2. Существующие зажимные устройства и некоторые особенности их работы

Существуют различные конструкции головок зажимных устройств. [1,2]

Зажимные устройства с шарнирным механизмом (рис. 3), работающие по принципу увеличения усилия зажима заготовки по мере увеличения усилия растяжения.

Рис. 3.Зажимное устройство с шарнирным механизмом.

Зажимные устройства с клиновым механизмом (клином) (рис. 4), работающие по тому же принципу, что и зажимные устройства с шарнирным механизмом.

Рис. 4.Зажимное устройство с клиновыми губками

К этому типу зажимов можно отнести и специальный клиновой зажим, конструкция которого приведена на рис. 5.

Рис.5.Клиновой зажим

Зажимные устройства с принудительным зажимом материала. Зажимное усилие в этом случае остается постоянным в процессе деформации материала. Примером такого рода зажимных устройств могут служить зажимные устройства на отечественных прессах РО-1 и РО-IМ (рис. 6).

Рис.6.Конструкция зажимов пресса РО-IМ

Зажимное устройство с поворотным клином (рис. 7), применяемое на правильно-растяжных машинах. Зажимное устройство позволяет удерживать без разрушения и проскальзывания в процессе правки листы из высоконагартованной стали толщиной 0,5—1,5 мм путем загибания концов листа с одновременным двухсторонним зажимом его ¹.

Процесс зажима заготовки в первых двух типах зажимов можно разбить на следующие этапы:

1. Закладывание заготовки.

2. Предварительный зажим материала и закусывание его.

3. Приложение растягивающего усилия к заготовке и самозаклинивание.

Предварительный зажим материала необходим для осуществления третьего этапа работы зажимов, так как он обеспечивает самозаклинивание губок, то есть увеличение зажимного усилия с приложением к заготовке растягивающего усилия.

Р ис.7.Схема зажимного устройства, разработанного в ЦНТИИТМАШ

Рис.8.Зажимное клиновое устройство. Принудительный поджим осуществляется винтом

Предварительный зажим осуществляется механическим путем с помощью клина или винта (рис. 4 и 8), либо с помощью гидравлического или пневматического устройства (рис. 9).

В большинстве случаев губки зажимных устройств имеют насечку. Губки зажимных устройств с принудительным зажимом материала могут быть как пасечные, так и гладкие. Обычно зажимные устройства с губками без насечки (с гладкими губками) применяются в машинах для испытаний на усталость, при которых материалы чрезвычайно чувствительны к концентрации напряжений.

Зажимные устройства обтяжных прессов также снабжаются гладкими губками в случае обтяжки материалов, чувствительных к концентрации напряжений, например таких, как сплавы титана (ВТ14).

Крепление сравнительно тонких (до 2 мм), высокопрочных нагартованных материалов в губках зажимных устройств связано с большими трудностями. Такие материалы, с одной стороны, более легко выскальзывают из зажимов, с другой — имеют большую склонность к перекусыванию.

Рис. 9.Зажимное устройство с клиновыми губками.

Принудительный поджим осуществляется с помощью гидравлического устройства

Для устранения проскальзывания материала из зажимов применяются различные методы крепления заготовок, в том числе складывание материала в зажиме пополам и крепление кромки проволокой (рис. 10,а), крепление с помощью рифта по контуру зажима (рис. 10,б), крепление помощью губок с насечкой и рифтом (рис. 10 г). Дополнительные операции по складыванию материала в зажиме, по рифтованию его значительно увеличивают трудоемкость работ, расход материала и требуют дополнительного оборудования. Кроме того, эти операции не всегда осуществимы для высокопрочных материалов и материалов больших толщин.

Рис.10.Методы крепления заготовок

В большинстве случаев общим конструктивным элементом зажимных устройств обтяжных прессов, машин для определения механических свойств материалов при растяжении, машин для определения свойств материалов при циклических нагрузках являются насечные губки, работа которых основана на передаче усилия с помощью клина. Схема действия усилий в зажимной головке с клиновым устройством представлена на рис.11, где

Р — усилие растяжения заготовки,

F_тр — сила трения на поверхности скольжения губок в зажимной головке,

N — усилие, нормальное к поверхности скольжения губок в зажимной головке.

До настоящего времени расчет усилий, действующих в зажимной головке обычно ведется следующим образом. Из суммы проекций усилий на ось X определяется усилие N и далее усилие прижима губок к материалу растягиваемой заготовки Q.

