ОПРАВКА С РАЗРЕЗНОЙ ЦАНГОЙ
CUT-COLLET ARBOR

Изобретение относится к станкостроению и может быть использовано в качестве станочного приспособления для механизированного закрепления заготовок.
Известны приспособления (патроны и оправки) с цангами, разрезанными пазами с одного их торца, см. Станочные приспособления: Справочник. 2-ой том / Под ред. Б.Н.Вардашкина и В.В.Данилевского. - М.: Машиностроение, 1984, с.177-179. Эти приспособления имеют особенность контакта с заготовкой - контакт осуществляется в локальных областях узкого кольцевого пояска. Отсюда они не обеспечивают высокой точности при обработке заготовок и применяются чаще всего для закрепления протяженных заготовок или заготовок, полученных прокаткой.
Из известных технических решений наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является цанговая оправка, см. SU 1773579, В23В 31/40, 1992 г. Эта оправка состоит из корпусной детали, цанги и имеющего разрезную втулку устройства для перемещения цанги вдоль оси. Цанга с 2-х ее торцов разрезана продольными пазами одинаковой длины, которые оканчиваются отверстиями, необходимыми для свободного выхода инструмента при изготовлении цанги и снижения концентрации напряжений. Образующие цанги, на которых выполнены продольные пазы, начинающиеся с одного ее торца, не совпадают с образующими, на которых выполнены продольные пазы, начинающиеся с другого ее торца.
Цанга имеет наружную цилиндрическую базовую поверхность и внутренние цилиндрическую и две конические поверхности. С помощью конических поверхностей цанги, которые сопрягаются с коническими поверхностями корпусной детали и разрезной втулки, осуществляется ее деформация и выборка зазора (0,01-0,02 мм) между отверстием заготовки и цангой. Условно цангу можно разделить на кольцо, расположенное посередине цанги, и отходящие от него в обе стороны вдоль оси лепестки, на концах (посреди внутренних конических поверхностей цанги) которых приложены силы со стороны корпусной детали или разрезной втулки. Таким образом, каждый лепесток - это балка, которая с одной стороны защемлена, а с другой - нагружена изгибающей силой.
На разрезной втулке устройства для перемещения цанги вдоль ее оси выполнен специальный уступ, предназначенный для разжима цанги.
Устройство-прототип имеет следующие основные недостатки.
1. Цанговая оправка имеет очень малый разжим (0,01-0,02 мм), то есть базовое отверстие заготовки должно быть изготовлено с очень высокой точностью размера, что снижает ее технологические возможности. Причина этого кроется в конструкции лепестков (балок) цанги. Для консольной балки максимальный изгибающий момент приложен около защемления (заделки). Сечение лепестка (балки), в котором действует максимальный изгибающий момент, очень непрочное, так как имеет очень малую высоту и малую ширину. Высота сечения равна разности радиусов, больший из которых меньше радиуса наружной базовой цилиндрической поверхности цанги, а меньший равен радиусу внутренней цилиндрической поверхности цанги. Ширина сечения - это расстояние в поперечном сечении цанги между цилиндрическими поверхностями отверстий, которыми заканчиваются соседние пазы. Напряжения от изгиба лепестка обратно пропорциональны высоте в квадрате и ширине в первой степени.
2. Точность обработки цанговой оправки снижают следующие факторы.
а) Небольшое количество лепестков с каждого торца цанги из-за их низкой прочности. Наибольшую точность обработки заготовки можно получить, если иметь ее осесимметричный зажим, для чего разрезные цанги должны иметь как можно большее количество лепестков.
б) Большая часть заготовки находится на консоли справа от места зажима ее цангой. Отсюда прогибы этой части заготовки от сил резания будут большими, что приведет к погрешности размера и к погрешности формы обработанных (наружной цилиндрической и торцовой) поверхностей заготовки. Уменьшить указанную консольную часть заготовки нельзя, так как заявляемая оправка имеет большие осевые габариты.
3. Неизвестно, какими, самотормозящими или несамотормозящими, являются углы конических поверхностей цанги и сопрягаемых деталей. Если несамотормозящими, то специальный уступ на разрезной втулке устройства для перемещения цанги вдоль ее оси не имеет смысла. Если самотормозящими, то разжим цанги будет сопровождаться ударными нагрузками между специальным уступом разрезной втулки и цангой. Чтобы смягчить ударную нагрузку устройство для перемещения цанги вдоль ее оси обычно снабжают упругим, демпфирующим элементом.
Задачей изобретения является расширение технологических возможностей и повышение точности обработки оправок с разрезными цангами.
Поставленная задача достигается тем, что оправка с разрезной цангой снабжена корпусом, имеющим предназначенное для установки с возможностью осевого перемещения цилиндрического участка вала отверстие, соосно последнему - наружную коническую поверхность и элементы для крепления к шпинделю станка, на валу выполнены элементы для соединения с механизированным приводом, а пазы цанги, выполненные с одного ее торца, расположены на тех же образующих, что и пазы, выполненные с другого торца цанги. Причем на внутренней цилиндрической поверхности цанги выполнены кольцевые утолщения, два из которых - у торцов цанги, а одно - посередине длины цанги, на одном кольцевом утолщении у торца цанги расположена ее внутренняя коническая поверхность, на другом кольцевом утолщении у торца цанги выполнена предназначенная для сопряжения с конической поверхностью корпуса дополнительная внутренняя коническая поверхность с теми же размерами, что и основная, а на кольцевом утолщении, расположенном посередине цанги, - цилиндрическое отверстие. При этом углы конусов конических поверхностей цанги - несамотормозящие, а наибольшие диаметры указанных поверхностей расположены на их пересечении с торцами цанги.
