Глава 1. Основы ПроектированиЯ механических прессов

1.1. Традиционная методика проектирования механических прессов

Проектирование узлов и деталей механических прессов, выбор пресса для реализации конкретной технологической операции, проектирование инструмента, оснастки и средств автоматизации выполняют по параметрам технической характеристики машины и основным размерам сопрягаемых узлов и деталей, указанным в соответствующих ГОСТах.

К основным параметрам кривошипной машины относятся номинальное усилие, номинальный недоход, полный ход ползуна, число холлов ползуна в минуту, размеры в плане ползуна и стола пресса, величины регулировок хода ползуна, размеры штампового пространства, ход и усилие выталкивателей. Главным параметром является номинальное усилие, развиваемое исполнительным механизмом машины.

Все механизмы и узлы механических прессов функционально связаны между собой (рис. 1).

Исполнительный механизм кривошипных машин предназначен для приведения (преимущественно с помощью рычажного механизма) в движение рабочего органа машины – ползуна с усилием и скоростью, необходимыми для преодоления сопротивления заготовки деформированию.

При этом различают главный исполнительный (ГИМ) и дополнительный исполнительный механизмы. Первый непосредственно обеспечивает процесс деформирования, второй – способствует созданию заданной схемы напряженного состояния, например, прижим листа при вытяжке зажим заготовки при наборе металла и т.п.

Рис. 1. Структурная схема механических прессов

Привод (главный) представляет собой систему механизмов начиная от электродвигателя и заканчивая исполнительными механизмами и обеспечивает преобразование электрической энергии в механическую с последующей передачей ее на входное звено (звенья) исполнительного механизма. В общем случае главный привод кривошипной машины объединяет электродвигатель переменного тока, маховик – накопитель кинетической энергии, системы передачи энергии к исполнительному механизму, включающие клиноременные, зубчатые или червячные передачи.

Система включения – совокупность механизмов и узлов, обеспечивающих пуск и останов всех двигателей и приводных вспомогательных механизмов и подчинение их работы заданной программе, а также пуск и отключение исполнительного механизма. Кривошипные машины – это нереверсивные машины прерывистого действия, исполнительный механизм которых необходимо включать для совершения рабочего хода или серии ходов при работе в автоматическом режиме и отключать после завершения технологической операции.

Система смазки должна обеспечивать нормальную работу трущихся деталей узлов и механизмов машины.

Вспомогательные механизмы объединяют группу узлов машины, предназначенных для расширения технологических возможностей проектируемого оборудования, облегчения и ускорения наладки машин и инструмента, повышения эксплуатационной надежности оборудования.

Станина служит для монтажа и фиксации в заданном положении всех основных узлов и деталей машин и является замыкающим звеном, воспринимающим усилие деформирования. Работа и расчет станины непосредственно связаны с фундаментом машины.

При проектировании механических прессов, которое состоит из ряда сложившихся этапов, развертывается целый комплекс работ, в общем случае, состоящей из двух этапов: расчетов и разработке конструкторско-технологической документации.

При проектировании механических прессов принимаются во внимание следующие аспекты: прочность, выполнение служебного назначения и обслуживание, материал и технологичность конструкции. Проектирование с учетом прочности и выполнения служебного назначения предполагает использование методов механики, сопротивления материалов, теорию упругости и материаловедение. На различных этапах проектирования используют основные виды расчетов, которые можно классифицировать следующим образом:

0. - контрольные или проверочные расчеты. Служат для проверки уже сконструированной детали. Контрольный расчет проводят на упрощенной по сравнению с действительной адекватной модели, что объясняется значительно меньшими объемами расчетов и как следствие большой экономичностью таких моделей. При этом проверяется не выходит ли значения отдельных параметров за допустимые пределы;

1. - параметрические расчеты. Служат для конструирования деталей с учетом их соответствия выполняемым функциям. Они позволяют определить размеры деталей в зависимости от предъявляемых требований. При этом параметрические программы включают в себя, как правило, программы контрольных расчетов. Ядро таких систем может состоять нескольких модулей, предназначенных для расчета того или иного вида соединений. Необходимые отдельным модулям данные о стандартах и материалах автоматически выбираются из включенных в систему баз данных, содержащих стандарты и характеристики материалов;

2. - оптимизационные расчеты. При выполнении оптимизационных расчетов учитываемые переменные варьируются до тех пор, пока определенная величина или определенная функция не достигнет экстремального значения (оптимума);

3. - оценка. Любое техническое задание может быть решено различными способами, для чего на конкретной стадии конструирования используются оценочные методы. Поэтому с целью оптимизации статических и динамических параметров и термических характеристик создают оценочные модели, которые используются для систематического конструкторского процесса при разработке и оценке структур машин.

