Статья Обратные разжимные кулачки

Научная статья
УДК ?
РАЗРАБОТКА КОМПЛЕКТА ОБРАТНЫХ КУЛАЧКОВ ДЛЯ
РАСШИРЕНИЯ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ
ТРЕХКУЛАЧКОВОГО САМОЦЕНТРИРУЮЩЕГО ПАТРОНА
Аннотация. Статья посвящена решению актуальной проблемы
ограниченного диапазона зажимаемых наружных диаметров у стандартных
трёхкулачковых патронов. Предлагается инновационное решение –
разработка и внедрение в стандартную комплектацию патрона
дополнительного набора обратных кулачков. Их ключевая особенность
заключается в инвертированной (перевёрнутой) относительно стандартных
кулачков геометрии рабочей поверхности. Это позволяет, используя тот же
ход механизма патрона, зажимать заготовки с значительно большим
наружным диаметром. Целью работы является усовершенствование
существующей оснастки для расширения её технологических возможностей
без изменения конструкции базового патрона. Проведён сравнительный
анализ, подтверждающий существенное увеличение максимального
зажимного диаметра. Показана высокая экономическая и технологическая
целесообразность включения обратных кулачков в базовую поставку.
Ключевые слова: трёхкулачковый патрон, обратные кулачки, максимальный
диаметр зажима, универсальная оснастка, токарная обработка, расширение
функциональности.
Введение
Трёхкулачковые самоцентрирующие патроны (ТПС) остаются самым
распространённым типом зажимной оснастки в единичном и мелкосерийном
машиностроении благодаря своей надёжности, простоте и скорости
переналадки. Однако их универсальность ограничена конструктивным
параметром – максимальным диаметром зажима заготовки (D_max), который
определяется ходом кулачков и геометрией их рабочей поверхности.
Стандартные (прямые) кулачки, поставляемые в комплекте, обеспечивают
зажим в диапазоне от минимального диаметра до D_max_стандарт, значение
которого близко к номинальному размеру патрона.
На практике часто возникает необходимость обработки заготовок (дисков,
фланцев, маховиков), наружный диаметр которых превышает
D_max_стандарт. Традиционные решения – переход на патрон большего
типоразмера, использование план-шайб или четырёхкулачковых патронов –
ведут к росту капитальных затрат, увеличению времени наладки или потере
производительности. Таким образом, существует объективная потребность в
усовершенствовании существующих ТПС для расширения их диапазона без
кардинальной замены оснастки.
Цель и задачи исследования.
Цель исследования – теоретическое и практическое обоснование разработки
и применения комплекта обратных кулачков для стандартных
трёхкулачковых патронов, позволяющих за счёт инвертированной геометрии
рабочей поверхности существенно увеличить максимальный диаметр
зажимаемой заготовки по наружной поверхности.
Задачи исследования:
1) Анализ геометрии и кинематики зажима стандартных кулачков.
2) Расчетный анализ силового замыкания и создаваемого момента сжатия.
3) Разработка принципа действия и конструктивных параметров обратных
кулачков.
4) Сравнительная оценка диапазонов зажима для стандартных и обратных
кулачков на одной модели патрона.
5) Исследование потребности производства в подобном решении.
6) Оценка влияния на жесткость системы и надёжность зажима.
7) Принцип действия и конструкция обратных кулачков
Ключевая идея разработки заключается в изменении ориентации рабочей
(зажимной) поверхности кулачка относительно его корпуса, крепящегося в
пазу патрона. Стандартный (прямой) кулачок: Его рабочая поверхность
(губка) находится ближе к центру патрона, чем его крепёжная часть. При
сдвиге кулачка от центра к периферии патрона губки сходятся, зажимая
заготовку малого и среднего диаметра.
Обратный кулачок: Его рабочая поверхность смещена и находится дальше от
центра патрона, чем крепёжная часть. При сдвиге кулачка от центра к
периферии (то есть при выполнении штатной операции зажима патроном),
губки обратных кулачков сходятся в точке с большим радиусом, формируя
окружность зажима увеличенного диаметра. Таким образом, используя тот
же ход механизма патрона и не меняя его настройки, обратные кулачки
позволяют зафиксировать заготовку, диаметр которой может на 50-100% и
более превышать D_max_стандарт для данной модели. Конструктивно
обратные кулачки изготавливаются из того же материала (калёная
инструментальная сталь), имеют аналогичные посадочные размеры и могут
быть быстро установлены вместо стандартных. Эскиз обратного кулачка
представлен на рисунке 1.
