2020-10-10
163
Упрощённый расчёт рычажных зажимных устройств (без
учёта сил трения) можно вести из условия равновесия рыча-
гов под действием создаваемых силами Рпр и W моментов
относительно осей вращения. Для зажимных устройств, пред-
ставленных на рисунке 9.6, условие равновесия без учёта
сил трения выражается равенством
отсюда 
а% Коэффициент усиления (передаточное отношение сил):
|
|
| Рис. 9.7 Схемы для расчёта эксцентрикового устройства |
Эксцентриковые зажимные устройства используются в
сложных зажимных системах и приспособлениях тискового
типа. Реже применяются и для непосредственного зажима за-
готовок. Эксцентрики могут быть с цилиндрической (круглые)
и криволинейной рабочей поверхностями. Наибольшее распро-
странение из-за простоты изготовления получили круглые эк-
сцентрики в виде дисков. Исходными данными для определе-
ния основных размеров эксцентриков являются: допуск 5 раз-
мера заготовки от её установочной базы до места приложения
зажимной силы; угол аэ поворота эксцентрика от нулевого
(начального) положения; сила W зажима заготовки. Основны-
ми конструктивными параметрами являются (рис. 9.7): экс-
центриситет е; диаметр d = 2г и ширина Ъэ цапфы (оси); на-
ружный диаметр D3 = 2d3; ширина рабочей части Вд.
При отсутствии ограничения угла поворота эксцентрика
его эксцентриситет определяется по выражению
где sx — зазор, обеспечивающий свободную установку заго-
товки под эксцентрик (обычно принимается sx = 0,2...0,4), мм;
s2 — запас хода, учитывающий неточность изготовления
и износ эксцентрика и предотвращающий переход его через
мёртвую точку (обычно s2 = 0,4...0,6), мм;
8 — допуск размера заготовки, мм;
W_
"7" — запас хода эксцентрика для компенсации упругих
h
отжатий зажимного устройства, мм;
W — сила зажима, Н;
ji — жёсткость системы зажима заготовки в приспособ-
лении (обычно jx = 12000...13000), Н/мм.
С учётом средних значений s1n s2 выражение принимает
вид: 
Эксцентриситет е при ограничении угла поворота аэ (зна-
чение аэ значительно меньше 180 °) можно определить по
формуле
Радиус цапфы г = d3/2 эксцентрика при заданной шири-
не Ьэ из условий работы на смятие:
О' -у
4-: 
где W — сила зажима, Н;
[асм\ — допускаемое напряжение смятия, можно прини-
мать для стальных пар [стсм] = 150...400, МПа.
Диаметр D3 эксцентрика определяется из условий само-
торможения, для наилучшего обеспечения которого рекомен-
дуется выдерживать равенство D9Je = 14 (условие самотор-
можения будет выполняться до значения этого отношения,
равного 20). Поэтому диаметр эксцентрика при ориентиро-
вочных расчётах можно принимать D9 = (14...20)е.
При более точных расчётах радиус эксцентрика г3 в усло-
виях обеспечения самоторможения механизма находится из
рассмотрения действующих на эксцентрик сил (рис. 9.7). Из
схемы (рис. 9.7, а) следует, что равнодействующая реакция
заготовки (равна силе зажима W) и силы трения F в контак-
те эксцентрика с заготовкой должна быть равна и противо-
положно направлена реакции со стороны цапфы эксцентри-
ка. Последняя должна проходить по касательной к кругу
трения радиусом р (р = rf), здесь г — радиус цапфы, мм;
/' — коэффициент трения покоя в цапфе, для полусухих по-
верхностей /'= 0Д2...0Д5; угол трения покоя <р= 6...8. Тогда
где Л — толщина перемычки (рис. 9.7, б), мм.
Угол ах поворота (рис. 9.7, а) для наименее выгодного
положения по условиям самоторможения можно определить
по формуле:
Ширина Вэ рабочей 
части эксцентрика может определять-
ся из формулы:
где [<т] — допускаемое напряжение в месте контакта эксцент-
рика с заготовкой, для закаленных сталей [<т] = 800... 1200 МПа;
W — сила зажима, Н;
Ei, E2 — модули упругости соответственно материалов
эксцентрика и соприкасающейся с ним детали приспособле-
ния или заготовки (для сталей Е = 2 • 105...2,2 • 105), МПа;
А*1> А*2 — коэффициенты Пуассона соответственно для ма-
териалов эксцентрика и контактирующего элемента (для ста-
лей ц = 0.25...0.3).
При Ei = Е2 = Е и Hi = ц2 = 0,25
откуда:
Полученные расчётом размеры круглого эксцентрика (е,
г, Ьэ, гэ, Вэ) необходимо увязать со стандартными размерами.
В заключение необходимо установить зависимость меж-
ду потребной силой зажима W и моментом на рукоятке экс-
центрика М = Рпр1 (рис. 9.7, б). Из условия равновесия меха-
низма следует, что сумма моментов всех действующих сил
относительно оси поворота эксцентрика равна нулю, т.е.:
где а' = 180 ° - a;
,r f — коэффициент трения в зоне контакта эксцентрика и
заготовки.
Для получения упрощённого уравнения равновесия при-
нимается:
Полученная приближенная формула позволяет определять
значение приводного момента М = Рпр1 с точностью до 10 %,
что вполне допустимо. При заданном I:
По приведённому упрощённому уравнению можно опре-
делять I при заданной Рпр или развиваемую существующим
устройством силу W.
Центрирующие установочно-зажимные устройства выпол-
няют одновременно функции установочных и зажимных эле-
ментов. Поэтому установочные элементы таких механизмов
должны быть подвижными в направлении зажима, а для
сохранения установочных свойств закон их относительного
перемещения должен быть задан и реализован в конструк-
ции приспособления с достаточной точностью. К самоцент-
рирующим устройствам относятся патроны (трёхкулачковые,
цанговые, клиноплунжерные, клиношариковые, мембранные,
упругие с гидропластмассой); тиски с реечнозубчатыми или
винтовыми механизмами; оправки с различными разжим-
ными элементами. В качестве установочно-зажимных эле-
ментов устройств используются кулачки, цанги, призмы,
шарики, гофрированные кольца, тонкостенные втулки, та-
рельчатые пружины и т.п.
