Инжиниринг оборудования для обработки материалов давлением кузнечно-прессовые машины. Учебное пособие

операции горячей штамповки; чеканочные прессы, которые служат для плоскостной и объемной калибровки штампованных деталей, гибочные прессы для горячей и холодной гибки сортового проката, обрезные прессы, радиально-ко- вочные машины.

Автоматы для объемной штамповки применяются в основном для холодной штамповки крепежных деталей, шариков, роликов и других деталей, горячей штамповки гаек, колец и подобных деталей массового производства, гибки труб и деталей из сортового проката и проволоки.

Приведенная классификация не является исчерпывающей, но и она показывает, насколько широко применяются кривошипные машины для разнообразных технологических операций.

Принцип действия кривошипных машин основан на использовании для деформирования металла кинетической энергии вращательного движения маховика, которая передается исполнительному механизму – ползуну с помощью кривошипно-шатунного или эксцентрикового механизма. Во время рабочего хода часть этой энергии расходуется на полезную работу деформирования заготовки. Кинематическая схема кривошипной машины показана на рис. 3.2.

Принцип его работы следующий. От электродвигателя 7 через клиноременную передачу и шкив 6 вращение передается маховику 5, находящемуся на приводном (промежуточном) валу 8. С противоположной стороны на этом валу закреплено зубчатое колесо 9, которое входит в зацепление

сзубчатым колесом 9, свободно вращающимся на кривошипном валу 10. Передача вращающего момента с вала 8 на кривошипный вал 10 осуществляется с помощью фрикционной муфты 11 с электропневматическим управлением.

Вращаясь, вал 10 через шатун 2 приводит в возвратнопоступательное движение ползун 1, в нижней части которого крепится верхняя половина штампа. Нижняя половина штампа крепится к подштамповой плите 14 стола пресса 15

склином.

11

Рис. 3.2. Принципиальная кинематическая схема кривошипного пресса: 1 – ползун; 2 – шатун; 3 – тормоз; 4 – тормоз маховика; 5 – маховик; 6 – клиноременная передача; 7 – электродвигатель; 8 – приемный вал;

9 – зубчатая передача; 10 – кривошипный (эксцентриковый) вал; 11 – муфта; 12 – зубчатая передача; 13 – направляющая; 14 – клин стола; 15 – стол

Для останова вращения кривошипного вала в крайнем верхнем положении (или аварийного останова в любом положении) служит тормоз 3. Управляют прессом от кнопочной станции или ножной педали. Имеется тормоз маховика 4.

Структура современных кривошипных прессов сложна: машина насчитывает более десяти узлов и несколько сотен деталей. Каждая машина имеет исполнительный механизм, ведущим звеном в котором является кривошип (эксцентрик), рабочим – ползун. Основными деталями механизма являются коленчатый вал, шатун, ползун. Для приведения в действие исполнительного механизма служит привод – трансмиссия от электродвигателя к коленчатому валу, которая, как правило, состоит из клиноременной передачи (от двигателя к маховику) и нескольких зубчатых передач.

В системе привода для соединения или отключения от исполнительного механизма имеется муфта, а для остановки коленчатого вала – тормоз. Включение и выключение муфты и тормоза осуществляется с помощью системы управле-

12

ния, которая состоит из электрических приборов, пневматических, гидравлических и других механизмов.

Кроме перечисленных узлов, в кривошипной машине имеются предохранители от перегрузки, уравновешивающие устройства, гидравлические или пневматические подушки в столе или ползуне, система смазки, а также узлы, обеспечивающие удобство и безопасность работы на прессе: механизм регулирования штамповой высоты, механизмы крепления штампов, указатели усилия, предохранительные решетки штампового пространства и другие узлы. Все узлы объединяются в одно целое и монтируются на станине. Станина, как правило, служит замыкающим звеном в силовой цепи пресса. Источником энергии пресса служит, как правило, устанавливаемый на нем асинхронный электродвигатель

спускорегулирующей электроаппаратурой. Узел электрооборудования машины может состоять из нескольких электродвигателей. Асинхронный электропривод за время технологического цикла t разгоняет маховик и все ведущие звенья

смоментом инерции J до установившейся угловой скорости0 и сообщает линии привода кинетическую энергию вращательного движения маховика:

Несмотря на разнообразие типов кривошипных машин, у всех них имеется много общего с точки зрения кинематики, конструктивного оформления узлов и т.п. Поскольку отдельные узлы различных кривошипных машин имеют сходную конструкцию, для их расчета применяются одинаковые методы, их детали имеют сходные расчетные схемы. Это значительно упрощает рассмотрение всего многообразия нагружения узлов и деталей кривошипных машин.

