Зажим заготовок станка, как и любая механизированная система состоит из нескольких элементов: источник энергии, командное устройство, силовое устройство, связывающие элементы и исполнительное устройство, непосредственно обеспечивающее зажим. Обычно эти элементы обособлены, но имеются случаи, когда силовое устройство, связывающие элементы и исполнительное устройство объединены.
Анализ различных зажимов заготовок станков показал, что независимо от назначения, схемы работы и конструктивного исполнения системы зажимные механизмы имеют общую структуру и функциональную схему (рис. 1), включающие источник и преобразователи энергии (ПЭ) и движущие силы (моменты), узел управления (УУ), привод (Пр) с передаточно-усилительным механизмом (ПУМ) и упругими звеньями (УЗ) для переноса движущей силы и передачи на исполнительный механизм - патрон (П) (или приспособление), преобразующий движущую силу в зажимную, непосредственно воздействующую на деталь (или несколько деталей). Патрон состоит из передаточно усилительных звеньев (ПУЗ) и зажимных элементов, расположенных в одном или нескольких местах. Передаточно усилительный механизм может быть назван как передаточно-преобразовательный механизм (ППМ), так как он преобразует силы и перемещения (силы усиливает, перемещения уменьшает).
Рис. 1. Обобщенная структурно-функциональная схема зажимов заготовок
В любой системе зажима заготовки есть подсистемы, которые можно рассматривать как самостоятельные системы и роль их различна для различных состояний зажимных механизмов. К ним относятся системы привод-патрон (Пр-П) и патрон-деталь (П-Д), каждая из которых может быть в свою очередь многозвенной и сложной.
В зависимости от источника энергии различают зажимные механизмы: механические, гидравлические, пневматические, вакуумные, электрические, электромеханические, магнитные, электромагнитные, центробежные, электрогидравлические и др. В зависимости от назначения системы зажимы заготовок станков с ЧПУ могут быть: стационарные или подвижные, с прямолинейным и вращательным движением выходного звена (тяги), для универсальных, специальных и специализированных металлорежущих станков, для автоматов, станков с программным управлением и т. д. В зависимости от технологического процесса они могут использоваться на токарных, фрезерных, сверлильных, зубообрабатывающих, шлифовальных и других станках. В зависимости от конструктивного исполнения и длины зажимаемой цилиндрической заготовки зажимы заготовок делят на три группы: а) со сквозным отверстием в патроне и шпинделе; б) со сквозным отверстием в патроне; в) без сквозного отверстия.
В зависимости от характера замыкания силового устройства - привода широко применяемые зажимные механизмы постоянной структуры делятся на четыре основных вида:
- с неупругим силовым замыканием вследствие действия внешних сил в течение всего периода работы зажимного механизма, в зажатом состоянии, т. е. силовой контур зажимного механизма открытый и всегда связан с источником и преобразователями энергии;
- с упругим силовым замыканием за счет потенциальной энергии натягиваемого при разжиме упругого звена в виде пружины или пакета тарельчатых пружин;
- с геометрическим замыканием, при котором сила зажима определяется натягом (упругой деформацией), отключенной от привода цепи, в сторону объекта закрепления;
- с фрикционным замыканием в виде самоторможения, определяемым геометрией передаточных звеньев и обеспечивающим возрастание силы трения с дальнейшим отключением нагрузки от привода после достижения требуемой величины и заклинивания.
Последние два вида зажимных механизмов станков экономичны, так как имеют закрытый силовой контур, отключенный от источника энергии. В одном зажиме заготовки возможны различные замыкания: силовые, геометрические и фрикционные. Такие зажимные механизмы относятся к комбинированным.
В последнее время появились автоматические станочные зажимы заготовок переменной структуры, к которым можно отнести самонастраивающиеся, с автоматическим регулированием характеристик, многофункциональные и др., имеющие автоматически переключающиеся кинематические цепи.
