Зажимной патрон станка с ЧПУ

Способ зажима, который имеет зажимной патрон станка, во многом определяется направлением зажимного усилия вместе контакта зажимного элемента с объектом закрепления. Рассмотрим на примере зажим деталей типа тел вращения.

Зажим цилиндрической детали может определяться силой ЅΣ или моментом Мз привода, создающими направление зажимного усилия. В плоскости оси детали существует 8 направлений (рис. 1, α), а в перпендикулярной плоскости - еще 6 направлений (рис. 1, б), определяющих тип зажима: радиальный, угловой, торцевой, заклинивающий, поводковый и комбинированный. Для зажима прутков можно применять только наружный зажим (радиальный, заклинивающий, угловой и комбинированный) с направлениями зажимного усилия (рис. 1): 1, 2, 8, 9, 14.

Рис. 1. Результирующие усилия зажима в патроне станка

Основные показатели зажима во многом определяются типом зажимного патрона станка и схемой замыкания в нем зажимных сил.

В зажимных патронах механического исполнения в зависимости от требуемого хода зажимных элементов (ЗЭ), силы и точности зажима различают передаточно усилительные звенья (ПУЗ): рычажные (Р), клиновые (К), мембранные (М), упругие (У) и их сочетания.

В замкнутой системе зажимного механизма силовой контур зажимного патрона (рис. 2) может быть замкнутым (радиальные силы зажима представляют замкнутый многоугольник в плоскости, перпендикулярной оси патрона), разомкнутым (нормальные силы зажима параллельны оси патрона) и комбинированным (результирующие силы зажима действуют в двух плоскостях и сходятся к вершине многогранной пирамиды). В свою очередь замкнутый силовой контур зажимного патрона может быть открытым (зажимные элементы не охвачены общим корпусом) и закрытым, что определяется типом последнего передаточно-усилительного звена патрона.

Рис. 2. Силовой контур зажимного патрона. ∆р и К - соответственно радиальное биение и конусность на определенном вылете ↓ - меньше погрешность; ↑ - больше погрешность.

Принцип зажима и тип патрона во многом определяется типом и размером детали. Прутковая заготовка характеризуется изменяемым соотношением диаметрально длинновых параметров. У деталей с одним вырожденным или гиперболизированным размером число вариантов зажима сокращается. Например, деталь типа мембраны можно нажимать только по плоскости, так как толщина (длина) стремится к нулю и, наоборот, пруток или проволоку нужно зажимать и поддерживать вдоль большего размера, а для исключения прогибов - в двух и более местах.

При синтезе структур и схем зажимных патронов станков целесообразно применять дифференциально морфологический метод, представляющий собой развитие и комбинацию известных. Сущность метода заключается в том, что для разрешения противоречий на стадии поиска структур используются эвристические приемы полного, неполного и комбинированного расчленения зажимного элемента, дифференцирующие и интегрирующие функции и поверхности, что дает различные основные и дополнительные эффекты, а при полном однонаправленном расчленении синтезируемые структуры соответствуют новым принципам зажима или обеспечивают новые качества. В соответствии с основным эффектом расчленения на стадии структурного синтеза выбирают несколько предпочтительных структур по полуформализуемому частному критерию качества, отражающему основное требование к синтезируемому зажимному механизму, а далее проводят морфологический анализ схем с использованием приемов перестановки, сочетания, установки последовательности работы, функции зажимных элементов и передаточно усилительных звеньев, введения различных связей, выбора их места. Различные структуры и схемы патронов могут быть получены предложенным методом в сочетании с методами комбинаторики.

Приемы расчленения зажимных элементов относятся к эвристическим и используются не только при синтезе структур и схем, но и при выборе принципа зажима. Сущность приемов рас членения проследим на синтезе структур зажимных патронов станка с клиновым передаточно усилительным звеном (ПУЗ) к которым относятся цанговые патроны.

Каждый вид расчленения дает определенный эффект - основной и дополнительный. Расчленение может быть: полное, (продольное, поперечное, угловое, звездой, гранное), неполное и комбинированное.

Из анализа расчленений зажимных элементов с клиновым передаточно усилительным звеном установлено, что новые принципы зажима и существенное улучшение показателей качества достигаются только полным однонаправленным расчленением. Например, расчленение вдоль оси патрона дает эффект осевой точности, перпендикулярно оси с раздвижением - высокой жесткости, угловое - самонастройка на размер, гранное - широкодиапазонность, многослойное — чувствительность и сыпучесть и т. д. Неполное расчленение служит для выравнивания эпюр контактных давлений, компенсации технологических погрешностей изготовления элементов зажимного патрона и погрешностей формы деталей, а также для уменьшения неравномерности характеристик зажима. Наивысшую радиальную точность зажима обеспечивает отсутствие сквозного расчленения в поперечном сечении кругового контура зажимного элемента.

