Кулачок зажимного патрона Советский патент 1987 года по МПК B23B31/10 

Изобретение относится к станкостроению, а именно к устройствам для закрепления деталей на шпинделях токарных и шлифовальных станков.

Целью изобретения является повышение точности обработки путем стабилизации положения опоры в процессе резания.

На фиг. 1 показан кулачок в сборе; на фиг. 2 - вид А на фиг. 1; на фиг. 3 - разрез по Б-Б на фиг. 1, со стержнями прямополнена между серединой выпуклых сторон стержней.

Пары стержней 3, 4, и 7, 8 смещены от средней пары стержней 5, 6 вдоль оси ц на одинаковое и максимально допускаемое размерами опоры 2 расстояние. Равномерное расположение упругих в радиальном направлении стержней трех пар по длине и ширине опоры 2 кулачков патрона обеспечивает равномерное удельное давление опоугольного сечения; на фиг. 4 - то же, ю ры 2 кулачка на установочную поверхность

со стержнями круглого сечения; на фиг. 5 - то же, со Ьгержнями овального сечения; на фиг. 6 - то же, с ограничителем; на фиг. 7 - вид В на фиг. 6; на фиг. 8 - характеристика коэффициента жесткости упругих стержней.

15

детали, полное прилегание опорной поверхности опоры 2 к установочной поверхности детали и устранение погрешности базирования i, закрепления. При этом расположение плоскости г|оу симметрии упругих стержней под одинаковым острым углом, преимущественно под углом , к плоскости вращения патрона и поперечной плоскости zoy симметрии опоры 2 создает свойство упругой координатной связи по перемещениям в окружном и осевом направлениях концов упругих стержней 3-8, связанных с опорой 2 кулачка.

Кулачок к зажимному патрону содержит ползун 1 и опору 2 детали, связанные между собой тремя парами упругих в радиальном направлении у стержней 3-8, изогнутых Q по дуге окружности радиусом R. Продольные плоскости уох симметрии ползуна 1 и опоры 2 совмешены с осью х вращения патро- па, а перпендикулярные этой плоскости поперечные плоскости гоу симметрии опоры 2

детали, полное прилегание опорной поверхности опоры 2 к установочной поверхности детали и устранение погрешности базирования i, закрепления. При этом расположение плоскости г|оу симметрии упругих стержней под одинаковым острым углом, преимущественно под углом , к плоскости вращения патрона и поперечной плоскости zoy симметрии опоры 2 создает свойство упругой координатной связи по перемещениям в окружном и осевом направлениях концов упругих стержней 3-8, связанных с опорой 2 кулачка.

Размеры сечения (Ь h) упругих стержней 3-8, их длина t и величина зазора 2г Б средней части изогнутых стержней выбраны

и ползуна 1 совмещены в плоскости враще- 25 с возможностью упругих деформаций стерж30

40

ния патрона. Стержни 3-8 каждой пары выполнены одинаковой формы с одинаковыми размерами либо прямоугольного, либо круглого, либо овального сечения и т.п. Стержни 3-8 могут быть выполнены постоянного и монотонно уменьшающегося сечения от концов к их средней части. Между противоположно установленными стержнями, например между стержнями 5 и 6, может быть размещен ограничитель 9 прогиба средней части стержней, который выполняет также функцию ограничения радиаль- ного смещения опоры 2 относительно ползуна 1. При этом между выпуклой стороной стержней 5 и 6 и ограничителем 9 выполнен зазор 2г. Оси наибольшего главного момента инерции сечения стержней 3-8 в средней их части расположены под одинаковым острым углом относительно главной поперечной плоскости zoy симметрии опоры 2. При этом плоскостью Tjoy симметрии упругих стержней, в которой расположена главная ось г| инерции сечения всех трех пар стержней 3-8, расположена под одинаковым острым углом ф, преимущественно под углом , как к плоскости вращения патрона, так и к главной поперечной плоскости zoy симметрии опоры 2. Относительно плоскости rioy симметрии расположено одинаковое количество стержней. Стержни Зи4, 5и6, 7и8 расположены друг напротив друга попарно, обращены выпуклыми сторонами друг к другу и к плоскости Tjoy симметрии и установлены с зазором 2г между собой или с зазором г между стержнями и ограничителем 9. При этом наименьщая величина зазора 2г вы45

