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

Подождите немного. Документ загружается.

Раздел IV. МОЛОТЫ

5 6 7 8 9

Рис.

19.4.

Схемы фиксатора

{а)

и амортизатора (б)

Фундаментная плита станины сделана прочной с ребрами жесткости и служит

для крепления цилиндров подъема 5 и выталкивателя 6, а также амортизаторов 7.

Для удержания подвижных частей вверху при аварийном срабатывании сис-

темы предназначены два фиксатора (рис. 19.4, а), установленные по боковым

сторонам траверсы. Ползушка 5 фиксатора направляется втулкой 7 в раме 6

молота. Приводной пневмоцилиндр 1 фиксатора крепится в прорези боковой

стойки 2 станины. Кулисное соединение ползушки со штоком цилиндра сделано

так, чтобы она могла перемещаться вместе с рамой молота по вертикали: прямая

рамка 4 кулисы закреплена на ползушке, а сухарь 3 - на штоке. Зазор между

фиксирующей лыской ползушки и нижней плоскостью траверсы 9 не должен

превышать

мм, регулируется он при помощи сменной планки 8 на лыске.

Цилиндры подъема и выталкивателя представляют собой обычные гидрав-

лические механизмы двойного действия.

Как и в предыдущей конструкции высокоскоростного газового молота, рама в

процессе разгона подвижных частей несколько поднимается, а затем в результате

отскока и под действием земного притяжения движется вниз. Для погашения ки-

нетической энергии и плавной посадки на место предусмотрены два пружинных

амортизатора, симметрично расположенные относительно оси молота. Каждый из

амортизаторов состоит из пружины 1 в свободном состоянии, воспринимающей

нагрузку первой, и пружины 2 с предварительной затяжкой, воспринимающей

нагрузку второй (рис. 19.4, б). Различие в характеристиках пружин и, следова-

тельно, в частотах колебаний придает амортизаторам некоторые демпфирующие

свойства. Амортизаторы одновременно являются и фиксаторами КПП рамы.

В исходном положении (см. рис. 19.3) полости аккумуляционной камеры

в цилиндре и штоке заполнены газом высокого давления. Полость сверху штока

430

г л ава 19.

Высокоскоростные молоты

под крышкой цилиндра соединена с атмосферой, и поскольку на кольцевую

часть штока снизу давит сжатый газ, возникающая при этом сила удерживает

подвижные части в КВП. Ползушки фиксаторов выдвинуты под траверсу, штоки

подъемных цилиндров и выталкивателя находятся внизу, доступ к штампам от-

крыт. Рабочий укладывает заготовку в ручей и нажимает кнопку «Удар». Тотчас

срабатывает электромагнит воздухораспределителя цилиндров ограждения,

впуская сжатый воздух из ресивера пневмосистемы. Двигаясь вверх, ограждение

закрывает проем рамы и одновременно нажимает на конечный выключатель,

управляющий воздухораспределителем фиксаторов. Ползушка уходит из-под

траверсы, освобождая ей путь вниз, и тоже нажимает на конечный выключатель

общей системы управления молотом со специальным клапаном управления

(рис.

19.5).

В корпусе 5 клапана управления установлена втулка 3, к седлам которой

притерты клапаны 2 и 4. Тарелки клапанов упираются в диафрагмы 7 и (5. Диа-

фрагмы защемлены крышками на фланцах корпуса. Со стороны, противополож-

ной тарелкам, диафрагмы поджимаются пружинами и благодаря этому при

отсутствии избыточного давления в полостях АиД клапаны оказываются поса-

женными на свои седла.

Полости ^ и Д в головках клапана управления соединены с пневмосистемой

молота, полость Г системой трубопроводов через входное отверстие Е соедине-

на с аккумуляторной станцией, а через выходное отверстие 5 - с молотом; по-

лость Б всегда соединена с атмосферой.

