Самоцентрирующие механизмы с гидропластмассой

Если в замкнутую полость приспособления поместить минеральное масло или пластическую массу (гидропластмассу) и воздействовать на них внешней силой, то возникает гидростатическое давление, которое по закону Паскаля действует на всю площадь полости. Это свойство жидких заполнителей используется при проектировании самоцентрирующих приспособлений, с упругой оболочкой в виде тонкостенной втулки. Радиальная упругая деформация втулки обеспечивает точное центрирование и зажим обрабатываемой детали.

Жидкие заполнители под высоким давлением (30 МПа и более) легко проникают в зазоры подвижных сопряжений и требуют надежных уплотнений. Поэтому получили применение гидропластмассы, удовлетво­ряющие двум основным требованиям:

1) не просачиваться в зазоры сопряжений, где не предусмотрены специальные уплотняющие устройства;

2) равномерно, без заметных потерь на трение, передавать давления на значительные расстояния.

В приспособлениях преимущественно используются три марки гидропластмасс: СМ, ДМ и МАТИ-1-4, представляющие собой соединения ряда химических элементов.

Обладая большой вязкостью, они не просачиваются в зазоры даже при значительных давлениях и в то же время почти равномерно передают давления на плунжеры и стенки втулок. Вместе с тем они не меняют своих свойств с течением времени, устойчивы в определенных интервалах тем­ператур и не вступают в химические реакции с металлом.

Полихлорвиниловая смола является основой массы. Она придает ей механическую прочность и большую вязкость. В то же время благо­даря наличию смолы гидропластмасса пластична, хорошо передает давление, не прилипает к стенкам, не изменяется с течением времени.

Дибутилфталат — бесцветная не летучая маслянистая жидкость, ис­пользуемая в качестве пластификатора; этот пластификатор дает в ком­позиции наиболее мягкие массы.

Стеарат кальция применяется в качестве стабилизатора ипредставляет собой нерастворимое в воде кальциевое мыло.

Для заполнения полостей центрирующих приспособлений (патроны, оправки) используется гидропластмасса марки СМ. На каждые 0.1МПа давления объем массы уменьшается на 0,5%. Момент начала просачивания гидропластмассы через зазоры в по­движных сопряжениях зависит от величины зазоров и давлений. Гидропластмасса СМ через зазоры 0,03;0,02 и 0,01 мм начинает просачиваться соответственно под давлениями 0.3, 0,4 и 0,45 МПа. Потери на трение при перемещении гидропластмассы приводят к неравномерности передачи давления. В самоцентриру­ющих приспособлениях с гидропластмассой СМ при передаче давления в кольцевую полость шириной 2...5 мм через один радиальный канал потери давления могут доходить до 15 %.

Патрон, изображенный на рис.3.17 , состоит из корпуса 1, закреп­ляемого на планшайбе, нажимного винта 2 с шестигранным отверстием под ключ, плунжера 3, центрирующей и зажимной тонкостенной втулки 6. Между корпусом и втулкой помещена гидропластмасса 7; винт 4 и конус­ная заглушка 5 прикрывают отверстие, через которое при заливке гидро­пластмассы из полости приспособления выхо­дит воздух.

При вращении винта 2 гидропластмасса деформирует, тонкостенную часть втулки 6. Втулка центрирует и зажимает закладываемую в патрон обрабатываемую деталь.

В оправке, изображенной на рис. 3.18, ги­дропластмасса 3 сжимается штоком-плунжером 1. Тонкостенная втулка 2 насажи­вается на корпус 5 в горячем состоянии с на­тягом и дополнительно закрепляется гайкой 6. Винт 4 ограничивает ход плунжера вправо и предохраняет втулку от возникновения в ней остаточных деформаций. В подобных конструк­циях необходимо также ограничивать и ход плунжера влево. Винты 7 закрывают отверстия для выхода воздуха при заливке.

При проектировании патронов и оправок с гидропластмассой рассчи­тываются:

1) параметры упругих тонкостенных втулок;

2) размеры нажимных винтов и плунжеров у приспособлений с ручным приводом;

3) размеры плунжеров, диаметр цилиндра и ход поршня у приспособ­лений с механизированным приводом. Введем обозначения (рис. 3.19):

D (R) — диаметр (радиус) установочной поверхности центрирующей втулки в мм;

l — длина тонкостенной части втулки в мм;

h — толщина тонкостенной части втулки в мм;

Т — ширина опорных поясков втулки в мм;

t — толщина опорных поясков в мм;

DD_доп — допустимая упругая деформация втулки (увеличение или уменьшение диаметра) в ее средней части в мм;

S_max — максимальный зазор между установочной поверхностью втулки и базовой поверхностью зажимаемой детали в сво­бодном состоянии в мм;

1_К —длина контактной зоны, т. е. участка упругой втулки, прилегающего к зажимаемой детали после деформации, в мм;

а — коэффициент, характеризующий длину контактной зоны,

р — гидростатическое давление в полости приспособления в МПа.

Диаметр D определяется из рабочего чертежа обрабатываемой детали. Длину l рекомендуется принимать равной длине базового отверстия детали или на 20—30% больше этой длины. Значение DD_доп определяется по формуле

, (3.16)

где s_y — предел текучести материала в МПа;

Е — модуль упругости в МПа;

k — коэффициент запаса прочности,

Для втулок с l > 0,3D обычно принимают k = 1,4. Тогда для хро­мистых сталей при s_y =850Мпа и Е = 2,09-10⁵ МПа получим DD_доп = 0.003D.

При деформации коротких втулок с l < 0,3D в зоне сопряжения их тонкостенной части с опорными поясками возникают сложные напряже­ния, создаваемые изгибающим моментом, и поэтому рекомендуется при­нимать k =2. Тогда для конструкционных сталей DD_доп = 0,002D.

