/
Author: Фролов К.В. Матвеенко И.В. Бочаров Ю.А.
Tags: общее машиностроение технология машиностроения машиноведение машиностроение энциклопедия стандартизация детали машин
ISBN: 5-217-02416-X
Year: 2005
Similar
Text
МАШИНОСТРОЕНИЕ
ЭНЦИКЛОПЕДИЯ В СОРОКА ТОМАХ
РЕДАКЦИОННЫЙ СОВЕТ
ФРОЛОВ К.В.
Председатель редакционного совета
Члены совета:
Белянин П.Н. (зам. Председателя редсовета и главного редактора), Колесников К.С. (зам. Председателя редсовета и главного редактора), Адамов Е.О., Анфимов Н.А., Асташов В.К., Бессонов А.П., Бюшгенс Г.С., Васильев В.В., Васильев Ю.С., Воронин Г.П., Долбенко Е.Т., Жесткова И.Н., Кирпичников М.П., Клюев В.В., Коптев Ю.Н., Ксеневич И.П., Мартынов И.А., Митенков Ф.М., Новожилов Г.В., Панин В.Е., Паничев Н.А., Патон Б.Е., Пашин В.М., Платонов В.Ф., Пугин Н.А., Румянцева О.Н., Силаев И.С., Федосов Е.А., Фортов В.Е., Черный Г.Г., Шемякин Е.И.
МОСКВА “МАШИНОСТРОЕНИЕ” 2005
Раздел IV РАСЧЕТ И КОНСТРУИРОВАНИЕ МАШИН
Том IV-4
МАШИНЫ И ОБОРУДОВАНИЕ КУЗНЕЧНО-ШТАМПОВОЧНОГО И ЛИТЕЙНОГО ПРОИЗВОДСТВА
Редакторы-составители:
д-р техн, наук Ю.А. Бочаров, д-р техн, наук И.В. Матвеенко
Ответственный редактор
И.Н. Жесткова
Редакторы части I: Ю.А. Бочаров (Принципы проектирования и анализа кузнечно-штамповочных машин. Гидравлические прессы и статы. Винтовые прессы. Программное управление и диагностика кузнечно-штамповочных машин), Е.Н. Ланской (Кривошипные прессы и автоматы), Л.Г. Конев (Ротационные машины), Ю.П. Кирдеев (Молоты), Р.Д. Искович-Лотоцкий (Вибрационные и импульсные машины), Э.Ф. Богданов (Средства автоматизации процессов, комплексы и линии)
Редакторы части II: В.И. Вербицкий (Общие принципы проектирования и анализа литейного оборудования),И.В. Матвеенко (Оборудование для изготовления отливок в песчаных формах), В.С. Шуляк (Оборудование для изготовления точных отливок в разовых формах), Л.П. Каширцев (Машины для литья в металлические формы), В.П. Новиков (Автоматизация литейного производства)
Научные редакторы части II: И.В. Матвеенко, В.И. Вербицкий
МОСКВА “МАШИНОСТРОЕНИЕ” 2005
УДК 621.01/03 ББК 34.44 М38
Авторы: Ю.А. Бочаров, И.В. Матвеенко, Л.К. Андреев, В.И. Балаганский, А.Н. Банкетов, А.И. Батурин, В.Л. Бережной, Р.А. Бирбраер, Б.П. Благонравов, Э.Ф. Богданов, А.А. Боков, В.В. Бойцов, П.А. Борсук, Н.А. Бригеда, Н.М. Бухер, В.И. Вербицкий, А.В. Власов, Э.Ч. Гини, Ю.А. Гладков, Е.Б. Глотов, Л.Д. Гольман, Э.Р. Гольник, В.Н. Горожанкин, А.И. Горский, К.А. Григорян, А.М. Дмитриев, Н.С. Добринский, В.Б. Дудниченко, В.В. Еркин, Л.И. Живов, А.Д. Зверев, Ю.А. Зимин, И.А. Изаков, А.Я. Ионкин, Р.Д. Искович-Лотоцкий, А.Ф. Кагарманов, В.М. Кайнов, В.В. Каменский, Л.П. Каширцев, Ю.П. Кирдеев, Ю.В. Колотов, Л.Г. Конев, В.В. Корнилов, В.П. Кошелев, А.Т. Крук, А.Н. Курович, А.П. Куприянов, Е.Н. Ланской, В.В. Лапин, Л.Ю. Максимов, В.А. Мальев, А.А. Мандрик, И.З. Мансуров, А.А. Маскин, В.П. Мешков, Ю.А. Миропольский, В.Г. Моисеев, Е.А. Мордочкин, Л.Н. Никольский, В.П. Новиков, О.И. Нюнько, Р.Р. Обертюх, В.А. Озеров, А.С. Перевозов, С.Н. Позняков, В.Г. Поступаев, Н.Е. Проскуряков, .И. Прусс, И.Г. Радченко, В.Г. Ракогон, Е.А. Савинов, А.В. Сафонов, В.И. Семенов, В.М. Синицкий, Е.Н. Складчиков, В.И. Соков, Б.И. Сокол, Ю.П. Согришин, С.М. Сухомлинов, А.К. Талалаев, В.Л. Тарский, В.Д. Трифонов, В.Н. Тынянов, Г.П. Тярасов, А.А. Хорычев, С.Б. Челищев, А.А. Шувалов, В.С. Шуляк, И.А. Шур.
Рабочая группа Редакционного Совета: К.С. Колесников, П.Н. Белянин, В.В. Васильев, В.К. Асташов, А.П. Бессонов, Н.Н. Боброва, Е.Т. Долбенко, И.Н. Жесткова, Г.В. Москвитин.
Машиностроение. Энциклопедия / Ред. совет: К.В. Фролов (пред.) и др. - М.: Машиностроение.
М38 Машины и оборудование кузнечио-штамповочного и литейного производства. Т. IV-4 / Ю.А. Бочаров, И.В. Матвеенко и др.; Под общ. ред. Ю.А. Бочарова, И.В. Матвеенко. 2005. 926 с.: ил.
Приведены основные сведения по проектированию, математическому моделированию, методам расчета и конструирования кузнечно-штамповочных и литейных машин. Рассмотрены современные конструкции гидравлических, винтовых, кривошипных прессов и автоматов, паровоздушных и гидравлических молотов, ротационных и радиально-обжимных машин, вибрационных и импульсных машин и установок, оборудования для изготовления отливок в разовых песчаных и металлических формах, для изготовления форм из ХТС и ЖСС, а также средства автоматизации кузнечно-штамповочного и литейного производства, модули, комплексы и линии, принципы программного управления и диагностики.
УДК 621.01/03
ББК 34.44
ISBN 5-217-02416-Х (Т. IV-4)
ISBN 5-217-01949-2 © Издательство "Машиностроение", 2005
ОГЛАВЛЕНИЕ
Часть I МАШИНЫ И ОБОРУДОВАНИЕ КУЗНЕЧНО-ШТАМПОВОЧНОГО ПРОИЗВОДСТВА (ЮЛ Бочаров).............. 12
Введение (ЮЛ Бочаров)............... 12
Раздел 1. ПРИНЦИПЫ ПРЕКТИРО-ВАНИЯ И АНАЛИЗА КУЗ-НЕЧНО-ШТАМПОВОВОЧ-НЫХ МАШИН (ЮЛ Бочаров) 16
Глава 1.1. Классификация, главные параметры и маркировка кузнечно-штамповочных машин (ЮЛ Бочаров)................... 16
1.1.1. Классификация кузнечноштамповочных машин...... 16
1.1.2. Главные параметры, маркировка и методы испытаний (Л.И. Живов, ЮЛ. Бочаров) ... 24
Список литературы............ 27
Глава 1.2. Принципы проектирования кузнечно-штамповочиых машин (А.Н. Банкетов, ЮЛ. Бочаров) ........................ 28
Список литературы............ 35
Глава 1.3. Динамика кузнечно-штамповочных машин (А.В. Власов, Е.Н. Складчиков)............... 35
1.3.1. Особенности кузнечноштамповочных машин как объектов проектирования (ЕН. Складчиков)............. 35
1.3.1.1. Динамический аспект работы кузнечно-штамповочных машин.................... 35
1.3.1.2. Типовые расчеты кузнечно-штамповочных машин... 36 1.3.2. Этапы анализа динамики и основные расчетные схемы (А.В. Власов)................ 36
1.3.3. Методы схематизации, используемые при создании динамических моделей с сосредоточенными параметрами (А.В. Власов)................ 37
1.3.4. Современные методические и программные средства анализа динамики кузнечноштамповочных машин
(Е.Н. Складчиков)............ 39
1.3.4.1. Методика синтеза математической модели объекта моделирования............. 39
1.3.4.2. Особенности информации, получаемой при моделировании динамики кузнечноштамповочного оборудования 42 1.3.5. Примеры динамического анализа кузнечно-штамповочных машин (Е.Н. Складчиков, А.В. Власов).............. 43
Список литературы......... 51
Глава 1.4. Системы автоматизированного проектирования кузнечно-штамповочиых машин
(Э.Р. Гольник)............ 52
1.4.1. Стратегия реализации современной концепции САПР (Э.Р. Гольник)............ 52
1.4.2. Математическое обеспечение САПР прессов (Э.Р. Гольник, И.Г. Радченко)............ 54
1.4.3. Программное обеспечение САПР прессов (Э.Р. Гольник, Р.А. Бирбраер)....... 57
1.4.4. САПР тяжелых кривошипных прессов: принципы построения и структура
(Э.Р. Гольник, Р.А. Бирбраер) 58 1.4.5. Опыт промышленного применения и перспективы развития компьютерных технологий в прессостроении
(Э.Р. Гольник, Р.А. Бирбраер)... 60
Список литературы......... 63
Раздел 2. ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ПРЕС-
СЫ И СТАТЬ! (ЮЛ. Бочаров).. 65 Глава 2.1. Классификация, основы теории и расчет параметров (ЮЛ. Бочаров)..................... 65
Список литературы......... 76
Глава 2.2. Системы гидропривода прессов и машин (ЮЛ. Бочаров) ............................ 'll
Список литературы......... 88
Глава 2.3. Гидравлические и газовые статы (Л.Ю. Максимов, А.Д. Зверев)...................... 89
2.3.1. Гидростаты для компак-тирования порошковых материалов ................... 89
6
ОГЛАВЛЕНИЕ
2.3.2. Газостаты для компакти-рования порошковых материалов........................ 91
Список литературы.......... 94
Глава 2.4. Ковочные и горячештам-повочиые прессы и комплексы (Ю.А. Бочаров)..................... 94
2.4.1. Ковочные прессы и комплексы (И.З. Мансуров).... 94
2.4.2. Тяжелые горячештамповочные прессы (Л.Ю. Максимов) 97
2.4.3. Универсальные и специализированные горячештамповочные прессы (И.З Мансуров) 107
Список литературы......... 118
Глава 2.5. Прессы для прессования (И.А. Шур)........................ 119
Список литературы......... 127
Глава 2.6. Гидравлические листоштамповочные прессы (И.З. Мансуров)................... 127
Список литературы......... 136
Глава 2.7. Правильные и правильнорастяжные прессы (Ю.А. Бочаров)............................ 137
2.7.1. Правильные прессы (А.Я.Ионкин).............. 137
2.7.2. Правильно-растяжные и обтяжные прессы (В.Г. Моисеев) 139 Список литературы......... 142
Глава 2.8. Пакетировочные и бри котировочные гидропрессы (Ю.А Бочаров)..................... 143
2.8.1. Прессы для пакетирования легковесного металлолома (В.Г. Поступаев).......... 143
2.8.2. Брикетировочные прессы (И.З. Мансуров)........... 147
Список литературы......... 150
Глава 2.9. Гидропрессы и комплексы для прессования пластмасс и других неметаллических материалов (Ю.А. Бочаров) .... 151 2.9.1. Прессы и комплексы для прессования реактопластов (Л.К Андреев)..................... 151
2.9.2. Прессы для литьевого прессования (И.З. Мансуров)... 153 Список литературы......... 168
Глава 2.10. Гидравлические прессы,
автоматы и комплексы для
прессования металлопорошков (Ю.А. Бочаров) 168
2.10.1. Прессы и комплексы (И.З. Мансуров) 2.10.2. Специализированные 168
прессы (А.М. Дмитриев) 175
Список литературы 179
Глава 2.11. Прессы для синтеза
сверхтвердых материалов (И.З. Мансуров) 180
Список литературы 184
Глава 2.12. Прессы для гидрофор-
мовки и штамповки эластич-
ной средой (Л.Д. Гольман, А.Н. Курович) 184
Список литературы 191
Глава 2.13. Прессы для изотермической штамповки (В.В. Бойцов, ИА. Изаков) 191
Список литературы 194
Глава 2.14. Конструкции и расчет
основных элементов прессов (Ю.А. Бочаров, Н.С. Добрин-ский) 2.14.1. Гидравлические цилин- 194
дры 194
2.14.1.1. Конструкции и приближенный расчет 2.14.1.2. Уточненный расчет 194
(В.В. Корнилов, В.М. Синицкий) 197
2.14.2. Аккумуляторы 199
2.14.3. Мультипликаторы 200
Список литературы 201
Раздел 3. КРИВОШИПНЫЕ ПРЕССЫ И АВТОМАТЫ (Е.Н. Ланской) 202
Глава 3.1. Классификация и структура конструкций (Е.Н. Ланской) 202
Список литературы 208
Глава 3.2. Основы теории и расчет
основных параметров (Л.И. Живов) 208
Список литературы 218
Глава 3.3. Универсальные кривошипные прессы (Е.Н. Ланской) 218
Список литературы 224
Глава 3.4. Вытяжные прессы (Е.Н. Ланской) 224
Список литературы 231
ОГЛАВЛЕНИЕ
7
Глава 3.5. Кривошипные листовые ножницы с наклонным ножом (Е.Н. Ланской).............. 231
Список литературы........ 234
Глава 3.6. Однопозиционные листоштамповочные прессы-автоматы (Е.Н. Ланской).... 234
Список литературы........ 238
Глава 3.7. Многопозиционные листоштамповочные прессы-автоматы (Е.Н. Ланской).... 239
Список литературы........ 246
Глава 3.8. Кривошипные горячештамповочные прессы (А.Т. Крук, В.И. Соков)..................... 246
3.8.1. Классификация и основные особенности.......... 246
3.8.2. Конструкции основных механизмов.............. 251
Глава 3.9. Кривошипно-коленные прессы (Э.Ф. Богданов, В.Н. Го-рожанкин)....................... 276
Список литературы........ 280
Глава 3.10. Горизонтально-ковочные машины (Э.Ф. Богданов, Л.Г. Конев, О. И. Нюнько).............. 280
Список литературы........ 288
Глава 3.11. Автоматы для холодной объемной штамповки (НМ Бухер, Ю.А. Миропольский, С.Н. Позняков) ......................... 289
Список литературы........ 297
Глава 3.12. Горячештамповочные автоматы (НМ. Бухер, С.Н. Позняков) ......................... 291
Список литературы........ 303
Глава 3.13. Конструкции основных деталей и агрегатов (В.Н. Тынянов, Е.Н. Ланской)..... 303
Список литературы........ 315
Раздел 4. РОТАЦИОННЫЕ МАШИНЫ (Л.Г. Конев)................. 316
Глава 4.1. Классификация ротационных машин (А.Н. Банкетов) 316
Глава 4.2. Радиально-обжимные (ковочные) машины (Е.А. Сави-
нов, Л.Г. Конев)........... 317
Список литературы.......... 327
Глава 4.3. Ковочные вальцы (Л.Н Ни-
кольский) ................. 328
4.3.1. Классификация..... 328
4.3.2. Конструктивные схемы и конструкции............... 328
Список литературы......... 336
Глава 4.4. Прессы для сферодвижной штамповки обкатыванием
(Ю.А. Зимин, В.В. Лапин). 337
Список литературы......... 340
Раздел 5. ВИНТОВЫЕ ПРЕССЫ (Ю.А. Бочаров)................... 341
Глава 5.1. Классификация и основные параметры (Ю.А. Бочаров)......................... 341
Список литературы......... 346
Глава 5.2. Фрикционные винтовые прессы (Ю.А. Бочаров, Ю.А. Зимин) ............................ 346
5.2.1. Классификация, конструктивные схемы и конструкции 346
5.2.2. Расчет основных параметров.................... 351
Список литературы......... 354
Глава 5<3. Винтовые муфтовые прессы (А.В. Сафонов)................ 355
Список литературы......... 362
Глава 5.4. Электровиитовые прессы (Ю.А. Бочаров)................... 363
Список литературы......... 370
Глава 5.5. Гидровинтовые прессы (Ю.А. Бочаров)................... 370
5.5.1. Классификация, конструктивные схемы и конструкции 370
5.5.2. Основы теории и расчет параметров................ 381
5.5.3. Расчет параметров движения рабочих частей..... 385
Список литературы......... 387
Глава 5.6. Расчет основных деталей винтовых прессов (НЕ. Проскуряков) ....................... 388
Список литературы......... 393
Раздел 6. МОЛОТЫ (Ю.П. Кирдеев) 395
Глава 6.1. Классификация и расчет основных параметров (Ю.А. Бочаров) .......................... 395
Список литературы......... 397
8
ОГЛАВЛЕНИЕ
Глава 6.2. Приводные пневматические молоты (Ю.П. Кирдеев).. 398
Список литературы........ 399
Глава 6.3. Паровоздушные молоты (Ю.П. Кирдеев)................... 399
Список литературы........ 405
Глава 6.4. Гидравлические и газогидравлические молоты
(Ю.А. Бочаров, А.А. Хорычев) 406
Список литературы........ 419
Глава 6.5. Бесшаботные молоты (Ю.А. Зимин, Ю.В. Колотов) ... 422 Список литературы................ 428
Глава 6.6. Высокоскоростные молоты (Ю.А. Бочаров, Ю.П. Согри-шин)............................. 429
Список литературы........ 431
Глава 6.7. Виброизоляция молотов (В. 77. Кошелев)................. 432
Список литературы........ 436
Глава 6.8. Конструкция и расчет деталей молотов (Ю.П. Кир-деев)............................ 436
Список литературы........ 438
Раздел 7. ВИБРАЦИОННЫЕ И ИМПУЛЬСНЫЕ МАШИНЫ (Р.Д. Искович-Лотоцкий)... 439
Глава 7.1. Классификация и технологические требования (Р.Д. Искович-Лотоцкий)... 439
Список литературы........ 443
Глава 7.2. Гидровибрационные и гид-ропульсационные машины (Р.Д. Искович-Лотоцкий)... 444
7.2.1. Гидровибрационные прессы 444
7.2.2. Гидроинерционные вибропрессы ................ 445
7.2.3. Гидропульсационные прессы (7777. Тярасов)....... 449
Список литературы........ 450
Глава 73. Гидродинамические пресс-молоты (А. Ф. Кагарманов).... 451
Список литературы........ 453
Глава 7.4. Магнитно-импульсные машины (установки) (Н.Е. Проскуряков, А. КТалалаев)......... 453
Список литературы........ 458
Глава 7.5. Лазерные и плазменные координатно-пробивные прес-
сы (С.Б. Челищев).......... 458
Список литературы.......... 461
Глава 7.6. Конструкции и расчет некоторых основных деталей и агрегатов (Р.Д. Искович-
Лотоцкий) ................ 461
Список литературы......... 467
Глава 7.7. Перспективы развития
(РД. Искович-Лотоцкий, Р.Р. Обертюх)............. 468
Список литературы......... 471
Раздел 8. СРЕДСТВА АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОЦЕССОВ, МОДУЛИ, КОМПЛЕКСЫ И ЛИНИИ (Э. Ф. Богданов)....... 472
Глава 8.1. Средства автоматизации листоштамповочного производства (А.А. Боков, Э.Ф. Бог-
данов, В.И. Балаганский).. 472
Список литературы.......... 480
Глава 8.2. Средства автоматизации объемной штамповки и ковки (В.Н. Горожанкин)....... 480
8.2.1. Средства автоматизации штамповки на КГШП......... 481
8.2.2. Устройства для смены штампового инструмента.... 484
8.2.3. Средства автоматизации ковки (Н.А. Бригеда)...... 486
8.2.4. Комплекс для ковки труднодеформируемых сплавов (А.И. Батурин, А.А. Шувалов, А.С. Перевозов)....... 487
Глава 83. Комплексы и линии для прессования легких сплавов (В.Л. Бережной)................... 488
Список литературы.......... 494
Раздел 9. ПРОГРАММНОЕ УПРАВЛЕНИЕ И ДИАГНОСТИКА КУЗНЕЧНО-ШТАМПОВОЧНЫХ МАШИН (Ю.А. Бочаров) 495 Глава 9.1. Классификация и общие
основы (Ю.А. Бочаров)...... 495
Список литературы........... 502
ОГЛАВЛЕНИЕ
9
Глава 9.2. Программное управление кузнечно-штамповочными машинами ударного действия (Ю.А. Бочаров).................. 504
Список литературы........ 513
Глава 9.3. ЧПУ кривошипными горячештамповочными прессами и комплексами на их основе (Ю.А Бочаров, Ю.А. Гладков)... 515 Список литературы............... 523
Часть II
МАШИНЫ И ОБОРУДОВАНИЕ ЛИТЕЙНОГО ПРОИЗВОДСТВА
(ИВ Матвеенко, В.И. Вербицкий).. 524
Раздел 1. ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И АНАЛИЗА ЛИТЕЙНОГО ОБОРУДОВАНИЯ (В.И. Вербицкий)........... 524
Глава 1.1. Классификация, терминология и маркировка машин и оборудования литейного производства (В.Л. Тарский) ......................... 524
Список литературы........ 530
Глава 1.2. Основные характеристики и показатели машин и оборудования литейного производства (ВЛ. Тарский, В.В. Ер-кин)........................... 530
Список литературы........ 535
Глава 1.3. Основы моделирования машин и оборудования литейного производства (В.И. Вербицкий) ....................... 535
Список литературы........ 545
Глава 1.4. Автоматизированное проектирование машин и оборудования литейного производства (В.И. Семенов)............ 546
Глава 1.5. Методы испытаний машин и оборудования литейного производства (А.И. Горский) ......................... 554
1.5.1. Классификация видов испытаний литейного оборудования ..................... 554
1.5.2. Методы проведения испытаний ................. 557
Список литературы........ 560
Глава 1.6. Парк технологического оборудования литейного производства (В.Л. Тарский, В.М. Прусс).................... 560
Список литературы....... 563
Раздел 2. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОТЛИВОК В ПЕСЧАНЫХ ФОРМАХ (И.В. Матвеенко)............... 564
Глава 2.1. Классификация, технологические требования, расчет основных параметров машин (И.В. Матвеенко, А.А. Маскин) 564 Список литературы............... 577
Глава 2.2. Оборудование для приготовления формовочных и стержневых смесей (С.М. Су-
хомлинов) ................. 578
Глава 2.3. Оборудование для изготовления форм из песчано-глинистых смесей................... 584
2.3.1. Прессовые формовочные машины (Б.П. Благонравов, В.П. Мешков)............... 584
2.3.2. Встряхивающе-прессовые формовочные машины (В.И. Вербицкий) ................... 597
2.3.3. Пескострельно-прессовые формовочные машины (ИВ. Матвеенко) .................. 620
2.3.4. Воздушно-импульсные формовочные машины (И.В. Матвеенко, В.В. Каменский)... 626
2.3.5. Формовочные машины для уплотнения форм воздушным потоком и допрессовкой ... 639 2.3.6. Пескометы (Е.А. Мор-дочкин).................... 645
Список литературы.......... 650
Глава 2.4. Оборудование для изготовления форм и стержней из ЖСС и ХТС (П.А. Борсук)..... 651
2.4.1. Общие сведения...... 651
2.4.2. Оборудование для изготовления стержней и форм из холоднотвердеющих смесей (ХТС)...................... 654
Список литературы.......... 657
