В приспособлении

Расчет силы закрепления в первом приближении сводится к решению задачи статики на равновесие твердого тела (заготовки) под действием системы внешних сил, включая и силы движущихся масс.

К заготовке при обработке в приспособлении с одной стороны приложены силы тяжести и силы, возникающие в процессе обработки, с другой – искомые силы закрепления и реакции опор. Под действием этих сил заготовка должна сохранять равновесие. При расчётах следует ориентироваться на такую стадию действия сдвигающих сил и моментов, при которых силы закрепления должны быть наименьшими.

Исходными данными для расчёта сил закрепления являются: схема базирования заготовки; величина, направление и место приложения сил, возникающих при обработке; схема закрепления заготовки, т.е. направление и точки приложения силы закрепления.

Составление исходных данных для расчёта необходимых сил закрепления является важнейшим моментом проектирования зажимных механизмов, так как ошибка этого может привести к созданию приспособления, не обеспечивающего надёжное закрепление заготовки.

В процессе обработки, кроме сил закрепления, на заготовку действуют: силы резания, трения, вес заготовки, центробежные и инерционные силы. Вводя коэффициент запаса К силы и моменты резания при расчетах силы закрепления увеличивают. величина силы закрепления в значительной степени зависит от её направления.

Поэтому при выборе направления силы закрепления необходимо учитывать следующие правила:

1. Сила закрепления должна быть направлена перпендикулярно поверхности установочных элементов, чтобы обеспечить контакт с ними технологической базы заготовки.

2. При базировании по нескольким базовым поверхностям сила закрепления должна быть направлена на тот установочный элемент, с которым заготовка имеет наибольшую площадь контакта.

3. Направление силы закрепления должно совпадать с направлением силы резания и с направлением веса заготовки.

В практике редко можно выбрать направление силы закрепления, удовлетворяющее всем правилам. Поэтому необходимо искать оптимальные решения. При обработке легких заготовок в первую очередь следует учитывать силы резания, а при обработке тяжёлых заготовок – их вес. Выбору рационального направления силы закрепления способствует введение упоров в силовую схему закрепления заготовки.

Правила выбора места приложения силы закрепления:

· Сила закрепления не должна опрокидывать или сдвигать заготовку; необходимо чтобы она проектировалась в центр установочного элемента или в многоугольник, образованный линиями, соединяющими установочные элементы.

· Сила закрепления с реакциями опор не должна создавать изгибающих моментов во избежание деформации заготовки и появления погрешности закрепления.

· Точка приложения силы закрепления должна быть расположена ближе к месту обработки, особенно для нежестких заготовок.

При проектировании схем установки и закрепления заготовок необходимо обеспечить следующие условия: заготовка должна занимать на опорах устойчивое положение, в процессе закрепления заготовки не должно происходить нарушение, приданного ей при установке, положения; усилия, возникающие при обработке, не должны смещать заготовку.

Величину сил и моментов резания определяют из условий и режимов обработки по формулам теории резания или по нормативам применительно к определенному виду обработки (точению, сверлению, фрезерованию, шлифованию и т.д.). по величине, направлению и месту приложения силы резания являются переменными факторами. При неустановившемся режиме (врезание инструмента) сила резания возрастает от нуля до максимума и уменьшается от максимума до нуля. При установившемся режиме она также не постоянна и изменяется. В процессе обработки действительные силы резания могут существенно отличаться от расчётных вследствие колебания механических свойств самого материала, наклёпа и поверхностной корки заготовок, притупления режущего инструмента, неравномерности снимаемого припуска и в силу других причин. Кроме того, при принятой схеме расчёта потребной силы закрепления возможны различные состояния контакта (смятие поверхностей, наличие смазки, различная шероховатость и т.п.) между опорными поверхностями приспособления и заготовкой, заготовкой и зажимом.

Все эти изменения сил резания и состояния контакта расчётным путем учесть невозможно. Поэтому в практических расчётах величину силы закрепления, найденную расчетным путём, умножают на коэффициент надежности К (коэффициент запаса). Коэффициент запаса К является комплексной величиной и может быть определен по формуле:

где К₀ = 1,5 – гарантированный коэффициент запаса для всех случаев обработки;

К₁ = 1,0-1,8 – коэффициент, учитывающий увеличение сил резания от прогрессирующего затупления режущего инструмента в зависимости от метода обработки. Меньшие значения К₁ принимают для токарных работ при силе Р_Z большей, чем сила Р_У. для черновых токарных работ принимают

К₁ = 1,4; наибольшие значения К₁ принимают для сил резания при фрезеровании;

