ЗАЖИМНОЙ ЭЛЕМЕНТ ЗАЖИМНОГО ПАТРОНА ДЛЯ ОБОЛОЧЕК И ДИСКОВ

Предлагаемое техническое решение относится к зажимным устройствам для обработки деталей машиностроения - оболочек конической и цилиндрической формы, дисков с концентрическими цилиндрическими отверстиями; может использоваться в подшипниковой промышленности и других отраслях машиностроения РФ; является дальнейшим развитием зажимного патрона для оболочек и дисков по заявке РФ №2008147565(062249) от 02.12.2008 г.
Известны зажимные элементы зажимных патронов для крепления деталей по цилиндрическим отверстиям, выполненным в виде кулачков специального профиля, тарельчатых пружин, сложенных торцами или пакетами, упругих двухсторонних шайб, упругих цанг специальных конструкций и профилей и т.д. с ручным и механизированным приводами. Указанные зажимные элементы широко освещены и описаны в большом количестве научной и технической литературе, технической и патентной документации, приведенных заявителем в отчете-справке к указанной выше заявке. В материалах описания этой заявки изложены основные недостатки препятствующие их использованию для непосредственного закрепления конических и цилиндрических оболочек, дисков по соосному цилиндрическому отверстию. В этой же заявке приводится краткое описание зажимного элемента зажимного патрона для оболочек, дисков и др. подобных деталей.
Зажимной элемент заявленного зажимного патрона, принятого авторами за прототип, представляет собой сферическую тарелку радиуса R с бортом, образованным концентричным желобом радиуса r, разделенную радиальными прорезями - b - на ряд секторов. Наружный диаметр зажимного элемента имеет осевую насечку, а борт радиальную волнистость размером 1,5…3t, где t - номинальная толщина металла оболочек или дисков, для обеспечения расширения применения других толщин металла заготовок оболочек, дисков, унификации при закреплении их одним зажимным элементом с разными размерами диаметров отверстий. Жесткость зажимного элемента обеспечивают радиальными надрезами желоба. Такое исполнение зажимного элемента обеспечивает:
- возможность регулирования усилия закрепления;
- возможность расширения диапазона диаметров отверстий заготовок, закрепляемых одним зажимным элементом и унификацию;
- сокращение вспомогательного времени на установку и закрепление заготовок путем применения быстродействующих механизмов с пневматикой.
Недостатками зажимного патрона (прототипа) являются:
- отсутствие материалов по расчету, проектированию зажимного элемента зажимного патрона и его применению;
- повышенные затраты времени на проектирование и подготовку производства.
Техническим результатом предлагаемого технического решения является устранение отмеченных недостатков прототипа, а так же разработка материалов по проектированию зажимного элемента и практическому его использованию.
Эти результаты достигаются предложенными ниже материалами и поясняются эскизами, где представлены:
- на фиг.1, 3 соответственно оболочки конической и цилиндрической без борта и с бортом форм, виды в плане и размерах по оси;
- на фиг.2 размеры оболочек в разрезах по оси;
- на фиг.5 схема силового пневматического устройства одностороннего действия для закрепления заготовок;
- на фиг.4 конструкция ЗЭ, виды в плане и разрезе по оси;
- на фиг.6 расчетная схема ЗЭ, выполненная на базе оболочки реального сепаратора конического роликоподшипника 7614А-07 в масштабе 2:1 для создания материалов по проектированию ЗЭ, определения его исполнительных размеров;
- на фиг.7, 8 схемы подрезки торцов заготовок оболочек соответственно цилиндрических и конических;
c
- на фиг.9 а, 6, 10, соответственно расчетные схемы кольца, ограниченного диаметрами d, d'c, толщиною металла t и эпюра напряжений.
- на фиг.11 окна в оболочках.
На основе анализа научно-технической литературы для сокращения затрат времени на проектирование и подготовку производства, повышение удобств установки и закрепления заготовок оболочек, дисков исполнительные размеры ЗЭ назначают:
1
- по толщине металла элемента t=1…1,2 мм;
c
c
- по радиусу сферы тарелки R=0,4…0,5d мм;
3
c
- по наружному диаметру борта d=d-2…4 мм;
- по радиусу образования желоба r=3…6 мм;
- по углу а, образованному прямыми из точки сопряжения сферы с точкой внутреннего диаметра желоба и горизонтальной осью сферы до пересечения их с вертикальной осью ЗЭ, при этом
c
α=25° для 100<d<200 мм;
c
c
α=30° для d<100 мм, где d - диаметр цилиндрического отверстия дна оболочек или диаметр отверстия дисков;
- по радиальной волнистости борта, высотою 1,5…3 t, где t - толщина металла заготовки, а по остальным параметрам в каждом конкретном случае по конструктивным соображениям.
