Живов_Кузнечно-штамповочное оборудование

Раздел IV. МОЛОТЫ

Линия_ соударения

Лини^

соударения

Рис. 18.1. Схемы бесшаботного молота с механической (а) и гидрав­ лической (б) связью

ты набирают из нескольких десятков тонких стальных полос марки 45 или 50 толщиной 0,3 — 0,8 мм при ширине 120... 130 мм. Полосы рекомендуется закали­ вать. Закрепляют ленты в бабах обязательно через амортизирующие буферы 4.

Блоки делают из дюралюминия, чтобы уменьшить их момент инерции и тем самым пробуксовывание по лентам при остановке последних в момент удара.

Подвижные части молота необходимо выполнять с несколько различающи­ мися массами. Если, например, верхнюю бабу сделать на 5... 10 % легче нижней, то она будет отскакивать после удара с большей скоростью и благодаря этому разгружать ленты. Если сделать наоборот, то ускоренный отскок нижней бабы приведет к резкой перегрузке лент.

Вмолотах с рычажной связью, несмотря на амортизацию при помощи коль­ цевых пружин трения, быстро вырабатывались шарниры рычагов, а сами пру­ жины ломались. Поэтому широкого применения эти молоты не нашли.

Всхеме, приведенной на рис. 18.1, б, сила, разгоняющая нижнюю бабу, соз­ дается давлением жидкости. Однако под плунжер нижней бабы жидкость посту­ пает не от особого гидропривода с электродвигателем, а от действия собственного паровоздушного привода. Молот работает следующим образом. При впуске све­ жего пара или сжатого воздуха в верхнее пространство рабочего цилиндра

420

Глава 18. Бесшаботные и паровоздушные молоты

падающие части 1 ускоренно перемещаются вниз, шток 3 давит на плунжер 7, сдвигая его также вниз. В результате жидкость (минеральное масло) из боковых полостей корпуса 10 нижней поперечины вытесняется в среднюю и перемещает плунжер 8, а через шток 6 и нижнюю бабу 4 вверх вплоть до соударения. Несмот­ ря на некоторые потери энергии на сжатие жидкости, нижняя баба к моменту уда­ ра развивает почти такую же скорость, как и верхняя (площади поперечных сечений плунжера 8 и двух боковых плунжеров 7 равны).

Для разгрузки штоков в местах соединения их с бабами установлены рези­ новые амортизаторы 2 и 5. Гидравлические удары в жидкости, заполняющей полости корпуса 10 смягчаются пружинными компенсаторами 9. Они же пред­ назначены для амортизации внезапного падения верхней бабы при аварийной утечке жидкости из корпуса.

Более высокая надежность работы молотов рассмотренной схемы привела к тому, что эксплуатационники стали отдавать им предпочтение перед молотами с механической связью. Как правило, молоты с гидравлической связью применяют для тяжелой штамповки и изготовляют с энергией удара до 1,4 МДж.

Известны также схемы бесшаботных молотов с независимыми паровоздуш­ ными приводами подвижных частей.

18.2. Особенности термомеханического расчета бесшаботных паровоздушных молотов

Методика термомеханического расчета бесшаботных паровоздушных моло­ тов в принципе аналогична созданной проф. А.И. Зиминым методике расчета шаботных паровоздушных молотов.

В качестве главного размерного параметра, задаваемого в расчете, прини­ мают эффективную энергию L^ полного удара. Еще одним параметром является скорость подвижных частей в момент удара. Поскольку у молотов, схемы кото­ рых представлены на рис. 18.1, массы верхних и нижних подвижных частей поч­ ти равны между собой, для выполнения основного условия (равенства ко­ личества движения масс при ударе) необходимо и равенство их скоростей. Эти скорости малы и не превышают 3,1 ...3,3 м/с.

