Эксцентриковые зажимы являются быстродействующими, но они развивают меньшую силу зажима, чем винтовые, имеет ограниченные линейные перемещения.
В станочных приспособлениях используют круглые и криволинейные эксцентриковые зажимы. Круглый эксцентрик применяемый в предлагаемой конструкции представляет собой диск, поворачиваемый вокруг оси О, смещенный относительно геометрической оси эксцентрика на некоторую величину е, называемую эксцентриситетом. Для крепления обрабатываемой детали эксцентриковые зажимы должны быть самотормозящимися.
Круглые эксцентрики изготавливают из стали 20Х, цементируют на глубину 0,6….1,2 мм и затем закаливают до твердости 58….62HRC э. Некоторые виды круглых эксцентриков выполняется по ГОСТ 9061-68
Из теоретической механики известно, что условие самоторможения двух трущихся тел следующие: угол трения больше или равен углу подъема, под которым происходит трение. Следовательно, если, угол подъема эксцентрика в определенном его положении не больше угла трения, то эксцентрика является самотормозящимся. Самотормозящиеся эксцентрики после зажима обрабатываемой детали не изменяемой своего положения. Самоторможение эксцентриковых зажимов обеспечиваются при определенном отношения его наружного диаметра и эксцентриситету е.
При расчете основных размеров круглого эксцентрика необходимо иметь следующие величины.
Эксцентриситет круглого эксцентрика (44):
Радиус наружной поверхности эксцентрика определяется из условия его самоторможения:
Угол поворота эксцентрика, соответствующей наименее выгодную для самоторможения положения зажима.
В приспособлениях применяются два типа эксцентриковых механизмов:
1. Круговые эксцентрики.
2. Криволинейные эксцентрики.
Тип эксцентрика определяется формой кривой на рабочем участке.
Рабочая поверхность круговых эксцентриков – окружность постоянного диаметра со смещенной осью вращения. Расстояние между центром окружности и осью вращения эксцентрика называется эксцентриситетом (е ).
Рассмотрим схему кругового эксцентрика (Рис.5.19). Линия, проходящая через центр окружности О 1 и центр вращения О 2 кругового эксцентрика, делит его на два симметричных участка. Каждый из них это клин, расположенный на окружности, описанной из центра вращения эксцентрика. Угол подъема эксцентрика α (угол между зажимаемой поверхностью и нормалью к радиусу вращения) образуют радиус окружности эксцентрика R и радиус вращения r , проведенные из своих центров в точку касания с деталью.
Угол подъема рабочей поверхности эксцентрика определяется зависимостью
Эксцентриситет; - угол поворота эксцентрика.
Рисунок 5.19 – Расчетная схема эксцентрика
,
где - зазор для свободного ввода заготовки под эксцентрик (S 1 = 0,2 …0,4 мм); T – допуск на размер заготовки в направлении зажима; - запас хода эксцентрика, предохраняющий его от перехода через мертвую точку ( = 0,4…0, 6 мм); y – деформация в зоне контакта;
где Q –усилие в месте контакта эксцентрика; - жесткость зажимного устройства,
К недостаткам круговых эксцентриков относится изменение угла подъема α при повороте эксцентрика (следовательно, и усилия зажима). На рисунке 5.20 приведен профиль развертки рабочей поверхности эксцентрика при его повороте на угол ρ . В начальной стадии при ρ = 0° угол подъема α = 0°. При дальнейшем повороте эксцентрика угол α увеличивается, достигая максимума (α Мах) при ρ = 90°. Дальнейший поворот приводит к уменьшению угла α , и при ρ = 180° угол подъема снова равен нулю α =0°
Рис. 5.20 – Развертка эксцентрика.
Уравнения сил в круговом эксцентрике с достаточной для практических расчетов точностью можно записать, по аналогии с расчетом усилий плоского односкосого клина с углом в точке контакта. Тогда усилие на рукоятке длиной можно определить по формуле
,
где l – расстояние от оси вращения эксцентрика до точки приложения усилия W ; r – расстояние от оси вращения до точки контакта (Q ); - угол трения между эксцентриком и заготовкой; - угол трения на оси вращения эксцентрика.
Самоторможение круговых эксцентриков обеспечивается отношении его наружного диаметра D к эксцентриситету . Это отношение называют характеристикой эксцентрика.
Круглые эксцентрики изготавливают из стали 20Х, цементируют на глубину 0,8…1,2 мм и затем закаливают до твердости HRC 55…60. Размеры круглого эксцентрика необходимо применять с учетом ГОСТ 9061-68 и ГОСТ 12189-66. Стандартные круговые эксцентрики имеют размеры D= 32-80 мм и е = 1,7 – 3,5 мм . К недостаткам круговых эксцентриков следует отнести небольшой линейный ход, непостоянство угла подъема, а, следовательно, и зажимного усилия при закреплении заготовок с большими колебаниями размеров в направлении зажима.