50

55

ней под воздействием силы закрепления и уменьшения коэффициента жесткости одних пар стержней и увеличения коэффициента жесткости третьей пары стержней с увеличением радиальной деформации стержней. Например, в кулачке установлено три пары стержней вдоль оси г симметрии. Стержни 3-8 изогнуты по дуге окружности с радиусом (фиг. 7), имеют начальный прогиб в средней их части Ifx ,05. размеры поперечного сечения b-h 30,8 мм и длину мм. При этом расстояние между серединой выпуклых стержней ,5 мм, а расстояние между ограничителем 9 и опорой составляет 2,7-3 мм. Форма предварительного изгиба стержней 3-8 по дуге окружности упрощает их расчет и изготовление, обеспечивает направленную поперечную упругую деформацию их средней части в .момент закрепления детали в направлении, перпендикулярном плоскости iqoy симметрии. На фиг. 8 показана зависимость коэффициента жесткости стержней 3-8, обращенных друг к другу выпуклой стороной и установленных между ползуном 1 и опорой 2 с наименьшим зазором 2г между серединой выпуклых сторон. Коэффициент жесткости упругих в радиальном направлении стержней изогнутой формы и.меет «мягкий характер в момент сближения опоры 2 с ползуном 1 за счет упругой деформации и сближения средней части каждой пары стержней 3 - 8 в пределах зазора 2г между ними. Наиболее низкая величина коэффициента жесткости имеет место при достижении критической силы закрепполнена между серединой выпуклых сторон стержней.

Пары стержней 3, 4, и 7, 8 смещены от средней пары стержней 5, 6 вдоль оси ц на одинаковое и максимально допускаемое размерами опоры 2 расстояние. Равномерное расположение упругих в радиальном направлении стержней трех пар по длине и ширине опоры 2 кулачков патрона обеспечивает равномерное удельное давление опо ры 2 кулачка на установочную поверхность

детали, полное прилегание опорной поверхности опоры 2 к установочной поверхности детали и устранение погрешности базирования i, закрепления. При этом расположение плоскости г|оу симметрии упругих стержней под одинаковым острым углом, преимущественно под углом , к плоскости вращения патрона и поперечной плоскости zoy симметрии опоры 2 создает свойство упругой координатной связи по перемещениям в окружном и осевом направлениях концов упругих стержней 3-8, связанных с опорой 2 кулачка.

Размеры сечения (Ь h) упругих стержней 3-8, их длина t и величина зазора 2г Б средней части изогнутых стержней выбраны

с возможностью упругих деформаций стерж

ней под воздействием силы закрепления и уменьшения коэффициента жесткости одних пар стержней и увеличения коэффициента жесткости третьей пары стержней с увеличением радиальной деформации стержней. Например, в кулачке установлено три пары стержней вдоль оси г симметрии. Стержни 3-8 изогнуты по дуге окружности с радиусом (фиг. 7), имеют начальный прогиб в средней их части Ifx ,05. размеры поперечного сечения b-h 30,8 мм и длину мм. При этом расстояние между серединой выпуклых стержней ,5 мм, а расстояние между ограничителем 9 и опорой составляет 2,7-3 мм. Форма предварительного изгиба стержней 3-8 по дуге окружности упрощает их расчет и изготовление, обеспечивает направленную поперечную упругую деформацию их средней части в .момент закрепления детали в направлении, перпендикулярном плоскости iqoy симметрии. На фиг. 8 показана зависимость коэффициента жесткости стержней 3-8, обращенных друг к другу выпуклой стороной и установленных между ползуном 1 и опорой 2 с наименьшим зазором 2г между серединой выпуклых сторон. Коэффициент жесткости упругих в радиальном направлении стержней изогнутой формы и.меет «мягкий характер в момент сближения опоры 2 с ползуном 1 за счет упругой деформации и сближения средней части каждой пары стержней 3 - 8 в пределах зазора 2г между ними. Наиболее низкая величина коэффициента жесткости имеет место при достижении критической силы закрепления РК, которой соответствует момент потери продольной устойчивости стержней, т.е.

Рк

Я ЕЛлиаП

(

10

20

25

30

где Е - модуль упругости;

п - количество стержней в кулачке,

Ллш(- наименьший момент инерции сечения стержня;

- коэффициент, учитывающий характер защемления концов каждого стержня 3-8.

