Разработка нового типа кузнечно-прессового оборудования для разделительных операций

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ

УДК 621.97-231.32:621.96

Разработка нового типа кузнечно-прессового оборудования для разделительных операций

Л. Л. Роганов, С. Г. Карнаух, Н. В. Чоста

Постановка задачи

Рациональное использование металла, экономия энергоресурсов, снижение трудоемкости и улучшение качества продукции — важные задачи, которые следует решать на всех технологических этапах металлообрабатывающего производства, включая процессы обработки материалов давлением вообще и разделение проката на мерные заготовки в частности. Для разделительных операций используются традиционные технологии, реализуемые путем применения известного серийного оборудования — прессов и ножниц, поэтому прогресс возможен при условии применения новых технологических приемов и использования нестандартных механизмов в машинах.

Разделительные операции относятся к числу самых распространенных в области обработки материалов давлением. Они выполняются с использованием как специализированного (ножниц, хладноломов и др.), так и универсального кузнечно-прессового оборудования (гидравлических и механических прессов, молотов, пресс-молотов). В качестве исполнительных механизмов в указанных аппаратах применяются гидроцилиндры, кривошип-но-шатунные, коленно-рычажные, винтовые механизмы, являющиеся, как правило, многозвенными и имеющие сравнительно невысокую жесткость.

Разделительные операции отличаются от других операций обработки материалов давлением тем, что для их проведения необходимо обеспечить максимальную силу разделения в начале рабочего хода. Следовательно, для исполнительных механизмов кузнечно-прессового оборудования нужно предусмотреть возможность учета такого характера силовой нагрузки. Кроме того, необходимо учитывать высокие требования к качеству поверхности разделения, максимальному снижению затрат энергии, повышению коэффициента полезного действия (КПД) механизмов в оборудовании для разделительных операций. Существующие традиционные исполнительные механизмы машин для разделитель-

ных операций не удовлетворяют в полной мере этим требованиям.

В этом смысле более эффективными являются клиновые клиношарнирные механизмы, имеющие большие опорные поверхности, небольшую высоту звеньев по направлению действия рабочей силы, переменность соотношения между приводной и рабочей силами [1]. Такие механизмы разрабатываются, например, в Донбасской государственной машиностроительной академии (ДГМА).

На основании вышеизложенного можно сделать вывод о том, что совершенствование клиношарнирного механизма и создание на его основе нового типа кузнечно-прессового оборудования, предназначенного для повышения уровня заготовительного производства, являются актуальными задачами, имеющими важное научное и практическое значение. Дальнейшее развитие кузнечно-прессового оборудования для реализации разделительных операций неразрывно связано с проведением широкого круга комплексных научных исследований исполнительных механизмов машин, которые по графику изменения силы деформирования максимально приближаются к типовому графику сил, характерному для разделительных процессов. Такое силовое воздействие можно обеспечить благодаря предложенному исполнительному клиношарнирному механизму с вогнутым клином [2].

В данной работе поставлена цель исследовать клиношарнирный механизм с вогнутым клином и разработать специализированное оборудование для разделительных операций на его основе.

Описание клиношарнирного механизма

с вогнутым клином

Клиношарнирный механизм пресса (рис. 1) состоит из вогнутого клина 1, шарнира 2 и ползуна 3. Клин 1 имеет две рабочие поверхности, одна из которых выполнена плоской и опирается на упорную деталь — верхнюю поперечину пресса. Вторая рабочая поверхность клина

Рис. 1. Схема клиношарнирного механизма: кг — горизонтальный ход клина; ¥г — горизонтальная приводная сила на клине; В — центр кривизны выпуклой поверхности шарнира радиусом г; кв — вертикальный ход ползуна; ¥в — вертикальная технологическая сила на ползуне; В — радиус клина; А — центр кривизны вогнутой поверхности клина радиусом В

соответствует радиусу вогнутой цилиндрической и сопрягается с выпуклой цилиндрической поверхностью шарнира 2. Последний имеет вторую рабочую поверхность, которая также выполнена по радиусу и сопрягается с цилиндрической поверхностью ползуна 3.

