Прессы для горячей объемной штамповки

Введение

В работе приведены исследования по установлению влияния начальных параметров заготовки на максимальную силу штамповки. Разработана конструкция пластического предохранителя КГШП 25 МН от перегрузки по силе. Проведено моделирование процессов в программном комплексе QForm и расчет инструмента в программе CosmosWorks.

Кривошипные горячештамповочные машины предназначены для выполнения операций горячей штамповки и характеризуются значительными по величине силовыми и энергетическими показателями.

КГШП из всех видов кривошипных машин работают в наиболее тяжелых условиях. Особенности этих прессов — быстроходность, высокая жесткость конструкции, сравнительно небольшие габаритные размеры штампового пространства, все это обосновано тем, что при операциях объемной штамповки развиваются самые большие удельные силы на звенья исполнительного механизма.

На современно этапе развития науки расчеты технологических операций штамповки с точки зрения материальных и временных затрат выгодно проводить в программах конечно-элементного анализа.

С учетом того, что жесткость кривошипных прессов является практически постоянной величиной, по результатам расчетов могут быть обоснованы точности назначаемых припусков, что приведет к их уменьшению, а следовательно к уменьшению затрат при дальнейшей обработке поковок резаньем. Вследствие чего возможно получить значительный экономический эффект.

Высокая экономическая эффективность кривошипных машин предопределена их принципом действия, основанном на сочетании нереверсируемого электромаховичного привода и рычажных исполнительных механизмов (ИМ), преобразующих вращение ведущих кривошипов в нужное движение выходных звеньев в форме ползунов, коромысел, шатунов. Но эти же особенности являются источником основных недостатков указанных машин, провоцируя перегрузки, распоры, собственные и вынужденные колебания, приводящие к разрушению деталей этих прессов. Из кривошипных прессов именно в КГШП наблюдаются самые большие перегрузки, вызванные жестко установленным ходом ползуна и наличием облоя, но наряду с этим КГШП силой 25 МН наиболее распространены в машиностроении, вследствие чего на эти пресса имеется полная документация.

Данная дипломная работа выполнена в рамках основных направлений кафедры «Машины и технология обработки металлов давлением» Московского Государственного Индустриального Университета (МГИУ). Теоретической базой работы являются научные работы кафедры по созданию кривошипных машин с компактными исполнительными механизмами (КИМ) и проектированию гамм прессов на основе соотношений полного подобия.

В соответствии с целью работы, а именно: разработать систему комплексного предохранения КГШП от перегрузок на основе исследования динамики их нагружения ставятся следующие задачи:

1. Рассмотреть существующие способы предохранения КГШП от перегрузок. Выявить их достоинства и недостатки. Оценить их эффективность;

2. Проанализировать существующие наработки в области исследования динамики, перегрузки и распора КГШП, а так же рассмотреть их результаты;

3. Оценить исходные данные для расчета процесса перегрузки и распора, а именно форму и характер графиков технологического нагружения в процессах горячей объемной штамповки для различных видов поковок, от очень низких до мясистых. В рамках этого провести исследование разброса массы и начальной температуры в условиях современного горячештамповочного производства, и оценить на основе этих данных величины статистических разбросов конечных сил штамповки. Так же в рамках этого провести обзор современных комплексов расчета операций объемной штамповки и выбрать наиболее подходящий для решения этих задач.

4. На основе обзора существующих моделей перегрузки и распора КГШП выбрать наиболее адекватную и достоверную, либо, при необходимости, разработать такую. На основе этой модели провести исследование величин перегрузки КГШП по силе и крутящему моменту в зависимости от параметров технологии и машины: графиков технологического нагружения; угла встречи инструмента с заготовкой; инерционности ведущих и ведомых масс; коэффициента трения в узлах исполнительного механизма пресса и т. д.

5. На основе исследования перегрузки и распора разработать комплексную систему предохранения пресса от перегрузок как по уровню, т. е. по величине максимальных перегрузок (по моменту или силе), так и статистическую, т. е. по количеству разовых перегрузок.

1. Существующее положение

1.1 Прессы для горячей объемной штамповки Согласно кривошипные прессы для горячей объемной штамповки (ГОШ) подразделяются (рис. 1) на три группы машин: кривошипные горячештамповочные прессы (КГШП), горизонтально-ковочные машины (ГКМ) и горячештамповочные автоматы (ГША).

К КГШП относятся вертикальные закрытые прессы для ГОШ. Они подразделяются (рис. 1) на КГШП простого действия, ИМ которых состоит из ГИМ с одним ползуном, и КГШП двойного действия, ИМ которых состоит из ГИМ с внутренним ползуном и ДИМ с наружным ползуном, движущимся в том же направлении, что и внутренний ползун. КГШП простого действия подразделяются на КГШП общего назначения (универсальные), многопозиционные КГШП и КГШП для горячего выдавливания.

Подавляющее большинство КГШП относится к КГШП простого действия общего назначения и используется для штамповки широкой номенклатуры поковок в открытых и закрытых штампах, включая круглые и осесимметричные в плане поковки (рис. 2), поковки с вытянутой осью (рис. 3), поковки с элементами прямого (рис. 4) и обратного выдавливания. Ползуны КГШП общего назначения выполняются с равными (или примерно равными) размерами ширины и глубины штамповой плоскости и рассчитаны на установку трехручьевого пакета (рис. 5). При этом ручьевые вставки поковок с вытянутой осью располагают в один ряд вдоль фронта пресса при направлении осей поковок перпендикулярно фронту. Окончательный ручей стараются разместить в центре с целью оптимального нагружения главного вала и других деталей ГИМ (рис. 4б). Ручьевые вставки круглых и осесимметричных в плане поковок располагают по-разному (рис. 4а, б).

а) б) в) Рис. 2. Переходы штамповки (I — III) зубчатого колеса на КГШП общего назначения: а — открытой (облой не показан); б — закрытой с компенсатором; в с закрытым предварительным и открытым окончательным ручьями.

а) б) Рис. 3. Переходы штамповки при сочетании ковочных вальцов с КГШП общего назначения: а — распределительный вал; б — шатун.

