Живов Л.И., Овчинников А.Г., Складчиков Е.Н. Кузнечно-штамповочное оборудование

Подождите немного. Документ загружается.

Раздел I. КРИВОШИПНЫЕ ПРЕССЫ

При проверочном расчете по заданным нагрузкам, размерам и материалам

определяют действительные напряжения и сравнивают их с допускаемыми для

заданных условий работы.

При проектировании новых и модернизации кривошипных прессов оба рас-

чета применяют для второй группы деталей.

Расчет кривошипных валов, бугельных осей и связанной с ними тихоходной

зубчатой пары, являющихся наиболее ответственными деталями первой группы,

сводится к определению допускаемых нагрузок на ползуне пресса. Конструк-

тивные размеры валов и осей задают в зависимости от номинального усилия

пресса по опытно-статистическим соотношениям вида

В свою очередь конструктивные размеры зубчатых передач устанавливают в

зависимости от диаметра опорной шейки:

^ =/(<^о)-

Подобный подход к расчету кривошипного пресса объясняется тем, что его ха-

рактеристика по номинальному усилию для проектного задания условна и не дает

полного представления о допустимом нагруже-

нии в процессе работы. Зависимость допускае-

мой силы в деталях первой группы от положения

механизмов приводит к тому, что условие равно-

прочности в кривошипных прессах не выполня-

ется, в отличие, например, от гидравлических

прессов, где максимум силы может быть достиг-

нут при любом положении подвижной попере-

чины. Если рассмотреть уравнение для определе-

ния допускаемой силы по усталостной прочности

валов и зубчатых передач, можно заметить, что в

него входит величина

т^

- функция угла поворота

главного вала. Другие же параметры дня данных

условий работы остаются постоянными. Именно

поэтому для разных точек хода ползуна главного

механизма допускаемая сила неодинакова.

Характер и взаимное расположение графи-

ков сил, допускаемых прочностью сечений ве-

дущего вала, определяются соотношением его

конструктивных размеров для разных по техно-

логическому назначению прессов. Например, у

прессов с ходом

8^^^<<Л^

кривая 1 сил, допус-

каемых прочностью коленчатого вала в сече-

нии ВВ, достаточно плавная с максимумом при

а ~

0...10°

(рис. 3.6). У прессов с ходом

S^^^

Рис. 3.6. Графики допускаемых

(7-5) и деформирующей {4) сил:

1,2 -с учетом прочности коленчатого

вала в сечении ЕЕ и ЕЕ (см.

рис.

3.5)

соответственно; i -

учетом прочнос-

ти колеса или шестерни тихоходной

пары;

- нагрузочный график

120

Глава 3. Силовой расчет

условие прочности кривошипных прессов

эта зависимость обнаруживает значительное повышение нагрузок при подходе

ползуна к крайнему нижнему (переднему) положению. У большинства прессов

кривая 2 для сечения ЕЕ оказывается высоко поднятой с небольшим снижением

в сторону больших углов. У кривошипных прессов современных конструкций

кривая 3 сил, допускаемых прочностью колеса или шестерни тихоходной пары,

в области больших углов поворота кривошипа оказывается самым низким гра-

фиком, а в области малых углов она резко возрастает, пересекая кривые сил,

допускаемых прочностью кривошипного вала. У некоторых конструкций ГКМ

кривая 3 полностью лежит ниже всех графиков.

Сохранение целостности пресса связано с соблюдением условия его прочности.

Это означает, что в любом случае нагрузочный график 4, определяемый сопротив-

лением штампуемого металла и особенностями конструкции пресса, должен впи-

саться в график допускаемых сил и не превышать его ни в одной точке.

На рис. 3.6 видно, что допускаемая сила, равная паспортному номинальному

усилию Р^о^, может быть достигнута при вполне определенном положении ме-

ханизма пресса и соответствующем этому положению угле поворота ведущего

кривошипа а^о^^, который обычно называют номинальным углом.

Номинальный угол а^^^ зависит от технологического назначения пресса

особенностей его конструктивного устройства. Для листоштамповочных одно-

стоечных прессов рекомендуют, чтобы номинальное усилие достигалось при

достаточно больших углах а^^^ > 30...45°, а у двухстоечных прессов открытого

типа - при а„о^ > 60°. У однокривошипных закрытых прессов простого дейст-

вия номинальное усилие должно достигаться для прессов с нормальным ходом

(быстроходные) при а^^^^ = 20...30°, а для прессов с увеличенным ходом (тихо-

ходные) и обрезных при

оСном

= 10...20°. Причем большие значения а^^^ соот-

ветствуют меньшим по размеру прессам. Достаточно широк разброс значе-

ний а„о^ в зависимости от хода ползуна для двух- и четырехкривошипных

прессов с шестеренно-эксцентриковым приводом - о.^^^^ 15...30°. Задание кон-

структивных размеров привода и главного вала у КГШП с резким пиком

нагрузки в конце рабочего хода подчинено условию а^о^, < 3...5°, а у ГКМ -

а^о^,

...5°.

