Способы штамповки и перспективы модернизации коленных прессов

Наука и Образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2014. № 11. С. 126-136.

Б01: 10.7463/1114.0733635

Представлена в редакцию: 23.10.2014

© МГТУ им. Н.Э. Баумана

УДК 621.226

Способы штамповки и перспективы модернизации коленных прессов

Анцифиров А. А.1*, Кривошеин В. А.1

Данная статья посвящена анализу особенностей способов штамповки на известных коленных прессах с различными конструкциями исполнительных механизмов. Ставиться вопрос расширения технологических возможностей штамповки на коленных прессах за короткий промежуток времени, соизмеримый со штамповкой на молотах, для деформирования тонкостенных поковок. Описаны процессы накопления энергии, необходимой для осуществления штамповки, за счет увеличения скорости подвижных деталей конструкций коленных прессов от механического, пневматического и гидравлического приводов. На основе приведенного обзора и анализа способов штамповки на коленных прессах выявлена необходимость усовершенствования и модернизации конструктивного исполнения существующих прессов при условии обеспечения кинетической энергии, необходимой для процессы штамповки за короткий промежуток времени.

Ключевые слова: пресс, коленный пресс, коленный механизм, модернизация, автоматизация

Введение

Решение задачи модернизации парка кузнечно-прессовых машин (КШМ) в области заготовительного производства будет благоприятно способствовать повышению эффективности и конкурентоспособности отечественного заготовительного производства как на российском, так и на зарубежных рынках, в первую очередь по соотношению цены и качества предлагаемой потребителю продукции. Путь модернизации позволяет проводить техническое перевооружение производственного парка отечественных машиностроительных предприятий в оптимальные сроки с затратами, меньшими чем требуется на приобретение нового прессового оборудования у зарубежных производителей, которое зачастую может быть выполненным на не современном техническом уровне, например, с точки зрения конструктивного исполнения. Проведение модернизации парка машин для обработки металлов заготовительных предприятий, в том числе и прессового оборудования, позволит выявлять неполноту конструктивных решений, сужающую технологические возможности обработки металлов давлением. Подобные решения должны быть усовершенствованы при разработке нового прессового

Наука и Образование

МГТУ им. Н.Э. Баумана

Сетевое научное издание

аа1ек5ег£шЬох.ш :МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, Россия

оборудования с целью расширения технологических возможностей кузнечно-прессовых машин с использование современных средств автоматизации из области промышленной гидравлики. В статье приводится обзор способов штамповки на основных типах прессовых машин, в частности гидравлических, и на основе выполненного обзора ставится вопрос модернизации на примере коленных прессов с гидравлическим приводом, которая позволит расширить технологические возможности и сферы применения данного типа прессовых машин.

Основная часть

Известные операции холодной и горячей калибровки, чеканки и выдавливания рельефов, выполняемые на кривошипно-коленном прессе [1-3], обеспечиваются конструкцией исполнительного механизма, который состоит из шарнирного четырехзвенника (рис. 1) [2, 3], у которого подвижной шарнир коромысла присоединен с ползуном. При работе пресса максимальный угол отклонения коромысла от оси пресса находится в интервале 30-40°. Максимальная скорость ползуна не превышает 0,3 м/с. Максимальная начальная скорость деформирования заготовки при рабочем ходе - не более 0,15 м/с [1], а частота ходов ползуна для различных прессов - 20-60 мин-1 при номинальной силе 1,00-20,00 МН.

Рис. 1. Принципиальная схема конструкции кривошипно-коленного преса с ведущей шестерней-

эксцентриком.

1 - станина, 2 - электродвигатель, 3 - клиноременная передача, 4 - шатун, 5 - шестерня-эксцентрик, 6 -ось, 7 - тормоз, 8 - шестерня, 9 - подшипники, 10 - приводной вал, 11 - муфта, 12 - маховик, 13 -уравновешиватели, 14 - тяги, 15 - регулировочный эксцентрик, 16 - верхний шарнир, 17 - верхнее колено, 18

- средний шарнир, 19 - нижнее колено, 20 - нижний шарнир, 21 - ползун, 22 - направляющие, 23, 24 -рычаги верхнего выталкивателя, 25 - верхний выталкиватель, 26, 27 - нижние выталкиватели, 28 - балка

нижнего выталкивателя.

Недостаток операций горячей калибровки или штамповки на таких кривошипно-коленных прессах - длительное время контакта штампа с горячей заготовкой, приводящее к низкой стойкости штампов и неэффективности или невозможности горячей штамповки заготовок небольшой толщины (например, для инструмента: гаечных ключей, кусачек, лопаток и др.) вследствие их быстрого остывания.