а) б)

Рис. 5. Пакет штампов КГШП общего назначения для трех призматических вставок: 1, 4, — нижний и верхний башмаки; 2 — выталкиватель; 3, 5 — планки; 6 — направляющие колонки; 7 — опорные плиты; 8 — рычаги; 9, 10 — прижимы; 11 -13 — вставки; а — продольный и поперечный разрезы; б — планы низа и верха.

Таблица 1. Предельные массы стальных поковок, штампуемых на КГШП общего назначения

В табл. 1 приведены предельные массы стальных поковок, которые можно отштамповать на КГШП общего назначения различных усилий. Приведенные в табл. 1 данные хорошо согласуются с технологической практикой, экспериментальными и теоретическими исследованиями, соотношениями подобия. Но следует иметь виду, что средняя масса номенклатуры поковок, штампуемых на конкретном прессе, может быть в несколько раз меньше значений, приведенных в табл. 1, что объясняется следующими причинами. Во-первых, КГШП общего назначения выпускаются, главным образом, по отраженному в табл. 1 так называемому основному (предпочтительному) ряду главных параметров. При этом промежуточные по усилию поковки штампуются на ближайших бульших прессах во избежание перегрузок. Так, если максимальное усилие штамповки какой-либо поковки 17 МН, то она будет штамповаться не на КГШП =16 МН (см. табл. 1), а на КГШП =25 МН, рассчитанном статистически на вдвое более тяжелые поковки. Во-вторых, предельные массы, приведенные в табл. 1, характеризуют так называемые высокие поковки из низкоуглеродистых сталей. При том же усилие штамповки массы средних по высоте поковок типа шатунов двигателей внутреннего сгорания, а тем более низких высоколегированных поковок типа турбинных лопаток, шоферского или медицинского инструмента и пр., существенно меньше. В-третьих, колебания усилия даже высоких низколегированных поковок достигают ±30% от среднестатистической величины из-за колебаний геометрии заготовок и температуры штамповки. Колебания усилия низких поковок из высоколегированных сталей существенно выше. При закреплении поковок за прессами учитывают степень возможного отклонения усилия от расчетного и среднестатистического значения.

Наиболее распространены КГШП общего назначения усилием от 5 до 63 МН с размерами ползунов в плане от 500Ч500 до 1600Ч1600 мм, закрытой высотой от 500 до 1300 мм, соответственно. Остальные наиболее существенные параметры КГШП общего назначения приведены в табл. 2.

КГШП общего назначения работают в режиме одиночных ходов вне зависимости от степени автоматизации, хотя в их системе управления предусмотрен режим непрерывных ходов. Большое число непрерывных ходов (табл. 2) нужно для сокращения времени контакта штампа с горячей заготовкой. Считается, что предельная производительность автоматизированных легких КГШП общего назначения достигает величины 2000 поковок в час (33 поковки в минуту), что как минимум втрое ниже числа непрерывных ходом (см. табл. 2). Полуавтоматическая линия штамповки шатунов грузовых автомобилей на базе КГШП общего назначения усилием 25 МН может развивать максимальный темп штамповки 8 поковок в минуту (480 в час) в двухпереходном штампе, то есть пресс работает максимум с 16-ю включениями в минуту. При этом среднесменная производительность существенно ниже максимального темпа штамповки из-за необходимости зачистки, ремонта и смены штампов.

Таблица 2.

Параметры технической характеристики КГШП общего назначения

прочерк — отсутствие данных

* - выпадающий из статистики параметр КГШП общего назначения 160 МН100 МН следует отнести к сверхтяжелым уникальным машинам. Они выпускаются штучно в меньшем интервале усилий, чем показано в табл. 1. Эти прессы появились сравнительно недавно — в 70-е годы 20 века. Они используются в, основном, для работы в автоматических линиях штамповки коленчатых валов и балок передней подвески грузовых автомобилей (рис. 6). Кроме того, известно их использование для штамповки турбинных лопаток длинной до 1600 мм, лопастей винтовых двигателей самолетов и пр. Масса пресса «Sumitomo» (Япония) =110 МН — 1130 т, пресса «Eumuco» (ФРГ) =120 МН — 1250 т, пресса «Erie» (США) =120 МН — 1375 т, пресса ПО «Воронежтяхмехпресс» =125 МН — 1412 т. В состав типовой автоматической линии (рис. 6) штамповки коленчатых валов и балок передней подвески входят: индукционный нагреватель (на рис. 6 не показан), ковочные вальцы, КГШП общего назначения, являющийся базовой машиной всей линии, обрезной пресс, гидравлический выкрутной пресс для разворота на нужный угол шатунных шеек коленчатого вала (для штамповки балок передней подвески не используется) и гидравлический правильный пресс. Цикл работы конкретной линии (рис. 6), созданной на базе пресса «Eumuco» =120 МН — 45 с.

Рис. 6. Автоматическая линия для штамповки поковок коленчатых валов и балок передней подвески автомобилей КАМАЗ: 1 — ковочные вальцы; 2, 4, 6, 8, 10 — программируемые манипуляторы (роботы); 3 — КГШП общего назначения =120 МН; 5, 12 — конвейеры; 7 — обрезной пресс; 9 — выкрутной гидравлический пресс; 11 — правильный гидравлический пресс Многопозиционные КГШП и КГШП для выдавливания обычно изготавливают на базе тех же конструктивных решений, которые используются в КГШП общего назначения усилием 5−63 МН, но с изменениями, соответствующими специализации этих прессов.

Многопозиционные КГШП имеют, по сравнению с КГШП общего назначения, увеличенные по фронту размеры ползуна и стола, позволяющие разместить до пяти позиций (рис. 7; 8), по сравнению с тремя позициями, размещаемыми в штамповом пространстве КГШП общего назначения (рис. 2; 4; 5). На дополнительных позициях размещаются ручьи для калибровки поковок, обрезки облоя, вырубки выдры. Число непрерывных ходов многопозиционных КГШП уменьшено по сравнению с КГШП общего назначения того же усилия примерно на 30%, поскольку большая относительная высота поковок и малый облой создают благоприятный тепловой режим штамповки. Многопозиционные КГШП выпускаются в виде автоматических комплексов с индукционным автоматическим нагревателем и грейферной подачей.

