Шишкин Основы проектирования станочных приспособлений 2010. Конструкторскотехнологическое обеспечение машиностроительных производств Москва 2010
 Скачать 7.83 Mb.
|
|
2.2.2. Объемные силы Если при проектировании станочных приспособлений в большинстве случаев для расчета силы закрепления определяющими являются силы резания, то для некоторых технологических операций этого недостаточно. Объясняется тем, что проявляются силы, оказывающие на заготовку большее воздействие, чем силы резания. Такими силами являются центробежная, инерции и тяжести, которые объединены в группу объемных сил. Название объемных сил возникло из-за того, что все перечисленные силы по величине зависят от массы заготовки или элементов приспособления и ускорения. Действие центробежных сил проявляется в приспособлениях, которые находятся во вращательном движении. Причем элементы технологической системы заготовка – приспособление могут быть как не уравновешены, таки сбалансированы. На рис. 2.11 представлен пример растачивания отверстия под червячный вал в корпусе редуктора в условиях единичного имел- косерийного производства. Обработка производится на токарном станке с применением универсального четырехкулачкового патрона. Комплекс заготовка – приспособление в этом случае неуравновешен, так как центр тяжести корпуса и двух взаимно противоположных кулачков смещены по радиусу от оси вращения патрона. Рис. 2.11. Действие центробежной силы при растачивании корпуса редуктора 68 В результате действия центробежной силы возникает вибрация всей технологической системы, вследствие чего необходимо уменьшить скорость резания (частоты вращения шпинделя. Инструмент позволяет работать с нормальной для данных материалов обрабатываемой заготовки и режущей части инструмента с большими скоростями резания, но при наличие вибрации, те. действия центробежных сил, не позволяют такой процесс реализовать. Для специальных приспособлений, работающих по аналогичной схеме базирования, необходимо в его конструкцию вводить дополнительные балансирующие массы, которые уравновешивают систему заготовка – приспособление в целом. Проявляется действие центробежных сил, которое необходимо учитывать при расчете требуемых сил закрепления заготовки, и при наличии уравновешенной системы расположения заготовки по отношению коси её вращения. На рис. 2.12 дана схема действия центробежных сил для уравновешенной системы заготовка– приспособление на примере закрепления в трехкулачковом само- центрирующем патроне на операции высокоскоростного точения. Рис. 2.12. Действие центробежных сил на кулачки патрона при точении Данные литературы свидетельствуют, что при определенных частотах вращения шпинделя центробежные силы достигают такого значения, при которых заготовка становится незакрепленной [20]. Конкретные значения частот вращения шпинделя, при которых наблюдается данное действие центробежных сил, составляет 3500…4000 мин. Таким образом, действие центробежных сил необходимо учитывать при расчете сил закрепления как при неуравновешенности масс, таки при высоких частотах вращения заготовки и приспособления. 69 Инерционные силы проявляются при обработке крупногабаритных заготовок, что характерно для станкостроения и тяжелого машиностроения. В первую очередь, действие сил инерции проявляется для технологических операций, у которых заготовка совершает возвратно-поступательное движение, причем со значительным ускорением. Такими операциями могут быть продольное строгание, шлифование и т.п. При реверсировании движения стола с заготовкой се значительной массой и при высоких ускорениях при реверсировании сила инерции может составить величину большую, чем сила резания. Например, при шлифовании плоских поверхностей. Следовательно, в данном случае определяющей становится не сила резания, а сила инерции для расчета требуемой силы закрепления. Проявление силы тяжести характерно для крупногабаритных заготовок. Так, например, при сверлении отверстия диаметром 5 мм в заготовке, масса которой составляет несколько сот килограммов, сила закрепления, прикладываемая к заготовке, вообще не требуется. Но определение граничного условия, соотношения действия силы тяжести и сил резания, требует расчета. Таким образом, не во всех случаях расчета требуемых сил закрепления определяющими являются силы резания в отдельных случаях необходимо учитывать объемные силы. В меньшей степени проявляются силы, которые выделены в группу второстепенных и случайных. 