Расчет сил закрепления W.Заготовки в приспособлении

ЛЕКЦИЯ 8-1 РАСЧЕТ СИЛ ЗАКРЕПЛЕНИЯ W. ЗАГОТОВКИ В ПРИСПОСОБЛЕНИИ План лекции: 1.Особенности проектирования зажимных устройств. 2.Определение условий закрепления заготовки в станочном приспособлении. 3. Методика определения теоретической силы закрепления W. 4. Разработка расчетной схемы. 5.Определение расчетного уравнения. 7.1.ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЗАЖИМНЫХ УСТРОЙСТВ. Проектированию зажимных устройств предшествует выбор оборудования, на котором по технологическому процессу будет обрабатываться заготовка. После анализа детали и выбора заготовки в первую очередь необходимо определить поверхность, относительно которой будут обрабатываться большенство параметров детали. Поэтому сначала надо обработать базовую поверхность заготовки. НАПРИМЕР: базовой поверхностью является отверстие, относительно которого будут обрабатываться наружные цилиндрические поверхности с заданной точностью. Требуется выбрать средство для закрепления при обработке заготовки на токарном станке. На токарных станках обрабатываемые детали в зависимости от формы и размеров, устанавливают в центрах или в патроне. Один центр расположен в шпинделе передней бабки, а второй в шпинделе задней бабки токарного или шлифовального станка. Патрон устанавливают и закрепляют на конце шпинделя передней бабки станка. Универсальные кулачковые патроны применяют для установки и зажима заготовок различных деталей, обрабатываемых на токарных и шлифовальных станках. В зависимости от количества кулачков патроны разделяются на двух- трех- и четырех-кулачковые. Патроны двух- и трех- кулачковые являются самоцентрирующими. Вращающийся центр Поводковый патрон Приспособления для сверлильных станков Приспособления для сверлильных станков занимают большой удельный вес в технологическом оснащении. Сверлильные приспособления различаются положением, которое занимает заготовка в процессе обработки. По этому признаку приспособления разделяются на стационарные, поворотные, передвижные и опрокидываемые. Наибольшее применение имеют стационарные и поворотные приспособления. Фрезерные приспособления для станков с ЧПУ Приспособления для фрезерных станков по виду подачи стола разделяют на приспособления к станкам с прямолинейной, круговой и сложной копирной подачей. Приспособления для фрезерных станков бывают универсальными, универсальносборными, универсально-наладочными, групповыми и специальными. Универсальные делительные переналаживаемые столы применяются для позиционной обработки одной или нескольких заготовок комплектом фрез на фрезерных станках. Заготовки устанавливаются и закрепляются в сменных наладках, которые размещаются на верхней поворотной части стола. В основном делительные столы имеют ручной привод, но имеются делительные столы и с механизированным приводом для поворота, фиксации и закрепления подвижной части стола и для зажима и разжима обрабатываемых деталей. На данном рисунке – поворотный стол с гидравлическим приводом Приспособления для многоцелевых станков с ЧПУ На многоцелевых фрезерно-сверлильно-расточных стансах с ЧПУ приспособления устанавливаются на плитах-спутниках, автоматически закрепляемых на поворотном столе станка. Особенностью этих приспособлений является их высокая жесткость. Заготовка может обрабатываться с четырех-пяти сторон. Модульные приспособления состоят из модулей: базовых плит и угольников, на которые компонуются модульные установочные и зажимные элементы. Комплекты используют для компоновки приспособлений, предназначенных для базирования по обработанным плоскостям и двум отверстиям заготовок корпусных деталей при обработке их на станках с ЧПУ. Приспособления устанавливают на стол станка. 7.2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ УСЛОВИЙ ЗАКРЕПЛЕНИЯ ЗАГОТОВКИ В СП Величину необходимого зажимного усилия определяют на основе решения задачи статики, рассматривая равновесие заготовки под действием приложенных к ней сил. Для этого необходимо составить расчетную схему, то есть изобразить на схеме базирования заготовки все действующие на нее силы: силы и моменты резания, зажимные усилия, реакции опор и силы трения в местах контакта заготовки с опорными и зажимными элементами. Расчетную схему следует составлять для наиболее неблагоприятного местоположения режущего инструмента по длине обрабатываемой поверхности. По расчетной схеме необходимо установить направления возможного