Главная Утепление Эксцентриковые зажимы. Расчет сил зажима в круговом эксцентрике

Эксцентриковые зажимы. Расчет сил зажима в круговом эксцентрике

Зажимы эксцентриковые просты в изготовлении по этой причине нашли широкое применение в станочных приспособлениях. Применение эксцентриковых зажимов позволяет значительно сократить время на зажим заготовки но усилие зажима уступает резьбовым.

Эксцентриковые зажимы выполняются в сочетании с прихватами и без них.

Рассмотрим эксцентриковый зажим с прихватом.

Эксцентриковые зажимы не могут работать при значительных отклонениях допуска (±δ) заготовки. При больших отклонениях допуска зажим требует постоянной регулировки винтом 1.

Расчёт эксцентрика

Материалом применяемом для изготовления эксцентрика являются У7А, У8А с термообработкой до HR с 50....55ед, сталь 20Х с цементацией на глубину 0,8... 1,2 С закалкой HR c 55...60ед.

Рассмотрим схему эксцентрика. Линия KN делит эксцентрик на дв? симметричные половины состоящие как бы из 2 х клиньев, навернутых на «начальную окружность».

Ось вращения эксцентрика смещена относительно его геометрической оси на величину эксцентриситета «е».

Для зажима обычно используется участок Nm нижнего клина.

Рассматривая механизм как комбинированный состоящий из рычага L и клина с трением на двух поверхностях на оси и точки «m» (точка зажима), получим силовую зависимость для расчёта усилия зажима.

где Q - усилие зажима

Р - усилие на рукоятке

L - плечо рукоятки

r -расстояние от оси вращения эксцентрика до точки соприкосновения с

заготовкой

α - угол подъёма кривой

α 1 - угол трения между эксцентриком и заготовкой

α 2 - угол трения на оси эксцентрика

Во избежание отхода эксцентрика во время работы необходимо соблюдать условие самоторможение эксцентрика

где α - угол трения скольжения в точке касания заготовки ø - коэффициент трения

Для приближённых расчётов Q - 12Р Рассмотрим схему двухстороннего зажима с эксцентриком

Клиновые зажимы

Клиновые зажимные устройства нашли широкое применение в станочных приспособлениях. Основным элементом их является одно, двух и трёхскосые клинья. Использование таких элементов обусловлено простотой и компактностью конструкций, быстротой действия и надёжностью в работе, возможностью использования их в качестве зажимного элемента, действующего непосредственно на закрепляемую заготовку, так и качестве промежуточного звена, например, звена-усилителя в других зажимных устройствах. Обычно используются самотормозящиеся клинья. Условие самоторможения односкосого клина выражается зависимостью

α > 2ρ

где α - угол клина

ρ - угол трения на поверхностях Г и Н контакта клина с сопрягаемыми деталями.

Самоторможение обеспечивается при угле α = 12°, однако для предотвращения того чтобы вибрации и колебания нагрузки в процессе использования зажима не ослабли крепления заготовки, часто применяют клинья с углом α <12°.

Вследствие того, что уменьшение угла приводит к усилению

самотормозящих свойств клина, необходимо при конструировании привода к клиновому механизму предусматривать устройства, облегчающие вывод клина из рабочего состояния, так как освободить нагруженный клин труднее, чем вывести его в рабочее состояние.

Этого можно достичь путём соединения штока приводного механизма с клином. При движении штока 1 влево он проходит путь «1» в холостую, а затем ударяясь в штифт 2, запрессованный в клин 3, выталкивает последний. При обратном ходе штока так же ударом в штифт заталкивает клин в рабочее положение. Это следует учитывать в случаях, когда клиновой механизм приводится в действие пневмо или гидроприводом. Тогда для обеспечения надёжности работы механизма следует создавать разное давление жидкости или сжатого воздуха с разных сторон поршня привода. Это различие при использовании пневмоприводов может быть достигнуто применением редукционного клапана в одной из трубок, подводящих воздух или жидкость к цилиндру. В случаях, когда самоторможение не требуется, целесообразно применять ролики на поверхностях контакта клина с сопряжёнными деталями приспособления, тем самым облегчается ввод клина в исходное положение. В этих случаях обязательно стопорение клина.

Эксцентриковые зажимы выполняются в сочетании с прихватами и без них.

Рассмотрим эксцентриковый зажим с прихватом.