Неупругое силовое замыкание (рис. 2, α, б) осуществляется за счет объемных сил давления жидкости, газа, магнитных, центробежных и электростатических сил, что определяет его основное достоинство - стабильность независимо от отклонений размеров заготовки, возможность бесступенчатого и автоматического регулирования силы зажима, изменением давления, напряженности магнитного или электростатического поля, центра тяжести инерционной системы и т. д. Существенный недостаток неупругого силового замыкания - большой расход электроэнергии и низкая надежность при нестабильном энергоснабжении, что требует дополнительных предохранительных средств. Этот недостаток исключен в механизме зажима заготовки с упругим силовым замыканием, если зажим осуществляется пружиной, а разжим, давлением жидкости или воздуха. Однако такие зажимные механизмы неудобны для автоматического регулирования силы зажима, а ее стабилизация при отклонении размеров зажимаемых заготовок достигается увеличением длины пружины или подбором пакета с нелинейной характеристикой.
Рис. 2. Принципиальные схемы зажимных механизмов: α, б - с силовым замыканием; в, г - с геометрическим замыканием; а, е - с фрикционным замыканием (самоторможением); ж, 3 - комбинированных
Силовое замыкание может быть прямого действия (рис. 2, α), т. е. без передаточно-усилительных, преобразовательных и самотормозящих передаточных звеньев. В этом случае осевая сила SΣ от привода равна нормальной (радиальной) силе зажима ТΣ, что не требует дополнительных исполнительных органов, например патрона с зажимными кулачками. В этом случае, если сила резания, направленная против сил зажима, станет больше S, и сил трения, то шток может сразу сильно переместиться, предварительно сместившись на величину упругих деформаций звеньев и контактов, т. е. на величину предварительного натяга. Наличие в зажимном механизме станка с силовым замыканием патронов с замкнутым силовым контуром (кулачковых, клиновых, цанговых и др.) не вызовет больших перемещений передаточного звена - штока при действии сил резания Рр. (рис. 2, б).
Геометрическое замыкание осуществляется за счет геометрической формы и размеров деталей-кулачков к (рис. 2, в) и муфт зажима МЗ (рис. 2, г), имеющих фасонный участок с подъемом и участок постоянного радиуса или высоты, на котором происходит замыкание. Геометрическое замыкание может быть жестким, т. е. без дополнительного упругого звена (рис. 2, в), и упругим, с дополнительным упругим звеном УЗ (рис. 2, г), имеющим линейную или нелинейную характеристику. В системе зажимного механизма может быть несколько элементов с геометрическим замыканием, например с кулачком К на распределительном валу и муфтой на шпинделе (рис. 2, г), что широко распространено на токарных прутковых автоматах. Основные достоинства геометрического замыкания - быстродействие, экономичность и надежность, а существенные недостатки - короткий ход и нестабильность силы зажима, зависящая от отклонений размеров зажимаемых деталей и жесткости звеньев ЗМ.
Эти недостатки исключены в механизмах зажима заготовок с фрикционным замыканием (самоторможением) за счет выполнения в приводе или патроне самотормозящих винтовых (ВП), червячных зубчатых (ЗП) и клиновых (КП) передач (рис. 2, д, е), а также в виде фрикционных муфт. Основные достоинства - большой ход и постоянная (регламентируемая) сила зажима, настраиваемая предохранительным звеном, например, в виде муфты предельного момента или напорного золотника. Недостаток - недолговечность самотормозящих элементов.
Пример комбинированного зажимного механизма с сило-геометрическим замыканием постоянной структуры приведен на рис. 2, ж, а переменной структуры с подвижным самотормозящим упором (ПСУ) на рис. 2, з.
Основной частью любой системы автоматического зажима заготовок станка с ЧПУ является исполнительная - зажимной патрон с зажимными элементами, взаимодействующими непосредственно с объектом закрепления. От конструкции и характеристик зажимного патрона во многом зависят характеристики зажимного механизма, а также технико экономические показатели станка, среди которых точность, производительность и стабильность обработки. Исполнительная часть зажима станка может быть выполнена по-разному, чаще всего в виде тисков, самотормозящей втулки, цанги, патрона и т. д.
