Зажимной элемент зажимного патрона для оболочек и дисков

Предполагаемое изобретение относится к области зажимных устройств при механической обработке деталей машиностроения - оболочек конической и цилиндрической формы с цилиндрическими отверстиями в дне, в частности, при изготовлении сепараторов конических и цилиндрических роликоподшипников, металлических корпусов уплотнений манжетного типа, тонких дисков. Для повышения производительности путем снижения вспомогательного времени на установку и снятие заготовок за счет быстродействующих механизмов на основе пневматики, сокращения номенклатуры и трудоемкости изготовления, расширения диапазона закрепляемых заготовок одним зажимным элементом, улучшения безопасных условий работы, зажимной элемент выполняют в форме сферической тарелки определенного радиуса с бортом, образованным концентричным желобом, разделенной радиальными прорезями на ряд секторов, управляемой осевой деформацией ее силовым пневмоустройством; предложена методика расчета зажимного элемента, сокращающего сроки проектирования и подготовку производства вдвое. иллюстраций - 6

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 1,53t, 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;

- на фиг.9 а, 6, 10, соответственно расчетные схемы кольца, ограниченного диаметрами d_c, 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:

- по толщине металла элемента t₁=11,2 мм;

- по радиусу сферы тарелки R _c=0,40,5d_c мм;

- по наружному диаметру борта d₃=d_c-24 мм;

- по радиусу образования желоба r=36 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

=25° для 100<d_c<200 мм;

=30° для d_c<100 мм, где d_c - диаметр цилиндрического отверстия дна оболочек или диаметр отверстия дисков;

- по радиальной волнистости борта, высотою 1,53 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):

=30°; d_c=100 мм, r=5 мм, ширина борта ef равна r=5 мм, зазор между внутренним диаметром отверстия оболочки d_c и наружным диаметром ЗЭ d_з=4 мм, а односторонний зазор =2 мм.

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_c, 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 =30° до пересечения с осью ЗЭ. Обозначим полученные точки - на горизонтальной оси - g, f, e, с, , 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.

Далее: Из середины гипотенузы bc треугольника abc восстановим перпендикуляр до пересечения с вертикальной осью и рассмотрим полученный треугольник Obi; очевидно, что углы <bOi=<abc=<, а точка О будет центром окружности cbc радиуса R _c.

Из abc: , откуда ab=ас·tg,

но ; ;

По теореме Пифагора:

;

;

Из Obi: , откуда , но . Тогда

.

2. Определение величины осевого перемещения штока силового устройства после закрепления оболочек.

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, bO₁k, bО₂М; очевидно, что углы bfa, bO₁k и ₁ равны, а также равны углы bga, bO₂ M и ₂, а точки О₁ и O₂ соответственно центры окружностей радиусами R₁ и R₂.

Из bfa: ; ,

откуда ;

; ;

Из bO₁k: , откуда

;

Из bga:

; ;

;

Из bO₁M: , откуда

;

очевидно, что осевое перемещение штока силового устройства выразится отрезком: .

3. Определение диапазона диаметров отверстий оболочек, закрепляемых одним зажимным элементом.

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.126129. Из указанного источника известно, что ход ползуна h при закреплении заготовок определяется по формуле h₀ =2/(1-cos), где l - длина рычага, - 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. =5°. Тогда величина ограничения составит

h₀=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 =25° и =30°,

h₀=2l·(1-cos25°)-2l·(1-cos5°)=2l·(1-0,9063)-2l·(1-0,9962)=2l·0,0937-2l·0,0038=2l·0,0899=0,1798l0,18l

h₀=2l·(1-cos30°)-0,076l=2l·(1-0,866)-0,0076·l=0,268l-0,0076l0,26l

В нашем случае (фиг.6) длиной рычага l является отрезок прямой - bf.

Из abf:

;

tg 30°=0,5774; ₁=21°39^/; sin 21°39 ^/=0,3689; ,

;

; .

Тогда h_o=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_c от 100 до 109,5 мм:

d_1c=d_з+h₀=d_c-2+h_o=100-2·2+13,42109,5 мм.

4. Определение радиальной силы закрепления.

Рассмотрим схему (фиг.7) подрезки торцов заготовок цилиндрических оболочек. Очевидно, что момент закрепления М_зак должен быть больше момента резания М_р, создаваемого вертикальным усилием резания P _z, стремящегося повернуть заготовку вокруг ее оси, т.е. М_зак>М_р, но , а . Разделим М_р на М_зак, тогда , т.е. отношение момента резания к моменту закрепления равно отношению ее диаметра заготовки D_c, с учетом толщины металла заготовки D_c+2t, к диаметру отверстия заготовки d_c.

Тогда радиальная сила закрепления Т с учетом коэффициента сцепления заготовки с зажимным элементом всухую µ₁ будет выражена формулой для цилиндрической оболочки.

, где k₂=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 аbс: ;

; .

.

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.

Сила на штоке пневмопривода может быть рассчитана по формуле: Р=0,785·D²·p·-P₁, а с учетом коэффициента полезного действия, принимаемого ориентировочно 0,85 (см. Болотин Х.Л. и др., Станочные приспособления, изд. 4-е, М., Машгиз, 1959, с.81) или

Р=0,667·D ²·р-Р₁.

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 bnu: , ;

, тогда

;

₃=arctg 0,6328=32°20'; , sin 32°20'=0,5349;

тогда .

Коэффициент повышения осевого усилия F будет равен , а осевое усилие определено формулой:

F=P·k ₃=(0,667·D²·p-P₁)·k ₃, H, где

D - диаметр поршня в мм;

р - давление сжатого воздуха в МПа;

P₁ - 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.