2.2.3. Второстепенные и случайные силы К второстепенным силам относят силы, возникающие при выводе инструмента от или из обработанной поверхности. Примером, который подчеркивает наличие таких сил, является нарезание резьбы в несквозном отверстии ручным метчиком. При выводе метчика из нарезанной резьбы возникает увеличение момента сил сопротивления выводу метчика. Источниками увеличения момента сил сопротивления резанию при выводе метчика из резьбового отверстия являются необходимость дорезать материал, оставленный предыдущими режущими кромками метчика, и преодолеть силы трения стружки в отверстии с затылованными поверхностями метчика. В результате возникают условия, при которых могут возникнуть силы, приводящие к поломке инструмента не при нарезание резьбы, а при его выводе из резьбового отверстия. Следовательно, при расчете требуемой силы закрепления необходимо учитывать не только принципиальную схему технологической операции, но и её содержание с физической точки зрения. Абсолютное большинство других методов к таким последствиям привести не могут. Случайные силы, которые воздействуют на заготовку, возникают, как следствие, в результате случайного изменения сил резания. Источниками изменения сил резания, в том числе случайного, может служить изменение твердости поверхностного слоя заготовки, которая образовалась в результате предшествующих методов обработки (литейная корка, разность твердости поверхности после ковки или штамповки. Следовательно, при проектировании приспособления необходимо учитывать и наличие сил как второстепенных, таки случайных, которые учитываются коэффициентом запаса. В целом можно сделать вывод, что на заготовку воздействует комплекс сил, который необходимо выявить, найти наихудшие условия, и по правильной расчетной схеме рассчитать требуемую силу закрепления. 2.3. Методика расчета сил закрепления 2.3.1. Варианты методики расчета сил закрепления Расчет сил закрепления производят при конструировании новых приспособлений и при использовании имеющихся универсальных и переналаживаемых приспособлений. Для расчета сил закрепления в первом (наиболее общем) случае необходимо знать условия проектируемой обработки – величину, направление и место приложения сил, сдвигающих заготовку, а также схему её установки и закрепления. Расчет сил закрепления в первом приближении может быть сведен к задаче статики на равновесие заготовки под действием приложенных к ней внешних сил. К обрабатываемой заготовке приложены силы, возникающие в процессе обработки, искомые силы закрепления и реакции опор. Под действием этих сил заготовка находится в равновесии. Сила 71 закрепления Q должна быть достаточной для предупреждения смещения установленной в приспособлении заготовки. Если величина оказывается больше Q′, найденной из условий точности выполнения операции, то необходимо внести коррективы в её построение (изменение схемы установки и закрепления заготовки, режима резания, условий выполнения операции, вследствие чего возможно уменьшение первоначальных погрешностей закрепления и формы ф. При повторной проверке должно соблюдаться условие. Во втором (более частом) случае расчет сил закрепления носит поверочный характер. Найденная из условий обработки необходимая сила закрепления должна быть меньше силы, которую развивает зажимное устройство используемого приспособления, или равна ей. Если этого нетто изменяют условия обработки в целях уменьшения необходимой силы закрепления с последующим поверочным расчетом. Может решаться и обратная задача – по силе закрепления находят режимы резания, число рабочих ходов (проходов) и другие условия обработки. Укрупненные алгоритмы расчета силы закрепления и зажимного устройства показаны на рис. 2.13 (алгоритм для первого случая расчета дан на риса, для второго случая на рис. 2.13, б. 2.3.2. Упругие характеристики зажимных устройств Рассчитывая силы закрепления, необходимо учитывать характеристику зажимного устройства. В