X = 0; (7)

P – 2 N sin α – 2 F_тр.к cos α = 0;

F_тр.к = µ_к N,

где µ_к - коэффициент трения по плоскостям скольжения губок в зажимной головке,

F_тр.к - — усилие трения по плоскостям клина губок.

- N sin α - µ_к N cos α =0,

прижимное усилие в зажиме

Из полученных соотношений следует, что прижимное усилие в клиновом (самозаклинивающемся) зажиме зависит от усилия растяжения Р, угла клина α и коэффициента трения на поверхности .клина µ_к.

Для уменьшения сил трения при движении клина в зажимной головке обтяжных прессов (особенно при передаче значительных усилий) между поверхностями клина и зажимной головки часто предусматривают установку подшипников, как это изображено на рис. 9.

Из полученных уравнений легко определяется соотношение между усилием прижима в губках Q и усилием растяжения заготовки Р величина которого для зажимных устройств отечественных обтяжных прессов находится в пределах 1,85 – 1,62.

Пользуясь ранее приведенным уравнением (7) можно установить взаимосвязь между усилием прижима в губках Q и усилием растяжения заготовки Р через коэффициент трения в губках µ_к :

P – 2 N sin α – 2 F_тр.к cos α = 0;

так как N sin α = F_тр.н ( в насечке) и F_тр.к = µ_к N , то

P – 2 F_тр.н – 2 µ_к N cos α

P – 2 F_тр.н – 2 F_тр.н µ_к

P = 2 F_тр.н (1 -

F_тр.н = µ_н Q ;

P = 2 Q µ_н (1 -

Q = (9)

Из полученных формул (8, 9) следует, что величина отношений усилий определяется, в основном, выбранным углом клина зажимных губок.

При этом в губках может удерживаться материал, имеющий с губками данной насечки коэффициент трения и, равный или больший коэффициента , определяемого по формуле

µ ≥ µ_н =

При коэффициенте трения µ < µ_н материал выползает из зажимов. Следовательно, является тем наименьшим предельным коэффициентом трения, который необходимо создать между материалом образца и насечкой губок, чтобы не происходило проскальзывания материала в губках.

При существующих на отечественных обтяжных прессах отношениях , равных 1,85—1,62, между материалом и губками должен обеспечиваться соответственно коэффициент трения

µ ≥ µ_н = 0,27 0,31.

Для удержания материала в губках с коэффициентом трения его предварительно поджимают усилием Q_1.

Если величину обозначить , где К – коэффициент пропорциональный коэффициенту трения µ_н и углу клина α (вернее tg α), тогда соотношение можно обозначить как :

где К₁ – коэффициент, пропорциональный какому то новому коэффициенту µ_{н 1} , причем К₁< К ( при тех же Q и Р) и µ_{н 1} < µ_н

Так как усилие предварительного поджима Q₁ в течении всего процесса растяжения заготовки остается постоянным, то с возрастанием усилия растяжения Р коэффициент К₁ меняется. Вместе с ним изменяется коэффициент µ_{н 1}, при этом µ_{н 1} всегда меньше µ_н , но величина его с возрастанием Р стремиться к µ_н .

Коэффициенты К и К₁ связаны между собой следующей зависимостью :

Усилие предварительного поджима материала в губках Q₁ создается при усилии в цилиндре Р_цил :

тогда

Г рафически последняя зависимость изображена на рис. 12.

Рис. 12.Зависимость коэффициента трения от соотношения между усилием в цилиндре Р_цил, создающим предварительный поджим в зажиме, и усилием растяжения материала Р.

Отношение может изменятся при изменении Р от 0 до Р_max в пределах от бесконечно большой величины , до бесконечно малой величины, стремящейся к нулю , когда Р_max >> Р _цил.

Практически усилие в цилиндре Р_цил выбирается таким, что к конечному моменту растяжения заготовки, к моменту использования всей мощности пресса отношение находиться в пределах 0,3 – 0,1.

Исходя из величины соотношения , можно подсчитать предельные коэффициенты р_н, величины которых должны быть превзойдены коэффициентом трения µ, создаваемым между заготовкой и насечкой губок.

В табл. 1 приведены данные о применяемых при обтяжке удельных давлениях в губках зажимных устройств (без учета предварительного прижимного усилия).

Губки зажимных устройств обтяжных прессов и испытательных машин имеют самый различный профиль и направление насечки по отношению к растягивающему усилию.

Насечки , в зависимости от профиля, условно разобьем на 3 типа (рис. 13):

1. Насечки с симметричным профилем.

2. Насечки с косым профилем.

3. Насечки с профилем «волчий зуб».