В машиностроительном производстве наиболее часто ис-
пользуются трёхкулачковые и цанговые патроны, различные
оправки. Расчёт трёхкулачковых патронов в зависимости от
конструкции может сводиться к расчёту одного или несколь-
ких из рассмотренных выше механизмов.
Цангами называются разрезные пружинящие втулки,
которые могут центрировать заготовки по внешним и внут-
ренним цилиндрическим поверхностям. На рисунке 9.8.
а, б приведены конструкции цанговых механизмов для цен-
трирования заготовок по наружной поверхности. Продоль-
ные прорези превращают каждый лепесток Цанги в кон-
сольно закрепленную балку, которая получает радиальные
упругие перемещения при продольном движении за счёт
взаимодействия конусов цанги и корпуса. Так как ради-
альные перемещения всех лепестков цанги происходят од-
новременно и с одинаковой скоростью, то механизм при-
обретает свойство самоцентрирования. Число лепестков
цанги зависит от её рабочего диаметра d и профиля заго-
товок (рис. 9.8, в). При d <, 30 мм цанга имеет три лепест-
ка, при 30 < d < 80 мм — четыре, при d > 80 мм — шесть
лепестков. Для сохранения работоспособности цанги де-
формация её лепестков не должна выходить за пределы
упругой зоны. Это определяет повышенные требования к
точности выполнения диаметра базовой поверхности заго-
товки, который должен быть выполнен не грубее 9-го ква-
литета точности.
Каждый лепесток цанги представляет собой односкосный
клин (рис. 9.8, а, б, г). Поэтому для приближённого расчёта
силы тяги (привода) Рпр цанги можно пользоваться форму-
лами для расчёта клина. Но рассчитанная таким образом сила
тяги не будет полностью соответствовать фактически потреб-
ной силе Рпр, так как она должна затрачиваться и на дефор-
мацию лепестков цанги на величину у, равную половине за-
зора между цангой и заготовкой.
Силу тяги (привода) цанги Рпр при работе без упора мож-
но определять по формуле:
ще W — потребная сила зажима заготовки, Н;
W — сила сжатия лепестков цанги для выбора зазора
между её губками и заготовкой, Н;
а — половина угла конуса цанги, град;
«Pi — угол трения в стыке конических поверхностей цан-
ги и корпуса, град.
Силу W можно найти из рассмотрения зависимости про-
гиба консольно закреплённой балки (одного лепестка) с вы-
летом I (рис. 9.8, г): 
Тогда для всех лепестков:
Рис. 9.8 Цанговые механизмы:
а — с цангой, работающей на растяжение; б — с цангой,
работающей на сжатие; в — разновидности цанг;
г — расчётная схема
где Е — модуль упругости материала цанги (можно прини-
мать для стальных цанг Е = 2 • 10...2,2 • 10 МПа);
i — момент инерции сектора сечения (тонкого кольца)
цанги в месте заделки лепестка, мм);
у — стрела прогиба лепестка, мм: у = s/2 (здесь s —
радиальный зазор между цангой и заготовкой, мм);
I — длина (вылет) лепестка цанги от места заделки до
середины конуса, мм.
Момент инерции сектора сечения лепестка цанги
(рис. 9.8, г) определяется по формуле:
где D — наружный диаметр поверхности лепестка в месте
сечения, мм;
h — толщина стенки лепестка, мм;
ctj — половина угла сектора лепестка цанги, рад.
Если принять Е = 2,2 • 105 МПа и у = s/2, то расчёт W
можно вести по формулам:
для трёхлепестковой цанги 
для четырёхлепестковой цанги 
При наличии осевого упора сила тяги (привода):
где <р2 — угол трения в контакте между цангой и заготовкой.
Рассчитывать Рпр можно по коэффициенту усиления, т.е.
где ky — коэффициент 
усиления (передаточное отношение
сил: 
, принимается по таблице 9.5.
Таблица 9.5
Характеристика цанговых механизмов
| Схема зажима | Характе- | Половина угла конуса цанги а, град | |||||||
| 2 | 5 | 10 | 15 | 25 | 35 | 40 | 45 | ||
| Зажим без осе- | ку | 7,23 | 5,23 | 3,53 | 2,63 | 1,67 | 1,16 | 0,97 | 0,82 |
| кпд | 0,25 | 0,46 | 0,62 | 0,71 | 0,78 | 0,81 | 0,82 | 0,82 | |
| Зажим с осевым | ку | 4,20 | 3,44 | 2,61 | 2,08 | 1,49 | 1,03 | 0,89 | 0,75 |
| кпд | 0,15 | 0,31 | 0,46 | 0,56 | 0,65 | 0,72 | 0,73 | 0,75 | |
9.4 Выбор и расчёт приводов
В создаваемых приспособлениях следует стремиться к
замене ручного труда механизированным. Для этого в при-
способлениях используются приводы, которые могут быть
пневматическими, гидравлическими, пневмогидравлически-
ми, магнитными, электромеханическими, центробежно-инер-
ционными, от сил резания (энергия привода главного дви-
жения станков), от движущихся элементов станков. С при-
менением механизированных приводов облегчается труд ра-
бочих, создаются более стабильные по значению зажимные
силы, обеспечивается возможность автоматизации процессов
обработки, повышаются быстродействие приспособлений и
производительность оборудования. Наиболее часто в приспо-
соблениях используются пневматические, пневмогидравли-
ческие, электромоторные приводы.
Пневматические приводы могут быть поршневыми, ди-
афрагменными, сильфонными и вакуумными. Поршневые и
диафрагменные пневмоприводы подразделяются: по схеме
действия — на односторонние и двусторонние; по методу ком-
поновки с приспособлением — на прикреплённые, встроен-
ные и агрегатированные; по виду установки — на стацио-
нарные и вращающиеся; по количеству приводных систем —
на одинарные и сдвоенные. В таблицах 9.6 и 9.7 приведены
параметры наиболее часто используемых пневмоприводов.
