Рычажные зажимы

Рычажные механизмы используются в виде двуплечего рычага в сочетании с различными силовыми источниками. При помощи рычага можно изменять величину и направление зажимной силы, а также осуществлять одновременное закрепление заготовки в двух местах.

Конструктивных разновидностей рычажных зажимов много, однако все они сводятся к трем принципиальным силовым схемам, приведенным на рисунках.

На данном рисунке приведены формулы расчета идеальных механизмов (без учета сил трения).

Анализ схем и формул показывает, что наибольший выигрыш в силе (наибольшее передаточное отношение) дает третья схема, однако в конструктивном отношении она громоздка, так как требует большого рабочего хода силового источника, а в эксплуатации неудобна, так как усложняет загрузку заготовки под рычаг. Вторая схема применяется в тех случаях, когда требуется изменить направление исходной силы. Первая схема дает наиболее компактную конструкцию, однако передаточное отношение ее всегда меньше единицы.

Рассмотрим пример расчета силы зажима рычагом с учетом сил трения. Схема сил, действующих на рычаг, приведена на рисунке. При закреплении рычагом возникают силы трения F₁ и F₂ на поверхностях контакта рычага со штоком привода и заготовкой. В цапфе рычага возникает реакция S, создающая на плече ρ=r f момент трения. Угол отклонения силы S φ_ср с достаточной точностью можно принять равным среднему значению между φ₁ и φ₂:

;

Величину силы S можно принять равной сумме Т₁ и Т₂:

; (1)

Из условия равновесия рычага имеем:

; (2)

где;; (3)

Подставим в (2) значение из (1) и (3):

;

Откуда:

. (4)

В формуле (4) дробь в правой части представляет передаточное отношение рычага с учетом потерь на трение. Как показали исследования, потери на трение в рычаге колеблются в зависимости от диаметра цапфы оси качания от 1,5 до 6%. Поэтому в практике для расчетов пользуются формулой:

; (5)

где ŋ=0,94…0,98 = КПД рычага.

Рычажно-шарнирные механизмы.

По конструкции эти механизмы делятся на однорычажные и двухрычажные. Двухрычажные могут быть одностороннего и двухстороннего действия.

Рычажно-шарнирные механизмы используются как быстродействующие ручные зажимы или как усилители в механизированных приводах.

1.Однорычажные шарнирные механизмы.

Принципиальная схема однорычажного механизма приведена на рисунке.

Он состоит из рычага 1, шарнирно соединенного с ползуном 3 и обычным двуплечим рычагом 2, который зажимает заготовку 5. Рычаг 1 образует с направлением силы W угол α.

В идеальном механизме (когда силы трения отсутствуют) равнодействующая R сил Q и W на ползуне передается вдоль оси рычага 1. В точке С можно разложить ее на составляющие Q и W, связь между которыми описывается уравнением:

; (1)

В реальном механизме возникают силы трения в шарнирах и в направляющих ползуна 3. Тогда для реального механизма уравнение (1) запишется в следующем виде:

; (2)

где β – угол, учитывающий потери на трение в шарнирах;

φ – угол трения в направляющих ползуна.

Определим величину угла β.

Из центров отверстий радиусом ρ=r f описаны две окружности трения (штрихпунктирные линии), где f – коэффициент трения в шарнирах. К этим кругам проведена касательная аа, а угол между этой касательной и линией центров шарниров и есть искомый угол β.

Для определения угла β через центр верхнего шарнира проведена прямая СВ, параллельная касательной аа. В прямоугольном треугольнике АСВ катет АВ равен радиусам трения и тогда:

;

где d – диаметр шарнира.

Откуда:

.

Анализ формулы (2) показывает, что она по структуре аналогична формуле для плоского односкосого клина. Угол α для рычажно-шарнирного механизма не является постоянным. Колебание его величины зависит от колебания размеров заготовки. В связи с этим сила зажима тоже постоянна. С уменьшением угла α силы зажима W увеличивается. Однако уменьшение α ведет за собой уменьшение хода зажимного механизма, так как ход равен:

S=l (1-cosα).