Насечки в зависимости от направления их по отношению к растягивающему усилию (рис. 13, а, б, в) делятся на прямые, косые и перекрещивающиеся.

Как видно из табл. 2, 3 и 4, форма и размеры профиля насечки в губках, направление ее по отношению к усилию растяжения могут быть разнообразными.

Таблица 1

Основные характеристики зажимных устройств отечественных обтяжных прессов

Рис. 13.типы и виды насечек зажимных губок

Таблица 2

Виды насечек в существующих обтяжных прессах

Пресса	Материал губок	Профиль зуба	Вид насечки
РО-5 РО-3 ОП-5К	ХВГ У8А ХВГ
ОП-2	У10А
ОП-3	40Х

Особенно это относится к губкам зажимных устройств испытательных машин. Это объясняется тем, что в отличие от существующих обтяжных прессов, применяемых, в основном, для обтяжки цветных сплавов, машины для испытаний материалов на растяжение предназначаются для механических испытаний не только цветных, но и черных сплавов самых различных марок и толщин.

В губках обтяжных прессов чаще всего предпочитаются перекрещивающиеся насечки с симметричным углом профиля в 60°. Наиболее употребимые шаги насечки 2 - 3 мм, величина притупления профиля 0,5 мм.

Таблица 3

Виды насечки в профилегибочных отечественных станках

Станок	Материал губок	Твердость HRC	Профиль зуба	Вид насечки
ПГР-6	У8А	50
ПГР-7	У10А	52-58
ПГР-8

Из опыта работ по обтяжке известно, что при креплении материала в губках большое значение имеет строгая подгонка насечных рабочих поверхностей губок друг к другу, строгая плоскостность этих поверхностей.

Таблица 4

Виды насечек в существующих разрывных машинах

№	Профиль зуба	Вид насечки	α	β	t	Марка материала	HRC
1			75	85	5	У10А	60
2			60	80	3	ХВГ	60-62
3			60	75	2.5	Шх-15	60-62
4			60	75	2	ХВГ	62-64
5			60	60	2	ХВГ	62-64
6			60	60	0.87	У10А	52-58
7			60	45	5	У10А	52-58
8			60	30	0.87	Шх-15	60-62
9			60	30	2	ХВГ	62-61
10			45	25	1	Шх-15	60-62
11			45	68	1
12			60	65	3
13			60	60	1.5	У104а,Шх-15	60-62
14			60	55	1.5	У10А	60-64
15			60	45	2	ХВГ	62-64
16			60	45	1,5	У10А	60-62
17			45	90	1		1
18			75	60	3	Шх-15	60-62
19			73	30	2	Шх-15	60-62
20			73	30	1,5	Шх-15	60-62
21			90	60	2	У8А	52-58
23			90	45	1	У8А	55-60
24			90	45	1,5	У8А	55-60
25			90	45	2	У10А	58-58
26			90	30	1
27			60	45	1		60-62
28			90	90	1,5	У12А	52-56
29			90	90	2	ХВГ	60-62
30			75	90	1,5	У8А	60-62
31			73	90	1,5	У8А	55-60
32			15+60	30	3,5	Шх-15	60-62
33			15+60	30	3	Шх-15	60-62
34			15+60	30	2,5	Шх-15	60-62
35			15+60	70	2	У12А	52-56
36			15+60	45	1,5	Х12М У12А	60-62 52-56
37			10+60	90	2	ХВГ	60-62

При недостаточной отладке зажимных устройств обтяжка материалов зачастую сопровождается либо проскальзыванием материала, либо перекусыванием его в губках. Как при проскальзывании материала, так и при перекусывании его наблюдается неполное, неравномерное прилегание насечных поверхностей губок к обтягиваемому материалу.

Перекусывание материала происходит также при резком перегибе обтягиваемого материала у зажимных губок.

В связи с этим вблизи зажима предусматривают иногда специальные направляющие, позволяющие избежать перегиб материала у зажимов (рис. 14, рис. 15)

Обычно причиной разрушения заготовка при зажиме считают надрезы, возникающие в результате закусывания материала губками, и сопровождающую их концентрацию напряжений.

В связи с этим следует отметить, что степень опасности надрезов зависит от напряженного состояния материала ориентировки надреза и чувствительности материала заготовки к концентрации напряжений.

Наиболее чувствительными к надрезам, то есть к концентрации напряжений, являются материалы высокой прочности и ограниченной пластичности. К этой группе относятся многие стали с прочностью выше 140 - 150 кг/мм², алюминиевые сплавы с прочностью выше 40—50 кг/мм², некоторые магниевые сплавы и сплавы титана.