Таблица 9.6
Параметры пневмоцилиндров
| Параметр | Диаметр D цилиндров, мм | ||||||||
| 50 | 60 | 75 | 100 | 125 | 150 | 200 | 250 | 300 | |
| Толщина стенки цилиндра, мм: чугунного стального | 6 4 | 8 4 | 8 5 | 10 6 | 12 6,5 | 12 7 | 14 7,5 | 16 9 | 16 10 |
| Диаметр шпилек с d\, мм | М8 | М8 | М10 | М10 | М12 | М16 | М20 | М20 | М24 |
| Количество шпи- лек | 4 | 4 | 4 | 4 | 4 | 4 | 4 | 4 | 4 |
| Диаметр штока d, мм | 16 | 16 | 20 | 25 | 30 | 30 | 40 | 50 | 55 |
| Диаметр резьбы на штоке, мм | М10 | М10 | М12 | М16 | М20 | М20 | М24 | мзо | М36 |
Таблица 9.7
Параметры диафрагменных пневмокамер
| Толщина диафрагмы t, мм | 3...4 | 4...5 | 5...6 | 6...8 | 8...10 | |
| Расчётный диаметр диа- фрагмы D, мм | 125 | 160 | 200 | 250 | 320 | 400 |
| Диаметр опорной шайбы | для резинотканевых диафрагм Д = 0JD | |||||
| 88 | 115 | 140 | 175 | 225 | 285 | |
| для резиновых диафрагм D\ = D - 2/ - (2...4) | ||||||
| 115 | 150 | 185 | 235 | 300 | 375 | |
Схемы поршневых (пневмоцилиндры), диафрагменных
(пневмокамеры) и сильфонных пневмоприводов показаны на
рисунке 9.9. В пневмоцилиндрах применяются уплотнения.
Они необходимы в кольцевых зазорах между поршнем и ци-
линдром, штоком и крышкой и в неподвижных соединени-
ях, где возможна утечка воздуха. В современных пневмоци-
линдрах используются в основном две разновидности уплот-
нений (рис. 9.9, а): манжеты 1 V-образного сечения из мас-
лостойкой резины для уплотнения поршней и штоков и коль-
ца 2 круглого сечения из маслостойкой резины для уплотне-
ния поршней, штоков и неподвижных соединений. Срок служ-
бы уплотнений до 10 тыс. циклов.
Пневмокамеры (рис. 9.9, б) представляют собой конст-
рукцию из двух литых или штампованных чашек, между
которыми зажата диафрагма из прорезиненной ткани (бель-
тинг) или резины. Срок службы диафрагм от 0,6 до 1 млн.
циклов.
Рабочая полость сильфонного привода (рис. 9.9, в) — это
гофрированная замкнутая камера 1 из тонколистовой корро-
зионностойкой стали, латуни или фосфористой бронзы, уп-
руго расширяющаяся под давлением подаваемого в неё сжа-
того воздуха в направлении рабочего хода штока 2. Обрат-
ный ход осуществляется при подаче воздуха внутрь корпуса
(камеры) 3. Сильфон уплотнений не требует. Рабочий ход
штоков пневмокамеры и сильфонного привода ограничен
возможной упругой деформацией диафрагмы и сильфона, в
то время как у пневмоцилиндра он может быть практически
любым.
|
|
| Рис. 9.9 Схемы пневмоприводов: |
Расчёт пневмоприводов (цилиндров и камер) при их за-
данных размерах сводится к определению развиваемой силы
на штоке Рш. Часто решается обратная задача, когда по за-
данной силе Рш и известному давлению в пневмомагистрали
выявляются размеры пневмопривода, осуществляется его
выбор или конструирование.
Силы на штоке поршневых пневмоприводов подразделя-
ются на толкающие и тянущие (шток работает соответствен-
но на сжатие и растяжение) и определяются по формулам:
для привода одностороннего действия:
для привода двустороннего действия:
толкающая сила 
тянущая сила 
для сдвоенного привода:
толкающая сила 
тянущая сила 
где D — диаметр поршня пневмоцилиндра, мм;
р — давление сжатого воздуха, МПа (в практике обычно
р = 0,4...0,6 МПа);
Рп — сила сопротивления возвратной пружины при край-
нем рабочем положении поршня, Н;
d — диаметр штока пневмоцилиндра, мм;
г] — КПД (обычно г] = 0,85...0,95; чем больше диаметр D
цилиндра, тем выше КПД).
Для обратной задачи приведённые зависимости решаются
относительно диаметра цилиндра D. При расчёте D по тяну-
щему усилию Р'ш диаметр штока d выражается через D (мож-
но принимать d = (0,325...0,545)D; чем больше диаметр ци-
линдра А тем большую долю его составляет диаметр штока d.
Для диафрагменных приводов рациональные длины L
рабочих ходов штока можно принимать в следующих преде-
лах: для тарельчатых (выпуклых) резинотканевых диафрагм
L = (0,25...0,35)D; для плоских резинотканевых диафрагм
L = (0,18...0,22)D (от 0,12D до 0.15D в сторону от штока и от
0,06D до 0,071) в сторону штока); для плоских резиновых
диафрагм L = (0,35...0,45)£>). Следует иметь в виду, что чем
больше ход штока, тем меньше развиваемая на нём сила.
Приближённый расчёт силы на штоке пневмокамер дву-
стороннего действия приведён в таблице 9.8.
Таблица 9.8
Формулы расчёта силы на штоке пневмокамер
двустороннего действия
Вакуумными называются приводы, с помощью которых
под обрабатываемой заготовкой или над ней создаётся разре-
жение, в результате чего заготовка надёжно прижимается к
бурту этой полости всей опорной поверхностью. В вакуум-
ных приводах для создания разрежения используются пнев-
моцилиндры или вакуумные насосы.
Конструкция вакуумных приспособлений (рис. 9.10) про-
ста, так как в них не требуется создания специальных меха-
нических устройств для закрепления обрабатываемых заго-
товок. Особенно удобно применение приспособлений с ваку-
умным приводом для обработки плоских тонкостенных заго-
товок из диамагнитных материалов.
Обычно на опорной поверхности корпуса 7 (рис. 9.10, а)
приспособления по контуру, соответствующему конфигура-
ции базовой поверхности обрабатываемой заготовки 2, вы-
полняется специальная канавка, в которой размещается ре-
зиновая прокладка 3. Эта прокладка на определённую высо-
ту должна выступать из канавки в момент загрузки приспо-
собления. После включения приспособления в сеть вакуум-
ного насоса в полости А создаётся разрежение. При этом за-
готовка деформирует прокладку и плотно поджимается к
опорной поверхности приспособления с силой Р = W.
Для зажима плоских заготовок с поверхностями боль-
шой протяжённости могут использоваться вакуумные при-
способления в виде плит с хорошо обработанной рабочей по-
верхностью и большим количеством отверстий диаметром d.
