Зажимные элементы — это механизмы, непосредственно используемые для закрепления заготовок, или промежуточные звенья более сложных зажимных систем.

Наиболее простым видом универсальных зажимов являются зажимные винты, которые приводят в действие насаженными на них ключами, рукоятками или маховичками.

Чтобы предотвратить перемещение зажимаемой заготовки и образование на ней вмятин от винта, а также уменьшить изгиб винта при нажиме на поверхность, не перпендикулярную его оси, на концы винтов помещают качающиеся башмаки (рис.68, α).

Комбинации винтовых устройств с рычагами или клиньями называются комбинированными зажимам и, разновидностью которых являются винтовые прихваты (рис. 68, б), Устройство прихватов позволяет отодвигать или поворачивать их, чтобы можно было удобнее устанавливать обрабатываемую заготовку в приспособлении.

На рис. 69 показаны некоторые конструкции быстродействующих зажимов. Для небольших зажимных сил применяют штыковое (рис. 69, α), а для значительных сил — плунжерное устройство (рис. 69, б). Эти устройства позволяют отводить зажимающий элемент на большое расстояние от заготовки; закрепление происходит в результате поворота стержня на некоторый угол. Пример зажима с откидным упором показан на рис. 69, в. Ослабив гайку-рукоятку 2, отводят упор 3, вращая его вокруг оси. После этого зажимающий стержень 1 отводят вправо на расстояние h. На рис. 69, г приведена схема быстродействующего устройства рычажного типа. При повороте рукоятки 4 штифт 5 скользит по планке 6 с косым срезом, а штифт 2 — по заготовке 1, прижимая ее к упорам, расположенным внизу. Сферическая шайба 3 служит шарниром.

Большие затраты времени и значительные силы, требующиеся для закрепления обрабатываемых заготовок, ограничивают область применения винтовых зажимов и в большинстве случаев делают предпочтительными быстродействующие эксцентриковые зажимы. На рис. 70 изображены дисковый (α), цилиндрический с Г-образным прихватом (б) и конический плавающий (в) зажимы.

Эксцентрики бывают круглые, эвольвентные и спиральные (по спирали Архимеда). В зажимных устройствах применяются две разновидности эксцентриков: круглые и криволинейные.

Круглые эксцентрики (рис. 71) представляют собой диск или валик с осью вращения, смещенной на размер эксцентриситета е; условие самоторможения обеспечивается при соотношении D/е≥ 4.

Достоинство круглых эксцентриков заключается в простоте их изготовления; основной недостаток — непостоянство угла подъема α и сил зажима Q. Криволинейные эксцентрики, рабочий профиль которых выполняется по эвольвенте или спирали Архимеда, имеют постоянный угол подъема α, а, следовательно, обеспечивают постоянство силы Q, при зажиме любой точки профиля.

Клиновой механизм применяют как промежуточное звено в сложных зажимных системах. Он прост в изготовлении, легко размещается в приспособлении, позволяет увеличивать и изменять направление передаваемой силы. При определенных углах клиновой механизм обладает свойствами самоторможения. Для односкосного клина (рис. 72, а) при передаче сил под прямым углом может быть принята следующая зависимость (при ϕ1 = ϕ2 = ϕ3 = ϕ где ϕ1…ϕ3 —углы трения):

P = Qtg (α ± 2ϕ),

где Р — осевая сила; Q — сила зажима. Самоторможение будет иметь место при α <ϕ1 + ϕ2.

Для двухскосного клина (рис. 72, б) при передаче сил под углом β>90 зависимость между Р и Q при постоянном угле трения (ϕ1 = ϕ2 = ϕ3 = ϕ) выражается следующей формулой:

P = Qsin(α + 2ϕ)/cos (90° + α  — β + 2ϕ).

Рычажные зажимы применяют в сочетании с другими элементарными зажимами, образуя более сложные зажимные системы. С помощью рычага можно изменять величину и направление передаваемой силы, а также осуществлять одновременное и равномерное закрепление заготовки в двух местах. На рис. 73 приведены схемы действия сил в одноплечих и двуплечих прямых и изогнутых зажимах. Уравнения равновесия для этих рычажных механизмов имеют следующий вид; для одноплечего зажима (рис. 73, α):

прямого двуплечего зажима (рис. 73, б):

изогнутого зажима (для l1 <l2, рис. 73, в):

где р — угол трения; ƒ — коэффициент трения.

В качестве установочных элементов для наружных или внутренних поверхностей тел вращения применяют центрирующие зажимные элементы: цанги, разжимные оправки, зажимные втулки с гидропластом, а также мембранные патроны.

