1.3. Современные методики и состояние проектных расчетов кузнечно-прессовых машин

Все основные алгоритмы, используемые при автоматизированном проектировании кузнечно-штамповочного оборудования на этапе составления предварительного чертежа, основываются на традиционных методиках проектных расчетов, которые в настоящее время выполняются в следующей последовательности.

1. Определяется технологический процесс и параметры технологического процесса штамповки деталей заказчика или принимается технологический процесс штамповки типовой расчетной поковки.

1.1. Строятся графики сил деформирования в функции перемещения ползуна Рд(S), которые определяют нагружения пресса на ходе деформирования. Для типовой расчетной поковки штампуемой на прессах номинальной силой до 80 МН включительно графики строятся по параметрам приведенным в работе, а для расчетной поковки графики строятся по параметрам, полученным экстраполяцией.

1.2. Работа деформирования, совершаемая прессом, определяется интегрированием зависимости Рд(S) на ходе деформирования.

1.3. Определяются скоростные характеристики технологического процесса: задаются скорость рабочего инструмента на ходе деформирования Vд и время деформирования tд с учетом рекомендуемых при штамповке на кривошипных прессах значениях скорости инструмента в диапазоне 0,1…0,5 м/c /214/ и времени силового контакта инструмента с поковкой в диапазоне 0,03…0,08 с.

2. Строятся машинный и технологический циклы работы пресса.

2.1. При построении этапов машинного цикла пресса учитываются скорость рабочего инструмента на ходе деформирования Vд и производительность пресса, определяемая частотой непрерывных ходов и наибольшей частотой одиночных включений пресса. Производительность пресса определяется заказчиком и реализуется наибольшей частотой одиночных включений пресса, которая также может быть выбрана из разработанного размерного ряда тяжелых кузнечно-прессовых машин.

Скоростные режимы работы пресса на этапах отличных от хода деформирования определяются из условия производительности пресса или регламентируемого заказчиком в заявке и из условия динамических нагрузок, возникающих при работе пресса.

2.2. При построении этапов технологического цикла пресса учитываются затраты времени на вспомогательные операции технологического процесса: загрузка заготовки и выгрузка отштампованной поковки, очистка штампа от окалины, смазка штампа и тому подобные операции. При определении времени технологической паузы учитывается степень автоматизации пресса.

3. Конструктивная схема пресса определяется с учетом выработанных в разделах 1 и 2 рекомендаций.

4. Определение конструктивных параметров пресса в части размеров его штампового пространства

При определении штампового пространства исходят из принятого технологического процесса, размеров заготовки и штампуемой детали, а также учитывают как технологическую оснастку (блок штампов со сменными вставками, элементы нагрева и охлаждения матриц и штампа, систему сдува окалины и смазки штампа), так и средства автоматизации загрузки заготовки, перекладки поковки по позициям штампа и выгрузки заготовки.

5. Кинематический и статический расчеты кривошипно-ползунного механизма осуществляются аналитическими методами в предположении отсутствия зазоров в кинематических парах, абсолютной жесткости звеньев и заданной постоянной частоты вращения кривошипа. Целью проведения многовариантного расчета проводимого в соответствие с разработанными алгоритмом и программой на ПЭВМ является определение основных размеров механизма (радиус кривошипа, длина шатуна, диаметры опорных подшипников эксцентрикового вала и подшипников головок шатуна), кинематических характеристик перемещения ползуна и зависимости крутящего момента на кривошипе в функции угла поворота кривошипа. Также определяется допустимое усилие на ползуне в функции перемещения ползуна с учетом упругой деформации пресса.

6. Расчет главного электропривода состоит в определении мощности электродвигателя и момента инерции маховика необходимых для выполнения работы деформирования при заданной производительности и максимальном значении КПД пресса и при ограничениях по допустимому нагреву электродвигателя и динамической устойчивости электропривода.

7. Целью расчета клиноременной передачи является определение необходимого числа ремней, обеспечивающих работоспособность передачи в течение заданного срока эксплуатации. При расчете проверяются условия соответствия допустимым значениям окружной скорости ремня и угла охвата ремнем ведущего шкива.

8. Фрикционный предохранитель маховика рассчитывается по запасу сцепления не допускающему перегрузки зубчатой передачи привода и проскальзывание дисков муфты. Определяются количество и параметры пакетов тарельчатых пружин, величина предварительной осадки пружин, параметры фрикционных элементов.

