Эксцентриковые зажимные устройства. Зажим из дерева своими руками. Расчет эксцентриковых зажимов

Простые в изготовлении, обладающие большим коэффициентом усиления, достаточно компактные эксцентриковые зажимы, являясь разновидностью кулачковых механизмов, обладают еще одним, несомненно, главным своим преимуществом – быстродействием.

Рабочую поверхность кулачка чаще всего выполняют в виде цилиндра с окружностью или спиралью Архимеда в основании. В данной статье речь пойдет о более распространенном и более технологичном в изготовлении круглом эксцентриковом зажиме.

Размеры стандартизованных кулачков эксцентриковых круглых для станочных приспособлений приведены в ГОСТ 9061-68. Эксцентриситет круглых кулачков в этом документе задан равным 1/20 от наружного диаметра для обеспечения условия самоторможения во всем рабочем диапазоне углов поворота при коэффициенте трения 0,1 и более.

На рисунке ниже показана расчетная геометрическая схема механизма зажима. К опорной поверхности прижимается фиксируемая деталь в результате поворота за рукоятку эксцентрика против часовой стрелки вокруг жестко закрепленной относительно опоры оси.

Показанное положение механизма характеризуется максимально возможным углом α , при этом прямая, проходящая через ось вращения и центр окружности эксцентрика перпендикулярна прямой, проведенной через точку контакта детали с кулачком и точку центра наружной окружности.

Если повернуть кулачок на 90° по часовой стрелке относительно изображенного на схеме положения, то между деталью и рабочей поверхностью эксцентрика образуется зазор равный по величине эксцентриситету e . Этот зазор необходим для свободной установки и снятия детали.

РАСЧЕТНЫЕ ФОРМУЛЫ

Находим угол трения (°) "деталь - эксцентрик":

φ 1 = arctg (f 1) ,

где,
f 1 - коэффициент трения "деталь - эксцентрик";
0,15 - значение коэффициента трения «деталь - эксцентрик» соответствующее случаю «сталь по стали без смазки».

Находим угол трения (°) "ось - эксцентрик":

φ 2 = arctg (f 2) ,

где,
f 2 - коэффициент трения "ось - эксцентрик";
0,12 - значение коэффициента трения «ось - эксцентрик» соответствующее случаю «сталь по стали со смазкой».

Уменьшение трения в обоих местах повышает силовую эффективность механизма, но уменьшение трения в области контакта детали и кулачка ведет к исчезновению самоторможения.

Находим максимальный угол (°) кругового клина:

α = arctg (2 · e / D) ,

где,
e - эксцентриситет кулачка, мм;
для обеспечения самоторможения на стальных поверхностях желательно выполнять условие: D/e>15.
В ГОСТ 9061-68: D/e=20.
D - диаметр эксцентрика, мм.

Тогда радиус-вектор (мм) точки контакта будет равен:

R = D / (2 · cos (α)) ,

А расстояние от оси эксцентрика до опоры (мм) соответственно будет:

А = s + R · cos(α) ,

где,
s - толщина зажимаемой детали, мм.

Условием самоторможения является выполнение соотношения:

e ≤ R · f 1 + d/2 · f 2 ,

Если условие выполняется – самоторможение обеспечивается.

Усилие зажима (Н) можно найти по формуле:

F = P · L · cos (α) / (R · tg (α + φ 1) + d/2 · tg (φ 2)) ,

где,
P - усилие на рукоятке, Н;
L - длина рукоятки, мм.

Коэффициент передачи силы равен:

k = F / P

Выбранное для расчетов и изображенное на схеме положение эксцентрикового зажима является самым «невыгодным» с точки зрения самоторможения и выигрыша в силе. Но выбор такой не случаен. Если в таком рабочем положении рассчитанные силовые и геометрические параметры удовлетворяют разработчика, то в любых иных положениях эксцентриковый зажим будет обладать еще большим коэффициентом передачи силы и лучшими условиями самоторможения.