На рисунке 5.21 показан нормализованный эксцентриковый прихват для зажима деталей . Обрабатываемая деталь 3 установлена на неподвижных опорах 2 и прижимается к ним планкой 4. При зажиме детали к рукоятке эксцентрика 6 прикладывается усилие W ,и он проворачивается относительно своей оси, опираясь на пяту 7. Возникающая при этом на оси эксцентрика сила Р передается через планку 4 к детали.
Рисунок 5.21 – Нормализованный эксцентриковый прихват
В зависимости от размеров планки (l 1 и l 2 ) получим зажимное усилие Q . Планка 4 прижимается к головке 5 винта 1 пружиной. Эксцентрик 6 с планкой 4 после разжима детали перемещается вправо.
Криволинейные кулачки , в отличие от круговых эксцентриков, характеризуются постоянством угла подъёма, что обеспечивает одинаковые самотормозящие свойства при любом угле поворота кулачка .
Рабочая поверхность таких кулачков выполняется в виде логарифмической или архимедовой спирали.
При рабочем профиле в виде логарифмической спирали радиус-вектор кулачка ( р ) определяется зависимостью
р = Се а G
где С- постоянная величина; е - основание натуральных логарифмов; а - коэффициент пропорциональности; G - полярный угол.
Если используется профиль, выполненный по архимедовой спирали, то
р=аG .
Если первое уравнение представить в логарифмическом виде, то оно, как и второе уравнение, в декартовых координатах будет представлять прямую линию . Поэтому построение кулачков с рабочими поверхностями в виде логарифмической или Архимедовой спирали можно выполнить с достаточной точностью просто, если значения р, взятые по графику в декартовых координатах, отложить от центра окружности в полярных координатах. При этом диаметр окружности подбирают в зависимости от требующейся величины хода эксцентрика (h ) (Рис. 5.22).
Рисунок 5.22 – Профиль криволинейного кулачка
Эти эксцентрики изготавливают из сталей 35 и 45. Наружные рабочие поверхности подвергают термообработке до твердости HRC 55…60. Основные размеры криволинейных эксцентриков нормализованы.
Эксцентриковые зажимы,в противоположность винтовым, являются быстродействующими. Достаточно повернуть рукоятку такого зажима менее чем на 180°, чтобы закрепить заготовку.
Схема действия эксцентрикового зажима показана на рисунке 7. При повороте рукоятки радиус поворота эксцентрика увеличивается, зазор между ним и деталью (либо рычагом) уменьшается до нуля; зажим заготовки производится за счет дальнейшего «уплотнения» системы: эксцентрик - деталь - приспособление.
Рисунок 7- Схема действия эксцентрикового зажима
Для определения основных размеров эксцентрика следует знать величину усилия зажима заготовки Q , оптимальный угол поворота рукоятки для зажима заготовки ρ, допуск на толщину закрепляемой заготовки δ.
Если угол поворота рычага неограничен (360°), то величину эксцентриситета кулачка можно определить по уравнению
где S 1 -установочный зазор под эксцентриком, мм;
S 2 -запас хода эксцентрика, учитывающий его износ, мм;
Допуск на толщину заготовки, мм;
Q – усилие зажима заготовки, Н;
L - жесткость зажимного устройства, Н/мм (характеризует величину отжима системы под воздействием зажимных сил).
Если угол поворота рычага ограничен (менее 180°), то величину эксцентриситета можно определить по уравнению
Радиус наружной поверхности эксцентрика определяется из условия самоторможения: угол подъема эксцентрика , составленный зажимаемой поверхностью и нормалью к радиусу его вращения, всегда должен быть меньше угла трения, т. е.
(f =0,15 для стали),
где D и R -соответственно диаметр и радиус эксцентрика.
Усилие зажима заготовки можно определить по формуле
где Р - усилие на рукоятке эксцентрика, Н (принимается обычно ~ 150 Н);
l - длина рукоятки, мм;
–углы трения между эксцентриком и деталью, между цапфой и опорой эксцентрика;
R 0 - радиус вращения эксцентрика, мм.
Для приближенного расчета усилия зажима можно воспользоваться эмпирической формулой Q12 Р (при t=(4-5) R и Р=150 Н).
