КОНТРОЛЬНІ ПИТАННЯ

де α — кут спіралі гвинта (клина), град; φ ₁ і φ ₃— кути тертя відповідно між корпусом патрона та клином і плунжера у його радіальних напрямках.

Похибка центрування для клино-плунжерних патронів становить ±(0, 1...0, 25) мм. Тому ці патрони переважно застосовують для чорнового оброблення заготованок. Конструкції та розміри їх стандартизовані.

Клино-кулькові затискачі застосовують для верстатних пристроїв з базуванням заготованок як на зовнішні, так і на внутрішні циліндричні поверхні (рисунок 5.5). У корпус 1 запресоване кільце 2, з яким контактують кульки 3, утримувані сепаратором 4 та шайбою 5 обойми. Рух обойми з кульками вліво від рушія патрона зумовлює центрування та затискання заготованки 6 кульками, що спрямовані у напрямку до центра обертання патрона конічною поверхнею кільця 2. Перевагою такого патрона перед клино-плунжерним є менші втрати на тертя у напрямних для кульок і виша точність центрування за рахунок зменшення кількості передавальних ланок і точності розмірів кульок. З умови рівноваги кульки отримуємо таке співвідношення сил

(5.2)

де φ _k — кут тертя кочення кульки по конічній поверхні кільця, град; φ ₂ і φ ₃ — кути тертя кульки відповідно до заготованки та сепаратора.

Клино-кулькові затискачі забезпечують велике передавальне відношен-

Рисунок 5.5. Самоцентрувальний клино-кульковий патрон

ня та значну силу затискання заготованки, але можуть пошкоджувати базову поверхню заготованки, що зумовлено практично точковим контактуванням її з кульками. Тому ці затискачі застосовують переважно для чистового оброблення заготованок, де діють малі сили різання. Кут конуса кільця приймають у межах 5... 10°, а найменший діаметр кільця визначають з формули

(5.3)

Довжина конуса l= l₁ + l₂ + l₃, де l, — запас ходу, мм; l ₂ = 772tgα — довжина конуса, що потрібна для забезпечення затискання будь-якої заготованки у межах допускних її розмірів, мм; l₃ = S_min/2tgα — довжина конуса, що гарантує мінімальний проміжок між заготованкою та кульками під час встановлення заготованки.

Для встановлення та затискання довгих заготованок використовують дворядне розміщення роликів у одному або різних сепараторах. Такі затискачі застосовують у патронах для чистового шліфування базових отворів зубчастих коліс. Для оброблення зубчасті колеса встановлюють на базові евольвентні поверхні зубців, що забезпечує високу точність їх центрування та, як наслідок, якість коліс. Для надійного контактування кульок з евольвент-ними поверхнями за розробленою методикою визначають потрібний діаметр кульок.

Центрувальними елементами для важільних затискачів є важелі або кулачки, що переміщуються з їх допомогою. У патроні з важільно-кулачковим затискачем (рис. 7.6) кулачки 6 рухаються штоком 1 пневмо- чи гідроциліндра через важелі 2, що повертаються навколо осей 3, встановлених нерухомо у корпусі 4. У кришці 5 є три радіальні пази, розміщені під кутом 120° один до одного, які служать напрямними для кулачків 6. Рух штока вліво зумовлює одночасний рух усіх кулачків у напрямку до центра та затискання ними заготованки, а рух штока вправо відпускає її. Важільні патрони забезпечують достатньо велику силу затискання, але мають малу точність центрування заготованок.

Рисунок 5.6. Важільно-кулачковий самоцентрувальний патрон

Тому їх переважно застосовують для чорнового та напівчистового оброблення заготованок.

Основні параметри самоцентрувальних затискачів з пружинними елементами

Самоцентрувальні затискачі з пружинними елементами відрізняються тим, що замість ланок, з'єднаних між собою рухомими припасуваннями, які забезпечують їх рух у обох напрямках і спрацьовуються, мають пружні установці елементи, з'єднані між собою в одне ціле. Такий елемент можна виготовити з високою точністю, забезпечивши порівняно вищу точність затискача. До самоцентрувальних затискачів належать цангові, мембранні та гідро-пластмасові центрувальні затискачі, а також затискачі з тарілчастими пружинами.