Уход при проектировании от рассмотренного положения в сторону уменьшения размера A при сохранении без изменений прочих размеров приведет к уменьшению зазора для установки детали.

Увеличение размера A может создать ситуацию при износе в процессе эксплуатации эксцентрика и значительных колебаниях толщины s , когда зажать деталь окажется просто невозможно.

Материалом для изготовления кулачка ГОСТ 9061-68 рекомендует использовать износостойкую поверхностно-цементированную сталь 20Х с поверхностной твердостью 56...61 HRC на глубине 0,8...1,2 мм. Но на практике эксцентриковый зажим выполняют из самых разнообразных материалов в зависимости от назначения, условий эксплуатации и располагаемых технологических возможностей.

Используя небольшую таблицу в MS Excel , созданную на основе этих формул, можно научиться быстро и просто определять главные параметры зажимов для кулачков из любых материалов, только нужно не забывать изменять в исходных данных значения коэффициентов трения.

В примере, показанном на скриншоте, по заданным размерам эксцентрика и силе, приложенной к рукоятке, определяется монтажный размер от оси вращения кулачка до опорной поверхности с учетом толщины детали, проверяется условие самоторможения, вычисляются усилие зажима и коэффициент передачи силы.

Данный файл с расчетом можно найти на сайте www.al-vo.ru.

Похожие документы:

ГОСТ 12189-66 - Приспособления станочные. Кулачки эксцентриковые. Конструкция;
ГОСТ 12190-66 - Приспособления станочные. Кулачки эксцентриковые сдвоенные. Конструкция;
ГОСТ 12191-66 - Приспособления станочные. Колодки эксцентриковые вильчатые. Конструкция;
ГОСТ 12468-67 - Эксцентрики двухопорные. Конструкция.

Они являются самыми быстродействующими из всех ручных зажимных механизмов. По быстродействию они сравнимы с пневмозажимами. Эксцентрики работают по принципу клина.

Применяются две конструктивных разновидности эксцентриков – круговые и криволинейные. Круговые эксцентрики представляют собой диск или валик со смещённой осью вращения. Они получили наибольшее распространение, так как просты в изготовлении. У криволинейных эксцентриков профиль очерчен по архимедовой или логарифмической спирали.

Недостатки эксцентриковых зажимов:

Малая величина рабочего хода, ограниченная величиной эксцентриситета.

Непостоянство силы зажима в партии заготовок при закреплении круговым эксцентриком.

Повышенная утомляемость рабочего, обусловленная свойством.

Неприменимость при наличии ударной работы или работе с вибрациями из-за опасности самооткрепления.

Несмотря на эти недостатки, эксцентриковые зажимы широко применяются в приспособлениях, особенно для мелкосерийного и серийного производства. Это объясняется простотой конструкции, невысокой стоимостью изготовления и высокой их производительностью.

Непостоянство силы зажима кругового эксцентрика связано с неравномерностью угла подъёма криволинейного клина. Круговой эксцентрик удовлетворительно зажимает заготовку при рабочих углах поворота β=30…130 . Даже при таких углах поворота сила зажима колеблется по величине на 20…25%.

Практикой установлено, что хорошо работают эксцентрики, у которых R/е 7. Они обеспечивают достаточный ход при угле поворота β в пределах 135 и обеспечивают самоторможение эксцентрика.

Криволинейные эксцентрики обеспечивают постоянство силы зажима, так как угол подъёма у них постоянный. Но эти эксцентрики сложны в изготовлении и поэтому применение их ограничено.

Расчёт силы зажима

Силу зажима круговым эксцентриком с достаточной для практических расчётов точностью можно определить, заменив действие эксцентрика действием плоского односкосого клина с углом α в зазоре между цапфой и поверхностью заготовки. Схема такой замены и сил, действующих на эксцентрик и фиктивный клин, приведены на рис 4.79.