Изобретение поясняется прилагаемым чертежом, на котором показан разрез заявляемой оправки с разрезной цангой. На чертеже не показаны элементы крепления корпуса оправки к шпинделю станка, а также элементы вала для соединения с механизированным приводом. Штрихпунктирной линией на чертеже условно показан контур кольцевой заготовки.
Оправка с разрезной цангой, см. чертеж, состоит из корпуса 1, имеющего отверстие «А» и соосно ему коническую поверхность «Б», вала 2 с соосными цилиндрическим участком «В» и коническим участком «Г» и разрезной цанги 3. Вал 2 цилиндрическим участком «В» входит в отверстие «А» корпуса 1 с возможностью осевого перемещения.
Цанга 3 (см. чертеж) по N образующим, которые равномерно расположены по окружности, прорезана с противоположных ее торцов пазами «Д» равной длины, заканчивающимися отверстиями «Е», диаметр которых d. Вдоль оси цанги расстояние между осями отверстий «Е» составляет l.
1
2
Цанга (см. чертеж) имеет наружную цилиндрическую базовую поверхность «Ж» и внутреннюю цилиндрическую поверхность «И», на которой у торцов цанги выполнены кольцевые утолщения «К», а посередине цанги - утолщение «Л». На утолщениях «К» выполнены конические поверхности «Б» и «Г» с одинаковыми размерами. Наибольшие диаметры D конических поверхностей располагаются на их пересечениях с торцами цанги, а наименьшие диаметры D с противоположной стороны конических поверхностей. Утолщение «Л» протяженностью L вдоль оси цанги имеет цилиндрическое отверстие «М», диаметр которого D.
В корпусе 1, см. чертеж, установлены базовые торцовые упоры 4, количество которых обычно равно трем.
Работа оправки с разрезной цангой
В исходном положении вал 2 занимает крайнее правое положение, см. чертеж. При этом на цангу не действует нагрузка, и нет ее деформаций. Заготовка, которая на чертеже показана штрихпунктирными линиями, устанавливается на наружную цилиндрическую базовую поверхность цанги и базируется в осевом направлении по упорам 4.
Далее включается механизированный привод, который тянет с осевой силой вал 2 влево, см. чертеж. На конических поверхностях «Б» и «Г» осевая сила от привода преобразуется в радиальные силы, действующие на утолщения «К» цанги. Цанга, деформируясь, закрепляет заготовку в двух кольцевых сечениях по торцам цанги. Расчетная модель цанги состоит из жесткого расположенного в середине цанги кольца, в разные стороны от которого отходят лепестки. Указанное кольцо для лепестков является заделкой, а нагрузка приложена на консоли лепестка на утолщении. Если число прорезей (лепестков цанги) N>12, то в каждом кольцевом сечении нагрузку закрепления заготовок можно считать осесимметричной.
Упоры 4, см. чертеж, могут быть закреплены в отверстиях корпуса, а могут быть и выдвижными. В первом случае можно обрабатывать наружную цилиндрическую поверхность и правый торец заготовки, а в последнем случае дополнительно можно обрабатывать и левый торец заготовки.
После обработки заготовки механизированный привод перемещает вал 2 вправо, см. чертеж. Нагрузка снимается, цанга разжимает заготовку.
Заявляемое устройство по сравнению с устройством-прототипом позволяет существенно расширить технологические возможности за счет закрепления заготовок с большими зазорами между их отверстиями и цангой. Это стало возможным, так как отверстия, которыми заканчиваются пазы цанги, расположены в среднем по длине цанги утолщении. Отсюда прочность лепестков в опасном по изгибу сечении с их заделкой существенно повысилась. Расчеты показали, что разжим цанги с обеспечением ее прочности более всего зависит от ее длины и наружного диаметра, толщины лепестков и количества пазов N и составляет 0,5-2 мм. При этом менее значимые для прочности цанги и ее разжима размеры можно назначить из следующих рекомендаций:
- расстояние вдоль образующей между осями отверстий пазов, выполненных с различных торцов цанги, l≈(2…2,5)·d (d - диаметр отверстия, которым заканчивается паз цанги);
- длина кольцевого утолщения, расположенного посередине цанги, L≈(4,5…5)·d;
2
2
- диаметр отверстия кольцевого утолщения, расположенного посередине цанги, D≈D (D - наименьший диаметр конических поверхностей цанги).
Заявляемое устройство по сравнению с устройством-прототипом имеет меньшие осевые габариты. Это обеспечивает более высокую точность при обработке заготовки, которая имеют меньшую по длине часть, расположенную консольно за пределами оправки. В заявляемом устройстве количество лепестков (пазов) может быть больше, чем в устройстве-прототипе, что способствует более осесимметричному зажиму заготовки и повышает точность.
В отличие от устройства-прототипа разжим заготовок в заявляемом устройстве осуществляется без ударов. Для этого угол конуса конических поверхностей цанги и сопрягаемых деталей несамотормозящий.