Однако коэффициент жесткости упругих стержней резко возрастает, когда величина прогиба стержней в момент потери устой- чивости становится равной начальному зазору 2г между выпуклыми сторонами стержней и они вступают в контакт между собой или с ограничителем 9 перемещений. При этом практически исключается последующая упругая радиальная деформация стержней 3-8 и смещение опоры 2 кулачка в радиальном направлении у. Расположение плоскости симметрии стержней под одинаковым острым углом () к плоскости вращения патрона и поперечной плоскости zoy симметрии опоры 2 обеспечивает наиболее низкую жесткость и низкую собственную частоту опоры 2 кулачка с деталью, а также связанные перемещения опоры 2 с деталью в окружном и осевом направлениях при колебаниях. Изменение угла в ту или иную сторону умень- щает стабильность этой связи при вибрациях в процессе обработки. С уменьщением угла , например до , повыщает- ся жесткость упругих стержней в окружном направлении и уменьшается упругая координатная связь по перемещениям в окружном и осевом X направлениях. Это приводит к усилению связи в окружном и радиальном у направлениях, за счет чего повышается уровень изгибных колебаний и высота волнистости на обрабатываемой поверхности детали. С увеличением угла повышается жесткость стержней 3-8 в осевом направлении х. При этом ослабляется упругая связь перемещений опоры 2 с деталью при колебаниях в окружном и осевом направлениях, но возрастает связь между осевыми и радиальными перемещениями опоры 2, .за счет чего также повыщается уровень изгибнь1х колебаний при обработке и высота волнистости, т.е. повыщается погрешность обрабатываемой поверхности детали.

Предложенная конструкция кулачка для зажимного патрона, содержащая три пары изогнутых по дуге окружности упругих в

35

40

45

50

плоскости симметрии смежно расположенных стержней под одинаковым острым углом, преимущественно под углом , относительно плоскости вращения патрона и поперечной плоскости zoy симметрии опоры 2, обеспечивает равномерное давление опоры 2 кулачка на установочную поверхность детали, самоустановку опоры 2 в радиальном направлении у, уменьшение погрешности базирования и закрепления заготовки; снижение уровня изгибных колебаний опоры 2 с деталью и погрешности формы обрабатываемой поверхности детали за счет виброизоляционных свойств упругих стержней 3-8, обладающих «мягкой характеристикой жесткости, гашение автоколебаний вследствие создания упругой координатной связи по перемещениям опоры 2 с деталью в окружном и осевом направлениях и уменьшение волнистости на детали; уменьшение упругих деформаций детали под действием усиления закрепления и силы резания и снижение погрешности формы обрабатываемой детали.

Кулачок для зажимного патрона, например для трехкулачкового самоцентрирующего патрона, работает следующим образом.

В момент установки детали на опору 2 кулачков патрона перемещается ползун 1 и опора 2 подводится к установочной поверхности детали, которая всегда имеет отклонения размеров и погрешность цилиндрической формы. В момент радиального сближения кулачков патрона и контакта опоры 2 с поверхностью детали производится сближение концов и средней части выпуклых сторон упругих в радиальном направлении стержней 3 и 4, 5 и 6, 7 и 8 и создается зазор 2г между серединой их выпуклых сторон, при котором последующее сближение приводит к заметному уменьшению их жесткости. В этот момент опора 2 самоустанавливается на упругих в радиальном направлении стержнях относительно установочной поверхности детали, которая имеет уклоны, погрешности цилиндрической формы и неровности, с обеспечением полного прилегания опорной поверхности опоры 2 к поверхности детали и. постоянного удельного давления опоры 2 на деталь. При этом происходит центрирование установочной поверхности детали -с обрабатываемой поверхностью и практически исключается погрешность базирования и закрепления.

Последуюшее радиальное сближение опоры 2 с деталью и увеличение усилия закрепления приводит в соприкосновение средние части выпуклых сторон одной пары стержней (например крайней), при этом создается высокая радиальная жесткость кулачка, что исключает появление погреш ностей обрарадиальном направлении стержней 3 и 4, 5 и 55 ботки, связанных с упругими радиальными

6, 7 и 8, обладающих «мягкой характеристикой коэффициента жесткости и расположенных на опоре 2 с поворотом в

деформациями самого кулачка. При этом в связи с наличием погрешности установочной поверхности детали упругие пары стерж