Силу зажима обрабатываемой заготовки можно опреде-
лить по формуле
где ра — атмосферное 
давление (U,l МПа или точнее
0,1013 МПа);
р0 — остаточное давление в камере после разрежения
(принимается р0 = 0,01...0,015 МПа);
|
|
| Рис. 9.10 Схема вакуумного приспособления с заготовкой |
Fa — активная площадь (при зажиме круглых загото-
вок, как показано на рисунке 9.10, б;
ври установке заготовок на плиты с множеством отверстий
'У 
здесь d — диаметр отверстий;
я — число отверстий на плите в пределах контура заго-
товки);
ke — коэффициент герметичности вакуумной системы
(йг = 0,8...0,85).
Вакуумные приспособления следует проверять на соот-
ветствие развиваемой силы W условиям равновесия закреп-
лённых заготовок, находящихся под действием сдвигающих
сил обработки Р. Уравнение равновесия может иметь вид:
где к — коэффициент 
запаса;
/ — коэффициент трения (f = 0,3...0,4).
Гидравлические приводы представляют собой поршневые
устройства, приводимые в действие от отдельного (реже груп-
пового) насоса.
Рабочей жидкостью служит масло индустриальное И-20А
или И-40А (табл. 7.6). В сравнении с пневматическими гид-
равлические приводы более компактны из-за высокого дав-
ления масла (до 10 МПа и выше). Гидроцилиндры могут быть
одностороннего и двустороннего действия. На рисунке 9.11
представлена схема гидравлического зажимного устройства
с цилиндром 2 двустороннего действия. Питание системы
осуществляется насосом 4, который подаёт масло через зо-
лотник 1 ручного управления в левую (рабочий ход) или в
правую (обратный ход) полости цилиндра. После зажатия
заготовки масло сбрасывается через предохранительный кла-
пан 3, отрегулированный на требуемое для надёжного удер-
жания заготовки при обработке давление.
В станочных приспособлениях широко применяются нор-
мализованные встраиваемые гидроцилиндры двустороннего
и одностороннего (с возвратной пружиной) действия с внут-
ренним диаметром цилиндров 32, 40, 50, 60, 80,100 и 125 мм.
Чаще всего гидроцилиндры закрепляются на корпусах
приспособлений с помощью резьбовой шейки. При выборе
привода следует учитывать, что гидроприводы приспособле-
ний применяются только на гидрофицированных станках. В
случае необходимости применения гидравлических приспо-
соблений на обыкновенном оборудовании требуется оснаще-
ние этих станков индивидуальными насосными станциями
высокого давления.
Исходными данными для расчёта гидравлических при-
водов являются: потребная сила на штоке Рш, ход поршня L
и давление жидкости (масла) рж.
При заданном давлении жидкости рж диаметр цилиндра D
(рис. 9.11) можно определить из зависимостей для расчёта
сил на штоке Рш:
Рис. 9.11 Схемы гидропривода,
рычажного зажимного устройства приспособления,
насосной станции и механизма управления ими
для цилиндров двустороннего действия:
1'! 
|к>лкающая сила, обычно рабочий ход),
(тянущая сила, обратный ход);
для цилиндров одностороннего действия:
где Dad — диаметры цилиндра и штока, мм;
рж — давление жидкости в магистрали, МПа;
* г\ — КПД (ту = 0,9...0,97);
Рп — сила сопротивления возвратной пружины при край-
нем рабочем положении поршня, Н.
Из приведённых выше зависимостей можно выразить
диаметр поршня D (мм) следующими формулами:
для цилиндров двустороннего действия:
(толкающая сила, обычно 
рабочий ход),
(тянущая сила, обратный ход при отношении d/D =?= 0,5),
для цилиндров одностороннего действия:
Сила тяги Рт однолопастного гидропривода (рис. 1.28),
ипюльзуемая для закрепления обрабатываемых заготовок
и приспособлении, определяется по крутящему моменту М,
который необходимо получить на оси резьбового соедине-
ния. Сила на лопасти (Н):
где рж — давление жидкости (масла), МПа;
I — длина лопасти (в направлении оси гидроцилинд-
ра), мм;
Ь — ширина лопасти (в радиальном направлении), мм.
Момент силы Рл относительно оси гидроцилиндра (сила
приложена в середине ширины лопасти):
где D — диаметр гидроцилиндра.
Этот момент должен превышать момент Мх (Н-мм) силь
сопротивления в резьбовом соединении:
где Рт — осевая сила (сила тяги), действующая вдоль вин
тового соединения, Н;
dcp — средний диаметр резьбы, мм;
а — угол подъёма винтовой линии, град;
<р — угол трения в резьбе, град.
С учётом КПД tj
откуда сила тяги 
Возможно решение обратной задачи, когда по потребной
силе тяги Рт определяются размеры лопасти I и Ъ. Тогда из
последней формулы по заданному давлению рж определяется
площадь лопасти, т.е. произведение 1Ь. Одной величиной (на-
пример, 0 можно задаться, другая (например, Ь) определяет-
ся делением площади лопасти на первую (I).
Пневмогидравлические зажимные устройства состоят из
пневмопривода и гидравлического усилителя. Для питания
используется сжатый воздух (р = 0,4...0,6 МПа). При боль-
шом давлении масла в гидравлической части устройства
(рж = 8..А0 МПа и более) размеры рабочего цилиндра, на
штоке которого создаётся необходимая сила, весьма незна-
чительны.
|
|
Схема пневмогидравлического привода показана на ри-
сунке 9.12. Сжатый воздух
поступает в цилиндр 2 диа-
метром D. Шток поршня это-
го цилиндра диаметром d слу-
жит плунжером гидроцилин-
дра 1 (главный гидроци-
линдр). Масло, вытесняемое
плунжером, поступает по тру-
бопроводу 5 во второй гидро-
цилиндр 7 (рабочий цилиндр)
диаметром 2)^ шток поршня
которого связан с исполни-
тельным механизмом зажима
заготовки. Обратное движе-
ние поршней цилиндров 2 и Рис. 9.12 Принципиальная
7 при отключении привода схема пневмогидравлического
п привода
осуществляется пружинами 3
и 6. Резервуар 4 служит для подачи масла в систему в случае
утечек. В пневмогидравлических системах масло меньше на-
гревается, чем в насосных гидравлических, и меньше вспе-
нивается. Потери энергии в них уменьшаются, а надёжность
работы возрастает. Они просты и дёшевы в изготовлении и
достаточно универсальны в применении. Управление пнев-
могидравлическими приводами можно легко автоматизиро-
вать. При проектировании пневмогидравлических систем ис-
ходными данными являются: потребная сила Рш2 на выход-
ном штоке привода; давление сжатого воздуха р и диаметр Dj
гидроцилиндра 7, подбираемый с учётом возможности раз-
мещения цилиндра в приспособлении.