Рис. 4.79. Схема сил, действующих на эксцентрик и фиктивный клин

На схеме сила W 1 - сила, действующая на плоскость зажима РР под углом α. Вдоль плоскости зажима действует сила Т=W 1 α. Эту силу можно рассматривать как внешнюю, действующую на клин КСР с углом α. Используя формулу для расчёта плоского односкосого клина, можно записать:

Силу W 1 можно определить, рассмотрев равновесие эксцентрика:

Так как , то .

Подставим значение W 1 в формулу (1) и опустим α как величину близкую к единице при малых углах α:

где R 1 и α – переменные величины.

Исходными данными для расчета основных размеров круглого эксцентрика (рис. 8.3) являются: δ - допуск на размер заготовки от ее установочной базы до места приложения силы закрепления, мм; α- угол поворота эксцентрика от нулевого (начального) положения; Q - сила закрепления заготовки, Н.

Рис. 8.3. Эксцентриковые зажимы:

А - дисковый эксцентрик, б -эксцентрик с Г-образным прихватом

Если угол поворота эксцентрика не ограничен, то

2е =s 1 +d+s 2 +

где s 1 - зазор для свободного ввода заготовки под эксцентрик; s 2 - запас хода эксцентрика, предохраняющий его от перехода через мертвую точку (учитывает износ эксцентрика); J - жесткость зажимного устройства, Н/мм.

Последний член формулы характеризует увеличение расстояния между эксцентриком и заготовкой в результате упругой деформации зажимной системы. При s 1 = 0,2÷0,4 мм и s 2 = 0,4÷0,6 мм

е = +(0,3÷0,5) мм

Если угол поворота α значительно меньше 180°,

е = (8.4)

Радиус цапфы эксцентрика (мм) найдем, принимая ширину d ;

r = Q /2bσ см, (8.5)

где σ см - допускаемое напряжение на смятие (15-20 МПа).

При b = 2r

Радиус эксцентрика R находим из условий самоторможения. Из схемы действующих на эксцентрик сил (рис. 8.4, а) следует, что равнодействующая Т реакции Q и силы трения F должна быть равна реакции со стороны цапфы, проходящей касательно, кругу трения радиуса ρ, и направлено противоположно ей:

где j = угол трения покоя.

При е ≤ р R min = е + r + Δ, где Δ - толщина перемычки (рис. 8.4, б).

Рис. 8.4. Схема для силового расчёта эксцентриков

Радиус ρ круга трения определяем из равенства ρ = f"r, где f " -коэффициент трения покоя в цапфе. Величины j и f " следует брать по наименьшему пределу. Для полусухих поверхностей можно принимать j = 8° и f " = 0,12÷0,15.

Угол поворота α 1 (см. рис. 8.4, а )для наименее выгодного положения эксцентрика найдем по формуле α 1 = 90° - j.

Ширину рабочей части эксцентрика В определим из формулы

σ=0,565

где σ-допускаемое напряжение в месте контакта эксцентрика с заготовкой. Для закаленной стали можно принимать σ = 800÷1200 МПа; Е 1 E 2 - модули упругости соответственно материалов эксцентрика и соприкасающегося с ним элемента (промежуточной детали или заготовки), МПа; µ 1 , µ 2 - коэффициенты Пуассона для материалов эксцентрика и соприкасающегося с ним элемента.

При E 1 =E 2 =E и µ 1 =µ 2 = 0,25 получим

откуда (при R в мм)

B= 0,17 мм. (8.6)

Размеры эксцентрика е, r, R и В согласовывают с ГОСТом.

Для установления зависимости между силой закрепления Q и моментом на рукоятке эксцентрика в конце закрепления заготовки воспользуемся схемой, показанной на рис. 8.4, б. В процессе закрепления на эксцентрик действуют три силы: сила на рукоятке N, реакция заготовки Т и реакция цапфы S. Под действием этих сил система находится вравновесии. Реакция Т представляет собой равнодействующую силы Q исилы трения F. Сумма моментов всех действующих сил относительно оси поворота эксцентрика

Nl - Qe sin α" - fQ (R - е cos α") - Sρ = 0,

где f - коэффициент трения между эксцентриком и заготовкой.