При срабатывании конечного выключателя от возвратного движения пол-

зушки сжатый воздух из соответствующего воздухораспределителя поступает

в полость Д, смещая клапан 4 вправо. Тогда сжатый газ из баллонов аккумуля-

торной станции устремляется через открытую полость Г в отсеченную под крыш-

1 6

Рис.

19.5.

Клапан управления молотом

431

Раздел IV. МОЛОТЫ

кой цилиндра полость П (см. рис. 19.3). Давление на шток возрастает настолько,

что усилие оказывается достаточным для отрыва его от крышки цилиндра. Тот-

час же начинается расширение сжатого газа, и подвижные части, все больше

увеличивая скорость, движутся вниз вплоть до удара.

При отходе траверсы от КВП освобождается конечный выключатель, управ-

ляюш,ий реверсивным золотником, и масло высокого давления от насоса направ-

ляется под поршни цилиндров подъема подвижных частей. Циклограмма молота

построена так, что штоки подъемных цилиндров упрутся в траверсу и начнут ее

поднимать только после того, как произойдет удар. Такое запаздывание обеспечи-

вается малой скоростью на протяжении небольшого холостого хода штоков вверх.

От действия того же конечного выключателя обесточивается электромагнит воз-

духораспределителя пневмосистемы ограждения и штампы открываются.

В процессе подъема траверса нажимает на конечный выключатель, от кото-

рого запитывается электромагнит второго реверсивного золотника гидросисте-

мы.

Смещение золотника открывает доступ маслу высокого давления под пор-

шень выталкивателя.

Поскольку ход штоков всех трех гидроцилиндров ограничен (выталкиватель

и траверса доходят до упора в КВП), давление в гидросистеме повышается сверх

необходимого для извлечения поковки из ручья или подъема подвижных частей.

Установленное в гидросистеме реле давления срабатывает и включает электро-

магнит воздухораспределителя пневмосистемы. Сжатый воздух от ресивера на-

чинает поступать в левую полость А клапана управления (см. рис. 19.5). Клапан 2

сдвигается влево, открывая проход из полости В на выхлоп. В результате давле-

ние в полости П между крышкой цилиндра и штоком (см. рис. 19.3) сбрасывает-

ся и траверса зависает наверху.

От реле давления срабатывают также упомянутые ранее воздухораспредели-

тели фиксаторов, и ползушки выходят под траверсу. Ходом ползушек фиксаторов

и толкателя клапана включаются сразу три конечных выключателя, подающие

команду на движение в исходное КНП штокам цилиндров подъема и выталкива-

теля. А они, в свою очередь, блокируют систему управления таким образом, что

на пульте загорается сигнальная лампа «Готово к удару». Цикл завершен, и после

нового нажатия на пусковую кнопку произойдет следующий удар.

Газовая аккумуляторная станция состоит из шести соединенных последова-

тельно баллонов вместимостью 0,04 м каждый, причем давление сжатого азота

в баллонах равно 15 МПа. При помощи регулятора давление азота снижается до

расчетного /?

11 МПа в аккумуляционной камере молота. Рабочее давление

воздуха в пневмосистеме 0,4 МПа.

Большой уровень аккумулированной в приводе энергии, разрядка которой

при высоких скоростях движения подвижных частей происходит очень быстро,

ставит особые требования к соблюдению правил безопасной эксплуатации вы-

сокоскоростных газовых молотов. Совершенно недопустимо проводить какие

бы то ни было работы по подналадке штампов или затяжке креплений молота

432

г л ава 19. Высокоскоростные молоты

при расположении исполнительных частей в промежуточном положении и на-

личии при этом сжатого газа в цилиндре. Все это можно делать, когда траверса

лежит либо в КВП на фиксаторах, либо в КНП на штампе.

Следовательно, полная работа, совершаемая газом при расширении в цилиндре.

^^PIJ

к-\

(19.1)

где F] и ^2 - объемы, которые занимает газ соответственно в начале и в конце

расширения.