Что касается чеканочных кривошипно-коленных прессов, то для

ниха„о^ = 50...60°.

Для вытяжных прессов двойного действия особо оговаривают требование

прочности при больших углах поворота ведущего кривошипа (а =

70...

80°):

до-

пускаемая сила не должна быть меньше 40 % от номинальной. Это связано с тем,

что рабочий график при вытяжке имеет вытянутую форму с мало изменяющимся

значением силы в течение всего процесса деформирования.

Для двухкривошипных прессов рассчитанное изложенным способом ус-

ловие прочности соблюдается при центральном или почти центральном на-

гружении. В тех случаях, когда нагружение происходит со значительным

121

Раздел I. КРИВОШИПНЫЕ ПРЕССЫ

эксцентриситетом относительно оси пресса, фактическую допускаемую силу

уточняют по расчетной схеме, в которой ползун рассматривают как балку

на двух опорах - подвесках ползуна, а нагрузку считают приложенной в

центре установленного штампа. Поскольку фактическая нагрузка на каждую

опору не может превышать 0,5 Рном? то при заданном расстоянии между

осями подвески ползуна L^^^^ и эксцентриситете х, считая от оси пресса,

максимальная допускаемая сила

''max ,- , ^ ^ном*

^подв+2х

Также должны быть снижены допускаемые силы при углах а >

а^^^^.

В связи с тем, что в производственных условиях измерение угла пово-

рота ведущего кривошипа затруднено и наладку пресса ведут на заданное

положение ползуна, важно знать изменение допускаемой силы в зависимости

от его хода. Поэтому график Р^ =/(ос), полученный при прочностных расчетах,

необходимо перестроить в координатах Р^ - S и в таком виде внести в пас-

порт пресса.

На графике Р^ =f(S) номинальному углу а^^^ поворота ведущего кривоши-

па будет соответствовать номинальный недоход

5'^^^^

ползуна до крайнего ниж-

него (верхнего, переднего) положения (см. рис. 3.6).

Вышеизложенное позволяет уточнить понятие о номинальном усилии, под

которым следует понимать наибольшую силу, приложенную к центру ползуна

при заданном (номинальным углом или номинальным недоходом) положении

главного исполнительного механизма без нарушения прочности главного вала

или тихоходных зубчатых колес привода кривошипного пресса с учетом безо-

пасности и долговечности.

3.9.

Жесткость кривошипного пресса

Под действием нагрузок детали машин претерпевают упругое изменение

размеров и формы. В кривошипных прессах в период рабочего хода под нагруз-

кой оказываются детали главного исполнительного механизма и станины. В за-

висимости от характера приложенной нагрузки эти детали испытывают различную

деформацию: растяжение, сжатие, изгиб, контактное смятие. Так, кривошипный

вал изгибается, стойки станины растягиваются, шатун сжимается, плита стола

прогибается и т. д. Все эти деформации суммируются в направлении движения

ползуна, искажая характер его движения и изменяя взаимное расположение ра-

бочих частей штампа, полученное при наладке. После окончания рабочего хода,

когда нагрузка падает до нуля, упругая деформация деталей пресса исчезает, их

размеры и форма восстанавливаются.

122

Глава 3. Силовой

расчет и условие прочности кривошипных прессов

Свойство пресса упруго изменять свои

размеры под действием нагрузки в период

рабочего хода называют упругой податли-

востью. В технической литературе чаще ис-

пользуют другой термин - жесткость, понимая

под этим способность пресса сопротивляться

упругому деформированию под нагрузкой.

Эту способность характеризуют коэффици-

ентом жесткости, или жесткостью:

А/

где А/ - суммарная упругая деформация,

равная увеличению расстояния между рабо-

чими частями штампа, мм.

Величину, обратную коэффициенту жест-

кости, называют коэффициентом податливо-

сти,

или податливостью:

f Т

у^

Ох

^^лия

А/

^*дейст

А/

Рис.