Разнообразие патронов практически неограничено и они могут быть различных конструктивных исполнений, назначений, размеров, точности и жесткости.
В прутковых автоматах широкое применение получили цанговые зажимы заготовки, область применения которых и соответствующих им патронов расширяется с повышением точности зажима и ужесточением связи между элементами патрона.
В одношпиндельных токарных автоматах, к которым относятся фасонно-отрезные, продольно-фасонные точения и револьверные, от кулачка 1 (рис. 3, α) на распределительном валу, через рычажную передачу 2 получает поступательное перемещение муфта 3, которая за счет фасонного профиля приводит в движение рычажки 5, а от них конусную втулку 7. Втулка наезжает на цангу 8, упирающуюся в гайку 9, навинченную на шпиндель - происходит зажим детали 10. В приводе таких механизмов упругое звено (УЗ) или отсутствует, или выполнено в виде компенсатора 4 с линейной характеристикой, а разжим происходит за счет упругости лепестков цанги и пружины 6.
В многошпиндельных токарных автоматах кроме кулачка 1 (рис. 3, б) и рычажной передачи 2 добавляется ползун зажима 3 и вилки 4, которые перемещаются по скалкам, установленным в шпиндельном барабане. На каждом из шпинделей имеется муфта 7, рычажки 8 и упругое звено 9, которое может быть выполнено в виде предварительно натянутого пакета тарельчатых пружин с нелинейной характеристикой. Связь цанги 6, зажимающей пруток 5, с приводом осуществляется с помощью трубы 10.
Рис. 3. Типовые схемы цанговых механизмов зажима заготовки с замыканием: α, б - геометрическим; в - силовым
В токарно-револьверных станках, предназначенных для зажима прутков и штучных заготовок с большими отклонениями диаметра, широкое распространение получили силовые гидро-, пневмоприводы (рис. 3, в). При подаче масла (воздуха) под давлением р в полость вращающегося цилиндра 2 поршень 1, труба 3 и цанга 4 перемещаются влево, обеспечивая зажим прутка 5. Зажим может осуществляться пружиной 6, а разжим - гидро-, пневмоприводом.
В автоматических зажимах заготовок с геометрическим замыканием закон движения трубы зажима определяется в основном кулачком и передаточным отношением звеньев передаточно усилительного механизма, а в зажимных механизмах с силовым замыканием режимом движения рабочей среды (жидкости или воздуха), ее расходом, жесткостью, срабатыванием пружины и тормозными силами. В токарных прутковых автоматах c зажимным механизмом согласовано работают механизмы автоматической подачи прутка.
На рис. 4, α показана общая блочно функциональная схема механизмов зажима, подачи и упора пруткового автомата с центральным управлением, где каждая цепочка Включает управляющий кулачок УК1...УК3 (действие каждого управляющего кулачка синхронизировано от узла управления, например в виде распределительного вала); источник энергии Э1... Э3; привод Пр1...Пр3 и исполнительный элемент; упор (У), подающий патрон (ПП) и зажимной патрон (ЗП). Графическое изображение последовательности работы механизмов приведено (рис. 4, б) в виде тактограммы.
Рис. 4. Механизмы зажима, подачи и упора прутка токарного автомата: α - общая блочно функциональная схема; б - тактограмма работы
технологической системе станка функциональная работоспособность механизма зажима заготовки проявляется по-разному в процессе зажима-разжима и в процессе резания. Система зажимного механизма подвержена внешним воздействиям со стороны главного привода или механизмов станка, станка в целом и окружающей среды (колебания механизмов и станка, вибрация фундамента, температура среды и т. д.). В процессе обработки в качестве возмущающего воздействия на систему зажимного механизма через объект закрепления служат силы резания.
На привод и патрон в процессе зажима - разжима и при резании воздействуют возмущения, связанные, например, с колебаниями шпинделя, центробежными силами неуравновешенных частей, эксцентричностью обрабатываемой детали (штучной заготовки или прутка) и т. д.