Клиношарнирный механизм работает следующим образом. Под действием силы привода вогнутый клин 1 перемещается горизонтально, воздействует на шарнир 2, который, поворачиваясь вокруг своей оси, перемещает ползун 3. Последний совершает рабочий ход и, доходя до крайней нижней точки, возвращается в исходное положение под действием усилия буфера.

Расчеты кинематических и силовых параметров клиношарнирного механизма

Теоретические исследования клиношарнирного механизма с вогнутым клином целесообразно проводить аналитическими и графоаналитическими методами кинематического и динамического анализа, используемыми в теории механизмов и машин, а также методами математического моделирования с применением ПЭВМ с учетом особенностей трения, систем смазки для оценки влияния параметров механизма на его эксплуатационные характеристики при расчетах параметров кузнечно-прессового оборудования [3-5].

Характер движения звеньев клиношарнирного механизма аналогичен характеру движения звеньев двухползунного рычажного механизма, а следовательно, структурные схемы этих механизмов идентичны (рис. 2) [5].

Однако имеются и принципиальные отличия этих механизмов. Клиношарнирный механизм имеет короткие звенья, а следовательно, большую жесткость, его шарниры отличаются значительными опорными площадями, способными передавать большие силы. Эти отличия обеспечивают преимущества клиношарнирного механизма по сравнению с рычажными механизмами при применении в кузнечно-прессовом оборудовании.

Основные соотношения между геометрическими параметрами клиношарнирного механизма с вогнутым клином:

\ = В -V В2 - й2 ; Ф = агсвт (Ьр/В),

где кв — вертикальный ход ползуна; В — радиус клина; кт — горизонтальный ход клина; ф — угол поворота шарнира.

На основе кинематического анализа клиношарнирного механизма пресса, выполненного графоаналитическим и аналитическим методами, получены зависимости для определения скорости Ув и ускорения ав точки В, а следовательно, и ползуна пресса:

^ = уа ^ ф;

аВ = аУВ № = аА ф + УА /

где Уд, ад — скорость и ускорение точки А, а следовательно, и вогнутого клина.

Рис. 2. Структурная схема клиношарнирного механизма пресса с вогнутым клином:

ув — вертикальное перемещение точки В, а следовательно, ползуна 3, ув = йв; ф — угол поворота шарнира 2; В — радиус клина 1; хА — горизонтальное перемещение точки А, а следовательно, клина 1, хА = кг

На основе динамического анализа клино-шарнирного механизма пресса с вогнутым клином, выполненного графоаналитическим (рис. 3, а) методом по аналогии с методикой определения силовых характеристик для кривошипных механизмов прессов, установлена зависимость между приводной горизонтальной силой на клине Рг и технологической вертикальной силой на ползуне

К = К / ^

где р — угол трения в поступательных кинематических парах; ^ — угол трения на цилиндрических поверхностях клина, шарнира и ползуна; f — коэффициент трения в кинематических парах; г — радиус шарнира.

Для подтверждения достоверности полученных результатов были проведены исследования силовых характеристик клиношар-нирного пресса с вогнутым клином с использованием аналитического метода (рис. 3, б), основанного на составлении уравнений равновесия структурных групп и решения их методом Ньютона [4, 5].

Силовой расчет начинался с рассмотрения структурной группы, состоящей из клина 1 и шарнира 2. Ниже приведена система уравнений равновесия, включающая силы трения в поступательной паре и моменты трения во вращательных парах:

Е МА (Ъ >2 = 0: М21Т + ^28, +

+ Ъ23*

Е (К* Ь = о: К2* + К + Кю = °;

Е

Е (Р1х )2 = 0: -+ = 0;

Е

Е МА

где Е МА (^ )2 — сумма моментов относительно точки А всех сил, действующих на шарнир 2; Е МА (^ — сумма моментов относительно точки А всех сил, действующих на клин 1; Е (Кх )г — сумма проекций на

б) м

Рис. 3. Расчетные схемы нагружения клиношарнирного механизма пресса с вогнутым клином: а — при использовании графоаналитического метода:

^Ю — сила, приложенная к клину 1 от направляющей 0; С — точка прямоугольного треугольника, построенного на отрезке АВ, как на хорде; /г — радиус круга трения во вращательной паре «шарнир 2 — ползун 3»; — сила, приложенная к ползуну 3 от шарнира 2; — сила, приложенная к ползуну 3 от направляющей 0; — радиус круга трения во вращательной паре «клин 1 — шарнир 2»;

б — при использовании аналитического метода:

^12х, ^12у — реакции во вращательной кинематической паре «клин 1 — шарнир 2», то есть составляющие силы, приложенной к клину 1 от шарнира 2; Мю, — момент и реакция в поступательной паре «клин 1 — направляющая 0»; щ — направляющая клина 1; ^тзо — сила трения в поступательной паре «ползун 3 — направляющая 0»; — сила трения в поступательной паре «клин 1 — направляющая 0»; М2зт — момент трения во вращательной паре «шарнир 2 — ползун 3»; М12т — момент трения во вращательной паре «клин 1 — шарнир 2»; М3о, ^зох — момент и реакция в поступательной паре «ползун 3 — направляющая 0»; ^23ж, ^23у — реакции во вращательной кинематической паре «шарнир 2 — ползун 3»; п-2 — направляющая ползуна 3

ось х всех сил, действующих на шарнир 2; X (^х ^ — сумма проекций на ось х всех сил, действующих на клин 1; X ()г — сумма проекций на ось у всех сил, действующих на шарнир 2; X ^ —сумма проекций на ось у всех сил, действующих на клин 1; хд, уд — координаты точки А; хв, ув — координаты точки В; Р^*, — реакции во вращательной кинематической паре «клин 1 — шарнир 2», то есть составляющие силы, приложенной к клину 1 от шарнира 2; Р23*, ^23у — реакции во вращательной кинематической паре «шарнир 2 — ползун 3»; Рг — горизонтальная приводная сила на клине; РТ10 — сила трения в поступательной паре «клин 1 — направляющая 0»; М^, Рюу — момент и реакция в поступательной паре «клин 1 — направляющая 0»; М^ — момент трения во вращательной паре «клин 1 — шарнир 2»; М2зТ — момент трения во вращательной паре «шарнир2 — ползун 3», причем М12т = -М21т, М2зТ = -Мз2т. Моменты трения во вращательных парах могут быть представлены в виде следующих зависимостей:

' тЗО

I

Sign (у'),

М23т = "

F

VF

23х + F23y

fBrB Sign^);

м12т = - VF*2x + P^ fArASign(ф£);

4lO - I Fwyfni

Sign (*l),

где fn — коэффициент трения в поступательной паре; у' — передаточная функция первого порядка.

На рис. 4 представлены графики изменения силы Рв в зависимости от угла поворота шатуна (шарнира) ф для разных значений коэффициентов трения f, рассчитанные двумя методами. Параметры клиношарнирно-го механизма: радиус клина В = 300 мм; радиус шарнира г = 45 мм; сила на клине Рг = = 49 кН; угол ф изменяется от 0 до 15°.

Анализ полученных данных показал, что расхождения между результатами, полученными двумя методами, составляют не более 2,5 %, следовательно, существует возможность их применения. Графоаналитический метод более прост и нагляден в использовании, однако он задействуется только для шатунных механизмов, тогда как аналитический является более универсальным.

На основании результатов силового анализа можно получить формулу для определения КПД ^ клиношарнирного механизма

П = tg ф / tg (ф + р + у).

где гд, гв — радиусы шарниров А, В соответственно; fв — коэффициенты трения в шарнирахА, В; fn — коэффициент трения в направляющих клина 1; ф', х' — передаточные функции первого порядка угла поворота шарнира 2 и перемещения клина 1.

