Расчёт сил зажима может быть сведен к решению задачи статики на равновесие твердого тела (заготовки) под действием системы внешних сил.
К заготовке с одной стороны приложены сила тяжести и силы, возникающие в процессе обработки, с другой – искомые зажимные силы и реакции опор. Под действием этих сил заготовка должна сохранить равновесие. При расчетах следует ориентироваться на такую стадию действия сдвигающих сил и моментов, при которой силы зажима получаются наибольшими.
Исходными данными для расчета сил зажима являются: схема базирования заготовки; величина, направление и место приложения сил возникающих при обработке; схема закрепления заготовки, т.е. направление и точка приложения зажимной силы.
Составление исходных данных для расчета необходимых сил зажима является важнейшим моментом проектирования зажимных механизмов, так как ошибка этого этапа может привести к созданию приспособления, не обеспечивающего надежное закрепление заготовки. Типовые схемы базирования рассмотрены в п. 2.1.
При обработке на заготовку могут действовать следующие силы.
Силы резания по величине, направлению и месту приложения являются переменными. При неустановившемся режиме (врезание и выход инструмента) величина сил резания изменяется. Известен, например, эффект возрастания крутящего момента при выходе сверла из отверстия. При установившемся режиме их величина также подвержена колебаниям из-за непостоянства припуска и физико-механических свойств материала обрабатываемых деталей, затупления инструмента и других причин. При некоторых видах обработки (строгание, долбление, точение прерывистых поверхностей и т. п.) силы резания представляют собой нагрузку ударного характера.
Силы резания рассчитывают по формулам теории резания металлов или выбирают по нормативам. Но с учетом сказанного выше при расчетах сил зажима силы резания увеличивают, вводя коэффициент запаса К и гарантируя тем самым надежность закрепления заготовки.
Этот коэффициент, кроме нестабильности сил резания учитывает еще ряд отклонений, возникающих при обработке, которые могут привести к увеличению действующих внешних сил. Он учитывает неоднородность качества материала заготовок, затупление режущих инструментов, изменения положений опорных реакций в результате отклонений в пределах допусков реальных технологических баз от геометрически правильной формы и т. д.
В зависимости от конкретных условий выполнения технологической операции значение К следует выбирать дифференцированно. Величину К можно определить как произведение первичных коэффициентов:
,
где К0 – гарантированный коэффициент запаса, (К0 =1,5);
К1 — учитывает состояние технологической базы (при черных базах К1 = 1,2, при чистых K1 = 1,0);
К2 - учитывает затупление инструмента;
K3 - учитывает ударную нагрузку на инструмент (при обработке прерывистых поверхностей Кз =1,2);
K4 - учитывает стабильность силового привода (при ручном приводе K4 = 1,3, при механизированном K4 = 1,0);
К5 - характеризует зажимные механизмы с ручным приводом (при удобном зажиме К5 = 1, при неудобном К5 =1,2);
К6 - учитывает определенность расположения опорных точек при смещении заготовки моментом сил. При установке на опоры с ограниченной поверхностью контакта (штыри, пластинки) K6 =1, при установке на опоры с неограниченной в пределах базы зоной контакта (опоры-шайбы) К6 = 1,5.
Вес заготовки учитывают при расчете сил зажима, когда заготовку помещают на вертикально или наклонно расположенные установочные элементы. Вес учитывают также при закреплении заготовки в поворотных или кантующихся приспособлениях. В процессе обработки вес заготовки изменяется, часто изменяется и положение ее центра тяжести (сборочной единицы при ее сборке). Это необходимо учитывать при расчетах сил зажима.
Центробежные силы возникают при смещении центра тяжести заготовки от оси ее вращения при обработке. Величина этих сил сопоставима с силами резания, особенно при скоростных методах обработки.
Инерционные силы возникают и имеют существенное значение, когда заготовка движется возвратно-поступательно или при быстром изменении скорости движения (например, при применении тормоза на скоростных станках токарной группы и т. п.). Центробежные и инерционные силы рассчитывают по известным формулам теоретической механики.
Силы трения в центрах, при выводе сверла и др. часто не учитывают из-за незначительности их величины по сравнению с другими силами.
Величина силы зажима в значительной степени зависит от ее направления. При выборе направления зажимной силы необходимо учитывать определенные правила.
1.Сила зажима должна быть направлена перпендикулярно поверхности установочных элементов, чтобы обеспечить контакт с ними технологической базы заготовки.
2.При базировании по нескольким базовым поверхностям сила зажима должна быть направлена на тот установочный элемент, с которым заготовка имеет наибольшую площадь контакта.
3.Направление силы зажима должно совпадать с направлением веса заготовки; это облегчает работу зажимного устройства.
4.Направление силы зажима должно совпадать с направлением силы резания.
В практике редко можно выбрать направление силы зажима, удовлетворяющее всем правилам. В этих случаях необходимо искать оптимальные решения. При обработке легких заготовок в первую очередь следует учитывать силы резания, а при обработке тяжелых заготовок - их вес.
Выбору рационального направления силы зажима способствует введение упоров в силовую схему закрепления заготовки. Упоры воспринимают действующие на заготовку силы и позволяют уменьшить необходимую величину силы зажима или изменить ее направление. Упоры применяют в двух случаях:
1. В процессе обработки действуют большие силы сдвига, действующие параллельно поверхности установочных элементов. Например, на рис. 24, а ступенчатый вал 1 установлен на призмах 2. Сила резания Р действует параллельно плоскости призмы. Без осевого упора 3 для равновесия заготовки потребуется большая сила Q, которая может привести к смятию базовых поверхностей заготовки. При использовании осевого упора 3, воспринимающего силу резания, сила Q может быть значительно уменьшена, а при необходимости можно измени и направление на Q'.
2. При обработке без упора заготовка не имеет поверхности, способной воспринять силу зажима. Например (рис. 24, б), призматическую деталь обрабатывают сверху. Без упора единственно возможное направление силы зажима Q' не может быть осуществлено, так как вся верхняя плоскость должна быть обработана. Применение упора позволяет выбрать направление зажимной силы Q и надежно закрепить заготовку.
При выборе места приложения силы зажима надо следовать определенным правилам.
Сила зажима не должна опрокидывать или сдвигать заготовку по установочным элементам. Для этого необходимо, чтобы точка приложения силы зажима: а) проектировалась на установочный элемент по возможности ближе к его центру, или в многоугольник, образованный линиями, соединяющими установочные элементы (рис.24,б) лежала на участке поверхности заготовки, параллельной поверхности установочного элемента, воспринимающего силу зажима (рис.24,г).
Сила зажима с реакциями опор не должна создавать изгибающих моментов во избежание деформаций заготовки и появления погрешности закрепления (рис. 24,д).
Точка приложения силы зажима должна быть расположена ближе к месту обработки, особенно для нежестких заготовок.
Рис. 51(24). Выбор направления и точки приложение силы зажима