Таким образом, многопозиционные КГШП технически как бы заменяют собой автоматические линии горячей штамповки, состоящие из индукционного нагревателя, КГШП общего назначения, обрезного пресса, чеканочного пресса и средств автоматизации в виде манипуляторов и транспортеров.

Рис. 9. Схема изготовления прямым выдавливанием детали типа клапана: 1 — пуансон; 2 — матрица; 3 — изделие; 4 — опасное сечение КГШП для горячего выдавливания, по сравнению с КГШП общего назначения того же усилия, имеют примерно вдвое меньшее число непрерывных ходов, увеличенную закрытую высоту и больший запас энергии маховика. Уменьшение числа непрерывных ходов необходимо для предотвращения отрыва стержней в местах их перехода в головку изделия (рис. 9) под действием инерционных сил.

КГШП двойного действия предназначены для горячей объемной штамповки на вертикальных прессах таких поковок, которые не могут быть извлечены из цельной матрицы и для удаления которых требуется разъем матриц по плоскости, параллельной столу пресса (рис. 10а, б). Это, например, поковки с элементами бокового выдавливания (рис. 10а), поковки, осаживаемые в закрытую полость, диаметр которой больше диаметра пуансона (рис. 10б) и пр. Также как в листоштамповочных прессах двойного действия, в этих КГШП ползуны ГИМ и ДИМ движутся вдоль общей оси, а плоскость разъема инструмента перпендикулярна оси движения ползунов. Разница в том, что в листоштамповочных прессах двойного действия ползуны ДИМ прижимают заготовку, а в КГШП двойного действия — смыкают матрицы. При этом номинальное усилие зажима (смыкания) матрицы в КГШП двойного действия обычно равно номинальному усилию ползуна ГИМ из-за опасности образования заусенца по плоскости разъема матриц.

К ГКМ относятся кривошипные прессы двойного действия, в которых ползун ГИМ с блоком пуансонов перемещается горизонтально, а рабочее звено ДИМ, выполненное в виде ползуна или коромысла, перемещает блок подвижных матриц (точнее — полуматриц) в перпендикулярном направлении (рис. 11). При этом возможны два варианта перемещения блока подвижных матриц, в соответствии с которыми ГКМ подразделяются на ГКМ с вертикальным (рис. 11а) и горизонтальным (рис. 11б) разъемом матриц (ГКМ ВР и ГКМ ГР, соответственно). В обоих вариантах оси пуансонов лежат в плоскости разъема матриц, тогда как в КГШП двойного действия ползун ГИМ с пуансонами движется в направлении, перпендикулярном плоскости разъема матриц. Такая кинематика подвижного инструмента ГКМ обеспечивает возможность штамповки без выталкивателей и штамповочных уклонов (или с минимальными уклонами) конца зажатого в разъемных матрицах сплошного или пустотелого стержня любой длины, в том числе стержня, выходящего за пределы матриц и машины (рис. 11). Указанный стержень может быть как общей (групповой) заготовкой, из которой штампуется ряд поковок, так и индивидуальной заготовкой, из которой штампуется одна поковка, что наглядно показано на рис. 12. На рис. 12а приведены переходы штамповки кольца из прутка диаметром 60.8мм, являющегося групповой заготовкой. В первом ручье производится набор конической головки в пуансоне с керном, во втором — формовка цилиндрического утолщения в матрице с одновременной прошивкой центрального отверстия, в третьем — пробивка отверстия с отделением поковки от прутка. На рис. 12б приведены переходы штамповки поковки пустотелого фланца из индивидуальной заготовки, представляющей собой отрезок трубки с наружным диаметром 76 и толщиной стенки 6,5 мм. Высадка осуществляется за три перехода. На первом набирается внутреннее утолщение с сохранением наружного диаметра трубы, на втором набирается внешнее утолщение диаметром 84 мм длиной 39,4 мм, на третьем высаживается фланец диаметром 103,5 мм с одновременным окончательным оформлением поковки. На рис. 12 В приведены переходы штамповки поковки в виде стержня с бобышкой. На первом и втором переходах осуществляется необходимый набор металла, на третьем оформляется сфера диаметром 23 мм, на четвертом производится осадка шара боковой полуматрицей до толщины 14 мм.

Часто ГКМ используют в сочетании с другими КПМ. Так например, штамповка автомобильного коленчатого вала, осуществляемая на КГШП, может закончиться высадкой фланца на ГКМ. Высадкой на ГКМ фланца на торце полуфабриката, полученного на стане периодического проката, заканчивается один из технологических процессов штамповки поковки передней полуоси заднеприводного легкового автомобиля. При этом ГКМ может использоваться не только в конце, но и в начале или середине процесса штамповки поковки, осуществляемого на различных КПМ.

Наиболее распространены ГКМ ВР, которые по применяемости различных видов кривошипных машин для ГОШ делят два первых места с КГШП общего назначения. ГКМ ВР являются единственными кривошипными прессами двойного действия, номинальное усилие которых устанавливается по номинальному усилию ГИМ. Номинальное усилие ДИМ ГКМ ВР принимается равным 1/3 номинального усилия ГИМ и может не фигурировать в паспорте машины, ввиду общеизвестности этой традиции.

а) б) в) Рис. 12. Переходы штамповки на ГКМ поковок: акольца; б — пустотелого фланца; в — стержня с бобышкой.

Поскольку ГКМ ВР появились впервые в странах со старой англо-американской системой единиц, иногда до сих пор их номиналом считают не усилие, а наибольший диаметр обрабатываемого прутка в дюймах. При этом обычно ГКМ ВР с =2 МН соответствует номинальный диаметр 2″ (50,8 мм), а ГКМ ВР с =8 МН — диаметр 4″ (101,6 мм).

Наиболее распространены ГКМ ВР, которые по применяемости различных видов кривошипных машин для ГОШ делят два первых места с КГШП общего назначения. ГКМ ВР являются единственными кривошипными прессами двойного действия, номинальное усилие которых устанавливается по номинальному усилию ГИМ. Номинальное усилие ДИМ ГКМ ВР принимается равным 1/3 номинального усилия ГИМ и может не фигурировать в паспорте машины, ввиду общеизвестности этой традиции.