а, в - для поджатая плоских заготовок; б - для крепления плоских заготовок с помощью качающегося коромысла; г - для стягивания обечаек с помощью гибкого хомута
Рисунок 8 - Примеры различных по конструкции эксцентриковых зажимов
Задача № 3 “Расчет парметров эксцентрикового зажима ”
По вводным данным тьютора подберите и рассчитайте параметры эксцентрикового зажима (рисунок 7), если изделие необходимо прижать с усилием Q , жесткость зажимного устройства L , угол поворота рычага неограничен, установочный зазор под эксцентриком S 1 , запас хода эксцентрика, учитывающий его износ S 2 , допуск на толщину заготовки ,сварщик правша.
Рассчитайте диаметр эксцентрика.
Определите длину рукоятки эксцентрика l .
Составьте эскиз зажима. Подберите материал, из которого должен быть изготовлен зажим.
Таблица 4 – Варианты задачи
|
Q , кН |
L , Н/мм |
S 1 , мм |
S 2 , мм |
Исходными данными для расчета основных размеров круглого эксцентрика (рис. 8.3) являются: δ - допуск на размер заготовки от ее установочной базы до места приложения силы закрепления, мм; α- угол поворота эксцентрика от нулевого (начального) положения; Q - сила закрепления заготовки, Н.
Рис. 8.3. Эксцентриковые зажимы:
А - дисковый эксцентрик, б -эксцентрик с Г-образным прихватом
Если угол поворота эксцентрика не ограничен, то
2е =s 1 +d+s 2 +
где s 1 - зазор для свободного ввода заготовки под эксцентрик; s 2 - запас хода эксцентрика, предохраняющий его от перехода через мертвую точку (учитывает износ эксцентрика); J - жесткость зажимного устройства, Н/мм.
Последний член формулы характеризует увеличение расстояния между эксцентриком и заготовкой в результате упругой деформации зажимной системы. При s 1 = 0,2÷0,4 мм и s 2 = 0,4÷0,6 мм
е = +(0,3÷0,5) мм
Если угол поворота α значительно меньше 180°,
е = (8.4)
Радиус цапфы эксцентрика (мм) найдем, принимая ширину d ;
r = Q /2bσ см, (8.5)
где σ см - допускаемое напряжение на смятие (15-20 МПа).
При b = 2r
Радиус эксцентрика R находим из условий самоторможения. Из схемы действующих на эксцентрик сил (рис. 8.4, а) следует, что равнодействующая Т реакции Q и силы трения F должна быть равна реакции со стороны цапфы, проходящей касательно, кругу трения радиуса ρ, и направлено противоположно ей:
где j = угол трения покоя.
При е ≤ р R min = е + r + Δ, где Δ - толщина перемычки (рис. 8.4, б).
Рис. 8.4. Схема для силового расчёта эксцентриков
Радиус ρ круга трения определяем из равенства ρ = f"r, где f " -коэффициент трения покоя в цапфе. Величины j и f " следует брать по наименьшему пределу. Для полусухих поверхностей можно принимать j = 8° и f " = 0,12÷0,15.
Угол поворота α 1 (см. рис. 8.4, а )для наименее выгодного положения эксцентрика найдем по формуле α 1 = 90° - j.
Ширину рабочей части эксцентрика В определим из формулы
σ=0,565 
где σ-допускаемое напряжение в месте контакта эксцентрика с заготовкой. Для закаленной стали можно принимать σ = 800÷1200 МПа; Е 1 E 2 - модули упругости соответственно материалов эксцентрика и соприкасающегося с ним элемента (промежуточной детали или заготовки), МПа; µ 1 , µ 2 - коэффициенты Пуассона для материалов эксцентрика и соприкасающегося с ним элемента.
При E 1 =E 2 =E и µ 1 =µ 2 = 0,25 получим
откуда (при R в мм)
B= 0,17 мм. (8.6)
Размеры эксцентрика е, r, R и В согласовывают с ГОСТом.
Для установления зависимости между силой закрепления Q и моментом на рукоятке эксцентрика в конце закрепления заготовки воспользуемся схемой, показанной на рис. 8.4, б. В процессе закрепления на эксцентрик действуют три силы: сила на рукоятке N, реакция заготовки Т и реакция цапфы S. Под действием этих сил система находится вравновесии. Реакция Т представляет собой равнодействующую силы Q исилы трения F. Сумма моментов всех действующих сил относительно оси поворота эксцентрика
Nl - Qe sin α" - fQ (R - е cos α") - Sρ = 0,
где f - коэффициент трения между эксцентриком и заготовкой.
Сила S мало отличается по величине от нормальной силы Q. Приняв S» Q, получим момент на рукоятке эксцентрика
Nl = Q [fR + ρ + e (sin α" +f cos α")].
Для упрощения полученного выражения примем:
1) fR = tg jR »sin jR (при j= 6° погрешность меньше 1 %);
2) выражение sin α" +f cos α" заменим sin (α" +j) (погрешность 1 %). После подстановок получим
Nl=Q (8.7)
Учитывая выражение для R, получим
Nl = eQ. (8.8)
По этой формуле момент Nl находят с точностью до 10 %.