Каждая из баб совершает до удара одинаковый ход, поэтому в технической ха­ рактеристике молота обычно указан суммарный ход 2Н^ обеих баб: у молотов с Ь^, равной 200, 400 и 800 кДж, он составляет 1200, 1400 и 1800 мм соответственно.

Бесшаботные паровоздушные молоты, предназначенные для горячей штам­ повки, работают циклами управляемых единичных ходов, завершающихся пол­ ными или неполными ударами. Причем парораспределение в типовых конструкциях устроено таким образом, что в цикле единичного хода с полным ударом впуск происходит при полностью открытых окнах, т. е. у^ == 1. Это дости­ гается отведением сабли при нажиме на рукоятку управления, в результате чего

421

Раздел IV. МОЛОТЫ

золотник удерживается без движения в самом верхнем положении. При этом мятие энергоносителя на входе в рабочий цилиндр развиться не успевает. Зна­ чит, давления в верхней (на впуске) р и нижней (на выпуске) р^ = 0,12 МПа по­ лостях будут оставаться постоянными на протяжении всего хода баб вниз.

Таким образом, движущая сила при ходе вниз для молота с ленточной свя­ зью будет постоянной:

(воздуха) в верхней и нижней полостях рабочего цилиндра соответственно; ^ат ^Poi^-^Wl Хб н ~ равнодействующая сил тяжести верхней G^ и нижней G^^ баб, а также сил трения в верхних Р^^^ и нижних Р^^^^ направляющих и ленты о ролики Р^^^ при ходе вниз, ^ б н ~ 0,26G^.

Тогда энергия полного удара

При свободной рукоятке золотник опущен, происходит впуск пара в ниж­ нюю полость, а подвижные части движутся в исходные положения. Восстанов­ ление кинематической связи между верхней бабой и золотником (при свободной рукоятке сабля касается бабы) обеспечивает отсечку нижней полости цилиндра при подходе бабы к КВП. После этого нижний пар только расширяется. В верх­ ней полости в течение всего хода вверх происходит только выпуск пара, но уменьшение давления в нижней полости позволяет остановить бабу вверху без удара в крышку цилиндра и удерживать ее на весу.

Расчет таких молотов связан с ограничением ускорения при подъеме. При опережающем движении верхней бабы (а это может случиться, если ее ускоре­ ние Ув будет больше ускорения силы тяжести g = 9,8 м/с, под действием которо­ го опускается нижняя баба) натяжение лент ослабнет и могут образоваться пет­ ли. Последующий ход вниз будет сопровождаться резким рывком, и ленты порвутся. Поэтому И.В. Климов рекомендует следующее соотношение между ускорениями:

7B^0,9g.

Таким образом, активная сила, действующая на верхнюю бабу в начале движения вверх, должна подчиняться условию

g

422

Глава 19. Высокоскоростные молоты

где ^ б в ~ равнодействующая тех же сил, что и в выражении (18.1), но при хо­

де вверх, 5]бв ^ 0,22Сз.

Сопоставляя уравнения (18.2) и (18.3), заключаем, что они образуют систе­ му с двумя неизвестными F и а:

4 = {[р - ар, -ро (1 - а)] F- 0,26GJ Я,; lMG, = [ap-p,+po{\-a)]F,

решая которую, получаем диаметр цилиндра D и диаметр штока d^^.

Несмотря на небольшие ходы бесшаботные молоты вследствие невысоких ускорений тихоходны. Например, молоты указанных ранее размеров в среднем могут нанести соответственно 20, 7 и 6 полных ударов в минуту.

