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

Подождите немного. Документ загружается.

Раздел IV. МОЛОТЫ

Лини^

соударения

Линия_

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.

В молотах 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.

В схеме, 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

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

самом верхнем положении. При этом

мятие энергоносителя

на

входе

рабочий цилиндр развиться

не

успевает. Зна-

чит, давления

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

ленточной свя-

зью будет постоянной:

Р =Р' -Р'^-Р

+G -G -Р -Р -Р

^н

н н ат^в ^н ^

тр.в

тр.н тр.р'

или

Р,

[р-ар, -p^{\-a)]F-Y,Q.,

(18.1)

где Рд =pF

P^=p^aF

равнодействующие избыточного давления пара

(воздуха)

верхней

нижней полостях рабочего цилиндра соответственно;

^ат ^Poi^-^Wl

Хбн

~ равнодействующая сил тяжести верхней

и нижней

G^^

баб,

также сил трения

верхних Р^^^

нижних

Р^^^^

направляющих

ленты

о ролики Р^^^ при ходе вниз,

^бн

0,26G^.

Тогда энергия полного удара

{[р

ар,

-ро

a)]F-0,26GJH^. (18.2)

При свободной рукоятке золотник опущен, происходит впуск пара

ниж-

нюю полость,

подвижные части движутся

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

КВП. После этого нижний пар только расширяется.

верх-

ней полости

течение всего хода вверх происходит только выпуск пара,

но

уменьшение давления

нижней полости позволяет остановить бабу вверху без

удара в крышку цилиндра и удерживать ее на весу.

Расчет таких молотов связан

ограничением ускорения при подъеме. При

опережающем движении верхней бабы

(а

это может случиться, если

ее

ускоре-

ние

Ув

будет больше ускорения силы тяжести

9,8 м/с, под действием которо-

го опускается нижняя баба) натяжение лент ослабнет

могут образоваться пет-

ли.

Последующий

ход

вниз будет сопровождаться резким рывком,

ленты

порвутся. Поэтому И.В. Климов рекомендует следующее соотношение между

ускорениями:

7B^0,9g.

Таким образом, активная сила, действующая

на

верхнюю бабу

начале

движения вверх, должна подчиняться условию

422

Глава 19. Высокоскоростные молоты

Иначе

Р =Р'-Р^^Р -G +G -Р -Р -Р =09G

^в ^в ^в^^ат ^в^^н ^ тр.в ^ тр.н тр.р ^'^^в?

ИЛИ

[ар-р, +;7o(l-a)]F-XeB-0,9G3, (18.3)

где ^бв ~ 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

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

рассеиваться. Процесс деформирования по существу изолируется от среды,

и металл разогревается настолько, что становится заметным преобладание

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

к настоящему 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 (реком-

прессией) 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 (гидро-

пневмоцилиндры).

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.

В качестве примера однокамерной машины рассмотрим высокоскоростной

газовый молот с эффективной энергией удара 160 кДж.

В комплекс установки молота входят: исполнительная машина (собственно

молот); аккумуляторная газовая станция; гидропривод; системы газо-, воздухо-

и маслопроводов 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

OS^^

Jte

^—\-1-.Л.

Ут

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

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