Сила S мало отличается по величине от нормальной силы Q. Приняв S» Q, получим момент на рукоятке эксцентрика

Nl = Q [fR + ρ + e (sin α" +f cos α")].

Для упрощения полученного выражения примем:

1) fR = tg jR »sin jR (при j= 6° погрешность меньше 1 %);

2) выражение sin α" +f cos α" заменим sin (α" +j) (погрешность 1 %). После подстановок получим

Nl=Q (8.7)

Учитывая выражение для R, получим

Nl = eQ. (8.8)

По этой формуле момент Nl находят с точностью до 10 %.

Перемещение точки касания эксцентрика с плоскостью при его повороте на угол α от начального положения (рис. 8.5, a)

х = е - с = е - е cos α = е (1 - cos α).

Рис. 8.5. Схемы для расчета перемещения точки контакта эксцентрика с плоскостью при его повороте

На рис. 8.5 б показано изменение х от α. Учитывая, что

x =s 1 +d+ ,

cos α = 1- ; α "=180 o -α

Подставляя найденное значение α " в формулу (8.8), можно выразить момент на рукоятке эксцентрика через исходные величины.

Расчёт клиновых зажимов

Клиновые зажимыприменяют в качестве промежуточного звена в сложных зажимных системах. Они просты в изготовлении, компактны, легко размещаются в приспособлении, позволяют увеличивать и изменять направление передаваемой силы. При определенных углах клиновой механизм обладает свойствами самоторможения. Для наиболее распространенного в приспособлениях односкосного клина (рис. 8.6, а) при действии сил под прямым углом имеем следующую зависимость, полученную из силового многоугольника:

. . (8.9)

При знаке минус в формуле имеем зависимость для открепления клина. Самоторможение происходит при α < φ 1 + φ 2 . Если φ 1 = φ 2 .= φ 3 = φ. то зависимость упрощается:

Рис. 8.6. Действие сил в клиновом механизме:

а - с углом 90°; б - с углом более 90°

При передаче сил под углом β > 90° (рис. 8.6, б )зависимость между Pи Q из силового многоугольника имеет вид (при 90 + α > β)

Если угол трения постоянен и равен φ, то

.

Расчёт рычажных зажимов

Рычажные зажимыаналогично клиновым применяют в сочетании с другими элементарными зажимами, образуя более сложные зажимные системы. С помощью рычага изменяют величину и направление передаваемой силы, осуществляют одновременное и равномерное закрепление заготовки в двух местах.

Простой в изготовлении, обладающий большим коэффициентом усиления, достаточно компактный эксцентриковый зажим, являющийся разновидностью кулачковых механизмов, обладает еще одним, несомненно, главным своим преимуществом...

...– мгновенным быстродействием. Если для того, чтобы «включить – выключить» винтовой зажим часто необходимо сделать минимум пару оборотов в одну сторону, а затем в другую, то при использовании эксцентрикового зажима достаточно повернуть рукоятку всего на четверть оборота. Конечно, по усилию зажима и величине рабочего хода превосходят эксцентриковые, но при постоянной толщине закрепляемых деталей в серийном производстве применение эксцентриков чрезвычайно удобно и эффективно. Широкое использование эксцентриковых зажимов, например, в стапелях для сборки и сварки малогабаритных металлоконструкций и элементов нестандартного оборудования существенно повышает производительность труда.

Рабочую поверхность кулачка чаще всего выполняют в виде цилиндра с окружностью или спиралью Архимеда в основании. Далее в статье речь пойдет о более распространенном и более технологичном в изготовлении круглом эксцентриковом зажиме.