Исполнительный механизм пресса (кривошипный вал, шатун, ползун) выполняет заданный процесс формообразования, то есть обеспечивает определенное перемещение обрабатывающего инструмента пресса относительно обра-

13

батываемого материала для получения детали с заданными размерами, качеством поверхности и другими параметрами.

В практике распространены в основном четыре группы исполнительных механизмов (рис. 3.3), с помощью которых обеспечиваются различные условия, которые вытекают из требований рационального проведения технологического процесса штамповки.

Рис. 3.3. Группы исполнительных механизмов кривошипных машин

К первой группе (см. рис. 3.3 (1.1, 1.2)) относятся универсальные машины, которые нашли наиболее широкое применение в производстве. Основное условие для таких машин – достаточно большая производительность и выполнение условий перемещения. Для этого типа машин наибольшее распространение получил центральный кривошип- но-шатунный механизм.

Во вторую группу (см. рис. 3.3 (2.1, 2.2)) машин входят механизмы, которые используются для преодоления больших сопротивлений деформации при относительно малом моменте на приводе. Эти механизмы отличаются значительным снижением скорости исполнительного звена на какомлибо участке хода.

14

Третья группа (см. рис. 3.3 (3.1, 3.2)) наиболее распространена, в нее входят кривошипно-коленный и кривошип- но-рычажный механизмы. Третья группа исполнительных механизмов предназначена для увеличения хода и регулирования скорости исполнительного звена (снижения и выравнивания) на определенном участке хода. Простейшим механизмом этой группы является рычажный механизм.

Четвертая группа (см. рис. 3.3 (4.1, 4.2)) механизмов позволяет осуществлять остановку ползуна в течение определенной части цикла. Простейшим механизмом здесь является кулачковый, который отличается от кривошипного механизма наличием высшей пары в сочленении и переменностью радиуса кривошипа.

Для большинства кривошипных машин разработаны государственные стандарты (ГОСТы), где указаны основные параметры и размеры машин и механизмов. Совокупность главных размерных параметров кривошипных машин составляет размерные ряды стандартов.

Главной величиной кривошипных машин, регламентируемой стандартами, является номинальная сила Рн, развиваемая ползуном исполнительного механизма на участке перед крайней нижней точкой хода ползуна. Этот участок, который измеряется в угловых единицах поворота главного вала, называется номинальным углом н. Величина номинального угла зависит от технологического назначения и конструкции пресса и ограничивается прочностью деталей привода: главного вала и зубчатой передачи. Обычно этот параметр находится в пределах 3–5 – для горячештамповочных прессов; 30–40 – для листоштамповочных одностоечных и свыше 60 – для двухстоечных прессов.

Скоростные параметры характеризуют быстроходность пресса – число непрерывных ходов в минуту и регламентированы стандартами.

Следует отметить, что максимальное значение скорости ползуна, ее значение в начале рабочего хода и характер изменения скорости во время деформирования являются рас-

15

четными величинами. Они зависят от кинематики рабочего механизма и стандартами не обусловливаются. В то же время начальная скорость деформирования является важной технологической характеристикой, и ее следует учитывать. Обычно начальная скорость деформирования находится в пределах 0,2–0,3 м/с – для листоштамповочных прессов, 0,4–0,5 м/с – для горячештамповочных и 0,1–0,15 м/с – для кривошипно-коленных прессов.

Технологические линейные параметры характеризуют размеры рабочего пространства машины: площадь и размеры стола, площадь и наибольший ход (или пределы изменения) ползуна, которые определяют габариты штампов, исходной заготовки и готового изделия. Эти параметры вносят в стандарты.

Задачей кинематического исследования любого механизма является установление функциональной связи между заданными перемещениями ведущего звена и перемещениями, скоростью и ускорением рабочего звена, т.е. установить путь, скорость и ускорение ползуна.

Тип кривошипного вала (кривошипный, коленчатый или эксцентриковый) для расчета кинематики кривошипной машины значения не имеет. Обобщенная схема кривошипношатунного механизма представлена на рис. 3.4.