В результате решения системы уравнений (6)-(9) с учетом формул (10)-(12) могут быть определены реакции в кинематических парах, силы и моменты трения. Для решения нелинейных систем уравнений (6)-(12) использован метод Ньютона. Зная реакции Р23* и ^23у, определяли силу полезного сопротивления Рв из условия равновесия звена 3:

X

X МА

где РТз0 — сила трения в поступательной паре, которая может быть представлена в виде зависимости

Полученная зависимость позволяет сделать вывод о том, что на КПД клиношарнирного механизма с вогнутым клином существенное влияние оказывают условия трения на рабочих поверхностях, имеющих достаточно большие площади по сравнению с размерами самого механизма; габаритные размеры исполнительного механизма.

Анализ построенных графиков зависимости КПД клиношарнирного механизма от угла поворота шарнира при различных значениях k = г/В (рис. 5, а) и f (рис. 5, б) показывает, что с уменьшением коэффициента k КПД механизма возрастает и наиболее

14 16 ф, град

Рис. 4. График изменения силы полезного сопротивления Рв от угла поворота (р шарнира:

1 — Г = 0,15; 2 — Г = 0,20; 3 — Г = 0,25;--аналитический метод; — — — — графоаналитический метод

а)

18 20 ф, град

скольжения трением качения или в условиях жидкостного трения, когда между рабочими поверхностями клина, шарнира и ползуна создается масляный слой, давление в котором поддерживается на требуемом уровне.

Благодаря использованию предложенных выше математических моделей разработана методика проектирования прессов с клино-шарнирным механизмом с вогнутым клином для реализации разделительных операций. Результатом практического применения данной методики является разработка специализированного клиношарнирного пресса усилием 4 МН (рис. 6). Пресс состоит из станины, выполненной в виде верхней 4, нижней 11 и боковых 14 поперечин, которые собираются с помощью шпилек 12, 13; клиношарнирного механизма с вогнутым клином, включающего в себя вогнутый клин 7 с приводом от гидроцилиндра 2, взаимодействующий с шарниром 3. Последний установлен так, что у него есть возможность поворота, и, в свою очередь, контактирует с соответствующей поверхностью ползуна 8, на котором

10 12 14 16 18 20 ф, град

Рис. 5. Графики зависимости КПД т| клиношарнирного механизма от угла поворота шарнира ф: а — при различных значениях коэффициента к: 1 — й = 0,10; 2 — й = 0,25; 3 — й = 0,50; 4 — й = 0,75; 5 — й = = 1,00;

б — при различных значениях коэффициента трения /:

1 — / = 0,01; 2 — / = 0,05; 3 — / = 0,10; 4 — / = 0,20

рациональными с точки зрения КПД являются клиношарнирные механизмы, у которых коэффициент к будет находиться в пределах от 0,1 до 0,3. Однако установлено, что размеры клиношарнирного механизма не оказывают значительного влияния на КПД механизма, так как при уменьшении к в 10 раз КПД увеличивается всего лишь на 10,3 %. Более существенно КПД клиношарнирного механизма зависит от значения f (см. рис. 5, б), так как при уменьшении f с 0,2 до 0,1 КПД увеличивается на 11 % в начале рабочего хода (ф = 4°) и на 21 % — при ф = 20°, а при уменьшении f с 0,1 до 0,01 — на 52,6 и 36,6 % соответственно [6].

Анализ графиков показывает, что высокие значения КПД клиношарнирного механизма можно получить только при замене трения

Рис. 6. Конструктивная схема клиношарнирного пресса с вогнутым клином усилием 4 МН для разделения сортового проката диаметром 100 мм

закреплен инструмент 9 для отрезки сортового проката 10. Пресс дополнительно оснащен клином 6 постоянного угла клиновид-ности 7° с приводом от гидроцилиндра 5. Для возврата ползуна 8 в исходное положение служит гидроцилиндр 1.

Разделение сортового проката отрезкой сдвигом происходит следующим образом. Под действием силы привода от гидроцилиндра 5, клин 6 перемещается горизонтально, производя ход приближения, выборку зазоров, упругую деформацию системы «пресс — инструмент — заготовка». Далее, под действием силы привода от гидроцилиндра 2, вогнутый клин 7 перемещается горизонтально, воздействуя на шарнир 3, который поворачивается относительно своей оси с начального угла фн = 0° до некоторого конечного значения фк и осуществляет отрезку сдвигом заготовки 10, за счет вертикального перемещения ползуна 8 с инструментом 9.