Расчленение по оси X-X выделяет из основного зажимного элемента промежуточный, а сечение по оси Y-Y делит зажимной элемент на основной и дополнительный. Если дополнительный элемент сместить вдоль оси, образуется двойной зажим; если сечений, параллельных оси Y-Y, несколько, образуется много рядный зажим.

С введением различных связей (рис. 3) для одной структуры патрона появляется множество схем. Различные варианты схем высокоточных патронов с одинарным зажимом и цилиндрической цангой, служащей в качестве промежуточного зажимного элемента, могут быть созданы из зажимной цанги тянущего типа полным расчленением по оси X-X и введением различных связей промежуточного зажимного элемента - цилиндрической цанги со шпинделем и выбором различного места связи (рис. 3, α, б). Положительный эффект применения зажимных патронов станка с цилиндрической цангой - высокая осевая точность зажима, так как полное продольное расчленение разорвало связь между приводом и деталью через основной зажимной элемент введением промежуточного зажимного элемента, неподвижного в осевом направлении.

Цанговые зажимные патроны с двойным зажимом могут быть созданы из затяжной цанги полным расчленением по оси Ү-Ү, введением различных связей с приводом, между дополнительными и основными зажимным элементом или между цангами (рис. 3, в). Положительный эффект применения таких зажимных патронов - высокая жесткость зажима. При отсутствии жесткой связи основной или дополнительной цанг со шпинделем такое расчленение сохранило недостаток затяжных цанг - оттягивание детали при зажиме. Избавиться от этого недостатка можно, например, введением жесткой связи дополнительного зажимного элемента со шпинделем и его перестановкой (вершина его конуса и конуса основного зажимного элемента обращены в противоположные стороны).

Проблема надежного зажима горячекатаных прутков на токарных автоматах успешно решена путем применения самонастраивающихся цанговых патронов (СЦП). Самонастройка в них осуществляется за счет того, что подпружиненные зажимные элементы «следят» за размером заготовки (прутка), выбирая в системе привод - патрон - деталь (Пр-П-Д) зазоры или сводя их к минимуму. Самонастраивающиеся цанговые патроны, реализующие этот принцип, получены путем полного углового расчленения (в продольном направлении) клинового зажима элемента и введением упругих связей в осевом направлении промежуточного элемента (ПЭ), клина со шпинделем станка (корпусом зажимного патрона), или с основными зажимными элементами (ОЭ) в виде зажимной цанги, или кулачков патрона с различными передаточно-усилительными звеньями (рис. 3, г).

Рис. 3. Варианты связей элементов (Сж - жестких, Су - упругих) в зажимных патронах; α, б - с цилиндрической цангой; в - с двойным зажимом г - самонастраивающихся

К передаточно-усилительным звеньям прием расчленения неприменим, и синтез новых схем патронов в основном строится на приемах сочетания различных передаточно усилительных звеньев, их перестановки, взаимодействия с различными зажимными элементами, а также введением различных связей. Выбор схемы и элементов конструкции цангового зажимного патрона производится исходя из вида и размеров заготовок, требований по силе, жесткости и точности зажима, а также требований технологического процесса, обеспечения долговечности и надежности работы патронов.

Многообразие существующих конструкций цанговых зажимных патронов станков в значительной мере вызвано различными требованиями, предъявляемыми к ним, и поиском лучших вариантов, обеспечивающих в наибольшей мере доминирующие требования. Установившихся широко применяемых конструкций сравнительно мало.

Наиболее часто применяемые цанги (ГОСТ 2876-80) можно разделить на подвижные, имеющие осевое перемещение от привода, и неподвижные в осевом направлении. В зависимости от точности обработки деталей зажимные цанги делятся на две группы: повышенной и нормальной точности.

Для точной обработки деталей должны применяться только калиброванные прутки и зажимные цанги повышенной точности, у которых диаметр рабочего отверстия выполняют меньшим или равным минимальному диаметру прутка.

При расчете затяжной цанги для зажима калиброванных заготовок может быть принято условие d = dо, и тогда за жим осуществляется двумя этапами при наличии разводки лепестков или даже за один этап при отсутствии разводки.

Расчет в данном случае может выполняться по методике DIN 6341, но с учетом условий контактирования цанги со шпинделем в поперечном сечении (введением приведенного угла трения φпр) и изгибной жесткости лепестков.