Глава 2.5. Вакуумио-пленочный процесс и оборудование формовки (И.В. Матвеенко)......... 657
Список литературы.......... 664
10
ОГЛАВЛЕНИЕ
Глава 2.6. Оборудование для изготовления стержней (В.А. Маль-
ве, В. Г. Ракогон).......... 664
Список литературы........... 674
Глава 2.7. Оборудование и автоматизация процессов выбивки форм и очистки отливок (В.Л. Тарский, В.Б. Дудниченко).. 674 2.7.1. Оборудование для вы-
бивки отливок из форм... 675
2.7.2. Оборудование для удаления стержней из отливок.. 683
2.7.3. Оборудование для отделения от отливок элементов литниковых систем........ 687
2.7.4. Оборудование для очистки отливок............... 691
2.7.5. Оборудование для исправления дефектов и отделки отливок.................. 712
Список литературы....... 717
Глава 2.8. Перспективы развития конструкций машин (И.В. Матвеенко) ........................ 718
Список литературы........ 720
Раздел 3. ОБОРУДОВАНИЕ Д ЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТОЧНЫХ ОТЛИВОК В РАЗОВЫХ ФОРМАХ (В.С.Шуляк)............... 721
Глава 3.1. Оборудование для изготовления отливок литьем по газифицируемым моделям (В.С. Шуляк, К.А. Григорян)...... 721
3.1.1. Оборудование для предварительной подготовки пенополистирола и изготовления моделей.................. 722
3.1.2. Оборудование для изготовления форм, заливки, охлаждения и выбивки отливок. 732
3.1.3. Оборудование для регенерации отработанных формовочных материалов и каталитического дожигания продуктов термической деструкции
модели.................... 734
Список литературы......... 736
Глава 3.2. Оборудование для литья по выплавляемым моделям (Б.И. Сокол)...................... 736
Список литературы......... 753
Глава 3.3. Оборудование для литья в оболочковые формы (В.А. Озеров) ............................. 753
3.3.1. Сущность, достоинства способа литья в оболочковые формы и области его рационального применения....... 753
3.3.2. Материалы для изготовления оболочковых форм и стержней.................. 756
3.3.3. Оборудование для приготовления песчано-смоляных смесей 759
3.3.4. Изготовление оболочковых форм и стержней....... 763
Список литературы......... 768
Раздел 4. МАШИНЫ ДЛЯ ЛИТЬЯ В МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ФОРМЫ (Л.П. Каширцев)................... 769
Глава 4.1. Терминология, параметры, классификация (Л.П. Каширцев) .......................... 769
Список литературы......... 772
Глава 4.2. Кокильные машины (Л.П. Каширцев)................... 772
4.2.1. Кокильные формы и кокильные машины.......... 772
4.2.2. Классификация кокильных машин................. 774
4.2.3. Термосиловое взаимодействие в системе отливка -форма - машина............ 777
4.2.4. Выбор сил подрыва форм и стержней................ 780
4.2.5. Конструктивное исполнение кокильных машин..... 781
4.2.6. Типаж кокильных машин 785
4.2.7. Машины с дополнительными технологическими дви-
жениями .................. 787
Список литературы......... 789
Глава 4.3. Установки для литья под регулируемым низким давлением (Э. Ч. Гини).............. 789
4.3.1. Особенности технологического процесса.......... 789
4.3.2. Теоретические основы ... 789 4.3.3. Конструктивное исполнение установок........... 794
Список литературы......... 804
ОГЛАВЛЕНИЕ
11
Глава 4.4. Машины для литья под
давлением (А.А. Мандрик) 805
4.4.1 .Типы прессов и машин ... 805 4.4.2. Основные параметры и
размеры 808
4.4.3. Механизмы прессования 811
4.4.4. Механизмы запирания ... 815
Список литературы 817
Глава 4.5. Оборудование для литья выжиманием крубногабарит-ных тонкостенных отливок (ЕБ Глотов, В.М. Кайнов,
В И. Семенов) 817 4.5.1. Общие сведения о литье
выжиманием 817 4.5.2. Литейные выжимные ма-
шины 818 4.5.3. Примеры проектных решений рабочих органов литей-
ных выжимных машин 823 4.5.4. Конструктивные особенности технологической оснастки для литья выжиманием тонкостенных деталей панельного
и корпусного типов 828
Глава 4.6. Центробежные машины (Л.П. Каширцев, В.Д. Трифонов,
В.Л. Тарский) 828 4.6.1. Теоретические основы и
параметры процесса и машин 828 4.6.2. Конструктивное испол-
нение центробежных машин 836
Список литературы 847
Раздел 5. АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЦЕССОВ ЛИТЕЙНОГО ПРО-
ИЗВОДСТВА (В.П. Новиков).. 848
Глава 5.1. Основы управления автоматическим литейным обо-
рудованием (В.П. Новиков) 848 5.1.1. Задачи и способы управления литейными процессами и
оборудованием 848 5.1.2. Методы описания систем автоматического управления и
их работы 857
5.1.3. Методы управления. 860
Глава 5.2. Компьютеризация и интеграция в литейном производстве (А.П. Куприянов).. 884
5.2.1. Интеграция на базе компьютерной техники..... 884
5.2.2. Интегрирование автоматической литейной линии (АЛЛ) и системы смесеприго-товления (ССП) на втором уровне.................... 885
Глава 53. Автоматические формовочные линии (В. С. Шуляк) .... 888 5.3.1. Основные технико-экономические показатели АФЛ 888 5.3.2. Автоматические линии безопочной формовки............. 890
5.3.3. Автоматические линии опочной формовки.......... 892
Список литературы......... 904
Глава 5.4. Автоматизация литья в металлические формы (Л.П. Ка-ширцев).......................... 904
5.4.1. Технические задачи автоматизации ................ 904
5.4.2. Автоматизация литья под давлением................. 904
5.4.3. Автоматизация литья в кокиль.................... 909
5.4.4. Автоматизация литья под регулируемым низким давлением 911
5.4.5. Автоматизация литья выжиманием.................. 913
5.4.6. Автоматизация центробежного литья............. 914
Список литературы......... 916
Приложение. Классификатор технологического оборудования для литейного производства (ТОЛП) (В.Л. Тарский) ............................ 917
Предметный указатель.............. 922
175-летию МГТУ им. Н.Э. Баумана и 110-летию профессора
Анатолия Ивановича Зимина, выдающегося ученого, основоположника теории, науки по расчету и конструированию кузнечноштамповочных машин, воспитателя инженерных и научных кадров отечественной промышленности, посвящается
Часть I
МАШИНЫ И ОБОРУДОВАНИЕ КУЗНЕЧНО-ШТАМПОВОЧНОГО ПРОИЗВОДСТВА
ВВЕДЕНИЕ
В томе IV-4 "Машины и оборудование кузнечно-штамповочного и литейного производства" содержатся материалы, обобщающие опыт отечественных ученых и специалистов по разработке теории, методов расчета и конструирования кузнечно-штамповочных и литейных машин, накопленный в последние 50 лет. В этом смысле предлагаемое издание тома продолжает и развивает традиции энциклопедического справочника "Машиностроение" и его тома 8 "Кузнечно-прессовое, прокатное и сварочное оборудование" (редактор раздела "Кузнечно-прессовое оборудование" проф. А.И. Зимин), опубликованного в 1949 г. и служившего настольной книгой для двух поколений инженеров-конструкторов кузнецов. Научно-техническое содержание глав предлагаемого читателям тома IV-4 рассчитано на специалистов кузнечно-штамповочного и литейного производства и смежных специальностей, оно опирается на достижения в основном отечественных ученых и специалистов, а также учитывает зарубежный опыт.
Кузнечно-штамповочные машины (КШМ) предназначены для формоизменения металлов, сплавов и неметаллических материалов под действием давления. Чтобы привести металл в пластическое состояние и преодолеть сопротивление деформированию, КШМ должна создать необходимую удельную силу на заданном перемещении с приемлемой скоростью. Деформирующая сила, энергия (работа) деформирования и скорость деформирования являются главными характеристиками КШМ.
В мире используется несколько миллионов КШМ, применяемых в различных секторах эко
номики и главным образом в машиностроении. В России насчитывается около одного миллиона машин. Современный парк состоит из 8 классов КШМ, характеризующихся деформирующей силой от 50 кН до 750 МН, эффективной энергией от 1 кДж до 5 МДж, скоростным диапазоном воздействия на обрабатываемый материал от долей миллиметров в секунду до 100 м/с и более.
Первые прототипы современных КШМ были изобретены в эпоху промышленной революции и индустриального развития: гидравлический пресс - гидромеханическая машина (Дж. Брама - 1795 г.), гидропресс с паровым мультипликатором (Армстронг - 1842 г.), приводной пневматический молот (Beche & Grohs - 1837 г.), паровой ковочный молот (Дж. Несмит - 1839-1842 гг.), гидравлический штамповочный пресс (Хейзвелл - 1859-1861 гг.), фрикционный винтовой пресс (Г. Симон -1877 г., Дж. Хамблет- 1879 г.), гидровинтовой пресс (Е. Бьер - 1914 г., Г. Конкуранда - 1916 г.), электровинтовой пресс (Т.М. Голован -1932-1933 гг., Weingarten - 1958 г., В. Стоко-лов - 1960 г.), кривошипный горячештамповочный пресс - максипресс (National Machinery, Ajax - 1930 г., Eumuco - 1935 г.).
В России промышленное производство первых образцов КШМ было налажено вначале прошлого века на брянских, сормовских, краматорских, братьев Брамлей и других заводах. К 1913 г. парк КШМ насчитывал около 230 простейших машин, а к 1927 г. их было уже около 3500. При разработке конструкций применялись результаты исследований на основе теории паровоздушных молотов И.А. Тиме (1899), Ершова, А.П. Гавриленко, П.К. Мухачева (1902), Н.С Верещагина (1909),
ВВЕДЕНИЕ
13
Я.Н. Марковича (1913), А.И. Зимина (1940) и других ученых.
В период индустриализации 1930-40 гг. в Советском Союзе были созданы специализированные заводы, на которых было изготовлено около 9000 ковочных и штамповочных молотов, различных прессов и ножниц. В предвоенном 1940-м г. было выпущено 4668 единиц КШМ (к концу ВОВ, в 1945 г. изготовлено 2870 КШМ различного назначения).
В период индустриализации создаются научные учреждения, сыгравшие выдающуюся роль в развитии кузнечной науки и машиностроения: Всесоюзный институт металлов (ВИМ) в Ленинграде и Московское отделение института металлов (МОИМ) с кузнечной лабораторией (А.И. Зимин) - 1928 г., Научно-исследовательский институт машиностроения и металлообработки - НИИМ (позднее ЦНИ-ИТМАШ) - 1931 г., Центральное конструкторское бюро тяжелого машиностроения - ЦБТМ (позднее Центральное конструкторское бюро кузнечно-прессового машиностроения -ЦБКМ)-1931 г.
Основы отечественной школы расчета и конструирования КШМ заложены трудами выдающихся ученых: А.И. Зимина - теория и расчет винтовых фрикционных прессов (1931), теория паровоздушных молотов (1937, 1940, 1953); М.В. Сторожева - теория кривошипных прессов (с Н.М. Копыловым - 1933-35), теория гидравлических прессов с насосно-аккумуляторным приводом (1930); Е.П. Унксова - теория приводных пневматических молотов, рессорных молотов, расчета штоков молотов (1931); И.И. Гирша и В.И. Залесского - теория горизонтально-ковочных машин и гибочных машин (1931) и др.
К этому периоду относится первый выпуск инженеров по специальности "Ковка и штамповка" в МВТУ им. Н.Э. Баумана (1928) и организация А.И. Зиминым первой в стране специализированной кафедры "Обработка металлов давлением" - ОД (1930), кафедр ОД в Институте повышения квалификации, в Механическом институте им. М.В. Ломоносова, Горной академии, Московском вечернем машиностроительном институте. В последующие годы специализированные кафедры были созданы во многих машиностроительных вузах.
Выпущены замечательные учебники и учебные пособия по конструкции и расчету кузнечно-штамповочных машин и приводов (С.В. Порецкий - 1934-1935 гг., А.И. Зимин - 1940, 1953 гг., В.И. Залесский - 1964 г.,
Ю.А. Бочаров и В.Н. Прокофьев - 1964 г., Л.И. Живов и А.Г. Овчинников - 1966 и 1972 пг.,
А.Н. Банкетов, Е.Н. Ланской, Ю.А. Бочаров, Н.С. Добринский, В.Ф. Прейс, И.Д. Трофимов -1970 и 1982 пг.), по которым обучались тысячи инженеров.
Специализированная отрасль кузнечнопрессового машиностроения создана в период 1945-60 пг. с постройкой специализированных заводов, на которых работали выдающиеся инженеры и ученые, внесшие заметный вклад в развитие теории и практики конструирования КШМ: Воронежского завода тяжелых механических прессов, Днепропетровского завода гидравлических прессов, Рязанского завода тяжелых прессов, Оренбургского завода гидропрессов, Новосибирского завода тяжелых станков и гидропрессов, Коломенского завода станков и прессов, Одесского завода прессов, Чимкентского завода прессов автоматов, Новокраматорского завода тяжелого машиностроения, Уралмаша, АвтоЗиЛа и других ведущих заводов. Многие из этих специалистов приняли участие в составлении материалов данного тома и являются авторами разделов и глав.
Учеными ведущих вузов и НИИ в последние десятилетия внесен значительный вклад в развитие теории и расчетов КШМ: гидравлических прессов, молотов и гидропривода (А.И. Зимин, Б.В. Розанов, Л.Д. Гольман, В.И. Михеев, Б.П. Васильев, Н.С. Добринский, Ю.А. Бочаров, А.А. Хорычев и др.), кривошипных прессов и автоматов, их систем управления (Л.И. Живов, Е.Н. Ланской, Г.А. Навроцкий, А.Ф. Нистратов, В.И. Власов, В.Ф. Волковицкий и др.), паровоздушных молотов (А.И. Зимин, И.В. Климов, В.Ф. Щеглов, Е.Н. Мошнин и др.), приводных пневматических молотов (П.Н. Дунаев), винтовых прессов (А.И. Зимин, Ю.А. Бочаров, А.В. Сафонов, В.М. Морогов и др.), высокоскоростных и импульсных машин (В.Г. Кононенко, Ю.П. Со-гришин, И.Б. Матвеев, Р.Д. Искович-Лотоцкий и др.); систем автоматизированного проектирования КШМ (Э.Р. Гольник, Е.Н. Складчиков, А.В. Власов и др.), систем программного и программно-адаптивного управления КШМ (Ю.А. Бочаров, В.П. Перевертов, В.И. Бала-ганский, Ю.А. Гладков и др.).
Были созданы новые исследовательские и проектно-конструкторские институты и бюро, в которых работали выдающиеся ученые и инженеры, также внесшие значительный вклад в развитие теории конструирования кузнечноштамповочных машин: Центральное конструкторское бюро металлургического машиностроения (1945), преобразованное затем во Всесоюзный научно-исследовательский институт металлургического машиностроения -
14
ВВЕДЕНИЕ
ВНИИметмаш (1959), Экспериментальный научно-исследовательский институт кузнечнопрессового машиностроения ЭНИКмаш (1956), Специальное конструкторское бюро - СКВ-10.
Существенно возросло производство КШМ в период 1950-90 пг., с 9000 (1950 г.) до 57 200 (1980 г.) и приблизительно 45 000 в 1990 г., причем снижение производства в 1985-90 гг. связано с переходом на выпуск более прогрессивных и сложных КШМ, оснащенных средствами механизации и автоматизации, автоматическими компьютерными системами управления.
Известно, что советская, а позже российская школа конструкторов гидропрессового кузнечно-штамповочного оборудования занимала и занимает ведущие позиции в мире. Особенно интенсивно это направление машиностроения развивалось в течение последних десятилетий. Высокопрофессиональными коллективами инженеров и научных сотрудников ведущих НИИ и заводов разработаны и созданы самые крупные в мире КШМ: гидравлические штамповочные прессы силой 750 и 650 МН, одноцилиндровые малогабаритные штамповочные гидропрессы силой 300 МН (ВНИИметмаш - НКМЗ), паровоздушные бесшаботные штамповочные молоты с энергией удара 1500 кДж (ВНИИметмаш -НКМЗ), гидравлические бесшаботные штамповочные молоты с энергий удара 250 кДж и 2 МДж (СКВ ГИТ Сибирского отделения АН СССР - Тяжстанкогидропресс им. Ефремова), кривошипные горячештамповочные прессы силой 125 и 160 МН (АОТМП г. Воронеж) и другие машины.
В последние десятилетия в мировой практике изменилась тенденция воспроизводства парка КШМ и развития технологической базы машиностроения: не количественный рост парка, а более предпочтительное качественное изменение в его структуре и техническом уровне, в применении высокопроизводительных, управляемых и диагностируемых компьютерами КШМ.
Часть первая тома IV-4 содержит 9 разделов, каждый из которых разбит на несколько глав, охватывающих все современные классы конструкций кузнечно-штамповочных машин. Следует отметить большое внимание, уделяемое новым перспективным конструкциям гидравлических прессов и приводов, кривошипных прессов и автоматов, прогрессивным конструкциям муфтовых винтовых и гидровинтовых прессов, ротационных, радиально-обжимных, вибрационных и импульсных машин, средствам автоматизации и компьютерному управлению.
Приводимые классификаторы дают возможность системного обзора разновидностей
конструктивного исполнения машин. Представлена соответствующая библиография российских и зарубежных публикаций. В авторский коллектив привлечены ведущие ученые и конструкторы, непосредственно работающие над проблемами совершенствования и применения расчетов, методов проектирования и конструктивных разработок кузнечно-штамповочных машин. Участие в работе над томом энциклопедии приняли представители научных и инженерных школ МГТУ им. Н.Э. Баумана, МГТУ СТАНКИН, МГТУ МАМИ, ВНИИметмаш, ВИЛС, ЭНИКмаш, ЦБКМ, АОТМП (Воронеж), АОТП (Рязань), Гидропресс (Оренбург) и др.
В разделе 1 "Принципы проектирования и анализа кузнечно-штамповочных машин" приведены важные для конструктора принципы проектирования, САПР и методики компьютерного анализа и исследования конструкций на стадии разработки, испытания опытных образцов. Приведенная библиография служит источником углубленных сведений по содержанию раздела.
В разделе 2 "Гидравлические прессы и ста-ты" изложены основы теории, расчет основных параметров (глава 2.1) и системы гидропривода (глава 2.2) так, как, по мнению авторов, это требуется конструкторам. В последующих 12 главах достаточно полно представлены современные конструкции практически всей номенклатуры гидростатов и прессов.
В разделе 3 "Кривошипные прессы и автоматы" учтено, что кривошипные прессы и механические автоматы представляют наиболее многочисленный класс кузнечно-штамповочного оборудования. В разделе достаточно полно представлены вопросы выбора структуры, теории и расчета параметров (главы 3.1 и 3.2) и вся номенклатура конструкций, отражены особенности, связанные с конкретным технологическим назначением машин и автоматов (главы 3.3 - 3.9). Представлены последние разработки АО ТМП (Воронеж) конструкций крупных (тяжелых) горячештамповочных (глава 3.8) и листоштамповочных прессов, прессов двойного действия (глава 3.4), успешно конкурирующие на международном рынке. Достаточное внимание уделено конструкциям горизонтально-ковочных машин и высокопроизводительных автоматов (главы 3.10— 3.12), а также конструкциям основных деталейи агрегатов (глава 3.13).
В разделе 4 "Ротационные машины" достаточно полно, с большим количеством иллюстративного материала представлены современные отечественные и зарубежные конструкции радиально-обжимных машин (главы 4.1, 4.2). Уделено внимание конструкциям ковочных валь
ВВЕДЕНИЕ
15
цов и прессов для сферодвижной штамповки (главы 4.3,4.4), другим типам ротационных машин.
В разделе 5 ”Винтовые прессы4 учтено, что конструкции винтовых прессов и приводов особенно интенсивно совершенствовались в течение последних десятилетий (глава 5.1). В материалах раздела наряду с традиционными конструкциями винтовых фрикционных прессов (глава 5.2) представлены современные прогрессивные конструкции винтовых муфтовых (глава 5.3), элекгровин-товых (глава 5.4) и гидровинтовых (глава 5.5) прессов. Отражена ведущая роль отечественной теории и методов расчета параметров конструкций, приведены примеры отечественных конструкций, лучшие достижения зарубежных фирм (главы 5.3, 5.5), изложена методика расчета основных деталей (глава 5.6).
