1.1.10. Расчет сил закрепления и выбор зажимных устройств приспособлений

1.1.10.1. Общие принципы

На заготовку при обработке в приспособлении действуют си­лы обработки, объемные силы (вес заготовки, центробежные и инерционные силы), силы случайного и второстепенного харак­тера, а также силы зажима и реакций элементов приспособле­ния. При этом заготовка должна находиться в равновесии. Все перечисленные выше силы — величины векторные, имеющие каждая свое направление и значение. Поэтому желателен сило­вой расчет приспособления путем решения задач пространст­венного характера. Однако с целью его ускорения и упрощения можно рассматривать условия равновесия в наиболее опасных направлениях в одной или нескольких плоскостях. Осуществле­ние этого принципа позволяет сократить сроки проектирования приспособлений и снизить их себестоимость при сохранении до­статочных для практики точности силовых расчетов и качества приспособлений.

Потребность в зажимных устройствах исключается в случа­ях, когда:

1) силы обработки весьма малы по сравнению с весом заготовок и силами трения;

2) силы обработки (сборки) по на­правлению таковы, что не могут нарушить положение заготовки, обусловленное базированием.

Основные требования, предъявляемые к зажимным устройствам:

1) простота, надежность, жесткость и износостой­кость;

2) постоянная по величине сила закрепления и мини­мальное время закрепления-открепления заготовки;

3) отсутствие деформации заготовки и ее смещения в процессе закрепления.

Выполнение требований, предъявляемых к зажимным уст­ройствам, связано с правильным определением значений, на­правления и мест приложения сил зажима. Анализ зажимов и приводов приспособления предполагает выявление их устройст­ва, принципа действия, расчетных размеров (плеч рычагов; рас­стояний от места приложения сил до опор; направлений дейст­вия сил резания, зажимных, трения, реакций опор; диаметров цилиндров и штоков пневмо- и гидроприводов; углов клиновых устройств), а также групп, к которым относятся рассматривае­мые зажимы.

При определении потребных сил зажима в случаях, когда силы обработки совпадают с ними по направлению, иногда необ­ходимо учитывать упругие характеристики зажимных устройств. В этом плане применяемые в приспособлениях зажимные уст­ройства подразделяются на две основные группы.

К первой группе относятся устройства, упругие отжимы кото­рых прямо пропорциональны приложенным к ним силам. Эти устройства имеют в своем составе механизмы самотормозящегося типа (винтовые, клиновые безроликовые и эксцентриковые элементарные зажимы), привод их может быть ручным и механизированным. В случае приложения к зажимным элементам дополнительных сил их упругие отжимы будут изменяться по линейному (или близкому к нему) закону в направлении прикладываемых сил и пропорционально их изме­нению.

К устройствам второй группы относятся пневматические, гидравлические и пневмогидравлические механизмы прямого действия. При приложении к за­жимному элементу таких устройств (например, штоку гидроци­линдра) нарастающей силы перемещения штока в начальный период не будет. Шток сразу получает большое перемещение, ко­гда приложенная к нему сила превысит противодействующую, создаваемую давлением жидкости на поршень гидроцилиндра (нарушение контакта базовых поверхностей с опорами, наруше­ние положения и зажима заготовки). При использовании уст­ройств этого типа с промежуточными звеньями без самотормо­жения отжим зажимного элемента в первый период протекает по линейному закону за счет упругих деформаций звеньев, за­тем, при возрастании силы до определенного значения, элемент может резко переместиться.

Расчет сил зажима сводится, как правило, к решению задач статического равновесия заготовки, находящейся в приспособ­лении, под действием приложенных к ней сил и моментов.

Наличие сил и моментов, противодейству­ющих сдвигу и повороту заготовки при обработке в приспособ­лении, является результатом действия прежде всего сил зажима, значение которых определяется решением плоских задач из ус­ловий равновесия заготовки в одном или нескольких направле­ниях. Расчет потребных зажимных сил при использовании зажимов первой группы и в случае, когда часть сил обработки по направлению совпадает с силами зажима, следует вести из усло­вия равновесия заготовки при действии сил, стремящихся нарушить ее заданное положение (сместить ее), и сил, противодейст­вующих сдвигу и возникающих в результате действия перерас­пределенных реакций зажимных элементов и опор.

В результате расчета зажимных устройств определяются размеры их элементов (плечи рычагов, диаметры резьб, разме­ры эксцентриков и др.) и соотношение обеспечиваемых зажим­ных сил и сил, действующих на механизм со стороны привода. Такой расчет используется при конструировании новых приспособлений. Он может носить проверочный характер, что имеет место при анализе и расчете уже существующих приспособле­ний или зажимных устройств.