Приблизительные диапазоны времени деформирования и скоростей деформирования для кузнечно-штамповочных машин, используемых для горячей штамповки заготовок [2], представлен в табл.1.

Таблица 1.

Наименование кузнечно-штамповочных машин Время деформирования заготовки, с Начальная скорость деформирования заготовки, м/с

Гидравлические прессы 0,5-5 до 0,5

Кривошипные прессы 0,1-5 0,4-0,5

Кривошипно-коленные прессы 0,1-0,5 0,10-0,15

Коленные прессы с гидровинтовым приводом 0,01-0,1 до 0,23

Молоты штамповочные 0,001-0,01 5-8

Процессы горячей штамповки, выполняемые на гидравлических штамповочных молотах [4], осуществляются за счет разгона подвижных частей молота с целью накопления ими кинетической энергии поступательного движения на ходе приближения к заготовке, а затем деформирования заготовки за счет накопленной ползуном кинетической энергии (рис. 2) [2]. Часть кинетической энергии переходит в энергию упругой деформации ползуна (бабы) и шабота, которая снова переходит в кинетическую энергию, обеспечивая взаимный отскок ползуна и шабота, и вследствие этого обеспечивается небольшое время деформирования заготовки (0,001-0,01 с) и ее контакта с половиной штампа, закрепленной на ползуне. Горячая заготовка малой массы или малой толщины не успевает существенно остыть за небольшое время деформирования, поэтому полость штампа хорошо заполняется металлом. Этот эффект обеспечивает использование гидравлических штамповочных молотов (ГШМ) в заготовительном производстве инструментальных заводов, однако, вследствие тяжелых условий труда и трудностей автоматизации процесса, использование горячей штамповки заготовок на молотах резко

сокращается. Штамповочные операции на прессах, выполняемые в инструментальном производстве, преимущественно автоматизированы.

Рис. 2. Схема гидравлического молота двойного действия

1 - шток с поршнем, 2 - рабочий цилиндр, 3 - распределительное устройство, 4 - аккумулятор, 5 - насос, 6

- сливной бак, 7 - предохранительное устройство.

Технологические процессы обработки металлов давлением на коленно-рычажных прессах, например, отечественного образца с пневматическим приводом (рис .3) [5] или зарубежных прессах с коленно-рычажным механизмом с гидравлическим приводом [6], обусловлены тем, что развиваемая сила деформирования, необходимая для штамповки заготовок, обеспечивается за счет увеличения силы, развиваемой гидро- или пневмоцилиндром. Накопление кинетической энергии подвижных частей на таких прессах не предусмотрено, при этом коленно-рычажный пресс [6] обладает системой управления гидравлическим приводом.

Особенность технологического процесса штамповки заготовок на коленных прессах с приводом от гидравлического и гидровинтового цилиндров, у которых подвижные детали присоединены к колену, как на отечественном образце [7] (рис. 4), или зарубежном [8], или к двуплечему рычагу коленно-рычажного механизма (рис .5) [9] заключается в том, что при ходе приближения ползуна к заготовке происходит увеличение подачи жидкости в гидровинтовой цилиндр и, соответственно, разгон подвижных деталей пресса, увеличение угловой скорости вращения гидровинтового цилиндра, а также его линейной скорости, увеличение линейной скорости коленного шарнира до 0,85 м/с [2] и возможно до 1,5 м/с [2], и, соответственно, скорости, что приводит к увеличению кинетической энергии подвижных деталей пресса.

а)

б)

Рис. 4. Конструктивная схема коленного пресса с гидроцилиндром.

1 - станина, 2 - звенья коленного механизма, 3 - опора, 4 - ползун, 5 - штампы, 6 - гидравлический винтовой силовой цилиндр, 7 - плунжер силового цилиндра, 8 - опорный подпятник цилиндра, 9 -возвратный гидравлический цилиндр, 10 - плунжер возвратного гидравлического цилиндра, 11 - уплотнения,

12, 13 - каналы подвода рабочей жидкости.

Деформирование на таких прессах осуществляется за счет кинетической энергии, накопленной подвижными деталями пресса и ползуном при начальной скорости деформирования заготовки 0,23 м/с [2]. Осуществление возвратного хода совершается за счет подачи рабочей жидкости в противоположный гидроцилиндр (рис. 4а, 5) [5, 9], таким образом обеспечивается перемещение подвижных деталей пресса в направлении противоположном ходу при приближении ползуна к заготовке и ее деформировании [9]. Возвратный ход может осуществляться при продолжении подачи рабочей жидкости в ту же полость гидровинтового цилиндра и при перемещении подвижных деталей привода ползуна в том же направлении, что и при разгоне подвижных деталей пресса, и при деформировании заготовки, как показано на рис. 4б [7].