В разделе 6 "Молоты4 в главах 6.1 -6.3 приведены классификация и необходимые сведения о традиционных конструкциях приводных пневматических ковочных и паровоздушных ковочных и штамповочных молотов, уделено внимание современным конструкциям газогидравлических и гидравлических молотов и методикам их расчета (глава 6.4), а также новым конструкциям бесшаботных (глава 6.5) и высокоскоростных молотов (глава 6.6). Актуальные вопросы конструирования виброизоляции молотов и расчета основных деталей изложены в главах 6.7 и 6.8.
В разделе 7 "Вибрационные и импульсные машины" нашли отражение конструкции вибрационных и импульсных пресс-молотов и других машин, разработанные в последние десятилетия. В семи главах раздела представлены необходимые для конструкторов сведения по конструкциям и расчету гидровибрационных (главы 7.1, 7.2),
гидродинамических (глава 7.3), магнитно-импульсных (глава 7.4) машин и лазерных, плазменных прессов (глава 7.5). Рассмотрены вопросы расчета основных деталей агрегатов и некоторые перспективы дальнейшего совершенствования конструкций (главы 7.6 и 7.7).
В разделе 8 "Средства автоматизации процессов, комплексы и линии4 приведены актуальные конструкции средств автоматизации листоштамповочного (глава 8.1) и горячештамповочного производства и примеры автоматизации ковочного (главы 8.2,8.3) производства.
В разделе 9 "Программное управление и диагностика кузнечно-штамповочных машин" отражены опыт и некоторые результаты использования достижений информационных технологий в кузнечно-штамповочном производстве. Приведены методические основы разработки технологического раздела технических заданий на проектирование систем ЧПУ (глава 9.1), даны примеры использования средств дозирования энергии и ЧПУ различными машинами (глава 9.2), а также показан отечественный опыт разработки методических вопросов проектирования ЧПУ и диагностики для горячештамповочного комплекса на базе КГШП (глава 9.3). Показано, что система управления может обеспечить адаптацию комплекса по переменным объему (массе) и температуре заготовки на основе компьютерной имитационной модели и может способствовать решению актуальной задачи стабилизации деформирующей силы и, следовательно, повышению точности поковок. Материал раздела может способствовать дальнейшему развитию систем ЧПУ для различных классов кузнечноштамповочных машин.
Раздел 1
ПРИНЦИПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И АНАЛИЗА КУЗНЕЧНО-ШТАМПОВОЧНЫХ МАШИН
Глава 1.1
КЛАССИФИКАЦИЯ, ГЛАВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ И МАРКИРОВКА КУЗНЕЧНО-ШТАМПОВОЧНЫХ МАШИН
1.1.1. КЛАССИФИКАЦИЯ КУЗНЕЧНОШТАМПОВОЧНЫХ МАШИН
Кузнечно-штамповочные машины (КШМ) относятся к технологическим машинам для обработки давлением металлов и неметаллических материалов в состоянии пластичности в холодном, полугорячем и горячем состоянии. Характер изменения скорости рабочего звена исполнительного механизма служит первым научно обоснованным признаком [7], согласно которому современные кузнечно-штамповочные машины подразделяются на восемь классов в порядке возрастания максимального значения этой скорости (рис. 1.1.1).
Конструкции машин зависят от принципов преобразования входной энергии (электрической, тепловой, химической) в энергию энергоносителя (сжатого воздуха, пара, сжатой жидкости, электромагнитного поля), в эффективную энергию машины и затем в работу пластического деформирования материала. В зависимости от вида эффективной энергии или сочетания видов кузнечно-штамповочные машины подразделяются на энерготипы, использующие энергию давления кинетическую энергию поступательного ГЭУ, вращательного Гэф, винтового ТЭУ/& движения, энергию импульса Гэт и их сочетания (табл. 1.1.1) [8].
Морфологическая классификация (табл. 1.1.2) кузнечно-штамповочных машин охватывает наибольшее число технологических и конструктивных признаков и дает возможность числового кодирования структурного состава конструкций [3]. В табл. 1.1.2 выделено 25 смысловых делителей с девятью свойствами. Числовой код кузнечно-штамповочной машины состоит из 25 однозначных цифр. Например, код 3341171189442.139.31111121142 оз
начает гидравлический пресс (3), использующий потенциальную энергию жидкости (3), имеющий составную предварительно не напряженную колонную станину (4), установленный на опорный фундамент (1), имеющий один рабочий исполнительный механизм (1) поршневого типа (7) одинарного действия (1), установленный вертикально (1), один вспомогательный механизм для выталкивания и удаления поковки или другого изделия (8) поршневого типа (9). Пресс оборудован гидравлическим насосным безаккумуляторным приводом (4), использующим минеральное масло в качестве энергоносителя (4), установленным отдельно на уровне пола (2). Система управления -гидромеханическая программная (139). Применяется отдельный манипулятор (3), который перемещает заготовку в одной технологической позиции (1). Инструмент - боек (1), оказывающий нажимное воздействие на заготовку (1), с кинематически произвольным изменением скорости (1) в диапазоне 0,003...0,04 м/с (2) для переработки методом свободной ковки (1) слитков (4) в горячем состоянии (4) в заготовки для обработки резанием (2).
По характеру изменения скорости рабочих частей машины подразделяются на прессы (рис. 1.1.2, а), молоты (рис. 1.1.2, б), пресс-молоты (рис. 1.1.2, в) [2].
По характеру воздействия на деформируемый материал КШМ разделяются на машины статического (квазистатического), динамического (ударного и квазиударного), импульсного и пульсирующего действия [1]. К машинам статического действия относятся газоста-ты и гидростаты; квазистатического - гидропрессы, ротационные машины; к машинам квазиударного действия - кривошипные и эксцентриковые прессы, ударного действия -винтовые прессы, пресс-молоты и молоты; к машинам импульсного действия - магнитоимпульсные и электрогвдравлические установки, гидроимпульсные прессы и молоты; к машинам пульсирующего действия относятся гидро-пульсационные и вибрационные прессы.
Рис. 1.1.1. Классы кузнечно-штамповочных машин:
- максимальная скорость деформирования; ta - время деформирования
КЛАССИФИКАЦИЯ КУЗНЕЧНО-ШТАМПОВОЧНЫХ МАШИН
18
Глава 1.1. КЛАССИФИКАЦИЯ, ГЛАВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ И МАРКИРОВКА
1.1.1. Система энерготипов кузнечно-штамповочных машин
Индекс 1 2 3 4 5 6
I II III IV r,v т 1 3VC0 т 1 ЭУСОр ^ЭУСОРТ Ле» Лур т 1 ЭУСОТ Т3р ^ЭУТ ^эурт т\, Т-хьр Тэщп ^эсот Тэрх
Индекс Обозначение Знак Вид совместно действующих энергий Формула Схема
I 1 I 2 I 3 I 4 т„ Тж Tv Л, 1 1 ♦ Кинетическая энергия поступательного движения Кинетическая энергия вращательного движения Энергия давления Импульсная энергия _ 2 7WV ~2~ Л 2 0 Т +Т МВ— ИЗ— М0о MS—
II 1 II 2 II 3 II 4 II 5 II 6 т 1 ЭУФ Лур ^ЭУТ Т^р ^ЭФТ т 1 эрх I II II f f II Кинетическая энергия поступательного и вращательного движений Кинетическая энергия поступательного движения и энергия давления Кинетическая энергия поступательного движения и импульсная энергия Кинетическая энергия вращательного движения и энергия давления Кинетическая энергия вращательного движения и импульсная энергия Энергия давления и импульсная энергия ТЭу/ + т3(0 Пу + Пр Hv + Т'эт Пф + Тзр Пф + Т'эт Тэр+Тзх
III 1 III 2 III 3 III 4 т 1 ЭУСОр т 1 3VC0T ^эурт ^эсорт и lol III и Кинетическая энергия поступательного и вращательного движений и энергия давления Кинетическая энергия поступательного и вращательного движений и импульсная энергия Кинетическая энергия поступательного движения, энергия давления и импульсная энергия Кинетическая энергия вращательного движения, энергия давления и импульсная энергия Т + Т + т 1 ЭУ ' 1 ЭФ 1 эр Hv + Пф + Т’эт Hv + Т3р + тзх Т’э® + Т3р + Т’эт й Й й
IV 1 ^эусорт ги Кинетическая энергия поступательного и вращательного движений, энергия давления и импульсная энергия + , « 3 Е-? + + й
Примечание: > масса; v - линейная скор' ' - поступательное движение рабочих частей машины; со - угловая скорость; m -ость; Гп - потенциальная энергия; Гк - кинетическая энергия; J- момент инерции;
р - давление; s - перемещение.
1.1.2. Морфологическая классификация кузнечно-штамповочных машин и установок
Смысловой делитель Свойства кузнечно-штамповочных машин и установок
1 2 3 4 5 6 7 8 9
Конструктивные признаки
1. Класс кузнечноштамповочной машины Молоты Винтовые прессы Гидравлические прессы и другие машины и автоматы Кривошипные прессы, ножницы и другие машины и автоматы Ротационные машины и ножницы Роторные машины, установки и автоматы Импульсные машины и установки Канатные (полиспастные) прессы Установки для штамповки жидкими и газовыми средами
2. Вид эффективной (механической и др.) энергии рабочего звена машины (энергопш машины) Кинетическая энергия поступательного движения Кинетическая энергия вращательного движения Потенциальная энергия жидкости и газа Электрическая (электромагнитная) энергия Химическая потенциальная энергия горючей смеси Химическая потенциальная энергия взрывчатого вещества Термическая тепловая энергия - -
3. Конструкция станины Цельная литая Цельная сварная Цельная кованая Составная предварительно не напряженная (колонная и др) Составная предварительнонапряженная стяжными болтами Составная предварительнонапряженная лентой, проволокой, канатом Открытая одностоечная Открытая двустоечная Закрытая (рамная и др)
4. Тип фундамента под машину Опорный Шаботный жесткий Виброизоли-рованный Опорный с виброизолирующими опорами - - - - -
5. Число рабочих исполнительных механизмов 1 2 3 4 5 6 7 8 9 и более
6. Тип главного рабочего исполнительного механизма Кривошипноползунный Кривошипноколенный, гидро-коленный Кривошипноклиновой Кривошипнорычажный (кулисный) Винтовой Плунжерный Поршневой Валиковый, роликовый, кулачковый, дисковый Мембранный
КЛАССИФИКАЦИЯ КУЗНЕЧНО-ШТАМПОВОЧНЫХ МАШИН
Продолжение табл. 1.1.2
Смысловой делитель Свойства кузнечно-штамповочных машин и установок
1 2 3 4 5 6 7 8 9
7. Кратность воздействия на заготовку и вид движения рабочих исполнительных механизмов в течение цикла Одинарного (простого) Двойного Тройного Более 3 Попутного движения Встречного движения - - -
8. Положение главного рабочего исполнительного механизма в пространстве Вертикальное Наклонное Горизонтальное Переменное - - - - -
9. Назначение вспомогательных исполнительных механизмов Регулирование штамповой высоты Предохранение от перегрузки Крепление и смена штампов Прижим заготовки Питание, подача и ориентирование заготовки Отрезка и передача заготовки Правка заготовки Выталкивание и удаление поковки или другой продукции Очистка и смазка инструмента
10. Тип вспомогательного исполнительного механизма Рычажный Клиновой Кулачковорычажный Кулачковый коленорычажный Кулачковоползунноколенный Копирно-роликовый, валковый Кривошипноколенный Плунжерный Поршневой
11. Тип главного привода Гравитационный Пневматический паровой Газовый Гидравлический насосный безакку-муля торный Гидравлический насосно-аккумуляторный Электромеханический маховиковый Прямой электрический Электромагнитный Взрывной
12. Энергоноситель (рабочее тело) главного привода Гравитационное поле Воздух, газ, водяной пар Горючий газ или смесь Минеральное масло Синтетическая жидкость Водная эмульсия Электричество Электромагнитное поле Взрывчатое вещество
Глава 1.1. КЛАССИФИКАЦИЯ, ГЛАВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ И МАРКИРОВКА
Продолжение табл. 1.1.2
Свойства кузнечно-штамповочных машин и установок
Смысловой делитель 1 2 3 4 5 6 7 8 9
13. Характер и расположение главного привода по отношению к машине или группе машин Встроенное Отдельное на уровне пола Отдельное над машиной Отдельное под уровнем пола Групповое в отдельном помещении - - - -
14. Системы управления и включения машины на рабочий ход Механическая Пневматическая Гидравлическая Электрическая Ручная Полуавтоматическая Автоматическая Универсальная Программная
15. Механизм перемещения заготовки (механизм подачи) Ручной Механическая рука Отдельный манипулятор Отдельный автоматический Автоматический встроенный Робот-манипулятор - - -
16. Число технологических позиций 1 2 Т 3 ехнологические 4 признаки 5 6 7 8 9 и более
17. Инстументили среда, воздействующая на заготовку Штамп или боек Эластичная среда Сыпучая среда Жидкость Газ, воздух Продукты сгорания Электромагнитное поле - -
18. Вид движения инструмента или среды во время деформирования заготовки Линейное Угловое поворотное Угловое вращательное Пространственное Изменяемое - - - -
19. Механическое воздействие инструмента на заготовку Нажимное Ударнонажимное Ударное Импульсное Пульсирующее Комбинированное - - -
КЛАССИФИКАЦИЯ КУЗНЕЧНО-ШТАМПОВОЧНЫХ МАШИН
Продолжение табл. 1.1.2
Смысловой делитель Свойства кузнечно-штамповочных машин и установок
1 2 3 4 5 6 7 8 9
20. Измерение скорости во время ' деформирования заготовки Кинематически произвольное Кинематически заданное нерегулируемое Кинематически заданное регулируемое - - - - - -
21. Диапазон линейной скорости инструмента во время деформирования, м/с < 0,003 > 0,003...0,04 >0,04...0,4 >0,4...2,0 >2...5 >5...10 >10...20 >20...50 >50
22. Метод обработки давлением Свободная и ротационная ковка Объемная штамповка и высадка Листовая формовка, вытяжка Резка, рубка, пробивка, ломка Вальцовка, клиновая обкатка Выдавливание и прессование Брикетирование, пакетирование Чеканка, калибровка, правка, гибка Сборка
23. Перерабатываемый полуфабрикат (заготовка) Слитки Сортовой прокат, трубы, прутки и проволока Лист, полоса, лента Металлопорошок Пластмасса Лом и скрап Литая заготовка, твердожидкая, жидкий металл Огнеупор, сыпучие смеси Древесина и волокнистые материалы
24. Условия деформации перерабатываемого полуфабриката (заготовки) Холодная Неполная холодная Неполная горячая Горячая В состоянии сверхпластичности - - - -
25. Получаемая продукция Заготовка для обработки давлением Заготовка для обработки резанием Полуфабрикат для обработки давлением Полуфабрикат для переплава Деталь для последующей отделки Готовая деталь Сборочная единица Другие виды продукции -
Примечание* Анализ конструкций проводится в последовательности возрастания номеров смыслового делителя, синтез проводится в обратной последовательности.
Глава 1.1. КЛАССИФИКАЦИЯ, ГЛАВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ И МАРКИРОВКА
КЛАССИФИКАЦИЯ КУЗНЕЧНО-ШТАМПОВОЧНЫХ МАШИН
23
Рис. 1.1.2. Диаграммы изменения скорости рабочих частей кузнечно-штамповочных машин:
Vmax - максимальная скорость рабочих частей; /р - время разгона; /д - время деформирования
Рис. 1.13. Принципиальные схемы кузнечно-штамповочных машин
Принципиальные схемы и эффективная энергия машин. Гидравлические или газовые статы (рис. 1.1.3, а) относятся к машинам статического воздействия на материал [1]. Они состоят из камеры, в которую загружен обрабатываемый материал и подается жидкость или газ (азот) под давлением несколько килобар. Материал подвергается всестороннему гидростатическому сжатию в течение необ
ходимого времени, а затем камера разгружается по определенному закону.
Энергия привода (Лп) расходуется на упругую деформацию конструкции камеры (Як), сжатие жидкости (Лж) и сжатие (деформирование) материала (Ад):
Ап = Ак + Аж + Ад. (1.1.1)
Гидравлические прессы (рис. 1.1.3, б) относятся к машинам квазистатического воздей
24
Глава 1.1. КЛАССИФИКАЦИЯ, ГЛАВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ И МАРКИРОВКА
ствия на материал [1]. В них используется энергия рабочей жидкости (минерального, синтетического масел или водной эмульсии), сжатой до давления р} = 10...32 МПа, в некоторых конструкциях 200...300 МПа, для воздействия на поршень или плунжер S] рабочего цилиндра и воздействия силой Fa на обрабатываемый материал:
4. = ^р/пп = УПпК /л («)<*-
о
-s2 jp2(J)<*] = Л/пд = i/Пд о о
(1.1.2)
где Ап, Ар, Ад - работа привода, эффективная энергия давления, работа деформирования материала; S2 и р2 - площадь и давление в штоковой полости цилиндра; 5, $д - перемещение и рабочий ход; т|п и Лд - КПД привода и деформирования; Fa - деформирующая сила.
Кривошипные прессы и машины (рис. 1.1.3, в) отнесены к квазиударным машинам [1]. Энергия электродвигателя мощностью W затрачивается на разгон маховика до синхронной угловой скорости соо и сообщения ему эффективной кинетической энергии вращательного движения Гэй,. Во время деформирования материала используется часть этой энергии
/
^(/)Л = Гэщ/Лп=7(^-<о?)/2 = о
лд
= 4>Л1д=1/пд (11.3)
о
где / - осевой момент инерции вращающихся частей; со ] = соо(1 - е) - угловая скорость, ограниченная скольжением £.
Ротационные машины (рис. 1.1.3, г) относятся к машинам квазистатического (нажимного) воздействия на материал и характеризуются эффективной энергией вращательного движения аналогично кривошипным прессам [7].
Винтовые прессы (рис. 1.1.3, д) относятся к машинам ударного воздействия на материал [1]. Энергия привода расходуется на разгон рабочих масс машины и сообщение им эффективной кинетической энергии вращательного и поступательного (винтового) движения ГЭУ(0, которая расходуется на деформирование мате
риала Лд, упругие деформации Ау и преодоление трения Ат:
41 = 1/Пп Луо = [7о>2 / 2 + mv2 / 2] =
= Лд + Лу+Лг, (ii4)
где m - масса линейно движущихся частей.
Молоты (рис. 1.1.3, е) относятся к машинам ударного воздействия на материал с эффективной кинетической энергией поступательного движения рабочих масс ГЭУ, которую сообщает им привод
4, =^,v/n„ =1/пп'”у2/2 = 1/ПдЛ- (1-1-5)
Импульсные машины (рис. 1.1.3, ж) воздействуют на материал одиночными или последовательными импульсами давления жидкости, электрического разряда в жидкости, электромагнитного поля или продуктов сгорания взрывчатого вещества. Импульсная эффективная энергия Тх в большинстве конструкций непосредственно воздействует на материал. Например, в электромагнитных импульсных машинах
А„ =Г,/г]п = С(72/2г|п = Дд/г|д, (1.1.6) где С - электрическая емкость зарядных конденсаторов; U - напряжение зарядного тока.
1.1.2. ГЛАВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ, МАРКИРОВКА И МЕТОДЫ ИСПЫТАНИИ
Главные параметры. Кузнечно-штамповочные машины характеризуются размерными, линейными, скоростными, энергетическими и массовыми параметрами [6].
Главный размерный параметр - это исходная величина для конструкторского расчета, конструирования и последующего технологического выбора машины. Главными размерными параметрами для машин квазистатического действия является номинальная сила Fw развиваемая при определенных условиях рабочим звеном главного исполнительного механизма; для машин динамического действия -кинетическая энергия Гэ, развиваемая подвижными частями машины к началу рабочего хода, или их масса т. Совокупность главных размерных параметров определяет размерные ряды стандартов на соответствующие машины.
Линейные параметры могут определять технологическое назначение КШМ (технологические линейные параметры), быть связан-
ГЛАВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ И МАРКИРОВКА
25
ними с ее монтажем (установочно-монтажные линейные параметры) или характеризовать крепление инструмента (линейные параметры элементов крепления).
К технологическим линейным параметрам относятся размеры рабочего пространства, определяющие габариты инструмента, исходной заготовки и готового изделия и ход рабочего звена машины. Технологические линейные параметры вносят в таблицы ГОСТов.
К установочно-монтажным линейным параметрам относят габариты машины и мест ее крепления к основанию (стандартизации не подлежат). Масса машины также является установочно-монтажным параметром, внесение которого в стандарты не обязательно. Линейные параметры элементов крепления рабочего инструмента содержатся в стандартах.
Скоростным параметром для однотипных машин является быстроходность, т.е. число холостых ходов (циклов) рабочего звена (ползуна, ударной массы) в минуту, как правило, вносимое в ГОСТы. Величина же скорости рабочего звена перед началом рабочего хода стандартами не обусловлена.
Энергетические параметры характеризуют двигатель или энергоноситель. Если энергетические параметры являются заданными величинами, например давление воздуха для привода паровоздушного молота, то их вносят в ГОСТ. Если энергетические параметры -
расчетные величины, как, например, параметры электродвигателя, момент инерции маховика, давление рабочей жидкости, то их в стандарты не вносят.
Система маркировки кузнечно-штамповочных машин. Система маркировки КШМ основана на разделении их по главным конструктивным признакам или технологическому назначению на 12 видов, каждому из которых присвоено буквенное обозначение: А - автоматы кузнечно-штамповочные; Б - прессы пакетировочные и брикетировочные; В - машины ковочные; Г - оборудование гидравлическое; Д - прессы гидравлические для обработки неметаллических материалов; И - машины гибочные и правильные; К - кривошипные прессы; М - молоты; Н - ножницы и хладноломы; П - прессы гидравлические для обработки металла; С - ковочные вальцы; Ф -прессы винтовые, реечные и рычажные.