Перемещение точки касания эксцентрика с плоскостью при его повороте на угол α от начального положения (рис. 8.5, a)
х = е - с = е - е cos α = е (1 - cos α).
Рис. 8.5. Схемы для расчета перемещения точки контакта эксцентрика с плоскостью при его повороте
На рис. 8.5 б показано изменение х от α. Учитывая, что
x =s 1 +d+ ,
cos α = 1- ; α "=180 o -α
Подставляя найденное значение α " в формулу (8.8), можно выразить момент на рукоятке эксцентрика через исходные величины.
Расчёт клиновых зажимов
Клиновые зажимыприменяют в качестве промежуточного звена в сложных зажимных системах. Они просты в изготовлении, компактны, легко размещаются в приспособлении, позволяют увеличивать и изменять направление передаваемой силы. При определенных углах клиновой механизм обладает свойствами самоторможения. Для наиболее распространенного в приспособлениях односкосного клина (рис. 8.6, а) при действии сил под прямым углом имеем следующую зависимость, полученную из силового многоугольника:
. . (8.9)
При знаке минус в формуле имеем зависимость для открепления клина. Самоторможение происходит при α < φ 1 + φ 2 . Если φ 1 = φ 2 .= φ 3 = φ. то зависимость упрощается:
Рис. 8.6. Действие сил в клиновом механизме:
а - с углом 90°; б - с углом более 90°
При передаче сил под углом β > 90° (рис. 8.6, б )зависимость между Pи Q из силового многоугольника имеет вид (при 90 + α > β)
Если угол трения постоянен и равен φ, то
.
Расчёт рычажных зажимов
Рычажные зажимыаналогично клиновым применяют в сочетании с другими элементарными зажимами, образуя более сложные зажимные системы. С помощью рычага изменяют величину и направление передаваемой силы, осуществляют одновременное и равномерное закрепление заготовки в двух местах.
Они являются самыми быстродействующими из всех ручных зажимных механизмов. По быстродействию они сравнимы с пневмозажимами. Эксцентрики работают по принципу клина.
Применяются две конструктивных разновидности эксцентриков – круговые и криволинейные. Круговые эксцентрики представляют собой диск или валик со смещённой осью вращения. Они получили наибольшее распространение, так как просты в изготовлении. У криволинейных эксцентриков профиль очерчен по архимедовой или логарифмической спирали.
Недостатки эксцентриковых зажимов:
Малая величина рабочего хода, ограниченная величиной эксцентриситета.
Непостоянство силы зажима в партии заготовок при закреплении круговым эксцентриком.
Повышенная утомляемость рабочего, обусловленная свойством.
Неприменимость при наличии ударной работы или работе с вибрациями из-за опасности самооткрепления.
Несмотря на эти недостатки, эксцентриковые зажимы широко применяются в приспособлениях, особенно для мелкосерийного и серийного производства. Это объясняется простотой конструкции, невысокой стоимостью изготовления и высокой их производительностью.
Непостоянство силы зажима кругового эксцентрика связано с неравномерностью угла подъёма криволинейного клина. Круговой эксцентрик удовлетворительно зажимает заготовку при рабочих углах поворота β=30…130 . Даже при таких углах поворота сила зажима колеблется по величине на 20…25%.
Практикой установлено, что хорошо работают эксцентрики, у которых R/е 7. Они обеспечивают достаточный ход при угле поворота β в пределах 135 и обеспечивают самоторможение эксцентрика.
Криволинейные эксцентрики обеспечивают постоянство силы зажима, так как угол подъёма у них постоянный. Но эти эксцентрики сложны в изготовлении и поэтому применение их ограничено.
Расчёт силы зажима
Силу зажима круговым эксцентриком с достаточной для практических расчётов точностью можно определить, заменив действие эксцентрика действием плоского односкосого клина с углом α в зазоре между цапфой и поверхностью заготовки. Схема такой замены и сил, действующих на эксцентрик и фиктивный клин, приведены на рис 4.79.
Рис. 4.79. Схема сил, действующих на эксцентрик и фиктивный клин
На схеме сила W 1 - сила, действующая на плоскость зажима РР под углом α. Вдоль плоскости зажима действует сила Т=W 1 α. Эту силу можно рассматривать как внешнюю, действующую на клин КСР с углом α. Используя формулу для расчёта плоского односкосого клина, можно записать:
Силу W 1 можно определить, рассмотрев равновесие эксцентрика:
Так как , то .
Подставим значение W 1 в формулу (1) и опустим α как величину близкую к единице при малых углах α:
где R 1 и α – переменные величины.