Размеры кулачков эксцентриковых круглых для станочных приспособлений стандартизованы в ГОСТ 9061-68*. Эксцентриситет круглых кулачков в этом документе задан равным 1/20 от наружного диаметра для обеспечения условия самоторможения во всем рабочем диапазоне углов поворота при коэффициенте трения 0,1 и более.

На рисунке ниже изображена геометрическая схема механизма зажима. К опорной поверхности прижимается фиксируемая деталь в результате поворота за рукоятку эксцентрика против часовой стрелки вокруг жестко закрепленной относительно опоры оси.

Показанное положение механизма характеризуется максимально возможным углом α , при этом прямая, проходящая через ось вращения и центр окружности эксцентрика перпендикулярна прямой, проведенной через точку контакта детали с кулачком и точку центра наружной окружности.

Если повернуть кулачок на 90˚ по часовой стрелке относительно изображенного на схеме положения, то между деталью и рабочей поверхностью эксцентрика образуется зазор равный по величине эксцентриситету e . Этот зазор необходим для свободной установки и снятия детали.

Программа в MS Excel:

В примере, показанном на скриншоте, по заданным размерам эксцентрика и силе, приложенной к рукоятке, определяется монтажный размер от оси вращения кулачка до опорной поверхности с учетом толщины детали, проверяется условие самоторможения, вычисляются усилие зажима и коэффициент передачи силы.

Значение коэффициента трения «деталь — эксцентрик» соответствует случаю «сталь по стали без смазки». Величина коэффициента трения «ось — эксцентрик» выбрана для варианта «сталь по стали со смазкой». Уменьшение трения в обоих местах повышает силовую эффективность механизма, но уменьшение трения в области контакта детали и кулачка ведет к исчезновению самоторможения.

Алгоритм:

9. φ 1 =arctg (f 1 )

10. φ 2 =arctg (f 2 )

11. α =arctg (2*e /D )

12. R =D/ (2*cos (α ))

13. A =s +R *cos (α )

14. e ≤ R *f 1 + (d /2) * f 2

Если условие выполняется – самоторможение обеспечивается.

15. F = P * L * cos (α )/(R * tg (α +φ 1 )+(d /2)* tg (φ 2 ))

1 6 . k = F /P

Заключение.

Выбранное для расчетов и изображенное на схеме положение эксцентрикового зажима является самым «невыгодным» с точки зрения самоторможения и выигрыша в силе. Но выбор такой не случаен. Если в таком рабочем положении рассчитанные силовые и геометрические параметры удовлетворяют разработчика, то в любых иных положениях эксцентриковый зажим будет обладать еще большим коэффициентом передачи силы и лучшими условиями самоторможения.

Уход при проектировании от рассмотренного положения в сторону уменьшения размера A при сохранении без изменений прочих размеров приведет к уменьшению зазора для установки детали.

Увеличение размера A может создать ситуацию при износе в процессе эксплуатации эксцентрика и значительных колебаниях толщины s , когда зажать деталь окажется просто невозможно.

В статье умышленно ничего не упоминалось до сих пор о материалах, из которых можно изготовить кулачки. ГОСТ 9061-68 рекомендует для повышения долговечности использовать износостойкую поверхностно-цементированную сталь 20Х. Но на практике эксцентриковый зажим выполняют из самых разнообразных материалов в зависимости от назначения, условий эксплуатации и располагаемых технологических возможностей. Представленный выше расчет в Excel позволяет определять параметры зажимов для кулачков из любых материалов, только нужно не забывать изменять в исходных данных значения коэффициентов трения.

Если статья оказалась Вам полезной, а расчет нужным, Вы можете оказать поддержку развитию блога, сделав перевод небольшой суммы на любой (в зависимости от валюты) из указанных кошельков WebMoney: R377458087550, E254476446136, Z246356405801.

Уважающих труд автора прошу скачивать файл с расчетной программой после подписки на анонсы статей в окне, размещенном в конце статьи или в окне наверху страницы!