Из условия равновесия штока пневмоцилиндра 2, на ко-
торый действуют одновременно сила давления воздуха и сила
давления жидкости в цилиндре 1:
отсюда 
тц,ерж — создаваемое давление жидкости в гидросистеме, МПа;
ky — коэффициент усиления:
Тогда сила Рш2 на штоке гидроцилиндра 7
где ho6 — общий КПД пневмогидравлического привода
(Лоб = 0,8...0,85).
По приведённым формулам можно определять Рш1 и Рш2,
для уже существующих пневмогидроприводов. Для опреде-
ления диаметра D пневмоцилиндра нужно из последнего урав-
нения выразить ky, т.е.:
отсюда
где d — диаметр штока пневмоцилиндра-плунжера главного
гидроцилиндра, мм.
Значение d можно принимать по соотношению
d = (0,4:...0,57)D1 (здесь Dx — диаметр рабочего гидроцилин-
дра). При d = 0,411)! последняя формула для расчёта D при-
нимает вид:
-з
i 
Электромагнитные и магнитные приводы применяются
обычно в виде плит и планшайб для закрепления стальных и
чугунных заготовок с плоской базовой поверхностью. К пре-
имуществам электромагнитных приспособлений относятся:
равномерное распределение силы притяжения по всей опор-
ной поверхности, высокая жёсткость, свободный доступ к
обрабатываемым поверхностям заготовки, удобство управле-
ния приводом.
|
|
| Рис. 9.13 Схемы устройств магнитного действия: |
На рисунке 9.13, а показана схема электромагнитной
плиты, состоящей из корпуса 6 (из стали 10 или серого чугу-
на СЧ10) с электромагнитами 1 (сердечники электромагни-
тов из стали 1.0) и крышки 5 (из стали 10 или чугуна СЧ10),
в которой заключены полюсники (полюса) 4 (из стали 10).
Полюсники окружены изоляцией 3 из немагнитного матери-
ала (латунь, медь, эпоксипласт и т.п.). Заготовка 2 устанав-
ливается на рабочую поверхность крышки 5. Являясь про-
водником, заготовка при установке её на зеркало плиты за-
мыкает магнитный поток между полюсами, что обеспечива-
ет определённую силу притяжения.
Расчёт приспособлений с электромагнитным приводом
производится в описанной ниже последовательности.
1. По шагу расположения полюсов (для плит длиной
300...900 мм — шаг 35...50 мм) и отношению их суммарной
площади (без учёта площади прослоек магнитной изоляции)
к площади опорной поверхности приспособления (обычно
0,35...0,45) назначается число пар полюсов 2т.
2. Определяется сила прижима, приходящаяся на одну
пару полюсов, 
где W — потребная сила прижима заготовки, Н.
3. Выявляется площадь поперечного сечения сердечни-
ка 5 (мм): 
где В — магнитная индукция материала (табл. 9.9), Тл.
4. Определяется общее магнитное сопротивление магни-
топровода RM (Гн1)
где llt l2,. «, 1п — длины участков магнитопроводов (участка-
ми магнитопроводов являются: заготовка, зазоры воздушные
участки, сердечники, полюсники, корпус; величину зазоров
Таблица 9.9
Значения магнитной индукции В
и абсолютной магнитной проницаемости fu'a
| Напряжённость магнитного поля, А/м | Д Тл | /СГн/м | ||||
| Чугун СЧЮ | Сталь 10 | Воздух | Чугун СЧЮ | Сталь 10 | Воздух | |
| 0,16 | 0,590 | 1,44 | 0,002 | 300 | 740 | 1 |
| 0,24 | 0,640 | 1,52 | 0,003 | 225 | 530 | L |
| 0,32 | 0,685 | 1,57 | 0,004 | 185 | 435 | |
| 0,40 | 0,725 | 1,60 | 0,005 | 155 | 350 | |
| 0,80 | 0,850 | 1,70 | 0,010 | 145 | 245 | |
| 1,20 | 0,950 | 1,77 | 0,015 | 70 | 140 | |
| 1,60 | 1,025 | 1,82 | 0,020 | 50 | 90 | |
| 2,00 | 1,080 | 1,85 | 0,025 | 43 | 75 |
можно принимать при базовой поверхности заготовки: чёр-
ной — 0Д...0.3, предварительно обработанной — 0.05...0Д,
отделанной — 0,02...0,05, доведенной — до 0,02 мм);
fi'al, ц'а2,-.., ц'ап — абсолютная магнитная проницаемость
материала каждого участка (табл. 9.9), Гн/м;
S1, S2,..., Sn — площадь поперечного сечения каждого
участка, м.
5. Выявляется общий магнитный поток Ф (с учётом 30 %
потерь), Вб:
Ф = 0JBS,
где S — площадь поперечного сечения сердечника, м2.
Подсчитывается количество ампер-витков 1тсов катушки:
где 1т — сила тока (1т обычно задаётся), А;
C0g — количество витков катушки.
6. Определяется диаметр провода dnp (мм) катушки:
где J — допускаемая плотность тока (принимается
J = 2...3A/mm2).
После расчёта катушка проверяется на нагрев путём оп-
ределения площади поверхности охлаждения катушки, при-
ходящейся на 1 Вт мощгэсти. Считается приемлемым, если
на 1 Вт мощности приходится более 10 см площади поверх-
ности охлаждения катушки.
Магнитные приводы имеют преимущества перед элект-
ромагнитными из-за электробезопасности работы и пони-
женной стоимости эксплуатации. Магнитные зажимные ус-
тройства представляют собой плиты, планшайбы и при-
змы. На рисунке 9.13, б показана магнитная призма для
закрепления цилиндрических заготовок. При горизонталь-
ном положении магнита 1 магнитный силовой поток про-
ходит через обе щеки 2, 4 призмы, замыкается через заго-
товку 3 и поджимает последнюю к наклонным поверхнос-
тям щёк. Щёки (половинки) призмы разделены немагнит-
ными пластинами-изоляторами 5. При вертикальном по-
ложении магнита 1 магнитный поток замыкается щеками
призмы и заготовка освобождается (отжимается). Подоб-
ным образом работают плиты с подвижным блоком посто-
янных магнитов (рис. 1.31). Постоянные магниты могут
изготавливаться из литых магнитотвёрдых сплавов ЮНД8,
ЮНДК18С, ЮН14ДК24, ЮНДК35Т5БА и других магнит-
ных материалов.