На подвижные части с массой

т^

действуют сила Р от давления расширяюще-

гося газа, сила тяжести

и сила трения Р^^ в уплотнении штока, а на раму с мас-

сой ^2 - соответствующие силы Р, G2, ^тр2 =

^тр1

и, кроме того, сила трения от

амортизаторов Р^^^,

Уравнения движения масс т^ и ^2 с перемещениями

Х2

имеют вид

mx\=P

G,-P^,',

mx\-P-G,^P^^,-P,^2.

Функцию Р определяем по адиабатическому соотношению

"•*

1^1+^шт(^1+^2),

(19.2)

(19.3)

где F^^ - площадь поперечного сечения штока.

Подстановка выражения (19.3) в систему (19.2) приводит к системе двух не-

линейных уравнений.

Для расчета конечных скоростей постараемся найти более простые уравне-

ния. Количества движения, которыми будут обладать массы т^ и ^2 в конце хо-

да, являются результатом действия импульса всех сил за время движения t^.

Причем конечный эффект будет тот же, если переменную силу от расширяюще-

гося газа заменить ее средним значением

где Н^ - полный встречный ход исполнительных частей и рамы.

Силу трения от амортизаторов определим как среднее арифметическое Р^^^

от ее начального и конечного значений:

тр.а v^ тр.а ' ^ тр.а// *

433

Раздел IV.

МОЛОТЫ

Тогда

Отсюда

m2V2={Pc,-G2+PZ.-R2)t.=Et^

V2 = ^Vi.

^2^

(19.4)

Работа всех внешних сил, действующих на подвижные массы, преобразует-

ся в кинетическую энергию движения, и поэтому эффективная энергия удара

L,=L

G,H,-G,H,+P^^,H,-P^,,H,-P^,,H„ (19.5)

где Н^ и Н2- полные перемещения масс т^ и

т2

соответственно навстречу друг

другу. Иначе

2 2 2 А

_ ^1^2 ^^2^2 _ ^1^1

W2 А^

(19.6)

Для определения перемещения масс из первого уравнения системы (19.2)

вычтем второе и полученное уравнение дважды проинтегрируем, заменив силу

ее средним значением. Тогда можно записать

Выражение (19.7) в конце хода будет иметь вид

Dtl=2{m,H,-m2H2),

(19.7)

(19.8)

где D = G,+G2-/>;•:,.

Преобразуем уравнение (19.8) к виду

^2 А"

А^{т^Н^ -m2H2)=Dm^L^

Дополнительным к нему уравнением служит выражение

(19.9)

(19.10)

Решая совместно уравнения (19.5), (19.9) и (19.10), находим путь подвиж-

ных частей Я| и рамы Яз к началу удара и по формуле (19.5) рассчитываем Z,,.

С помощью уравнений (19.6) и (19.4) определяем скорости v, и Vj.

Время движения масс от начала хода до удара рассчитываем по формуле

434

г л ава 19. Высокоскоростные молоты

Как отмечалось ранее, для удерживания подвижных частей наверху из по-

лости между поршнем и крышкой цилиндра сжатый газ сбрасывается в атмо-

сферу, а последующий отрыв и начало движения вниз обеспечиваются крат-

ковременным впуском небольшой порции газа высокого давления. Хотя объем

впускаемого газа V^^ невелик (менее 0,1 % от Fj), при непрерывной работе мо-

лота запас сжатого газа в баллонах аккумуляторной станции исчерпывается.

Число ходов п, на которое его хватит.

V ^ - ^

F„

/^бал

-1

Р\

)

где ^бал -

ЧИСЛО

баллонов, объем каждого из которых

Fg^;

р^^ - давление сжато-

го газа в баллонах.

19.3.

Высокоскоростные взрывные молоты

Вещества или смеси, в которых при внезапном нарушении равновесия бурно

протекают химические реакции с выделением больших количеств тепловой

энергии и газообразных продуктов, называются взрывчатыми а процесс изме-

нения их состояния в ходе реакции - взрывом. Огромный внутренний потенциал

взрывчатых веществ или смесей можно использовать для обработки металлов

давлением, если выделяющуюся при взрыве энергию направить на совершение

полезной работы в соответствующей термомеханической системе.

