Проф А С Мельников Проектирование технологической оснастки ТЕХНИЧЕСКИЙ

Проф. А. С. Мельников Проектирование технологической оснастки ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Зажимные элементы ДГТУ АСМ 1

Зажимные элементы Зажимными элементами называют механизмы, устраняющие возможность смещения заготовки относительно установочных элементов под действием собственного веса и сил, возникающих при обработке (сборке). Зажимные механизмы реализуют вторую часть установки– закрепление заготовки после базирования ее установочными элементами ДГТУ АСМ 2

Зажимные элементы Основные требования к зажимным механизмам: • При зажиме не должно нарушаться положение заготовки, достигнутое при базировании. Это обеспечивается правильным выбором направления и точки приложения сил зажима. • Зажим не должен деформировать закрепляемую заготовку и портить (сминать) ее поверхности. • Сила закрепления должна быть минимально необходимой для надежного обеспечения положения заготовки в процессе обработки. • Зажимной механизм должен обеспечивать минимальные затраты сил и времени рабочего. Допускаемое усилие руки – не более 15 кгс (147 Н). • Зажимной элемент не должен напрямую воспринимать силу резания. • Зажимной механизм должен быть простым по конструкции, максимально удобным и безопасным. ДГТУ АСМ 3

Зажимные элементы Расчет силы закрепления заготовки Расчет сводится к решению задачи статики на равновесие твердого тела (заготовки ) под действием системы внутренних и внешних сил. К заготовке могут быть приложены: • Силы и моменты, возникающие в процессе обработки. • Сила тяжести (вес). Учитывают, когда заготовка устанавливается на вертикально или наклонно расположенные УЕ, в поворотных или кантующихся приспособлениях • Инерционные силы, возникающие при резких изменениях скорости движения заготовки в процессе обработки; • центробежные силы, возникают когда центр тяжести смещен относительно оси вращения заготовки. • Реакции в опорах, воспринимающих все нагрузки, включая силы зажима. . ДГТУ АСМ 4

Зажимные элементы • Силы и моменты, возникающие в процессе обработки. По величине, направлению, месту приложения переменны. При расчетах следует использовать такую стадию процесса обработки, при которой силы зажима потребуются наибольшие. Величину рассчитывают по формулам теории резания или определяют по нормативам в справочной литературе. Рассчитанная величина может оказаться большей в зависимости от реальных условий обработки. Это учитывается введением коэффициента запаса, величина определяется произведением ряда частных коэффициентов, каждый из которых зависит от тех или иных особенностей выполняемой обработки: Ø Ø Ø Неоднородность материала заготовки, Состояние технологической базы (черная или обработанная), Затупление инструмента, Возможность ударной нагрузки на заготовку при прерывистом резании, Особенности реализации схемы базирования заготовки, Стабильность силового привода приспособления ДГТУ АСМ 5

Зажимные элементы • Силы закрепления, которые должен развить зажимной механизм. При составлении расчетной схемы нужно правильно выбрать направление и точки приложения сил зажима. Правильный выбор направления сил зажима определяется следующими правилами: Ø Сила зажима должна быть направлена перпендикулярно поверхностям УЕ Ø Сила зажима должна быть направлена на тот УЕ, с которым заготовка имеет наибольшую площадь контакта Ø Направление силы зажима по возможности должно совпадать с направлением силы тяжести Ø Направление силы зажима по возможности должно совпадать с направлением силы резания, смещающей заготовку ДГТУ АСМ 6

Зажимные элементы При выборе точки приложения сил зажима руководствуются правилами: Ø Сила зажима должна проектироваться на УЕ по возможности ближе к его центру, или в многоугольник между несколькими УЕ (в) Ø Точка приложения силы зажима должна лежать на поверхности, параллельной поверхности УЕ, воспринимающей эту силу (г) Ø Сила зажима с реакциями опор не должна создавать изгибающих заготовку моментов (д) Ø Точка приложения силы зажима должна расположена по возможности ближе к месту обработки, осбенно для маложестких заготовок (а) ДГТУ АСМ 7