При определении сил зажима магнитных приводов сле-
дует исходить из условий, что современные приспособле-
ния с постоянными магнитами могут развивать при дове-
денной (притёртой) базовой поверхности заготовки прижим-
ную силу до 150 Н на 1 см площади контакта заготовки с
опорной поверхностью приспособления. С увеличением ше-
роховатости базовой поверхности прижимная сила умень-
шается. Так, при шлифованной базовой поверхности заго-
^ Рис. 9.14 Схема электромеханического привода
товки прижимная сила уменьшается на 10... 20 %, при гру-
бо шлифованной — на 30...40 %, при грубо обработанной
строганием на — 50... 70 %, при черновой (литой или штам-
пованной) на — 60...80 %.
Электромеханические приводы (рис. 9.14) представляют
собой электромоторные устройства с муфтой тарирования
крутящего момента. Эти устройства используются в приспо-
соблениях для токарно-револьверных и агрегатных станков
и в качестве приводов винтовых зажимов приспособлений-
спутников (гайковерты).
От электродвигателя 1 через редуктор 2 и кулачковую
муфту 3 вращение передаётся на винт 6, который переме-
щает гайку 7 с тягой 8 зажимного устройства. При дости-
жении необходимых сил и зажима прихватом 11 установ-
ленных в призмах 9 заготовок 10 половина муфты (подвиж-
ная в осевом направлении) отходит вправо, сжимая тариро-
ванную пружину 4 и перестаёт вращаться. При этом конце-
вой выключатель (KB) отключает электродвигатель 1. Зна-
чение исходной силы на тяге 8 можно регулировать измене-
нием предварительной затяжки пружины гайкой 5. Путём
задания момента М, который должна развивать муфта 3 для
получения необходимой осевой силы (в данном случае —
2W), можно определить силу Рп (Н) предварительной за-
тяжки пружины:
где М — момент, передаваемый муфтой, Ним;
гср — средний радиус расположения кулачкового венца
муфты, мм;
а — угол расположения рабочей поверхности зубьев;
<р — угол трения на поверхности контакта зубьев (tg<p = f,
здесь / — коэффициент трения, / = 0,16).
Диаметр винтовой передачи и потребный крутящий мо-
мент для обеспечения необходимой осевой силы на винте
определяются по приведённым выше формулам расчёта вин-
товых зажимных устройств.
Схемы центробежно-инерционных приводов движущих-
ся элементов станков и сил обработки приведены на рисун-
ке 9.15. Центробежно-инерционные приводы приспособлений
целесообразно использовать на быстроходных станках токар-
ной группы. Эти приводы не требуют дополнительных ис-
точников энергии, просты в изготовлении и эксплуатации,
включаются автоматически. Грузы 2 (рис. 9.15, а) надеты на
длинные плечи рычагов 5, их короткие плечи связаны с тя-
гой 6, пропущенной через полость шпинделя 7 станка. При
вращении шпинделя грузы расходятся, возникающая цент-
робежная сила Рп поворачивает рычаги вокруг осей 4. При
этом тяга 6 перемещается и приводит в действие зажимное
устройство приспособления, установленного на переднем кон-
це шпинделя станка. Возвращение грузов в исходное поло-
жение и открепление заготовки осуществляется пружинами 3,
опирающимися в корпус 1 привода. Регулирование силы за-
жима заготовок производится перемещением грузов по длин-
ным плечам рычагов. Обеспечиваемую приводом силу Рт (Н)
на тяге 6 можно рассчитывать по формуле:
где GB — вес груза, Н;
г — радиус траектории (окружности) вращения грузов, м;
(о — угловая скорость вращения шпинделя, рад /с;
о
g — ускорение свободного падения, м/с;
Рп — сила сопротивления пружины, Н;
;■ llt l2 — плечи рычагов (рис. 9.15, а), мм;
- г] — КПД (rj = 0,9...0,95);
п — число грузов.
На сверлильных и фрезерных станках для привода за-
жимных устройств часто используется движение подачи.
Зажимной механизм в этом случае обязательно должен со-
Рис. 9.15 Схемы приводов:
а — центробежно-инерционного; б — от подвижного
элемента станка; в — от сил резания
держать упругое звено (пружину, мембрану и т.п.), необхо-
димое для компенсации колебаний размеров заготовок. На
рисунке 9.15, б показан пример использования подачи вра-
щающегося стола фрезерного станка для привода зажимных
механизмов нескольких приспособлений. На вращающейся
планшайбе 2, закреплённой на оси 1, имеются отверстия, в
которые вставляются заготовки 9. Вместе с планшайбой вра-
щаются зажимные механизмы, состоящие из плунжеров 12,
шарнирно соединённых рычагов 3 и 4, штоков 5 и подвиж-
ных призм 8. На неподвижном основании 10 стола в зоне
обработки закреплён упор 11 с заходным скосом. В момент
подхода очередной заготовки к зоне обработки плунжер 12
поднимается по упору и через шарнирно-рычажный меха-
низм и мембрану 7 призмой 8 зажимает заготовку. По окон-
чании обработки плунжер 12 соскакивает с упора и пружи-
на 6 возвращает систему в исходное положение. При этом
обработанная заготовка через отверстие с в основании стола
проваливается в бункер. Потребная сила зажима приспособ-
ления обеспечивается подбором мембраны 7.
Примером привода от сил резания может служить при-
меняемый на токарных многорезцовых станках поводковый
самозажимной патрон (рис. 9.15, в) с эксцентриковыми ку-
лачками 3, шарнирно закрепленными на плавающем относи-
тельно корпуса 4 ползуне 6. Заготовка 5 устанавливается в
центрах. При этом кулачки 3 пружинами 1 поджимаются к
её поверхности. В процессе резания составляющая силы ре-
зания Р2 стремится повернуть заготовку, а вместе с ней и
кулачки (вокруг осей 2), в результате чего заготовка закли-
нивается между кулачками 3. Для открепления её следует
повернуть против часовой стрелки при остановленном шпин-
деле станка. Угол подъёма спирали кулачков 12... 20 °.