0

5

0

0

5

0

плоскости симметрии смежно расположенных стержней под одинаковым острым углом, преимущественно под углом , относительно плоскости вращения патрона и поперечной плоскости zoy симметрии опоры 2, обеспечивает равномерное давление опоры 2 кулачка на установочную поверхность детали, самоустановку опоры 2 в радиальном направлении у, уменьшение погрешности базирования и закрепления заготовки; снижение уровня изгибных колебаний опоры 2 с деталью и погрешности формы обрабатываемой поверхности детали за счет виброизоляционных свойств упругих стержней 3-8, обладающих «мягкой характеристикой жесткости, гашение автоколебаний вследствие создания упругой координатной связи по перемещениям опоры 2 с деталью в окружном и осевом направлениях и уменьшение волнистости на детали; уменьшение упругих деформаций детали под действием усиления закрепления и силы резания и снижение погрешности формы обрабатываемой детали.

Кулачок для зажимного патрона, например для трехкулачкового самоцентрирующего патрона, работает следующим образом.

В момент установки детали на опору 2 кулачков патрона перемещается ползун 1 и опора 2 подводится к установочной поверхности детали, которая всегда имеет отклонения размеров и погрешность цилиндрической формы. В момент радиального сближения кулачков патрона и контакта опоры 2 с поверхностью детали производится сближение концов и средней части выпуклых сторон упругих в радиальном направлении стержней 3 и 4, 5 и 6, 7 и 8 и создается зазор 2г между серединой их выпуклых сторон, при котором последующее сближение приводит к заметному уменьшению их жесткости. В этот момент опора 2 самоустанавливается на упругих в радиальном направлении стержнях относительно установочной поверхности детали, которая имеет уклоны, погрешности цилиндрической формы и неровности, с обеспечением полного прилегания опорной поверхности опоры 2 к поверхности детали и. постоянного удельного давления опоры 2 на деталь. При этом происходит центрирование установочной поверхности детали -с обрабатываемой поверхностью и практически исключается погрешность базирования и закрепления.

Последуюшее радиальное сближение опоры 2 с деталью и увеличение усилия закрепления приводит в соприкосновение средние части выпуклых сторон одной пары стержней (например крайней), при этом создается высокая радиальная жесткость кулачка, что исключает появление погреш ностей обрадеформациями самого кулачка. При этом в связи с наличием погрешности установочной поверхности детали упругие пары стержней, смежно расположенные вдоль оси т симметрии по длине и ширине опоры 2, имеют зазор между серединами выпуклых сторон, а следовательно, упругие стержни этих пар обладают «мягкой характеристикой жесткости и виброизоляционными свойствами. В момент возбуждения вынужденных, колебаний детали в радиальном направлении перемещения установочной поверхности детали изменяется величина зазора между серединой изогнутых стержней и их жесткостные характеристики. При этом в связи с «мягкой характеристикой жесткости пар упругих стержней, которые имеют зазор между выпуклыми сторонами их средних частей, в них возникает упругая сила, ко10

ное время режущие кромки инструмента сохраняются острыми, уменьшается сила резания и упругие деформаци детали под ее воздействием, вследствие чего также повышается точность и качество обрабатываемой поверхности детали.

Работоспособность предложенного кулачка для зажимного патрона подтверждена эксплуатационными испытаниями, выполненными в сравнении с использованием жесткого кулачка для самоцентрирующего патрона.

Эксплуатационные испытания кулачков проводились в процессе точения и чистового круглого шлифования труднообрабатываемых сплавов. При установке и закрепторая противодействует радиальному переме- 15 лении заготовки в кулачке предлагаемой щению опоры 2, за счет чего снижается конструкции в трехкулачковом самоцентри- уровень изгибных колебаний детали отно- .рующем патроне уменьшается погрешность сительно инструмента и уменьшается высо- базирования и закрепления, снижается уро- та волнистости на обрабатываемой поверх- вень вынужденных вибраций и автоколебаний, уменьшается износ инструмента, сила резания и погрешность обрабатываемой детали. При обработке точением уменьшается погрешность формы детали и износ резца

ности детали, т.е. повышается точность обрабатываемой поверхности.