Цанги представляют собой разрезные пружинящие гильзы, конструктивные разновидности которых показаны на рис. 74 (α — с натяжной трубкой; 6 — с распорной трубкой; в — вертикального типа). Их выполняют из высокоуглеродистых сталей, например, У10А, и термически обрабатывают до твердости НRС 58…62 в зажимной и до твердости НRС 40…44 в хвостовых частях. Угол конуса цанги α = 30…40°. При меньших углах возможно заклинивание цанги.

Угол конуса сжимающей втулки делают на 1° меньше или больше угла конуса цанги. Цанги обеспечивают эксцентричность установки (биение) не более 0,02…0,05 мм. Базовую поверхность заготовки следует обрабатывать по 9…7-му квалитетам точности.

Разжимные оправки различных конструкций (включая конструкции с применением гидропласта) относятся к установочно-зажимным приспособлениям.

Мембранные патроны используют для точного центрирования заготовок по наружной или внутренней цилиндрической поверхности. Патрон (рис. 75) состоит из круглой, привертываемой к планшайбе станка мембраны 1 в форме пластины с симметрично расположенными выступами-кулачками 2, количество которых выбирают в пределах 6…12. Внутри шпинделя проходит шток 4 пневмоцилиндра. При включении пневматики мембрана прогибается, раздвигая кулачки. При отходе штока назад мембрана, стремясь вернуться в исходное положение, сжимает своими кулачками заготовку 3.

Реечно-рычажный зажим (рис. 76) состоит из рейки 3, зубчатого колеса 5, сидящего на валу 4, и рычага рукоятки 6. Вращая рукоятку против часовой стрелки, опускают рейку и прихватом 2 закрепляют обрабатываемую заготовку 1. Зажимная сила Q зависит от значения силы Р, приложенной к рукоятке. Устройство снабжается замком, который, заклинивая систему, предупреждает обратный поворот колеса. Наиболее распространены следующие виды замков. Роликовый замок (рис. 77, а) состоит из поводкового кольца 3 с вырезом для ролика 1, соприкасающегося со срезанной плоскостью валика. 2 зубчатого колеса. Поводковое кольцо 3 скреплено с рукояткой зажимного устройства. Вращая рукоятку по стрелке, передают вращение на вал зубчатого колеса через ролик 1*. Ролик заклинивается между поверхностью расточки корпуса 4 и срезанной плоскостью валика 2 и препятствует обратному вращению.

Роликовый замок с прямой передачей момента от поводка на валик показан на рис. 77, б. Вращение от рукоятки через поводок передается непосредственно на вал 6 колеса. Ролик 3 через штифт 4 поджат слабой пружиной 5. Так как зазоры в местах касания ролика с кольцом 1 и валом 6 при этом выбирают, система мгновенно заклинивается при снятии силы с рукоятки 2. Поворотом рукоятки в обратную сторону ролик расклинивается и вращает вал по часовой стрелке.

Конический замок (рис. 77, в) имеет коническую втулку 1 и вал с конусом 3 и рукояткой 4. Спиральные зубья на средней шейке вала находятся в зацеплении с рейкой 5. Последняя связана с исполнительным зажимающим механизмом. При угле наклона зубьев 45° осевая сила на валу 2 равна (без учета трения) зажимной силе.

* Замки этого типа выполняют с тремя роликами, расположенными под углом 120°.

Эксцентриковый замок (рис. 77, г) состоит из вала 2 колеса, на котором заклинен эксцентрик 3. Вал приводится во вращение кольцом 1, скрепленным с рукояткой замка; кольцо вращается в расточке корпуса 4, ось которой смещена от оси вала на расстояние е. При обратном вращении рукоятки передача на вал происходит через штифт 5. В процессе закрепления кольцо 1 заклинивается между эксцентриком и корпусом.

Комбинированные зажимные устройства представляют собой сочетание элементарных зажимов различного типа. Их применяют для увеличения зажимной силы и уменьшения габаритов приспособления, а также для создания наибольших удобств управления. Комбинированные зажимные устройства могут также обеспечивать одновременное крепление заготовки в нескольких местах. Виды комбинированных зажимов приведены на рис. 78.

Сочетание изогнутого рычага и винта (рис. 78, а) позволяет одновременно закреплять заготовку в двух местах, равномерно повышая зажимные силы до заданного значения. Обычный поворотный прихват (рис, 78, б) представляет собой сочетание рычажного и винтового зажимов. Ось качания рычага 2 совмещена с центром сферической поверхности шайбы 1, которая разгружает шпильку 3 от изгибающих усилий, Показанный на рис, 78, в прихват с эксцентриком является примером быстродействующего комбинированного зажима. При определенном соотношении плеч рычага можно увеличить зажимную силу или ход зажимающего конца рычага.