Анализ состава проектировочных расчетов позволяет выделить: кинематический расчет кривошипно-коленного или колено-рычажного механизмов, статический расчет кривошипно-коленного или колено-рычажного механизмов, расчеты на прочность и геометрию зубчатых передач, расчет допускаемых сил на ползуне, расчет коленчатых валов, расчет моментов инерции вращающихся частей привода, расчет потерь энергии при холостом ходе пресса, расчет главного электропривода, расчет муфты и тормоза, расчет наибольшего числа включений, расчет на прочность валов, осей, расчет уравновешивателей, расчет станины, ползунов и шатунов, расчет подшипников качения и скольжения, регулировки штамповой высоты.

Проектные расчеты выполняются в приведенной ниже последовательности:

1. установление основных технических параметров кривошипно-коленного или кривошипно-рычажного пресса. По соглашению с заказчиком, машины могут быть выполнены по государственным стандартам (ГОСТы), где даны основные параметры и размеры или выбираются на основе изучения технологического процесса;

2. определяется технологический процесс и параметры технологического процесса штамповки деталей заказчика или принимается технологический процесс штамповки типовой детали;

3. строятся графики сил деформирования в функции перемещения ползуна, которые определяют нагружения пресса на ходе деформирования. Работа деформирования, совершаемая прессом, определяется интегрированием зависимости на ходе деформирования;

4. определяются скоростные характеристики технологического процесса: задаются скорость рабочего инструмента на ходе деформирования V_д и время деформирования t_д с учетом рекомендуемых при штамповке на кривошипно-коленных иди кривошипно-рычажных прессах значениях скорости инструмента;

5. строятся машинный и технологический циклы работы пресса. При построении этапов машинного цикла пресса учитывается скорость рабочего инструмента на ходе деформирования V_д и производительность пресса, Производительность пресса определяется заказчиком и реализуется наибольшей частотой одиночных включений пресса. 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 т.д.;

6. конструктивная схема пресса определяется с учетом выбранных в разделах 1,2,3,4 и 5 рекомендаций;

7. кинематический и статический расчеты главного исполнительного механизма (ГИМ) осуществляются аналитическими методами в предположении отсутствия зазоров в кинематических парах, абсолютной жесткости звеньев и заданной постоянной частоте вращения кривошипа. В задачу исследования ГИМ входит установление функциональной связи между заданными перемещениями ведущего звена и перемещением, скоростью и ускорением рабочего звена. Целью проведения многовариантного расчета, проводимого в соответствии с разработанными алгоритмом и программой на ЭВМ, является определение основных кинематических характеристик перемещения ползуна и зависимости от крутящего момента на кривошипе в функции угла поворота кривошипа.

8. расчет допускаемых сил на ползуне осуществляется по условию усталостной прочности коленчатого вала, зубчатой передачи, нагрузочной способности муфты.

9. расчет моментов инерции вращающихся частей привода необходим при расчете главного привода и связан с потерями энергии при разгоне маховых линейно движущихся масс;

10. расчет потерь энергии при холостом ходе пресса осуществляется при расчете главного привода пресса. Потери энергии при холостом ходе пресса учитывают потери в клиноременной и зубчатой передачах, в подшипниках и шарнирах главного исполнительного механизма и направляющих ползуна.

11. 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;

12. целью расчета клиноременной передачи является определение необходимого числа ремней, обеспечивающих работоспособность передачи в течении заданного срока эксплуатации. Для расчета клиноременной передачи должны быть известны следующие исходные данные: мощность N_д, передаваемая ремнями; число оборотов вала электродвигателя n_д; расчетные диаметры малого D₁ и большого D₂ шкивов; тип ремня; высота h_P и площадь F_P его сечения; расчетная длина L_P и число z_p ремней в передаче; число смен m_C работы машины в сутки; коэффициент режима работы ремней. Расчет клиноременной передачи производится по известным зависимостям деталей машин;

13. расчет геометрии зубчатых передач привода выполняется 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 и выполняется по условиям контактной выносливости и выносливости при изгибе зубьев шестерни и колеса;

14. расчет уравновешивателей состоит в определении параметров пневмоцилиндра, ресивера и цепи трубопровода от ресивера к цилиндру уравновешивателя. Целью расчета является получение зависимости усилия уравновешивателя в функции хода ползуна, обеспечивающей уравновешивание ползуна, штампа на всем ходе ползуна в и полную одностороннюю выборку зазоров в подшипниках коренных опор коленчатого вала к моменту нагружения ползуна технологическим усилием.