Цангові затискачі

Цанги— це розрізні (вздовж осі симетрії) пружні втулки (рисунок. 5.7), що залежно від їх конструкції (розміщення конусної поверхні) допускають вста­новлення та закріплення штучних і пруткових заготованок за допомогою внутрішньої або зовнішньої поверхонь різного профілю (круглих, квадратних, призматичних, шестигранних тощо).

Цанговий затискач з втяжною цангою З призначений для центрування штучних заготованок 4 за допомогою їх зовнішньої поверхні. Такі затискачі переважно застосовують для центрування та закріплення окремих заготованок. Якщо заготованка не має відповідного установного бурта (як на рисунок 5.7, а), то всередині цанги передбачають спеціальний упор. Затискачі зі штовханими цангами З (рисунок 5.7, б) здебільшого застосовують для пруткових

Рисунок 5.7. Цангові затискачі

заготованок. Для фіксування прутка 4 в осьовому напрямку служить упор 6, встановлений поза цангою.

Повздовжні прорізі перетворюють кожний пелюсток цанги у консольний брус, один з кінців якого переміщується у радіальному напрямку шляхом ковзання конічної його поверхні по відповідній нерухомій поверхні корпуса або гайки, що з'єднані з ним. Самоцентрування забезпечується одночасним деформуванням усіх пелюстків цанги. Кількість пелюстків цанги залежить від її розмірів і профілю встановлюваних заготованок. Для заготованок круглого перерізу з діаметром до ЗО мм цанга має три пелюстки, з діаметром від 30 до 80 мм — чотири, а з діаметром понад 80 мм — шість.

Для забезпечення довговічності цанги деформування її пелюстків не має перевищувати границі пружності матеріалу, з якого вона виготовлена. Виготовляють цанги з високовуглецевих (У8А, У10А, 65Г тощо) або легованих (15ХА, 12ХНЗА тощо) сталей з гартуванням їх робочих частин до твердості 55... 62 HRC та відпусканням неробочих частин до твердості 39... 40 HRC.

Точність центрування нових цанг становить 0, 02... 0, 05 мм. Установні поверхні цанг обробляють відповідно до шостого-восьмого квалітетів точності. Беручи до уваги, що під час гартування цанга може жолобитися, оброблення різанням і гартування разом з чистовим шліфуванням виконують із наявністю невеликих перемичок між пелюстками, які після оброблення вилучають за допомогою тонких шліфувальних кругів.

Сила втягування для цангового затискача без упора (рисунок 5.7, а)

(5.4)

де Q — сила затискання заготованки, Н; Q₁ — сила стискання пелюстка цанги для вибирання проміжка між її губками та заготованкою, Н; φ — кут тертя конічних поверхонь цанги та шпинделя, град. Відповідно до рисунку 5.7, а

де k — коефіцієнт запасу, М — момент (наприклад, сил різання), який передається цангою, Нмм; d — діаметр базової поверхні заготованки, мм; Р — осьова сила (наприклад, складова сили різання), що зсуває заготованку, Н; f— коефіцієнт тертя між цангою та заготованкою.

Силу Q₁ знаходять, приймаючи кожний пелюсток цанги за консольно закріплений брус

(5.5)

де Е — модуль пружності матеріалу цанги, МПа; l — довжина пелюстка від початку до середини конуса, мм; п — кількість пелюстків цанги; δ — стріла прогинання пелюстка, що дорівнює половині найбільшого діаметрального проміжку між цангою та заготованкою, мм; J_M — момент інерції сектора тонкого кільця на початку пелюстка, мм⁴ (переріз АА на рисунку 5.7, a); S_max — найбільший проміжок між цангою та заготованкою, мм;

(5.6)

де d — діаметр зовнішньої поверхні пелюстка, мм; t — товщина стінки пелюстка, мм; α ₁—- половина кута сектора пелюстка цанги, град. Прийнявши Е = 2, 2·10⁵ МПа та позначивши δ = Smax/2, отримаємо:

для трипелюсткової цанги (α ₁≈ 60°)

;

для чотирипелюсткової цанги (α ₁≈ 45°)

Для цангового затискача (рисунок 5.7, б) наявне тертя між губками цанги та заготованкою. Тоді

(5.7)

Розглянемо центрувальний затискач зі штовханою цангою 3 та внутрішнім упором, розміщеним у шпинделі 1 (рисунок 5.7, в). Заготованку 4 затискають шляхом закручування гайки 5 з внутрішньою конічною поверхнею на шпиндель, у якому міститься цанга зі зовнішньою конічною поверхнею. Для таких механізмів замість штовхальної сили визначають потрібний момент сили, прикладеної до гайки, під час затискання заготованки.