приспособлениях применяют зажимные устройства двух типов. У устройств первого типа величины упругого отжима прямо пропорциональны приложенным силам. К этим устройствам относятся самотормозящие зажимные механизмы (винтовые, клиновые, эксцентриковые и др) независимо от вида привода (ручной, пневматический, гидравлический. Если к зажимному элементу этих механизмов приложить дополнительную силу, то величина упругого отжима элемента в направлении приложенной силы будет изменяться по линейному (или близкому к нему) закону в зависимости от величины этой силы. На рис. 2.14 представлены упругие характеристики зажимных устройств первого типа. 72 а) б) Рис. 2.13. Укрупненные алгоритмы расчета зажимных устройств 73 Рис. 2.14. Упругие характеристики зажимного устройства первого типа Рассматривая закрепленную в приспособлении заготовку риса, можно установить, что сила закрепления Q воспринимается всеми звеньями системы, состоящей из установочных элементов 1, заготовки 2, зажимного устройства 3 и корпуса 4 приспособления. Корпус является звеном, через которое происходит силовое замыкание системы. Сила закрепления и реакции установочных элементов показаны стрелками. Если сила Р, возникающая при обработке, направлена против силы закрепления, то зависимость смещения заготовки у от силы Р будет определяться упругой характеристикой этого устройства. Если звенья имеют характеристику первого типа, то под влиянием силы Р их упругие деформации перераспределяются. Соответствующее перемещение заготовки, которая располагается между своеобразными пружинами с жесткостью J 1 и J 2 , характеризующие жесткость зажимного устройства и установочных элементов показано на рис. 2.14, б, в. Отрезок y Δ соответствует полному упругому восстановлению предварительно деформированных звеньев 74 системы, связанных с установочными элементами. Дальнейшее увеличение силы приводит к отрыву заготовки от установочных элементов. Силу Р, соответствующую моменту отрыва заготовки от опор приспособления с зажимным устройством первого типа, можно найти из схем, показанных на рис. 2.14, г, где по оси абсцисс отложены силы, а по оси ординат перемещения. Линия 1 выражает зависимость между этими величинами для системы установочных элементов, а линия 2 – для зажимного устройства. Тангенс угла наклона этих прямых коси абсцисс равен соответственно 1/J 2 и 1/J 1 , где J 2 , J 1 – жесткости установочных и зажимных элементов. Состояние системы при наличии силы закрепления Q характеризуется вертикальной линией с-с, а состояние в момент отрыва заготовки от опор – линией с 1 -с 1 . Смещение заготовки, соответствующее полному упругому восстановлению системы установочных элементов, у = Q 2 1 J . (2.1) На эту же величину возрастает упругая деформация зажимного устройства. Из рисунка следует, что Р = Q + ΔyJ 1 , а из условия (2.1) Р = Q(1 + J 1 /J 2 ). (2.2) Значение силы Р 1 характеризуется отрезком О 1 а (рис. 2.14, в. К устройствам второго типа относятся пневматические, гидравлические и пневмогидравлические механизмы прямого воздействия, те. непосредственно воздействующие на заготовку (риса. Если к зажимному элементу этих устройств (например, штоку пневмоцилиндра ) приложить возрастающую по величине силу, то перемещения элемента штока не произойдет до тех пор, пока приложенная сила Р не превысит противодействующую силу (отдав- ления сжатого воздуха на поршень. У устройств этого типа с промежуточными звеньями без самоторможения величина отжима зажимного элемента сначала изменяется по линейному закону из-за упругих деформаций звеньев, а затем, при определенном значении прилагаемой силы, элемент перемещается на большую величину. Уменьшение объема бесштоковой полости цилиндра при минимальных перемещениях поршня не повышает давления сжатого 75 воздуха всей пневматической системы, что и приводит к меньшему значению сила Р ІІ , при которой происходит отрыв заготовки от опор. При зажимном устройстве второго типа сила Р ІІ , при которой заготовка отрывается от опор приспособления, равна силе закрепления. На рис. 2.15, в сила Р ІІ характеризуется отрезком O 1 b. Из выражения (2.2) следует, что Р І /Р ІІ = 1 + J 1 /J 2 . (2.3) Рис. 2.15. Упругие характеристики зажимного устройства