При DD_доп > S_max механизм центрирует и зажимает деталь; при DD_доп = S_max происходит только центрирование; при DD_доп < S_max механизм применять нельзя.

Расчеты и практика показывают, что самоцентрирующие механизмы с упругой оболочкой можно применять для зажима деталей с базовыми поверхностями, обработанными по 7…9 квалитетам точности.

Толщина h тонкостенной части втулки определяется по формулам:

Для соотношения	При D = 10 ... 50 мм	При D = 50 ... 150 мм
	h = 0.015D + 0,5	h = 0,025D
	h = O.O1D+ 0,5	h = 0,02D
	h = 0,01D + 0,25	h = 0.015D

При D > 150 мм и l > 0,3D

; (3.17)

при D > 150 мм и l < 0,3D

, (3.18)

где р — гидростатическое давление в полости приспособления;

R — радиус установочной поверхности втулки.

Высота H полости под гидропластмассу вычисляется по формуле

. (3.19)

Половину высоты полости рекомендуется образовывать во втулке, а вторую половину — в корпусе приспособления.

Гидростатическое давление р (в МПа) в полости приспособления:

при l > 0.3D

; (3.20)

при l < 0.3D

, (3.21)

где .

Запас деформации i, обеспечивающий натяг при зажиме деталей представляет собой разность между допу­стимой деформацией втулки DD_доп и максимальным зазором S_mах в со­пряжении

. (3.22)

Длина 1_К контактной зоны зависит от отношения h/R и от коэффи­циента минимальной длины тонкостенной части втулки ε, значения кото­рых приводятся ниже:

h /R	0,01	0,02	0,03	0,04	0,05	0,06	0,07	0,08	0,09	0,1
ε	0,35	0,5	0,6	0,7	0,75	0,85	0,90	1,06	1,1	1,15

Если длина тонкостенной части втулки l < eR, то

. (3.23)

Если же l eR, то

, (3.24)

где

.

При S_mах = 0 1_к = l. С увеличением зазора 1_к уменьшается, а сле­довательно, уменьшается и надежность зажима. Для обеспечения точного центрирования и надежного крепления деталей необходимо соблюдать условие

, (3.25)

где а — коэффициент длины контакта.

Рис. 3.20. Конструкции тонкостенных втулок

На рис. 3.20 приведены типичные конструкции тонкостенных втулок для патронов (рис. 3.20, а, б) и оправок (рис. 3.20, в, г). Втулки с под­нутрением выполняют для увеличения длины l тонкостенной части; угол поднутрения b = 35...45°, радиус r ≥ h. В этом случае ширину опорного пояска несколько увеличивают и принимают T₁ = 1,25T. Полость вту­лок под гидропластмассу обрабатывается с шероховатостью Ra1,6; для снижения потерь на трение желательно ее полировать.

При большой длине обрабатываемых деталей и для деталей с проточ­кой в средней части базовой поверхности применяют центрирующую втулку (рис. 3.20, д) с пояском жесткости. Ширина К пояска выбирается конструктивно или в зависимости от ширины проточки К₁ детали, при­чем К < К₁, толщина t_п (0,75...0,9)t. Втулку с пояском жесткости можно рассматривать как состоящую из двух втулок. Рабочая длина каждой из них определяется расстоянием между опорным и промежуточ­ным поясками.

Расчет втулки с промежуточным пояском сводится к расчету втулки меньшей длины (втулки до пояска).

Сопряжение втулок с корпусом выполняется по посадке H7/p6 или H7/r6. За номи­нальный диаметр D установочной поверхности втулки патронов при­нимают наибольший, а втулки оправок — наименьший предельный диа­метр базовой поверхности обрабатываемой детали. Допуск (отклонения) на диаметр D обычно назначают по посадке H7/h7 или H7/f7.

Материал для изготовления втулок: при D < 40 мм — сталь 40Х; при D > 40 мм — сталь У7А.

Технические условия на изготовление втулок:

1) поверхности сопряжения обрабатываются с шероховатостью Ra0,63; полость втулки под гидропластмассу и каналы — с шерохо­ватостью Ra1,6;

2) допускаемая разностенность (тонкостенной части втулки) при D < 40 мм ±0,03 мм; при D > 40 мм ± 0,05 мм;

3) допускаемое биение установочной поверхности втулки относительно поверхности посадочных поясков и базовой поверхности приспособле­ния — не более 0,01 мм.

4) термическая обработка втулки из стали У7А до HRC 33...36, из стали 40Х — до HRC 35...40;

При установке патрона или оправки в приспособление необходимо вы­верять и устранять биение установочной поверхности втулки. Во время эксплуатации центрирующую втулку нельзя нагружать вхолостую.

Нажимной винт с плунжером образуют силовой узел приспособления (винт передает давление массе через плунжер). Если нет места для плун­жера, то в виде исключения применяют нажимные винты без плунжеров. В этом случае резьба винта выполняется по 1-му классу точности.

Диаметр d плунжера рассчитывается по формулам:

(3.27)   (3.28)   (3.29)

Обычно диаметр плунжера выбирают конструктивно в пределах d = 10...20 мм; длину рабочей поверхности плунжера принимают равной 1,8...2 диаметрам.

Материал для плунжеров — сталь 45, твердость HRC 40...45; для нажимных винтов — сталь 40 или 45, твердость HRC 35...40.

Сопряжение плунжера с отверстием в корпусе или промежуточной втулке — по посадке H7/h6. Для большей герметичности сопряжения часто плунжеры притирают по отверстию, обеспечивая зазор не более 0,01 мм, или изготовляют по посадке H6/f6. Винты и плунжеры силового узла следует выбирать наибольшего диаметра, допускаемого конструкцией.