перемещения или поворота заготовки под действием сил и моментов резания, определить величину проекций всех сил на направление перемещения и составить уравнения сил и моментов: При обработке на заготовку действуют силы резания. Их величина, направление и место приложения изменяются в процессе обработки. Силы резания и моменты, создаваемые ими, стремятся сдвинуть и повернуть заготовку. Заготовка должна сохранять неизменное положение относительно установочных элементов СП. Чтобы заготовка сохраняла в процессе обработки неизменное положение, ее необходимо надежно закрепить в СП. Рекомендуется условия закрепления заготовки в СП определять в две стадии. На первой стадии определяют теоретическую силу закрепления W. На второй – параметры зажимного устройства, например: диаметр пневмоцилиндра. .3. МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ СИЛЫ ЗАКРЕПЛЕНИЯ ЗАГОТОВКИ В ПРИСПОСОБЛЕНИИ W В процессе обработки на заготовку действуют различные силы: • центробежные силы – Рц. – силы резания – Рz, Ру, Рх; • силы закрепления – W; • силы реакций – N; • силы трения – F; • вес заготовки – Рзг; Действие этих сил в процессе обработки на заготовку различно – одни силы удерживают заготовку, другие стремятся ее сдвинуть. Силу закрепления W определяют на основе решения задачи статики, рассматривая равновесие заготовки под действием приложенных к ней сил. Возможно решение «пространственной» и «плоской» задачи. Пространственную задачу статики можно свести к плоской задаче, что упрощает ее решение. По положениям теоретической механики решение такой задачи сводится к решению двух уравнений – уравнения сил и уравнения моментов: P P М М То есть сумма всех сил (моментов), удерживающих заготовку, больше или равна сумме всех сил (моментов), сдвигающих заготовку. Силы (моменты) удерживающие заготовку, стремящиеся сохранить положение заготовки в СП, достигнутое при базировании это: – зажимные усилия; – силы трения в месте контакта заготовки с установочными элементами СП и контактными элементами зажимного устройства; • силы веса (в зависимости от расположения установочных элементов). Сдвигающие силы это: • силы резания; • реакции опор и зажимов; • вес заготовки; • центробежные силы. Рекомендуется следующий порядок расчета усилия зажима W: 1. разработать расчетную схему для наиболее неблагоприятного положения заготовки при обработке; 2. по принятой расчетной схеме составить расчетное уравнение; 3.определить значения параметров, входящих в расчетное уравнение; 4. определить величину теоретической силы закрепления W. ПРИМЕР 1 Рис. 1. Схема сил 1. При точении обрабатываемой поверхности на заготовку действуют три силы резания: Рz , Рy, Px, стремящиеся изменить ее положение; Px = (0,3…0,4) Рz ; Рy = (0,4…0,5) Рz (смещение заготовки под действием Рy маловероятно, т.к. величина зазора мала (0,02…0,03 мм); Рz – наибольшая по величине, действует в наиболее удаленной точке, и имеет направление силы, при котором создается наибольший крутящий момент, стремящийся повернуть заготовку на установочном элементе ( Принимаем допущения:Px = 0, Рy = 0. 2. При закреплении заготовки создаются силы W и N, стремящиеся удержать ее в неизменном положении. Действие этих сил может быть точечным и распределенным. При точечном характере в точках приложения сил закрепления W/2 и реакций опор N/2 возникают силы трения F/2 и F1/2, удерживающие заготовку от вращения под действием сил резания и создающие крутящий момент, удерживающий заготовку от вращения . 8.3 ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАСЧЕТНОГО УРАВНЕНИЯ Расчетные уравнения получают путем введения в полученные ранее неравенства коэффициента надежности закрепления k, учитывающего принятые при разработке схемы допущения, учитывая распределение сил сдвигающих заготовку и удерживающих ( рис. 2 ,рис. 3) , где определяют по расчетной схеме, а k определяют аналитически. Рис. 3. Схема условия удержания заготовки 3. Суммируя условия сдвига и закрепления, получаем расчетную схему рис.4. Точкой возможного поворота заготовки является ось оправки, поэтому на схеме приведены размеры – радиусы R, r, r1, на которых действуют силы Рz, F и F1 при повороте. Рис. 4. Схема определения сдвигающих и удерживающих моментов При составлении уравнений моментов необходимо прави-льно установить точку, относительно которой возможен поворот заготовки под действием сил резания рис. 4. Для примера 1: , где (при N = W) ; , отсюда – такая зависимость получена при допущении о том, что между заготовкой, установочными и зажимными элементами СП существует точечный контакт. Если учесть, что между заготовкой и элементами СП существует контакт по кольцевой поверхности, то можно использовать следующую формулу для определения W: , где D = 2R – диаметр заготовки в мм; d – диаметр отверстия в заготовке в мм; d1 – наружный диаметр зажимной шайбы в мм; d2 – наружный диаметр установочного торца оправки (диаметр бурта) мм. Зажимными устройствами или механизмами называют механизмы, устраняющие возможность вибрации или смещения заготовки относительно установочных элементов приспособления под действием собственного веса и сил, возникающих в процессе обработки. Необходимость применения зажимных устройств исчезает в двух случаях: 1. Когда обрабатывают тяжелую, устойчивую заготовку по сравнению с весом которой силы механической обработки малы; 2. Когда силы, возникающие при обработке приложены так, что они не могут нарушить положение заготовки, достигнутое базированием. 8.4. ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К ЗАЖИМНЫМ УСТРОЙСТВАМ: 1. При зажиме не должно нарушаться положение заготовки, достигнутое базированием. Это удовлетворяется рациональным выбором направления и точки приложения силы зажима. 2. Зажим не должен вызывать деформации закрепляемых в приспособлении заготовок или порчи (смятия) их поверхностей 3. Сила зажима должна быть минимальной необходимой, но достаточной для обеспечения надежного положения заготовки относительно установочных элементов приспособлений в процессе обработки. 4. Зажим и открепление заготовки необходимо производить с минимальной затратой сил и времени рабочего. При использовании ручных зажимов усилие руки не должно превышать 147 Н (15 кгс). 5. Силы резания не должны, по возможности, воспринимать зажимные устройства. 6. Зажимной механизм должен быть простым по конструкции, максимально удобным и безопасным в работе. Выполнение большинства этих требований связано с правильным определением величины, направления и места положения сил зажима. . К заготовке с одной стороны приложены силы тяжести и силы, возникающие в процессе обработки, с другой - искомые зажимные силы и реакции опор. Под действием этих сил заготовка должна сохранить равновесие. Величину сил резания и их моментов определяют по формулам теории резания Найденное значение сил резания для надежности зажима заготовки умножают на коэффициент запаса k= 1,4…2,6 (при чистовой обработке k=1,4, при черновой k=2,6). Величина коэффициента зависит от условий обработки заготовок на станке: В расчетных уравнениях используются четыре группы параметров: – коэффициент надежности закрепления k; – силы и моменты резания; – коэффициенты трения; – конструктивные размеры. Коэффициент надежности где k 0= 1,5 гарантированный коэффициент запаса при всех случаях обработки; k1– коэффициент, зависящий от вида базовой поверхности заготовки (обработанная или необработанная); k2– коэффициент, учитывающий увеличение силы резания при затуплении режущего инструмента; k3– коэффициент, учитывающий увеличение силы резания при обработке прерывистых поверхностей; k4– коэффициент, учитывающий постоянство силы зажима, развиваемой силовым приводом приспособления; k5– коэффициент, учитываемый при наличии моментов, стремящихся повернуть обрабатываемую деталь вокруг ее оси. k6– коэффициент, учитывающий неопределенность мест контакта плоских базовых поверхностей заготовки с плоскими поверхностями установочного элемента. Рассмотрим несколько вариантов действия на обрабатываемую деталь сил резания, зажима и их моментов. Первый вариант. Сила зажима W, приложенная к обрабатываемой заготовки 1, и сила резания Р одинаково направлены и прижимают заготовку к опоре 2 приспособления (рис. 5). Рисунок 5 При этом на заготовку действует минимальная сила зажима W min. Второй вариант. Сила зажима W и сила резания Р действуют на обрабатываемую заготовку 1 в противоположных направлениях (рис. 6); требуемая сила зажима должна быть больше силы резания W=kP Рисунок 6 Рисунок 7 Третий вариант. Сила зажима W и сила резания Р действуют на обрабатываемую заготовку во взаимно перпендикулярном направлении (рис. 7). Силе резания Р противодействуют силы трения между нижней базовой плоскостью заготовки и опорными штырями приспособления и между верхней плоскостью заготовки и зажимными элементами. При этом требуемая сила зажима: W · f1 + W · f2 = k· Р, W=. где f1 и f2 — коэффициенты трения между поверхностями заготовки и установочными зажимными элементами приспособления. При f1=f2=0,l сила зажима W=5·k· P. Четвертый вариант. Сила зажима W прижимает заготовку к опорам (рис. 8). При этом одна сила резания Р1 имеет одно направление с силой зажима и прижимает заготовку к нижним опорам, а вторая сила резания Р2 действует в направлении, перпендикулярном к силе зажима. Смещению заготовки в приспособлении препятствуют силы трения, возникающие на плоскостях контакта детали с установочными и зажимными элементами приспособления. Величину силы зажима определяют из соотношения: рисунок 8 Р2 < (W + Р1) · f2 + W · f1 ; с учетом коэффициента запаса, при k > 1 W=, Пятый вариант. Обрабатываемая заготовка зажимается (рис.9,10) горизонтально действующей силой зажима W. Рисунок 9 Рисунок 10 Расстояние между силой зажима и силой реакции от бокового упора выбирают таким, чтобы обрабатываемая заготовка надежно была прижата к установочным опорам приспособления. На заготовку, зажатую в приспособлении, действуют сила зажима W, сила реакции R1 и R от установочных и зажимных опор и силы трения F=fR, F1=f1 R1, F2=f 2W между поверхностями детали, установочными и зажимными элементами приспособления. Из суммы моментов сил относительно точки 01, равной нулю, находим W(n+f2m)=R(c–fb), где f, f1, f2 – коэффициенты трения в местах касания заготовки опор приспособления и зажимных элементов. W= Величина k может колебаться в пределах 1,5…8,0. Если k < 2,5, то при расчете надежности закрепления заготовки следует принять коэффициент равный k = 2,5 (согласно ГОСТ 12.2.029-77). 3. Коэффициенты трения определяем по таблицы 3, в зависимости от шероховатости материала, удельного давления и наличия СОЖ в местах контакта. Таблица 1 .Значения коэффициентов k0, k1, k2, k3, k4, k5 и k6 Обозначение коэффициента Фактор, учитываемый введением коэффициента Значение коэффициента k0 Гарантированный коэффициент запаса 1,5 – для всех случаев k1 Увеличение сил резания при затуплении инструментов См. табл. 2 k2 Увеличение сил резания из-за колебаний припусков на заготовку 1,0 – при чистовой обработке 1,2 – при черновой обработке k3 Изменение сил резания при обра-ботке прерывистых поверхностей 1,0 – при обработке гладких поверхностей 1,2 – при обработке прерывистых поверхностей k4 Непостоянство сил при закреплении 1,0 – для пневматических, гидравлических и других механизированных зажимов 1,2 – для пневмокамер, мембранных патронов 1,3 – для ручных зажимов k5 Непостоянство сил зажимных устройств с ручным приводом 1,0 – при удобном расположении рукояток управления 1,2 – при неудобном расположении рукояток управления k6 Неопределенность мест контакта плоских базовых поверхностей заготовки с плоскими поверхностями установочного элемента 1,0 – для опор с ограниченной поверхностью контакта 1,5 – для опор с большой поверхностью контакта Таблица 2.Значения коэффициента k1 для различных условий обработки Вид обработки Коэффициент силового воздействия k1 Примечание Сверление Мкр Ро 1,2 1,1 Для сталей и чугунов Зенкерование черновое (по корке) Мкр Ро 1,3 1,2 Для чугунов при h3 = 1,5 мм Зенкерование чистовое и получистовое Мкр Ро 1,2 1,2 Для чугунов при h3 = 0,8 мм Обтачивание и растачивание черновое Pz Py Px 1,0 1,4 1,2 1,6 1,2 Для сталей и чугунов Для сталей Для чугунов Для сталей Для чугунов Обтачивание и растачивание чистовое Pz Py Px 1,0 1,4 1,05 1,0 Для сталей Для сталей Для чугунов Для сталей и чугунов Фрезерование цилиндрической фрезой Ft – окружная сила 1,6-1,8 1,2-1,4 Для сталей Для вязких сталей и чугунов Фрезерование торцовой фрезой Fr – радиальная 1,6-1,8 1,2-1,4 Для вязких сталей Для твердых сталей и чугунов Шлифование Fa - осевая 1,1-1,2 Для всех материалов Протягивание Fa- осевая 1,5 При h3 = 0,5 мм Таблица 3 Значения коэффициентов трения – сцепления f в зависимости от формы контактной поверхности Коэффициент трения Зависимость коэффициента а от формы контактной поверхности f = 0,10 при контакте между гладкими закаленными поверхностями, а также при контакте между гладкими закаленными поверхностями (установка заготовки на гладкие опорные штыри и пластины и гладкие кольцевые бурты); f = 0,25 при контакте между гладкими поверхностями незакаленной заготовки и гладкими закаленными поверхностями установочных и зажимных элементов, а также при контакте по линии и сфере; f = 0,35 при контакте между поверхностями незакаленной