Рис. 14.Вид зажимных губок пресса ОП

Малочувствительными к надрезу являются две различные по природе группы сплавов:

1) сплавы средней прочности и достаточно высокой пластичности, многие стали с пределом прочности σ_в = 120 кг/мм² и ниже, многие алюминиевые сплавы с σ_в = 40 кг/мм² и ниже;

2) малопластичные сплавы с неоднородной структурой (чугуны, литые алюминиевые сплавы).

Большое влияние на чувствительность материала к концентрации напряжений оказывает форма надреза (глубина, угол раскрытия и радиус закругления в вершине надреза).

Надрезы оказывают наименьшее влияние при статическом нагружении, так как концентрация напряжений с нагружением уменьшается вследствие:

1) перераспределения напряжений при наступлении пластической деформации, особенно в зоне надреза;

2) смягчения формы (главным образом - остроты) надреза при пластической деформации.

У меньшение концентрации напряжений при переходе от упругой к упруго - пластической деформации будет тем больше, чем выше величина пластической деформации.

Рис. 15.Зажимное устройство обтяжного пресса на 500 т

При этом для большинства материалов характеристики сопротивления при осевом растяжении возрастают (происходит упрочнение от надреза). Основной же характеристикой, оценивающей чувствительность материала к концентрации напряжений при осевом растяжении, является пластичность в надрезе.

Как отмечалось выше, степень опасности надреза определяется не только чувствительностью материала к концентрации напряжений, но и ориентировкой надреза в поле напряженного состояния.

Наиболее опасной ориентировкой надреза является такая, при которой наибольшее растягивающее напряжение действует перпендикулярно или под углом, близким к 90°, к направлению надреза.

Исходя из вышесказанного, стараются избегав зажимных губок, насечка на которых нанесена перпендикулярно действующему усилию растяжения.

В машинах для испытаний материалов при циклических нагрузках, как отмечалось выше, применяются зажимные устройства с принудительные зажимом материала (с помощью клина и без него), с насечными и гладкими губками. Насечки в этом случае обычно перекрещивающиеся, с небольшим шагом (1 - 2 мм). При испытаниях циклическими нагрузками материалы, особенно высокопрочные, чрезвычайно чувствительны к концентрации напряжений.

Усталостные испытания зачастую сопровождаются либо выскальзыванием образцов из зажимов, либо преждевременным разрушением образцов в зажиме при незначительных надрезах поверхности испытываемых образцов. Чтобы устранить опасность преждевременного разрушения, применяют зажимы с гладкими губками.

При усталостных испытаниях зажимные усилия могут быть сравнительно невысокими, поскольку нагружения образцов производят до нагрузок, гораздо меньших разрушающей статической нагрузки (до 0,5 Рраз и менее), и испытываемые материалы чрезвычайно чувствительны к надрезу в условиях переменных нагрузок. В то же время зажимные усилия должны быть достаточными, чтобы не происходило выскальзывания образца, которому чрезвычайно способствует вибрационный режим машины.

В табл. 2 и 4 приводится перечень материалов, применяемых для изготовления губок. Губки на отечественных прессах изготавливаются из сталей:

1. У8А твердостью HRC=48—52

2. У10А твердостью HRC = 40—45

3. 40Х твердостью HRC=45—50.

В последних конструкциях обтяжных прессов (РО-5, ОП-5К) для изготовления зажимных губок применена сталь ХВГ c. твердостью HRC=61. Данная сталь обладает высокой стойкостью к истиранию, способностью закаливаться без поводок, гак как имеет малый коэффициент температурного расширения.

. Такие свойства материала необходимы для получения зажимных устройств, стойких к износу, с высокой удерживающей способностью, поскольку позволяют получить строго пригнанные друг . к другу насечные рабочие поверхности.

Для изготовления насечных губок испытательных машин применяются те же материалы, что и для зажимных губок обтяжных прессов, а именно: У8А, У10А, 40Х, ШХ15 и др., - но твердость их значительно выше (см. табл. 4).

Американская фирма Curil Baht для изготовления зажимов обтяжных прессов применяет сталь SAE4615 с твердостью HRC = 62 - 64. Эта сталь характеризуется как сталь относительно свободная от поводки после закалки.

На удерживающую способность зажимных устройств оказывает большое влияние различие в механических свойствах материала заготовок и толщина деформируемого материала. В связи с этим величины удельных давлений для создания необходимого усилия прижима в губках с насечкой различного профиля и шага могут быть различными в зависимости от марки деформируемого материала и его толщины.