Привод рассчитывается как с целью выявления его разме­ров (длина приводных рукояток, диаметры пневмоцилиндров и т.п.), так и с целью проверки соответствия уже имеющегося привода заданным требованиям по развиваемой силе (момен­ту) на штоке (на валу).

Силы резания и их моменты определяются, исходя из усло­вий обработки, по формулам теории резания металлов или по таблицам справочных источников.

Для обеспечения надежности зажима силы (моменты) об­работки увеличиваются на коэффициент запаса k, который определяется в зависимости от условий обработки по приведен­ным ниже данным. С помощью этого коэффициента учитывает­ся изменение условий в процессе обработки: прогрессирующее затупление инструмента и связанное с ним увеличение сил ре­зания, неравномерность припусков, неоднородность свойств обрабатываемого материала, изменение условий установки за­готовок.

Коэффициент k является произведением семи первичных коэффициентов

k = k₀ k₁ k₂ k₃ k₄ k₅ k₆.

k₀ - гарантированный коэффициент запаса, для всех случаев равен 1,5;

k₁ - коэффициент, учитывающий возра­стание сил обработки при затуплении инструмента, для различ­ных материалов и условий обработки;

k₂ – учитывает неравномерность сил резания из-за непостоянства снимаемого при обработке припуска (для отделочной обработки k₂ = 0; для черновой k₂ = 1,2);

k₃ - учитывает из­менение сил обработки при прерывистом резании (при прерывистом точении и торцовом фре­зеровании k₃ = 1,2);

k₄ – учитывает непостоянство развиваемых приводами сил зажима (для ручных зажимов k₄ = l,3; для пневматических, гидравлических, пневмогидравлических и других механизированных зажимных устройств прямого дей­ствия k₄ =1,0; для пневмокамер, мембранных патронов и других устройств, развиваемые силы которых зависят от допусков раз­меров заготовки в направлении зажима, k₄ = 1,2).

k₅ - учитывает непостоян­ство развиваемых сил зажимных устройств с ручным приводом (при удобном расположении рукоя­ток и малом угле их отклонения — до 90° k₅ = 1,0; при неудобном расположении рукояток и большом угле их отклонения — более 90° при зажиме заготовок k₅ = l,2).

k₆ - отражает неопределенность положе­ния мест контакта заготовки с установочными элементами и из­менение в связи с этим моментов трения, противодействующих повороту заготовки на базовой плоскости. Он учитывается только при установке заготовки на плоскости и наличии моментов обработки, стремящихся повернуть заготовку на опорах (для опор с ограниченной поверхностью контакта — точечных k₆ = l,0; для опорных пластин k₆ = 1,5).

Можно пользоваться средним значением коэффициента запа­са (k = 2...3). Однако предпочтительнее его рассчитывать, так как при его занижении не обеспечивается надежный зажим за­готовки, а при завышении — снижается качество обработки за счет возможной порчи поверхностей и деформации заготовки, увеличивается стоимость изготовления и эксплуатации приспо­собления за счет увеличения его габаритов и массы, размеров привода, расхода сжатого воздуха и т. д.

Расчет сил закрепления предполагает наличие дан­ных о жесткости установочных и зажимных устройств, о коэффициентах трения f.

Жесткость системы установочных и зажимных эле­ментов определяют из выражений

;

,

где - жесткость стыка заготовки с опорами приспо­собления; , ..., ; , ..., - жесткости стыков эле­ментов приспособления, через которые передается сила за­крепления Q; - жесткость стыка заготовка - зажимной элемент механизма закрепления.

Так как теоретический расчет по этим зависимостям затруднен, можно рекомендовать приближенные формулы:

= (0,4... 0,6) ; = (0,6...0,8) .

Меньшие значения в этих соотношениях соответству­ют более жестким системам. В общем случае , a отношение их значений составляет 1,5 ... 2,5.

Если значения и неизвестны, то с достаточной точностью можно принять

; .

Значение коэффициента трения f зависит от состоя­ния поверхности заготовок и вида опор. Для обработанных заготовок можно принимать f = 0,16. Для необработан­ных поверхностей значение f изменяется от 0,18 до 0,3, по­этому на практике можно рекомендовать f = 0,2 ... 0,25. Для рифленых опор коэффициент f может достигать 0,7. Для чугунных и стальных заготовок зависимость между коэффициентом трения f и силой N имеет вид

f = 0,0005N + 0,2,

где N - сила, действующая на 1 см² установочного элемен­та нормально к поверхности.