В момент контакта инструмента с деталью составляющие силы резания в тангенциальном и осевом направлениях вызывают изгиб упругих стержней 3-8 и

20

до четырех раз, снижается до трех раз высота волнистости на обрабатываемой поперемещение опоры 2 с деталью как в осевом 25 верхности по сравнению с обработкой де. X., так и окружном направлениях из-за упругой координатной св.язи перемещений, созданной расположением плоскости т|оу симметрии стержней под одинаковым острым углом, преимущественно под углом 30°, к плоскости вращения патрона и поперечной плоскости zoy симметрии опоры 2. Б момент самовозбуждения относительных колебаний детали и инструмента в тангенциальном направлении и возрастании силы резания упругие стержни 3-8 прогибаются в окружном и осевом направлениях. При этом перемещение опоры 2 с деталью относительно инструмента в осевом и окружном направлениях увеличивает скорость осевой и круговой подачи и силу резания. Протали в патроне с жесткими кулачками стандартной конструкции. В процессе чистового щлифования погрешность формы детали уменьшена с 0,016 до 0,006 мм, а за счет снижения уровня радиальных вибраций 30 уменьшена волнистость на детали с 6 до 1,6 мкм и увеличина стойкость шлифовального круга до 7 раз.

Формула изобретения

35 Кулачок залшмного патрона, содержащий ползун и опору, связанные между собой упругими элементами, отличающийся тем, что, с целью повышения точности обработки путем стабилизации положения опотиводействие силы резания колебаниям де- дд ры в процессе резания, опора выполнена тали в осевом, окружном и тангенциальном направлениях вызывает затухание колебаний опоры 2 кулачка и детали в этих направлениях, а из-за упругой координатной связи перемещения опоры 2 между осевыми, крутильными и изгибными колебаниями затухают автоколебания. Устранение автоколебаний приводит к уменьшению износа инструмента и волнистости на обрабатываемой поверхности. При этом более длите ть45

симметричной относительно двух взаимно- перпендикулярных плоскостей - продольной и поперечной, совпадающей с плоскостью вращения патрона, а упругие элементы выполнены в виде трех пар стержней, изогнутых по дуге окружности и установленных с зазором выпуклостями навстречу друг другу симметрично относительно плоскости, расположенной под углом 30° к плоскости вращения патрона.

ное время режущие кромки инструмента сохраняются острыми, уменьшается сила резания и упругие деформаци детали под ее воздействием, вследствие чего также повышается точность и качество обрабатываемой поверхности детали.

Работоспособность предложенного кулачка для зажимного патрона подтверждена эксплуатационными испытаниями, выполненными в сравнении с использованием жесткого кулачка для самоцентрирующего патрона.

Эксплуатационные испытания кулачков проводились в процессе точения и чистового круглого шлифования труднообрабатываемых сплавов. При установке и закрепдо четырех раз, снижается до трех раз высота волнистости на обрабатываемой потали в патроне с жесткими кулачками стандартной конструкции. В процессе чистового щлифования погрешность формы детали уменьшена с 0,016 до 0,006 мм, а за счет снижения уровня радиальных вибраций уменьшена волнистость на детали с 6 до 1,6 мкм и увеличина стойкость шлифовального круга до 7 раз.

Формула изобретения

Кулачок залшмного патрона, содержащий ползун и опору, связанные между собой упругими элементами, отличающийся тем, что, с целью повышения точности обработки путем стабилизации положения опоры в процессе резания, опора выполнена

симметричной относительно двух взаимно- перпендикулярных плоскостей - продольной и поперечной, совпадающей с плоскостью вращения патрона, а упругие элементы выполнены в виде трех пар стержней, изогнутых по дуге окружности и установленных с зазором выпуклостями навстречу друг другу симметрично относительно плоскости, расположенной под углом 30° к плоскости вращения патрона.

JL

4j

eii

U

V/ 1 7Г 4 0

8

б-б

Вид A

f

1/ Фиг.1

Фиг. 2 6-Б

Б-б

Фиг.

ФигЛ

Фиг. 5

Фиг. 6

Фиг. 7

Фиг. В

Изобретение относится к устройствам для закрепления деталей на шпинделях токарных и шлифовальных станков. Целью изобретения является повышение точности обработки путем стабилизации положения опоры детали в процессе резания. Кулачок состоит из ползуна, связанного с опорой посредством трех пар упругих в радиальном направлении элементов, выполненных в виде стержней, изогнутых по дуге окружности и установленных с зазором выпуклостями навстречу друг другу симметрично относительно плоскости, расположенной под углом 30° к плоскости вращения патрона. Опора выполнена симметричной относительно двух взаимно перпендикулярных плоскостей: продольной и поперечной, последняя совпадает с плоскостью враш.ения патрона. 8ил. го о 1C ( 00