Завдання для самостійної роботи

Розрахунок цангових затискачів

Для заданих (рисунок 5.7) конструкцій цангових затискачів токарних патронів і вихідних даних згідно з табл.иці 5.1 і 5.2 визначити силу втягування (штовхання) або момент сил закручування гайки затискача.

Таблиця 5.1

Вихідні дані за номерами завдань (наприклад, за передостанньою цифрою номера залікової книжки)

Таблиця 5.2

Вихідні дані за номерами варіантів завдань (наприклад, за останньою цифрою номера залікової книжки)

Задача.За табл. 7.1 і 7.2 маємо такі вихідні дані: М= 200 Н · м; Р = 60 Н; k= 1, 8; f= 0, 15; φ = 8°; рис. 7.7, a; d = 40 h7; d₁ = 52; t= 4, 0 мм; l= 100 мм; n = 4.

Розв'язання.Беручи до уваги, що заданий затискач (рисунок 5.7, а) є втяжним і не має упора, потрібну для затискання заготованки силу визначаємо за формулою як

, де

Для чотирипелюсткової цанги маємо

Прийнявши з конструктивних міркувань найбільший проміжок між цангою та заготованкою S_max= 0, 5 мм і підставивши вихідні дані, отримаємо

а потрібна сила втягування цанги

Мембранні затискачі

Мембранні затискачі застосовують для встановлення та закріплення таких заготованок, як диски, втулки, кільця тощо за допомогою як внутрішніх, так і зовнішніх поверхонь. Основною деталлю таких затискачів є пружна мембрана, що за формою може бути ріжко-, чашко- та кільцеподібною.

Мембранний патрон (рисунок 5.8, а) має круглу, закріплену до планшайби верстата мембрану 1 зі симетрично розміщеними на ній кулачками 2. Кількість кулачків залежить від розмірів мембрани, їх може бути від 6 до 12. У шпинделі розташований шток 4 пневмо- чи гідроциліндра, який, рухаючись вправо, вигинає мембрану й розкриває її кулачки (рисунок 5.8, б), звільнюючи заготованку. Рух штока вліво дає змогу за допомогою кулачків центрувати та затискати заготованку.

Виготовляють мембрани з високовуглецевих сталей (У7А, ЗОХГС, 60С2А, 65Г тощо) із гартуванням їх до твердості 40... 45 HRC [4].

Мембранні патрони можуть забезпечити точність центрування до 0, 005 мм. Досягають такої високої точності центрування шляхом додаткового оброблення кулачків у складеному патроні.

Рисунок 5.8. Мембранні центрувально-затискні патрони

Вихідними даними для розрахунку патрона є найбільший момент різання, діаметр базової поверхні заготованки та відстань від середини кулачків до середньої площини мембрани (рис.7.8, а). З умови рівноваги окремого кулачка мембрани радіальна сила на ньому

(5.8)

де k — коефіцієнт запасу; М_p — момент сил різання, Н·мм; п — кількість кулачків; f — коефіцієнт тертя між кулачками та заготованкою; d — діаметр заготованки, мм. Сили Q вигинають мембрану. Для великої кількості кулачків, враховуючи розміщення їх по колу радіусом d/2, вигинальний момент

де М — момент сил, що вигинають мембрану, Н·мм; l — відстань від мембрани до середини кулачка, мм. Силу, яку потрібно прикласти до штока для розкриття кулачків з мембраною на кут ф, визначають зі схеми для розрахунку мембранного патрона (рисунок 5.9). З деякими спрощеннями маємо

(5.9)

де d₁ — зовнішній (великий) діаметр мембрани, мм; h — товщина мембрани, мм;

Рисунок 5.9. Схеми для розрахунку мембранного патрона

(5.10)

φ ' — кут розкриття кулачків (вигинання мембрани), град; φ — найменше значення кута розкриття кулачків (вигинання мембрани), необхідного для охоплення заготованки найменшого діаметра, яку визначають як