Рис. 5. Коленный пресс.

1 - станина,2 -гидравлический винтовой цилиндр с не самотормозящей резьбой, 3 - плунжер, 4 -подпятник, 5 - звенья первого коленного механизма, 6 - звенья второго коленного механизма, 7 -возвратный цилиндр, 8 - плунжер возвратного цилиндра, 9 - ползун, 10 - направляющие ползуна, 11 -штампы, 12, 13 - каналы подвода рабочей жидкости.

Штамповка на коленных прессах с приводом от гидравлического и гидровинтового цилиндров осуществляется за сравнительно большое время деформирования заготовки (более 0,1 с) вследствие изменения направления движения деталей привода ползуна после окончания деформирования заготовки, а также вследствие небольших скоростей перемещения подвижных деталей пресса. Несколько меньшее время деформирования заготовки возникает в случае, если возвратный ход ползуна совершается при движении

деталей привода ползуна в том же направлении, что и при этапах разгона и деформирования.

Длительное время контакта горячей заготовки небольшой толщины со штампом приводит к её остыванию до температуры ниже допустимой для деформирования. Многоручьевая горячая штамповка тонкостенных заготовок инструмента на таких коленных прессах не используется.

Выводы

Приведенный анализ особенностей изготовления поковок на коленных прессах вызывает у авторов стати постановку вопроса о возможности штамповки за время, меньшее чем у известных коленных прессов с гидравлическим приводом с учетом технологических особенностей процессов деформирования. Очевидно, что в коленных прессах с гидравлическим приводом для штамповки заготовок за время, приближающееся к длительности процесса деформирования, как у штамповочных молотов, важной является необходимость выполнения условия обеспечения требуемой кинетической энергии подвижных деталей пресса, чего можно достигнуть путем модернизации гидравлического привода, конструктивного улучшения приводных узлов и конструкции прессов с коленным и колено-рычажными механизмами. Требуемого уровня модернизации можно достигнуть используя передовые разработки программно-аппаратных средств из области автоматизации технологических процессов, применяя их в обработке металлов давлением, в частности для коленных прессов. Малого времени деформирования можно достичь путем программного управления гидравлическими цилиндрами с помощью гидравлических распределителей, время срабатывания которых может составлять от 2 мс. [10].

Список литературы

1. Бочаров Ю.А., Матвеенко И.В., Ланской Е.Н., Конев Л.Г., Кирдеев Ю.П., Искович-Лотоцкий Р.Д., Богданов Э.Ф., Вербицкий В.И., Шуляк В.С., Каширцев Л.П., Новиков В.П., Жесткова И.Н. Машиностроение: энциклопедия. В 40 т. Т. IV-4. Машины и оборудование кузнечно-штамповочного и литейного производства / гл. ред. изд. К.В. Фролов. М.: Машиностроение, 2005. 992 с.

2. Бочаров Ю.А. Кузнечно-штамповочное оборудование. М.: Изд. центр «Академия», 2008. 480 с.

3. Metal forming handbook / SCHULER GmbH. Springer Berlin Heidelberg, 1998. 563 p. DOI: 10.1007/978-3-642-58857-0

4. Бочаров Ю.А., Хорычев А.А. Гидравлические штамповочные молоты и пресс-молоты: обзор. М.: НИИмаш, 1974. 48 с.

5. Кузнецов М.В., Морозов Ю.И., Светлов Ю.П., Трещев Ю.М., Киселев В.А., Курчаков В.И. Способ клепки и пневматический пресс для его осуществления: а. с. 1602603 СССР. 1990. Бюл. № 40.

6. Press for production of plastic molded pieces has conquered rolled drive knuckle joints system to drive press ram [Пресс для производства формованных деталей из пластика]: pat. DE 202004020750 U1/ applicant [заявитель] Müller Weingarten AG. 2006.

7. Бочаров Ю.А., Зимин А.И. Коленный пресс с пневмо- или гидроцилиндром: а. с. 166239 СССР. 1964. Бюл. № 21.

8. Harsch E. Hydro-mechanical press drive [Привод гидромеханического пресса]: pat. DE 19918700 A1. 2000.

9. Артемов Ю.М., Бочаров Ю.А., Антипов Н.Н. Коленный пресс: а. с. 258032 СССР. 1969. Бюл. № 36.

10. Rexroth Hydraulics R-RS 23 178/09.99: каталог. Mannesmann Rexroth GmbH.

Science and Education of the Bauman MSTU, 2014, no. 11, pp. 126-136.