Каждый вид кузнечно-штамповочных машин подразделяется на 10 групп по общим признакам (конструкции, технологическому назначению) с присвоением порядкового номера от 1 до 0 (табл. 1.1.3). Каждая группа подразделяется на 10 типов с порядковым номером от 1 до 9 и 0. Например, в восьмой группе кривошипных прессов выделено пять типов машин: чеканочные прессы с нормальным ходом (3), чеканочные прессы с увеличенным ходом (4), горячештамповочные прессы для штамповки
1.1.3. Классификационная групповая маркировка кузнечно-штамповочных машин
Номер группы Кривошипные прессы - К Гидравлические прессы - Д Молоты - М
1 Одностоечные Ковочные и гибочные Паровоздушные ковочные
2 Двухстоечные Простого действия Однокривошипные Для объемной штамповки Паровоздушные штамповочные
3 Двухкривошипные Для листовой штамповки Листоштамповочные
4 Четырехкривошипные Для листовой штамповки двойного действия Пневматические
5 Двойного действия Однокривошипные Для штамповки резиной Падающие
6 Двухкривошипные Для механосборочных цехов Рессорнопружинные
7 Четырехкривошипные Чеканочные и калибровочные Бесшаботные
8 Чеканочные и горячештамповочные Для прессования металлов Гидравлические
9 Обрезные - -
0 Специальные Специальные Специальные
26
Глава 1 1. КЛАССИФИКАЦИЯ, ГЛАВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ И МАРКИРОВКА
в открытых штампах (5), прессы для горячего выдавливания (6), горячештамповочные прессы двойного действия (8).
Типы машин подразделяются на типоразмеры с присвоением третьего двузначного числа от 00 до 59 в маркировке при возрастании значения главного размерного параметра по 10-му раду предпочтительных чисел (ГОСТ 8032-84): 0,1; 0,125; 0,16; 0,2; 0,25; 0,315; 0,4; 0,5; 0,63; 0,8 с последующим увеличением параметра в 10,100,1000 и более раз.
Исходная модель КШМ данного вида, группы, типа и типоразмера принимается в качестве базовой. Марка базовой модели имеет пять алфавитно-цифровых знаков, например, К8540 обозначает базовую модель кривошипного горячештамповочного пресса с номинальной силой 10 МН. Остальные модели одного типоразмера, отличающиеся от базовой модели некоторыми параметрами (размерами штампового пространства, числом ходов и т.п.) или непринципиальными изменениями в конструкции, обозначаются как модификации базовой модели с добавлением шестого алфавитного знака в конце марки. Если имеется в виду машина того же типоразмера, но с принципиальным отличием в конструкции или значительными изменениями каких-либо параметров, то она считается моделью, параллельной базовой, и обозначается добавлением седьмого алфавитного знака, размещенного перед цифровыми знаками, например, КБ8540. Автоматизированные комплексы обозначают двумя алфавитными знаками АК впереди марки главной кузнечно-штамповочной машины комплекса, например АККБ8540, а обрабатывающие центры - ОЦ. Программное управление кузнечно-штамповочной машины обозначается буквой П в конце цифрового индекса, например АККБ8540П.
Классификация видов испытаний и экспериментальных исследований. Приемосдаточные испытания проводятся на сборочных площадках завода-изготовителя или после монтажа машины у заказчика. Задачей приемосдаточных испытаний является проверка взаимодействия агрегатов и узлов, а также паспортных характеристик. Стендовые испытания серийно выпускаемых машин проводят, как правило, на заводах-изготовителях с целью проверки соответствия качества изготовления машин ГОСТам и нормативным техническим условиям. Во время эксплуатационных испытаний проверяют надежность машины в экс
плуатации, ее способность безотказно выполнять конкретную работу в условиях производства. Кроме того, могут быть организованы отдельные испытания, например, для изучения надежности, долговечности, статической или динамической жесткости (податливости) машины или ее отдельных узлов и агрегатов. Технологические испытания проводят с целью выявления возможностей осуществления различных технологических операций. Экспериментальные исследования необходимы при разработке КШМ по новым конструктивным схемам, при совершенствовании выпускаемых промышленностью машин, для проверки теории и расчетов.
Общей целью экспериментального исследования и испытания является получение объективной, основанной на опыте, количественной и качественной информации о параметрах, характеризующих состояние и работу деталей, узлов, агрегатов или машины в целом. При экспериментальном исследовании опытных образцов машины изучают соответствие параметров расчетным, полученным на основе теоретического анализа машины. Эти исследования проводятся также для сопоставления результатов, полученных расчетом по различным теориям, и для получения исходной информации для разработки методов расчета или новой теории. Данные, полученные в результате экспериментальных исследований, используются для уточнения расчетов и совершенствования конструкции машин. Экспериментальные исследования, в которых изучается комплекс вопросов, называют комплексными исследованиями. Их разделяют на отдельные серии или циклы испытаний, в течение которых изучают влияние какого-либо одного переменного или изменяемого параметра на остальные. Серии или циклы испытаний состоят из опытов, в которых все исходные величины параметров задают постоянными. При переходе к следующему опыту изменяют величину только одного из задаваемых параметров или одно из условий опыта, влияние которого изучают. Экспериментальные исследования, направленные на изучение определенной группы параметров, называют в соответствии с изучаемыми параметрами кинематическими, динамическими, тензометрическими, энергетическими, технологическими.
Структура средств испытаний и исследований. Работа КШМ характеризуется
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 27
несколькими одновременно меняющимися величинами: перемещением (линейным и угловым), скоростью (линейной и угловой), деформацией, деформирующей силой, давлением энергоносителя, мощностью потребляемой электродвигателями, временем. Их регистрацию осуществляют с помощью электромеханической, электрической, электронной, оптической и другой аппаратуры. Совокупность аппаратов, предназначенных для регистрации какой-либо величины, образует канал записи. При испытаниях и экспериментальных исследованиях необходимо иметь число каналов записи, равное числу регистрируемых параметров. Каналы записи, а также входящие в него преобразователи характеризуются выходными характеристиками, чувствительностью, диапазоном измерений, нелинейностью и начальным значением выходной величины [11].
Датчиками линейного перемещения служат контактные резисторные ходографы непрерывного и дискретного действия, а также индукционные бесконтактные датчики [9]. Для измерения непрерывного углового перемещения применяют тахогенераторы, а для дискретного - оптические прерыватели с фоторезистором. В качестве датчиков перемещения -генераторов импульсов - могут быть использованы самые разнообразные устройства, например, электрические, механические и оптические прерыватели, ферромагнитная лента с записанными импульсами, которые считываются движущейся магнитной головкой и т.д. Измерение деформации производится с помощью тензометрических датчиков-тензорезис-торов. Деформирующую силу при испытании КШМ регистрируют с помощью датчиков силы (мессдоз). Наибольшее распространение получила конструкция мессдозы с тензометрическими датчиками. Давление жидкости, пара, воздуха и других рабочих сред регистрируются по деформации детали датчика, на которую это давление воздействует: мембраны или полого цилиндра с наклеенными на них тензоре-зисторами. При записи мощности, потребляемой электродвигателем одновременно регистрируются ток и напряжение с помощью шлейфа мощности в комплекте магнитоэлектрического осциллографа [4].
Результаты испытаний и исследований. Для многоканальной записи результатов измерений применяются катодные и магнитоэлектрические осциллографы [4]. Все более широкое применение получают измерительные комплексы на основе персональных ком
пьютеров со встроенными платами сбора и обработки аналого-цифровой информации [10]. В состав комплексов входят комплекты датчиков, усилительная аппаратура, специальные программы регистрации и обработки информации и принтеры.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Банкетов А.Н., Бочаров Ю.А., Добринский Н.С. и др. Кузнечно-штамповочное оборудование. М.: Машиностроение, 1982. 576 с.
2. Бочаров Ю.А. Гидросистемы кузнечно-штамповочных машин. М.: Машиностроение, 1972. 60 с.
3. Бочаров Ю.А. Структурно-морфологическая классификация кузнечно-штамповочных машин и агрегатов // Кузнечно-штамповочное производство. 1974. № 1. С. 30 - 34.
4. Бочаров Ю.А. Складчиков Е.Н., Богданов Э.Ф. и др. Экспериментальное исследование и испытание кузнечно-штамповочных машин. М.: Изд. МВТУ им. Н.Э. Баумана, 1971.80 с.
5. Жарков Ф.П., Каратаев В.В., Никифоров В.Ф., Панов В.С. Использование виртуальных инструментов LabVIEW / Под ред. К.С. Демирчана и В.Г. Миронова. М.: Солон-Р, Радио и связь, 1999. 268 с.
6. Живов Л.И., Овчинников А.Г. Кузнечно-штамповочное оборудование. Прессы. Харьков: Изд-во ХГУ, 1966. 456 с.
7. Зимин А.И. Машины и автоматы кузнечно-штамповочного производства. Ч. 1: Молоты. М.: Машгиз, 1953. 356 с.
8. Зимин А.И. Периодическая система энерготипов кузнечно-прессовых машин / Машины и технология обработки металлов давлением: Сб. МВТУ им. Н.Э. Баумана. М.: Машиностроение, 1967. С. 5 - 23.
9. Сафонов А.В., Шалимов А.В. Экспериментальное исследование оборудования и технологических процессов с применением аналого-цифровых преобразователей и персональных компьютеров. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004. 50 с.
10. Универсальные платы сбора и контроля ввода/вывода аналоговой и цифровой информации для IBM PC/AT - совместимых компьютеров (ЛА-2М2, Л-2МЗ, ЛА-4) / Руководство пользователя. М.: Центр АЦП. ЗАО "Руднев-Шиляев", 2003.
11. Машииостроеиие. Энциклопедия. Технические средства систем управления. Т. V. М.: Машиностроение, 2000.
28
Глава 1.2. ПРИНЦИПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ КУЗНЕЧНО-ШТАМПОВОЧНЫХ МАШИН
Глава 1.2
ПРИНЦИПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ КУЗНЕЧНО-ШТАМПОВОЧНЫХ
МАШИН
Методика проектирования кузнечно-штамповочных машин исходит из общих положений теории проектирования технологических машин: выбор или разработка принципиальной схемы конструкции машины, системы привода, системы управления, планирование этапов работы. Разрабатываемая конструкция прежде всего должна отвечать требованиям технологического процесса по деформирующей силе, работе деформирования, скорости деформирования, времени контакта штампа (бойка) с деформируемым материалом (поковкой), продолжительности машинного цикла и частоте циклов [2]. Наиболее ценным является инновационный подход [6].
Формулирование цели и методов ее достижения. Конечная цель проектирования машины должна быть тщательно обоснована. Разработчику, конструктору необходимо изучить технические требования, функциональное назначение машины, результаты маркетингового исследования, экономические и эргономические условия ее эксплуатации. Важно также учитывать требования гибкости и пере-налаживаемости параметров для выпускаемой на ней продукции в зависимости от ее серийности, степени управляемости машины [4]. Проектирование гаммы машин позволяет применять унифицированные конструкции сборочных единиц и деталей, сокращать сроки проектирования и расходы на изготовление и эксплуатацию.
Этапы проектирования следующие: проведение предпроектных исследований и маркетинга, разработка и согласование с потребителем технического задания и технического предложения, технический проект, рабочий проект, конструкторское сопровождение изготовления, сборки и испытания машины.
На основе опыта работы конструкторских бюро и отделов выработаны следующие общие рекомендации:
конструкторские решения должны быть обоснованными и приниматься на основе анализа;
сложные проблемы целесообразно расчленять на более простые;
начинать решение целесообразно с простейшего, легко доступного и постепенно переходить к более сложному;
всюду стремиться устанавливать закономерности, порядок, даже там, где естественной последовательности не выявляется;
сначала составить макет будущей готовой машины, кинематической схемы, системы привода и т.п., изучив тонкости возникшего вопроса по имеющемуся техническому заданию (т.е. дать волю своим знаниям и воображению), а затем уже переходить к изучению патентов, технической литературы и уровня, достигнутого в данном вопросе наукой, техникой;
подход к любому вопросу должен быть всеобъемлющим, системным;
всюду необходимо делать подробные перечни литературы и обзоры, чтобы быть уверенным, что ничего не упущено из вида.
Выбор параметров технологического процесса и оборудования. Для большинства универсальных кузнечно-штамповочных машин имеются ГОСТы на основные параметры и размеры. Например, для кривошипных прессов для ряда номинальных сил приводятся: величина хода ползуна, размеры штампового пространства, число ходов ползуна в минуту и т.п.
Для специальных и специализированных кузнечно-штамповочных машин на основе изучения принятого технологического процесса составляется типовой ряд поковок или полуфабрикатов, получаемых данным технологическим методом. Исходя из размеров типовых поковок образованного ряда, определяют необходимые параметры технологического процесса: деформирующую силу, рабочее перемещение инструмента и последовательность применения инструментов в том или ином направлении, работу деформирования, диапазоны необходимых скоростей деформирования, требуемую производительность и т.п. Наиболее точно эти параметры определяются в системе САПР методами конечных разностей или конечных элементов.
Для приблизительных расчетов применяют типовые линеаризированные графики нагрузок технологических процессов для кривошипных прессов (см. рис. 1.2.1 и 1.2.2), гидравлических прессов (рис. 1.2.3), винтовых прессов и молотов с различными системами приводов.
Силы деформирования для объемной штамповки аппроксимируются многочленной зависимостью
P = P0+b,bs+b2bs2 +... + Ь„Дз",
где Ь\, Ьг...Ьп - силовые факторы; As - абсолютная деформация; Ро - начальная сила.
Во многих случаях достаточна двучленная зависимость
P = P0+Ms",
где показатель степени определяется подбором.
ПРИНЦИПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ КУЗНЕЧНО-ШТАМПОВОЧНЫХ МАШИН
29
При необходимости линеаризации силы для объемной штамповки можно использовать кусочно-линейную функцию
Р=Р0+ b(Si) + (^ - b)(S - $! )СТ ($ - ),
где
= max
5д"51
[0 при $<$], СТ = 5
[1 при s > S];
^тах - наибольшая сила.
Работу, которую должен выполнить исполнительный механизм во время рабочего
Рис. 1.2.1. Типовые графики нагрузок для кривошипных листоштамповочных прессов:
а - вырубка; б - вырубка при увеличенном ходе; в - вытяжка; г - вытяжка на прессе двойного действия; д - гибка; Р/Рн - отношение силы деформирования к номинальной силе крена;
s!H - отношение перемещения к максимальному ходу ползуна крена
Рис. 1.2.2. Типовые графики нагрузок кривошипных прессов для объемной штамповки: а - горячая штамповка; б - горячее выдавливание; в - холодное выдавливание;
г - холодная калибровка-чеканка; Р/Ри - отношение силы деформирования к номинальной силе крена; s/H - отношение перемещения к максимальному ходу ползуна крена
30
Глава 1 2 ПРИНЦИПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ КУЗНЕЧНО-ШТАМПОВОЧНЫХ МАШИН
Рис. 1.2.3. Диаграммы типовых технологических нагрузок для операций:
а - для первой группы (см. табл. 1.2.1); б - для второй группы; в - для третьей группы; г - диаграмма сил деформирования; д - диаграмма упругой податливости системы машина - штамп
хода, можно определить приближенной зависимостью
А = Аа + Ау = ф/’тдх $д, где Аа и Ау - работа пластического деформирования поковки и упругой деформации системы машина - штамп.
Ориентировочные значения коэффициента (р приведены в табл. 1.2.1.
По принятым параметрам технологического процесса в техническом предложении на проектирование специальных и специализированных машин устанавливаются основные параметры.
Разработка принципиальных схем, структур и конструкций. Предварительная разработка в зависимости от требований технического задания и новизны решаемой проблемы может проводиться на следующих уровнях:
разработка принципиальной схемы, отвечающей требованиям технологического процесса или принятие типовой схемы универсальной конструкции;
компонование конструкции машины из готовых структурных элементов, сборочных единиц или линий из готовых машин;
компонование конструкции машины из готовых сборочных единиц с некоторыми их изменениями;
масштабирование - разработка конструкции машины или сборочной единицы по их аналогу другого типоразмера;
создание конструкции машин, структур и сборочных единиц на уровне изобретений.
Применение готовых структурных элементов и конструкций при создании, машины позволяет значительно снизить сроки проектирования. Кроме того, применение проверенных практикой конструкций способствует повышению надежности машин.
В кузнечно-штамповочном машиностроении машины проектируются на разных уровнях, но наиболее распространенным уровнем является масштабирование. При этом следует не масштабировать размеры деталей, а моделировать процессы, которые происходят в механизмах и их элементах. Для облегчения работы изобретателя имеются специальные руководства, которые вводят в действия изобретателя логическую последовательность и тем сужают поле поиска [1,5].
ПРИНЦИПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ КУЗНЕЧНО-ШТАМПОВОЧНЫХ МАШИН
31
1.2.1. Параметры линеаризованных диаграмм рабочих технологических нагрузок
Группа Технологическая операция Параметры
?) Лпах _5_ ^гпах *1 Ф
1 Выдавливание, прессование 0,9...1,0 - - 0,9...1,0
2 Осадка, открытая прошивка, протяжка, шлихтовка 0,4...0,6 - - 0,7...0,8
Чеканка: а) плоскостная б) рельефная 0,8...0,85 0 - 0,9 0,5
Калибровка, правка 0,8...0,85 - - 0,9
3 Объемная штамповка: а) без элементов вылавливания б) с элементами вылавливания 0,05...0,08 0,1 0,12...0,2 0,2...0,25 0,9 0,7...0,75 0,15...0,2 0,75... 0,8
Высадка 0,2 0,25 0,34 0,7
Гибка 0,3 0,35 0,4 0,85
Горячее выдавливание в закрытые полости 0,25 0,3 0,6...0,8 0,8...0,85
Брикетирование, пакетирование, прессование металлопорошков 0 0,1...0,2 0,8 0,2
Моделирование, анализ и оценка схем и конструкций. Разработка динамических и математических моделей кузнечно-штамповочных машин на макро- и микроуровнях проводится в соответствии с указаниями, перечисленными в гл. 1.4. Анализу подлежат последовательно: параметры машины, ее принципиальная кинетостатическая, кинематическая схема, цикловая диаграмма, механизмы силовой цепи машины, ее привода и управления, прочность, жесткость ее элементов и т.д.
Анализ удобно также проводить, пользуясь соответствующими таблицами организующих понятий [2]. При составлении таблиц организующие понятия классифицируют по степени их важности: сопоставляют между собой путем критического анализа выделенных признаков и их соответствия требованиям решаемой задачи. Подобные классификационные таблицы содержат указания о преимуществах и недостатках вариантов тех или иных конструкций, анализ их характеристик и реко
мендации по целесообразным формам применения конструкций и процессов. Такие таблицы составляют для машин, механизмов, деталей. Рассмотрение этих таблиц позволяет выявить технические противоречия вариантов решения или конструкции и помочь конструктору в проектировании машины с минимальным числом недостатков.
Принятие решений и логика конструирования. Процесс разработки чертежей. На основе динамического моделирования, анализа конструкций и схем проводится выбор оптимальных или рациональных вариантов и принимается решение о проектировании. Процесс проектирования разделяется на этапы и проводится в системе САПР (Autocad) в соответствии с указаниями, представленными в гл. 1.4. Составляется план работы, разрабатываются динамические и математические модели, проводится компьютерное моделирование и анализ рабочих процессов сборочных единиц, систем привода и управления, намечают
32
Глава 1.2. ПРИНЦИПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ КУЗНЕЧНО-ШТАМПОВОЧНЫХ МАШИН
ся экспериментальные исследования, выясняется необходимость изготовления макетов, моделей, опытных механизмов. План выполнения этапов работ удобно представить сетевым графиком.
Объемы и содержание отдельных этапов разработки регламентируются соответствующими стандартами: техническое предложение -ГОСТ 2.118.73, эскизный проект - ГОСТ 2.119.73, технический проект - ГОСТ 2.120.73.
Современное проектирование осуществляется на ЭВМ с помощью прикладных программ, таких как AutoCAD и др.
При разработке новых идей и решений основной поиск необходимо вести в направлении достижения поставленной цели. Для лучшего поиска путей достижения цели составляют диаграммы идей, матрицы решений, таблицы организующих понятий. Для поиска новых технических решений разрабатываются специальные алгоритмы [1,6].
Важной составляющей логики конструирования является анализ ошибок. Под ошибкой понимается всякое отклонение изготовленной конструкции от проекта по размерам, параметрам, свойствам и т.п.
Основой анализа ошибок является выявление технических противоречий в конструкции и возможностей их устранения, а в дальнейшем предотвращения появления подобных ошибок или их компенсация. Для проведения подобного анализа необходимо четко формулировать требования, предъявляемые к машине, механизму, детали, и составлять ясное представление о физических процессах, которые происходят в сопрягающихся, подвижных элементах механизмов. Обычно это проводят на основе моделирования в системах ПА-6, ПА-9, PRADIS (см. гл. 1.3).
При проектировании следует предусматривать составленные на основе прогнозирования опережающие требования к проектируемым объектам, поскольку со времени проектирования машины до ее применения в промышленности проходит определенное время.
Программное обеспечение систем автоматизированного проектирования (САПР), как правило, состоит из основной программы-диспетчера, набора расчетных подпрограмм, включая подпрограмму оптимизации, набора графических подпрограмм и банка принимаемых исходных данных.
Программа-диспетчер находится в основной памяти ЭВМ, где хранятся также входная, выходная информация и промежуточные
результаты, необходимые для работы последовательно вызываемых подпрограмм. Подпрограммы обычно записаны на внешних накопительных устройствах и вызываются в основную память ЭВМ в определенной последовательности.
Существуют жесткие и гибкие диалоговые САПР. В жестких САПР пользователь не может оперативно изменять входную и промежуточную информацию. Только получив все результаты работы САПР, можно проанализировать их и решить вопрос о целесообразности изменения входных данных для получения новых результатов в той же системе. В диалоговых САПР процесс вычисления останавливается в заранее устанавливаемых элементах программы, и система запрашивает пользователя о правильности полученных результатов, возможных коррективах, дополнениях и т.д. По указанию пользователя система может пропустить ту или иную подпрограмму, вызвать из библиотеки новый модуль, работа которого не была предусмотрена в основной программе.
Процесс конструирования является процессом переработки информации, состоящей из геометрических данных при известных функциональных условиях. Такая переработка осуществляется при соответствующем математическом обеспечении средствами интерактивной графики, интегрированными с ЭВМ. Дисплеи и графопостроители с позиционным регулированием служат для графического изображения результатов расчета, в том числе и непосредственно чертежей. Существуют системы, в которых можно получить аксонометрическое изображение; осуществить поворот или другую корректировку; применение диалоговой системы позволяет соединить результаты расчетов с интуитивными решениями, подсказываемыми пользователю его опытом.
Применение САПР позволяет существенно сократить время проектирования, повысить качество разработок за счет выбора оптимального варианта, осуществить механизацию и автоматизацию инженерного труда.