3.7. График упругого дефор-

мирования станины при приложе-

нии деформирующей силы Ро (гра-

фик жесткости пресса)

Наиболее точное представление об уп-

ругой деформации пресса дает эксперимен-

тальный график жесткости (рис. 3.7), устанавливающий зависимость между сум-

марной упругой деформацией и силой на ползуне пресса. Видно, что начальный

участок графика имеет нелинейный характер. В самом начале нагружения это

объясняется выборкой зазоров в сочленениях главного исполнительного меха-

низма, а затем - нелинейной упругой деформацией стыков. Сила, соответствую-

щая нелинейной деформации, обычно не превышает 25 ...30 % от номинальной.

Для определения коэффициента жесткости (податливости) принимают только

линейную часть графика, где производная dP^/dl постоянна, а следовательно,

1 Р —Р

^ — _ _ ^ D нелин

А/.

В линеаризованной форме график жесткости используют в энергетических

расчетах (§ 4.3), поскольку его нелинейная часть не оказывает заметного влия-

ния на точность этих расчетов.

Значения коэффициента податливости, необходимые для построения линеа-

ризованных графиков жесткости, выбирают на основе практических данных. Так,

в открытых кривошипных прессах, предназначенных для листовой штамповки,

коэффициент податливости может достигать

1,0...2,0

мм на 1 МН нагрузки,

а в закрытых двухстоечных кривошипных прессах для листовой штамповки -

123

Раздел L КРИВОШИПНЫЕ ПРЕССЫ

0,5...

1,0 мм на 1 МН нагрузки. В кривошипных прессах, работающих чеканя-

щим нажимом, большие значения А/ недопустимы в связи с потерями энергии

и необходимостью обеспечить достаточную точность размеров штампуемой

поковки, поэтому у них П = 0,10...0,35 мм на 1 МН нагрузки.

Чтобы избежать отрицательных последствий (понижение точности штам-

повки, уменьшение стойкости деталей пресса и инструмента, увеличение затрат

энергии), конструкторы стремятся повысить жесткость современных кривошип-

ных прессов. Для этого они применяют новые кинематические схемы с увели-

ченной жесткостью главного исполнительного механизма, используя, например,

кривошипно-эксцентриковый механизм в КГШП или кривошипно-круговой ме-

ханизм в вырубных прессах.

Глава 4. РАСЧЕТ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ

КРИВОШИПНЫХ ПРЕССОВ

4.1.

Энергетические возможности кривошипных прессов

Изменение уровня кинетической энергии в кривошипном прессе в течение

одного технологического цикла показано на рис. 4.1.

При работающем электродвигателе, но невключенной муфте энергия пресса

определяется запасом кинетической энергии

C/Q,

накопленной вращающимися

маховыми массами (точка а на рис. 4.1).

Вследствие трения между дисками при включении фрикционной муфты

и разгона следующих за ней деталей механизма пресса первоначальный уровень

энергии снижается до

U^^^

(точка

Ъ).

При правильно подобранном приводе ма-

t/r

max

\а с с

\--f>b

ап.х

ар

н^

е^,^—'

ОСо.х

^цОо=ац

;

О а

Рис.

4.1.

Изменение кинетической энергии в кривошип-

ном прессе в течение одного технологического цикла

124

Глава 4. Расчет энергетических параметров кривошипных прессов

ховые массы до начала рабочего хода разгоняются до номинальной частоты

вращения

^„^^

и прежний уровень энергии восстанавливается (участок cd).

Во время рабочего хода уровень кинетической энергии снижается до С/^, со-

гласно кривой de на рис.

4.1.

Следовательно, в период рабочего хода расходует-

ся

только часть полной энергии привода:

причем из общего количества израсходованной энергии MJ за этот период на

пластическое деформирование тратится лишь часть MJ\ остальная часть At/^ax

= At/^^ax

- At/' расходуется на трение и упругое деформирование деталей пресса.

При обратном холостом ходе после снятия рабочей нагрузки уровень энергии

восстанавливается согласно кривой egh в результате работы электродвигателя.

При большом расходе энергии на пластическую деформацию, а также вслед-

ствие потерь уровень энергии в течение обратного холостого хода а^

полностью

может не восстановиться. Поэтому приходится работать в режиме одиночных хо-

дов,

чтобы растянуть время холостого пробега маховика при работаюгцем элек-

тродвигателе и выключенной муфте. Тогда к моменту очередного включения

муфты по истечении времени /^ в приводе пресса восстанавливается первоначаль-

ный уровень энергии. Следовательно, при большем числе ходов непрерывное тор-

можение маховика приводит к остановке пресса.