От конструктивного оформления системы и способа взрыва зависит, будет

ли это только устройство или кузнечная машина. В первом случае энергия взры-

ва передается обрабатываемому металлу в виде энергии упругих ударных волн

через рабочее тело (жидкость или воздух) или при непосредственном контакте

продуктов взрыва с металлом. Это так называемые импульсные устройства для

штамповки взрывом. Во втором случае взрыв производится в обычной термоме-

ханической системе. Энергия взрыва воспринимается в форме работы расшире-

ния газообразных продуктов. Поскольку стенки цилиндра и его крышка не

изменяют своих размеров, работа расширения преобразуется в кинетическую

энергию подвижных частей системы - бойка, поршня, плунжера, траверсы и т. п.

Концентрация энергии очень высока, поэтому подвижные части разгоняются до

больших скоростей и при ударе совершают заданное формоизменение металла.

Чтобы ударный импульс не воздействовал на фундамент и грунт, рама ма-

шины с закрепленным на ней цилиндром в процессе разгона подвижных частей

также должна приобрести некоторую скорость. В результате, как и у высокоско-

ростных газовых молотов, удар будет погашен в системе двух столкнувшихся

масс с почти равным количеством движения.

Машины, для привода которых используются взрывчатые вещества или

смеси, были созданы сравнительно недавно. У них до сих пор много различных

435

Раздел IV. МОЛОТЫ

названий: импульсные машины, взрывные копры, пресс-пушки и др. Наиболее

правильно их назвать высокоскоростными взрывными молотами, подчеркивая

тем самым принадлежность к определенному классу кузнечных машин с опре-

деленным принципом действия.

Во взрывных молотах применяют энергоносители двух видов: метательные

взрывчатые вещества и горючие смеси.

Метательные взрывчатые вещества создают на базе нитроцеллюлозы и

обычно называют порохами. Порох хорошо горит с относительно невысокой

скоростью перемещения фронта реакции от поверхности в глубь заряда - от не-

скольких сантиметров до нескольких десятков сантиметров в секунду. Контро-

лируемость скорости горения - очень важное качество пороха, благодаря

которому обеспечивается высокая точность метания снарядов, ракет или под-

вижных частей взрывных молотов.

При сгорании пороха образуются газовые смеси, состоящие из СО, CD2, Н2О

и N2, с общим объемом от 940 до 1060 см на 1 г твердого вещества. Поскольку

камера термомеханической системы, где производится сжигание пороха, замк-

нута, резкое увеличение удельного объема энергоносителя при распаде твердого

пороха на газы, разогревающиеся вследствие экзотермического характера реак-

ции, приводит к образованию высокого давления.

В качестве энергоносителя во взрывных молотах применяют также смеси

высококалорийного топлива, например бензина, или горючих газов с атмосфер-

ным воздухом. Сгорание подобных смесей происходит с достаточно высокой

скоростью, чтобы вызвать мгновенное повышение давления во взрывной каме-

ре,

где они были подожжены. Последующее интенсивное расширение продуктов

горения в цилиндре термомеханической системы вызывает метательный харак-

тер движения подвижных частей машины.

Нормальное давление газа составляет 0,3...0,5 МПа, но сжатый воздух пода-

ется в камеру под давлением до 5 МПа, поэтому максимальное давление при

взрыве достигает 20...35 МПа.

Максимальное давление, развиваемое газовоздушными смесями взрывных

молотов, рассчитывают по формуле

/^тах

Хур

см?

где Ху- степень повышения давления при сгорании смеси в постоянном объеме,

Ху= 6,5...7,5 для природного газа и 8...9 для смеси пропана с бутаном;/7^,^ - началь-

ное давление газовоздушной смеси при коэффициенте избытка воздуха

ос^

= 1.

Работу расширения, произведенную продуктами горения в термомеханичес-

кой системе, можно определить по формуле (19.1), учитывая, что показатель к

должен соответствовать условиям процесса: к=

1,22...

