7.3. Механизмы с упругодеформируемыми элементами
Рассмотрим механизмы с упругодеформируемыми элементами. Самоцентрирующие механизмы имеют значительную погрешность центрирования, вызванную большим числом сопряжений деталей, обеспечивающих встречное перемещение установочных элементов. Наибольшую точность центрирования дают механизмы, установочные элементы которых объединены в одну деталь и перемещаются в пределах её упругой деформации. Такой механизм можно изготовить с высокой точностью и обеспечить точность упругого перемещения отдельных частей. Поэтому эту группу механизмов называют прецизионными. К ней относятся цанговые, мембранные и гидропластовые механизмы.
Цангами называются разрезные пружинящие втулки, которые могут центрировать заготовки по внешней и внутренней поверхности. Цанговые механизмы используют для центрирования и зажима кового материала разного профиля и отдельных заготовок
На рис. 48,a,б приведены конструкции цанговых механизмов центрирования по наружному диаметру: с тянущей цангой, которую применяют для закрепления штучных заготовок (для ориентирования заготовки в осевом направлении внутри цанги установлен упор) с кающей цангой, чаще всего применяемой для закрепления пруткового материала (для фиксирования прутка в осевом направлении он установлен впереди цанги).
Продольные прорези превращают каждый лепесток цанги в консольно-закрепленную балку, которая получает радиальные упругие перемещения при продольном движении цанги за счет взаимодействия конусов цанги и корпуса. Так как радиальные перемещения всех
Рис. 75(48 Схема цанговых механизмов
лепестков цанги происходят одновременно и с одинаковой скоростью, то механизм приобретает свойство самоцентрирования.
Число лепестков цанги зависит от ее рабочего диаметра d и профиля зажимных заготовок (рис. 48, в). При d =30 мм цанга имеет три лепестка, при 30 < d < 80 мм — четыре, при d = 80 мм — шесть (на рис. не показаны).
Для сохранения работоспособности цанги деформация ее лепестков не должна выходить за пределы упругой зоны. Это определяет повышенные требования к точности базового диаметра заготовки, который должен быть выполнен не грубее 9 квалитета.
Цанги изготовляют из стали У8А или 65 Г, крупные цанги — из стали 15ХА или 12ХНЗА. Рабочую часть закаливают до твердости HRC 55—62. Хвостовую часть подвергают отпуску до твердости HRC 30—40.
Погрешность центрирования обусловлена неточностью изготовления цанговых патронов и не превышает 0,05—0,l мм.
Каждый лепесток цанги представляет собой плоский односкосный клин (см. рис. 48, а, б). Поэтому для расчета силы тяги цанги можно воспользоваться формулой (29). Однако необходимая сила W больше рассчитанной по этой формуле, так как часть силы тяги привода затрачивается на сжатие лепестков цанги.
Для определения силы Q', затрачиваемой на деформацию лепестка, рассмотрим лепесток цанги как консольно-закрепленную балку (Рис.- 48, г) с вылетом l:
y = Q' l3 / 3EJ
тогда для всех лепестков
Q' = 3EJyn / l3
где Е — модуль упругости материала цанги, кг/см2; J — момент инерции сектора сечения цанги в месте заделки лепестка цанги:
J = D3h [α + sin α1cos α1 – (2sinα2 / α1)]/ 8;
D - наружный диаметр поверхности лепестка, см; h — толщина лепестка, см; α1— половина угла сектора лепестка цанги, рад; l — длина лепестка цанги от места заделки до середины конуса, см; n — число лепестков в цанги; у — J стрела прогиба лепестка, т. е. радиальный зазор между цангой и заготовкой. Следовательно, сила тяги цанги будет равна
W = (Q + 3EJ yn / l3) [tg(α + φ1) + tg φ2] .
Мембранные механизмы применяют для центрирования по наружной и внутренней цилиндрической поверхности деталей типа дисков, колец, втулок и т. п. Основной деталью такого механизма является мембрана.