заготовки с поверхностями установочных и зажимных элементов, имеющих продольные или поперечные канавки; f = 0,45 при контакте между поверхностями незакаленной заготовки с поверхностями установочных и зажимных элементов, имеющих крестообразные канавки; f = 0,70 При контакте между поверхностями незакаленной заготовки с поверхностями незакаленной заготовки с поверхностями установочных и зажимных элементов, имеющих острые рифления; Рисунок11– Схема закрепления заготовки разжимной двухсторонней цангой Например : Р=318 Н. ( для выполнения операции точения втулки) разработана принципиальная схема рис. 11 оправки (СП), в которой предполагается, что базовые поверхности незакаленной заготовки являются гладкими, а поверхности установочных и зажимных элементов - гладкими кольце-выми буртами. По приложению П3 устанавливаем, что этих условий проектирования СП значения коэффициентов трения равны: f = 0,1 и f1 = 0,l. РАСЧЕТ КОНКРЕТНЫХ ЗНАЧЕНИЙ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ СИЛ ЗАКРЕПЛЕНИЯ W Определение величины теоретической силы закрепления W заготовки производится по полученным ранее уравнениям При наличии одного уравнения расчетное значение силы W принимается за основу дальнейших расчетов. Если уравнений два, то за основу принимается большее значение силы W. Для примера 1:k = 2,5; Р = 318 Н; f = f1 = 0,l; D = 50 мм (r = 25 мм); d = 30; d1 = d2 = 46 мм; r1ср = r2ср = 19 мм. Подставляя соответствующие значения параметров в уравнение, W = 2,531825/(0,119 + 0,119) = 5230,2(H). Или другое уравнение: по формуле: , . Сравнивая полученные значения силы W, принимаем за основу дальнейших расчетов большее значение: W = 5230,2 Н. 4. МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЗАЖИМНОГО УСТРОЙСТВА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СИЛОВОГО ПРИВОДА На этой стадии расчетов определяют параметры силового механизма и силового привода. Особенности определения параметров силового механизма, принятого на стадии разработки принципиальной схемы СП, зависят от степени его сложности – простого (рычажного, клинового, винтового и др.) или комбинированного (рычажного, клинового, винтового). Особенности определения параметров силового привода зависят от типа силового привода, предусмотренного в принципиальной схеме. Так для пневматических, гидравлических и подобных им силовых приводов рассчитывают диаметры цилиндров, а для электромеханических – определяют требуемый крутящий момент (мощность). Определяют параметры зажимного устройства в следующей последовательности: 1. разработать расчетную схему; 2. составить расчетное уравнение; 3.определить расчетные значения параметров силового привода и уточнить их значения по стандартам. Уравнение силового замыкания, выражающее равновесие сил в структуре зажимного устройства в общем случае: Q = W/(iη), где Q – тяговое усилие, создаваемое силовым приводом, Н; W – сила закрепления заготовки, Н; i – передаточное отношение силового механизма (силопреобразующего устройства), i = i1 i2 i3 …in – определяется как произведение передаточных отношений структурных элементов силового преобразующего устройства.  – коэффициент полезного действия, учитывает потери на трение во всех структурных элементах зажимного устройства и определяется как произведение КПД структурных элементов силового преобразующего устройства – силового привода 1, силового механизма 2, контактного элемента 3.  = 1 2 3 …n = 1  2  3  …  n. Уравнение замыкания для некоторых типов зажимных устройств: 1) для зажимных устройств работающих по принципу прямой передачи тягового усилия Q (т.е. i=l): рис. 12; q = w/, Q D d . wwwwww Рис. 12. Структурная схема зажимного устройства для пневматических, гидравлических силовых приводов: толкающего действия – Q = , (Н); тянущего действия – Q = , (Н), где D – диаметр цилиндра, мм; d – диаметр штока, мм; р – давление рабочей среды в системе: р = 0,4…0,63 МПа – давление сжатого воздуха; р = 5…15 МПа – давление жидкости в гидроприводах. Рис. 13. Структурная схема современных зажимных устройств , (мм). Для зажимного устройства, работающих по принципу преобразованиятягового усилия Q рис. 13. .5. СИЛОВЫЕ МЕХАНИЗМЫ НА ОСНОВЕ «РЫЧАЖНОГО ЭФФЕКТА» На схемах механизмов рычажного типа (рис 14. а, б, в) показаны варианты действия зажимного усилия на заготовку а) б) в) Рис. 14. Схемы силовых механизмов рычажного типа Передаточные отношения: а) i = l2/l1; б) i = l2/(l1 + l2); в) i =(l1 + l2)/l2. .