Обеспечение высокого качества продукции на стадии проектирования. В понятие качества машины входит ряд составляющих, и в том числе необходимая надежность, долговечность, управляемость машин, надежность их механизмов и деталей. В настоящее время без учета этих факторов нельзя проектировать машины, так как должна быть постоянная обратная связь между этапами конструирования, изготовления, эксплуатации. С помощью средств информационной технологии
ПРИНЦИПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ КУЗНЕЧНО-ШТАМПОВОЧНЫХ МАШИН
33
необходимо систематически оценивать данные изготовления и эксплуатации машин. Для этой цели необходима хорошо организованная информационная служба, в том числе и дистанционная система диагностики и мониторинга работы машины у потребителя, а сами конструкторы должны использовать любую возможность для накопления требуемой им информации. Конструкторы обязаны знать характеристики надежности и долговечности основных механизмов и деталей кузнечноштамповочных машин.
Дистанционная диагностика и мониторинг позволяют выявить в конструкции слабые по надежности элементы, которые лимитируют производительность машины. Для повышения надежности кузнечно-штамповочных машин целесообразно усиление самого слабого по надежности звена как в силовой цепи, так и в цепи управления. Следует учитывать также серийность производства и характер нагружения машин. Так, кривошипные прессы, работающие в массовом и крупносерийном производстве, имеют сравнительно большую загрузку по времени и силе, и важными являются показатели надежности. Гидравлические прессы могут быть загружены работой в мелкосерийном производстве неполную смену. В этих условиях роль показателей надежности снижается и на первый план выступает долговечность механизмов и деталей, ресурс до капитального ремонта.
Вместе с тем для гидравлических прессов и для других кузнечно-штамповочных машин, работающих в крупносерийном производстве, и особенно для машин-автоматов надежность имеет первостепенное значение. При этом основными показателями надежности для кузнечно-штамповочных машин являются: наработка до первого отказа (средняя и гарантийная), наработка до капитального ремонта и коэффициент использования машины.
При сборе информации о времени простоя кузнечно-штамповочных машин необходимо принимать во внимание, что в зависимости от типа машин в ряде случаев должны учитываться не только существенные отказы, т.е. отказы, на устранение которых требуется не менее часа времени, но и технологические отказы (смена и наладка инструмента). Особо важную роль технологические отказы имеют в машинах, где стойкость инструмента невелика и где часты подналадки инструментов и механизмов. К таким машинам, в частности, относятся автоматы для холодной и горячей объемной штамповки.
После сбора и обработки информации намечаются пути изменения конструкции механизмов в целях повышения их надежности и производительности машины.
Как уже указывалось выше, важной составляющей логики конструирования является учет ошибок конструирования, анализ этих ошибок и систематическая разработка мер, устраняющих появление таких ошибок в дальнейшем. Большую роль в этом должны играть меры по повышению надежности и долговечности кузнечно-штамповочного оборудования, принимаемые заводами-изготовителями.
Для повышения качества и конкурентоспособности выпускаемых машин необходимо повышать общую культуру конструирования, изготовления и эксплуатации машин. В это понятие входят: применение известных методов конструирования деталей и сборочных единиц, соблюдение технических условий на изготовление и соблюдение основных правил рациональной эксплуатации кузнечно-штамповочных машин [3].
Повышение эффективности творческого процесса конструироваиия. Известно, что качество машин во многом определяется квалификацией конструкторов и технологов, их создающих.
В связи с этим для повышения творческих возможностей конструкторов идут по трем направлениям.
Во-первых, весь процесс проектирования разделяют на этапы и регламентируют наиболее рациональную последовательность и технологию выполнения каждого этапа. Этим упрощается и ускоряется нетворческая часть работы, освобождая время для творчества.
Во-вторых, учитывают психические особенности человека как при индивидуальной, так и при коллективной работе и создают условия работы, способствующие раскрытию творческих способностей конструкторов.
В-третьих, применяют современные ЭВМ, программы и методы САПР, CAD-CAM и т.п. Для каждого человека существует определенный предел объема и скорости усвоения новой информации, после которого он уже не может справляться с поступающим потоком информации. Если этот поток информации будет выше его нормы и положительные эмоции, ощущаемые человеком при переработке потока информации, с которым он справляется, переходят в эмоции отрицательные, то успешная работа становится невозможной.
2-819
34
Глава 1.2. ПРИНЦИПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ КУЗНЕЧНО-ШТАМПОВОЧНЫХ МАШИН
Эффективность труда человека в значительной степени зависит от его эмоциональной напряженности. Эффективность труда мала как при малой его напряженности, так и при эмоциональной напряженности, перешагнувшей через допустимый для данного человека порог, когда появляющаяся нервозность значительно снижает эффективность труда.
Последние исследования показывают, что интуиция - это долговременная память подсознания, основанная на опыте человека и хорошо выявляемая при ассоциациях. Поэтому признается полезным конструктору одновременно заниматься двумя работами (вопросами) с поочередной сменой сосредоточения мозга то на одной работе, то на другой. Для того чтобы работало интуитивное мышление, необходимо загружать мозг задачами с четкой постановкой вопроса. Следует помнить, что творчество - это не монолог, а диалог, в котором человек самому себе задает вопросы. Условия в состоянии отдыха, после или до сна признаются наилучшими для ухода за "барьер памяти", для активизации интуиции, когда мозг в состоянии выдавать решения из подсознания. При выполнении человеком механической работы, не требующей размышлений и выполняемой автоматически (ходьба и т.п.), мозг активизируется и процесс мышления при этом ускоряется.
В индивидуальной работе очень важно применение конструктором приемов эффективного мышления:
стараться удерживать в памяти все понятия, связанные с решаемым вопросом; не спешить с выводами, не замыкаться на первой возникающей мысли;
подробно рассматривать окружающие условия; особенно важны временная последовательность (в автоматах - цикловая диаграмма) процесса и пространственное расположение деталей (взаимное сопряжение и расположение стыкующихся деталей и соседних механизмов в машине);
применять так называемое обратное, или обходное, мышление. Суть его в том, что к цели идут не путем последовательных рассуждений, а предполагают, что задача решена; например, следует мысленно представить макет будущего устройства, работы, а потом уже рассматривать пути создания этого устройства. При этом должна быть четко выделена основная идея устройства, работы;
свои идеи следует оценивать критически, а чужие идеи - конструктивно, т.е. искать в
чужих идеях рациональное зерно, а в своих решениях - слабые места;
если работа не двигается, то необходимо сменить образную систему: от конкретных представлений перейти к абстрактным (т.е. перейти от рассмотрения конструкции механизма, детали, к рассмотрению его кинематической схемы, структурной схемы), и наоборот.
Большую роль имеют знания, которыми обладает конструктор, особенно если учесть, что его работа часто протекает в условиях недостатка времени. Любое обучение (прослушивание лекций, чтение технической литературы) -это приобретение необходимого пассивного опыта, а активный опыт конструктор приобретает при практическом конструировании. Этот опыт приобретается быстрее, если конструктор внимательно относится ко всем "мелочам", к тому "фону", при котором протекает как сама работа конструктора, так и работа создаваемой им конструкции.
Следует помнить также, что коллективное мышление вносит в процесс творчества ускоряющий элемент. С этой точки зрения полезно проведение совещаний по обсуждению последовательных этапов проектирования, семинаров в отделах по рассмотрению конструкций механизмов и т.п. Полезно обсуждение возникающих вопросов и проблем непосредственно на рабочем месте конструктора вместе со своими коллегами. Наличие творческой атмосферы в конструкторских отделах помогает более успешно справляться с заданиями и успешно разрабатывать новые конструкции машин и механизмов. Сроки на выполнение работ должны быть достаточными для выполнения лишь с небольшим перенапряжением. Заведомо невыполнимые сроки вносят нервозность, нарушают нормальную работу и ведут к резкому снижению ее качества.
При обсуждении важных и ответственных проблем рекомендуется организация так называемых мозговых штурмов. Мозговой штурм - это совещание специалистов, на котором при обсуждении сложного вопроса проводится последовательный опрос каждого из участников совещания. При этом каждый должен давать свои конструктивные предложения и развивать предложения других участников совещания, высказывать критические замечания запрещается. Высказывания и предложения на таком совещании протоколируются, а затем экспертная комиссия классифицирует предложения по степени важности, после чего подвергает их критическому анализу.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
35
Особенности применения ЭВМ при проектировании. ЭВМ в конструкторских разработках, а затем и для автоматизации проектирования оказывают конструктору значительную помощь. Их применение сокращает трудоемкость работ; позволяет проводить моделирование и расчеты, которые не могут быть выполнены вручную; гарантирует большую надежность проводимых расчетов и исключает возможность появления ошибок. Удобно с помощью ЭВМ исследовать различные варианты задач. На ЭВМ выполняют следующие работы: трудоемкие и часто повторяющиеся расчеты, моделирование и решение задач по оптимизации параметров, многовариантных задач с перебором вариантов и выбором оптимального решения (выбор кинематических и энергетических параметров) и сложных задач динамики, разрешение которых невозможно без помощи ЭВМ; обработку данных экспериментов и данных статистики; поиск рациональных технических решений по конкретному классу объектов на основе разработки специальных эвристических алгоритмов.
При решении задач на ЭВМ можно выделить следующие этапы:
постановка задачи и определение конечных целей; математическое описание задачи и представление ее в численной форме;
алгоритмирование и программирование -определение последовательности операций, выполняемых машиной (сначала в виде блок-схемы, а затем в виде программы на алгоритмическом языке);
отладка программы (имеется столько возможностей допустить ошибку при программировании, что большинство составленных программ работает сначала неверно и требует исправления);
проведение вычислений и процесса моделирования, интерпретация результатов. Необходимо тщательное осмысление полученных результатов расчета и моделирования: человек, выполнявший расчет на машине, должен понять, что означают полученные результаты с точки зрения критериев, которым должна удовлетворять решаемся задача.
Расширение применения ЭВМ в практике конструирования значительно сокращает сроки проектирования и дает значительный экономический эффект.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Автоматизация поискового конструирования / Под ред. А.И. Половинкина. М.: Радио и связь, 1981. 344 с.
2. Банкетов А.Н., Бочаров Ю.А., Доб-ринский Н.С. и др. Кузнечно-штамповочное оборудование. М.: Машиностроение, 1982. 575 с.
3. Банкетов А.Н. Рациональное использование кузнечно-штамповочных машин. М.: НИИмаш, 1971. 71 с.
4. Бочаров Ю.А. Числовое программное управление процессами и машинами обработки давлением (состояние и перспективы) // Кузнечно-штамповочное производство. 2000. №7. С. 39-46.
5. Опиер С.А. Системный анализ для решения деловых и промышленных проблем. М.: Советское радио, 1969. 216 с.
6. Половинкин А.И. Методы инженерного творчества. Волгоград, 1984. 365 с.
Глава 1.3
ДИНАМИКА КУЗНЕЧНОШТАМПОВОЧНЫХ МАШИН
1.3.1. ОСОБЕННОСТИ КУЗНЕЧНОШТАМПОВОЧНЫХ МАШИН КАК ОБЪЕКТОВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
1.3.1.1. ДИНАМИЧЕСКИЙ АСПЕКТ РАБОТЫ КУЗНЕЧНО-ШТАМПОВОЧНЫХ МАШИН
Динамические эффекты, сопровождающие работу кузнечно-штамповочной машины, возникают при существенных в количественном отношении накоплении, взаимообмене и расходе кинетической и потенциальной энергии элементами машины.
Динамические эффекты могут быть положены в основу принципов функционирования кузнечной машины (молоты, винтовые прессы, маховичный привод кривошипных прессов). В других случаях они сопровождают работу машины, являясь неизбежными и часто нежелательными. Свойства кузнечно-штамповочной машины определяются протекающими в них процессами и проявляются в них. Известность процессов, которые будут протекать в проектируемой, а потому еще не существующей кузнечно-штамповочной машине, дает возможность прогноза ее свойств и их изменения с целью повышения качества.
2*
36
Глава 1.3. ДИНАМИКА КУЗНЕЧНО-ШТАМПОВОЧНЫХ МАШИН
Основным путем определения процессов, протекающих в кузнечно-штамповочных машинах, является в настоящее время решение систем дифференциальных уравнений, адекватно отражающих существенные, с точки зрения проектировщика, свойства машины. Такие системы имеют высокий порядок, достигающий значений сотен и тысяч, существенно нелинейны. Поэтому исчерпывающий динамический анализ кузнечно-штамповочных машин, выполняемый традиционными средствами, является трудной, часто неразрешимой задачей.
1.3.1.2. ТИПОВЫЕ РАСЧЕТЫ КУЗНЕЧНОШТАМПОВОЧНЫХ МАШИН
Основными показателями качества кузнечно-штамповочных машин являются: производительность, надежность, энергопотребление, точность, материалоемкость, габаритные размеры, экологичность, эргономичность и др.
При проектировании кузнечно-штамповочных машин значительная часть проектных решений, определяющих показатели их качества, принимается путем их количественного обоснования, т.е. расчетом. Последний связывает внутренние и внешние параметры машины [18] с выходными параметрами, которые и являются показателями качества. К типовым расчетам кузнечно-штамповочных машин относятся расчеты, в результате выполнения которых определяются внутренние параметры (проектный расчет) или подтверждаются предположения об ожидаемых показателях качества (проверочный расчет). При проектном расчете выходные и внешние параметры являются исходными данными, по которым в результате расчета определяются внутренние параметры. Примером проектного расчета является расчет установочной мощности двигателя и момента инерции маховика кривошипного пресса, когда выходными параметрами являются производительность пресса (с учетом технологической паузы), надежность и др. При проверочном расчете заданными являются внутренние и внешние параметры, а объектом расчета являются выходные параметры. Примером проверочного расчета является расчет долговечности тяжелонагруженных элементов пресса при известных рабочих нагрузках, принятых размерах элементов и их материалах. Проектный и проверочный расчеты обычно выполняются по так называемым инженерным методикам, использующим приближенные расчетные за
висимости, которые получены на основе упрощающих предположений, обобщения эмпирических данных, опыта проектирования и эксплуатации кузнечно-штамповочных машин. Это приводит к недостаточно надежным результатам проектирования, снижению качества машин. Это особенно проявляется при проектировании уникальных кузнечно-штамповочных машин.
1.3.2. ЭТАПЫ АНАЛИЗА ДИНАМИКИ И ОСНОВНЫЕ РАСЧЕТНЫЕ СХЕМЫ
Анализ динамики КШМ позволяет решить следующие задачи, возникающие в процессе проектирования и модернизации оборудования:
определение нагрузок в деталях машины, их значений и характера изменения во времени, что является основой для расчетов на статическую и усталостную прочность;
определение характера движения исполнительных и вспомогательных механизмов, что является основой расчета точностных параметров машины.
При исследовании динамики КШМ необходимо: разработать расчетную схему и динамическую модель машины, составить математическую модель, выполнить решение полученных уравнений, провести анализ результатов расчетов, дать практические рекомендации.
Термины "расчетная схема" и "динамическая модель" характеризуют некоторое "идеализированное" отображение рассматриваемой системы, используемое в расчетах. На расчетной схеме схематично представляют устройство объекта с указанием действующих сил, связей и свойств, которые предполагается учесть в динамическом расчете. Под динамической моделью обычно понимают абстрактно-графическое представление расчетной схемы в виде условных обозначений отдельных элементов, связей и действующих сил.
Несмотря на то, что выбор динамической модели в значительной мере определяется условиями конкретной задачи, можно определить несколько типовых динамических моделей. Наиболее простая динамическая модель основана на допущении о недеформируемости звеньев. Анализ такой модели дает оценочное представление о динамике механизма, которое оказывается достаточно близким к реальному в том случае, если нагружение близко к статическому и деформации невелики. При анализе
МЕТОДЫ СХЕМАТИЗАЦИИ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ПРИ СОЗДАНИИ ДИНАМИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ 37
КШМ расчеты на основе моделей с жесткими звеньями применяют для решения: проблемы динамического уравновешивания вращающихся деталей кузнечно-штамповочных автоматов, первого приближения к выбору двигателя и определения момента инерции маховика кривошипных прессов, движения рабочих масс на ходе приближения и возвратном ходе.
Следующим приближением является динамическая модель с упругими звеньями. В таких моделях инерционные параметры системы сосредоточиваются в некоторых точках, поэтому модель часто называют моделью с сосредоточенными параметрами. Этот тип динамической модели в настоящее время получил наиболее широкое распространение при расчетах динамики КШМ, что обусловлено достаточно хорошим приближением к реальности для большинства практических задач. Математическая модель для этого типа - система обыкновенных дифференциальных уравнений второго порядка. Решение полученных систем уравнений выполняют численными методами с использованием ЭВМ.
В ряде случаев, когда необходимо учитывать скорость передачи возмущений, применяются динамические модели с распределенными параметрами. В таких моделях и упругие, и инерционные характеристики считаются распределенными по объему. Наибольшее распространение такие модели получили при анализе динамических явлений в штоках молотов и гидроудара.
1.3.3. МЕТОДЫ СХЕМАТИЗАЦИИ,. ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ПРИ СОЗДАНИИ
ДИНАМИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ С СОСРЕДОТОЧЕННЫМИ ПАРАМЕТРАМИ
В динамических моделях с сосредоточенными параметрами число степеней свободы конечно. При построении таких моделей исходят из следующих предположений [8]:
инерционные свойства системы отображаются массами или моментами инерции, которые сосредоточены в отдельных точках или сечениях;
эти точки или сечения соединены безынерционными упругодиссипативными, геометрическими или кинематическими связями.
На практике в расчетной схеме механизма выделяют наиболее массивные (маховики, ползуны, траверсы и т.п.) и наиболее податливые элементы (валы, рычаги, шатуны и т.п.).
К этим элементам приводят соответственно инерционные, упругие и диссипативные свойства остальных частей конструкции. Наиболее просто это осуществляется для динамических моделей с однокомпонентным движением составных частей, т.е. если каждый инерционный элемент совершает только поступательное или только вращательное движение.
Схематизация рычажных механизмов осложняется тем, что ряд звеньев имеет сложное плоское, либо пространственное движение. Наиболее простой пример - кривошипно-ползунный механизм, являющийся основным исполнительным механизмом в кривошипных прессах. В таком механизме шатун совершает плоское движение, и в общем случае динамическая модель должна иметь неоднокомпонентную структуру. Однако в большинстве случаев при анализе динамики кузнечноштамповочного оборудования выделяют базисные звенья, совершающие простые движения - вращательные или поступательные, и к ним приводят инерционные параметры. Эти звенья, как правило, обладают и наибольшими массами и моментами инерции.
Если в кузнечно-штамповочной машине движение входного звена преобразуется в движение рабочего инструмента по определенному закону, то для его описания используют функцию положения, связывающую кинематические перемещения входных и выходных звеньев [8, 10].
Приведение инерционных характеристик производят на основе равенства кинетических энергий реальной и приведенной системы. В отличие от моделей с абсолютно жесткими звеньями приведение инерционных параметров в моделях с упругими звеньями нельзя осуществить точно, как невозможно точно свести систему с бесконечным числом степеней свободы к системе с конечным числом степеней свободы. Определение инерционных характеристик обычно облегчается тем, что наиболее значительные массы и моменты инерции (шкивы, маховики, зубчатые колеса, ползуны и т.д.) в реальной конструкции оказываются сосредоточенными. Для валов, штоков и других протяженных элементов пользуются принципом Рэлея [2], заменяя перемещения в реальной системе перемещениями под действием статической нагрузки. Такая аппроксимация позволяет составить баланс кинетической энергии и с довольно высокой точностью произвести приведение инерционных элементов.
38
Глава 1.3. ДИНАМИКА КУЗНЕЧНО-ШТАМПОВОЧНЫХ МАШИН
В случае сложного движения тела на плоскости или в пространстве его инерционные характеристики заменяют некоторыми массами, сосредоточенными в шарнирах [10]. Выполненное таким образом приведение инерционных параметров является приближенным.
Для приведения упругих характеристик используют уравнение баланса потенциальной энергии реальной системы и динамической модели.
При введении диссипативных сил в динамическую модель их обычно сводят либо к силам "сухого" (закон Амонтона-Кулона) трения, зависящим от направления движения, либо к силам вязкого сопротивления, пропорциональным скорости деформации [19]. Величину приведенного коэффициента вязкого сопротивления можно рассчитать по формуле h = (П|//(2л(о), где с - жесткость связи; (0 -собственная частота упругой связи при гармоническом нагружении. Коэффициент рассеяния оценивают по экспериментальным данным. Ориентировочные значения коэффициентов рассеяния для различных узлов кривошипных прессов лежат в пределах от 0,2 до 0,8 [10].
Математические модели электрических двигателей, используемые при анализе динамики КШМ, приведены в работе [12].
В практике динамических расчетов нашли наибольшее распространение графики зависимостей технологической силы от перемещения ползуна (см. гл. 1.2). В [11] также приведены типовые кусочно-линейные графики для наиболее распространенных операций обработки давлением. Наиболее точно графики технологического нагружения получают расчетом методом конечных элементов или статистической обработкой экспериментальных данных.
Использование при анализе динамики кузнечно-штамповочных машин графиков зависимости силы деформирования от времени нецелесообразно, поскольку время нагрузочной и разгрузочной фаз деформирования является результатом расчета и не может быть задано в качестве исходных данных.
Получили распространение две основные методики составления математических моделей. Первая из них основана на применении уравнений Лагранжа II рода с неопределенными множителями. Эти уравнения пригодны для составления уравнений движения механизма с
голономными, неголономными и избыточными связями [15]. Уравнения Лагранжа дополняются уравнениями связей, и в этом виде система уравнений является замкнутой.
В качестве одной из обобщенных координат выделяют абсолютную координату входного звена, определяющую движение механизма при абсолютно жестких звеньях. Для остальных независимых координат используют так называемые "динамические ошибки" [8], которыми являются деформации упругих звеньев, вызывающие искажения относительного движения соответствующих звеньев по сравнению с идеальным механизмом. В качестве избыточных обобщенных координат используют выходные перемещения избыточных связей.
Методика анализа динамики кривошипных прессов на основе уравнений Лагранжа II рода рассмотрена в работе [10]. Анализ динамики винтового пресса выполнен в работе [25]. Многомассовые модели гидравлических кузнечно-штамповочных машин предложены в работе [3]. Многомассовые модели механической системы шаботных молотов использованы в работе [20].
