2.11. Зажимные устройства

2.11.1. Классификация зажимных устройств

Зажимные устройства относятся к приспособлениям для механической обработки и позволяют осуществить установку и закрепление заготовки, взаимную ориентацию заготовки и инструмента, а также установку и закрепление инструмента.

Кроме того, предусматривают зажимные устройства узлов для предотвращения изменения их относительного положения в процессе работы от сил резания и веса.

По уровню специализации зажимные устройства можно разделить на три группы: универсальные, нормализованные и специальные.

Универсальные зажимные устройства при использовании их для закрепления различных по форме и размерам заготовок не требуют доработки или доукомплектования и нуждаются лишь в переналадке. К зажимным устройствам этого типа относятся токарные патроны, машинные тиски и т. д.

Нормализованные зажимные устройства при переходе от одного типоразмера детали к другому требуют доработки и доукомплектования. К ним относятся, например, токарные патроны, в которых детали закрепляются в сырых кулачках, базовые поверхности которых обрабатываются в сборе с патроном.

Специальные зажимные устройства служат для закрепления только конкретной детали.

По степени автоматизации зажимные устройства можно классифицировать на две основные группы: устройства с ручным приводом и управлением и устройства с автоматизированным приводом и управлением.

В свою очередь, зажимные устройства с автоматизированным приводом и управлением, в зависимости от типа привода, подразделяются на механические, гидравлические, пневматические и магнитные.

2.11.2. Устройства для установки и закрепления заготовок на шпинделе станка

К зажимным устройствам этого типа относятся в первую очередь токарные патроны, которые могут быть использованы для закрепления заготовок также и на внутришлифовальных станках.

Кулачковые патроны предназначены для закрепления коротких заготовок в широком диапазоне диаметров и по числу зажимных кулачков могут быть двух-, трех- и четырехкулачковыми.

Наибольшее распространение в универсальных станках с ручным управлением получили самоцентрирующие трехкулачковые патроны. Самоцентрирующий токарный кулачковый патрон содержит следующие основные элементы и механизмы: элементы установки и закрепления заготовки (кулачки различных типов); механизмы самоцентрирования (спирально-реечный, клиновый, рычажный, винтовой, мембранный, комбинированный); механизм привода перемещения кулачков (ручной с передачей высокой редукции, электромеханический, гидравлический, пневматический, комбинированный); механизм для установочного перемещения каждого кулачка (винтовой с обыкновенной или дифференциальной резьбами, рифления с винтовым закреплением и т. д.).

На рис. 2.30 показана конструкция самоцентрирующих трехкулачковых патронов со спирально-реечным механизмом перемещения кулачков.

Рис. 2.30. Патроны самоцентрирующие трехкулачковые

Рис. 2.31, а. Патроны токарные самоцентрирующие трехкулачковые рычажно-клиновые

В корпусе 1 выполнены радиальные пазы, в которых размещены кулачки 3. На торцах кулачков 3 выполнены рейки 4, зацепляющиеся со спиралью 5 спирального диска 11, на котором выполнен конический зубчатый венец 12, входящий в зацепление с тремя коническими шестернями 10 ручного привода с гнездами 9. Сменные накладные кулачки 6 сопрягаются с основными 3 посредством шпоночных выступов 7 и пазов 8. Форма зажимной поверхности накладного кулачка может быть различной в зависимости от конфигурации обрабатываемой детали. Крепление патрона на шпинделе осуществляется через переходной фланец, закрепленный на торце корпуса 1.

Широкое распространение получили клиновые и рычажно-клиновые самоцентрирующие патроны с механизированным приводом. Ход зажимных кулачков в этих патронах невелик, поэтому в них используются сменные накладные кулачки. Замена кулачков занимает много времени, что определяет область применения этих патронов – крупносерийное и массовое производство.

Конструкция трехкулачкового рычажно-клинового патрона представлена на рис. 2.31, а, б.

Рычажно-клиновые патроны изготовляются в двух исполнениях – с креплением через проходной фланец по отверстиям d₁ и с креплением на фланец шпинделя.