Расчёт эксцентрика

М
атериалом применяемом для изготовления эксцентрика являются У7А, У8Ас термообработкой до HR с 50....55ед, сталь 20Х с цементацией на глубину 0,8... 1,2 С закалкой HR c 55...60ед.

Рассмотрим схему эксцентрика. Линия KN делит эксцентрик на дв? симметричные половины состоящие как бы из 2 х клиньев, навернутых на «начальную окружность».

Ось вращения эксцентрика смещена относительно его геометрической оси на величину эксцентриситета «е».

Для зажима обычно используется участок Nm нижнего клина.

где Q - усилие зажима

Р - усилие на рукоятке

L - плечо рукоятки

r -расстояние от оси вращения эксцентрика до точки соприкосновения с

заготовкой

α - угол подъёма кривой

α 1 - угол трения между эксцентриком и заготовкой

α 2 - угол трения на оси эксцентрика

Во избежание отхода эксцентрика во время работы необходимо соблюдать условие самоторможение эксцентрика

Условие самоторможения эксцентрика. = 12Р

о чяжима с экспентоиком

г
деα - угол трения скольжения в точке касания заготовки ø - коэффициент трения

Для приближённых расчётов Q - 12Р Рассмотрим схему двухстороннего зажима с эксцентриком

Клиновые зажимы

α > 2 ρ

где α - угол клина

ρ - угол трения на поверхностях Г и Н контакта клина с сопрягаемыми деталями.

Вследствие того, что уменьшение угла приводит к усилению

Рассмотрим схему действия сил в односкосом, наиболее часто применяемом в приспособлениях, клиновом механизме

Построим силовой многоугольник.

При передачи сил под прямым углом имеем следующую зависимость

+закрепление, - открепление

Самоторможение имеет место при α<α 1 +α 2 Если α 1 =α 2 =α 3 =α зависимость более простая P = Qtg(α+2φ)

Цанговые зажимы

Цанговый зажимной механизм известен достаточно давно. Закрепление заготовок при помощи цанг оказался очень удобным при создании автоматизированных станков потому, что для закрепления заготовки требуется лишь одно поступательное движение зажимаемой цанги.

При работе цанговых механизмов должны выполняться следующие требования.

Силы закрепления должны обеспечиваться в соответствие с возникающими силами резания и не допускать перемещения заготовки или инструмента в процессе резания.

Процесс закрепления в общем цикле обработки является вспомогательным движением поэтому время срабатывание цангового зажима должно быть минимальным.

Размеры звеньев зажимного механизма должны определяться из условий их нормальной работы при закреплении заготовок как наибольшего так и наименьших размеров.

Погрешность базирования закрепляемых заготовок или инструмента должна быть минимальной.

Конструкция зажимного механизма должна обеспечивать наименьшие упругие отжатия в процессе обработки заготовок и обладать высокой виброустойчивостью.

Детали цангового зажимного и особенно зажимная цанга должны обладать высокой износоустойчивостью.

Конструкция зажимного устройства должна допускать его быструю смену и удобную регулировку.

Конструкция механизма должна предусматривать защиту цанг от попадания стружки.

Цанговые зажимные механизмы работают в широком диапазоне размеров. Практически минимальный допустимый размер для закрепления 0,5 мм. На многошпиндельных прутковых автоматах диаметры прутков, а

следовательно и отверстия цанг доходят до 100 мм. Цанги с большим диаметром отверстия применяются для закрепления тонкостенных труб, т.к. относительное равномерное закрепление по всей поверхности не вызывает больших деформаций труб.

Цанговый зажимной механизм позволяет производить закрепление заготовок различной формы поперечного сечения.

Стойкость цанговых зажимных механизмов колеблется в широких пределах и зависит от конструкции и правильности технологических процессов при изготовлении деталей механизма. Как правило раньше других их строя выходят зажимные цанги. При этом количество закреплений цангами колеблется от единицы (поломка цанги) до полумиллиона и более (износ губок). Работа цанги считается удовлетворительной, если она способна закрепить не менее 100000 заготовок.

Классификация цанг

Все цанги могут быть разбиты на три типа:

1. Цанги первого типа имеют «прямой» конус, вершина которого обращена от шпинделя станка.