На рис. 78, г показано устройство для закрепления в призме цилиндрической заготовки посредством накидного рычага, а на рис. 78, д — схема быстродействующего комбинированного зажима (рычаг и эксцентрик), обеспечивающего боковое и вертикальное прижатие заготовки к опорам приспособления, так как сила зажима приложена под углом. Аналогичное условие обеспечивается устройством, изображенным на рис. 78, е.

Шарнирно-рычажные зажимы (рис. 78, ж, з, и) являются примерами быстродействующих зажимных устройств, приводимых в действие поворотом рукоятки. Для предотвращения самооткрепления рукоятку переводят через мертвое положение до упора 2. Сила зажима зависит от деформации системы и ее жесткости. Желаемую деформацию системы устанавливают регулировкой нажимного винта 1. Однако наличие допуска на размер Н (рис. 78, ж) не обеспечивает постоянства зажимной силы для всех заготовок данной партии.

Комбинированные зажимные устройства приводятся в действие вручную или от силовых узлов.

Зажимные механизмы для многоместных приспособлений должны обеспечивать одинаковую силу зажима на всех позициях. Простейшим многоместным приспособлением является оправка, на которую устанавливают пакет заготовок «кольца, диски), закрепляемых по торцевым плоскостям одной гайкой (последовательная схема передачи зажимной силы). На рис. 79, α показан пример зажимного устройства, работающего по принципу параллельного распределения зажимной силы.

Если необходимо обеспечить концентричность базовой и обрабатываемой поверхностей и предотвратить деформирование обрабатываемой заготовки, применяют упругие зажимные устройства, где зажимное усилие посредством заполнителя или другого промежуточного тела равномерно передается на зажимный элемент приспособления в пределах упругих деформаций).

В качестве промежуточного тела применяют обычные пружины, резину или гидропласт. Зажимное устройство параллельного действия с использованием гидропласта показано на рис. 79, б. На рис. 79, в приведено устройство смешанного (параллельно-последовательного) действия.

На станках непрерывного действия (барабанно-фрезерные, специальные многошпиндельные сверлильные) заготовки устанавливают и снимают, не прерывая движения подачи. Если вспомогательное время перекрывается машинным, то для закрепления заготовок можно применять зажимные устройства различных типов.

В целях механизации производственных процессов целесообразно использовать зажимные устройства автоматизированного типа (непрерывного действия), приводимые в действие механизмом подачи станка. На рис. 80, α приведена схема устройства с гибким замкнутым элементом 1 (трос, цепь) для закрепления цилиндрических заготовок 2 на барабанно-фрезерном станке при обработке торцевых поверхностей, а на рис. 80, 6 — схема устройства для закрепления заготовок поршней на многошпиндельном горизонтально-сверлильном станке. В обоих устройствах операторы только устанавливают и снимают заготовку, а закрепление заготовки происходит автоматически.

Эффективным зажимным устройством для удержания заготовок из тонколистового материала при их чистовой обработке или отделке является вакуумный прижим. Сила зажима определяется по формуле:

Q = Ар,

где А — активная площадь полости устройства, ограниченной уплотнением; р= 10⁵ Па — разность атмосферного давления и давления в полости устройства, из которого удаляется воздух.

Электромагнитные зажимные устройства применяются для закрепления обрабатываемых заготовок из стали и чугуна с плоской базовой поверхностью. Зажимные устройства обычно выполняют в виде плит и патронов, при конструировании которых в качестве исходных данных принимают размеры и конфигурацию обрабатываемой заготовки в плане, ее толщину, материал и необходимую удерживающую силу. Удерживающая сила электромагнитного устройства в значительной степени зависит от толщины обрабатываемой детали; при малых толщинах не весь магнитный поток проходит через поперечное сечение детали, и часть линий магнитного потока рассеивается в окружающее пространство. Детали, обрабатываемые на электромагнитных плитах или патронах, приобретают остаточные магнитные свойства — их размагничивают, пропуская их через соленоид, питаемый переменным током.

В магнитных зажимных устройствах основными элементами являются постоянные магниты, изолированные один от другого немагнитными прокладками и скрепленные в общий блок, а заготовка представляет собой якорь, через который замыкается магнитный силовой поток. Для открепления готовой детали блок сдвигают с помощью эксцентрикового или кривошипного механизма, при этом магнитный силовой поток замыкается на корпус устройства, минуя деталь.