Разработка материалов по проектированию зажимного элемента (ЗЭ) произведена выводом расчетных зависимостей путем графоаналитического построения реальной конической оболочки-сепаратора конического роликоподшипника 7614А-07 и осуществляется в следующей последовательности:
1. Проектирование сферической тарелки зажимного элемента (ЗЭ) в исходном положении начинают с назначения размеров по конструкторским соображениям (см. фиг.6):
c
c
з
α=30°; d=100 мм, r=5 мм, ширина борта ef равна r=5 мм, зазор между внутренним диаметром отверстия оболочки d и наружным диаметром ЗЭ d=4 мм, а односторонний зазор δ=2 мм.
c
Для этого, в масштабе 2:1 прочертим две взаимноперпендикулярные прямые, из которых вертикальная является осью ЗЭ, а горизонтальная - осью диаметральных размеров ЗЭ. От точки пересечения прямых отложим отрезок на горизонтальной оси равный половине диаметра оболочки d, от которой отложим отрезки прямых в сторону оси ЗЭ равные, соответственно, зазору, ширине борта, диаметру желоба; из точки соответствующей внутреннему диаметру жолоба, отложим прямую под углом α=30° до пересечения с осью ЗЭ. Обозначим полученные точки - на горизонтальной оси - g, f, e, с, α, а на вертикальной оси а, b. Соединим точки b и с прямой, и получим прямоугольный треугольник dbc.
Для дальнейших расчетов и вывода формул воспользуемся известными теоремами:
- через три точки, не лежащие на одной прямой, можно провести только одну окружность;
- в прямоугольном треугольнике угол, образованный перпендикуляром из середины гипотенузы равен углу, составленному им с продолжением стороны наименьшего катета.
c
Далее: Из середины гипотенузы bc треугольника abc восстановим перпендикуляр до пересечения с вертикальной осью и рассмотрим полученный треугольник Obi; очевидно, что углы <bOi=<abc=<α, а точка О будет центром окружности cbc радиуса R.
Из Δabc: , откуда ab=ас·tgα,
но ; ;
По теореме Пифагора:
;
;
Из ΔObi: , откуда , но . Тогда
.
2. Определение величины осевого перемещения штока силового устройства после закрепления оболочек.
1
2
1
1
2
2
1
2
1
2
Для определения величины осевого перемещения штока закончим геометрическое построение фигуры 6, соединив прямыми точки 6-f и b-g, и из середины этих отрезков восстановим перпендикуляры до пересечения их с осью зажимного элемента (ЗЭ). Рассмотрим полученные прямоугольные треугольники abf, abg, bOk, bОМ; очевидно, что углы bfa, bOk и β равны, а также равны углы bga, bOM и β, а точки О и O соответственно центры окружностей радиусами R и R.
Из Δbfa: ; ,
откуда ;
; ;
1
Из ΔbOk: , откуда
;
Из Δbga:
; ;
;
1
Из ΔbOM: , откуда
;
очевидно, что осевое перемещение штока силового устройства выразится отрезком: .
3. Определение диапазона диаметров отверстий оболочек, закрепляемых одним зажимным элементом.
0
Предложенный зажимной элемент в поперечном разрезе по диаметру представляет собой двухрычажный усилитель, описанный в книге Болотина X.Л. и др.. Станочные приспособления, изд. 4-е, Машгиз, М. 1959, с.126…129. Из указанного источника известно, что ход ползуна h при закреплении заготовок определяется по формуле h=2/(1-cosα), где l - длина рычага, α - угол наклона рычага. Известно также, что во избежание деформации заготовок или приспособления практикой рекомендуется при проектировании приспособлений величину угла а ограничивать пятью градусами, т.е. α=5°. Тогда величина ограничения составит
0
h=2l·(1-cos5°)=2l·(1-0,9962)=2l·0,0038=0,0076l;
В нашем случае, указанный ход можно выразить формулами с учетом ограничения соответственно для углов α=25° и α=30°,
0
h=2l·(1-cos25°)-2l·(1-cos5°)=2l·(1-0,9063)-2l·(1-0,9962)=2l·0,0937-2l·0,0038=2l·0,0899=0,1798l≅0,18l
0
h=2l·(1-cos30°)-0,076l=2l·(1-0,866)-0,0076·l=0,268l-0,0076l≅0,26l
В нашем случае (фиг.6) длиной рычага l является отрезок прямой - bf.