Поскольку ГКМ ВР появились впервые в странах со старой англо-американской системой единиц, иногда до сих пор их номиналом считают не усилие, а наибольший диаметр обрабатываемого прутка в дюймах. При этом обычно ГКМ ВР с =2 МН соответствует номинальный диаметр 2″ (50,8 мм), а ГКМ ВР с =8 МН — диаметр 4″ (101,6 мм).

Отечественные ГКМ ВР выпускают по стандартам, содержащим параметры, соответствующие среднестатистическим мировым, в диапазоне номинальных усилий 1−31,5 МН, с числом ходов 80−22 в минуту, полным ходом высадочного ползуна 180−700 мм, ходом зажимного ползуна 70−350 мм.

Сложная кинематика движения заготовки препятствует автоматизации ГКМ ВР, которая возможна технически, но не выгодна экономически.

Штамповка на ГКМ ВР осуществляется преимущественно в закрытых штампах, то есть без облоя, способствующего интенсивному охлаждению поковки. Кроме того, на ГКМ ВР практически не штампуются низкие поковки. Поэтому число непрерывных ходов ГКМ ВР в среднем втрое меньше числа непрерывных ходов КГШП общего назначения того же номинального усилия.

ГКМ ГР по мнению их создателей имеют два преимущества перед ГКМ ВР: большее усилие смыкания матриц и большую доступность автоматизации. Усилие смыкания матриц в ГКМ ГР может быть равно номинальному усилию ГИМ и даже больше его. Но это объясняется не характером разъема матриц, а тем, что в ГКМ ГР, которые на 120 лет «моложе» ГКМ ВР, применен многозвенный рычажный ДИМ, а в ГКМ ВР — кулачково-рычажный ДИМ. Кулаки, как кинематические звенья высшего порядка, не дают возможности увеличить усилие смыкания матриц. Но они обеспечивают выстой зажимного ползуна на 140° угла поворота главного вала, в результате чего рабочая часть хода ползуна ГИМ может быть равна половине его полного хода и даже несколько более. В вертикальных кривошипных прессах двойного действия такой необходимости нет. В них обрабатываемое изделие удаляется из штампа сначала выталкивателями, а затем вручную или автоматическими захватами. Поэтому большая часть хода ползуна обеспечивает раскрытие штампового пространства для удаления изделия. На рабочий ход приходится не более 1/3−¼. В ГКМ поковка удаляется в направлении, перпендикулярном движению ползуна ГИМ. Поэтому в ГКМ, как только блок пуансонов отошел от КРП настолько, что залипание на нем поковки исключается, и началось раскрытие матриц, можно начинать удаление детали из ручья. Следовательно, на штамповку можно тратить половину, и даже больше половины рабочего хода ползуна ГИМ.

К ГША относят многопозиционные горизонтальные кривошипные прессы для ГОШ, выполняемые в едином автоматическом комплексе с нагревательными устройствами и средствами автоматизации. Подавляющее большинство ГША предназначено для штамповки из нагретого прутка поковок малой высоты. При этом схема штамповки принципиально отличается от схемы штамповки аналогичных поковок на ГКМ. На ГКМ формирование таких поковок происходит на конце прутка, от которого они отделяются в последний момент (рис. 12а). На ГША процесс начинается с отрезки от прутка штучной заготовки на нулевой позиции, а затем осуществляется многопозиционная штамповка этой заготовки (рис. 14). Такое различие объясняется тем, что на ГКМ нет выталкивателей и механизмов автоматического переноса штучной заготовки по позициям обработки, но есть разъем матриц, а на ГША, наоборот, есть выталкиватели и механизм автоматического переноса штучной заготовки по позициям, но, как правило, нет разъема матриц.

Рис. 14. Переходы штамповки на ГША трех кольцевых поковок.

На ГША практикуют групповую штамповку, когда сначала получают сложный полуфабрикат (рис. 14, поз. II), который затем штампуется с одновременным разделением на две или три поковки (рис. 14, поз. III, IV). В процессе, приведенном на рис. 14, штучную заготовку 60Ч64 мм, отрезанную от прутка на нулевой позиции, осаживают на поз. I, затем штампуют на поз. II, затем на поз. III разделением полуфабриката получают поковку кольца с наружным диаметром 111,9 мм и полуфабрикат 82,5 мм, и наконец на поз. IV полуфабрикат разделяют на две поковки с одновременной пробивкой отверстия 33 мм.

Из сравнения рис. 12а и 14 может сложиться впечатление, что при штамповке поковок с внутренним отверстием расход металла на ГКМ меньше, чем на ГША из-за отсутствия в первом случае выдры. Однако меньше расход металла на ГША, так как при штамповке на ГКМ в отход идет конец прутка длиной до 800 мм, используемый для зажима прутка клещами.

Преимущество ГКМ в большей универсальности, меньших начальных затратах на подготовку производства, меньшем времени наладки, то есть в большей приспособленности для многономенклатурного универсального производства. Преимущество ГША в большей производительности и в меньшей себестоимости продукции в условиях массового и крупносерийного производства, когда начальная стоимость и время наладки переносятся на большее количество изделий.

ГША подразделяют (рис. 11) на автоматы с горизонтальным движением заготовки и, соответственно, горизонтальным расположением позиций; автоматы с вертикальным движением заготовки и, соответственно, с вертикальным расположением позиций; автоматы с движением заготовки по дуге окружности и, соответственно, револьверным расположением позиций. Наиболее распространены автоматы с горизонтальным движением заготовки. Основные параметры и технической характеристики даны в табл. 3. Вообще же ГША изготовляют с номинальным усилием 0,6−20 МН, ходом ползуна 110−400 мм, числом ходов 180−30 в минуту, числом позиций три четыре, а при применении поворотной головки — шесть, в том числе — три четыре штамповочные позиции, диаметром штампуемого прутка 14−90 мм. Благодаря интенсивному водяному охлаждению стойкость штампов ГША вдвое превышает стойкость штампов КГШП и ГКМ, несмотря на больший темп штамповки. Типичные поковки, штампуемые на ГША: автомобильные шестерни; гайки; кольца подшипников; фитинги трубопроводов и т. п.