Зажимные элементы Методика расчета сил зажима Цель расчета – определения величины сил зажима, обеспечивающих неизменность положения заготовки в приспособлении в течение всего времени обработки Исходные данные: • Схема базирования и закрепления заготовки, • Режим резания при обработке заготовки • Величина, направление и точки приложения сил, смещающих заготовку • Коэффициент запаса сил зажима • Коэффициенты трения между поверхностями заготовки и установочными и зажимными элементами. ДГТУ АСМ 8

Зажимные элементы Последовательность расчета сил зажима: § Составление расчетной схемы. На схеме показываются все силы и моменты, действующие на заготовку во время обработки в самый неблагоприятный момент, когда для сохранения положения заготовки в приспособлении требуются наибольшие силы зажима § Составление уравнений сил и моментов из условия равновесия заготовки. При составлении уравнений необходимо установить направление возможного смещения (поворота) заготовки и определить проекции всех сил на это направлен и § Определение коэффициента запаса зажимных сил для конкретных условий обработки. § Совместное решение уравнений сил и моментов для определения величины силы (сил) зажима. ДГТУ АСМ 9

Зажимные элементы Рис. 25 терл, рис 27 терл Примеры расч. схем ДГТУ АСМ 10

Зажимные элементы Рис. 25 терл, рис 27 терл Примеры расч. схем ДГТУ АСМ 11

Зажимные элементы Классификация зажимных механизмов приспособлений А. По сложности конструкции – простые и комбинированные Простые: • Винтовые • Клиновые • Эксцентриковые • Рычажные • Шарнирно-рычажные • Пружинные Комбинированные состоят из 2 -х – 3 -хсблокированных последовательно простых механизмов (винто-рычажные, клино -рычажные и т. п. ) ДГТУ АСМ 12

Зажимные элементы Б. По числу точек приложения сил зажима – единичные и многократные. Многократные зажимают одну заготовку в нескольких точках или несколько заготовок в многоместном приспособлении одновременно и с равными силами. В. По степени механизации: • Ручные – от мускульной силы рабочего, применяют в единичном и мелкосерийном производствах • Механизированные – работают от силового привода, применяют в серийном и массовом производствах. • Автоматизированные – зажимают и открепляют заготовку без участия рабочего, управляются системой управления станка, применяются в крупносерийном и массовом производствах ДГТУ АСМ 13

Конструкции и расчеты зажимных механизмов Порядок проектирования зажимных механизмов: 1) По рассчитанной силе зажима Q с учетом конструктивных особенностей заготовки и рабочей зоны ТС выбирается тип и основные размеры механизма 2) Определяется необходимый для закрепления рабочий ход SQ исходя из удобства установки заготовки 3) Рассчитываются сила и рабочий ход, которые должен развивать силовой привод на входе в зажимной механизм, из уравнений сил и перемещений зажимного механизма: и W и SW – сила и перемещение, передаваемые от силового привода зажимному механизму, i и iп – передаточные отношения сил и перемещений, зависящие от конструктивных параметров зажимного механизма. Передаточные отношения комбинированного зажимного механизма равны произведениям простых, из которых составлен комбинированный. 4) Прочностными расчетами уточняются размеры наиболее нагруженных деталей зажимного механизма. 14 ДГТУ АСМ

Конструкции и расчеты зажимных механизмов Для правильного выбора типа зажимного механизма и расчета его конструктивных параметров необходимо для каждого типа механизма иметь расчетные формулы передаточных отношений в зависимости от его конструктивно-размерных параметров ДГТУ АСМ 15

Конструкции и расчеты зажимных механизмов Винтовые зажимы. Достоинства винтовых зажимов: • Простота конструкции • Наличие самоторможения • надежность • Простота механизации и автоматизации • Невысокая стоимость Недостаток • Относительно большое время зажима Сила на рукоятке длиной l С учетом потерь на трение в месте контакта винта с заготовкой: ДГТУ АСМ 16