Для закрепления необходимо создать силу втягивающую цангу в гайку, навинченную на шпиндель. Положительные качества этого типа цанг -они конструктивно достаточно просты и хорошо работают на сжатие (закалённая сталь имеет большое допустимое напряжение при сжатии чем при растяжении. Несмотря на это, цанги первого типа в настоящее время находят ограниченное применение из-за недостатков. Какие это недостатки:

а) осевая сила, действующая на цангу, стремится отпереть ее,

б) при подачи прутка возможно преждевременное запирание цанги,

в) при закреплении такой цангой возникает вредное воздействие на

г) наблюдается неудовлетворительное центрирование цанги в шпинделе, так как головка центрируется в гайке, положение которой на шпинделе не является стабильным из-за наличия резьбы.

Цанги второго типа имеют «обратный» конус, вершина которого обращена к шпинделю. Для закрепления необходимо создать силу, втягивающую цангу в коническое отверстие шпинделя станка.

Цангами этого типа обеспечивается хорошее центрирование закрепляемых заготовок, т. к. конус под цангу расположен непосредственно в шпинделе, во время подачи прутка до упора не может

возникнуть заклинивание, осевые рабочие силы не раскрывают цангу, а запирают её, увеличивая силу закрепления.

Вместе с тем ряд существенных недостатков снижает работоспособность цанг этого типа. Так многочисленных контактов с цангой коническое отверстие шпинделя сравнительно быстро изнашивается, резьба на цангах часто выходит из строя, не обеспечивая стабильного положения прутка по оси при закреплении - он уходит от упора. Тем не менее цанги второго типа получили широкое применение в станочных приспособлениях.

Цанги третьего типа имеют также обратный конус, но работают за счёт осевого перемещения втулки с коническим отверстием при этом сама цанга остаётся неподвижной.

Такая конструкция позволяет избежать большинства недостатков, присущих цангам первого и второго типа. Однако одним из существующих недостатков цанг этого типа является увеличение габаритных размеров всего зажимного узла по диаметру.

Для изготовления цанг средних и крупных размеров в основном используются стали марок 65Г, 12ХНЗА, У7А, У8А. Считается целесообразным использовать малоуглеродистые цементируемые стали. Опытные данные показывают, что цементируемые стали работают не хуже углеродистых. Наличие, например, никеля в цементируемой стали 12ХНЗА обеспечивает стойкость цанги на истирание, а цементация придает ей относительно хорошие пластические свойства. Тем не менее на большинстве заводов отдают предпочтение стали 65Г.

Р
ассмотрим какие усилия возникают при работе цанги при отсутствииосевого упора.

P = (Q+Q")tg( α + φ )

Q - усилие зажима поверхности загото вки рассчитывается по формуле

М - момент резания М = Р z V подставим значения момента резания

Где - V - расстояние от оси до точки приложения силы резания R - радиус заготовки на участки зажима.

q - составляющая часть усилия сдвигающая заготовку вдоль оси.

ƒ - стрела прогиба. к - коэффициент запаса

Q 1 - усилие необходимое для сжатия всех липесков цанги до соприкосновения с заготовкой.

φ - угол трения между цангой и корпусом

где Е - модуль упругости.

1 - момент инерции сектора в заделе цанги.

f - стрела прогиба.

l- длина леписка цанги от места задела до середины конуса.

Вакуумные зажимные устройства

Вакуумные зажимные устройства работают по принципу непосредственной передачи атмосферного давления на закрепляемую заготовку.

Вакуумные устройства могут применяться для удержания заготовок из различных материалов с плоской или криволинейной поверхностью. Сила закрепления достаточна для выполнения операций отделки и чистовой обработки. Вакуумные устройства весьма эффективны для закрепления тонких пластин. Базовые поверхности заготовки могут быть как чисто обработанными, так и чёрными, но достаточно ровными без заметных на глаз впадин и выступов.

При наличии шлифованных поверхностей допускается установка заготовок без уплотнения. Открепление заготовок осуществляется сообщением полости из которой выкачен воздух с атмосферой.

Сила прижимающая заготовку рассчитывается по такой формуле

Q = F(l,033-P) кг.

где F - площадь в см 2 , границы которой берутся по линии уплотнения Р -вакуум создаваемый в полости приспособления отсасывающим устройством.

На практике применяется вакуум 0,1 0,15кг/см 2

Применения более глубокого вакуума обходится дорого, а усилие закрепления увеличивается незначительно.