При однопереходной штамповке на кривошипных прессах (вырубка-пробивка,

вытяжка, чеканка и т. п.) в режиме одиночных ходов с разовым включением муфты

сумма основного (машинного) времени t^^ и времени на вспомогательные приемы

труда

^всп

является длительностью действительного технологического цикла:

^ц "• ^осн ^всп*

При многопереходной штамповке в режиме одиночных ходов с нескольки-

ми включениями муфты действительный технологический цикл необходимо

подразделить на технологические переходы.

Время полного технологического цикла для прессов, работающих в режиме

одиночных ходов, приближенно можно рассчитать по заданному коэффициенту

использования ходов/?^^ (см. табл. 3.3):

^ц

= ^дв.хМ-

При ОДНО- ИЛИ многопереходной штамповке, осуществляемой сразу на всех

позициях, во время работы автоматизированного пресса в режиме непрерывных

ходов (универсальные и многопозиционные листоштамповочные прессы-авто-

маты, одноударные холодновысадочные прессы-автоматы и др.) длительность

технологического цикла

^ц ~" ^дв.х*

125

Раздел I.

КРИВОШИПНЫЕ ПРЕССЫ

4.2.

Графики деформирующей силы

При определении энергетических показателей пресса с учетом его техноло-

гического назначения фактический график деформирующей силы заменяют уп-

рощенным типовым. Существует два способа его задания: расчетный и экспе-

риментальный.

Условием возможности применения экспериментальных графиков является

тождественность схем нагружения, а также геометрическое и физическое подо-

бие процессов. Безусловно, абсолютного подобия быть не может, однако допус-

тимо считать, что графики имеют одинаковый вид, изменяются у них только

масштабы силы и деформирования.

В зависимости от характера деформирующей силы технологические процес-

сы и соответствующие им графики можно разделить на шесть групп.

I. Вытяжка листового металла (рис. 4.2, а).

В расчетах по определению энергетических показателей для вытяжных

прессов двойного действия в качестве исходной величины обычно принимают

рабочий ход S^^, равный части полного хода внутреннего ползуна по цикло-

грамме пресса. Максимальная допускаемая сила в этом случае должна быть

меньше номинальной, указанной в паспорте, и определяться по условию проч-

ности и работе деформирования, выполняемой прессом за один ход.

Деформирующую силу листоштамповочного тихоходного пресса простого

действия выбирают с учетом графика первой вытяжки. При этом следует иметь

в виду, что ползун при ходе вниз преодолевает сопротивление подушек.

П. Разделительные процессы штамповки (рис. 4.2, б, где I - вырубка-

пробивка при штамповке из листа, обрезка заусенцев и прошивка отверстий;

2 - резка прутков на мерные заготовки на сортовых ножницах и др.).

При расчете Р^ следует принимать

Р^пах

^ном-

Рабочий ход S^^ определяют

в зависимости от толщины срезаемого металла:

*^тах ~ ^*срез?

где к - поправочный коэффициент;

^^р^з

- толщина просекаемого листа или сре-

заемого материала при обрезке. Для вырубки-пробивки и холодной обрезки заусен-

цев к= 0,40...0,50; для горячей обрезки к= I; для резки прутков к= 0,25...0,35,

причем меньшие значения к задают для более твердых материалов.

Ниже приведены толщины просекаемого листа в зависимости от номиналь-

ного усилия листоштамповочных быстроходных прессов простого действия:

Рном'МН 0,063 0,160 0,315 0,63 1,6 3,15 6,3 16

^ерез.мм 1,0 2,0 3,0 4,5 7,0 15 20 30

а также высота заусенца h^ по мостику у поковок после штамповки в открытых

штампах:

126

Глава 4.

Расчет энергетических параметров кривошипных прессов

Рном»МН 1,6 2,5 3,15 4,0 6,3 10 16

/?3,MM 1,6 3,0 4,0 5,0 6,0 8,0 10,0

Однако фактическая толщина срезаемого материала больше номинальной,

так как срезают также радиусы скругления на переходе от тела поковки к зау-

сенцу. Кроме того, необходимо учесть, что при недоштамповке высота заусенца

возрастает на величину положительного отклонения по высоте поковки. По-

тах ор.х

Рис.