Для уменьшения потерь на трение в направляющих ползуна он может быть заменен роликом, катящимся на поверхности корпуса.

Рычажно-шарнирный механизм может быть выполнен с консольным плунжером вместо рычага 2. В этом случае в формуле (2) необходимо учесть потери на трение в направляющих плунжера аналогично тому, как это сделано нами для клиноплунжерного механизма:

;

где l – расстояние от шарнира до оси проворота плунжера (середины направляющих);

- угол трения в направляющих плунжера;

а – ширина направляющих плунжера.

2.Двухрычажные шарнирные механизмы.

Принципиальные схемы двухрычажных шарнирных механизмов.

Двухрычажные механизмы одностороннего действия (рис. а, б) отличаются от однорычажных тем, что исходная сила Q поровну делится между двумя рычагами. Поэтому такие механизмы дают вдвое меньшую зажимную силу по сравнению с однорычажными. Но двухрычажные механизмы обладают вдвое большим ходом.

Для механизмов без плунжера (рис. а, в) силу зажима можно рассчитать по формуле:

;

где β – угол, учитывающий потери на трение в шарнирах.

Для механизмов с плунжером (рис. б, г):

;

Для механизмов рис. а, б запас хода равен:

S=2l (1-cosα).

Для механизмов рис. в, г суммарный запас хода равен:

S_сум=2l (1-cosα).

Пружинные зажимы.

Эти зажимы позволяют закрепить заготовку в приспособлении за счет упругих свойств обычных цилиндрических пружин. Они получили широкое распространение за счет простоты конструкции, быстроты действия и возможности автоматизации процесса зажима и открепления заготовок.

Применяются зажимы двух конструктивных разновидностей:

- без сжатия пружины для съема заготовки

- с дополнительным сжатием пружины при откреплении

1 – заготовка устанавливается на штырь 2 и базируется по торцу. От проворота фиксируется шпонкой 3. 6 – скалки. 7 – пружины. 5 – плита с качалкой-прижимом 4. 8 – двухшпиндельная головка.

Механизм с дополнительным сжатием пружины при откреплении изображен на рисунке.

Схема приспособления для крепления заготовок на вращающемся столе 1 карусельно-фрезерного станка с автоматизированным зажимом.

Приспособление состоит из неподвижной призмы 2 и подвижной призмы 3, которая зажимает заготовку 4 за счет упругих сил пружины 5. В зоне загрузки расположен неподвижный кулачок 6, с которым взаимодействует бурт хвостовика подвижной призмы. В зоне загрузки призма 3 автоматически отводится кулачком от заготовки, дополнительно сжимая пружину 5. В это время происходит съем детали и загрузка заготовки.

При дальнейшем повороте стола бурт призмы сходит с кулачка и призма зажимает заготовку. Сила зажима такого механизма определяется из формулы осадки цилиндрических пружин сжатия под действие силы:

;

Откуда:

;

где f – осадка пружины, мм.

d – диаметр проволоки пружины, мм.

G – модуль Юнга (модуль сдвига материала пружины, для стали G=8000 кгс/мм²);

r – средний радиус витка пружины, мм.

i – число витков пружины.

В связи с широким применением пружин наиболее ходовые размеры их нормализованы. В практике конструирования приспособлений пружины, как правило, подбираются по нормам и проверяются на осадку и силу сжатия.

Многократные многозвенные зажимы.

Эти механизмы имеют ведомые звенья в виде прихватов или плунжеров и приводятся в действие от одного силового источника и зажимают несколько деталей или одну деталь в нескольких точках одновременно. Применение таких зажимов позволяет сократить вспомогательное время на операции. Основным требованием, предъявляемым к многократным зажимам, является равенство зажимных сил.

Для того, чтобы обеспечить это требование, ведомые звенья механизма должны составлять сблокированную «плавающую» систему, развивающую силу зажима независимо от колебаний размеров заготовок.

По направлению сил зажима механизмы можно разделить на следующие группы:

1)последовательного действия, передающие силу зажима в одном направлении от заготовки к заготовке (закрепление пакета заготовок);

2)параллельного действия, зажимающие детали в нескольких параллельных направлениях;

2)со встречными силами зажима;

4)с пересекающимся направлением сил;

5)комбинированные механизмы, представляющие собой соединение нескольких многозвенных механизмов.

