3.3. Зажимные элементы

3.3.1. Винтовые зажимы

Винтовые зажимы применяют в приспособлениях с ручным закреплением заготовки, в приспособлениях механизированного типа, а также на автоматических линиях при использовании приспособлений-спутников. Они просты, компактны и надежны в работе.

Рис. 3.2. Винтовые зажимы:

а – со сферическим торцом; б – с плоским торцом; в – с башмаком. Условные обозначения: Р_и - сила, приложенная на конце рукоятки; Р_з - сила зажима;W – сила реакции опоры; l - длина рукоятки; d - диаметр винтового зажима.

Расчет винтового ЭЗМ. При известной си­ле Р₃ вычисляют номинальный диаметр винта

где d — диаметр винта, мм; Р₃ — сила закре­пления, Н; σ_р — напряжение растяжения (сжа­тия) материала винта, МПа

Таблица 3

Основные параметры винтовых ЭЗМ

Диаметр винта, мм	М8	М10	М12	М16	М20	М24	М30	М36	М42
Шаг резьбы, мм	1,25	1,5	1,75	2	2,5	3	3,5	4	4,5
Рз	3100	4900	7000	12500	19600	28000	44000	63500	86400

Примечание. Сила Р₃ вычислена при σ_р = 100 МПа. Между Р₃ и σ_р существует линейная зависимость; например, винтом диаметром Ml6, изготовленным из стали с σ_р = 200 МПа, можно создать силу Р₃ = 25000 Н

Вычисленный диаметр округляют до бли­жайшего большего значения (см. табл.3).

Исходя из условий закрепления заготовки, выбирают конец нажимного винта (торец гай­ки), вычисляют КПД (η) механизма и крутя­щий момент Mкp, который нужно приложить к винту для надежного закрепления заготовки. Если η < 0,4, винтовой ЭЗМ на­дежен против самоотвинчивания; в противном случае для винта следует выбрать резьбу с мелким шагом. По моменту Mкp выбирают форму рукоятки с учетом требований эргоно­мики.

3.3.2. Клиновые зажимы

Клиновые зажимные механизмы отличаются простотой конструкции, удобством наладки и эксплуатации, способностью к самоторможению, постоянством силы зажима. К недостаткам этих механизмов относятся сосредоточенный характер силы за­жима и низкая надежность, которая зависит от характера клино­вого сопряжения.

Клин применяется в следующих конструктивных вариантах:

1) плоский односкосый клин.

2) двускосый клин.

3) круглый клин.

4) кривошипный клин в форме эксцентрика или плоского кулачка с рабочим профилем, очерченным по архимедовой спирали;

5) винтовой клин в форме торцевого кулачка. Здесь односкосый клин как бы свернут в цилиндр: основание клина образует опору, а его наклонная плоскость - винтовой профиль кулачка;

На рис. 3.3. показан стандартизованный клиновой зажимной механизм с ручным приводом для закрепления заготовки на сто­ле станка. Зажим заготовки осуществляется клином 1, перемеща­ющимся относительно корпуса 4. Положение подвижной части кли­нового зажима фиксируется болтом 2, гайкой 3 и шайбой; непод­вижной части — болтом 6, гайкой 5 и шайбой 7.

Для надежного закрепления обрабаты­ваемой заготовки в приспособлении клин должен быть са­мотормозящийся, т.е. зажимать заготовку после прекраще­ния действия на клин исходной силы Р_и (рис. 3.4. а). Кли­новые зажимы применяют в качестве промежуточного звена в сложных зажимных системах. При расположении передаваемых сил односкосным клиновым механизмом между силами Р_и и Р_з получается зависимость, определяемая из силового многоугольника (рис. 3.4. б). Условные обозначения: Р_и – исходное усилие; Р_з – усилие зажима; F₁, F₂, F₃ - коэффициенты трения; N₁, N₂, N₃ - нормальные составляющие от действующих сил; φ₁, φ₂, φ₃ - углы трения; α - угол клина.

знак «+» относится к закреплению клина, а знак «-» к откреплению.

Рис. 3.4. Схема расчета клинового зажима

Самоторможение клина обеспечивается малыми углами α наклона его поверхности и получается при

φ₁, φ₂, φ₃ – углы трения, f – коэффициент трения;

;

3.3.3. Эксцентриковые зажимные механиз­мы

Э ксцентриковые зажимные механиз­мы являются более быстродействующими по сравнению с винтовыми, но развивают меньшую силу зажима. Обладают свойством самоторможения. Основные недостатки: не могут надежно работать при значительных колебаниях размеров между установочной и зажимаемой поверхностью обрабатываемых деталей; ненадежность зажима при работе с ударами или вибрациями. Рабочая поверхность эксцентриков может быть частью окружности, эвольвентой или спиралью Архимеда.

