УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ВРЕМЕНЕМ УДАРА ПРИ ДЕФОРМИРОВАНИИ ЗАГОТОВОК НА МОЛОТЕ
DEVICE FOR CONTROL OF IMPACT TIME IN PROCESS OF BILLETS DEFORMATION ON HAMMER

Изобретение относится к обработке металлов и сплавов давлением и может быть использовано в конструкциях кузнечно-штамповочного оборудования (молоты для ковки, объемной и листовой штамповки), в устройствах и молотах для забивки свай в грунт при строительстве, а также в других технологических системах ударного действия.
Известно влияние скорости деформирования на пластичность и сопротивление деформированию при различных технологических процессах обработки металлов давлением. Стандартные скорости начала деформирования на молотах и высокоскоростных прессах составляют от 4 до 8 м/с. Конечная скорость равна 0, а время деформирования от начала контакта до остановки штампа или бойка составляет от 0,01 до 0,001 с. Если увеличить время деформирования, например, в два или более раз, то средняя скорость деформирования также уменьшится в два или более раз, при этом деформирование будет проходить при более благоприятных условиях (небольшие значения сопротивления деформации и повышенная пластичность), что приведет к экономии энергии деформирования, которая может быть утилизирована.
Обычное деформирование, например, при осадке заключается в сжатии заготовки, установленной вертикально по оси до степени деформации
0
где: h - начальная высота заготовки;
h - конечная высота заготовки.
Как было указано ранее, такая схема приводит к высоким скоростям деформирования и, соответственно, высоким значениям сопротивления деформации и пониженной пластичности.
Также изменение времени деформирования помимо предполагаемой экономии энергии деформирования может дать технологический эффект при различных технологических операциях обработки металлов давлением.
Из уровня техники известно устройство для забивки полой сваи в грунт (авторское свидетельство SU №1186737А, МПК E02D 7/02, 23.10.85), содержащее ударную бабу, закрепленную на нижнем конце направляющего стержня, оснащенного охватывающими его подвижными вдоль стержня жесткими элементами и размещенными между ними упругими элементами.
При сбрасывании ударная баба перемещается в полости сваи до взаимодействия с ее башмаком. Под влиянием запасенной энергии и вследствие резкого торможения происходит продольное сжатие упругих элементов, расположенных в корпусе утяжелителя, и их расширение в радиальном направлении до соприкосновения наружных цилиндрических поверхностей с внутренними стенками сваи. Вследствие сжатия упругих элементов исключается отскок ударной бабы при соударении ее со сваей и происходит равномерное и последовательное распределение энергии единичного удара по всем участкам забиваемой сваи.
Недостатком данного устройства является сложность конструкции вследствие большого количества специальных упругих и жестких элементов, а также невозможность регулировки предварительного сжатия упругих элементов.
Кроме того, из уровня техники известен молот для забивания свай (патент на изобретение RU №2134742 С1, МПК 6 E02D 7/08, 20.08.99). Молот содержит корпус цилиндра, поршень, шабот, промежуточный элемент, столб жидкости, заключенный между промежуточным элементом и дном цилиндра. Использование столба жидкости позволяет управлять амплитудой и временем удара за счет изменения высоты столба жидкости и увеличить долговечность сваи при ее забивании в грунт.
Недостатком данного молота является сложность конструкции вследствие необходимости использования насосной станции для подачи и регулировки высоты столба жидкости, специальных камер, отводящих и подводящих каналов и клапанов для подвода жидкости.
Но все обнаруженные устройства, к сожалению, имеют иное назначение по сравнению с заявленным изобретением, более близкого аналога по назначению обнаружить не удалось.
Задача изобретения заключается в создании устройства, которое позволит управлять временем удара при деформировании заготовок на молоте, создании более благоприятных условий деформирования и экономии энергии деформирования.
Поставленная задача может быть выполнена при использовании специального устройства, характеризующегося тем, что оно содержит корпус в виде верхней и нижней входящих одна в другую цилиндрических втулок, первая из которых выполнена с возможностью контакта при деформировании заготовки с бабой молота, а вторая - с возможностью деформирования заготовки, и пружину, расположенную между упомянутыми втулками, предварительно затянутую до значения силы, которое равно или превышает необходимую силу начала деформирования заготовки, и выполненную с возможностью регулирования силы предварительной затяжки.
Технический результат, получаемый от использования изобретения, заключается в увеличении времени удара при деформировании, создании более благоприятных условий деформирования и экономии энергии деформирования.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором изображено предлагаемое устройство для управления временем удара при деформировании заготовок на молоте.
Конструкция предложенного устройства состоит из двух входящих друг в друга цилиндрических втулок - верхней 1 и нижней 4, между которыми расположена пружина 3 (например, набор тарельчатых пружин), которая может быть затянута винтом 2 до значений, равных или превышающих силу начала деформирования заготовки и которые вычисляются по следующей формуле:
s
где: σ - напряжение текучести заготовки;
F - площадь контакта заготовки и инструмента.
Предложенное устройство работает следующим образом. В начальный момент деформирования падающая баба молота входит в контакт с верхней втулкой 1 устройства, которая при движении вниз сжимает пружину 3, при этом сила затяжки пружины 3 возрастает и нижняя втулка 4 начинает деформировать образец. При соприкосновении верхней 1 и нижней 4 втулок происходит полное сжатие пружины 3, которое по возможности должно соответствовать концу деформирования.