Конструкции и расчеты зажимных механизмов Клиновые зажимные механизмы Достоинства: • Простота и компактность • Возможность самоторможения (при углах клина α = 5 – 15 о) • Надежность • Возможность смены направления силы привода • Легко комбинируется с другими механизмами Недостаток: • Низкий КПД из-за больших потерь на трение, которые резко увеличиваются с уменьшением угла клина ДГТУ АСМ 17

Конструкции и расчеты зажимных механизмов Силовой расчет клинового механизма: При зажиме клин движется влево с силой W и на его рабочих поверхностях возникают нормальные силы Q – сила зажима заготовки и N – на наклонной плоскости и силы трения F 1 – между заготовкой и клином и F 1 – между клином и наклонной плоскостью (или рычагом в комбинированном механизме): , - углы и коэффициенты трения на поверхностях клина. Из условия равновесия клина в конце зажима: Уравнение перемещений: ДГТУ АСМ 18

Конструкции и расчеты зажимных механизмов Потери на трение в клиновом механизме αо 5 20 45 W в долях Q Потери Без учета сил трения С учетом сил трения на трение, % 0, 087 0, 29 70 0, 37 0, 59 37 1 1, 25 25 Для повышения КПД клин ставят на ролики, при этом на рабочих поверхностях клина – трение качения, а трение скольжения – между отверстиями роликов и их осями. Тогда: Из условия равновесия роликов ДГТУ АСМ 19

Конструкции и расчеты зажимных механизмов Клиноплунжерные механизмы В таких механизмах клин не взаимодействует с заготовкой непосредственно, а передает силу зажима через промежуточную деталь – плунжер. При силовом расчете такого механизма нужно учитывать дополнительные потери на трение в направляющих плунжера. Консольный плунжер силою Р в направляющих перекашивается, нормальное давление плунжера на направляющие N распределяется по закону треугольника и тогда: Двухопорный плунжер силою Р не перекашивается, поэтому: Рабочий ход: ДГТУ АСМ 20

Конструкции и расчеты зажимных механизмов Эксцентриковые зажимы Эксцентрик это объединенные в одну две детали – круглый диск, на который своим основанием «навернут» плоский односкосый клин. При повороте эксцентрика вокруг центра круглого диска плоский клин входит в зазор между диском и заготовкой и развивает силу зажима Q. Рабочая поверхность эксцентрика может быть окружностью (круговые) или спиралью (криволинейные). В развертке кругового эксцентрика клин получается криволинейным с переменным углом α=var, следовательно и Q = var, а криволинейного α = const и Q = const. Так как технология изготовления круговых эксцентриков значительно проще, чем криволинейных, они широко распространены в станочных приспособлениях. 21 ДГТУ АСМ

Конструкции и расчеты зажимных механизмов Достоинства круговых эксцентриковых зажимных механизмов: • • Простота конструкции Просты в изготовлении Обладают самоторможением Производительны – минимальное время на закрепление заготовки даже при ручном закреплении Недостатки круговых эксцентриков: • Непостоянство силы зажима – зависимость силы от угла поворота эксцентрика, который в криволинейном клине переменен • Требуют на раскрепление большего усилия, чем на закрепление, что вызывает утомляемость рабочего Область эффективного применения – приспособления для индивидуального и серийного производств ДГТУ АСМ 22

Конструкции и расчеты зажимных механизмов Исходные данные для проектирования эксцентрикового зажима: • Допуск ТН размера Н заготовки от технологической базы до точки приложения силы зажима , • рабочий угол поворота эксцентрика β от начального (нулевого) положения, • Необходимая сила зажима Q, которую должен развить зажим В результате расчетов нужно определить: • • • Эксцентриситет эксцентрика е, Радиус рабочей поверхности R, Диаметр оси эксцентрика d, Длину рукоятки l, Ширину рабочей поверхности B. ДГТУ АСМ 23