На рис. 4, α представлена расчетная схема для зажима калиброванной заготовки затяжной цангой с упором. Согласно этой схеме на губку цанги действуют: SΣ - суммарная осевая сила затяжки; S - осевая сила, действующая на один лепесток цанги; Ру - сила упругости лепестка на длине L; R - нормальная составляющая, действующая со стороны шпинделя на конус цанги; F1 = Rfпр - сила трения на зажимном конусе; fпр = arctg φпр - приведенный коэффициент трения между конусом цанги и шпинделя, а φпр - приведенный угол трения; Т - радиальная сила зажима заготовки одной губкой; F2 = μ2T - сила трения (сцепления) на поверхности зажатой заготовки; μ2 - коэффициент трения (сцепления) между губкой цанги и за готовкой при проскальзывании цанги в осевом направлении.

Рис. 4. Расчетная схема для определения силовых характеристик цангового зажимного патрона

Для консольного закрепления вращающихся заготовок снаружи и изнутри наиболее широкое применение получили трехкулачковые зажимные патроны с клиновыми и рычажными устройствами для преобразования поступательного перемещения тяги привода в радиальное перемещение кулачков.

Применяются также патроны с устройствами для преобразования вращательного движения привода в радиальное перемещение кулачков (спиральное, винтовое), а также другие патроны.

На рис. 5 показан клиновой трехкулачковый патрон для штучных заготовок типа ПКС. В термически обработанных направляющих корпуса 3 перемещаются основные кулачки 4; к которым крепятся рабочие кулачки 5. Втулка 2 с клиновыми пазами перемещается в отверстии корпуса с помощью тяги привода, с которой она соединяется винтом 1. Этот винт выполняют с кольцевой канавкой для предохранения патрона от чрезмерных нагрузок. Угол клина (в некоторых типах патронов 12° для увеличения коэффициента усиления). При сборке патрона втулку 2 устанавливают в такое положение, которое не препятствует установке основных кулачков в радиальном направлении, после чего втулку 2 поворачивают по часовой стрелке и осуществляют сопряжение рабочих клиновых поверхностей с соответствующими клиновыми поверхностями кулачков 4.

Рис. 5. Клиновый кулачковый зажимной патрон для штучных заготовок

Расчетная схема для определения сил в клиновом зажимном патроне станка при невращающемся шпинделе приведена на рис. 6.

КПД патрона ηп = kпtg α, так как uп = tg α.

Коэффициент трения μ для закрепленных тщательно обработанных направляющих кулачков можно принимать в пределах 0,08...0,2. Меньшие значения μ соответствуют сравнительно небольшим удельным давлениям и хорошей консистентной смазке, например, содержащей дисульфид молибдена. Коэффициент трения (сцепления) между зажимными гладкими незакаленными поверхностями насадок кулачков и обточенной поверхностью заготовки μ = 0,14...0,18. В продольных и поперечных пазах закаленных зажимных поверхностях кулачков μ = 0,15...0,25; в зажимных поверхностях с острыми зубьями μ = 0,25...0,35.

После зажима заготовки и включения вращения шпинделя с патроном вследствие действия центробежных сил, приложенных к центрам тяжести кулачков, последние сместятся в радиальном направлении, каждый на некоторую величину σ и созданная при невращающемся патроне сила зажима T заготовки уменьшается на ∆Т, а радиальная составляющая R1 силы реакции клина увеличится на ∆R1. Отношение ∆Т и ∆R1 определяется отношением жесткости заготовки Cз и патрона Сп, так как

∆R1/C1 = σ = ∆Т/Cз, т. е. ∆Т/∆R1 = Cз/Cп.

Коэффициент усиления вращающегося зажимного патрона станка может быть получен из уравнения равновесия кулачка под действием приложенных к нему сил, включая и центробежную. При этом следует иметь в виду, что силы трения от сил реакций R2 и R3 будут иметь направления, противоположные показанным на схеме (рис. 5.30).

Рис. 6. Расчетная схема для определения сил в клиновом зажимном патроне станка при невращающемся шпинделе

При вращающемся патроне вследствие действия центробежных сил, приложенных к кулачкам, понижается сила зажима, а также жесткость зажатой заготовки. Жесткость, противодействующая вырыву заготовки из патрона, определяется отношением момента, приложенного в плоскости сил заготовки, к углу ее поворота относительно оси шпинделя. Этот момент образуется силой, приложенной на заданном расстоянии от базовой поверхности патрона. Жесткость зажима зависит от направления нагрузки по отношению к положению кулачков. Как показали эксперименты, жесткость зажима, измеренная при вращении трехкулачкового зажимного патрона станка определенной конструкции с частотой 500 мин(-1), имеет значение, меньшее примерно на 50 %, чем жесткость, измеренная при невращающемся патроне.