Эта методика применяется при традиционном проектировании, но ее нельзя использовать при автоматизированном проектировании кузнечно-штамповочного оборудования, поскольку требуется индивидуальный подход к каждой машине.
Другой подход к разработке математических моделей использует автоматизированные методы [18, 22] и ЭВМ. В этом случае динамическая модель системы в целом собирается из динамических моделей ее элементов. В качестве таких элементов обычно выступают модели часто используемых деталей и узлов (электродвигатели, валы, передачи, рычаги, шатуны, направляющие, гидроцилиндры, трубопроводы, клапаны и т.п.). Эти модели выполняются в виде подпрограмм и включаются в библиотеки моделей. При таком подходе возможно сочетание в одной динамической модели как различных физических подсистем, так и различного уровня воспроизведения свойств (как с сосредоточенными, так и с распределенными параметрами). Вопросы приведения параметров и с дискретизации решаются индивидуально для каждой модели при ее создании и включении в библиотеку моделей.
СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДИЧЕСКИЕ И ПРОГРАММНЫЕ СРЕДСТВА АНАЛИЗА ДИНАМИКИ 39
1.3.4. СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДИЧЕСКИЕ И ПРОГРАММНЫЕ СРЕДСТВА
АНАЛИЗА ДИНАМИКИ КУЗНЕЧНОШТАМПОВОЧНЫХ МАШИН
Методы интегрирования систем дифференциальных уравнений должны учитывать такие особенности динамических систем кузнечноштамповочных машин, как высокая размерность, нелинейность, плохая обусловленность.
В настоящее время широкое применение для целей динамического анализа получили программные комплексы для анализа динамических систем. Они, как правило, используют формализованные методы синтеза математических моделей и проблемно-ориентированные методы интегрирования систем дифференциальных уравнений [18]. Известны комплексы МАРС [1], ПА7 [24], ПА9, PRADIS [14], из зарубежных комплексов - ADAMS [26], DYMES [27].
Комплексы ПА7, ПА9, PRADIS отличаются от других комплексов открытостью для адаптации к конкретной предметной области, что является решающим для их использования при анализе как кузнечно-штамповочного, так и другого технологического оборудования. Эти комплексы используют относительно простой и не имеющий серьезных ограничений узловой метод формирования математических моделей, методы интегрирования: неявный метод Эйлера первого порядка и метод трапеций (второго порядка). Библиотеки комплексов открыты для включения в них вновь разрабатываемых математических моделей элементов и методов интегрирования. Решающее ядро комплекса инвариантно к физической природе объекта динамического анализа и позволяет анализировать системы практически любой, в том числе и смешанной физической природы. Названные комплексы имеют открытый интерфейс для постпроцессорной обработки данных, получаемых в результате моделирования, позволяют осуществлять многовариантный анализ объекта и на его основе -оптимизацию.
Адаптированные к предметной области кузнечно-штамповочного оборудования программные комплексы анализа динамических систем содержат библиотеку типовых конструктивных элементов кузнечно-штамповочного оборудования (рис. 1.3.1).
Состав библиотеки достаточен для выполнения динамического анализа кузнечно
штамповочного оборудования самых разнообразных структур. При обнаружении в составе конкретного образца оборудования элемента, не представленного в библиотеке его математической моделью, такая модель разрабатывается и включается в библиотеку. Все необходимые для выполнения моделирования данные по математическим моделям типовых конструктивных элементов комплексов приведены в [22].
Достоверность результатов моделирования обеспечивается тем, что в основу моделей положены фундаментальные физические законы (закон Гука, Кулона и др.) или прошедшие проверку инженерной практикой зависимости (формулы строительной механики, формула Ванцеля и Сен-Венана), ставшие в силу этого классическими.
В процессе моделирования автоматически, без дополнительных мер выполняется раскрытие статической неопределимости объекта, при наличии таковой отпадает необходимость в приведении параметров.
1.3.4.1. МЕТОДИКА СИНТЕЗА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ОБЪЕКТА МОДЕЛИРОВАНИЯ
Источником исходных данных может быть описание объекта моделирования (пресса, молота, робота и др.) в любом виде, например проектное решение на одной из стадий проектирования, существующий проект кузнечно-штамповочной машины, принимаемый в качестве аналога проектируемому.
Методика синтеза математической модели рассматривается на примере кривошипного пресса, кинематическая схема которого изображена на рис. 1.3.2. Объект моделирования в соответствии с его физической природой представляется в виде кинематической, пневматической, электрической, гидравлической схем или их совокупности. Затем объект расчленяют на элементы (рис. 1.3.3) с учетом наличия соответствующих моделей в библиотеке моделей элементов. При расчленении выявляют число и характер связей между элементами. Для механических систем каждая связь соответствует какой-либо координате физического пространства объекта. Выявленные связи должны соответствовать числу и характеру полюсов моделей. Координаты взаимодействия элементов показаны на схеме расчлененного объекта и пронумерованы (см. рис. 1.3.3).
40
Глава 1.3. ДИНАМИКА КУЗНЕЧНО-ШТАМПОВОЧНЫХ МАШИН
Библиотека математических моделей типовых конструк-тивных и иных элементов кузнечно-штамповочных машин
“ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛИ г— 1 1 ' " ' 1 —| ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ НАГРУЗКИ
1— Асинхронный - DVA I— Постоянного тока - DVPBTU |— Однопереходные - TNG05K, TNG05M Многопереходные - TNG25K
ПЕРЕДАЧИ И ИХ ЭЛЕМЕНТЫ
— Фрикционная передача - FRP
— Передача зацеплением - RDN
— Клиноременная передача - KLRMP
—’ Зацепление прямозубое цилиндрическое внешнее - ZACPCN
“ Зацепление косозубое цилиндрическое внешнее - ZACKCN
— Реечная передача - ZACRCL Кулачковый механизм с двусторонним ограничением положения ролика кулачком - KULMD
Кулачковый механизм с односторон-ним ограничением положения ролика кулачком - KULM
“• Однородный участок вала -FRVL
ЭЛЕМЕНТЫ ПЛОСКИХ И ТРЕХМЕРНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ И КОНСТ-РУКЦИЙ
__ Сжимаемый (растяжимый) плоский стержневой элемент - STRGN2
____ Сжимаемый (растяжимый) трехмерный стеожневой элемент - STRGN3 Сжимаемый (растяжимый) и изгибав-мый плоский стержневой элемент -BALKA2
Упругий элемент станины - STRN7
Стяжная шпилька станины - STSHP
_ Ползун четырехкривошипного пресса - SLIDE
ПОДВИЖНЫЕ СОЕДИНЕНИЯ
— Шарнир плоский - SHARN2
— Подшипник упорный - PDU — Шлицевое соединение - SHLITC
*— Направляющие (напр.ползуна) - NPR
ЭЛЕМЕНТЫ ПНЕВМОСИСТЕМ
— Источник сжатого воздуха - RTPN — Ресивер - RSVR
— Распределитель - RP22PN,RP32PN — Клапан обратный - KLOBPN — Участок трубопровода - TBPN
Тройник - TRPN — Сопротивление местное - SMPN — Силовой цилиндр - CLPN
ЭЛЕМЕНТЫ ГИДРОСИСТЕМ
__ Обращаемая гидравлическая машина (насос,гидромотор) - OGM
— Аккумулятор газогидравлический -AGGD
—" Распределитель - PR32GD — Клапан обратный - KLOBGD — Клапан предохранительный - KLPRGD — Участок трубопровода - TRGD — Сопротивление местное - SMGD — Силовой цилиндр - CLGD
ЛОГИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ
— Конечный выключатель — Кнопка "Пуск"
Элемент 3-и
Элемент 3-или
Элемент НЕ — RS-триггер
ЭЛЕМЕНТЫ СИСТЕМ ВКЛЮЧЕНИЯ
—— Муфта фрикционная - MUFTA
— Тормоз фрикционный - TORMOZ
Рабочая фрикционная лара муфты, — тормоза - FRMT
Рис. 13.1. Структура библиотеки математических моделей
СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДИЧЕСКИЕ И ПРОГРАММНЫЕ СРЕДСТВА АНАЛИЗА ДИНАМИКИ 41
Структура объекта представляется в виде топологии, т.е. схемы, содержащей условные обозначения элементов и их связи. Топология пресса по рис. 1.3.2 и 1.3.3 показана на рис. 1.3.4. Связи между элементами соответствуют узлам, образованным соединением полюсов моделей. Узлы нумеруются последовательными числами натурального ряда чисел. Базовый узел с номером 0 представляет систему отсчета, которая в данном случае привязана к станине пресса. Нумерация координат взаимодействия элементов на рис. 1.3.3 соответствует нумерации полюсов топологии на рис. 1.3.4.
Топология объекта моделирования с дополняющими ее параметрами элементов является описанием объекта моделирования. В комплексе ПА9, имеющем графический редактор, топология объекта "собирается" на экране монитора из графических образов моделей элементов. При включении очередной модели в топологию редактор запрашивает ее параметры. В комплексах ПА7, PRADIS описание объекта моделирования должно быть преобразовано в текстовое описание на языке описания объекта комплекса [22].
Рис. 13.2. Кинематическая схема кривошипного пресса
Рис. 133. Элементы расчленения кинематической схемы
42
Глава 1.3 ДИНАМИКА КУЗНЕЧНО-ШТАМПОВОЧНЫХ МАШИН
Рис. 13.4. Топология кривошипного пресса:
Обозначения моделей: DVA - двигатель асинхронный; FRP - клиноременная передача; MUFTA -муфта включения; TORMOZ - тормоз; RDN - зубчатая передача; 'SHARN2'! - подшипниковая опора кривошипа; 'BALKA2'! - кривошип; 'SHARN2'2 - кривошипная головка шатуна; 'BALKA2'2 - шатун; 'SHARN2'3 - ползунная головка шатуна; NPR - направляющие ползуна; 'TNG05K' - технологическая нагрузка; Е1 - источник силовой энергии; Е2 - источник логического сигнала управления муфтой;
ЕЗ - источник логического сигнала управления тормозом
Определяются данные для вывода результатов моделирования, включающие список переменных, подлежащих выводу, формат вывода (график, таблица). Определяются данные задания на расчет: время моделируемого процесса, начальный, максимальный и минимальный шаги интегрирования, точность интегрирования. В комплексе ПА9 данные вводятся по запросу графического редактора. В комплексах ПА7, PRADIS задание на расчет пишется в текстовом виде на языке описания задания на расчет комплекса [22, 14].
1.3.4.2. ОСОБЕННОСТИ ИНФОРМАЦИИ, ПОЛУЧАЕМОЙ ПРИ МОДЕЛИРОВАНИИ ДИНАМИКИ КУЗНЕЧНО-
ШТАМПОВОЧНОГО ОБОРУДОВАНИЯ
Непосредственно в результате интегрирования получаются массивы значений так называемых фазовых переменных [18]. Фазовые переменные типа потенциала относятся к
узлам топологии объекта, и в механике они представлены линейными и угловыми скоростями. В модели по рис. 1.3.4 на каждом шаге интегрирования в узлах 5, 6, 8, 9, 11, 12, 14, 15, 17 и 18 вычисляются значения линейных скоростей, в узлах 2, 3, 4, 7, 10, 13 и 16 - значения угловых скоростей, в узле 1 - электрическое напряжение, в узлах 19 и 20 - значения логических переменных управления муфтой и тормозом пресса. Фазовые переменные типа потока относятся к полюсам моделей, и в механике они представлены силами и моментами сил. В той же модели объекта по полюсам моделей элементов, соединенных с узлами 5, 6, 8, 9, 11, 12, 14, 15, 17, 18, на каждом шаге интегрирования вычисляются значения сил; с узлами 2, 3, 4 и 7 - значения моментов сил; с узлом 1 -активный и реактивный фазные токи двигателя. Получаемая при этом информация полностью определяет процессы, протекающие в объекте, представленном в его математической модели, и, следовательно, носит исчерпываю
ПРИМЕРЫ ДИНАМИЧЕСКОГО АНАЛИЗА КУЗНЕЧНО-ШТАМПОВОЧНЫХ МАШИН
43
щий характер. На ее основе могут быть определены все свойства проектируемого объекта. Объем получаемой информации принципиально неограничен и определяется степенью детализации представления объекта в его модели. Необходимая степень детализации определяется характером решаемых при проектировании задач.
1.3.5. ПРИМЕРЫ ДИНАМИЧЕСКОГО АНАЛИЗА КУЗНЕЧНОШТАМПОВОЧНЫХ МАШИН
На рис. 1.3.5 показаны графики процессов, протекающих в кривошипном прессе по схеме, представленной на рис. 1.3.2 в одном цикле его работы. В левой части рис. 1.3.5 приведены имена показанных на графике величин, а
также их значения в основных единицах СИ, соответствующие верхней и нижней границам графика. В качестве примера, подтверждающего широкие возможности, предоставляемые моделированием с помощью программных комплексов, на графике показан момент трения в ползунной головке шатуна пресса. В табл. 1.3.1 приведены результаты энергетического анализа одного цикла работы пресса по рис. 1.3.2.
На рис. 1.3.6 показана топология приводного пневматического ковочного молота МБ412, конструктивная схема которого описана в [9, 21]. В топологии отражены такие конструктивные особенности молота, как: наличие буфера верхней полости рабочего цилиндра, соединение с атмосферой полостей компрессорного цилиндра при верхнем положении его
Рис. 1.3.5. Графики процессов в кривошипном прессе:
Обозначения кривых: EMD - момент на валу двигателя; SP - перемещение ползуна; WUD - частота вращения ведущих частей муфты; WUM - частота вращения ведомых частей муфты; MMFT- момент на муфте; MTRM-момент на тормозе; РТ- сила деформирования; TR - момент трения в ползунной головке шатуна пресса
44
Глава 1.3. ДИНАМИКА КУЗНЕЧНО-ШТАМПОВОЧНЫХ МАШИН
1.3.1. Результаты энергетического анализа работы пресса
Источник или потребитель энергии Расход энергии
Дж %
Электросеть -10 635,50 100,00
Электродвигатель 4142,38 38,94
Клиноременная передача 65,29 0,61
Муфта включения 287,30 2,70
Тормоз 250,00 2,35
Зубчатая передача 412,69 3,88
Подшипниковая опора кривошипа 202,26 1,90
Кривошипная головка шатуна 836,86 7,87
Ползунная головка шатуна 362,01 3,40
Направляющие ползуна 96,32 0,91
Технологическая операция 4086,02 38,42
Небаланс 105,63 0,99
Примечание. Знак "минус" при значении энергии означает поступление энергии в энергетическую систему пресса.
поршня и верхней полости компрессорного цилиндра при нижнем положении его поршня, возможность задавать энергию удара изменением проходного сечения верхнего и нижнего кранов, наличие шабота на упругом основании и др. На рис. 1.3.7 показаны результаты моделирования его работы для одного цикла работы в режиме автоматических ударов. В качестве примера, подтверждающего широкие возможности, предоставляемые моделированием с помощью программных комплексов, на рисунке показаны графики изменения температуры воздуха в верхней полости компрессорного цилиндра, температуры поверхности компрессорного цилиндра и изменения показателя политропы термодинамического процесса в нижней полости компрессорного цилиндра молота. Информация такого рода не может быть получена традиционными методами рас
чета. На рис. 1.3.8 показаны полуденные моделированием индикаторные диаграммы, а в табл. 1.3.2 - результаты энергетического анализа работы молота для того же цикла его работы.
Программный комплекс PRADIS [14] отличается наличием графического постпроцессора, позволяющего получить анимацию движения механизма в процессе расчета, отсутствием ограничений на размерность динамической модели. Последнее позволило включить в состав библиотеки моделей 2D и 3D конечные элементы, позволяющие воспроизводить волновые процессы. Ряд результатов анализа динамических процессов в КШМ с использованием этого комплекса представлен ниже.
Динамическая модель горячештамповочного автомата номинальной силой 8 МН представлена в работе [4]. Основной целью моделирования является выяснение механизма формирования точности детали при различных вариантах нагружения машины. Точность штамповки оценивали по отклонению траектории движения ползуна от прямолинейной в вертикальной и горизонтальной плоскостях.
Полная динамическая модель имеет 105 степеней свободы. В модели учтены: инерция основного ползуна и возможность его перемещения вдоль и вращение вокруг пространственных координатных осей; трение, контактная жесткость и возможность перекоса ползуна раздельно в основных и дополнительных направляющих в двух координатных плоскостях; упругие, инерционные и кинематические свойства шатуна, хобота, коленчатого вала в трехмерном пространстве; упругие, кинематические, инерционные и диссипативные свойства ременной и зубчатых передач привода с зазорами; упругие, диссипативные свойства и зазоры в подшипниках скольжения; механическая характеристика электродвигателя.
Выявлено, что наименьшее отклонение траектории ползуна от прямолинейной достигается в технологическом процессе, характеризующимся тем, что все формообразующие операции сосредоточены по одну сторону от оси автомата (кривая 1 на рис. 1.3.9). В результате крутящий момент в горизонтальной плоскости, возникающий от технологических сил, имеет монотонный характер, и ползун в момент формоизменения занимает устойчивое положение в направляющих.
Наибольшее отклонение траектории движения ползуна имеет место для технологического процесса, отличающегося уменьшенным
ПРИМЕРЫ ДИНАМИЧЕСКОГО АНАЛИЗА КУЗНЕЧНО-ШТАМПОВОЧНЫХ МАШИН
45
Рис. 13.6. Топология приводного пневматического ковочного молота:
Обозначения моделей: DVA - двигатель асинхронный; FRP - клиноременная передача; RDN - зубчатая передача; 'SHARN2'! - подшипниковая опора кривошипа; 'BALKA2'1 - кривошип; 'SHARN2'2 - кривошипная головка шатуна; 'BALKA2'2 - шатун; 'SHARN23 - поршневая головка шатуна; CLPNI - компрессорный цилиндр; CLPN2 - рабочий цилиндр; 'RP22PN'! - соединение верхней полости компрессорного цилиндра с атмосферой; 'RP22PN'2 - соединение нижней полости компрессорного цилиндра с атмосферой;
'RP22PN3 - отсечка буферного пространства верхней полости рабочего цилиндра; KVI, KV2, KV3 -конечные выключатели управления (включены условно); CV, L - шабот; UPRL - нижний боек;
RTPNI, RTPN2 - источники энергоносителя - сжатого воздуха; TRPNI, TRPN2 - тройники соединения пневмомагистралей; 'TNG05K' - технологическая нагрузка; Е1 - источник силовой энергии
46
Глава 1.3. ДИНАМИКА КУЗНЕЧНО-ШТАМПОВОЧНЫХ МАШИН
Рис. 1.3.7. Результаты моделирования работы приводного пневматического ковочного молота: Обозначения кривых: ИТ) - частота вращения двигателя; MD - момент на валу двигателя; SPK -перемещение поршня компрессорного цилиндра; SB - перемещение бабы; PUKC- давление (МПа) в верхней полости компрессорного цилиндра; PNKC - то же, в нижней полости компрессорного цилиндра; PURC - то же, в верхней полости рабочего цилиндра; PNRC - то же, в нижней полости рабочего цилиндра; NN- показатель политропы термодинамического процесса в нижней полости компрессорного цилиндра;
UB - скорость бабы; РТ- сила удара; ТРК - температура воздуха в верхней полости компрессорного цилиндра; TUKC - температура поверхности компрессорного цилиндра
ходом деформирования и наличием формообразующих операций по обе стороны оси автомата (кривая 2 на рис. 1.3.9). Такой технологический процесс характерен при использовании тяжелого автомата для штамповки мелких деталей. В результате движение ползуна в поле зазоров носит ярко выраженный колебательный характер и отклонение от прямолинейной траектории увеличивается практически в 2 раза по сравнению с первым техпроцессом.
В динамической модели штамповочного молота с массой рабочих частей 5000 кг баба [5], шток и шабот представлены как системы с распределенными параметрами с последующей дискретизацией конечными элементами. Общая динамическая модель имеет 508 степеней свободы. Проанализированы напряжения в штоке молота при выполнении центральных и эксцентричных ударов. Выявлено, что с увеличением диаметра штока продольные напряже
ния уменьшаются, а изгибающие растут (рис. 1.3.10). Зависимость суммарных напряжений от диаметра штока молота в месте его соединения с бабой, рассчитанных по результатам моделирования динамики соударения рабочих частей, имеет немонотонный характер с локальным максимумом в области используемого в реальной конструкции диаметра штока. Таким образом, как увеличение, так и уменьшение диаметра (в небольших пределах) может дать снижение действующих суммарных напряжений.
Динамическая модель для анализа динамики электровинтового дугостаторного пресса во время штамповки [25] воспроизводит упругие, инерционные и диссипативные свойства винта и станины при поступательных и вращательных перемещениях и деформациях. Учтены зазоры и трение в кинематических парах. Приложение технологической нагрузки - центральное.
ПРИМЕРЫ ДИНАМИЧЕСКОГО АНАЛИЗА КУЗНЕЧНО-ШТАМПОВОЧНЫХ МАШИН
47
ф
Рис. 13.8. Индикаторные диаграммы пневматического ковочного молота: а - индикаторные диаграммы полостей компрессорного цилиндра;
б - индикаторные диаграммы полостей рабочего цилиндра.
Обозначения кривых: PUKC- давление в верхней полости компрессорного цилиндра; PNKC- давление в нижней полости компрессорного цилиндра; PURC- давление в верхней полости рабочего цилиндра; PNRC- давление в нижней полости рабочего цилиндра; SKC- перемещение поршня компрессорного цилиндра; SRC- перемещение поршня рабочего цилиндра
На рис. 1.3.11 изображены результаты расчета динамических нагрузок в опасных сечениях винта электровинтового пресса Ф1734 с эффективной энергией 12,5 кДж для операции осадки низких поковок до упора. Величина технологической силы в момент соприкосновения штампов 2,5 МН, величина осадки 3 мм, величины зазоров - средние по техническим условиям (в пяте - 0,25 мм, в резьбе - 0,3 мм, в направляющих - 0,1 мм).
На приведенных графиках заметно отставание по фазе и существенный колебательный характер нагрузки в станине по сравнению с технологической силой на ползуне. Скорость ползуна во время технологического нагружения изменяется немонотонно, при этом период колебаний скорости ползуна во многом определяет периоды колебаний сил и крутящих моментов в винте.