9. Целью расчета на долговечность приводного вала является определение геометрических параметров опасного сечения вала, испытывающего напряжения изгиба и кручения.

10. Целью расчета подшипника качения является определение его типоразмера, обеспечивающего требуемую долговечность при заданных осевой и радиальной нагрузках.

Для подшипников приводного вала моделированием по МКЭ производится определение усилия предварительной затяжки крепления крышки опоры корпуса подшипника по условиям: не раскрытия стыка по разъему опор под действием радиальных сил, создания гарантированного натяга между крышкой и корпусом, обеспечения при деформации корпуса заданного зазора между корпусом и подшипником.

11. Расчет геометрии зубчатых передач привода с целью проверки отсутствия подрезания и интерференции зубьев, достаточности коэффициентов торцевого перекрытия и ширины вершины зуба выполняются при назначенных числах зубьев, модуля, углов наклона, коэффициентов смещения. Расчет долговечности зубчатых передач с целью определения ее ресурса работы до первого капитального ремонта выполняется по условиям контактной выносливости и выносливости при изгибе зубьев шестерни и колеса.

12. Расчет клиновых шпоночных соединений посадок шестерни на приводной вал и ступицы тормоза на эксцентриковый вал проводится с целью обеспечения передачи требуемых крутящих моментов и прочности соединений.

13. Целью расчетов муфты и тормоза является обеспечение работоспособности системы управления пресса. Конструктивные параметры муфты определяются из условия передачи заданного крутящего момента при запасе сцепления обеспечивающем предохранение зубчатой передачи привода от перегрузки. Конструктивные параметры тормоза определяются из условия обеспечения торможения кривошипно-ползунного механизма за время, не превышающее требования техники безопасности эксплуатации пресса.

Блокирование совместной работы муфты и тормоза при включении и отключении хода ползуна проверяется при расчете временных параметров срабатывания муфты, тормоза и электро- и пневмоэлементов системы управления. Расчеты временных параметров работы системы управления и времени кинематического хода ползуна, допускаемой температуры поверхностей трения определяют наибольшее число одиночных ходов ползуна пресса в минуту. Расчет износа фрикционных элементов определяет их ресурс эксплуатации и периодичность регулировок дисков муфты и тормоза.

14. Расчет фрикционного соединения с натягом ступицы муфты с эксцентриковым валом (с конической втулкой между валом и ступицей) проводится моделированием по МКЭ контактного взаимодействия ступицы, втулки и вала с целью определения требуемого диаметрального натяга в соединении ступица – втулка при заданном запасе сцепления. При моделировании съема ступицы оптимизируются распорное гидравлическое давление в стыке ступицы с втулкой и усилие съема ступицы. Полученное усилие съема используется при расчете съемника ступицы.

15. Расчет двух эксцентрикового вала выполняется в два этапа. Размеры вала для заданной номинальной силы пресса и хода ползуна определяются приближенно в зависимости от диаметра опорных шеек и соотношениям основных размеров вала и уточняются при его расчете в виде одномерной модели изгибаемого ступенчатого стержня на опорах, рассматриваемых как сплошные упругие основания. Определение деформации вала и его напряженного состояния осуществляется в рамках расчета по МКЭ единой контактной системы станины и исполнительного механизма пресса, а максимальные значения напряжений в опасных сечениях являются исходными данными при расчете долговечности вала.

16. При расчете подшипников скольжения исполнительного механизма исходят из допустимого тепловыделения на единицу поверхности трения и заданных, в функции поворота эксцентрикового вала зависимостей усилия при принятой технологической операции и скорости относительного линейного перемещения элементов цапфы. Расчет при заданном наибольшем числе включений проводится с целью оптимизации подшипника по параметрам диаметра, длины и минимального зазора в диапазонах конструктивных ограничений.

17. Расчет трех опорной оси соединения через регулировочную втулку двух шатунов с ползуном пресса с целью определения размеров оси по условиям прочности выполняется в виде одномерной модели изгибаемого стержня на опорах, рассматриваемых как сплошные упругие основания.

18. Расчет расположенного в ползуне механизма регулировки закрытой высоты пресса состоит в определении необходимой мощности электродвигателя и усилия в винте при выполнении прессом технологической операции. По условиям прочности определяется размер трапециидальной резьбы гайки. В зависимости от конструктивного исполнения привода механизма регулировки проводятся расчеты геометрии и прочности червячной передачи или ортогональной конической передачи с круговыми зубьями.