Глава 19. ВЫСОКОСКОРОСТНЫЕ МОЛОТЫ

19.1. Общие сведения

Представляют интерес схемы обработки металлов давлением со всесторон­ ним сжатием и интенсивным направленным течением металла (например, объ­ емная штамповка деталей с ребрами, шлицами, обратное выдавливание и т. п.). В этих случаях перенос объемов сопровождается контактным скольжением ме­ талла относительно поверхности инструмента при высоких нормальных давле­ ниях. Кинетическая энергия переноса преобразуется в энергию граничного трения. Процесс сдвигового перемещения в толще деформируемого металла может быть представлен как движение с внутренним трением

Механическая энергия граничного трения, преобразуясь в тепловую, рассеи­ вается либо воспринимается металлом, повышая его температуру. Внутреннее трение, с одной стороны, повышает сопротивление деформированию, а с другой, преобразуясь в теплоту, - рассеивается или также аккумулируется металлом.

Если начальная скорость VQ увеличена настолько, что длительность t^^ нагру­ зочной фазы удара составляет тысячные или менее того доли секунды, то мощность всех процессов при ударе резко возрастает и выделяющаяся теплота не успевает

423

Раздел IV. МОЛОТЫ

разупрочняющих процессов. Хотя а^ по-прежнему растет, общий расход энер­ гии на внутреннее трение может даже уменьшиться; среднее за процесс сопро­ тивление деформированию падает, а работа пластического деформирования уве­ личивается.

Важную роль в улучшении условий деформирования играет снижение сопро­ тивления граничного трения в указанной области, что способствует более равно­ мерному течению металла. Пределы этой области зависят от физико-механичес­ ких характеристик обрабатываемого металла. Так, свинец, который чаще всего применяют при лабораторных исследованиях для моделирования горячей штам­ повки, начинает оплавляться при скоростях удара в начале штамповки около 20 м/с.

По этой же причине приходится снижать температуру верхнего предела высоко­ скоростной горячей обработки для алюминиевых сплавов. Вместе с тем такие ме­ таллы, как молибден, титан, уран, цирконий, ниобий и др., широко применяемые в ракетной и ядерной технике, особенно хорошо деформируются при скоростях

20...30 м/с. Однако при так называемых критических скоростях, происходят не­ желательные фазовые превращения в отдельных частях обрабатываемой заготов­ ки, подверженных местному нагреву.

Действие привода высокоскоростных молотов основано на принципе термо­ механической системы типа цилиндр - поршень. Для того чтобы поршень и связанные с ним подвижные части достигли высокой конечной скорости на от­ носительно малом пути, необходимо создать большую активную силу, возбуж­ дающую ускоренное поступательное движение в течение всего прямого хода.

В термомеханических системах высокоскоростных молотов в качестве энерго­ носителя применяют сжатый газ высокого давления, взрывчатое вещество или го­ рючую смесь. Пар или сжатый воздух с обычными параметрами для этой цели непригодны, так как при работе на них требуются цилиндры огромных размеров.

Различия в физико-механических свойствах сжатого газа высокого давления и взрывчатого вещества или горючей смеси определяют своеобразие конструк­ ций существующих молотов, из которых первые называют высокоскоростными газовыми, а вторые - высокоскоростными взрывными молотами.

19.2.Высокоскоростные газовые молоты

кнастоящему времени разработано и воплощено в металле довольно много конструктивных схем высокоскоростных газовых молотов. По принципу действия схемы этих молотов можно разделить на двухкамерные и однокамерные.

В двухкамерном молоте (рис. 19.1) помимо рабочей камеры в цилиндре 3 имеется специальная емкость для аккумуляции газа высокого давления - азота с

р=\А МПа. Аккумуляционная камера отделена от рабочей распределительным органом - золотником 4, приводимым в движение от системы управления.

424

Глава 19. Высокоскоростные молоты

Рис. 19.1. Схема высокоскоростного газового двухкамер­ ного молота

В представленном положении полость В заполнена через отверстие IV газом низкого давления и поршень 6 прижат к торцевому уплотнению 5. Золотник 4 смещен вниз под действием масла, нагнетаемого по трубке / в верхнюю полость золотниковой коробки, и перекрывает сопло из полости А в полость В.