Связь между перемещением S (м), углом поворота кривошипа (град) и радиусом кривошипа R (м) определяется по выражению

где – коэффициент длины шатуна ( = R / L).

Параметр определяется в соответствии с условиями конструктивной осуществимости механизма. Значения для прессов разного технологического назначения приведены в табл. 3.1. Чем больше величина при заданном ходе, тем меньше габариты пресса, но силовые условия работы пресса ухудшаются: растут сила, действующая на шатун, давление на направляющие и крутящий момент.

16

e

0

R Кривошип

A B2 L

Шатун

H

Рис. 3.4. Схема кривошипно-шатунного механизма: R – радиус кривошипа; – угол поворота кривошипа;

– угол отклонения шатуна от вертикальной оси;

Н– ход шатуна; S – перемещение ползуна; L – длина шатуна; e – эксцентриситет кривошипного механизма

Связь между R и L, а также между углами и можно

Скорость ползуна определяется как первая производная по времени. Принимая во внимание (3.2), после его интегрирования получим:

Ускорение ползуна найдем как первую производную скорости v по времени w = dv / dt, учитывая соотношение (3.3),

17

n

где – угловая скорость кривошипа (c–1), 300 , а n0 – номинальная частота вращения кривошипа (об/мин).

Таблица 3.1

Значения для различного типа кривошипных прессов

3.2. Определение силовых параметров кривошипных машин

Поскольку деформирование заготовки происходит в конце хода ползуна при относительно малых углах то, учитывая этот факт и не учитывая трение, можно получить более простые приближенные характеристики параметров кривошипных машин [13].

Для малых углов перемещение ползуна до крайнего нижнего положения будет описываться соотношением

Скорость ползуна получаем путем дифференцирования уравнения (3.6), опуская малые величины второго порядка:

18

ния кривошипного (эксцентрикового) вала или быстроходности (числу ходов ползуна в минуту) пресса. Увеличения скорости ползуна и сокращение времени контакта штампа с поковкой, что важно для увеличения стойкости штампов в прессах горячей штамповки, можно достигнуть только увеличивая быстроходность пресса.

Крутящий момент по кривошипному валу с радиусом R из треугольника сил (см. рис. 3.4) получим по выражению

Mк RT RP sin .

В таком случае создаваемое крутящим моментом номи-

При постоянной величине крутящего момента Mк , передаваемого муфтой, величина деформирующей силы, развиваемая прессом, переменная. Она может достигать больших значений (бесконечности при 0 по формуле (3.7), если не превышен крутящий момент муфты и она не проскальзывает) в исходном верхнем положении ( = 180 ) и конечном нижнем ( 0) положении ползуна и минимальная в середине хода ( = 90 ). Для ограничения номинальной силы пресса применяют специальные элементы конструкции – предохранители. Поэтому диаграмма сил PD , требующихся для выполнения технологической операции, должна располагать-

ся ниже графика допустимых деформирующих сил пресса

PD .

19

При встрече с заготовкой во время рабочего хода SD ведущее и ведомые звенья замедляют движение до значения конечной угловой скорости 1 1 н 0 . Эта скорость обусловлена номинальным скольжением асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором (с нормальным н = 0,08– –0,12 или повышенным скольжением н = 0,15–0,2).

Соответствующая часть накопленной кинетической энергии маховика и других звеньев называется эффективной энергией пресса

и расходуется на работу деформирования AД для выполнения технической операции с силой PD на перемещение SD .

Величина энергии (работы) деформирования, которую может затратить пресс, меньше эффективной энергии по зависимости (3.8) из-за потерь на трение и упругую деформацию станины и других элементов конструкции пресса. Эти потери можно оценить при помощи коэффициента полезного действия рабочего хода Д 0,35–0,5 [13]:

В свою очередь, величина эффективной энергии, которую должен восполнить электродвигатель перед началом каждого следующего цикла, зависит от номинального скольжения асинхронного двигателя. Для электродвигателя с повышенным скольжением н = 20%, отсюда 1 0,8 0 , и из выражения (3.9) следует:

Только около 36% эффективной энергии пресса, запасенной маховиком, можно использовать во время рабочего хода. Обычно скольжение н электродвигателя составляет 0,08– 0,12, и используемая энергия меньше.

20