19. Расчет применяемых в тяжелых кузнечно-прессовых машинах уравновешивателей с отсечкой полости уравновешивателя от ресивера состоит в определении параметров пневмоцилиндра, ресивера и цепи трубопровода от ресивера к цилиндру уравновешивателя.

Целью расчета является получения зависимости усилия уравновешивателя в функции хода ползуна, обеспечивающей уравновешивание ползуна, штампа и эксцентриков вала на всем ходе ползуна и полную одностороннюю выборку зазоров в подшипниках коренных опор эксцентрикового вала к моменту нагружения ползуна технологическим усилием. Диаметр штока, толщина стенки пневмоцилиндра и болты крепления днища к станине определяются из условия прочности.

20. Расчет станины осуществляется при конечно-элементном моделировании контактного взаимодействия единой системы деталей пресса, с учетом проектных зазоров, и штампового блока, нагружаемых усилием затяжки станины и технологическим усилием. Расчет проводится в три этапа. На первом этапе определяется требуемое усилие затяжки по условию нераскрытая стыка стойка – стол при нагружении пресса заданным критическим усилием. На втором этапе рассчитывается станина, нагружаемая усилием ее затяжки.

Определяются: вертикальные деформации станины и стяжных шпилек по осям последних; деформации подшипников коренных опор эксцентрикового вала; нормальные давления в стыках станины и размеры контактных поверхностей корпуса подшипника; экстремальные значения напряжений в наиболее нагруженных зонах деталей станины и корпуса подшипника коренных опор.

На третьем этапе рассчитываются станина, детали исполнительного механизма и штамповый блок, нагружаемые усилием затяжки и внецентренным технологическим усилием.

При этом определяются: суммарная вертикальная деформация собственно пресса и системы пресс – штамп, жесткость пресса, баланс деформаций деталей пресса и штампового блока, угловая деформация пресса и баланс угловых деформаций деталей пресса; усилия в стяжных шпильках и в стыке стол – стойка; нормальные давления на контактных поверхностях деталей пресса (включая поверхности бронзовых подшипников скольжения) и штампового блока; распределения силовых потоков в деталях исполнительного механизма и станины пресса; доли опрокидывающего момента замыкающиеся на станине через детали исполнительного механизма и направляющие ползуна; усилия в шпонках, фиксирующих детали составной станины; экстремальные значения напряжений в наиболее нагруженных зонах деталей пресса. Данные, полученные при расчете пресса по МКЭ, используются для:

- проектирования и расчета гидроустройства для затяжки станины и вывода пресса из распора;

- назначения оптимальных проектных зазоров в подшипниках коренных опор эксцентрикового вала и регулирования предварительного напряженного состояния корпуса подшипника и клина;

- уменьшения контактных деформаций в стыках пресса, назначения проектных зазоров и условий смазки в подшипниках скольжения исполнительного механизма;

- установления рабочей точности пресса и определения зон допустимых внецентренных нагружений;

- повышения долговечности силовых деталей и снижения их массы.

21. При расчете гидроустройства для вывода пресса из распора по заданному критическому усилию определяется количество плунжеров, диаметр их гидрополости и требуемое давление жидкости, а затем по условиям прочности рассчитываются размеры корпуса и замков плунжеров. По значениям допустимых контактных давлений и усилию в стяжной шпильке при нагружении пресса определяются размеры проставок.

22. Определение зон допустимого внецентренного нагружения позволяет оценить силовые возможности пресса при многопозиционной штамповке по заданным технологическим усилиям на каждом переходе. Алгоритм расчета построен на последовательном определении податливостей элементов пресса, подвергающихся воздействию эксцентричных нагрузок.

Давления на контактных поверхностях направляющих ползуна находятся в результате решения итерационным методом системы уравнений, выражающих длины поверхностей контакта по направляющим в функции: усилий, действующих на ползун, жесткостей ползуна и направляющих, длины направляющих и зазоров в них.

Расчет зон допустимого внецентренного нагружения по критериям: прочности шатуна, пальца, эксцентрикового вала, станины верхней, стола; допустимых давлений в направляющих ползуна и подшипниках ползунных головок шатуна, коренных и шатунных опор эксцентрикового вала; разнотолщинности поковки; смещения плоскостей разъема штампа реализован в виде программы для ПЭВМ.