де T_d — допуск діаметра заготованки, мм; 5 _ах — найбільший проміжок між заготованкою та кулачками, мм; Е і μ — відповідне модуль пружності та коефіцієнт Пуассона для матеріалу мембрани; k_m — коефіцієнт моменту сил, що залежить від співвідношення d₁/ d і приблизно може бути визначений за таким відношенням:

За значенням цієї сили розраховують найбільше напруження у матеріалі мембрани як

(5.11)

де σ _m — внутрішні напруження у мембрані, МПа; µ — коефіцієнт Пуассона; r_о — радіус кола контакту штока та мембрани, мм; h — товщина мембрани, мм. Товщину мембрани приймають від 0, 03 до 0, 06 d₁, а радіус кола контак­ту мембрани і штока r_о від 3 до 5 мм.

Окрім суцільних застосовують також мембрани з центральним отвором діаметром d_ц для проходження довгих пруткових заготованок. Для таких мембран кут розкривання, визначений за формулою, множать на коефіцієнт k₁, а силу на штоці, визначену за формулою, — на коефіцієнт k₂, (таблиця 5.3), які визначають за табл. 7.3 залежно від значень відношень d₁/d_ц та d₁/d.

Таблиця 5.3

Значення коефіцієнтів k₁ і k₂

Найбільше напруження у матеріалі мембрани з центральним отвором знаходять за формулою

(5.12)

Мембранний патрон з пневматичним циліндром (дивись рисунок 5.8, в) збільшує силу затискання заготованки. Рух вправо поршня 3 разом зі втулкою 4, що закріплена до нього, зумовлює вигинання мембрани 1 і звільнення заготованки 2, а рух його вліво спричинює збільшення сили затискання заготованки, бо до пружних сил мембрани додається ще й сила поршня.

Задача.Визначити силу на штоці та напруження у матеріалі мембрани для центрувального патрона (дивись рисунок 5.8, а), що передає крутний момент сил різання М = 15000 Н · мм і має такі конструктивні розміри: d = 62, 5 мм; d₁ = 125 мм; l= 30 мм; h = 4 мм; кількість кулачків п - 8; допуск діаметра заготованки Т_d= 0, 02 мм; проміжок S_max = 0, 025 мм; матеріал мембрани — сталь марки У7А.

Розв'язання.Приймемо для розрахунків, що модуль пружності матеріалу мембрани Е = 2, 1 · 10⁵ МПа; коефіцієнт Пуассона µ = 0, 3; коефіцієнт тертя між заготованкою та кулачками f= 0, 15 і коефіцієнт запасу k= 1, 5.

Радіальну силу на кожному з кулачків визначаємо за формулою як

Момент сил, що вигинають мембрану,

Прийнявши радіус кола контакту мембрани та штока r₀=3 мм і визначивши найменше значення кута розкриття кулачків за формулою як

і кута розкриття кулачків з урахуванням допуску діаметра заготованки та найбільшого проміжку між заготованкою та кулачками за як

знаходимо силу на штоці за першою формулою:

Напруження у матеріалі мембрани визначаємо за формулою як

Таке напруження значно менше за межу міцності сталі У7А 630 МПа.

Завдання для самостійної роботи Розрахунок мембранних патронів

1. Для заданої конструкції мембранного патрона (рисунок 5.8 і 5.9), його схеми та заданих у табл. 7.4 і 7.5 вихідних даних визначити потрібну силу на затискному штоці патрона, внутрішні напруження у матеріалі мембрани та їх допустимість.

2. Знайти мінімальний проміжок між кулачками мембранного патрона та заготованкою для початкового положення затискного штока патрона, призначити основне відхилення та квалітет точності розміру d для патрона у нейтральному положенні мембрани.

Таблиця 5.4

Вихідні дані за номерами завдань (наприклад, за передостанньою цифрою номера залікової книжки)

Таблиця 5.5

Вихідні дані за номерами варіантів завдань (наприклад, за останньою цифрою номера залікової книжки)

Задача.За табл. 7.4 і 7.5 маємо такі вихідні дані: М_р = 35 Н ·м; п = 12; d₃ =50g7; d₁ = 125; l = 40; h = 7; матеріал для мембрани — сталь марки У7А; коефіцієнт запасу k = 1, 6; S_max = 0, 08 мм.