Система зажимного механизма может быть разомкнутая и замкнутая. В замкнутой системе зажима станка возможны общие обратные связи между деталью (выходом) и устройством сравнения - входом, между патроном и входом, приводом и входом. В этом случае зажимной механизм может быть с автоматическим регулированием в процессе зажима и при резании и с автоматической подналадкой до зажима или в процессе зажима. В разомкнутых системах зажимов станка, как и в замкнутых, существуют местные (условные) обратные связи между деталью и приводом, патроном и приводом. В качестве периодического возмущающего воздействия на систему зажима заготовки оказывает влияние сама деталь (отклонение ее размера, жесткости, формы и т. д.).
В станках с ЧПУ требуется дифференцированное отношение к отдельным существенным техническим характеристикам зажимного механизма, например быстропереналаживаемости, широкодиапазонности и т. д.
В металлорежущих станках с ЧПУ зажимные механизмы оказывают значительное влияние на точность и производительность обработки деталей.
Принцип надежного зажима может быть сформулирован следующим образом: надежно и быстро зажать (закрепить) это приложить в течение минимального или заданного времени определенные силы со стороны одних поверхностей (зажимающих) к другим поверхностям (зажимаемым) так, чтобы с помощью упорных, фиксирующих и стопорных элементов неподвижно и точно зафиксировать объект или создать силы сцепления (трения) между ними, исключающие их относительное смещение, вибрации под действием собственного веса и внешних сил (резания, центробежных) и предотвращающие деформации, искажения формы и качества поверхности объекта закрепления.
Трудно создать эффективный механизм зажима заготовки, обеспечивающий высокую точность и большие усилия закрепления. Поэтому проектирование эффективных зажимных механизмов должно базироваться на достаточно глубоком анализе и расчете параметров процесса закрепления при взаимодействий их основных элементов.
Среди требований, предъявляемых к механизмам зажима заготовок в процессах зажима-разжима (I состояние) и резания (ІІ состояние), объясняющих большое многообразие их конструкций, основными являются: сила (необходимое условие), жесткость, точность при их стабильности, прочность, быстродействие, энергоэкономичность, компактность, габариты, безотказность работы, долговечность и конструктивная простота. Кроме основных, к зажимным механизмам предъявляется ряд дополнительных и специальных требований: быстросменность, быстропереналаживаемость, легкость регулировки, широкодиапазонность, защищенность, ремонтопригодность, возможность автоматической регулировки характеристик зажима или дистанционного управления, бесшумность, безопасность и др. Таким образом, основные и дополнительные требования к зажимам металлообрабатывающих станков вытекают из требований, предъявляемых к самому станку, технологическому процессу и определяющих точность и производительность обработки при высоком качестве выпускаемой продукции.
Силы зажима заготовки, инструмента или подвижного узла станка должны обеспечить достаточную жесткость контакта сопряженных поверхностей, предотвратить их смещение в процессе обработки, возникновение вибраций и предотвратить недопустимые деформации элементов системы. Сила зажима должна создать предварительный натяг системы, превышающий действие других сил (резания, инерции) и при этом должна находиться в определенных пределах. Она не может быть меньше величины, обеспечивающей производительную и точную обработку деталей и не может быть чрезмерно большой, чтобы вызывать недопустимые деформации обрабатываемых деталей и элементов станка, а также повышенный износ механизма. Требуемые силы зажима можно аналитически определить для сравнительно простых конфигураций толстостенных деталей. Для тонкостенных деталей сложной конфигурации аналитическое определение требуемых сил зажима практически невозможно. Для таких деталей силы зажима часто принимают по аналогии с силами, действующими в зажимном механизме (проверенными в эксплуатации) и обеспечивают возможность в проектируемой конструкции регулировать эти силы в значительных пределах. При создании некоторых механизмов зажима заготовок станков с ЧПУ проводят специальные эксперименты для определения сил зажима и выбора мест расположения основных и дополнительных опор.