Для пуска молота в сопло по трубке // поступает газ повышенного давления. Несмотря на низкое давление в полости 5, поршень при этом остается неподвиж-

425

Раздел IV. МОЛОТЫ

ным, так как его площадь под соплом мала по сравнению с кольцевой площадью. Однако давление газа, поступившего по трубке //, все же достаточно велико, что­ бы сдвинуть золотник вверх, и поэтому газ высокого давления из полости А через открывшиеся отверстия в золотниковой коробке и сопло врывается в рабочую ка­ меру, отрывая поршень от кольца 5, В результате резко возрастают площадь, на которую действует этот газ, а следовательно, и сила. Подвижные части с большим ускорением начинают перемещаться вниз, достигая максимума скорости в конце хода перед началом штамповки.

Для подъема подвижных частей после удара в полость В под поршнем 6 через трубку /// закачивается масло высокого давления. Расширившийся газ из части полости В над поршнем вытесняется в полость А с повторным сжатием (рекомпрессией) до начального давления. Когда поршень прижат к кольцу 5 давлением масла, опускается золотник 4, разъединяя полости. После этого давление под поршнем в полости В падает, а газ низкого давления вытесняет масло. Молот вновь в исходном положении и готов к следующему удару.

Конструктивно молот оформлен таким образом. Станина 12 является несу­ щим элементом и предназначена для компоновки всех узлов и деталей, но жестко на ней укреплены только опоры 8 с направляющими втулками. В них установлены две стяжные шпильки-колонны 10, образующие вместе с верхней 1 и нижней И базовыми траверсами раму молота. К верхней траверсе прикреплен рабочий ци­ линдр i, а на нижней размещена нижняя половина штампа. Подвижные части мо­ лота состоят из поршня б, штока 7 и подвижной траверсы 9 с верхней половиной штампа. Направляется подвижная траверса колоннами 10, На нижней стороне траверсы И смонтирован гидравлический цилиндр 13 выталкивателя.

В процессе истечения газа высокого давления через соединительное сопло возникает реактивный импульс, действующий на верхнюю крышку полости А цилиндра 8, В результате вся рама молота движется вверх. После удара вследст­ вие упругого отскока, а затем под влиянием силы тяжести рама смещается вниз. Для того чтобы предупредить удар рамы при посадке на нижние фиксаторы, шпильки-колонны пропущены через демпфирующие гидроцилиндры 2 (гидропневмоцилиндры).

Подобное устройство молота обеспечивает благоприятную механику движе­ ния соударяющихся масс: подвижные части и рама встречаются в момент удара, обладая соразмерным количеством движения. Поскольку рама «плавает» относи­ тельно станины, гашение импульсной нагрузки происходит практически пол­ ностью внутри системы подвижные части - рама. Энергия же упругого вос­ становления после удара рассеивается в демпфере. Поэтому молот работает устойчиво несмотря на огромный уровень кинетической энергии по отношению ко всей массе машины. Силовая замкнутость и гашение виброколебаний в системе позволяют устанавливать молот на ставнительно небольшом фундаменте.

Процесс удара в высокоскоростном молоте происходит значительно быст­ рее, чем в паровоздушном. Поэтому удельная мощность рабочего хода на еди-

426

г л ава 19. Высокоскоростные молоты

ницу массы высокоскоростной установки несравнимо превосходит таковую для обычного молота. Следовательно, важным отличием высокоскоростных газовых молотов является их очень низкая металлоемкость.

Однако, во-первых, высокоскоростные газовые молоты имеют усложнен­ ный индивидуальный привод. Например, в молоте по рассматриваемой конст­ руктивной схеме в качестве энергоносителя применяют азот высокого и низ­ кого давления, а также масло высокого давления. Азот поступает из баллонов, присоединяемых к цилиндру 3 (см. рис. 19.1) через систему газопроводов с регуляторами давления и прочей арматурой. Для подачи масла предназнача­ ется специальный насосный гидропривод. Во-вторых, детали высокоскорост­ ных молотов, работающие в сложных условиях динамических нагрузок, при­ ходится изготавливать из высококачественных сталей и других материалов. Требования к механической и термической обработке деталей также очень вы­ соки. Поэтому стоимость единицы эффективной энергии удара у эквивалент­ ных по мощности высокоскоростных газовых и паровоздушных штамповоч­ ных молотов примерно одинакова.