Расчеты предельного усилия зажима для оболочек приняты для поперечных сечений ограниченных диаметрами d_c, 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).

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 (_z=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 d и двумя цилиндрическими поверхностями радиусами r и r+dr (фиг.9б).

Приравнивая нулю сумму проекций всех сил на ось х, совпадающую с биссектрисой угла d, получаем уравнение равновесия в следующем виде

Уравнение (1) содержит два неизвестных напряжения _r и . 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:

Постоянные интегрирования А и В находим из условий для _r на внутренней и наружной боковой поверхности кольца. На внутренней поверхности (r=r₁) эти напряжения равны внутреннему давлению, т.е. _r=-р, а на наружной поверхности (r=r₂ )-_r=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):

.

Напряжения _r всюду сжимающие, a - растягивающие.

Суммируя (9) и (10), получим: _r+=const.

Наибольшие значения _r и будут у внутренней поверхности кольца при r=r ₁: ; ,

где k=r₁/r₂.

Радиальное перемещение у внутренней поверхности (увеличение внутреннего радиуса), будет равно:

.

Напряжения и перемещения у наружной поверхности кольца определяются по формулам:

; ; .

Эпюры напряжений _r и при k=r₁/r₂=0,5 показаны на фиг.10.

Для записи условия прочности используем III-ю теорию прочности:

_эквIII=₁-₃[].

В данном случае ₁=; ₃-_r, ₂=0.

Получим для точки на внутренней поверхности: _эквIII=-_r=2p/(1-k²[]. Предельное давление зажима [р] будет равно:

, МПа,

где , _T - предел текучести в МПа, [n] - нормативный

коэффициент запаса прочности. А предельное усилие зажима определяется из выражения: [Р]=А[р], Н, где A=2××r₁×t, мм² - 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:

где , t, d_c, в мм.(13)

Пример

Коническая оболочка - сепаратор конического однорядного роликоподшипника 7614А-07 с исходными размерами D_c=127,8 мм, t=3 мм, d_c=100 мм, =108,73 мм, _c=11°57' из стали 08КП по ГОСТ 1050-88 с _T=196 Н/мм² и назначенными размерами радиуса и шириной борта равными r=5 мм, диаметром желоба равным 2r=10 мм, =30°; =2 мм. Основными Заявитель считает - определение радиуса сферы тарелки R_c, предельного усилия закрепления заготовок [Р], радиальной силы закрепления Т через вертикальное усилие резания Р_z.

- радиус тарелки определяют по формуле:

tg30°=0,5774; tg²30°=0,333; sin30°=0,5.

- предельное усилие закрепления оболочки:

; ;

; где n - нормативный коэффициент запаса прочности.

- радиальная сила закрепления оболочкичерез вертикальное усилие резания P_z

;

cos_c=соs11°57'=0,9815; k₂ - коэффициент запаса, равный 2.

.

S^0,75=0,1^0,75 =0,1778; (резец с пластиной твердого сплава Т15К6 с углами =90°; =+12°; k_Mpz=0,83; k_pz=1; k_сожpz=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

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 _c=127,8; d_c=100; d^'_c=108,73; t=3; _c=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,=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
1°	-	21°39'
2°	-	20°53'
Ob=Rc	~38,5	38,1
O 1b=R1	~69,5	70,03
O2 b=R2	75,5	~75
O1O 2=h2	~5,7	5
bn=l	-45,5	44,96
3°	-	32°20'

Расчетная схема фиг.6 в М 2:1.

1. Зажимной элемент зажимного патрона для оболочек и дисков, выполненный в виде сферической тарелки с бортом, образованным концентричным желобом, разделенной радиальными прорезями на ряд секторов, и предназначенный для закрепления заготовок цилиндрических или конических оболочек по соосному цилиндрическому отверстию в дне или дисков путем деформации сферической тарелки осевым усилием, отличающийся тем, что он выполнен со следующими исполнительными размерами для изготовления:

по толщине металла элемента t₁=11,2 мм;

по радиусу сферы тарелки R_c=0,40,5d_c;

по наружному диаметру борта d ₃=d_с-24 мм;

по радиусу образования желоба r=36 мм;

по углу , образованному прямыми из точки сопряжения сферы с точкой внутреннего диаметра желоба и горизонтальной осью сферы до пересечения их с вертикальной осью сферы, при этом

=25° для 100<d_c<200 мм;

=30° для d_c100 мм, где d_c - диаметр цилиндрического отверстия дна оболочек или диаметр отверстия дисков;

- по радиальной волнистости борта, высотою 1,53t, где t - толщина металла заготовки оболочки или диска.

2. Зажимной элемент зажимного патрона по п.1, отличающийся тем, что радиус сферической тарелки определен по формуле:

,

где 3r - радиус образования желоба с шириной борта в радиальном направлении, мм;

- односторонний зазор между диаметром отверстия заготовки d_c и наружным диаметром зажимного элемента d_з в исходном положении.

3. Зажимной элемент зажимного патрона по п.1, отличающийся тем, что диапазон диаметров отверстия закрепляемых заготовок одним зажимным элементом определен по формулам:

d_c=d₃+h₀ мм, где h_o - ход или осевое перемещение штока зажимного патрона;

h₀=0,18·l для заготовок с 100<d_c <200 мм;

h₀=0,26·l для заготовок с d _c100 мм;

l - длина прямой, соединяющей средние точки сферы тарелки на ее оси с точкой на наружном диаметре зажимного элемента в исходном положении.