Для равномерного многоточечного прижима заготовки к плите на установочной плоскости выполняют большое количество отверстий равномерно расположенных.

В этом случае закрепление проходит без местного выпучивания и коробления заготовки. Вакуум для индивидуальных установок создается:

а) центробежными насосами Р = 0,3 кг/см 2

б) поршневыми одноступенчатыми Р = 0,005 кг/см 2

двухступенчатыми Р = 0,01 кг/см 2

Они являются самыми быстродействующими из всех ручных зажимных механизмов. По быстродействию они сравнимы с пневмозажимами. Эксцентрики работают по принципу клина.

Применяются две конструктивных разновидности эксцентриков – круговые и криволинейные. Круговые эксцентрики представляют собой диск или валик со смещённой осью вращения. Они получили наибольшее распространение, так как просты в изготовлении. У криволинейных эксцентриков профиль очерчен по архимедовой или логарифмической спирали.

Недостатки эксцентриковых зажимов:

Малая величина рабочего хода, ограниченная величиной эксцентриситета.

Непостоянство силы зажима в партии заготовок при закреплении круговым эксцентриком.

Повышенная утомляемость рабочего, обусловленная свойством.

Неприменимость при наличии ударной работы или работе с вибрациями из-за опасности самооткрепления.

Несмотря на эти недостатки, эксцентриковые зажимы широко применяются в приспособлениях, особенно для мелкосерийного и серийного производства. Это объясняется простотой конструкции, невысокой стоимостью изготовления и высокой их производительностью.

Непостоянство силы зажима кругового эксцентрика связано с неравномерностью угла подъёма криволинейного клина. Круговой эксцентрик удовлетворительно зажимает заготовку при рабочих углах поворота β=30…130 . Даже при таких углах поворота сила зажима колеблется по величине на 20…25%.

Практикой установлено, что хорошо работают эксцентрики, у которых R/е 7. Они обеспечивают достаточный ход при угле поворота β в пределах 135 и обеспечивают самоторможение эксцентрика.

Криволинейные эксцентрики обеспечивают постоянство силы зажима, так как угол подъёма у них постоянный. Но эти эксцентрики сложны в изготовлении и поэтому применение их ограничено.

Расчёт силы зажима

Силу зажима круговым эксцентриком с достаточной для практических расчётов точностью можно определить, заменив действие эксцентрика действием плоского односкосого клина с углом α в зазоре между цапфой и поверхностью заготовки. Схема такой замены и сил, действующих на эксцентрик и фиктивный клин, приведены на рис 4.79.

Рис. 4.79. Схема сил, действующих на эксцентрик и фиктивный клин

На схеме сила W 1 - сила, действующая на плоскость зажима РР под углом α. Вдоль плоскости зажима действует сила Т=W 1 α. Эту силу можно рассматривать как внешнюю, действующую на клин КСР с углом α. Используя формулу для расчёта плоского односкосого клина, можно записать:

Силу W 1 можно определить, рассмотрев равновесие эксцентрика:

Так как , то .

Подставим значение W 1 в формулу (1) и опустим α как величину близкую к единице при малых углах α:

где R 1 и α – переменные величины.

Простые в изготовлении, обладающие большим коэффициентом усиления, достаточно компактные эксцентриковые зажимы, являясь разновидностью кулачковых механизмов, обладают еще одним, несомненно, главным своим преимуществом – быстродействием.

Рабочую поверхность кулачка чаще всего выполняют в виде цилиндра с окружностью или спиралью Архимеда в основании. В данной статье речь пойдет о более распространенном и более технологичном в изготовлении круглом эксцентриковом зажиме.

Размеры стандартизованных кулачков эксцентриковых круглых для станочных приспособлений приведены в ГОСТ 9061-68. Эксцентриситет круглых кулачков в этом документе задан равным 1/20 от наружного диаметра для обеспечения условия самоторможения во всем рабочем диапазоне углов поворота при коэффициенте трения 0,1 и более.

На рисунке ниже показана расчетная геометрическая схема механизма зажима. К опорной поверхности прижимается фиксируемая деталь в результате поворота за рукоятку эксцентрика против часовой стрелки вокруг жестко закрепленной относительно опоры оси.

Показанное положение механизма характеризуется максимально возможным углом α , при этом прямая, проходящая через ось вращения и центр окружности эксцентрика перпендикулярна прямой, проведенной через точку контакта детали с кулачком и точку центра наружной окружности.