второго типа и их сопоставление для обоих типов На рис. 2.15, г приведено соотношение сил закрепления заготовки и сил, действующих на заготовку при обработке для зажимных устройств обоих типов. Отношение J 1 /J 2 составляет 0,4…0,6, о чем более подробно изложено ниже при рассмотрении расчетных факторов для определения сил закрепления. Данное соотношение жесткостей зажимного устройства и установочных элементов позволяет сделать следующие выводы 76 • для зажимного устройства первого типа при одинаковой силе закрепления Q для нарушения контакта заготовки с установочными элементами приспособления потребуется большая на 40…60 % сила Р, возникающая при обработке • при определении требуемой силы закрепления по известной действующей силе Р зажимное устройство первого типа потребует на 40...60 % меньшее значение силы закрепления Q, что уменьшает металлоемкость приспособления. 2.3.3. Общие типовые схемы расчета сил закрепления Расчеты требуемых сил закрепления выполнены с учетом исключения как нарушения контакта заготовки с установочными элементами приспособления, таки смещения её вдоль установочных элементов. 1. Сила Р, возникающая при обработке заготовки, и сила закрепления действуют однонаправлено и прижимают заготовки к опорам приспособления (риса. Такое действие сил характерно для протягивания отверстий гладких и зубчатых. При постоянстве значения силы Р требуемая сила закрепления Q может быть принята равной нулю. При нестабильной силе Р должно быть Q > 0 для предупреждения вибраций, зазоров в системе и для повышения её жесткости. 2. Сила Р направлена против зажимного устройства рис. 2.16, б. Силу Q при наличии зажимного устройства первого типа найдем по формуле (2.2), нос учетом коэффициента запаса k: Q = kP J 2 /(J 1 + J 2 ). (Для зажимного устройства второго типа Q = kP. (2.5) 77 Рис. 2.16. Схемы для расчета сил закрепления заготовки 78 3. Силы, возникающие при обработке, стремятся сместить заготовку по опорам (рис. 2.16, в. Эта схема характерна для случаев, когда направление подачи инструмента меняется (фрезерование замкнутого контура плиты концевой фрезой с прямыми зубьями. Смещение заготовки предупреждается силами трения, возникающими в местах контакта заготовки с опорами и зажимными элементами. Условием равновесия системы является Σ F тр = Р, (2.6) где Σ F тр – суммарная сила трения по зажимному устройству и опорам. Согласно этому условию должно соблюдаться неравенство Р < Q f 1 + Q f 2 , (2.7) где и f 2 – коэффициенты трения заготовки с установочными и зажимными элементами. Вводя коэффициент запаса k > 1, получим окончательно Q = kP/(f 1 + f 2 ). (2.8) Эта расчетная схема применима в отдельных случаях для установки на два пальца и перпендикулярную к ним плоскость. Из условий точности обработки и предохранения базового отверстия от вмятин ромбического пальца сила резания должна восприниматься только силой трения на базовой плоскости заготовки, те. пальцы должны быть полностью разгружены. 4. Силы, возникающие при обработке (рис. 2.16, г, направлены против опор (сила Р) и одновременно стремятся сдвинуть заготовку в боковом направлении (сила Р. Приведенное на расчетной схеме действие сил наблюдается при плоском шлифовании как периферией, таки торцем круга, при фрезеровании цилиндрическими и дисковыми фрезами при малой глубине резания, при протягивании по незамкнутому контуру и некоторых других (строгание, долбление и т.д.). Как видно из представленного перечня данный типовой случай является одним из часто применяемых при расчете силы закрепления заготовки в приспособлении. Причем наиболее важным моментом при расчете силы Q является обоснование именно такой схемы действующих сил. 79 В приспособлениях с зажимами первого типа действие силы Р 1 может вызвать изменение установившихся реакций опорных и зажимных элементов. По аналогии с п 2 2 1 1 2 J R Q P J J = + + , 1 1 1 1 2 J R Q P J J = − + . (2.9) Силы трения, препятствующие сдвигу заготовки, Σ F тр = f 1 R 1 + f 2 R. (2.10) Из условий закрепления Σ F тр = kP 2 ; подставляя вместо Σ F тр его значение из формулы (2.10), а вместо R 1 и их значения из уравнения) получим 1 2 2 1 1 2 1 1 2 1 2 1 2 J J kP f P f P J J J J Q f f + − + + = + . (2.11) При