Розв'язання. Згідно з сила на одному кулачку

Вигинальний для мембрани момент сил Q за формулою

Кут, на який потрібно відхиляти мембрану, визначаємо за рівнянням з урахуванням значення ер за формулою:

для d₁/d= 125/50 = 2, 5 згідно зі співвідношенням коефіцієнтів моменту сил та відношення d₁/ d k_m = 0, 545.

Підставивши ці значення та виконавши математичні розрахунки, отримаємо φ = 0, 00000159; φ '=0, 001377.

Сила, яку потрібно прикласти до штока для розкриття кулачків з мембраною на потрібний кут згідно з другою формулою, становить

Прийнявши з конструктивних міркувань радіус контакту мембрани та штока r_о = 5 мм за (7.10), визначаємо найбільше напруження у мембрані

що значно менше, ніж допускне напруження 630 МПа для сталі марки У7А.

5.2 Механізація та автоматизація

Як указувалося в попередніх главах, приводи використаються в пристосуваннях із затискними пристроями першої й третьої груп. У затискних пристроях першої групи застосовуються пневматичні, гідравлічні, пневмогідравличні, механогідравличні, відцентрово-інерційні й інші приводи. У третій групі - вакуумні, магнітні, електростатичні й ін.

Пневматичний привод

Пневматичний привод складається із пневмодвигуна, повітропроводів і пневматичної апаратур різного призначення. Енергоносієм тут є стиснене повітря з тиском Р = 0, 4 – 0, 6 Мпа. Розрахунок на міцність елементів пневмоприводу роблять при тиску Р = 0, 6 МПа, а величину зусилля, що розвиває їм, Ри при тиску Р = 0, 4 Мпа.

Пневмодвигуни виконують у вигляді поршневих циліндрів і диафрагменних пневмокамер.

Поршневі двигуни (пневмоциліндри)

Вони підрозділяються на одинарні й здвоєні. В одинарні є один поршень, а в здвоєних - два. Вони можуть бути також однобічної й двосторонньої дії (рисунок 5.10).

Рисунок 5.10 Пневмоциліндр двосторонньої дії

1. Для пневмоциліндрів однобічної дії

;

;

, (5.13)

де до – характеристика пружини,

а – величина стиску.

2. Для пневмоциліндрів двосторонньої дії

,

, (5.14)

де – КПД 0, 85,

q – опір зворотної пружини.

Діафрагменні пневмокамери

Рисунок 5.11 Діафрагменні пневмокамера

1. Для пневмокамер однобічної дії

. (5.15)

2. Для пневмокамер двосторонньої дії

(5.16)

Діафрагменні пневмокамери (рисунок 5.12) у силовому відношенні відрізняються від поршневих тім, що зусилля, що розвиваєменими, змінюється в міру руху штока.

Переваги пневмокамер:

· робоча камера не обробляється й набагато дешевше пневмоциліндров;

· герметичні;

· довговічні.

Недоліки:

· малий хід поршня;

· падіння зусилля по довжині ходу штока;

· діаметральні розміри більше осьових.

Гідравлічний привід

Гідравлічний привід складається із силового гідравлічного циліндра, насоса, бака, трубопроводів, апаратури керування й регулювання. Гідроциліндри бувають однобічної й двосторонньої дії. Завдяки використанню більше високого тиску рідини в порівнянні із пневмоприводом при тих зусиллях, що розвивають же, має менші габарити й вагу; масло забезпечує змащення тертьових частин.

Недоліки гідроприводів:

· складність гідроустановки й необхідність у додатковій площі для її розміщення;

· більша вартість.

Найпростіша схема з одним насосом наведена на рисунку 5.12

Масло від насоса 4 направляється золотником керування 2 в одну з порожнин гідроциліндра 1. Коли передається до затискних елементів несамогальмуючі, масло повинне подаватися в систему під робочим тиском у плині всього часу роботи механізму затискача й майже вся витрата масла (за винятком витоків) повинен проходити через переливний клапан 3, настроєний на робочий тиск, що викликає нагрівання масла й непродуктивним витрат енергії. Тому таку схему доцільно застосовувати у випадках, коли передають до затискних елементів самогальмуючих й насос після затискача може відключатися.

Рисунок 5.12 Схема гідроприводу з одним насосом.

Для зменшення витрат потужності виконують привод із двома насосами:

Рисунок 5.13 Схема гідроприводу із двома насосами.

5 - низького тиску й великої продуктивності й 4 - високі тиски й мала продуктивність. При