К₂ = 1,0-1,2 – коэффициент, учитывающий неравномерный припуск. Для отделочных операций К₂ = 1,0, для черновых - К₂ = 1,2;

К₃ = 1,0-1,2 – коэффициент, учитывающий увеличение сил резания при прерывистой обработке (при ударной нагрузке К₃ = 1,2);

К₄ – коэффициент, учитывающий непостоянство сил закрепления для ручных зажимных устройств К₄ = 1,3; для пневматических, гидравлических и других механизированных приводов, обеспечивающих постоянство развиваемых сил К₄ = 1,0; для зажимных устройств типа мембранных патронов, где сила закрепления зависит от фактического размера заготовки К₄ = 1,2;

К₅ = 1,0-1,5 – коэффициент, учитывающий непостоянство положения сил на поверхностях контакта установочных элементов с заготовкой, для точечных опор К₅ = 1,0, для опорных пластин К₅ = 1,5;

К₆ = 1,0-1,2 – коэффициент, зависящий от удобства расположения рукояток в ручных зажимных устройствах (при неудобном расположении управления и при отклонении расположения рукоятки до 90° К₆ = 1,2, при удобном расположении рукоятки малой длины К₅ = 1,0.

Если при расчёте коэффициента запаса К получилось значение его величины меньше 2,4, то принимают коэффициент запаса

К = 2,4.

Определение величины силы закрепления производится в следующей последовательности:

1. Выбирают наиболее рациональную схему установки заготовки в приспособлении и определяют тип установочных элементов и их положение.

2. Руководствуясь вышеуказанными правилами, намечают места приложения сил закрепления и их направление.

3. Определяют расчётом все три составляющие силы резания (или момент резания).

4. определяют направление и точку приложения сил резания в самый неблагоприятный момент обработки. Следует располагать установочные элементы так, чтобы сила закрепления и силы резания были направлены по нормали к поверхности установочных элементов.

5. На выбранной схеме отмечают стрелками все приложенные к заготовке силы, стремящиеся нарушить положение заготовки в приспособлении (силы резания, силы закрепления) и силы, стремящиеся сохранить это положение (силы трения, реакции опор). При необходимости учесть и силы инерции (например, при выполнении строгания, долбления и т.д.). силы инерции и моменты следует учитывать в том случае, если они составляют более 10% сил и моментов резания.

6. Составляют уравнения равновесия и решают их относительно искомой силы закрепления. Если силы резания стремятся сдвинуть установленную в приспособлении заготовку, то силы закрепления будут определяться из уравнений сил. Если же силы резания стремятся повернуть заготовку, то будет использованы уравнения моментов. В тех случаях, когда силы резания могут сдвинуть и повернуть заготовку, установленную в приспособлении, то необходимо рассчитать силы закрепления, препятствующие сдвигу и повороту, и принять наибольшую из них.

В сложных случаях можно воспользоваться известными уравнениями статики. из шести уравнений статики выбрать те, которые применимы к рассматриваемому случаю и, пользуясь ими, определить искомую силу закрепления.

7. Рассчитав коэффициент надёжности (коэффициент запаса), необходимость которого вызывается неизбежными колебаниями сил резания в процессе обработки, определить необходимую силу закрепления заготовки в приспособлении.

При определении сил закрепления принимаются следующие допущения:

· влиянием жесткостей зажимных устройств и установочных устройств на распределение сил пренебрегают;

· силы, распределённые по площадке ограниченных размеров, считают сосредоточенными в центре тяжести этой площадки;

· силы, распределённые по кольцевой площадке малой ширины, считают распределёнными вдоль средней окружности кольца;

· массой заготовки пренебрегают; сила тяжести заготовки учитывается при её установке на вертикальные или наклонно расположенные элементы и в поворотных приспособлениях. Если масса заготовки большая и силы резания не сдвигают заготовку в процессе обработки, то закрепление заготовки не требуется;

· руководствуются принципом независимости действия сил.

Примеры расчёта сил закрепления заготовок при различных схемах базирования приведены ниже.

Пример 1. На операции фрезерования плоскости рис. 3.2.1. при принятом способе базирования и схеме закрепления заготовки под действием сил резания она может поворачиваться относительно точки О и сдвигаться в осевом направлении.

Р и с. 3.2.1. Схема к определению величины зажимного усилия,

удерживающего заготовку при фрезеровании.

Из условия равновесия заготовки уравнение моментов имеет вид

где Т — сила трения,

После подстановки и введения коэффициента на­дежности К уравнение имеет вид

откуда

где f - коэффициент трения между заготовкой и зажимны­ми устройствами.