Таблица 10.3 Технические характеристики автоматовс горизонтальным расположением матриц

Автоматы с вертикальным расположением матриц имеют серьезные недостатки по сравнению с автоматами с их горизонтальным расположением: неравномерность охлаждения инструмента, поломка инструмента и клещей при выпадении из верхних позиций, затрудненность смены штампов на тяжелых автоматах.

ГША для штамповки деталей стержневого типа, например, болтов распространены гораздо меньше. Причина не только в трудоемкости удаления стержневых деталей из цельной матрицы, но и в особенностях нагрева. Сплошной нагрев не дает возможности последующей качественной накатки резьбы из-за окалины. Кроме того, резка горячей заготовки приводит к искажению отрезаемого торца. Более перспективны ГША, в которых штучная заготовка отрезается в холодную, а затем высаживаемая часть прутка нагревается в щелевом индукторе, встроенном в автомат. Такая технология наиболее успешно реализована в ГША с движением заготовки по дуге окружности (с револьверным расположением позиций).

1.2 Применяемые модели для исследований перегрузок кривошипных прессов и их результаты при исследовании КГШП При эксплуатации кривошипных прессов наблюдается явления, причины которых следует искать в проявлении динамических свойств элементов и машин в целом (раскачивание прессов и разрушение фундаментов, недопустимый шум и виброактивность, интенсивный износ зубчатых передач, быстрый выход из строя шлицевых и шпоночных соединений, разрушение болтов муфты и тормоза и т. д.). Для расчета динамических нагрузок на детали пресса, а так же нагрузок на фундамент разрабатываются динамические модели пресса. Они могут быть совершенно разной сложности, в зависимости от того, какие факторы хотели учесть разработчики, и какие допущения сделаны ими при создании модели.

В статье рассмотрен специализированный КГШП для штамповки низких поковок. Его основные особенности: одноступенчатый привод, уменьшенный радиус кривошипа, повышенное число ходов, уменьшенная мощность электродвигателя.

Для анализа динамики специализированного КГШП 25 МН задавалась четырехмассовая крутильная динамическая система (рис. 15). В качестве первой массы J1 принят приведенный момент инерции кривошипно-шатунного механизма; второй массы J2 — момент инерции эксцентрикового вала и тормоза; третьей массы J3 — момент инерции ведомых дисков и шлицевой ступицы; четвертой массы J4 — ведущие диски, корпус муфты и маховый венец. Массы соединены жесткостями. Первая жесткость с12 — приведенная крутильная жесткость кривошипно-шатунного механизма и станины; вторая жесткость с23 — жесткость эксцентрикового вала; третья жесткость с34 — жесткость муфты. Моменты инерции J1, J2, J3, J4 и жесткости с12, с34 рассчитывались по общеизвестным методикам. Жесткость муфты определялась на основании экспериментальных данных по величине жесткости, отнесенной к одному квадратному сантиметру площади поверхности трения и равной 0,7 Н. м/рад. м2.

Система дифференциальных уравнений, характеризующих движение четырехмассовой системы, имеет вид ц1, ц2, ц3, ц4 — угловое перемещение масс J1, J2, J3, J4 соответственно; M (t)= 0,5 Mmax (1-cos хt); Mmax — максимальный расчетный крутящий момент на эксцентриковом валу от технологического сопротивления; х — круговая частота возмущающей функции; t — время.

Рис. 16. Изменение возмущающей функции в зависимости от радиуса кривошипа R при одном и том же графики силы деформации низкой поковки: 1 — R=0,175 м (КГШП 25МН К866С); 2 — R=0,125 м (специализированный КГШП 25 МН) Наибольший коэффициент динамичности kд, представляющий собой отношение максимального динамического момента Мд max к Mmax, наблюдается на последнем звене — муфте. Для универсального КГШП 25МН коэффициент динамичности на муфте при штамповке низких поковок (частота возмущений больше 80 1/сек) равен 1,75 — 2, на станине — 1,15 — 1,5 (оценка согласно данным по приведенной жесткости).

Отмечается, что благодаря уменьшению радиуса кривошипа и применению одноступенчатого привода удается существенно снизить динамичность на основных звеньях пресса (рис. 16). Так же, штамповка низких поковок на специализированном КГШП силой 25 МН не вызывает тех отрицательных эффектов, которыми сопровождается штамповка низких поковок на универсальном КГШП силой 25 МН (преждевременный износ зубчатой передачи, шлицевые соединения муфты, посадочных мест подшипников качения и самих подшипников и т. д.).

Рис. 17. Схема динамических нагрузок в момент сцепления муфты Отмечается так же, что жесткий удар по штампам в ручье поковки (повторный удар для высвобождения поковки при плохой работе выталкивателей) вызывает значительную динамическую перегрузку на станине универсального КГШП силой 25 МН (kд = 1,5). Жесткий удар на специализированном КГШП силой 25 МН вызывает не менее значительную перегрузку на станине (kд =1,36). Поэтому жесткие удары в КГШП, особенно по подстывшему металлу, совершенно не допустимы, так как могут явиться причиной преждевременного выхода машины из строя.

В статье приводятся результаты исследований ЭНИКМАШа. В ней говорится о том, что поскольку каждый цикл работы пресса сопровождается повторяющейся совокупностью переходных процессов, то возникновение и способ проявления отдельных динамических нагрузок при рассмотрении процесса в целом удобно связывать с определенными этапами цикла: включение муфты, торможением эксцентрикового вала, выполнением технологической операции, холостым ходом, состоянием, сопровождающим разделительные операции после исчезновения сопротивления заготовки.

Возникновение динамических сил при включении фрикционной муфты и торможении эксцентрикового вала рассмотрим на примере горячештамповочного пресса (рис. 17). В первом приближении процесс включения муфты можно рассматривать как удар, при котором происходит мгновенное изменение угловых скоростей ведущего и ведомого валов. Удар с величиной импульсов S'=S''=S осуществляется по линии контакта ведущей шестерни и колеса.

