к.т.н., доц..Павліченко П.О.

Національний технічний університет України

‘’Київський політехнічний інститут’’

УДОСКОНАЛЕННЯ САМОЦЕНТРІВНИХ ЧОТИРИКУЛАЧКОВИХ ТОКАРНИХ ПАТРОНІВ

В машинобудуванні існує безліч деталей з двома взаємоперпендикулярними площинами симетрії, які визначають положення поверхонь, що обробляється. Якщо така деталь має циліндричні поверхні , віссю яких є лінія перетину площин симетрії, як, наприклад , показано на рис.1, то, при токарній обробці, такі деталі доцільно установлювати в самоцентрівному чотирикулачковому патроні, що забезпечить найкращу схему базування.

В традиційних конструкціях самоцентрівних чотирикулачкових патронів застосовується механічне замикання силових механізмів, центруючі деталі яких контактують між собою в точках або по лінії, що приводить до швидкого зносу цих деталей і, як наслідок, до втрати точності центрування. Тому удосконалення самоцентрівних чотирикулачкових токарних патронів залишається актуальним.

Авторами запропонована конструкція самоцентрівного чотирикулачкового токарного патрона з пневматичним силовим замиканням центруючих механізмів. Схема патрона показана на рис.2. Кожна пара кулачків 1 і 2 центрується клиновими механізмами 3 і 4, які мають протилежні нахили кутів клинів і приводяться в дію двома незалежними один від одного поршнями 5 і 6. При подачі стислого повітря через пневмомуфту 7 і канали корпуса циліндра в міжпоршневу порожнину, поршні переміщаються в протилежних напрямках і через двоскосі клини , установлені на штоках поршнів, кожна пара кулачків патрона центрує і закріплює заготовку.

Відпрацьоване повітря з правої штокової порожнини поршня 5 через отвори ‘’б’’ і ‘’c’’ в штоках поршнів відводиться в ліву безштокову порожнину поршня 6 і через пневмомуфту видаляється з пневмоциліндра.

При розкріпленні заготовки стисле повітря через пневмомуфту і канали в штоках поступає в ліву без штокову і праву штокову порожнини пневмоциліндра, переміщаючи поршні назустріч один одному.

Силу Qст., необхідну для надійного закріплення заготовки , визначають наближено з умови її статичної рівноваги під дією всіх сил і їх моментів прикладених до заготовки при обробленні. В розрахунковій схемі бажано врахувати обґрунтовані спрощуючі припущення та розглядати найгіршу, з точки зору надійності закріплення, мить дії збурюючих сил і моментів.

Рис.1. Деталь, що оброблюється

Рис. 2 - Схема чотирикулачкового самоцентрівного токарного патрона

Сумарна сила закріплення заготовки однією парою кулачків Q від одного поршня пневмоциліндра (Рис.2), в кулачкових клинових патронах визначається співвідношенням:

, (1)

Де W – сила на штоці одного поршня пневмоциліндра;

k1 – коефіцієнт, що враховує додаткові сили тертя в патроні (k1 = 1,05);

a – виліт кулачка від середини направляючого паза до центра прикладання сили затиску заготовки одним кулачком Q/2;

b – довжина направляючої кулачка;

f – коефіцієнт тертя між направляючою поверхнею кулачка і пазом корпуса патрона;

- кут нахилу клина;

- кут тертя в клиновій парі патрона (= 5 … 6).

Сумарна сила закріплення заготовки всіма кулачками патрона, що розглядається:

Qсум. = 2 Q. (2)

При відомій силі закріплення заготовки одною парою кулачків Q, сила на штоці поршня пневмоциліндра визначається із співвідношення (1)

(3)

З іншого погляду силу, яку розвиває один поршень, при подачі стислого повітря в міжпоршневу порожнину ( рис .2) можна обчислити за формулою:

, (4)

де D – діаметр поршня пневмопривода;

d – діаметр штока поршня 6;

Р – тиск повітря в пневмоприводі;

- ККД пневмопривода (=0,8).

Порівнявши праві частини залежностей (3) і (4), отримаємо, після перетворень, формулу для розрахунку діаметра пневмоциліндра

, (5)

Аналіз перспектив розвитку металообробки свідчить, що вже в теперішній час рівень техніки та розвиток металорізального інструмента дозволяють здійснювати токарну обробку деталей середніх діаметрів на частотах обертання шпинделя верстата 8 … 12 тис. об/хв. При таких частотах виникають значні відцентрові сили незрівноважених мас кулачків патрона, які істотно впливають на сили закріплення заготовок.

Для компенсації дії відцентрових сил в швидкісних токарних патронах застосовуються спеціальні механізми. Відсутність таких механізмів в патронах обмежує впровадження швидкісної токарної обробки деталей.

Варто відмітити, що при закріпленні заготовок в кулачковому патроні по зовнішній поверхні, відцентрові сили кулачків зменшують сумарну силу закріплення. За даними фірми FORKARDT падіння початкової сили закріплення заготовок по зовнішній поверхну в патронах без компенсації відцентрових сил кулачків, при максимальних частотах обертання, регламентованих технічним паспортом патрона, може досягти 60 %.

Динамічна сила закріплення заготовки під час її оброблення в умовах, що розглядаються, визначається за формулою

Qдин = Qст – Fц, (6)

де Qст статична сила закріплення, що визначається з умови статичної рівноваги заготовки, при її закріпленні; з урахуванням сил різання:

Fц – відцентрова сила кулачка

, (7)

G – вага кулачка, Н;

R – радіус центра ваги кулачка, м;

n – частота обертання патрона, .

Для зменшення впливу відцентрової сили кулачків, необхідно зменшувати їх вагу. Але для надійного закріплення заготовок в межах граничних частот обертання патрона з урахуванням падіння сили затиску Q, необхідно упереджено збільшити статичну силу Qст до упередженоі сили Qo.

Розрахункова схема упередженої початкової сили затиску Qо показана на рис.3.

Рис.3. Схема для розрахунку початкової сили Qо

Так як криві падіння сили закріплення Q при різних значеннях сили різання та при інших однакових умовах являють собою сімейство паралельних кривих, то можна записати (рис.3)

Qо = Qст +Q, (8)

Q = Qст – Qдин, (9)

Підставивши рівняння (9) в (8), отримаемо:

Qо =2 Qст -Qдин, (10)

З погляду авторів, падіння сили затиску Q обумовлене не лише відцентровою силою кулачкі, воно також суттєво залежить від співвідношення жорсткостей заготовки і затискного механізма. Крім того, на нього впливає сила різання Рz, приведена до осі патрона, яка один раз на кожному оберті патрона співпадає за напрямком з відцентровою силою кожного кулачка, що додатково впливає на силу закріплення заготовки. Нажаль ці обставини не враховуються в розширеній формулі (6). Тому, ймовірно, необхідні дослідження впливу і інших факторів на фактичну силу закріплення заготовок в кулачкових патронах в сучасному машинобудуванні при швидкісній обробці деталей.