Необходимость совершать различные манипуляции с энергоносителями при­ водит к тому, что длительность цикла одного двойного хода у высокоскоростного газового молота довольно велика и доходит до 30...60 с в зависимости от разме­ ров машины. Однако штамповка на таких молотах осуществляется за один удар, поэтому часовая производительность составляет 50... 120 поковок.

К настоящему времени выпущены высокоскоростные газовые молоты с энер­ гией удара от 10 до 500 кДж.

Вкачестве примера однокамерной машины рассмотрим высокоскоростной газовый молот с эффективной энергией удара 160 кДж.

Вкомплекс установки молота входят: исполнительная машина (собственно молот); аккумуляторная газовая станция; гидропривод; системы газо-, воздухо-

имаслопроводов с соответствующей арматурой, регулирующими и распре­ делительными устройствами; пульт управления; электрооборудование и фун­ дамент.

Исполнительная машина (рис. 19.2) компонуется из следующих узлов: ра­ мы 3 с подвижными частями 5; станины 6 с ограждениями; цилиндров подъема 2

и выталкивателя 7; фиксаторов 4 и амортизаторов 7; клапана управления и системы смазки. Чтобы обеспечить требуемую прочность и жесткость, раму молота и подвижные части изготовляют цельноковаными из легированной ста­ ли 40ХНМА.

Установка рамы в станине допускает вертикальную подвижность. Для этого на боковых стойках рамы имеются направляющие пазы (рис. 19.3), а на станине - соответствующие планки.

В О-образном проеме рамы 1 размещена массивная траверса (баба) 4 подвиж­ ных частей. Точность движения траверсы относительно рамы обеспечивается на­ правляющими - базовыми плоскостями у траверсы и регулируемыми планками 8

427

Раздел IV. МОЛОТЫ

^—\-1-.Л.

Jte Ут fr

iR

I 1

w /

O S ^ ^

Рис. 19.2. Схема высокоскоростного газового однокамерного молота

у рамы. В верхней поперечине рамы имеется сквозное отверстие для штока под­ вижных частей с дополнительным направлением по втулке 2. Снизу шток уплот­ нен верхней манжетой от утечки газа высокого давления, нижняя манжета предназначена для удержания смазочного слоя масла, поступающего из бачка под низким давлением. Направляющая втулка 2 крепится крышкой 3 буксы.

Головка рамы выполнена в форме пустотелого цилиндра и служит аккуму­ ляционной газовой камерой. Для увеличения объема камеры внутри штока расточена полость. В шток ввинчивается крышка 77, снабженная сквозными боковыми отверстиями, соединяющими его внутреннюю полость с основной камерой цилиндра.

428

г л ава 19. Высокоскоростные молоты

Рис. 19.3. Рама газового молота

Сверху цилиндр закрыт крышкой 9, в пазу которой уложено резиновое коль­ цо 70. В это кольцо упирается острой выступающей кромкой крышка штока, ког­ да он находится в КВП, отсекая тем самым замкнутую полость 77 очень небольшого объема между крышкой цилиндра и торцом штока.

Станина молота - закрытого типа, сварная (из листового проката). На внут­ ренней стороне боковых листов расположены планки направляющих и стопорные ограничители хода рамы. В переднем и заднем листах имеются проемы, откры­ вающие доступ к штамповому пространству. Для безопасности (на случай полом­ ки инструмента) передний проем перекрывается подвижным ограждением, подъем которого осуществляется при помощи двух пневмоцилиндров. На задний проем ограждение навешивается вручную перед началом работы.

429