Исполнение 2

Исполнение 1

Б - Б

1

2

13

1 4

5

6

7

8

9

10

12

11

Рис. 2.31, б. Патроны токарные самоцентрирующие трехкулачковые рычажно-клиновые

В радиальных пазах корпуса 1 патрона размещены ползуны 2 с рифлеными поверхностями на торцах, с которыми контактируют рифления на сменных накладных кулачках 3. Последние закрепляются на ползунах посредством сухарей 4 и винтов. В центральном отверстии корпуса размещена втулка 8, которая винтом 9 связана с тягой штока силового цилиндра, закрепленного с задней стороны шпиндельной бабки станка. Гайка 10 с фиксатором 11 удерживает винт 9 от самоотвинчивания. Этим же винтом регулируется положение ползунов 2 относительно поршня силового цилиндра при снятой пробке 7. Рычаги 12 связывают втулку 8 с ползунами 2. Рычаги опираются на цилиндрические поверхности 13, выполненные в корпусе 1. Усилие, развиваемое силовым цилиндром, передается через тягу на втулку 8 и далее через рычаги на ползуны, которые при этом сходятся к центру патрона. При обратном ходе штока силового цилиндра наклонные плоскости 6, выполненные на втулке 8, разводят ползуны 2. Патроны выпускаются с наружным диаметром D от 125 до 630 мм.

В станках с ЧПУ наибольшее распространение получили самоцентрирующие патроны с клиновыми или поликлиновыми механизмами самоцентрирования. Эти механизмы имеют высокую жесткость, однако ход кулачков невелик, и требуется частая смена кулачков. Разнообразные конструкции патронов для станков с ЧПУ приведены [7].

Самоцентрирование прутковых заготовок обеспечивают цанговые патроны. Цанговые патроны используются в основном в токарно-револьверных станках и автоматах. Главным элементом этих патронов является зажимная цанга (рис. 2.32).

Ц анга выполняется в виде стальной закаленной втулки с прорезями, образующими несколько упругих лепестков, части внутренних поверхностей которых являются зажимными. Цанга имеет наружную коническую поверхность с углом при вершине 30.

Наибольшее распространение получили цанговые патроны трех типов: нажимные, натяжные и с нажимным элементом. На рис. 11.4 показаны схемы трех типов цанговых патронов. Патрон нажимного действия содержит цангу 1, которая с усилием «F₃» вдвигается в коническое отверстие корпуса 2 с углом конуса 31, закрепленного на шпинделе станка. К недостаткам такого патрона следует отнести снижение усилий зажима под действием сил резания. Патрон натяжного действия предусматривает втягивание цанги 1 и в коническое отверстие шпинделя 3 с углом конуса 29. В этом случае при малых габаритах обеспечивается высокая жесткость и повышение усилия зажима под действием сил резания.

Однако при зажиме прутка – заготовки наблюдается его осевое смещение и отход от упора, расположенного в револьверной головке станка. Это снижает точность обработки в осевом направлении.

Рис. 2.33. Схемы действий цанговых патронов:

а – патрон нажимного действия; б – патрон натяжного действия;

в – патрон с промежуточной втулкой

Потеря осевой точности исключена в патронах третьего типа, где на неподвижную в осевом направлении цангу 1, упирающуюся в корпус 2, закрепленный на шпинделе станка (шпиндель на рис. 2.33, в не показан), воздействует перемещаемый от привода зажима нажимной элемент 4 – втулка с внутренней конической поверхностью. Этот патрон исключает смещение прутка – заготовки при зажиме, однако радиальные габариты такого патрона больше, чем у патронов нажимного и натяжного типа.

Как правило, цанговые патроны имеют электромеханический, пневматический и гидравлический приводы зажима, которые воздействуют на цанги через трубу, расположенную в отверстии шпинделя.

Для цангового патрона осевое усилие на цанге

, Н, (2.38)

где Q – зажимное усилие, Н;

 – угол конуса цанги 1, град;

 – угол трения между цангой 1 и корпусом 2 или промежуточной втулкой 3, град (tg = f = 0,1 – 0,15).

Коэффициент усилия

. (2.39)