4.2. Графики деформирующей силы:

а - вытяжка листового металла: /, 2 - первая и вторая вытяжки; 3 - вытяжка с утонением

стенки; б - разделительные операции: I - вырубка-пробивка, 2 - разрезка прутков;

в - чеканка и калибровка; г - прессование и выдавливание; д - прямое прессование;

е.он:- объемная штамповка в открытых и закрытых штампах; з - гибка в штампах

127

Раздел I. КРИВОШИПНЫЕ ПРЕССЫ

этому при расчете энергетических параметров обрезных прессов толщина сре-

заемого материала

где а - поправочный коэффициент, а=

1,6...2,4,

причем меньшие значения ко-

эффициента соответствуют прессам с большим значением Рном? ^ "" положитель-

ное отклонение по высоте поковки.

III.

Чеканка, калибровка (рис. 4.2, в). Рабочий ход ^^^^x Для этих операций

достаточно мал и измеряется шириной оставленного при штамповке припуска

А^

на чеканку или калибровку с учетом положительного отклонения А2 в связи

с недоштамповкой в направлении приложенной силы и отрицательного откло-

нения Аз на точность чеканки или калибровки:

Значения А^, А2 и A3 должны быть наибольшими для данных условий. Для

их расчета в качестве типовой детали задают круглую в плане поковку высотой

не менее половины диаметра.

Деформирующая сила возрастает от начального значения Р^ до максималь-

ного в конце операции

Р^^^

Рном-

Согласно экспериментальным данным,

Ро<(0,80...0,85)Р„„„.

IV. Прессование и выдавливание. Особенностью силового режима прессо-

вания профилей является то, что деформация металла протекает при более или

менее постоянной деформирующей силе на ползуне пресса (рис. 4.2, г). Размеры

пресс-остатка в момент окончания процесса не вызывают резкого повышения

деформирующей силы. Как элемент горячей штамповки поковок фланцевого

типа прямое прессование характеризуется более резким изменением деформи-

рующей силы в конечный момент штамповки в связи с небольшой высотой

фланца (рис. 4.2, д). Типовой график деформирующей силы, необходимой для

выдавливания, аналогичен приведенному на рис. 4.2, г, но абсолютные размеры

рабочего хода задают особо в каждом отдельном случае.

V. Объемная штамповка в открытых и закрытых штампах (рис. 4.2, е, ж).

Процесс штамповки на КГШП в открытых штампах осуществляют, как правило,

за несколько переходов. Поэтому единый для удобства построения график дефор-

мирующей силы при последующих энергетических расчетах нужно разбить на

несколько, каждый из которых будет отражать особенности силового режима на

соответствующем переходе. Для упрощения принимают двухпереходную штам-

повку с заменой действительной зависимости Р^ =f(S) двумя линейными участ-

ками графика с изменением силы: от начальной

ДО

конечной Р^ на первом

участке и от

Р^

до максимальной Р^^ в конце штамповки на втором (рис. 4.3).

128

Глава 4. Расчет энергетических параметров кривошипных прессов

Для проверочного расчета необходимы еле- р

дующие данные. „ ^

Номинальное усилие пресса, по которому ус-

танавливают предельные размеры типовой поковки,

круглой в плане:

Р =а

^ ном ^

2/г

71ф^,+/з)/з +

ЗУ

1,5 + ^ +In-^"-^

3 J

Ро

Smax SK Smsix Sp,x

Рис.

4.3.

Упрощенный гра-

фик штамповки в открытых

где

- напряжение текучести в конце штамповки, штампах

для типовой поковки из стали 40Х о^= 149 МПа; h^,

/3 - высота и ширина заусенца на мостике; D^^ - диаметр поковки в плане;

F^^

=nD^^/4 - площадь поковки.

Значения

/23

и /3 в зависимости от номинального усилия пресса

Р^^^

приведе-

ны

ниже:

Лом.МН

/^3,

мм

/з,

мм

6,3

1,5

4,0

2,0

4,0

2,5

5,0

20...25

3,0

6,0

31,5...40

4,0

8,0

Рабочий ход iSj^ax устанавливают в предположении, что он соответствует

углу поворота ведущего кривошипа на угол ар =

45...

50°.

Силы на первом переходе:

Ро = (0,03...0,05)Р„„„;

Р,

= (0,12...0,20)Р„„,.

В этих формулах меньшие значения коэффициента соответствуют прессам

с меньшим

P„oj^.

Недоход ползуна до крайнего нижнего положения при предварительной

подсадке заготовки. Значение S^ определяют исходя из диаметра поковки:

iS^^

1,5...2

мм при 1)ш^<100мм;

5'J^ = 2...3MM при 100 мм </)щ^ <250 мм;

5'^ = 0,012 D^^ мм при D^,^>250MM.

Для выбора специализированных машин, например холодновысадочных ав-

томатов, расчет следует вести согласно графику, приведенному на рис. 4.2, эю.

129