Применяют мембраны трех основных видов: рожковые, чашечные, кольцевые. Наиболее точными являются рожковые и чашечные. В схеме на рис. 49 обрабатываемая деталь 1 зажимается внутренними силами упругости мембраны 2 посредством ее кулачков 3. Сила тяги W разводит кулачки при откреплении детали 1.
Силовой расчет такого механизма можно провести, рассматривая мембрану как круглую, заделанную по контуру пластинку, нагруженную равномерно распределенным по окружности расположения кулачков изгибающим моментом. Конструкции и основные параметры мембранных патронов приведены в ГОСТах 21277 — 75, 21278 — 75 , 21279 — 75.
Чашечные и кольцевые мембраны (тарельчатые пружины) нормализованы.
Чашечные и рожковые мембраны изготовляют из сталей 65Г, У10A, ЗОХГС и подвергают термообработке до твердости HRC 40—45
Рис. 76(49. Схема самоцентрирующего патрона с мембраной
Патроны с рожковыми и чашечными мембранами могут обеспечить точность центрирования 0,003—0,005 мм. Кольцевые мембраны применяются в случаях, когда при значительных нагрузках они должны иметь малые габаритные размеры. Эти мембраны обычно применяют в виде пакетов. На рис. 50, а показана кольцевая мембрана и на рис. 50, б схема механизма с двумя пакетами мембран. На корпус 1 надеты два пакета мембран 4, между которыми расположена втулка 3. Если Стержень 5 будет перемещаться влево, то пакеты сплющиваются
Рис. 77(50. Схема патрона с кольцевыми мембранами
Рис. 78(51. Самоцентрирующий патрон с гидропластмассой
щиваются увеличиваются в диаметре и деталь 2 центрируется и зажимается.
Диаметры колец могут увеличиваться на 0,15—0,4 мм в зависимости от размера. Базирующие поверхности могут быть 7—11 квалитета. Точность центрирования может быть в пределах 0,01—0,03 мм.
Для определения необходимой величины осевой силы тяги W рассмотрим равновесие мембраны в конечном положении (рис. 50, в). Наличие радиальных прорезей позволяет с достаточной для практических расчетов точностью рассматривать мембрану как наклонную распорку между корпусом и заготовкой. Тогда из силового треугольника 0,75 W = Q / tg β ,
где β — угол наклона мембраны в деформированном состоянии; для мембран с d < 50 мм β = 9-10°; с d > 50 мм β= 12°; коэффициент 0,75 введен из расчета, что 25% силы тяги расходуется на деформацию мембраны в пределах зазора между базовым отверстием заготовки и мембраной в недеформированном состоянии.
Широкое распространение получили упругие патроны с использованием гидропластмассы. На рис. 51 показана схема такого механизма. В корпусе 1 запрессована тонкостенная втулка 5. Между корпусом и тонкостенной частью втулки расточена кольцевая замкнутая полость, заполненная гидропластмассой 6. Винтом 2 через плунжер 3 на гидропластмассу действует давление р. Это давление деформирует тонкостенную часть втулки, которая центрирует и зажимает заготовку.
Такие патроны применяют для центрирования заготовок, как по наружному, так и по внутреннему диаметру. Точность базовых поверхностей закрепляемых деталей должна быть не ниже 7—9 квалитета. Погрешность центрирования 0,01 мм.
При проектировании механизмов с гидропластом рассчитывают: параметры упругих тонкостенных втулок; размеры нажимных винтов и плунжеров у приспособлений с ручным приводом; размеры плунжеров, диаметр цилиндра и ход поршня у приспособлений с механизированным приводом.
Точный расчет оправки с гидропластмассой как упругой оболочки, нагруженной давлением р, очень сложен.
Для изготовления тонкостенных втулок применяют стали марок У7А, ЗОХГС, которые подвергают термообработке до твердости HRC 35—40.