При этом часть энергии бабы молота пойдет на деформирование образца, часть на сжатие пружины 3. Время удара при деформировании увеличится за счет увеличения полного хода деформирования S:
где:  - ход сжатия пружины;
- ход деформирования образца.
Время удара при деформировании можно регулировать путем изменения параметров пружины и силы предварительной затяжки.
Пример
Приведены результаты экспериментальных исследований процесса осадки цилиндрических образцов в зависимости от энергии и продолжительности удара с использованием предлагаемого устройства.
Проводили физическое моделирование осадки цилиндрических заготовок из пруткового алюминия ⌀20 мм марки 1050А (АД-0, ГОСТ 4784-97) в отожженном состоянии на вертикальном копре (баба массой 22,3 кг, масса шабота 1500 кг) с целенаправленным изменением времени удара с помощью предлагаемого устройства, которое устанавливали на верхнюю плиту экспериментального штампа для осадки образцов.
Для измерения продолжительности исследуемых процессов осадки при ударе была использована камера высокоскоростной видеосъемки.
В табл.1 приведены параметры экспериментов по осадке цилиндрических образцов.
Таблица 1
№ опыта
Масса бабы, кг
Масса шабота, кг
Диаметр образца d, мм
Высота образца h, мм
Высота падения бабы Н, м
Скорость падения бабы V, м/с
Энергия удара А<sub>з</sub>, Дж
1
22,3
1500
20
20
0,5
3,13
109,3
2
3
4
1,25
4,95
273,4
5
6
7
2,0
6,26
437,1
8
9
Параметры экспериментов по осадке цилиндрических образцов
В табл.2 и табл.3 представлены результаты экспериментов по осадке цилиндрических образцов после серии из 3-х последовательных ударов бабы.
Таблица 2
Результаты экспериментов по осадке цилиндрических образцов
№ опыта
Н, м
V, м/с
А<sub>з</sub>, Дж
1 удар
2 удар
3 удар
h<sub>1</sub>, мм
ε<sub>1</sub>, %
h<sub>2</sub>, мм
ε<sub>2</sub>, %
h<sub>3</sub>, мм
ε<sub>3</sub>, %
1.1-1.3
0,5
3,13
109,3
17,37
13,17
15,57
22,17
14,20
29,00
1.4-1.6
1,25
4,95
273,4
14,63
26,83
11,70
41,50
9,67
51,67
1.7-1.9
2,0
6,26
437,1
13,13
34,33
10,13
49,33
7,93
60,33
Таблица 3
Результаты экспериментов по осадке цилиндрических образцов с использованием предлагаемого устройства
№ опыта
Н, м
V, м/с
А<sub>з</sub>, Дж
1 удар
2 удар
3 удар
h<sub>1</sub>, мм
ε<sub>1</sub>, %
h<sub>2</sub>, мм
ε<sub>2</sub>, %
h<sub>3</sub>, мм
ε<sub>3</sub>, %
2.1-2.3
0,5
3,13
109,3
17,17
14,17
15,53
22,33
14,17
29,17
2.4-2.6
1,25
4,95
273,4
14,70
26,50
11,87
40,67
9,90
50,50
2.7-2.9
2,0
6,26
437,1
13,13
34,33
10,03
49,83
8,03
59,83
Проанализировав полученные результаты, можно отметить следующие особенности.
удара1
1
удара2
2
удара3
3
При осадке образцов с энергией 109,3 Дж продолжительность первого удара составляет t=0,0025 с, а степень деформации - ε=13,17%, продолжительность второго удара t=0,0025 с и ε=22,17%, для третьего удара - t=0,002 с и ε=29%.
удара1
1
удара2
2
удара3
3
При осадке с энергией 273,4 Дж продолжительность первого удара составляет t=0,0035 с, а степень деформации - ε=26,83%, продолжительность второго удара t=0,00225 с и ε=41,5%, для третьего удара - t=0,00175 с и ε=51,67%.
удара1
1
удара2
2
удара3
3
При осадке с энергией 437,1 Дж продолжительность первого удара составляет t=0,00325 с, а степень деформации - ε=34,33%, продолжительность второго удара t=0,002 с и ε=49,33%, для третьего удара - t=0,002 с и ε=60,33%.
удара1
1
удара2
2
удара3
3
При осадке образцов с энергией 109,3 Дж с целенаправленным изменением времени удара с использованием предлагаемого устройства продолжительность первого удара составляет t=0,004 с, а степень деформации - ε=14,17%, продолжительность второго удара t=0,00375 с и ε=22,33%, для третьего удара - t=0,00375 с и ε=29,17%.
удара1
1
удара2
2
удара3
3
При осадке с энергией 273,4 Дж продолжительность первого удара составляет t=0,00425 с, а степень деформации - ε=26,5%, продолжительность второго удара t=0,00375 с и ε=40,67%, для третьего удара - t=0,00275 с и ε=50,5%.
удара1
1
удара2
2
удара3
3
При осадке с энергией 437,1 Дж продолжительность первого удара составляет t=0,0045 с, а степень деформации - ε=34,33%, продолжительность второго удара t=0,0045 с и ε=49,83%, для третьего удара - t=0,002 с и ε=59,83%.
Таким образом можно сделать вывод о существенном (почти в 2 раза) увеличении времени удара при осадке при использовании устройства для увеличения времени удара при деформировании предлагаемой конструкции.