Вследствие некоторого поворота кулачков при зажиме, соответствующего зазорам и контактным деформациям направляющих, образующие зажимных поверхностей кулачков устанавливаются параллельно образующим заготовки лишь тогда, когда они имеют в свободном состоянии конусность, которая определяется экспериментально. Например, для одной из конструкций патрона рекомендуется конусность 1: 200. Для снижения влияния центробежных сил кулачков на силу зажима заготовки в конструкции рычажного зажимного патрона (рис. 7) предусмотрена дополнительная масса 1, связанная с рычагом 2, которая частично уравновешивает кулачок 3. Дополнительная масса меньше массы кулачка пропорционально соответствующей силе трения кулачка в направляющих.

Рис. 7. Рычажный зажимной патрон с компенсацией центробежных сил

Для автоматизированного зажима заготовок изнутри применяются различные конструкции разжимных оправок и патронов: плунжерные, рессорные, пружинные (в виде витых и тарельчатых пружин), с упругими шайбами различной конструкции и др. Непосредственными рабочими органами являются плунжеры круглого, овального или прямоугольного поперечного сечения. Радиальное перемещение плунжеров, расположенных чаще всего через 120°, производится при помощи трехскосых клиньев. Когда длина базового отверстия детали превосходит половину его диаметра, целесообразно применять двухрядные плунжерные патроны.

Для закрепления валов средних и больших диаметров применяются поводковые патроны ударного действия, особенность которых состоит в том, что внедрение поводков (штырей в торец заготовки) осуществляется массивным Подпружиненным ударником до начала обработки; в этом случае усилие поджима может быть незначительным, но достаточным для удержания детали в центрах. Конструкция одного из таких зажимных патронов показана на рис. 8, α. В корпусе 1 смонтирован плавающий центр 2 и ударник 3 с механизмом взвода в виде собачки 4 и плоской пружины 5. Ударник поджат пружиной 6, усилие которой регулируется гайками. Центр 2 также поджимается пружиной 9 к упору 11, установленному во фланце 10. Поводковая шайба 12 с тремя поводками 13 связана штифтами 14 с фланцем и удерживается колпачковой гайкой 15. Стопорные винты предохраняют поводки от выпадания. Шайба сферической поверхностью опирается на толкатели 8, которые скошенными поверхностями на другом конце перемещают плунжеры 7,а последние сжимают разрезанный хвостовик ударника, запирая таким образом центр 2 патрона. Ударник в таком положении является опорой для поводков.

Рис. 8. Поводковые зажимные патроны

В исходном положении центр выдвинут из зажимного патрона, а собачка упирается в фаску центра. При поджиме заготовки задней бабкой центр 2 перемещается влево, увлекая через собачку ударник; при этом пружина 6 сжимается. Заготовка перемещается до тех пор, пока собачка не упрется в фаску корпуса и освободит ударник. Последний под действием пружины ударяет по поводкам, внедряя их в торец заготовки, после чего заготовка упирается в торец поводковой шайбы. Торец после запирания центра и поводка является жестким упором для заготовки.

Применение самозажимных поводковых патронов при обработке деталей в центрах позволяет во время включения и выключения вращения шпинделя станка зажимать и освобождать от зажима детали без дополнительных затрат времени. На рис. 8, б показан вариант конструкции такого патрона. Хвостовик 1 корпуса патрона закрепляется в конусе шпинделя станка. Когда зажимной патрон металлообрабатывающего станка не вращается, пружины 2 удерживают кулачки 6 в отведенном положении; в этом положении обрабатываемая деталь может свободно устанавливаться в центрах. После установки детали пиноль бабки перемещает ее вместе с центром 8, сжимая при этом пружину 7 до тех пор, пока торец обрабатываемой детали не нажмет на втулку 4, в результате этого будут застопорены при помощи шариков 3 втулка 4 и центр 8. В начале вращения шпинделя центробежные силы, приложенные к противовесам 5, поворачивают кулачки до соприкосновения с обрабатываемой деталью. Дальнейшее зажатие детали осуществляется силами резания.

На рис. 9 представлен трехкулачковый зажимной патрон конструкции «Берг» (ФРГ), приводимый в движение от штока привода с помощью гайки 1, жестко связанной с подвижной втулкой 3.

Втулка 3 связана с тремя наклонными плунжерами 5, перемещаемыми в отверстиях корпуса 4. К плунжерам 5 привинчены сменные кулачки 6. Заготовка 8 ориентируется с помощью подпружиненного центра 2 и упора 7. По сравнению с клиновыми патронами данный зажимной патрон станка отличается простотой и компактностью конструкции, повышенной жесткостью.

Рис. 9. Плунжерный трехкулачковый зажимной патрон фирмы «Берг» (ФРГ)