Предлагаемый пресс с клиношарнирным механизмом с вогнутым клином принципиально не имеет ограничений по диаметру разделяемых заготовок, поскольку клиношар-нирный механизм обеспечивает значительный выигрыш в усилии и переменность соотношения между приводной и технологической силами. Кроме того, пресс имеет большую закрытую высоту штампового пространства, это позволяет расширить его технологические возможности и реализовать более совершенные схемы отрезки с использованием штамповой оснастки.

Сравнительный анализ паспортных данных типовых сортовых ножниц и расчетных технико-экономических показателей типового ряда специализированных прессов предложенной конструкции с клиношарнирным механизмом, который имеет вогнутый клин для разделительных операций, был получен с использованием разработанной системы автоматизированного проектирования и представлен в таблице.

В результате повышения жесткости предложенного клиношарнирного пресса с вогнутым клином в 1,2-1,3 раза уменьшается упругая деформация его деталей и привода при реализации разделительных процессов, а значит, повышается надежность работы оборудования. При этом из-за упругой мгновенной разгрузки пресса коэффициент использования оборудования по усилию повышается от 0,3-0,4 до 0,7-0,8. КПД нового пресса повышается вследствие того, что примерно на 60 % уменьшается величина работы, расходуемой на разделение, а именно величина работы упругой деформации машины. В целом по сравнению с традиционными прессами для раз-

Расчетные параметры оборудования

Параметр Сортовые кривошипные ножницы для точной резки

Номинальная сила, МН 4,0 4,0

Максимальный диа-

метр прутка разрезаемого проката, мм 110 110

Габаритные размеры: длинах ширинах высота, мм 4250x7100x4000 2200x900x2000

Масса, т 40,5 6,7

Жесткость, МН/м 3,4 4,4

делительных операций себестоимость нового пресса снижается, в том числе и потому, что детали клиношарнирного механизма более технологичные, если сопоставить их с деталями кривошипно-шатунного механизма.

Одним из направлений развития оборудования для разделительных операций является совместное использование клиношарнирного механизма с вогнутым клином и клинового механизма, предназначенного для обеспечения хода приближения, выборки зазоров и упругой деформации машины и инструмента. Это позволит дополнительно снизить затраты энергии и динамические нагрузки.

Выводы

Показана целесообразность применения в прессах для реализации разделительных процессов обработки давлением клиношарнирного механизма с вогнутым клином, у которого график изменения силы нагружения наиболее приближен к технологическому типовому графику изменения силы при разделении заготовок. Обосновано использование в прессе с клиношарнирным механизмом с вогнутым клином дополнительного клинового механизма для обеспечения хода приближения, которое позволяет уменьшить затраты энергии на упругую деформацию и снизить динамические нагрузки за счет нулевой скорости в начале отрезки.

Разработана конструкция специализированного пресса для разделения сортового проката усилием 4 МН. Предложенный пресс имеет следующие преимущества по сравнению с сортовыми ножницами аналогичного номинального усилия:

• жесткость на 30 % больше;

• высота на 40 % меньше;

• разделение проката начинается при угле поворота шарнира фн = 0°, соответствующего максимальной силе на ползуне, которая затем уменьшается по ходу нагружения, что соответствует графику изменения силы при разделительных операциях.

Таким образом, у пресса новой конструкции величина упругой деформации машины меньше, чем у сортовых ножниц, а следовательно, будет меньше упругая разгрузка пресса и выше (примерно в 2 раза) коэффициент использования пресса.

Литература

1. Харлашкин В. В. Разработка и внедрение механических прессов с клиношарнирным приводом ползуна для точной штамповки: Дис. ... канд. техн. наук. Краматорск, 1986. 188 с.

2. Роганов Л. Л., Корнева Е. А., Чоста Н. В. Теоретический анализ возможностей клиношарнирного ме-

ханизма с вогнутым клином // Сборник научных статей. Краматорск: ДГМА, 1996. Вып. 3. С. 122-131.