Указанные патроны зажимают заготовку тем сильнее, чем
больше составляющая Рг силы резания. Проектирование та-
ких патронов связано с необходимостью правильного опреде-
ления эксцентриситета кулачков с учётом надёжного закреп-
ления заготовок при изменении диаметров базовых поверх-
ностей в пределах допуска. Эксцентриситет кулачков опре-
деляется по формулам расчёта круговых эксцентриков, при-
ведённым выше.
9.5 Анализ оснастки,
её описание и силовой расчёт
Общий анализ приспособления. На рисунке 9.16 представ-
лен, для примера, чертёж многоместного фрезерного приспо-
собления (посадки сопрягаемых деталей не указаны с целью
исключения затемнения чертежа). Это фрезерное приспособ-
ление с гидравлическим приводом, предназначенное для ба-
зирования и закрепления заготовок в виде поршневых колец
при разрезании их дисковой фрезой на горизонтально-фре-
зерном станке. В деталях 1 (верхняя часть), 9 и 10 предус-
мотрен паз для выхода фрезы. Корпусом приспособления
является деталь 1. В качестве элемента для контроля поло-
жения инструмента (дисковой фрезы) при настройке и под-
наладке станка выступает установ 6. Приспособление фикси-
руется на станке по Т-образным пазам шпонками 14 и зак-
репляется болтами с помощью проушин В корпуса 1 и Т-об-
разных пазов стола станка.
Заготовки (рис. 9.17, а) пакетом (рис. 9.17, б) надевают-
ся внутренней цилиндрической поверхностью диаметром
162 мм на наружную поверхность съёмного установочного эле-
мента (длинная цилиндрическая часть детали 10 на рис. 9.16)
Пакет заготовок левым торцом опирается на торцовую по-
верхность второго установочного элемента в виде кругового
пояска детали 9. Заготовка зажимается буртом детали 10.
Таким образом, деталь 10 является и установочным, и за-
жимным элементом.
Для наиболее благоприятного положения опорной повер-
хности пояска детали 9 и зажимного бурта детали 10 высота
пакета заготовок-колец должна быть примерно 130 мм. При
высоте колец 5 мм в приспособление устанавливается пакет
из 26 заготовок. Ширина прорезаемого паза в соответствии с
чертежом 0,8 мм. Положение заготовок 8 в приспособлении
показано на рисунке 9.16.
Описание элементов приспособления. Корпус 1 (рис. 9.16)
приспособления выполнен в виде угольника и представляет
собой отливку из серого чугуна СЧ15. Осевую составляющую Рх
силы резания в конечном счёте воспринимает стойка корпуса.
Для обеспечения прочности и жёсткости корпуса стойка име-
ет усиленные рёбра жёсткости. С целью повышения жёсткос-
ти стыков деталь 9 должна быть хорошо притянута винтами 7
к корпусу 1 (предварительная затяжка).
Для соблюдения точности обработки в приспособлении
следует обеспечить перпендикулярность поверхности Г стой-
ки, с которой контактирует деталь 9, и пазов для установки
шпонок 14 со стороны поверхности Ж корпуса, которой он
контактирует со столом станка. Кроме того, необходимо обес-
печить параллельность оси отверстия Е для запрессовки хво-
стовика детали 9 к поверхности Ж. Для сохранения точнос-
ти относительного положения рабочих поверхностей корпус
должен пройти термообработку (низкотемпературный отжиг).
Корпус имеет простую конфигурацию, что обеспечивает
его достаточно высокую технологичность. Однако заготовка
корпуса выполнена по индивидуальному чертежу (недостаток).
Установ 6 служит для базирования с помощью щупа дис-
ковой фрезы в боковом направлении (диск фрезы следует
располагать по центру обрабатываемых заготовок). Он дол-
жен обладать высокими износостойкостью и точностью изго-
товления и расположения на приспособлении. На корпусе
приспособления установ фиксируется с помощью двух штиф-
тов и закрепляется посредством винта. Рабочая поверхность
установа на собранном приспособлении должна быть парал-
лельной оси пазов корпуса 1 для направляющих шпонок 14.
Установ изготавливается из стали 20Х, для обеспечения вы-
сокой износостойкости он цементируется по слою толщиной
0,8...1,2 мм и закаливается до твёрдости 56...61 HRC.
Призматические шпонки 14 позволяют ориентировать
присцособление на столе станка по Т-образным пазам. Они
Рис. 9.16 Фрезерное приспособление с прикреплённым гидроприводом.:
1 — корпус; 2, 4 — крышки; 3 — гильза; 5 — поршень-шток; 6 — у станов; 7 — винт;
8 — заготовка; 9, 10 — втулки; 11 — шайба быстросъёмная; 12 — тяга;
13 — фиксатор; 14 — шпонки привертные
имеют две рабочие боковые поверхности, которые должны
быть параллельны и иметь жёсткий допуск относительного
расположения. Шпонки изготовлены из стали 45 и для по-
вышения износостойкости закалены до твёрдости 41...45 HRC.
Фиксатор 13 выполнен в виде шпильки, впрессованной
одним концом в отверстие втулки 10, и служит для обеспече-
ния совпадения паза для выхода фрезы на детали 10 с паза-
ми на деталях 7 и 9. Фиксация относительного углового по-
ложения деталей обеспечивается за счёт вхождения свобод-
ного конца фиксатора в отверстие детали 9 при установке
установочно-зажимного элемента (деталь 10). С целью повы-
шения износостойкости и прочности фиксатор, изготовлен-
ный из стали У8А, закален токами высокой частоты (повер-
хностная закалка ТВЧ) до твёрдости подповерхностного слоя
металла 51...61 HRC.
|
|
| Рис. 9.17 Эскиз обработанной заготовки (а) и пакет |
Описание работы приспособления. При принятой схеме
обработки (рис. 9.17, б) приспособление устанавливается на
столе станка гидроцилиндром влево. Заготовки 8 (рис. 9.16)
устанавливаются на снятую втулку 10 до упора в зажимной
бурт. Высота пакета заготовок может определяться по коль-
цевой риске на наружной рабочей поверхности втулки 10.