Рис. 3.5. Круглый само­тормозящийся эксцент­рик и силы, действую­щие на него:

F— сила, направленная вдоль поверхности кон­такта эксцентрика с за­готовкой;

Круглый эксцентрик (рис. 3.5) пред­ставляет собой диск или валик, повора­чиваемый вокруг оси О, смещенной от­носительно геометрической оси эксцен­трика на некоторую величину е, называ­емую эксцентриситетом. Р_и – исходное усилие; Р_з – усилие зажима; F— сила, направленная вдоль поверхности кон­такта эксцентрика с за­готовкой;

Условие самоторможения эксцентрика:

D−диаметр эксцентрика, e−эксцентриситет

Исходными данными для расчета основных размеров круглого эксцентрика является: Р_з − сила закрепления заготовки, Н; d − допуск на размер заготовки от ее установочной базы до места приложения силы закрепления, мм; α − угол поворота эксцентрика от нулевого положения.

Если угол поворота эксцентрика не ограничен, то

е = (d + S1 + S2 + Р_з /J)/2,

где е − эксцентриситет; S1−- зазор для свободного ввода заготовки под эксцентрик; S2 − запас хода эксцентрика, предохраняющий его от перехода через мертвую точку;

J − жесткость зажимного устройства, Н/мм.

Для случая, когда угол поворота α значительно меньше 180º,

е = (d + S1 + Р_з /J)/(1 - соs α ).

3.3.4. Устройства для зажима деталей типа тел вращения

В зависимости от способа установки и центрирования обрабатываемых деталей указанные зажимные устройства можно подразделить на следующие виды:

1) жесткие (гладкие) оправки для установки деталей с зазором или натягом;

2) разжимные цанговые;

3) клиновые (плунжерные, шариковые);

4) с тарельчатыми пружинами;

5) самозажимные (кулачковые, роликовые);

6) с центрирующей упругой втулкой.

Р ис. 3.6. Центровые оправки для установки цилиндрических заготовок в центрах на токарном станке: а - конусная для высокой точности центрирования; б - оправка для установки заготовки с гарантированным зазором; в - оправка под запрессовку. Условные обозначения: М_тр - момент трения, М_рез - момент резания, Р_х - сдвигающая сила (сила сопротивления подаче); г - расположение полей допусков соединения оправка-заготовка. Условные обозначения: _изн - допуск на износ оправки; _изг - допуск на изготовление оправки; i_mim, i_max - зазор между деталью и оправкой; ₀ - допуск на отверстие; d₀ - диаметр отверстия; d_в - диаметр вала.

Цанги представляют собой пружинящие гильзы. Их применяют для установки заготовок по наружным и внутренним цилиндрическим и шлицевым поверхностям. Цанги обеспечивают концентричность установки 0,02 − 0,05 мм и представляют собой разрезные пружинящие гильзы (рис. 3.7.). Они выполняются из высокоуглеродистой стали У10А и подвергаются термической обработке в местах губок до твердости НRC 59...63 и в хвостовой части до НRC 40...46. Цанги выполняются также из легированных сталей, содержащих 0,6 - 0,7% С; 1% Mn и 0,5% Cr. Марганец и хром придают цангам высокую твердость и износостойкость.

где: Pз – сила закрепления заготовки; Q – сила сжатия лепестков цанги; φ− угол трения между цангой и втулкой.

Р ис. 3.7. Цанговые зажимы а, б — конструкции с тянущей и толкающей цангами для закрепления соответ­ственно штучных заготовок и пруткового материала;

в — число и форма лепест­ков; г — схема для расчета сил в лепестке цанги

На рис. 3.7. а, б приведены примеры конст­рукции цанг для центрирования по наружному диаметру. Если конструкцию на рис. 3.7, а с тянущей цангой применяют для за­крепления штучных заготовок, то конструкцию на рис. 3.7, б с толкающей цангой применяют чаще всего для закрепления пруткового материала. Для фиксации прутка в осевом направлении перед цангой установлен упор.

Число лепестков цанги (рис. 3.7, в) зависит от ее рабочего диа­метра d (см. рис. 3.7, б) и профиля базовой поверхности заготовки или собираемой детали. При d < 30 мм цанга имеет три лепестка, при 30 < d < 80 мм — четыре, при d > 80 мм — шесть. Если базовая поверхность — шлицевая, то число лепестков равно числу шли­цов и форма лепестка повторяет профиль впадины шлица.

Рис. 3.8. Схема клиноплунжерного токарного патрона (1 - корпус; 2 - плунжер; 3 - клин; 4 - шарик).

Условные обозначения: Р_з − усилие зажима одним плунжером; Р_и − сила тяги привода;  − угол наклона конуса клина; а − толщина гильзы корпуса.