Из Δabf:
;
1
/
/
tg 30°=0,5774; β=21°39; sin 21°39=0,3689; ,
;
; .
o
c
Тогда h=0,26=0,26·51,64=13,42 мм; а зажимной элемент для оболочки 7614А-07 можно использовать для крепления других оболочек в диапазоне диаметров отверстий d от 100 до 109,5 мм:
1c
з
0
c
o
d=d+h=d-2δ+h=100-2·2+13,42≅109,5 мм.
4. Определение радиальной силы закрепления.
зак
р
z
зак
р
р
зак
c
c
c
Рассмотрим схему (фиг.7) подрезки торцов заготовок цилиндрических оболочек. Очевидно, что момент закрепления М должен быть больше момента резания М, создаваемого вертикальным усилием резания P, стремящегося повернуть заготовку вокруг ее оси, т.е. М>М, но , а . Разделим М на М, тогда , т.е. отношение момента резания к моменту закрепления равно отношению ее диаметра заготовки D, с учетом толщины металла заготовки D+2t, к диаметру отверстия заготовки d.
1
Тогда радиальная сила закрепления Т с учетом коэффициента сцепления заготовки с зажимным элементом всухую µ будет выражена формулой для цилиндрической оболочки.
2
, где k=2 - коэффициент запаса.
. (см. Денежный П.М. и др. Токарное дело. изд. 4-е, Высшая школа, М. 1979 с.166) То же для конической оболочки (фиг.8).
Из Δаbс: ;
; .
.
5. Определение осевых усилий, создаваемых силовым пневмо-устройством с учетом коэффициента усиления.
Из научно-технической литературы известны материалы по шарнирно-рычажным усилителям для закрепления заготовок деталей с применением пневматики одностороннего и двустороннего действия. В нашем случае применяется пневмопривод одностороннего действия (см. фиг.5).
Остановимся на рассмотрении схемы силового пневматического устройства одностороннего действия (фиг.5) и его работе. Устройство состоит из вращающегося пневмоцилиндра 1 с встроенном в него комплектом тарельчатых или цилиндрических пружин сжатия 2, соединенных с поршнем штоком 3; арматура для управления и контроля создаваемого усилия F содержит влагоотделитель 4, регулятор давления 5 с манометром 6; маслораспылитель 7, распределительный кран 8 и воздуховод 9. При подаче сжатого воздуха в пневмоцилиндр поршень со штоком перемещается влево ежимая пружины 2, деформируя зажимной элемент 10 и закрепляет оболочку 11. после обработки оболочки (перфорирования или подрезки торца) поворотом рукоятки 8 распределительного крана из пневмоцилиндра сбрасывается воздух, пружины 2 распрямляются, перемещая шток 3 вправо и освобождают оболочку 11.
2
1
Сила на штоке пневмопривода может быть рассчитана по формуле: Р=0,785·D·p·η-P, а с учетом коэффициента полезного действия, принимаемого ориентировочно η≅0,85 (см. Болотин Х.Л. и др., Станочные приспособления, изд. 4-е, М., Машгиз, 1959, с.81) или
2
1
Р=0,667·D·р-Р.
В нашем случае зажимной элемент в диаметральном разрезе представляет собой усилитель с двумя разноплечими рычагами; длина наибольшего рычага l представлена в фиг.6 отрезком прямой bn, а наименьший рычаг отрезком nf=2r.
Из Δbnu: , ;
, тогда
;
3
β=arctg 0,6328=32°20'; , sin 32°20'=0,5349;
тогда .
Коэффициент повышения осевого усилия F будет равен , а осевое усилие определено формулой:
3
1
3
2
F=P·k=(0,667·D·p-P)·k, H, где
D - диаметр поршня в мм;
р - давление сжатого воздуха в МПа;
1
P - сопротивление пружины при рабочем положении привода в Н.