При определении требуемых сил зажима учитывают возможность отклонений механических качеств и размеров заготовок, затупления режущего инструмента и вызванное этим увеличение сил резания, отклонение сил трения в зажимных элементах. Эти факторы могут учитываться соответствующими исходными данными для расчета или коэффициентом запаса. Коэффициент запаса Kзап принимают в пределах 1,5...2, за исключением случаев, когда силы резания отжимают заготовку от баз, тогда Kзап должен быть не менее 2,5. Рекомендуется принимать коэффициент запаса Kзап равным произведению первичных коэффициентов, отражающих конкретные условия обработки; в соответствии с этим Kзап может приниматься в пределах 1,5...8. Силы зажима, необходимые для предотвращения смещения заготовки в процессе обработки, приближенно определяют из уравнений статики. Для принятой схемы закрепления заготовки рассматривают условия равновесия приложенных к ней сил: известных сил резания и других сил, возникающих в процессе обработки, искомых сил зажима, реакций опор и сил трения. Затем для проверки возможности получения требуемой точности обработки деталей выполняют дополнительные расчеты возникающих удельных давлений в стыках, деформации заготовки и элементов системы. Эти расчеты могут выявить необходимость уточнения или изменения схемы установки и закрепления заготовки, изменения режимов обработки.
Расчет деформации системы ведется по упругим характеристикам отдельных элементов и контактной жесткости стыков между ними. Как показали экспериментальные исследования, с увеличением давления затяжки стыка коэффициент контактной податливости сначала резко уменьшается, а затем при давлениях выше 3,0...3,5 МПа для шлифовальных и шабренных поверхностей почти не меняется. Поэтому в случаях, когда нет опасности раскрытия стыков под нагрузкой, повышение давления свыше 3,0 ... 3,5 МПа для увеличения жесткости стыка не является необходимым.
Стыки деталей, отсутствие смещения которых обеспечивается трением, рассчитывают так, чтобы касательные смещения в них не переходили в область пластических.
В станках с ЧПУ и станочных системах время операций, связанных с манипулированием заготовками и инструментами (загрузка, зажим - разжим, перекантование, смещение и т. д.) оказывает существенное влияние на общий баланс времени выполнения технологических операций. Имеются такие технологические системы с автоматическим циклом управления, в которых операции так расчленены, что время вспомогательных движений соизмеримо с машинным временем. Поэтому время зажимных операций должно быть сведено до нескольких секунд или даже их долей. По быстродействию среди различных конструкций зажимов заготовок станков с ЧПУ следует отдать предпочтение вакуумным, пневматическим и магнитным зажимным механизмам. Кроме использования быстродействующих приводов рабочего перемещения зажимных элементов необходимо создавать такие зажимы переменной структуры, в которых рабочий ход зажима был бы предельно малым и служил только для натяга системы, а выбор зазора при переходе на другой размер обрабатываемой заготовки осуществляется дополнительными кинематическими цепями с большой скоростью.
Усложнение технологических циклов, включение зажимных механизмов в автоматизированные технологические системы и установка их в дорогие металлорежущие станки накладывает достаточно высокие требования к надежности, так как поломка зажима станка приводит к неизбежному простою станка или целой технологической линии. Еще один существенный факт, что в половине случаев отказ механизма зажима заготовки приводит к повреждению режущего инструмента или рабочего органа станка, а также к травмированию обслуживающего персонала.
Правильное функционирование зажимного механизма связано с согласованным действием других механизмов станка и выработкой сигналов, обусловленных: наличием обрабатываемой заготовки; включением привода зажима; регулированием силы зажима; достижением предварительно заданной силы зажима; включением механизма или переключением на установленный режим работы; окончательным отклонением.