Рис. 3.9. Оправка кулачковая шпиндельная. Условные обозначения: Р_и - осевая сила на тяге; D - диаметр посадочный; d - диаметр кулачков; d₁ – диаметр тяги; l - длина оправки.

Оправки и патроны с тарельчатыми (пластинчатыми) пружи­нами применяют для установки заготовок по внутренним или на­ружным поверхностям. Они обеспечивают прочное закрепление и точное центрирование в пределах 0,01 ...0,02 мм. Высокую точность центрирования обеспечивают шлифованием наружной поверхно­сти предварительно сжатых пружин.

На рис. 3.10. а показана консольная оправка для закрепления заготовки 2 по внутренней цилиндрической поверхности. Втулка 4, установленная в корпусе 1 оправки, затягивается винтом 5. При этом для закрепления заготовки осевые силы способствуют сплю­щиванию тарельчатых пружин 3 и их частичному распределению, что увеличивает наружный диаметр пружин на 0,1 ...0,4 мм в зави­симости от их размеров.

Тарельчатые пружины (рис. 3.10, б) изготовляют из пружинной стали марки 60С2А, термически обработанной до твердости 40... 45 HRC. Толщина S пружины составляет 0,5... 1,25 мм. При отжатии винта 5 (см. рис. 3.10, а) пружины 3 возвращаются в исходное положение, а заготовка 2 легко снимается с оправки.

Базовую поверхность заготовки выполняют с точностью не гру­бее 11-го квалитета. Максимальное сплющивание пружин допус­кается в пределах 3/4 их полной высоты.

При установке заготовок с протяженной наружной базовой поверхностью применяют оправки с двумя пакетами симметрич­но расположенных тарельчатых пружин. Значение осевой силы для закрепления заготовки составит:

где N₁ — сила, необходимая для выборки радиального зазора между пружинами и базовой поверхностью заготовки; N₂ — сила закреп­ления. Размеры тарельчатых пружин нормализованы, поэтому их выбирают по справочным таблицам.

Патроны и оправки с самоцентрирующими тонкостенными втулками, наполненными гидропластмассой, применяют для установки по наружной или внутренней поверхности деталей, обрабатываемых на токарных и других станках.

На приспособлениях с тонкостенной втулкой обрабатываемые детали наружной или внутренней поверхностью устанавливают на цилиндрическую поверхность втулки. При разжиме втулки гидропластмассой детали центрируются и зажимаются.

Н а рис. 3.11. показана консольная оправка с тонкостенной втулкой и гидропластмассой. Обрабатываемую деталь 4 базовым отверстием устанавливают на наружную поверхность тонкостенной втулки 5. При подаче сжатого воздуха в штоковую полость пневмоцилиндра поршень со штоком перемещается в пневмоцилиндре влево и шток через тягу 6 и рычаг 1 передвигает плунжер 2, который нажимает на гидропластмассу 3. Гидропластмасса равномерно давит на внутреннюю поверхность втулки 5, втулка разжимается; наружный диаметр втулки увеличивается, и она центрирует и закрепляет обрабатываемую деталь 4.

Рис. 3.11. Консольная оправка с гидропластмассой .

Мембранные патроны применяют для точного центрирования заготовок по наружной и внутренний цилиндри­ческой поверхностям. В зависимости от воздействия на мембрану штока механизированного привода — тянущего или толкающего действия — мембранные патроны подразделяются на разжимные и зажимные.

Мембранный патрон состоит из круглой, привертываемой к планшайбе, мембраны 1 (рис. 3.12, а) с сим­метрично расположенными кулачками 2, число которых n = 6... 12. Внутри шпинделя станка проходит шток 3 пневмоцилиндра, ко­торый при движении вперед прогибает мембрану 1 и раздвигает кулачки 2. При обратном ходе штока 3 мембрана 1, выпрямляясь, сжимает кулачками 2 заготовку 4. При откреплении заготовки шток раздвигает кулачки (рис. 3.12, б, схема раскрытого патрона).

Материал мембраны — сталь марок 65Г, ЗОХГС или У7А, зака­ленная до твердости 40...45 HRC. Конструкции и основные пара­метры мембранных патронов стандартизованы.

Мембранные патроны обеспечивают точность центрирования 0,003...0,005 мм, для чего кулачки должны быть отшлифованы по внутреннему диаметру на месте в установленном на станке патроне.

Форма рабочей поверхности зажимных элементов, контактирующих с заготовкой, в основном такая же, как и установочных элементов. Графически зажимные элементы обозначаются согласно таблице 4

Таблица 4

Графическое обозначение зажимных элементов

Контрольные задания.

Задание 3.1.

Основные правила при закреплении заготовки?

Задание 3.2.

От чего зависит количество точек зажима детали при обработке?

Задание 3.3.

Преимущества и недостатки применения эксцентриков.

Задание 3.4.

Графическое обозначение зажимных элементов.