Наибольшее применение получили двухзвенные механизмы.

Примеры многозвенных механизмов представлены на рисунке.

Этот механизм прост и надежен в работе, но при большом количестве заготовок оказывается громоздким.

Этот механизм компактен. Недостатки:

- низкий КПД;

- при одинаковых углах клиньев силы зажима W не одинаковы из-за потерь на трение;

- для выравнивания W углы клиньев нужно делать разные, что усложняет изготовление.

Этих недостатков лишены зажимы с гидропластом.

Если в замкнутую полость приспособления поместить минеральное масло или пластическую массу (гидропластмассу) и воздействовать на них внешней силой, то возникает гидростатической давление, которое по закону Паскаля равномерно передается на все стенки полости. Это свойство жидких заполнителей используется при проектировании двух групп приспособлений:

1)многозвенных, в которых гидростатическое давление передается системе скользящих плунжеров;

2)самоцентрирующих, с упругой оболочкой в виде тонкостенной втулки; радиальная упругая деформация втулки обеспечивает точное центрирование и зажим обрабатываемой детали.

Многозвенные механизмы с гидропластмассой можно разделить тоже на две группы:

1)механизмы, корпус которых при закреплении и раскреплении деталей перемещается или откидывается на шарнире вместе с рабочими плунжерами;

2)механизмы с неподвижным корпусом, рабочие плунжеры которых должны иметь устройства для их перемещения при зажиме и раскреплении.

Механизмы с подвижным корпусом выполняются в форму ползунов, откидных планок, губок тисков и т. п., в полости которых помещены гидропластмасса и цилиндрические плунжеры.

Механизмы с неподвижным корпусом имеют встроенный силовой узел для перемещения плунжеров.

Жидкие заполнители под высоким давлением (300 и более атм.) легко проникают в зазоры подвижных сопряжений и требуют надежных уплотнений. Поэтому получили применение гидропластмассы, удовлетворяющие двум основным требованиям:

1)не просачиваться в зазоры сопряжений, где не предусмотрены специальные уплотняющие устройства;

2)равномерно, без заметных потерь на трение передавать давления на значительные расстояния.

В станочных приспособлениях преимущественно используются три марки гидропластмасс: СМ, ДМ и МАТИ-1-4, представляющие собой соединения ряда химических элементов.

Основой массы является полихлоривонная смола. Она придает ей механическую прочность и большую вязкость.

Дибутилфталат является пластификатором.

Стеарат кальция применяется в качестве стабилизатора и представляет собой нерастворимое в воде кальциевое мыло.

Гидропластмасса СМ плавится при t⁰=140⁰ C, а превращается в студень (гель) при 120⁰ С. Она может работать в температурном режиме от 5 до 60⁰ С; при t ниже 5⁰ С масса твердеет и становится непригодной для эксплуатации. Гидропластмасса ДМ работает при t от 20 до 40⁰.

Расчет силы зажима и перемещений плунжеров в такой последовательности.

После зажима в замкнутой полости механизма создается гидростатическое давление p (кгс/см²) и все звенья находятся в равновесии.

Из условия равновесия нажимного плунжера1:

; (1)

а каждого рабочего плунжера 2:

; (2)

Поделив эти два уравнения, получим:

; (3)

Отсюда, с учетом потерь на трение:

; (4)

где ŋ=0,9…0,95 – КПД;

D – диаметр рабочего плунжера;

d – диаметр нажимного плунжера.

При наличии на плунжерах возвратных пружин, формула (4) принимает вид:

; (5)

где Р – сопротивление пружин.

Зависимость перемещений определяется из условия равенства объемов, образуемых перемещающимися нажимным и рабочими плунжерами:

; (6)

Отсюда:

;

где S_Q – перемещение нажимного плунжера;

S_W – перемещение рабочего плунжера;

n – число рабочих плунжеров.

Пример механизма со встречными силами.

Принципиальная схема механизма с пересекающимися силами.

Комбинированные механизмы представляют собой соединения нескольких выше перечисленных механизмов.