DOI: 10.7463/1114.0733635

Received:

23.10.2014

Science ^Education

of the Bauman MSTU

ISSN 1994-0448 © Bauman Moscow State Technical Unversity

Mannes of Forging and Perspectives of Knuckle Joint Presses Modernization

*

.. . . .-1 aaleksei@inbox.ru

A.A. Antsifirov ' , V.A. Knvoshem

bauman Moscow State Technical University, Moscow, Russia

Keywords: press, knuckle joint press, knuckle joint mechanisms, modernization, automation

The article raises an issue to enhance technological forging capabilities on the known knuckle joint presses. It provides an illustrated overview of main design types of presses with crank-knuckle, toggle-knuckle, and knuckle joint mechanisms. The article also shows the advantages of the modernization way and improvement just of the active press equipment in terms of quality-to-price ratio, for example, as compared to the similar new foreign press equipment.

It gives an overview of features, which provide forging processes owing to kinetic energy accumulated with the moving parts of the known designs of the knuckle joint presses depending on the drive actuating mechanism. Focused attention is drawn to forging on the knuckle joint presses for a time of contact with a work piece to be comparable with the duration of the work piece deformation process on hydraulic forging hammers. This allows us to forge thin-wall products with process automation compared to the forging hammers.

Analysis of accumulating processes of kinetic energy by the moving parts of the knuckle joint presses has shown that presses driven by hydraulic cylinders or two screw hydraulic cylinder are the most optimal for technological operations as evidenced by references to domestic and foreign invention certificates and patents. The article presents disadvantages of forging on presses with hydraulic or pneumatic drive. It is a dependence of the deformation force, caused, mainly, by a force of the drive cylinder. The article gives linear movement rate quantities of press moving members depending on the drives of the actuating mechanism. Based on the above analysis of the features to manufacture work pieces on the knuckle joint presses, the article gives the rationale for the relevance of forging in a short period of time, provided that the moving parts of the press accumulate the required kinetic energy. This can be achieved only through modernization and improvement of forging equipment designs, in particular, using modern industrial hydraulics facilities, software and hardware systems for industrial automation.

References

1. Bocharov Yu.A., Matveenko I.V., Lanskoy E.N., Konev L.G., Kirdeev Yu.P., Iskovich-Lototskiy R.D., Bogdanov E.F., Verbitskiy V.I., Shulyak V.S., Kashirtsev L.P., Novikov

V.P., Zhestkova I.N. Mashinostroenie: entsiklopediya. V 40 t. T. 4-4. Mashiny i oborudovanie kuznechno-shtampovochnogo i liteynogo proizvodstva [Mechanical Engineering: Encyclopedia. In 40 vols. Vol. 4-4. Machinery and equipment for forging and stamping and foundry production]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 2005. 992 p. (in Russian).

2. Bocharov Yu.A. Kuznechno-shtampovochnoe oborudovanie [Forging and stamping equipment]. Moscow, Publishing Center "Akademiya", 2008. 480 p. (in Russian).

3. Metal forming handbook / SCHULER GmbH. Springer Berlin Heidelberg, 1998. 563 p. DOI: 10.1007/978-3-642-58857-0

4. Bocharov Yu.A., Khorychev A.A. Gidravlicheskie shtampovochnye moloty i press-moloty: obzor [Hydraulic forging hammers and press-hammers: overview]. Moscow, NIImash Publ., 1974. 48 p. (in Russian).

5. Kuznetsov M.V., Morozov Yu.I., Svetlov Yu.P., Treshchev Yu.M., Kiselev V.A., Kurchakov V.I. Sposob klepki i pnevmaticheskiy press dlya ego osushchestvleniya [Method of riveting and pneumatic press for its implementation]. Inventor's certificate SU, no. 1602603, 1990. (in Russian).

6. Press for production of plastic molded pieces has conquered rolled drive knuckle joints system to drive press. Patent DE 202004020750 U1. Applicant: Müller Weingarten AG, 2006.

7. Bocharov Yu.A., Zimin A.I. Kolennyy press s pnevmo- ili gidrotsilindrom [Knuckle joint press with pneumatic cylinder or hydraulic cylinder]. Inventor's certificate SU, no.166239, 1964. (in Russian).

8. Harsch E. Hydro-mechanical press drive. Patent DE 19918700 A1, 2000.

9. Artemov Yu.M., Bocharov Yu.A., Antipov N.N. Kolennyy press [Knuckle joint press]. Inventor's certificate SU, no. 258032, 1969. (in Russian).

10. Rexroth Hydraulics R-RS 23 178/09.99: catalog. Mannesmann Rexroth GmbH.