48
Глава 1.3. ДИНАМИКА КУЗНЕЧНО-ШТАМПОВОЧНЫХ МАШИН
1.3.2. Результаты энергетического анализа работы молота
Источник или потребитель энергии Расход энергии
Дж %
Электросеть -2986,88 98,71
Электродвигатель 335,33 11,61
Клиноременная передача 70,70 2,45
Зубчатая передача 179,95 6,23
Подшипниковая опора кривошипа 10,29 0,36
Кривошипная головка шатуна 8,40 0,29
Поршневая головка шатуна 5,02 0,17
Уплотнение поршня компрессорного цилиндра 57,30 1,98
Уплотнение штока компрессорного цилиндра 52,18 1,80
Теплопроводные стенки компрессорного цилиндра 11,56 0,40
Каналы соединения верхней полости компрессорного цилиндра с атмосферой и верхней полостью рабочего цилиндра 655,19 22,68
Продолжение табл. 1.3.2
Источник или потребитель энергии Расход энергии
Дж %
Каналы соединения нижней полости компрессорного цилиндра с атмосферой и нижней полостью рабочего цилиндра 813,7 28,17
Уплотнение поршня рабочего цилиндра 109,41 3,79
Уплотнение штока рабочего цилиндра 95,25 3,30
Теплопроводные стенки рабочего цилиндра -37,20 1,29
Технологическая операция 582,60 20,17
Подушка шабота 0,0021 0,0000
Небаланс 98,96 3,42
Примечание. Знак "минус" при значении энергии означает поступление энергии в энергетическую систему молота.
Рис. 13.9. Отклонение траектории ползуна горячештамповочного автомата номинальной силой 8 МН в горизонтальной плоскости:
1 - экспериментальная кривая; 2 - расчетная кривая
ПРИМЕРЫ ДИНАМИЧЕСКОГО АНАЛИЗА КУЗНЕЧНО-ШТАМПОВОЧНЫХ МАШИН
49
Рис. 13.11. Результаты моделирования динамики хода деформирования электровинтового дугостаториого пресса:
1 - перемещение ползуна (z); 2 - скорость ползуна (vz); 3 - растягивающая сила в станине (F);
4 - среднее давление в витках резьбы (р)
59
Глава f.S. ДИНАМИКА КУЗНЕЧНО-ШГАМПОВОЧНЬСК МАШИН
Рис. 1.3.12. Результаты моделирования динамики радиально-обжимной машины:
7 - деформирующая сила на 1 -м ковочном механизме; 2 - крутящий момент на синхронизирующей шестерне 4-го ковочного механизма; 3 - скорость бойка 1-го ковочного механизма;
4 - скорость бойка 2-го ковочного механизма
Результаты расчета свидетельствую г, что на прочность винта могут влиять не только максимальные, но и промежуточные амплитуды колебаний нагрузки.
Обобщенная динамическая модель радиально-обжимной машины КОЗ.9.32.03 с номинальной технологической силой 1,6 МН насчитывает 143 степени свободы [17]. В модели учтены: механическая характеристика, упругие, кинематические, инерционные и диссипативные свойства ременной и зубчатых передач механизма синхронизации с зазорами; упругие, инерционные и кинематические свойства рычагов всех четырех исполнительных механизмов и механизмов сближения бойков; упругие, диссипативные свойства и зазоры в подшипниках скольжения; трение и контактные силы в направляющих ползуна.
Показано (рис. 1.3.12), что асимметрия кинематических и силовых характеристик ковочных механизмов в максимальной степени зависит от податливости механизма сближения бойков и зазора в опоре его буксы. Следствием асимметрии и зазоров в кинематических цепях является неодновременность момента начала деформирования детали каждым из механизмов, что приводит к тяжелым условиям работы шестерен механизма синхронизации ковочных механизмов, нагрузка в которых в 1,5 - 3,5 раза больше значений, полученных при статическом расчете.
Выполнено моделирование динамики гидравлического пресса для прессования керамической плитки номинальной технологической силой 2,5 МН. Общая модель пресса имеет 97 степеней свободы [6]. Воспроизведены
свойства всех пяти гидравлических цилиндров пресса, мультипликатора, гидромотора механизма загрузки. Учтены: упругие, инерционные и вязкие свойства жидкости в трубопроводах; гидравлические потери и процесс переключения 11 управляемых клапанов, местные потери с учетом направления движения жидкости в 4 обратных клапанах, переменность давления и объема жидкости в аккумуляторах, механическая характеристика электродвигателей привода, объемные и механические потери в насосах гидропривода, гидравлические потери при срабатывании предохранительных клапанов и редукционного клапана. Учтены упругие и инерционные свойства деталей станины пресса. Модель системы управления, выполненная на основе логических элементов, позволила полностью смоделировать работу машины согласно заданной циклограмме. На рис. 1.3.13 приведено изменение давлений в цилиндрах пресса, полученное по результатам моделирования. В результате расчета удалось определить минимально возможное время цикла машины.
На основе математического моделирования с помощью программных комплексов разработаны методики: типовых расчетов долговечности по усталостной прочности тяжело нагруженных элементов кривошипных прессов и автоматов, а также штоков молотов и винтов винтовых прессов [13, 5], расчета мощности двигателя и момента инерции маховика четырехкривошипных прессов [23], профилирования кулачков холодноштамповочных автоматов и средств автоматизации КШМ [16, 7].
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
51
Рис. 1.3.13. Изменение давления в цилиндрах и трубопроводах пресса в течение цикла:
1 - в аккумуляторе; 2 - в среднем цилиндре; 3 - в цилиндре выталкивателя; 4 - в цилиндре замыкания;
5 - в главном цилиндре; 6 - в подводящем трубопроводе гидромотора
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Арайс Е.А., Дмитриев В.М. Автоматизация моделирования многосвязных систем. М.: Машиностроение, 1987. 240 с.
2. Бидерман В.Л. Теория механических колебаний. М.: Высшая школа, 1980. 408 с.
3. Бочаров Ю.А. Основы общей теории гидравлических кузнечно-штамповочных машин // Труды МВТУ им. Н.Э. Баумана. 1980. №335. С. 32-39.
4. Власов А.В., Петров Н.П., Уваров А.Г. Математическая модель для анализа точности штамповки на горячештамповочном автомате // Вопросы исследования прочности деталей машин. М.: МГАПИ, 2000. С. 50 - 56.
5. Власов А.В. Расчет напряжений и оценка долговечности штока штамповочного молота // Кузнечно-штамповочное производство. 1998. № 12. С. 16-20.
6. Власов А.В. Программное обеспечение моделирования рабочего цикла гидравлических прессов // Кузнечно-штамповочное производство. 1996. № 7. С. 23 - 26.
7. Власов А.В. Профилирование кулаков и анализ динамики кулачковых механизмов кузнечно-штамповочного оборудования //
Вестник МГТУ. Сер. Машиностроение. 1998. №2. С. 10-19.
8. Вульфсон И.И. Колебания машин с механизмами циклового действия. Л.: Машиностроение, 1990. 592 с.
9. Дунаев П.А. Пневматические молоты. Свердловск: Машгиз, 1959. 188 с.
10. Живов Л.И., Овчинников А.Г. Кузнечно-штамповочное оборудование: Молоты. Винтовые прессы. Ротационные и электрофизические машины. Киев: Вища школа, 1985. 279 с.
11. Живов Л.И., Овчинников А.Г. Кузнечно-штамповочное оборудование: Прессы. Киев: Вища школа, 1981. 376 с.
12. Коловский М3. Динамика машин. Л.: Машиностроение, 1989. 263 с.
13. Курдюк С.А. Разработка методики автоматизированного расчета долговечности по условиям прочности тяжело нагруженных элементов многокривошипных листоштамповочных прессов: Дис. ... канд. техн. наук. М., 1989. 170 с.
14. Курдюк С.А., Шмелев Е.Н. Особенности формирования математических моделей технических объектов средствами программ
52
Глава 1.4. СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ
ного комплекса PRAJDIS И Информационные технологии. 1996. № 3. С. 14-19.
15. Левите кий Н.И. Теория механизмов и машин. М.: Наука, 1990. 592 с.
16. Методика синтеза профиля кулачков штамповочных автоматов / Н.М. Бухер, А.И. Гуральник, Е.Н. Складчиков и др. И Вестник машиностроения. 1998. № 7. С. 51 - 54.
17. Моделирование рабочего цикла радиально-обжимной машины / А.В. Власов, С.Б. Арюлин, Н.П. Петров и др. И Вестник МГТУ. Сер. Машиностроение. 1995. № 3. С. 81 - 84.
18. Норенков И.П. Введение в автоматизированное проектирование технических устройств и систем. М.: Высшая школа, 1986. 304 с.
19. Пановко Я.Г. Введение в теорию механических колебаний. М.: Наука, 1980.272 с.
20. Плескач Б.В., Мурылев В.М. Оптимальное проектирование уникальных шабот-ных молотов И Кузнечно-штамповочное производство. 1993. № 3. С. 12-15.
21. Пневматические ковочные молоты моделей МБ412, М415А, МА417. Руководство. Воронеж: ВЗКПО, 1959. 60 с.
22. Программное обеспечение анализа динамических процессов в механических системах / АВ. Власов, В.А. Мартынюк, Е.Н. Складчиков и др. И Вестник МГТУ. Сер. Машиностроение. 1991. № 3. С. 74-84.
23. Складчиков Е.Н., Балаганский В.И. Выбор типоразмера двигателя и момента инерции маховика кривошипных прессов и автоматов на основе математического моделирования И Кузнечно-штамповочное производство. 1997. №7. С. 25-28.
24. Складчиков Е.Н., Уваров М.Ю. Моделирование кузнечно-штамповочного оборудования средствами программного комплекса анализа динамических систем ПА-7. М.: МГТУ; 1995.76 с.
25. Bocharov Y., Vlasov A. Computer aided analysis of screw press dynamics // Int. J. Mash. Tools Manufact. 1987. V. 27. P. 143 - 154.
26. Chace M.A. Methods and experience in Computer Aided Design of Large-Displacement mechanical system // Computer Aided Analysis and Optimization of Mechanical System Dynamics / Ed. by Haug E.J., V. 9, NATO ASI Series F5 Computer and system Sciences, New York: Springer-Verlag, 1984. P. 243 - 255.
27. DYMES - Reliable and Efficient Tool for Mecanical Engineers // Engineering Mechanics Reserch Corporation: Prospect Troy, 1991. 1 p.
Глава 1.4
СИСТЕМЫ
АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ КУЗНЕЧНОШТАМПОВОЧНЫХ МАШИН
1.4.1. СТРАТЕГИЯ РЕАЛИЗАЦИИ СОВРЕМЕННОЙ КОНЦЕПЦИИ САПР
Цели создания и общие условия эффективности САПР. Стратегия автоматизированного проектирования кузнечно-штамповочных машин, как и других сложных объектов машиностроения [24, 9], базируется на следующих положениях.
1) Проектирование машин на уровне современных требований (к качеству их работы, срокам выполнения проектов, технологичности производства, экономичности и в конечном счете к конкурентоспособности) достижимо только на основе объединения творческого потенциала компетентных специалистов и возможностей лидирующих компьютерных технологий на всех этапах жизненного цикла выпускаемых объектов.
2) САПР создаются в целях возможно более полного удовлетворения указанных требований путем повышения эффективности проектирования за счет научных, конструкторских и технологических решений, результатами которых являются оптимизация, типизация и автоматизация.
3) Концепция САПР высокого уровня предусматривает интеграцию конструкторских, аналитических (на базе математического моделирования) и технологических программных подсистем в единую систему, обозначаемую в мировой литературе CAD/CAE/CAM [12]. В САПР кузнечно-штамповочных машин включается автоматизированное принятие решений по технологии изготовления конструкций.
4) Теоретическая и практическая эффективность САПР определяется наличием в программном обеспечении согласованных программ двух типов: специальных, реализующих алгоритмы учета особенностей моделируемого объекта, универсальных, адаптированных к данной САПР, программ реализации наиболее мощных методов компьютерной математики и промышленной информатики [17, 3].
5) Выбор степени специализированности САПР кузнечно-штамповочных машин является многофакторной неформализуемой задачей, постановка и решение которой в конкретной
СТРАТЕГИЯ РЕАЛИЗАЦИИ СОВРЕМЕННОЙ КОНЦЕПЦИИ САПР
53
проектной организации происходит с учетом ее профиля, возможностей, перспектив и общей тенденции к росту, универсализации САПР; последнему содействуют общепринятые в теории САПР [19] методологические принципы: декомпозиции, иерархичности, многоэтапное™ и итерационное™ нисходящего или восходящего проектирования, чередования синтеза и верификации.
Специфика прессов как объектов проектирования. Механические (кривошипные, винтовые) и гидравлические прессы при всем их различии [10, 11] имеют следующую общую характеристику:
конструкции прессов представляют собой замкнутые системы линейно-упругих деталей сложной формы, работающих при многоцикловых нагружениях в условиях контактных взаимодействий, от которых принципиально зависят распределение сил, действующих на детали, общая, упругая и контактная деформируемость машины и возможность выполнять на ней с требуемой точностью предусмотренные технологические операции;
для деталей тяжелых машин, функционирующих в штатных режимах относительно малых скоростей и ускорений при относительно больших периодах циклических нагружений, доминирующее влияние в происхождении переменных полей деформаций и напряжений имеют статические (квазистатические) состояния и жестко детерминированные процессы;
при проектировании прессов важное значение имеет типизация конструкций, полезная в общетехническом смысле и особенно рациональная для машин, которые выпускаются гаммами родственных моделей.
Проектирование прессов опирается на принцип приоритета качества выпускаемых изделий, т.е. первичности технологии обработки давлением перед другими взаимосвязанными целями прессостроения. Поскольку качество поковок и штампованных деталей, прежде всего точность размеров, существенно зависит от деформируемости машины в целом, а деформируемость, как и картина напряжений, определяется принятой конструкцией пресса, то для выработки в определенном смысле оптимального решения требуется конструкторско-технологическое проектирование [14].
Системный подход - основа математического моделирования прессов. Взаимосвязанные конструкторские и технологические
вопросы должны рассматриваться с учетом решения единой задачи механики контактных систем. Такого рода системный подход сводится к математическому моделированию контактных взаимодействий деталей системы, представляющий собой машину в целом и нагруженной потоком искомых внутренних сил, берущих начало от известных технологических сил пресса.
Системный подход преследует двуединую цель:
высокоточное исследование трехмерных напряженных состояний совместно работающих деталей в целях обеспечения их прочности, долговечности и оптимальных форм;
прогнозирование пределов точности технологических операций, достижимой на данной машине в зависимости от ее полной, упругой и контактной, деформируемости. Ввиду сложности конфигураций деталей прессов их высокоточное моделирование на микроуровне может быть только дискретным - на базе современных численных методов, среди которых наиболее универсальным и развитым является метод конечных элементов (МКЭ) [13]. В последние годы с ним успешно конкурирует метод граничных элементов (МГЭ) [2].
Реализация системного подхода на базе МКЭ сопряжена с проблемой "проклятия размерности". Трудности обработки многомерных (порядка сотен тысяч) массивов данных преодолеваются путем повышения эффектавности алгоритмов и быстродействия компьютеров. В ряде случаев рациональной альтернативой системному подходу является структурный подход.
Структурный подход основан на неформальном анализе специфики полной структуры заданной системы деталей в целях ее декомпозиции на автономные подсистемы, для которых возможно достоверное задание всех внешних по отношению к подсистеме граничных условий. Каждая подсистема содержит минимально необходимое число контактирующих деталей, одна из которых рассматривается основным объектом исследования. Такие модели обеспечивают оптимальные, по экспертной оценке, соотношения уровней точности и сложности, что целесообразно при начальной оценке прочности основных деталей и подсистем (узлов). Моделирование же пресса в целом возможно только на базе системного подхода.
54
Глава 1.4. СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ
1.4.2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ САПР ПРЕССОВ
Основы теории дискретного моделирования прессов как контактных систем деталей. Проблема реализации системного подхода в моделировании тяжелых прессов имеет в настоящее время радикальное решение [6, 7,26, 8].
Постановка задачи предусматривает исследование трехмерных напряженно-деформированных состояний априорно устойчивых статических контактных систем любого конечного числа линейно-упругих тел, имеющих от нуля до шести кинематических степеней свободы и произвольные: массивные, тонкостенные и комбинированные - конфигурации, взаимные расположения, граничные условия в виде исключения указанных перемещений, варианты технологического и иного нагружения, начальные (проектные и изменяющиеся при изнашивании) зазоры, натяги и их сочетания в больших и малых зонах контактов по различным поверхностям.
Дискретизация поверхностей возможного контакта тел осуществляется множествами попарно сопряженных точек, которые могут практически "точно" войти в контакт друг с другом в нагруженном состоянии системы.
Алгоритмической основой моделирования является метод контактных сил и переносных перемещений [6, 7]. Метод излагается ниже для задач о контакте двух гладких тел.
Рис. 1.4.1. Контактная система двух тел: нормальные узловые силы, обобщенные координаты и начальные зазоры
В работе [7] содержится его обобщение на контактные системы любого числа гладких, а в [4] -шероховатых (по Кулону) деталей.
Два трехмерных гладких тела (рис. 1.4.1) контактируют при наличии между ними начального зазора Д; натяг, если он есть, учитывается как отрицательный зазор. Тело 1 по условию или предположению не имеет кинематических степеней свободы; тело 2 имеет s(s < 6) таких степеней.
Вводятся две системы отсчета: абсолютная с началом в действительно или условно закрепленной от перемещений точке тела 7 и подвижная с началом в произвольной точке тела 2. При деформировании тел локальные окрестности начала отсчета, а с ними и оси подвижной системы совершают как жесткое целое переносные перемещения, характеризуемые обобщенными координатами (k = 1, ...» s), зависящими от выбора начала их отсчета. Перемещения точек тела относительно подвижной системы отсчета происходят за счет его деформирования и далее называются относительными.
На предполагаемых с запасом поверхностях контакта назначаются N пар сопряженных точек - узлов элементов, сетки которых строятся с учетом требований к практическому обеспечению сопряженности [15].
1 2
Абсолютные перемещения q( и qt сопряженных точек пары i по нормалям к поверхностям тел 7 и 2 не должны в сумме превышать зазора
q} + qj^\. (1.4.1)
1 2
Выражения qt и qt записываются на основе классической идеи метода сил. Для гладких тел такими силами являются нормальные контактные силы Xj в узлах пар J (j = 1, ...» TV). В варианте раздельного кодирования q} и q? различаются тем, что в q}, относящемуся к кинематически подвижному телу, помимо относительной компоненты за счет деформируемости входит заранее не известное переносное перемещение по нормали qf узла 7 тела 2. Условие контактирования сопряженных узлов пары 7 имеет вид
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ САПР ПРЕССОВ
55
7=1
/ = 1,...,м (1.4.2)
где - коэффициенты влияния (податливости) каждого из тел (v = 1, 2) в сопряженных узлах по нормалям; - перемещения узлов по тем же направлениям при деформировании тела v заданной нагрузкой. Величины и
зависят от условий закрепления тел, а перемещение qet - от выбора начала отсчета осей тела 2. В работе [6] представлено доказательство независимости получаемых результатов от вариантов условного закрепления кинематически подвижных тел.
Перемещения qet выражаются через ко-о
ординаты qk с помощью кинематической матрицы [Л], определяющей соотношение {/} = И]{<7°}, из которого следует выражение, раскрывающее смысл коэффициентов Aik как перемещений узла i тела 2 вдоль соответствующей нормали при перемещении этого о 1
тела на qk = 1.
Система N уравнений излагаемого метода
у=1 *=1
( = 1.N, (1.4.3)
содержит N + 5 неизвестных: N сил Х}и 5 перемещении - компонентов { qk }.
W уравнений (1.4.3) дополняются S уравнениями равновесия тела 2:
N
Хл}тх}=-Р„-, m = (1.1.4)
7=1
где Рт - суммы проекций (т = 1, 2, 3) и моментов (т = 4, 5, 6) заданных сил по отношению к координатным осям.
Система уравнений (1.4.3) и (1.4.4) является основой базисного алгоритма рассматриваемого метода. Контактные силы находятся
итерационным путем. Узлы, в которых по расчету на данном этапе получаются X, < О, остаются в числе контактных и на следующем этапе, где исключаются узлы с Х( > 0. На каждом этапе проверяются условия взаимного непроникания тел в узлах вне зоны контролируемого контакта.
Итерационный поиск завершается, когда очередной этап не выявляет необходимости изменения зоны контакта. С учетом совместного действия заданных и контактных сил выполняется моделирование тел по МКЭ.
Обобщение приведенного базисного алгоритма и распространение его на систему любого конечного числа тел создает математическую модель [7], основой которой являются уравнения для двух любых взаимодействующих тел и приложенных к ним контактных сил, в том числе со стороны "третьих" тел.
Описанный метод обеспечивает минимизацию общего объема вычислений: итерационный поиск зон контактов осуществляется прямым решением последовательно корректируемых систем линейных уравнений минимально возможного порядка, практически равного общему числу пар сопряженных узлов. Такой путь является принципиально более экономичным, чем известные методы квадратичного программирования.
Высокий уровень точности и экономичности метода [6, 7] как основы САПР тяжелых механических прессов отражен в ряде публикаций, например в [8, 20, 21], и проиллюстрирован приведенными ниже примерами.
Конечно- и гранично-элементное представление дискретных моделей. Для дискретного моделирования тел произвольных конфигураций, как правило, применяется вариант МКЭ в перемещениях [13].
В САПР кузнечно-штамповочных машин используются типы конечных элементов, минимальное число которых образует базис моделирования большинства основных деталей прессов. В качестве базисных элементов применяются:
двумерные и трехмерные симплекс-эле-менты, а также элементы, полученные за счет добавления к ним новых сторон или граней;
предназначенные для тонкостенных конструкций плоские элементы - пластинки, деформируемые силами в срединной плоскости и силами, вызывающими поперечный изгиб, при суперпозиции указанных состояний.
56
Глава 1.4. СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ
Наряду с базисными используются также простейшие изопараметрические элементы и элементы в форме произвольных пентаэдров и гексаэдров.
В САПР прессов предусматриваются возможности моделирования деталей, образованных из монолитно стыкуемых массивных и тонкостенных частей, находящихся соответственно в разных напряженных состояниях.