Более строгая механическая модель движения элементов машины должна быть составлена с учетом податливости деталей. Особенно это относится к валопроводу, зубчатым передачам и фрикционным узлам. По-видимому, достаточное для практического использования представление о проявлении динамических нагрузок можно получить с учетом жесткости элементов на основе уравнений их движения. Однако такое описание требует знания момента трения в муфте сцепления как функции времени. Выдвигались некоторые рабочие гипотезы о виде этой функции, однако количество экспериментальной информации по данному вопросу недостаточно.

Аналогично можно рассмотреть динамические нагрузки, возникающие при торможении разогнанных деталей.

При выполнении технологической операции механическое представление о причинах возникновения динамических нагрузок и оценку их величин в зависимости от параметров машины следует получать на основании выбранной динамической модели.

Рис. 18. Динамическая модель силовой системы (а), график технологической операции (б) Обычно рассматривают механическую систему пресса, нагруженную заданными во времени силами Р (t), придавая им смысл сопротивления заготовки деформации. Такой метод требует обоснования в каждом случае. Дело в том, что действительный вид функции Р (t) заранее не может быть известен, поскольку он зависит от исследуемого динамического поведения системы. Эти затруднения могут быть устранены при использовании модели, представленной на рис. 18, а. На рис. 18, б приведен график зависимости сопротивления заготовки от величины ее пластической деформации (но не от времени). Этот график обычно аппроксимируют кусочно-линейной функцией. В рассматриваемую динамическую модель включен маховик, поскольку возбуждение системы определяется резким изменением именно его кинетического момента.

Составляя для описания динамической модели уравнения Лагранжа в форме где Ai — неконсервативные силы, получаем систему уравнений где f (ц) — зависимость перемещения ползуна от угла поворота кривошипа (ц=бo — б).

Система уравнений (1) описывает движение элементов механической системы внутри любого линейного участка графика на рис. 18, б.

Теперь усилие на ползуне вычисляется по формуле и зависит от решения системы (1), т. е. от Таким образом, в рассматриваемой схеме изменение усилия на ползуне во времени является результатом решения задачи, а не вносится извне на основании приближенных соображений.

Рассмотренная динамическая модель может быть распространена на исследование привода, если учесть соответствующие степени свободы, обусловленные деформациями валов, шатуна, муфты и пр.

Силы трения в механической системе обычно приводят к моменту сопротивления движению эксцентрикового вала. Этот момент трения рассчитывают по методике М. В. Сторожева при значении коэффициента трения f=0,06. Но, согласно некоторым исследованиям, этот коэффициент может быть и меньше — до 0,05. Остается невыясненным, является ли коэффициент трения величиной постоянной в процессе цикла, хотя и начаты исследования этого вопроса.

При использовании предложенной динамической модели качественное влияние сил инерции устанавливается независимо от введенной в расчет величины коэффициента трения.

Динамическая модель, приведенная на рис. 18, в модифицированном виде была использована для изучения механики заклинивания горячештамповочного пресса. Выяснено, что для определения усилия заклинивания (максимального усилия на ползуне) массами т1 и т2 можно пренебречь.

Одним из результатов анализа механической системы является получение значения давления пресса на основание, если последнее включено в динамическую модель. Например, согласно обозначениям рис. 18, а, это давление равно с3×2.

Проведенные экспериментальные измерения напряжений в некоторых деталях позволяют сделать вывод о существенных динамических нагрузках в элементах привода КГШП, значительно превышающих их статические расчетные значения. Например, расшифровка осциллограмм крутящего момента на промежуточном валу пресса мод. К8544 и момента на эксцентриковом валу в месте заделки ступицы муфты пресса мод. КБ8544 показывает, что максимальные значения моментов в первом случае в 2 раза, а во втором в 1,5 раза больше их значений, подсчитанных по известной формуле М. В. Сторожева.

Рис. 19. Динамическая расчетная модель КГШП Предлагаемая динамическая модель КГШП (рис. 19) и разработанный алгоритм с учетом допущений и приближений позволяют более реально представить причины возникновения при выполнении технологической операции динамических нагрузок в элементах привода как обычного двухступенчатого, так и одноступенчатого без промежуточного вала. Приведение масс и жесткостей осуществляется общепринятыми методами. На рис. 19 обозначено J1 — J5 и m1 — m5 — моменты инерции и массы соответственно маховика, шестерни, зубчатого колеса (или маховика для пресса с одноступенчатым приводом), эксцентрика, диска тормоза, ползуна, эксцентрикового вала (вместе с зубчатым колесом для пресса с двухступенчатым приводом), верхней части станины с приводом и стола; сш, св, сст и со — жесткость шатуна, изгибная жесткость эксцентрикового вала в опорах станины, жесткость станины пресса и жесткость опоры основания.

График нагружения ползуна силой сопротивления поковки деформированию выражен в функции абсолютного перемещения ползуна с учетом упругой деформации элементов пресса. Для «жесткого» удара сила деформирования определяется как произведение переменной жесткости инструмента си на абсолютную его деформацию еи=x1+x4. Для условий нагружения гидравлическим нагружателем Рд=си (х1+х4). Для нагружения при штамповке детали Здесь х1 — абсолютное перемещение ползуна; х4 — перемещение стола; сн — жесткость нагружателя; сдi+1 — текущее значение переменной жесткости штампуемой детали, индексы i и i+1 обозначают предыдущее и последующее значение переменных величин. Последнее выражение Рдi+1 позволяет вводить в расчет нагрузочный график любой формы, однако для этого необходимо знать или задаваться законом изменения жесткости деформирования детали.

Зазоры в данном исследовании в любое упругое звено вводятся с помощью кусочно-линейной характеристики жесткости (рис. 20).

Рис. 20. Характеристики жесткости сочленения с зазором (узел подшипника с зазором) Динамическая модель включает в себя два колебательных контура — поступательный и крутильный, взаимодействие которых осуществляется через кривошипно-шатунный механизм.

Специальный эксперимент, позволяющий определить нагрузки в тех же элементах привода для КГШП мод. КБ8544, показал, что выполнение тех же технологических операций на пониженных скоростях (при пониженном числе ходов пресса) приводит к снижению динамических нагрузок до значений, близких статическим (рис. 21, а).

При этом расчетные результаты близки результатам, полученным экспериментальным путем. На рис. 21, б даны подобные расчетные результаты для КГШП мод. К8544.