1,32. Для того чтобы от

единицы полного объема системы получить максимально возможную работу, по

тем же данным вводят ограничение на степень расширения: F2/F1 =

1,3...2,5.

436

Глава 19. Высокоскоростные молоты

Эффективная работа системы, преобразуемая в кинетическую энергию под-

вижных частей, меньше располагаемой в связи с механическими и газовыми по-

терями. КПД, учитывающий эти потери, составляет 0,8...0,9.

На рис. 19.6, а показана схема импульсной машины для обработки взрывом.

Машина выполнена в горизонтальном варианте без несущей станины. Вместо

последней имеется балочное основание 7, на котором на катках 2 установлена

подвижная рама. Рама составлена из массивной левой поперечины 3 и правой

головки, стянутых колоннами 4. На поперечине 6 головки укреплен цилиндр 7

с глушителем 8 и взрывной камерой 10, Шток 9 цилиндра крепится к траверсе 5,

образуя вместе с ней подвижные части машины.

Природный газ и сжатый воздух подаются во взрывную камеру 1 (рис. 19.6, б).

В начале цикла наполнения электроклапан 5 открыт и газ впускается в камеру до

тех пор, пока давление в ней не достигнет заданного. Тогда срабатывает реле

давления 4 и клапан закрывается. Тотчас открывается аналогичный клапан б

на впуск сжатого воздуха. Когда давление смеси повысится до требуемого уров-

ня,

клапан 6 закрывается от реле давления 7. Машина готова к пуску. Горючая

смесь в камере поджигается при помощи запальной авиационной или автотрак-

торной свечи 2. Как и во всякой газовой системе, впускные магистрали блоки-

руются обратными клапанами 3,

После взрыва смеси подвижные части разгоняются до скоростей 20...80 м/с

в зависимости от условий деформирования обрабатываемого металла и требова-

ний к машине. (Скорость движения и, следовательно, эффективная энергия удара

регулируется изменением давления газа и сжатого воздуха, т. е. соответствующей

перенастройкой реле давлений.) Взрывной импульс, действуя на крышку камеры

цилиндра, вызывает откат рамы навстречу подвижным частям. Следует двусто-

ронний удар по обрабатываемому металлу, и энергия движения гасится в системе

машины. Поскольку сцепление рамы с балками основания благодаря каткам ми-

нимально, вибрационное воздействие удара на фундамент почти не ощущается.

5 6 7 8 9 10

Рис.

19.6. Схемы импульсных машин

437

Раздел IV. МОЛОТЫ

Давление в камере сбрасывается автоматически, так как шток перед подхо-

дом к крайнему левому положению открывает выхлопные окна в цилиндре

(см.

рис. 19.6, а), В результате отработавшие газы уходят в глушитель и затем

отсасываются вентиляцией.

В исходное положение подвижные части возвращаются плунжерами боко-

вых гидроцилиндров, установленных на левой поперечине. Для извлечения изде-

лия в машине должен быть гидровыталкиватель. В связи с высоким начальным

давлением энергоносителя в конструкции машины предусмотрены фиксаторы,

удерживающие подвижные части в крайнем правом положении.

Если в качестве энергоносителя использовать порох, то при сохранении об-

щей компоновки машины необходимо внести изменения в устройство цилиндра

термомеханической системы. В этом случае цилиндром обычно служит срезан-

ный ствол подходящего по калибру артиллерийского орудия после удаления

лейнера и расточки внутреннего отверстия. На казенную часть ствола навинчи-

вается камера сгорания (взрывная камера). В направляющую часть камеры за-

кладывается патрон. Поджигают порох двумя способами: при помощи ударного

механизма, боек которого ударяет по пистону, и при помощи запальной свечи

с нагревом проволоки, проходящей через массу пороха в патроне.

Компактность пороха как энергоносителя и атмосферное давление в камере

сгорания перед пуском машины - очень важные преимущества. Однако порох чувст-

вителен к влаге, требует специальных условий для хранения и учета расходования.