Конструкции и расчеты зажимных механизмов Рис. 32 терл ДГТУ АСМ 24

Конструкции и расчеты зажимных механизмов Величину эксцентриситета можно определить из уравнения перемещений для плоского односкосого клина: Если рассчитать среднее значение угла по развертке, и принять tgαср= αср, так как угол αср меньше угла самоторможения, т. е. очень мал, и выразить SW через угол поворота эксцентрика β и радиус круглого диска r SW = βr , то Необходимый ход SQ должен быть не меньше где S 1 - минимальный зазор, необходимый для свободной установки заготовки, J – жесткость узла зажима. откуда Диаметр цапфы (оси) и ширина В рабочей части определяются из условия отсутствия контактных деформаций смятия материалов цапфы, эксцентрика и заготовки 25 ДГТУ АСМ

Конструкции и расчеты зажимных механизмов Радиус рабочей поверхности должен обеспечить самоторможение кругового эксцентрика, т. е. угол клина должен быть меньше угла самоторможения α<αс. В момент зажима откуда Для получения расчетных формул сил, действующих в эксцентриковом механизме, заменим эксцентрик плоским клином с углом α в зазоре между поверхностями заготовки и оси эксцентрика. Из условия равновесия этого клина : При проектировании ручных эксцентриков задаются силой W на рукоятке и определяют длину рукоятки, при которой развивается необходимая сила зажима Q ДГТУ АСМ 26

Конструкции и расчеты зажимных механизмов В зажимном механизме с торцовым кулачком односкосый клин c углом α < αс, у которого основание свернуто в окружность радиуса r и укреплен на цилиндрическом основании. При повороте вокруг оси О – О с силой W кулачок , как и эксцентрик, на наклонной поверхности развивает силу зажима Q Уравнение сил, действующих на кулачок, имеет вид: Задавшись углом α и необходимым рабочим ходом SQ, определяют необходимый радиус кулачка rср из уравнения , а затем из уравнения сил рассчитывают длину рукоятки, задавая усилие рабочего W. ДГТУ АСМ 27

Конструкции и расчеты зажимных механизмов Рычажные зажимы ДГТУ АСМ 28

Конструкции и расчеты зажимных механизмов Из условия равновесия рычага (сумма моментов сил относительно оси вращения рычага) с учетом сил трения Потери на трение в рычажном механизме составляют 1, 5 – 6%. Поэтому при расчетах таких механизмов их часто не учитывают. ДГТУ АСМ 29

Конструкции и расчеты зажимных механизмов Шарнирно-рычажные механизмы: рычаг имеет 2 шарнира на концах – через один он получает силу привода W, через второй развивает силу зажима Q. В приспособлениях используют три разновидности : • Однорычажные, • Двухрычажные одностороннего действия, • Двухрычажные двустороннего действия Рис. 36 а, б Терл. ДГТУ АСМ 30

Конструкции и расчеты зажимных механизмов В одно рычажном механизме развиваемая сила зажима Q зависит от угла наклона рычага α от направления этой силы. С учетом потерь на трение в шарнирах и направляющих ползуна: Рис. 36 а, б Терл. φ –трения в направляющих ползуна, Β – угол отклонения равнодействующей сил Q и W за счет трения в шарнирах. Рабочий ход В двурычажных механизмах требуется в 2 раза большая сила привода для создания силы зажима Q, если нет ползунов Рабочий ход двурычажных механизмов вдвое больше, чем однорычажного ДГТУ АСМ 31

Конструкции и расчеты зажимных механизмов Пружинные зажимы Автоматизированный пружинный зажим с приводом от подачи станка. ДГТУ АСМ 32

Конструкции и расчеты зажимных механизмов Многократные зажимы зажимают одну заготовку в нескольких точках или несколько заготовок от одного силового привода. При проектировании нужно обеспечить: • Равенство сил зажима на всех заготовках • Силу привода, равную сумме сил Q с учетом передаточных отношений и КПД всех простых механизмов 33 ДГТУ АСМ

Конструкции и расчеты зажимных механизмов ДГТУ АСМ 34

Конструкции и расчеты зажимных механизмов ДГТУ АСМ 35

Конструкции и расчеты зажимных механизмов ДГТУ АСМ 36