На примере пресса К8544 с двухступенчатым приводом проведен анализ величин, влияющих на динамику нагружения элементов пресса.

В условиях эксплуатации давление воздуха в уравновешивателях иногда по тем или иным причинам ниже требуемой величины, что приводит к выборке зазоров в соединении шатуна с ползуном и эксцентриком ударным путем в момент начала выполнения технологической операции.

Увеличивающиеся в результате износа зазоры в элементах шатунно-кривошипной группы приводят к увеличению динамических нагрузок на шатун, станину, эксцентриковый вал; при этом прослеживается тенденция к снижению динамических нагрузок на валах привода (рис. 22).

Для анализа динамики при работе кривошипных прессов, в частности КГШП и ножниц, в предлагается принять модель, приведенную на рис. 23.

Рис. 22. Графики влияния величины зазора на величину коэффициента динамичности КГШП мод. К8544: а — суммарного зазора по шатуну (Дш); б — зазора в коренных опорах эксцентрикового вала (Дв); в — зазора в месте посадки ступицы маховика (Д12); г — зазора в месте посадки ступицы муфты (Д34); д — зазора в зубчатом зацеплении (Д23)

Особенностями модели являются:

— закрытая станина в виде двухмассового колебательного контура;

— открытый крутильный колебательный контур привода и поступательный контур, который замыкается усилием поастического сопротивления Fи, причем это замыкание осуществляется через функцию перемещения ползуна s=f (ц4);

— упругое опирание зубчатых колес при учете трех степеней свободы для каждого из них (рис. 24);

— учет изгибных и крутильных колебаний кривошипного вала. Жесткость Сt67 является приведенный жесткостью зубчатого привода между валом маховика и последней зубчатой парой, а J7 — соответственно приведенный момент маховика с приводом. Как показали исследования, такое приведение вполне допустимо, поскольку не искажает величины нагрузок, действующих на последнюю зубчатую пару и кривошипно-ползунный механизм.

В данной статье автор проводил исследования только для сортовых ножниц, для которых, на основании данной модели были подобраны упругие опоры и угол размещения малого колеса для уменьшения динамических нагрузок на детали пресса.

Из проведенного обзора можно сделать выводы о том, что развитие электронно-вычислительной техники позволило создавать все более сложные математические модели перегрузки и распора кривошипных прессов для учета тех или иных факторов, влияющих на динамику прессов. По видимому, по этой причине величины расчетных перегрузок для разных моделей различаются от 1,5 до 2,5 раза. Кроме того, в публикациях, авторы приводят структуру и математическое описание предлагаемых моделей, но результаты вычислений для КГШП показаны очень скудно. Наиболее полно представлены результаты расчетов только лишь в. Все это послужило предпосылкой для создания собственной модели перегрузки и распора кривошипных прессов.

Экспериментальные данные по замерам перегрузок на КГШП просто отсутствуют. Это связанно с тем, что при проведении таких экспериментов на реальной машине может привести к поломке ее деталей. Все испытания в основном проводят, нагружая ползун пресса гидравлическим домкратом, но такие испытания являются статическими.

1.4 Предохранители применяемые в кривошипных прессах Предохранительные устройства, или, как их просто называют — предохранители, можно разделить на две большие группы [15]:

1. Самовосстанавливающиеся, не требующие вмешательства рабочего после срабатывания предохранителя.

Рис. 25. Классификация средств защиты машин от перегрузки предохранителей

2. Несамовосстанавливающиеся.

Последние можно разделить на две подгруппы:

— разрушающиеся и требующие для возобновления работы замены сломавшегося предохранителя;

— неразрушающиеся.

На рис. 25 приведена классификация средств защиты от перегрузок, в число которых входят предохранители и приспособления, предупреждающие перегрузку. Все предохранители должны иметь электроблокировку, которая давала бы команду на отключение муфты включения и остановку ползуна пресса. Пример чисто электрического предохранителя представлен на рис. 26. Задав любую желаемую кривую изменения усилий по ползуну (предельную), мы автоматически получим отключение муфты и остановку ползуна при превышении усилия в любой точке ползуна в виде величины ординаты заданной предельной кривой. В настоящее время эти предохранители почти не применяются, так как их конструкция достаточно сложна и, что самое главное, слишком велико время их срабатывания, т. е. время от фиксации перегрузки до отключения муфты. Поэтому они не всегда могут надежно предохранить машину. В настоящее время проводится работа по усовершенствованию этого типа предохранителей.

Рис. 26. Схема электрического предохранителя:

1 — элемент, воспринимающий нагрузку на ползун и преобразующий ее в изменение электрического тока; 2 — потенциометр, вносящий поправку на неравномерность силовой характеристики пресса; 3 — усилитель; 4 — реле; 5, 6 — электромагнитные пускатели в цепи управления муфты сцепления и главного электродвигателя В последнее время для обнаружения сдвоенных заготовок подвижные части штампа изолируют и соединяют с низковольтной цепью постоянного тока, а неподвижную часть штампа, установленную на столе пресса, заземляют. При попадании в штамп нескольких заготовок цепь замыкается, и специальное реле мгновенно отключает пресс. Во время нормальной работы упор, устанавливаемый на ползуне, не дает цепи замкнуться.

Из приведенных на рис. 25 двух групп предохранителей наиболее удобной с точки зрения эксплуатации является группа самовосстанавливающихся предохранителей. Первый тип из этой группы предохранителей — предохранители электрические мы выше охарактеризовали. Далее идут предохранители пневматические, гидропневматические и гидравлические. Применяются подобные предохранители лишь на прессах с номинальным усилием свыше 1 МН ввиду сравнительно большой сложности этих устройств.

На рис. 27 показана схема гидропневматического предохранителя. Для возобновления работы пресса не требуется замены каких-либо деталей предохранителя или дополнительной регулировки их. В этом отношении этот предохранитель имеет большие преимущества перед гидропневматическим предохранителем с ломким диском (рис. 28), который относится по классификации (рис. 25) к группе разрушающихся предохранителей.