6. Расчет предельного усилия закрепления оболочек
Предлагаемый расчет обеспечивает качество обработки оболочек без разрушения, искажения формы и размеров усилиями зажима.
c
Расчеты предельного усилия зажима для оболочек приняты для поперечных сечений ограниченных диаметрами d,  и толщиной металла t (фиг.1, 2) по номинальным размерам. Для упрощения в расчетах не учитываются:
- допуски на размеры;
- утонение металла при вытяжке оболочек в штампах;
- наличие на наружных и внутренних диаметрах круглых или плоских фасок;
- наличие в оболочках N-ого количества окон в форме трапеции, квадрата, прямоугольника, круга и других форм (см. фиг.11);
- трение желоба о поверхности скольжения в выточке корпуса патрона, смазанные тугоплавкой смазкой ЦИАТИМ-201.
Расчетная схема тонкого кольца с учетом указанных ограничений показана на фиг.9.
1. Приближенный расчет предельного усилия зажима кольца, нагруженного равномерно распределенной нагрузкой р по цилиндрической поверхности отверстия в дне закрепляемой оболочки (фиг.9а).
z
Кольцо имеет постоянную толщину t. Нагрузка параллельна его средней плоскости и равномерно распределена по толщине. Будем считать кольцо тонким и вследствие этого напряжение по его толщине не изменяется, а в направлениях, параллельных оси, вообще отсутствует (σ=0).
В такой постановке задача определения напряженно-деформированного состояния в кольце относится к плоской задаче теории упругости, а именно к задаче о плоском напряженном состоянии.
Получаем разрешающееся уравнение в полярной системе координат. Вырежем элемент кольца двумя меридианальными плоскостями, угол между которыми в средней плоскости равен dθ и двумя цилиндрическими поверхностями радиусами r и r+dr (фиг.9б).
Приравнивая нулю сумму проекций всех сил на ось х, совпадающую с биссектрисой угла dθ, получаем уравнение равновесия в следующем виде
r
θ
Уравнение (1) содержит два неизвестных напряжения σ и σ. Для их определения, придерживаясь общего плана решения в статически неопределяемых задачах, рассмотрим еще геометрическую и физическую стороны задачи. Соотношение Коши для этой осесимметричной задачи в полярной системе координат имеет вид [2]:
Закон Гука в случае двустороннего растяжения в полярной системе координат:
где µ - коэффициент Пуассона.
Подставляя (2) в (3), получаем:
Подставляя выражения (4) в (1), получаем линейное дифференциальное уравнение второго порядка (уравнение Эйлера):
Записав это уравнение в виде: ,
и интегрируя его по r последовательно 2 раза, найдем общее решение уравнения:
Подставляя решение (6) в формулу (4), получим:
r
1
r
2
r
Постоянные интегрирования А и В находим из условий для σ на внутренней и наружной боковой поверхности кольца. На внутренней поверхности (r=r) эти напряжения равны внутреннему давлению, т.е. σ=-р, а на наружной поверхности (r=r)-σ=0.
Для определения А и В, согласно (7) получим два уравнения:
;
.
Решая эти уравнения относительно А и В, найдем, что
;
.
Используя эти значения постоянных интегрирования, получим формулы для определения радиального перемещения и напряжений (формулы Ляме):
.
r
θ
Напряжения σ всюду сжимающие, a σ - растягивающие.
r
θ
Суммируя (9) и (10), получим: σ+σ=const.
r
θ
1
Наибольшие значения σ и σ будут у внутренней поверхности кольца при r=r: ; ,
1
2
где k=r/r.
Радиальное перемещение у внутренней поверхности (увеличение внутреннего радиуса), будет равно:
.
Напряжения и перемещения у наружной поверхности кольца определяются по формулам:
; ; .
r
θ
1
2
Эпюры напряжений σ и σ при k=r/r=0,5 показаны на фиг.10.
Для записи условия прочности используем III-ю теорию прочности:
σ
=σ
-σ
≤[σ].
эквIII
1
3
1
θ
3
r
2
В данном случае σ=σ; σ-σ, σ=0.