Втулка 10 с пакетом заготовок внутренней цилиндричес-
кой поверхностью надевается на наружную цилиндрическую
поверхность втулки 9. При этом фиксатор 13 должен обяза-
тельно войти в отверстие втулки 9. Затем на тягу 12 надева-
ется быстросъёмная шайба 11 и включается гидропривод
(кран управления расположен на столе станка вне приспо-
собления). Гидропривод размещён с другой стороны стойки
корпуса 1 между рёбрами жёсткости. Он состоит из крышек 2
и 4, гильзы (собственно цилиндра) 3 и поршня-штока 5. Гид-
роцилиндр собирается с помощью стягивания крышек 2 и 4
стяжными винтами.
Присоединение гидроцилиндра к детали 9 приспособления
осуществлено с помощью резьбовой шейки крышки 2. Для по-
дачи жидкости в правую (зажим заготовки) и левую (отключе-
ние зажимного устройства) полости гидроцилиндра в крыш-
ках 2 и 4 предусмотрены два отверстия Б с резьбой для вкручи-
вания штуцеров трубопроводов. Тяга 12 соединена с поршнем-
штоком 5 гидроцилиндра с помощью резьбы. Длина её вылета
для обеспечения надёжного закрепления и открепления пакета
заготовок может регулироваться и фиксироваться контргайкой.
Таким образом, на описанном многоместном приспособ-
лении осуществлена схема последовательной передачи оди-
наковой силы зажима от заготовки к заготовке.
Исходные данные для силового расчёта приспособления.
Производство серийное; составляющая силы резания в ради-
альном направлении Р2 = 700 Н; давление масла в гидрома-
гистрали рж = 6 МПа; материал заготовки — высокопроч-
ный чугун ВЧ 80-2.
Расчёт потребной силы зажима. Из схемы установки
пакета (рис. 9.17, б) следует, что первая заготовка опирается
одним торцом на установочный элемент в виде кольцевой
поверхности пояска детали 9 (рис. 9.16), вторая и всякая
последующая — на торец впереди стоящей заготовки. Во вне-
шний торец последней заготовки упирается кольцевой за-
жимный элемент — бурт детали 10, через который передаёт-
ся сила зажима W.
На заготовку действуют силы резания (рис. 9.17): две боко-
вые силы, которые уравновешивают друг друга, так как на-
правлены в разные стороны и равны; составляющие силы реза-
ния Рх и Р2. Сила Рх действует в сторону торцовой опоры и
воспринимается ею; сила Р2 стремится сдвинуть заготовку (вы-
тянуть из пакета) вверх. Именно при действии Р2 возможно
смещение заготовок пакета. Следует учесть, что центрирую-
щий съёмный элемент (деталь 10) не должен воспринимать сил
резания, так как это приведёт к быстрому его изнашиванию и
снижению точности базирования. Сдвигающей силе Р2 могут
противодействовать создаваемые зажимной силой W силы тре-
ния на обоих торцах каждой заготовки пакета. Но сдвигу заго-
товки будет противодействовать только сила трения F, создава-
емая со стороны торцового установочного элемента для первой
и каждой последующей заготовок, так как тяга 12 не воспри-
нимает тангенциальных (в данном случае радиально направ-
ленных) сил. Составляющая Рх силы резания действует в на-
правлении силы зажима W. Но в расчётах силу Рх учитывать
не следует, так как она действует только в верхней части зажа-
тых колец. Поэтому условие равновесия каждой заготовки па-
кета с учётом коэффициента запаса k будет выражаться урав-
нением kP2 — Wf2. Коэффициент запаса определяется по ранее
приведённой формуле с учётом табличных данных и рекомен-
даций: k = kQkxk2kzkAhbk& = 1,5 • 1,4 • 1,0 • 1,2 • 1,0 • 1,0 • 1,0 = 2,5.
Из условий обработки Р2 = 700 Н.
Значение коэффициента трения принимается одинаковым
как для контакта заготовки с установочным элементом, так
и для контактов заготовки с заготовкой (/2 = fх — 0,15).
Решением приведённого уравнения равновесия относи-
тельно W и подстановкой значений k, P2, и f2 определяется
потребная сила зажима:
Расчёт зажимного устройства в рассматриваемом приспо-
соблении производить не следует, так как зажим заготовки
осуществляется непосредственно от штока гидроцилиндра без
какого-либо промежуточного звена.
Расчёт привода. Рабочим является тянущее усилие на
штоке Р'ш = W = 10500 Н. По условию давление жидкости в
гидросистеме рж = 6 МПа. Принимается т; = 0,92. Из чертежа
приспособления следует, что диаметр d штока равен половине
диаметра D поршня (цилиндра), т.е. d = 0,5D. Поэтому расчёт
диаметра цилиндра следует осуществлять по формуле:
Принимается D = 60 мм. Фактически развиваемая на
штоке гидроцилиндра сила:
обеспечит ещё более надёжный зажим заготовок в приспо-
соблении.
Возможность усовершенствования конструкции приспо-
собления. В процессе анализа приспособления можно видеть
недостатки конструкции, которые сводятся к следующему:
а) корпус приспособления выполнен по индивидуально-
му чертежу, что повышает себестоимость приспособ-
ления;
б) при неблагоприятном сочетании допусков высотного
размера заготовок возможен их неравномерный зажим
по кругу из-за неопределённости контакта головки
тяги 12 (рис. 9.16) и быстросъёмной шайбы Л по плос-
кости, что не обеспечивает их точное положение (само-
устанавливаемость) при перекосах установочно-зажим-
ного элемента;
в) недостаточная жёсткость положения правого конца ус-
тановочно-зажимного элемента 10 не позволяет пол-
ностью использовать возникающие силы трения и при-
водит к необходимости применения более мощного
привода.
После анализа приспособления высказываются предло-
жения по совершенствованию его конструкции.
1. Вместо специальной заготовки корпуса 1 целесообраз-
но использовать стандартную сборную заготовку, со-
стоящую из плиты (чугун СЧ18) и неравнобокого уголь-
ника (чугун СЧ18). Применение стандартных загото-
вок корпуса позволит снизить себестоимость приспо-
собления.
2. Рабочий торец головки тяги 12 следует выполнить в
виде сферы, а на быстросъёмной шайбе 11 предусмот-
реть сферическую фаску, что обеспечит высокую точ-
ность положения, самоустанавливаемость деталей 11 и
12 и приведёт к равномерности распределения силы
зажима по всей кольцевой поверхности зажимаемых
за