достаточной жесткости опор и наличии зажимного устройства второго типа силу Q находим по аналогии с предыдущим случаем) или 2 1 2 1 2 kP P f Q f f − = + . (2.13) Если kP 2 < и вибраций при обработке нетто. Сила Р направлена навстречу силе закрепления (рис. 2.16, д. Сила закрепления Q должна быть достаточной для обеспечения контакта заготовки с опорами приспособления и предупреждения ее сдвига в направлении действия силы Р 2 Рассматриваемая схема действия сил на заготовку является другой наиболее распространенной схемой, к которой относятся фрезерование цилиндрической фрезой при большой глубине резания, обработка дисковой фрезой при отрезке, концевой фрезой с винтовыми зубьями при обработке контура и т.д. Особенностью применения данной типовой схемы, как и для предыдущей, является её обоснование. Необходимо учитывать, что при одинаковых схемах 80 могут возникнуть действия сил как при рассматриваемой схеме, таки по предыдущей типовой схеме. В конечном случае рассматриваемая схема действия сил Р и Р приведет к большему значению требуемой силы закрепления. При использовании зажимного устройства первого типа первому условию удовлетворяет равенство 2 1 1 1 2 J Q k P J J ′ = + . (2.14) Второму условию должно отвечать равенство 1 2 2 2 1 1 2 1 1 2 1 2 J J k P f Q P f Q P J J J J ⎛ ⎞ ⎛ ⎞ ′′ ′′ = + + − ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ + + ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ , (2.15) откуда 1 2 2 2 1 1 2 1 1 2 1 2 1 2 J J k P f P f P J J J J Q f f − + + + ′′ = + . (2.16) Для зажимного устройства второго типа первому условию отвечает равенство Q′ = k 1 P 1 . (2.17) А второму – равенство k 2 P 2 = Q″f 1 + (Q″ – P 1 )f 2 (2.18) Из найденных значений Q' и Q″ выбирают большее для обоих типов зажимных устройств. При выборе схем установки нужно обеспечить три условия заготовка должна занимать устойчивое положение до приложения сил закрепления в процессе закрепления заготовки не должно быть нарушено приданное ей при установке положение силы, возникающие при обработке, не должны смещать заготовку. Первое условие обеспечивают правильной расстановкой элементов относительно центра тяжести заготовки, второе – выбором направления и места приложения силы закрепления, выполнение третьего условия рассмотрено в приведенных выше примерах расчета. 81 На рисе показана схема обработки заготовки, закрепленной горизонтально приложением силы Q. Рассмотрим на примере этой схемы два последних условия расчета сил силы закрепления. Плечо а силы Q (рис. 2.16, ж) должно быть выбрано таким, чтобы заготовка была плотно прижата к установочным элементам приспособления. До начала обработки на заготовку кроме силы закрепления действуют реакции опор R и R 1 , а также силы трения F, F 1 и F 2 (массу заготовки не учитываем. Последние четыре силы препятствуют повороту заготовки почасовой стрелке от действия силы Q. Приравняв сумму моментов сил относительно точки О нулю, получим 1 1 2 ( ) R b f c Q a f l + = − . (2.19) Из суммы моментов сил относительно точки O 1 , равной нулю, находим Q(n + f 2 m) = R(c – fb), (2.20) где f 1 , f 2 , f 3 – коэффициенты трения в местах касания заготовки опор приспособления и зажимных элементов. Подставляя в последнюю формулу значение силы Q из выражения) получим 1 1 2 2 ( )( ) ( ), R b f c n f m R c fb a f l + + = − − (2.21) 1 2 R Rf Qf = − . (2.22) Отсюда 1 2 1 2 ( ) 1 1 b f c f R R a f l f ⎡ ⎤ + = + ⎢ ⎥ + ⎣ ⎦ . (2.23) Подставляя выражение (2.21) в формулу (2.23), после преобразований получим, что при любом значении силы Q 1 2 1 2 ( )( ) ( ) b f c n f m f a b f c f l c fb + + ≤ − + + − . (2.24) 82 При установившемся процессе на заготовку действуют силы и Р (рис. 2.16, з. Из условия равновесия 2 2 0 Qa Qf l kP e kPl + − − = , (2.25) тогда 2 1 2 ( ) k P e Pl Q a f l + = + . (2.26) Рассмотренные типовые схемы расчета силы закрепления заготовки относятся в абсолютном большинстве к их базированию по трём плоским поверхностям или по плоскости и двум внутренним цилиндрическим поверхностям. Но значительное место в металлообработке занимают и другие схемы базирования заготовок и методы обработки, при которых необходимо рассматривать условия равновесия по действующим в системе моментам. |