Получим для точки на внутренней поверхности: σ
=σ
-σ
=2p/(1-k
≤[σ]. Предельное давление зажима [р] будет равно:
эквIII
θ
r
2
, МПа,
T
где , σ - предел текучести в МПа, [n] - нормативный
1
2
коэффициент запаса прочности. А предельное усилие зажима определяется из выражения: [Р]=А[р], Н, где A=2×π×r×t, мм - площадь цилиндрической поверхности отверстия; подставив значения площади цилиндрического отверстия в формулу предельного усилия зажима получим:
После внесения в формулу (11) обозначений, принятых для оболочек по рис.2 формула примет вид:
c
где , t, d,  в мм.(13)
Пример
c
c
c
T
c
z
2
Коническая оболочка - сепаратор конического однорядного роликоподшипника 7614А-07 с исходными размерами D=127,8 мм, t=3 мм, d=100 мм, =108,73 мм, β=11°57' из стали 08КП по ГОСТ 1050-88 с σ=196 Н/мм и назначенными размерами радиуса и шириной борта равными r=5 мм, диаметром желоба равным 2r=10 мм, α=30°; δ=2 мм. Основными Заявитель считает - определение радиуса сферы тарелки R, предельного усилия закрепления заготовок [Р], радиальной силы закрепления Т через вертикальное усилие резания Р.
- радиус тарелки определяют по формуле:
2
tg30°=0,5774; tg30°=0,333; sin30°=0,5.
- предельное усилие закрепления оболочки:
; ;
; где n - нормативный коэффициент запаса прочности.
z
- радиальная сила закрепления оболочкичерез вертикальное усилие резания P
;
c
2
cosβ=соs11°57'=0,9815; k - коэффициент запаса, равный 2.
.
0,75
0,75
Mpz
γpz
сожpz
S=0,1=0,1778; (резец с пластиной твердого сплава Т15К6 с углами φ=90°; γ=+12°; k=0,83; k=1; k=1,05 (всухую без охлаждения)).
Сравнение предельного усилия закрепления [Р] с радиальным усилием закрепления Т показывает, что назначенные режимы резания для подрезки торца оболочки занижены и имеется возможность их увеличения для повышения производительности. Когда Т>[Р] назначенные режимы необходимо пересмотреть в сторону их снижения во избежание искажения формы, размеров оболочек или разрушение их усилиями закрепления.
Все остальные зависимости, как-то, для контроля качества наладки и переналадки, усилия, создаваемого пневмоустройством и др., являются вспомогательными и заявитель не счел необходимым приводить их в качестве примера.
Результаты сравнения геометрического построения с расчетами по зажимному элементу к зажимному патрону для оболочки-сепаратора конического роликоподшипника 7614А-07 приводятся в табл.1.
Пример конкретного исполнения:
Авторами заявленного технического решения:
- закончены работы по разработке материалов к расчетам, проектированию и использованию зажимного элемента на практике;
- продолжены лабораторные работы по испытаниям опытного образца зажимного элемента с ориентировочными сроками окончания в IV кв. 2010 г.
По мнению авторов использование патентуемых материалов по расчету размеров и проектированию зажимного элемента в зажимных патронах для обработки оболочек в подшипниковой промышленности, а дисков и оболочек на других предприятиях машиностроения РФ сократит затраты времени на проектирование и подготовку производства вдвое.
Внедрение возможно на заводах Европейской подшипниковой корпорации - Московском подшипнике (МП), Волжском подшипниковом заводе (ВПЗ) - Самарском подшипниковым заводе (СПЗ).
Результаты
c
c
c
c
'
Сравнения геометрического построения с расчетами по зажимному элементу к зажимному патрону для оболочки (сепаратора однорядного конического роликоподшипника 7614А-07) с номинальными размерами заготовки в мм по фиг.1: D=127,8; d=100; d =108,73; t=3; β=11°57'
Таблица
Параметры зажимного элемента
Размеры параметров в мм
Примечания
Геометрическим построением
расчетом
ab
~19,5
19,05
Параметры, принятые по конструкторским соображениям:fg=2 мм, ef=r=5 мм, еc=2r=10 мм,α=30°
ас
~33,5
33
af
48
48
ag
50
50
bf
52
51,64
bg
53,5
53,45
ef
5
5
еc
10
10
bi
~19,5
19,05
bk
26
25,82
bm
~27
26,72
bc
39
38,21
β<sub>1</sub>°
-
21°39'
β<sub>2</sub>°
-
20°53'
Ob=R<sub>c</sub>
~38,5
38,1
O<sub>1</sub>b=R<sub>1</sub>
~69,5
70,03
O<sub>2</sub>b=R<sub>2</sub>
75,5
~75
O<sub>1</sub>O<sub>2</sub>=h<sub>2</sub>
~5,7
5
bn=l
-45,5
44,96
β<sub>3</sub>°
-
32°20'
Расчетная схема фиг.6 в М 2:1.