Поскольку природный газ имеется почти повсюду в промышленности, в настоящее

время перспективы внедрения взрывных молотов связаны именно с этим видом

энергоносителя, а также с бензино- и керосиновоздушными горючими смесями.

Пороховые машины остаются очень удобным видом оборудования для ла-

бораторных исследований высокоскоростных методов штамповки.

Глава 20. ПРИВОДНЫЕ МОЛОТЫ

20.1.

Общие сведения

Машины, у которых двигательный и передаточный механизмы представля-

ют единый привод, называют приводными. Индивидуальный электропривод

достаточно широко распространен в конструкциях молотов, предназначенных

для ковки и штамповки, если МПЧ сравнительно невелика. Он существенно

упрощает подвод энергии, управление, позволяет повысить КПД и улучшить

условия труда по сравнению с паровоздушным приводом, у которого энерго-

носителем является пар или сжатый воздух, подаваемый из котельной или от

компрессорной станции. Молотам с индивидуальным электроприводом уделяют

все большее внимание, совершенствуют существующие и разрабатывают новые

конструкции и системы их управления.

438

Глава 20. Приводные молоты

В зависимости от типа передаточного механизма приводные молоты под-

разделяют на пневматические, механические (фрикционные с доской и гибкими

связями) и гидравлические.

20.2.

Пневматические молоты

Назначение и принцип действия. Пневматические молоты, выпускаемые

отечественной промышленностью, предназначены для выполнения операций

ковки на плоских или вырезных бойках. Некоторые иностранные фирмы освои-

ли их выпуск для горячей штамповки.

Пневматические молоты быстроходны, позволяют регулировать эффектив-

ную энергию удара в процессе работы, обеспечивают сравнительно высокий

КПД, просты по устройству и не требуют тш,ательного ухода. Их строят с мас-

сой падающих частей 30... 1000 кг. Скорость движения в момент удара должна

достигать для малых молотов 5 м/с, а для крупных - 7,5 м/с. Это позволяет на-

капливать весьма значительную эффективную энергию удара L^

800 Дж для мо-

лота с МПЧ 50 кг и 28 кДж для молота с МПЧ 1000 кг. При этом для малых

молотов число ударов в минуту п

230, а для крупных - ^

100. Наибольшее

распространение получили пневматические молоты с МПЧ до 400 кг. Масса ша-

бота у них равна 12-кратной МПЧ.

Основные узлы пневматического молота (рис. 20.1) следующие: станина 3,

отлитая заодно с рабочим 77 и компрессорным 2 цилиндрами; пустотелая баба 70,

которая одновременно служит поршнем и штоком рабочего цилиндра; шабот 9;

воздухораспределительные устройства 72 и привод. Последний состоит из элек-

тродвигателя 7, ременной б и зубчатой 5 передач, кривошипного вала 5, шатуна 4

и поршня 7 компрессорного цилиндра.

Энергоноситель в пневматическом молоте, как и в паровоздушном, - сжатый

воздух, однако принципы действия этих молотов различны. В пневматическом

молоте падающие части движутся под действием сжатого воздуха, который, по-

добно упругому элементу, сжимается и расширяется в замкнутых объемах ниж-

них и верхних полостей компрессорного и рабочего цилиндров. Таким образом,

воздух - энергоноситель. Он обеспечивает гибкую связь между падающими час-

тями молота и поршнем компрессорного цилиндра. В процессе работы со-

ответствующие полости компрессорного и рабочего цилиндров с помощью

распределительных устройств соединены или разъединены в зависимости от

выполняемого молотом хода (цикла).

Принцип действия, взаимное расположение поршней, а также давление

воздуха в компрессорном и рабочем цилиндрах могут быть установлены из сов-

местного рассмотрения круговой циклограммы (рис. 20.2, а), графиков хода S

и скорости

(рис. 20.2, б, д), а также индикаторных диаграмм (рис. 20.2, в, г).

Их строят на основе расчета или в результате испытания пневматических молотов.

439