Рисунок 1 – эскиз «Кулачок обратный»
Расчетный анализ силового замыкания и момента сжатия.
Критически важным параметром при зажиме крупногабаритной заготовки
является создаваемая сила сжатия и результирующий крутящий момент,
предотвращающий проворот детали под действием сил резания. Для патрона
с номинальным усилием зажима на кулачке P_к = 25 кН (типичное значение
для патрона Ø250 мм) и коэффициентом трения сталь-сталь f = 0.15,
расчетный момент удержания M_уд для стандартных кулачков при зажиме
детали диаметром D = 320 мм составляет:
M_уд = (P_к * n * f * D) / 2
где n = 3 (количество кулачков).
M_уд = (25 000 * 3 * 0.15 * 0.32) / 2 ≈ 1 800 Нм.
Для предлагаемых обратных кулачков, зажимающих деталь диаметром
D_обр = 450 мм с тем же усилием на кулачке (P_к = 25 кН), момент
удержания увеличивается пропорционально диаметру:
M_уд_обр = (25 000 * 3 * 0.15 * 0.45) / 2 ≈ 2 531 Нм.
Вывод: Несмотря на увеличение диаметра зажима на 40% (с 320 мм до 450
мм), создаваемый момент удержания для обратных кулачков составляет ~2
500 Нм, что превышает момент удержания стандартных кулачков и является
достаточным для большинства операций чернового и чистового точения
стальных заготовок. Расчет подтверждает принципиальную возможность
зажима деталей увеличенного диаметра без потери надежности.
Экспериментальная часть и сравнительный анализ
Для проверки теоретических выкладок был изготовлен комплект обратных
кулачков для серийного патрона 3-250. Эксперименты проводились на
токарно-фрезерном обрабатывающем центре SOLEX 1650, оснащенном
приводным токарным шпинделем с гидравлическим патроном. Выбор
данного оборудования обусловлен его высокой жесткостью и точностью, что
позволило объективно оценить стабильность зажима под нагрузкой.
Протокол испытаний:
В гидравлический привод патрона станка SOLEX 1650 были установлены
обратные кулачки. В качестве тестовых заготовок использовались стальные
втулки (Ст45) с наружным диаметром 450 мм, толщиной 30 мм. Зажим
осуществлялся при стандартном рабочем давлении гидравлики станка (65
бар), соответствующем усилию на кулачке ~25 кН. Была проведена
комплексная операция: предварительное торцевание и фрезерование четырех
пазов на наружной цилиндрической поверхности концевой фрезой Ø20 мм.
Режимы резания: глубина резания Аp = 15 мм, подача на зуб Fz = 0.12
мм/зуб, скорость резания v_c = 180 м/мин (фреза с твердосплавными
пластинами). Данный вид обработки создает значительные периодические
тангенциальные и радиальные усилия, критичные для проверки надежности
зажима.
Результаты эксперимента:
За время обработки (более 30 минут) не было зафиксировано ни одного
случая проворота или смещения заготовки относительно кулачков.
Контрольные измерения обработанных пазов и торца показали стабильность
размеров в пределах поля допуска IT12, что свидетельствует об отсутствии
вибраций и смещений в системе "станок-приспособление-инструментдеталь" (СПИД). После разжима патрона на контактных поверхностях
заготовки визуализировались равномерные следы контакта без признаков
проскальзывания или смятия. Ресурсный тест (более 100 циклов "зажимразжим") не выявил остаточных деформаций или критического износа
рабочих поверхностей обратных кулачков.
Сравнительная таблица технологических возможностей.
Рассмотрим патрон с номинальным диаметром 250 мм. Его стандартные
кулачки могут обеспечивать максимальный зажим детали диаметром до ~320
мм.
Таблица 1. Сравнение технических возможностей
Параметр / Тип
кулачков
Стандартные (прямые)
Обратные
(разрабатываемые)
Принцип действия
Зажим заготовки по
уменьшающейся
окружности (сведение к
центру).