Осевая сила Р ₀ стремится сдвинуть заготовку. Удержи­вать ее в приспособлении бу­дут силы трения между заго­товкой и опорными элементами приспособления (Т') и между заготовкой и зажимными уст­ройствами. Уравнение сил с учетом коэффициента надеж­ности закрепления имеет вид

откуда

где f’ - коэффициент трения между заготовкой и опорными элементами приспособления.

Пример 2. При сверлении отверстия в заготовке (рис. 3.2.2.) закрепленной в трёхкулачковом патроне, она может перемещаться вдоль кулачков под действием силы резания Р ₀ и провертываться в кулачках под действием момента резания М. Необходимо при­ложить такое усилие зажима, чтобы не было ни перемещения, ни провертывания заготовки относительно кулачков. В зависимости от формы насечки на кулачках сопротивление перемещению и провертыванию может быть различным, так как при этом могут быть разными коэффициенты трения.

Р и с. 3.2.2. Схема к определению величины зажимного усилия

при сверлении на то­карном станке.

Допустим, что при переме­щении заготовки в кулачках вдоль оси коэффициент трения будет f₁, а при провертыва­нии — f₂.

Силы трения между кулач­ком и заготовкой будут состав­лять:

при перемещении

при провертывании

Определим величину зажим­ного усилия при условии недопустимости перемещения заготовки в кулачках. Пользуясь принятыми обозначениями и имея в виду, что у патрона три кулачка, составим уравнение сил:

После подстановки значения Т₁ и введения коэффициента К, уравнение примет вид:

откуда

Теперь определим величину зажимного усилия при условии недопустимости провертывания заготовки в кулачках. Так как за­готовка зажата в трех кулачках, уравнение моментов будет иметь следующий вид:

где r — радиус наружной цилиндрической поверхности заготовки

на участке закрепления ее в кулачках.

После подстановки значения T ₂ и введения коэффициента К уравнение примет вид:

откуда

Из полученных двух значений усилия закрепления выбирают наибольшее.

Пример 3. Заготовка устанавливается в призме при опера­ции сверления (рис. 3.2.3). При этом заготовка находится под дей­ствием момента М и осевой силы Р₀

Под действием момента заготовка может провернуться. Усло­вие равновесия заготовки запишется в виде (без учета трения на торце)

отсюда

Если заготовка сдвигается под действием осевой силы Р₀ вдоль призмы, то

Пример 4. При фрезеровании паза (рис. 3.2.4) заготовка уста­навливается на столе станка и крепится двумя прихватами.

Возникающая в процессе обработки сила резания Р_r стремится сдвинуть заготовку и оторвать ее от стола. При этом заготовка будет поворачиваться относительно точки О. Сдвигу заготовки будут препятствовать силы трения, возни­кающие между столом станка и заготовкой, а также между при­хватами и заготовкой.

Уравнение сил можно записать:

После введения коэффициента надежности К уравнение имеет вид

откуда

где п — количество прихватов;

f — коэффициент трения при сдвиге заготовки относительно стола;

f₁ — коэффициент трения при сдвиге прижима относительно заготовки.

	Р и с. 3.2.3. Схема к определению величины зажимного усилия при сверлении в призме		Р и с. 3.2.4.Схема к определению величины зажимного усилия при фрезеровании паза

Уравнение моментов относительно точки О будет иметь вид:

где а — расстояние от точки О до точки приложения силы Q;

L — расстояние между прихватами;

А — операционный размер.

Откуда имеем

В приспособлениях силы трения возникают на поверхностях контакта заготовки с опорными элементами, а также в местах кон­такта зажимных устройств с поверхностью заготовки. Величина коэффициента трения зависит от многих факторов. При использо­вании приспособлений его определение связано с дополнительными трудностями. В приспособлениях в ряде случаев имеются трущиеся поверхности, на которых преднамеренно выполнена насечка раз­личной формы и направленности. При закреплении зубцы насечки вдавливаются в тело обрабатываемой заготовки, причем величина вдавливания зависит от величины нормальной реакции в местах контакта. Возникающие на таких поверхностях силы, препятствую­щие повороту или перемещению заготовки, строго говоря, нельзя называть силами трения. Более правильно их называть силами сопротивления перемещению. Однако для простоты и краткости в дальнейшем будем применять термин «коэффициент трения» и обозначать его f.

В приспособлениях встречаются много различных сочетаний контактных поверхностей, различающихся по форме, состоянию поверхности, твердости и т. д. Значения коэффициента трения для некоторых сочетаний контактных поверхностей приведены в таблице 3.2.1.

Таблица 3.2.1

Дата добавления: 2015-09-02