Зажимы эксцентриковые просты в изготовлении по этой причине нашли широкое применение в станочных приспособлениях. Применение эксцентриковых зажимов позволяет значительно сократить время на зажим заготовки но усилие зажима уступает резьбовым.

Эксцентриковые зажимы выполняются в сочетании с прихватами и без них.

Рассмотрим эксцентриковый зажим с прихватом.

Эксцентриковые зажимы не могут работать при значительных отклонениях допуска (±δ) заготовки. При больших отклонениях допуска зажим требует постоянной регулировки винтом 1.

Материалом применяемом для изготовления эксцентрика являются У7А, У8А с термообработкой до HR с 50....55ед, сталь 20Х с цементацией на глубину 0,8... 1,2 С закалкой HR c 55...60ед.

Рассмотрим схему эксцентрика. Линия KN делит эксцентрик на дв? симметричные половины состоящие как бы из 2 х клиньев, навернутых на «начальную окружность».

Ось вращения эксцентрика смещена относительно его геометрической оси на величину эксцентриситета «е».

Для зажима обычно используется участок Nm нижнего клина.

Рассматривая механизм как комбинированный состоящий из рычага L и клина с трением на двух поверхностях на оси и точки «m» (точка зажима), получим силовую зависимость для расчёта усилия зажима.

где Q - усилие зажима

Р - усилие на рукоятке

L - плечо рукоятки

r -расстояние от оси вращения эксцентрика до точки соприкосновения с

заготовкой

α - угол подъёма кривой

α 1 - угол трения между эксцентриком и заготовкой

α 2 - угол трения на оси эксцентрика

Во избежание отхода эксцентрика во время работы необходимо соблюдать условие самоторможение эксцентрика

где α - угол трения скольжения в точке касания заготовки ø - коэффициент трения

Для приближённых расчётов Q - 12Р Рассмотрим схему двухстороннего зажима с эксцентриком

Клиновые зажимы

Клиновые зажимные устройства нашли широкое применение в станочных приспособлениях. Основным элементом их является одно, двух и трёхскосые клинья. Использование таких элементов обусловлено простотой и компактностью конструкций, быстротой действия и надёжностью в работе, возможностью использования их в качестве зажимного элемента, действующего непосредственно на закрепляемую заготовку, так и качестве промежуточного звена, например, звена-усилителя в других зажимных устройствах. Обычно используются самотормозящиеся клинья. Условие самоторможения односкосого клина выражается зависимостью

α > 2ρ

где α - угол клина

ρ - угол трения на поверхностях Г и Н контакта клина с сопрягаемыми деталями.

Самоторможение обеспечивается при угле α = 12°, однако для предотвращения того чтобы вибрации и колебания нагрузки в процессе использования зажима не ослабли крепления заготовки, часто применяют клинья с углом α <12°.

Вследствие того, что уменьшение угла приводит к усилению

самотормозящих свойств клина, необходимо при конструировании привода к клиновому механизму предусматривать устройства, облегчающие вывод клина из рабочего состояния, так как освободить нагруженный клин труднее, чем вывести его в рабочее состояние.

Этого можно достичь путём соединения штока приводного механизма с клином. При движении штока 1 влево он проходит путь «1» в холостую, а затем ударяясь в штифт 2, запрессованный в клин 3, выталкивает последний. При обратном ходе штока так же ударом в штифт заталкивает клин в рабочее положение. Это следует учитывать в случаях, когда клиновой механизм приводится в действие пневмо или гидроприводом. Тогда для обеспечения надёжности работы механизма следует создавать разное давление жидкости или сжатого воздуха с разных сторон поршня привода. Это различие при использовании пневмоприводов может быть достигнуто применением редукционного клапана в одной из трубок, подводящих воздух или жидкость к цилиндру. В случаях, когда самоторможение не требуется, целесообразно применять ролики на поверхностях контакта клина с сопряжёнными деталями приспособления, тем самым облегчается ввод клина в исходное положение. В этих случаях обязательно стопорение клина.