Многообразие требований к зажимным механизмам как в процессе зажима, так и в процессе резания при их взаимосвязи порождает множество различных схем и конструкций, среди которых всегда существуют оптимальные по соответствующим критериям качества. Тем не менее, независимо от структуры, схемы и конструктивного исполнения все системы механизмы зажима заготовки имеют единую структуру, включающую множество р вариантов: источник (ИЭ) - преобразователи энергии (ПЭ) - привод (Пр) - патрон (П) - деталь (Д). С увеличением количества вариантов число различных множеств растет в соотношении p(p-2). Существенно различные (неизоморфные) множества подсчитываются комбинаторными методами с помощью производящих функций и их меньше. Количество вариантов всей системы зажимов станков может быть значительным, что потребовало бы при ручном переборе десятки, сотни и даже тысячи лет. Поэтому автоматизированное проектирование зажимных механизмов с применением ЭВМ весьма актуально.
При проектировании станочных зажимов приходится решать многоуровневые задачи разной сложности, связанные с выбором принципа (или способа) зажима, т. е. руководящей технической идеи, структуры для выбранного принципа зажима, схемы для выбранной структуры и конструкции с оптимальными параметрами выбранной схемы.
При оптимальном проектировании зажимных механизмов станка на различных уровнях (см. рис. 2 Проектирование станков с ЧПУ) необходимо учитывать все факторы, оказывающие существенное влияние на объем проектирования, и вести целенаправленный, планомерный поиск решения, используя системный подход, т. е. объект и процесс проектирования рассматривать как систему, взаимодействующую со смежными системами и окружающей ее средой.
При моделировании, например, патронов по виду зажимных элементов используют совокупности независимых сечений и контуров. Зажимной элемент может служить основой различных схем патронов, образуя множество вариантов в продольном и поперечном сечениях.
Наиболее сложным и важным является поиск новых технических идей, в частности, новых принципов зажима, в которых используются новые эффекты и знания в области фундаментальных наук, современные достижения в науке и технике на уровне открытий и изобретений.
Эти задачи трудно формализуемы, требуют применения теории неформальных процедур, принятия решений при неполной исходной информации, укрупнения критериев оптимизации и диалоговой работы с ЭВМ, наделенных искусственным интеллектом и имитационной системой САПР. В данном случае очень важно содружество конструктора и математика, т. е., что не сможет сделать конструктор, выполнит математик и наоборот.
Прежде чем заниматься синтезом механизма зажима заготовки станка, необходимо выполнить строгую классификацию приводов, патронов и систем зажимных механизмов в целом; найти приемы формализации (частной или полной) задач выбора принципов зажима, структурного и схемного синтеза; разработать комплексный безразмерный показатель качества зажимов станка для анализа различных структур, схем, конструкций и выбрать лучший вариант; уточнить критерии оптимизации и налагаемые ограничения на уровнях схемного и параметрического синтеза; найти область применения различных методов поиска новых технических решений; разработать новые методы и приемы структурного и схемного синтеза; создать общий алгоритм оптимального проектирования и частные алгоритмы на различных уровнях проектирования, в том числе с использованием ЭВМ для автоматизации этого процесса.
Имея исходные данные для проектирования зажимного механизма станка с ЧПУ, а также сведения о протекающих в них процессах и явлениях с учетом предъявляемых требований и главной цели, необходимо правильно поставить задачу, т. е. выбрать целевую функцию, критерии оптимизации и технические ограничения, условия работоспособности и модели зажима станка (физические, динамические и математические).
Далее задача проектирования решается многоциклично: Выбирается принцип зажима; с использованием сведений о процессах зажима и резания на последующих уровнях выполняется анализ, позволяющий вывести показатели качества, сформулировать критерии и ограничения для синтеза на различных уровнях; приводится последующий анализ с параллельным сравнением нескольких вариантов и выбор наиболее предпочтительного.
Требования к механизму зажима заготовки станка могут быть выражены количественно через соответствующие характеристики. Величина и разброс характеристик станочных зажимов зависят от качества их изготовления и регулировки, поскольку это является функцией отклонения от номинала многих линейных, угловых размеров, жесткости деталей, сил трения, качества сборки и т. д.
