где К₀=1,5 - гарантированный коэффициент запаса; К₁ - коэффициент, учитывающий увеличение сил резания из-за случайных неровностей на обрабатываемых поверхностях заготовки: при черновой обработке К₁=1,2, при чистовой K₁=l,0 .К₂ - коэффициент, учитывающий увеличение сил резания вследствие затупления режущего инструмента (приложение 6)

Коэффициент К₃ - учитывает увеличение сил резания при прерывистом резании (при прерывистом резании К₃=1,2 для непрерывного К₃=1,0).

Коэффициент К₄ - характеризует постоянство силы, развиваемой зажимным механизмом. Для механизированных приводов К₄=1,0.

Коэффициент К₅ - характеризует эргономику немеханизированного зажимного механизма (удобство расположения органов зажима и т.д.). Для механизированных приводов К₅=1,0.

Коэффициент К₆ вводится в расчёт только при наличии моментов, стремящихся повернуть заготовку, установленную плоской технологической базой на опоры-штыри.

В данном примере коэффициент К равен:

K_pz=K₀K₁K₂=1,5*1,5*1.0=1,80

K_py=2,52

Коэффициент трения f между заготовкой и сменным кулачком зависит от состояния его рабочей поверхности (Приложение 7)

Примем форму рабочей поверхности кулачка с кольцевыми канавками и f=0,3. Подставив в формулу 4.5 исходные данные получим:

W '= (2КР_z'd1)/fd₂= (2*1.80*3998*62)\0.3*43=69410Н

Сила Р_Y стремится вывернуть заготовку из кулачков относительно оси ОО₁ (4.2), создавая момент:

М_р''=Р_Y'l'+Р_Y''l'' (4.7)

Данному моменту препятствует момент от силы зажима:

М₃"=T(2/3d₂)=2/3W"fd₂ (4.8)

Необходимая сила зажима равна:

W''=1,5K(P_Y'l' + P_Y''l'')/ fd₂=l,5*2,52*(2030*50+2030* 100)/0,3*43=95410 Н

Для дальнейших расчётов принимаем наихудший случай; W=95410 H

При установке длинных валов (l/d_cp>2,5) осуществляется поджатие задним центром и поэтому в расчётах величины усилия зажима влиянием силы зажима Р_Y пренебрегаем, так как опыт показывает, что величина W'' в этом случае значительно меньше силы W'.

Величина усилия зажима W₁ прикладываемая к постоянным кулачкам несколько увеличивается по сравнению с усилием W и рассчитывается по формуле:

W₁=W/(1-(3l_k/H_k)*f₁) (4.9)

где: l_k - вылет кулачка, расстояние от середины рабочей поверхности сменного кулачка до середины направляющей постоянного кулачка (рис.4.3)

Рис. 4.3

Н_k -длина направляющей постоянного кулачка, мм;

f- коэффициент трения в направляющих постоянного кулачка и корпуса (f=0.1 - для полусухого трения стали по стали).

Значения l_k и Н_k для расчётов принимаются на основе анализа ранее разработанных конструкций, На рис. 4.3 даны размеры на основе опыта ВАЗа. В данном примере примем; толщину сменного кулачка b_С=30мм, постоянного – b_К+13=20+30=50 мм, ширину направляющей постоянного кулачка В_К=40мм, ширину сменного кулачка В₁=25 мм, длину кулачка Н_К=80мм, вылет -l_К=62 мм.

В процессе конструирования патрона, данные размеры могут несколько измениться, но это, как показывает практика, не вносит существенных изменений в расчёты усилий.

Подставив исходные данные в формулу 4.9 получим:

W₁=W/(l -(31_k/H_k)*f₁))=95410/(1 -(362/80*0,1 ))=123909 Н