Зажим заготовки по
увеличивающейся
окружности (сведение
на большом радиусе).
Диапазон зажима
(наружный диаметр)
Узкий. От ~50 мм до
D_max_стандарт (~320
мм для патрона Ø250
мм).
Широкий. От среднего
диаметра (например,
~200 мм) до
D_max_обратный (до
~500 мм и более для
того же патрона).
Технологическая ниша
Обработка валов,
втулок, деталей малого
и среднего габарита.
Обработка деталей
большого диаметра
(дисков, крышек,
фланцев), ранее не
помещавшихся в
патрон.
Требование к
модернизации
Базовый комплект.
Требуется только
замена комплекта
кулачков. Сам патрон
не меняется.
Расчетный момент
удержания при P_к=25
кН
~1 800 Нм
~2 531 Нм
Исследование потребности и экономическое обоснование.
Анализ парка токарных станков и номенклатуры деталей на типичном
машиностроительном предприятии показывает, что до 15-30% заготовок в
ремонтном и мелкосерийном производстве имеют размеры, находящиеся в
«мёртвой зоне» между D_max_стандарт одного патрона и минимальным
зажимным диаметром патрона следующего типоразмера. Приобретение
патрона большего диаметра — капиталоёмкое решение, а использование
план-шайб снижает производительность и точность.
Включение комплекта обратных кулачков в базовую поставку каждого
патрона является крайне перспективным решением по следующим причинам:
1) Для пользователя: Это мгновенно удваивает технологические
возможности станка при минимальных затратах. Исключаются
простои, связанные с несоответствием оснастки. Повышается гибкость
производства.
2) Для производителя оснастки: Это создаёт мощное конкурентное
преимущество. Патрон позиционируется не как «жёстко ограниченный
инструмент», а как универсальная система, готовая к широкому
спектру задач «из коробки». Увеличение себестоимости комплекта на
20-30% многократно окупается повышением привлекательности и
рыночной стоимости продукта.
3) Экономический эффект: Предотвращаются затраты на покупку
дополнительной оснастки (больших патронов, план-шайб),
сокращается время технологической подготовки.
Заключение
Разработан и обоснован принцип действия обратных кулачков для
трёхкулачковых патронов, позволяющий кардинально увеличить
обрабатываемый диаметр заготовок за счёт инвертирования рабочей
поверхности.
Данное решение является элегантным и экономичным способом
усовершенствования существующих патронов без изменения их
конструкции, что позволяет зажимать детали большего диаметра.
Проведённое исследование потребности подтверждает высокую
востребованность такого решения в реальном производстве для обработки
крупногабаритных заготовок. Рекомендуется производителям зажимной
оснастки рассмотреть вопрос о включении комплекта обратных кулачков в
стандартную (базовую) поставку каждого патрона. Это преобразует патрон
из ограниченного инструмента в универсальную технологическую систему,
что станет новым стандартом в отрасли и принесёт значительные
конкурентные преимущества.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.
1) Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя. Т.1. – М.:
Машиностроение, 2001.
2) ГОСТ 1654-86 Патроны самоцентрирующие токарные. Основные
параметры и размеры.
3) Кириллов, В.И. Технологическая оснастка для токарных станков. – М.:
Машиностроение, 1983.
4) Кириллов, В.И. Технологическая оснастка для токарных станков. – М.:
Машиностроение, 1983. – 248 с.
5) Общемашиностроительные нормативы времени на наладку станков и
вспомогательное время на токарных работах. – М.: НИИ труда, 1990. –
156 с.
6) Лабораторный практикум по металлорежущим станкам и режущим
инструментам / Под ред. А.С. Проникова. – М.: Машиностроение, 1986.
– 320 с.
7) Расчет и конструирование приспособлений: Учебное пособие для вузов
/ Г.А. Аверьянов, В.С. Блюмин, А.А. Гаврилов и др. – Л.:
Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1985. – 272 с.
8) Технологическая оснастка машиностроительных производств:
Справочник в 2-х томах / Под ред. В.М. Мещерякова. – М.:
Машиностроение, 2010. – Т.1. – 768 с.
9) Механика процесса резания и вибрации в станках / Н.Н. Зорев, В.С.
Иванов, Г.А. Каменцев и др. – М.: Машиностроение, 1975. – 456 с.