Если повернуть кулачок на 90° по часовой стрелке относительно изображенного на схеме положения, то между деталью и рабочей поверхностью эксцентрика образуется зазор равный по величине эксцентриситету e . Этот зазор необходим для свободной установки и снятия детали.

РАСЧЕТНЫЕ ФОРМУЛЫ

Находим угол трения (°) "деталь - эксцентрик":

φ 1 = arctg (f 1) ,

где,
f 1 - коэффициент трения "деталь - эксцентрик";
0,15 - значение коэффициента трения «деталь - эксцентрик» соответствующее случаю «сталь по стали без смазки».

Находим угол трения (°) "ось - эксцентрик":

φ 2 = arctg (f 2) ,

где,
f 2 - коэффициент трения "ось - эксцентрик";
0,12 - значение коэффициента трения «ось - эксцентрик» соответствующее случаю «сталь по стали со смазкой».

Уменьшение трения в обоих местах повышает силовую эффективность механизма, но уменьшение трения в области контакта детали и кулачка ведет к исчезновению самоторможения.

Находим максимальный угол (°) кругового клина:

α = arctg (2 · e / D) ,

где,
e - эксцентриситет кулачка, мм;
для обеспечения самоторможения на стальных поверхностях желательно выполнять условие: D/e>15.
В ГОСТ 9061-68: D/e=20.
D - диаметр эксцентрика, мм.

Тогда радиус-вектор (мм) точки контакта будет равен:

R = D / (2 · cos (α)) ,

А расстояние от оси эксцентрика до опоры (мм) соответственно будет:

А = s + R · cos(α) ,

где,
s - толщина зажимаемой детали, мм.

Условием самоторможения является выполнение соотношения:

e ≤ R · f 1 + d/2 · f 2 ,

Если условие выполняется – самоторможение обеспечивается.

Усилие зажима (Н) можно найти по формуле:

F = P · L · cos (α) / (R · tg (α + φ 1) + d/2 · tg (φ 2)) ,

где,
P - усилие на рукоятке, Н;
L - длина рукоятки, мм.

Коэффициент передачи силы равен:

k = F / P

Выбранное для расчетов и изображенное на схеме положение эксцентрикового зажима является самым «невыгодным» с точки зрения самоторможения и выигрыша в силе. Но выбор такой не случаен. Если в таком рабочем положении рассчитанные силовые и геометрические параметры удовлетворяют разработчика, то в любых иных положениях эксцентриковый зажим будет обладать еще большим коэффициентом передачи силы и лучшими условиями самоторможения.

Уход при проектировании от рассмотренного положения в сторону уменьшения размера A при сохранении без изменений прочих размеров приведет к уменьшению зазора для установки детали.

Увеличение размера A может создать ситуацию при износе в процессе эксплуатации эксцентрика и значительных колебаниях толщины s , когда зажать деталь окажется просто невозможно.

Материалом для изготовления кулачка ГОСТ 9061-68 рекомендует использовать износостойкую поверхностно-цементированную сталь 20Х с поверхностной твердостью 56...61 HRC на глубине 0,8...1,2 мм. Но на практике эксцентриковый зажим выполняют из самых разнообразных материалов в зависимости от назначения, условий эксплуатации и располагаемых технологических возможностей.

Используя небольшую таблицу в MS Excel , созданную на основе этих формул, можно научиться быстро и просто определять главные параметры зажимов для кулачков из любых материалов, только нужно не забывать изменять в исходных данных значения коэффициентов трения.

В примере, показанном на скриншоте, по заданным размерам эксцентрика и силе, приложенной к рукоятке, определяется монтажный размер от оси вращения кулачка до опорной поверхности с учетом толщины детали, проверяется условие самоторможения, вычисляются усилие зажима и коэффициент передачи силы.

Данный файл с расчетом можно найти на сайте www.al-vo.ru.

Похожие документы:

ГОСТ 12189-66 - Приспособления станочные. Кулачки эксцентриковые. Конструкция;
ГОСТ 12190-66 - Приспособления станочные. Кулачки эксцентриковые сдвоенные. Конструкция;
ГОСТ 12191-66 - Приспособления станочные. Колодки эксцентриковые вильчатые. Конструкция;
ГОСТ 12468-67 - Эксцентрики двухопорные. Конструкция.