3. Чоста Н. В. Механические системы с переменной клиновидностью // Совершенствование процессов и оборудования обработки давлением в металлургии и машиностроении: Сб. научн. тр. Краматорск: ДГМА, 1998. Вып. 4. С. 393-395.

4. Владимиров Э. А., Шоленинов В. Е. Комплексный расчет исполнительного механизма пресса с группами Ассура произвольной структуры // Удосконален-ня процеив 1 обладнання обробки тиском у металургп 1 машинобудуваннк Тематич. зб. наук. пр. Краматорськ: ДДМА, 2007. С. 316-321.

5. Владимиров Э. А., Шоленинов В. Е., Чоста Н. В. Анализ методов силового расчета клиношарнирных механизмов // Удосконалення процеив та обладнання обробки тиском у машинобудуванш та металургп: Зб. наук. пр. Краматорськ: ДДМА, 2000. С. 424-426.

6. Роганов Л. Л., Чоста Н. В. Определение КПД клиношарнирных механизмов // Удосконалення процеив 1 обладнання обробки тиском у металургп 1 машинобудуванш.: Зб. наук. пр. Краматорськ: ДДМА, 2003. С.487-489.

Выставка по обработке листового металла в Санкт-Петербурге

15-17 марта 2011 г. в Санкт-Петербурге состоится II Международная специализированная выставка BLECH Russia 2011, посвященная современному оборудованию и новейшим технологиям в области производства и обработки металлического листа.

Это единственная в России отраслевая выставка с узкой специализацией, позволяющей сделать акцент на особенностях производства листового металла, его обработки, формовки, гибки, резки, сварки, покраски, полировки и крепежа. Выставка BLECH Russia входит во всемирно известный сетевой проект BLECH. Это целое «семейство» специализированных мероприятий, крупнейшее из которых — выставка EuroBLECH (Германия), где представлено оборудование и технологии для обработки листового металла.

Выставка BLECH Russia успешно стартовала на берегах Невы. В 2009 году экспозицию посетили более 170 производителей оборудования для обработки листа из 20 стран мира и более чем 3500 посетителей-специалистов различных отраслей промышленности.

Европейские производители считают российский рынок наиболее перспективным в области применения и развития технологий обработки листового металла и проявляют огромный интерес к нему. Производители более чем из 15 стран подтвердили свое намерение принять участие в выставке 2011 года. В их числе такие крупные компании, как Schuler, Metellforme, Corrada, IMEAS, Rosenberger, Dreher и многие другие.

Оборудование и инструмент для обработки металлического листа — необходимые составляющие станочного парка любого производства в автомобильной и авиационной промышленности, станко-, энерго-, и судостроения, железнодорожного, сельскохозяйственного машиностроения, во-

енно-промышленного комплекса, строительства. Выставка BLECH Russia предлагает вниманию специалистов самый широкий спектр материалов, оборудования, инструментов, новейших технологий и услуг в области листообработки. Основные направления выставки:

• листовой металл, трубы и профили (черный и цветные металлы);

• готовые изделия, компоненты, сборка;

• механизмы и технологии для перемещения и транспортировки;

• технологии и оборудование для резки, штамповки, формовки, гибки листа;

• обработка труб и профилей;

• технологическая станочная оснастка;

• сборка, сварка и крепеж;

• обработка поверхности листового металла;

• робототехника и автоматизация;

• инструменты и штампы;

• измерительная аппаратура, приборы контроля, системы управления качеством;

• CAD/CAM-технологии обработки данных;

• хранение и логистика;

• защита окружающей среды, вторичная переработка;

• безопасность на рабочем месте.

Выставка BLECH Russia 2011 пройдет в ВК «Ленэкспо» параллельно с Петербургской технической ярмаркой, Петербургским промышленным конгрессом и V Санкт-Петербургским международным партнериатом.

Организатор выставки— ООО «Рестэк-Брукс», совместное предприятие английской компании Mack Brooks Exhibitions и ее российского партнера ЗАО «Выставочное объединение РЕСТЭК».

Актуальная информация и подписка на новости: www.restec.ru/blechrussia. _ _ _ ______