Поэтому применение этого типа предохранителя не рекомендуется. Необходимо отметить из этой же группы самовосстанавливающихся предохранителей конструкцию гидравлических предохранителей, применяемых для вытяжных прессов (рис. 29). В качестве устройств, компенсирующих перегрузку, могут применяться также гидравлические столы.

Рис. 29. Гидропредохранитель Бузинова

1 — манометр; 2 — кольцевой канал; 3 — щелевые отверстия; 4 — канавки в цилиндре; 5, 6 — полость над поршнем; 7, 8 — шатун; 9 — редукционный клапан; 10 — кулачок; 11 — манометр; 12 — резервуар; 13 — отверстие; 14 — конечный выключатель; 15 — кулачок; 16 — предохранительный клапан; 17 — клапан На рис. 30 представлена конструкция фрикционного предохранителя, применяемая в маховиках горячештамповочных прессов, горизонтально-ковочных машин и кузнечно-прессовых (высадочных) автоматов. Выбор предохранителей производится на основании следующих подсчетов. Расчетный крутящий момент предохранительной муфты где в=1,2 — коэффициент запаса; К0 — коэффициент, зависящий от конструкции предохранителя; для фрикционных дисковых муфт сухих К0 = 0,7;

для фрикционных дисковых муфт в масле К0 = 0,8;

где z — число поверхностей трения. Значения коэффициента трения f и допускаемого удельного давления приведены в табл. 4.

Усилие нажатия на диски Влиянием моментов инерции при подсчете Мрасч обычно для листоштамповочных кривошипных прессов пренебрегают.

Для горячештамповочных прессов и горизонтально-ковочных машин необходим учет момента инерции вращающихся частей. Расчетный момент предохранителя определяется по формуле, полученной в результате анализа и упрощения формулы, приведенной в работе (второй член в ней всегда <1%):

Таблица 4.

где Iм — момент инерции маховика; I2 — момент инерции деталей муфты и эксцентрикового вала; Iпр — момент инерции приемного вала; i2 — передаточное отношение зубчатой передачи; Мкр — крутящий момент на коленчатом валу; в — коэффициент запаса сцепления. Для исключения влияния инерции вращающихся масс желательно приближение предохранителя к источнику перегрузки, т. е. к ползуну. С этой точки зрения лучше выполнен фрикционный предохранитель, применявшийся в старых конструкциях горизонтально-ковочных машин (рис. 31). В них предохранитель связывался с зубчатой шестерней, свободно сидящей на приводном валу. В этом случае цепь деталей от источника перегрузки (ползуна) до предохранителя значительно уменьшается, что положительно сказывается на работе предохранителя.

Определение расчетного крутящего момента предохранителя производится в этом случае по формуле Обычно отношение составляет менее 2% от величины знаменателя формулы (6).

Поскольку правильность затяжки предохранительного устройства имеет первостепенное значение, для этой цели применяются специальные приспособления (рис. 32). Это устройство служит для затяжки шпилек предохранителя с тарельчатыми пружинами. Некоторые авторы [3], рекомендуют применение в качестве предохранителей фрикционных муфт включения. Однако ряд моментов показывает, что рационально использование как предохранителей лишь однодисковых муфт в машинах (например, в ножницах) и муфт прессов, работающих на автоматическом цикле. В остальных случаях не рекомендуется использовать муфты включения как фрикционные предохранители по следующим причинам. С ростом числа поверхностей трения и их размеров значительно ухудшается точность срабатывания предохранителя, что вызывается различным состоянием трущихся поверхностей. Применение в качестве предохранителей муфт включения на машинах, работающих одиночными ходами, не может быть рекомендовано в связи с тем, что возможные частые незначительные перегрузки вызовут проскальзывание дисков, которое не будет замечено обслуживающим машину персоналом. А частое проскальзывание вызовет разогрев дисков и их повышенный износ, что приведет к быстрому выходу из строя обкладок муфты и необходимости их частой замены. Некоторые авторы предполагают, что, меняя по желанию давление в воздушной полости муфты, можно получать любое необходимое предельное усилие на ползуне. В этом случае нормальная работа пресса во многом будет зависеть от стабильности давления подаваемой в муфту воздуха.

Рис. 30. Фрикционный дисковый предохранитель горячештамповочного пресса Рис. 31. Фрикционный предохранитель горизонтально-ковочной машины Внедрение однодисковых муфт с ретинаксом, материалом более износостойким, создает условия для применения муфт как предохранителей. При этом рабочее давление воздуха в муфте определяется опытным путем (срабатывание на самой тяжелой операции). После этого давление воздуха увеличивается на 0,5 кГ/см2. Другой способ использования муфт как предохранителей — прекращение подачи воздуха в муфту на половине хода ползуна и дальнейшее понижение давления до необходимого путем применения выхлопных клапанов, действующих от кулака. Сделана попытка углубленно рассмотреть работу предохранителей с учетом динамики их срабатывания. Однако в этой работе не проводились опыты при удельных давлениях порядка 20 кГ/см2, при которых работают фрикционные предохранители в современых горяче-штамповочных прессах.

Рис. 32. Схема приспособления для затяжки фрикционного предохранителя:

1 — гайка; 2 — нажимное кольцо; 3 — натяжная гайка Следующая большая группа самовосстанавливающихся предохранителей— это предохранители пружинные. Необходима отметить, что они не получили распространения в кривошипных прессах и ими незаслуженно пренебрегают. На рис. 33 приведены примеры таких предохранителей, конструкции которых ясны из рисунков и не требуют описаний.

Более сложный предохранитель предложен чешскими конструкторами для ползуна кривошипного горячештамповочного пресса усилием 700 тс (рис. 34), однако практика применения предохранителя говорит о необходимости конструктивной era переработки.

Выбору предохранителей с пружинами тарельчатого типа без рычагов посвящена работа [30], где рекомендуется постановка предохранителей по рис. 35, а, б в пакет штампов или по рис. 35, в в шатун пресса. Следует отметить, что сомнительна содержащаяся в статье рекомендация об использовании подобных предохранителей не в конце хода ползуна, а в любой точке его хода’со снабжением предохранителя микровыключате-лем для быстрого выключения муфты и остановки ползуна пресса. В действительности муфта не успеет выключиться и может произойти поломка пресса.