Одним из путей повышения эффективности моделирования объектов прессостроения является переход от дискретизации деталей по МКЭ к их аппроксимации по МГЭ: в силу дискретизации только поверхностей тел соответствующие модели имеют размерность, на порядок меньшую, чем по МКЭ. Перспективы эффективного применения МГЭ в задачах проектирования прессов рассматриваются в работе [5].
Цели, методы возможности оптимизации. Теоретический арсенал современных математических методов оптимизации достаточно полно представлен в работе [18].
Стратегия практической оптимизации требует многоуровневого подхода. На глобальном уровне проектирования машины в целом учитывается относительно небольшое число основных системных ограничений (по общей жесткости, спектру собственных частот, металлоемкости и т.п.). Так, наиболее важной целью глобальной оптимизации конструкции пресса является обеспечение такой деформируемости штампового пространства, при которой достижима требуемая точность выполнения операций ковки и штамповки. На уровне проектирования деталей вводится существенно больше ограничений локального характера (по концентрации напряжений, условиям прочности, износа и т.п.).
Для конструкций прессов характерны такие цели оптимизации, как:
поиск конфигурации детали, минимизирующей концентрацию напряжений (например, в гантельном переходе эксцентрикового вала);
оптимизация числа, формы и расположения отверстий под крепежные стержни, необходимые в процессе производства литой детали;
выявление геометрии силовых схем несущих конструкций (например, столов и ползунов кривошипных прессов), оптимизирующих соотношения податливости рабочих поверхностей и уровня максимальных напряжений.
Построение строгих оптимальных решений для прессов на глобальном уровне создает проблемы, которые из-за сложности конфигу
раций деталей, объединенных в контактные системы, трудноразрешимы даже на суперкомпьютерах. Методы и программы математической оптимизации реально применимы в САПР прессов, как правило, к автономно моделируемым деталям. Но даже на детальном уровне строгая оптимизация не всегда является оправданной или выполнимой. Во многих случаях более рациональной представляется не строго формализованная, а приближенная процедура, основанная на последовательном сочетании численного и экспертного анализа. Одна их таких процедур описана в п. 1.4.5.
Вопросы энергетики, кинематики и динамики. Расчеты энергетики прессов опираются на хорошо развитую систему аналитических решений, полученных для типовых конструкций [10] и не требующих существенной модернизации применительно к САПР.
Что же касается задач кинематики и динамики прессов, то существующие методы их решения, рассматривающие детали машин как недеформируемые тела, соединенные деформируемыми передаточными механизмами, не вполне удовлетворяют современным требованиям (см. гл. 1.3).
Одна из актуальных проблем кинематики и динамики прессов связана с необходимостью учета зазоров между контактирующими деталями. Зазоры приводят к разрыву кинематической цепи и осложняют обеспечение точности механизма.
Особенно серьезными представляются трудности моделирования динамических состояний контактных систем прессов. Сложность заключается в том, что зазоры между упругими телами, находящимися в контакте, нелинейно изменяются во времени; условия взаимного непроникания тел при динамическом взаимодействии в отличие от статического определяются для узлов, вошедших в контакт, не только равенством перемещений, но и скоростей и ускорений по общим нормалям к поверхностям контакта.
Поиск переменных контактных областей предполагает организацию многоэтапной итерационной процедуры с подбором надлежащего шага интегрирования по времени и корректировкой условий совместности динамического контактирования тел с учетом волновых явлений на их поверхностях. В решении этой весьма сложной проблемы контактной динамики получены некоторые принципиальные результаты [25].
ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ САПР ПРЕССОВ
57
Особенности моделирования гидропривода. САПР гидравлических прессов должны обеспечивать включение в математические модели твердотельных систем машины соответствующих подсистем гидропривода. Число функциональных элементов гидрооборудования прессов ограничено определенной номенклатурой, включающей: насос, гидроцилиндр, клапаны прямого и непрямого действия, гвдроаккумулятор, гвдрозамок и т.д.
Моделирование любой проектируемой в САПР схемы гидропривода имеет целью автоматизированное описание процесса формирования потоков рабочей жидкости, определения переменных давлений, расходов и, далее, регулируемых скоростей и положений подвижных частей в узлах соединения гидроэлементов. Основой такого описания является библиотека аналитических уравнений, связывающих гидравлические, кинематические и силовые параметры каждого гидроэлемента, встроенного в гидросистему. Объединение элементарных моделей в единую математическую модель, отвечающую заданным для пресса функциональным требованиям и ограничениям, достигается путем той или иной формализации и итерационной оптимизации структуры гидропривода. Особенность методики принимаемых решений заключается в необходимости учета, в том числе для тяжелых гидромашин статического действия, не только статических, но и динамических состояний гидропривода.
Достаточно полная информация о САПР машиностроительного гидропривода содержится в работе [1].
1.4.3. ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ САПР ПРЕССОВ
Проблемно-ориентированный программный комплекс МАКС (Моделирование и анализ контактных систем). Основой программного обеспечения САПР кузнечноштамповочных машин как единых контактных систем, удовлетворяющих определенным конструктивным и технологическим требованиям, является проблемно-ориентированный на этот класс задач комплекс МАКС [21]. Сертифицированный Госстандартом России комплекс:
алгоритмически построен на базе метода контактных сил и переносных перемещений, что обеспечивает минимизацию объема вычислений при использовании дискретных моделей МКЭ и МГЭ;
реализован на языках Си и Фортран;
функционирует на персональных компьютерах и рабочих станциях в MS-DOS, WINDOWS и UNIX;
предусматривает подготовку данных и отображение результатов специализированными препроцессором и постпроцессором.
Универсальные программные комплексы - основа построения и развития САПР. В необходимом сочетании специализированных и универсальных программ последним принадлежит роль, определяющая уровень эффективности САПР и ее соответствия современным требованиям. Универсальные CAD/CAE/CAM-системы (в зависимости от их функциональных возможностей, набора модулей и структурной организации) принято делить на системы низкого и среднего уровней и на полномасштабные системы. Из большого числа современных полномасштабных систем, кратко описанных в [12], для создания САПР кузнеч-но-штамповоч-ных машин можно в первую очередь рекомендовать следующие.
CADDS фирмы Computervision (США) -отличается мощным приложением для управления инженерными данными (модуль Opte-gra) и специальной организацией работы с большими сборками. Система обеспечивает трехмерное геометрическое проектирование твердых тел и поверхностей на базе гибридного сочетания параметрических и вариационных процедур. Слабее представляются возможности проектирования технологической оснастки.
1-DEAS фирмы SDRC (США) - система с достаточно полным набором приложений для различных областей машиностроения, включая моделирование по МКЭ, мощные средства анализа экспериментальных данных, гибридное трехмерное проектирование твердых тел и поверхностей.
UNIGRAPHICS фирмы EDS (США) -универсальная программная система, получившая наибольшее распространение в авиационной и автомобильной промышленности. Трехмерное проектирование твердых тел и поверхностей - гибридное. Основные достоинства системы - в технологических приложениях. Недостатки проявляются прежде всего на уровне управления данными и механическими сборками.
Pro/ENGINEER фирмы РТС (США) - лидирующая программная система автоматизации машиностроения, охватывающая весь
58
Глава 1.4. СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ
спектр цикла проектирование - изготовление. Инструментальные средства системы обеспечивают трехмерное геометрическое моделирование твердых тел и поверхностей в параметрической, а также в концептуальной непараметрической форме. Реализована методика параллельного проектирования. Важнейшее преимущество - полная двусторонняя ассоциативность: единая структура данных позволяет в любой момент вносить в проект изменения, автоматически переносящиеся на все ранее реализованные этапы конструкторско-технологического процесса. Ядро системы -модуль Pro/ENGINEER, в сочетании с которым могут работать различные функциональные модули.
Конструкторская и технологическая базы данных. Для эффективной работы САПР необходима объектно и проблемно ориентированная информационная среда - конструкторская и технологическая базы данных, содержащих в компьютерных файлах "золотой запас" достижений автоматизированного проектирования и производства, в данном случае кузнечно-штамповочных машин. Современные требования к разработке и архитектуре конструкторской базы данных, системе управления, обработке транзакций и т.п. обобщены в работе [23]. Структура конструкторской базы данных кривошипных прессов указана далее на рис. 1.4.4.
Технологическая база данных [9] интег7 рируется в единую систему с конструкторской и включает всю информацию, необходимую для изготовления деталей, узлов и пресса в целом. Все данные должны быть представлены по возможности полностью в главном файле интегрированной системы и автоматически корректироваться в связи с изменениями конструкций или маршрутно-технологических карт.
1.4.4. САПР ТЯЖЕЛЫХ КРИВОШИПНЫХ ПРЕССОВ: ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ
И СТРУКТУРА
Индивидуальность каждой САПР проявляется на общей основе, отражающей принципиальную структуру процесса проектирования. Согласно общепринятой современной концепции Шигли, изложенной в работе [9], технология проектирования любого объекта представляет собой итеративную процедуру из 6 эгапов (рис. 1.4.2).
Структура специализированной САПР тяжелых кривошипных прессов, предлагаемая в качестве примера (рис. 1.4.3), развернута на базе указанной итеративной процедуры. В приведенной структуре обобщается опыт создания и промышленной реализации САПР специалистами Воронежского АО "Тяжмех-пресс" и Воронежского государственного технического университета.
Представленная САПР относится к системам высокого уровня CAD/CAE/CAM [12], поскольку в ней интегрированы конструкторские, математические и технологические программные подсистемы, имеющие соответствующие базы данных. Документом, инициирующим работу САПР, является техническое задание, отражающее неформальные решения, принятые совместно заказчиком и исполнителем на первых двух этапах процесса проектирования (см. рис. 1.4.2).
Концептуальное или, иначе, эскизное проектирование имеет целью создание конструктивного облика машины и определение ее основных параметров в первом приближении, т.е. на основе всех заложенных в САПР информационных возможностей начального уровня. К ним относятся:
данные о типовых или оригинальных ранее спроектированных и успешно апробированных конструкциях узлов и машин-аналогов;
аналитические методы и результаты, приближенно достоверные для деталей соответствующих форм (упругих стержней, пластин и т.п.);
модели МКЭ, применяемые на упрощенных конструктивных схемах и вариантах разбиения.
[Выявление потребностей |
| Постановка задачи"| ДСинтез проектных решений | —| Анализ и оптимизация | ---------1 Оценка 1
| Представление результатов |
Рис. 1.4.2. Общая схема итеративной процедуры проектирования
САПР ТЯЖЕЛЫХ КРИВОШИПНЫХ ПРЕССОВ: ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ И СТРУКТУРА 59
Программное обеспечение
1
МАКС
X Pro/ENGINEER модули 2-9: /is Pro/ASSEMBLY Уу Pro/DETAIL
(3) Pro/NOTEBOOK
(4) Pro/PDM
/ix Pro/DIEFACE Pro/SHEETMETAL
(6) Pro/CASTING
(7) Pro/WELDING
/is Pro/MFG; Pro/NC-CHECK
Уу ProWC-POST
(9) Pro/MECHANICA
Конструкторская база данных
ГТиповыеконструкции fj-j узлов и полных систем *tj основных деталей
кривошипных прессов
Данные моделирования
4-1 типовых конструкций по аналитическим и
численным методам
Универсальные №и типовые процессы ковки и штамповки (Стандартные и нормали-д! зованные узлы и детали, ^включая гидро-, пневмо< I и электрооборудование
£1 Данные по испытанию Р машин_______________
Технологическая база данных
IОснастка и оборудование
Г для типовых процессов изготовления и обработки металлоконструкций
Изготовление, сборка и испытание пресса
Рис. 1.43. Структура, программное обеспечение и базы данных САПР тяжелых кривошипных прессов
60
Глава 1.4. СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ
Техническое проектирование представляет собой основной этап итеративного поиска и принятия конструкторских решений на основе двухуровневого моделирования по МКЭ: при достаточных основаниях для структурного подхода (симметрия и т.п.) детали рассчитываются в автономных контактных подсистемах; в общем случае моделируется пресс в целом как единая контактная система основных деталей с последующей оптимизацией конструкции по механическим (главным образом, прочностным) и технологическим параметрам, в первую очередь относящимся к оценке соответствия деформируемости штампового пространства допускаемым параметром ковки и штамповки.
Для программного обеспечения рассматриваемой САПР, прежде всего на стадии технического проектирования, выбраны: специализированный комплекс МАКС и универсальная полномасштабная система Pro/ENGINEER, представленная в общей структуре (см. рис. 1.4.3) следующими модулями’.
Pro/DETAIL, Pro/ASSEMBLY - проектирование деталей и сборочных единиц;
Pro/NOTEBOOK - концептуальное проектирование узлов;
Pro/PDM - параллельное проектирование машины на основе полного электронного описания ее деталей и узлов;
Pro/DIEFACE, Pro/SHEETMETAL - проектирование штампов для формообразующих и разделительных операций;
Pro/CASTING - проектирование технологической оснастки для литья металлов;
Pro/WELDING - проектирование сварных конструкций;
Pro/MFG, Pro/NC-CHECK, Pro/NC-POST -подготовка и контроль управляющих программ для станков с ЧПУ;
Pro/MECHANICA - моделирование статических и динамических состояний деталей (на базе P-сетей МКЭ), кинематический анализ и оптимизация конструкций.
Структурная проработка и синтез конструкторских решений, а еще раньше - эскизная проработка машины выполняются с учетом информации, систематизированной в специализированной конструкторской базе данных, отражающей опыт проектирования и моделирования кривошипных прессов.
Рабочее проектирование и проектирование технологии изготовления пресса реализуются с помощью автоматизированных проце
дур, поддерживаемых соответствующими модулями системы Pro/ENGINEER. Технологическая база данных ограничивается информацией о типовых процессах металлообработки, поскольку в этом смысле прессы значительной специфики не имеют.
Приведенную структуру САПР не следует рассматривать жестко привязанной к программной системе Pro/ENGINEER или к какой-то иной. Современное программное обеспечение стремительно развивается, и для поддержания САПР на уровне высших достижений требуется ее адекватное обновление наиболее эффективными инструментальными средствами.
1.4.5. ОПЫТ ПРОМЫШЛЕННОГО ПРИМЕНЕНИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ КОМПЬЮТЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ В ПРЕССОСТРОЕНИИ
Пример реализации структурного подхода. В процессе нисходящего технического проектирования КГШП (кривошипного горячештамповочного пресса) силой 160 МН решение о приближенно оптимальных размерах двухэксцентрикового вала принято по результатам его моделирования в автономной подсистеме с применением комплекса МАКС, на основе которого были также экспертно проанализированы эксцентриковые валы той же топологии, принадлежащие прессам-прототипам из гаммы ранее выпущенных машин силами 16... 125 МН.
В основу примененного подхода положены: принцип преемственности, состоящий в том, что новые конструкторские решения принимаются с учетом анализа конструкций-прототипов, если таковые существуют и при этом несут в себе лучшие черты известных разработок;
методика итерационного совершенствования конструкции, предполагающая последовательный, начиная с первого варианта принятого прототипа, конечноэлементный анализ и адекватную модернизацию объекта вплоть до получения варианта, признаваемого на экспертном уровне приближенно оптимальным с учетом различных технологических факторов -от производственных до функциональных.
Эффективность такого подхода иллюстрируется примером приближенной параметрической оптимизации эксцентрикового вала (рис. 1.4.4), которую обеспечила итерационная
ОПЫТ ПРОМЫШЛЕННОГО ПРИМЕНЕНИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ
61
Рис. 1.4.4. Базисные параметры двухэксцентрикового вала
Рис. 1.4.5. Конструктивная модель трехмерной контактной системы деталей пресса:
/ - стол; 2 - стойки; 3 - поперечина; 4 - стяжная шпилька; 5 - эксцентриковый вал; 6 - шатун; 7 - ползун
методика обоснования его размеров, построенная по принципу равнонапряженности проектируемой детали с реальными прототипами при выполнении условий заданной жесткости и рациональной металлоемкости [20]. Согласно этой методике:
применяется программа автоматизированной адаптации данных об ансамбле элементов вала-прототипа (КГШП силой 125 МН) для построения моделей однотипных валов по варьируемым базисным параметрам (см. рис. 1.4.4);
проведен анализ по МКЭ валов ранее выпущенных прессов этой гаммы и последовательно рассматриваемых вариантов проектируемого вала;
принято экспертное решение об окончательных размерах проектируемого вала, имеющего показатели концентрации напряжений, податливости и металлоемкости на уровне лучшего из прессов-прототипов.
Пример применения системного подхода в процессе конструкторско-технологического проектирования. КЛИП силой 125 МН моделируется как единая контактная система, содержащая 11 основных деталей (рис. 1.4.5), взаимодействующих по 26 стыкам, с проектными зазорами и натягами. При включении в модель штампового блока в ней оказывается 15 деталей и 32 стыка.
Постановка задачи подчинена методологии многоуровневого исследования и принятой иерархии моделей: полная, но чрезмерно сложная модель системы, содержащая пресс, штамп и поковку, заменяется более простой моделью, в которой пластическое тело поковки представлено соответствующими давлениями на упругие детали штампового блока.
Системы упругих деталей на первых двух этапах (из трех) рассматриваются в плоском напряженном состоянии при обеспечении приближенной эквивалентности принятой двумерной модели и проектируемой пространственной конструкции:
в задаче первого этапа моделируется контактная система деталей пресса с введением сил, отражающих действие штампа на стол и ползун;
в задаче второго этапа в систему пресса вводятся детали штампового блока, на плиты которого действуют давления со стороны поковки;
в задаче третьего, завершающего, этапа контактная система деталей пресса исследуется в трехмерном напряженном состоянии.
Технологическое нагружение задается в виде соответствующих сил со стороны: поковки - на плиты штампа; деталей, внешних по отношению к автономной подсистеме (если таковые силы могут быть заданы достоверно); штампового блока - на стол и ползун. Размерность порождаемых трехмерных задач (при наличии фронтальной плоскости симметрии и рациональном измельчении сеток элементов) характеризуется ансамблями МКЭ, имеющими порядка 90 тыс. степеней свободы и 2400 пар сопряженных контактных узлов. Благодаря алгоритмической минимизации объема вычислений в комплексе МАКС вычислительный процесс в целом удается реализовать на современных персональных компьютерах.
62
Глава 1.4. СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ
Рис. 1.4.6. Контактные силы (кН) в системе деталей пресса при внецентренном нагружении
На двумерной модели исследованы (и на трехмерной уточнены) контактные силы в стыках единой системы деталей при центральном и внецентренных технологических нагружениях (рис. 1.4.6).
Для обобщенной оценки конструкции исследуемого пресса (и гаммы однотипных машин) принципиальное значение имеют полученные общие закономерности, отражающие чувствительность контактной системы к влиянию эксцентриситета е силы штамповки и начальных зазоров, среди которых доминирующим является зазор Ан в направляющих ползуна. Чувствительность характеризуется мерой асимметрии а - соотношением равнодействующих давлений на эксцентриковый вал со стороны левого и правого шатунов. Закономерности, выявленные на достаточном числе вариантов сочетаний е и Ан (рис. 1.4.7), представляются семействами функций а(е) (при разных Ан) и а(Ан) (при разных е).
Из полученной информации следуют важные при проектировании выводы: увеличение зазоров Ан (при любом значении е) ведет к возрастанию асимметрии а по шатунам, но лишь до предельного (для данного е) значения зазора Ан, после чего возрастание а зависит только от роста е; в диапазоне возможных эксцентриситетов е и проектных зазоров Ан номинальная сила Рн пресса распределяется по шатунам примерно в соотношении 2РН/3 и Рн/3, что позволяет более или менее достоверно ввести эту нагрузку при автономном моделировании однотипных валов внецентренно нагруженных прессов.
0| 0,5 1,0 1,62,0 3,0 0| , 140 , 215 , , 480
Ан, мм е, мм
а) 6)
Рис. 1.4.7. Семейства функций изменения асимметрии сил по шатунам: а - а(Ди) при разных е\ б - а(е) при разных Ди
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
63
Рис. 1.4.8. Контур штампового пространства при внецентренном нагружении пресса
Предложенная методика исследования чувствительности единой системы деталей пресса, а также пресса и штампового блока позволяет определить:
влияние деформируемости контура штампового пространства на пределы точности поковки, достижимой на данном прессе (рис. 1.4.8);
обобщение понятия о жесткости пресса как о множестве параметров, нелинейно зависящих от эксцентриситетов нагружений и величин зазоров;
зависимость напряженно-деформированных состояний деталей пресса от несимметрии зазоров и других возможных отклонений в размерах.
На третьем, завершающем, этапе проводится трехмерное моделирование пресса как машины в целом (см. рис. 1.4.5): выявляется полная, высокоточная и одинаково достоверная информация для всех точек и направлений в объеме каждой детали. Эта информация является основой экспертной оценки уровней точности и границ применимости выводов и закономерностей, полученных на более простых двумерных моделях. Подтверждается достаточная точность выполненного анализа чувствительности пресса и раскрываются пределы возможностей структурного подхода, особенно эффективного при симметрии конструкции и нагрузки.
Трехмерное моделирование является основой определения характеристик вертикальной податливости (жесткости) пресса, зависящих, во-первых, от изгибных деформаций эксцентрикового вала и рабочих поверхностей
стола и ползуна и, во-вторых, от контактных деформаций и кинематических смещений деталей, образующих штамповое пространство. При определении оптимальной обобщенной жесткости пресса из суммарной податливости машины должно быть изъято вертикальное обжатие деталей станины после предварительной затяжки.
Прогнозирование и оценка влияния различного рода закономерных и случайных (производственных и т.п.) факторов на качество работы проектируемой машины являются основой построения современных сертификационных требований к прессам.
Направления развития САПР: динамика CALS-технологии, экспертные системы. САПР машин обработки давлением имеет развитое математическое обеспечение моделирования прессов в квазистатических состояниях. Машины динамического действия [11] отличаются спецификой, осложняющей их анализ и прогнозирование технологических возможностей. Разработка теоретических основ и компьютерных технологий учета влияний ударных и импульсных воздействий активно ведется в рамках контактной динамики машин [25].
Определяющим направлением реинжиниринга процессов проектирования и производства становится применение CALS-технологий (Continuous acquisition life cycle support) - поддержка жизненного цикла изделий на всех этапах: от предэскизного проекта до утилизации. Преимущества и перспективность такого комплексного подхода обсуждаются в работе [16].
Третьим, интеллектуальным, направлением перехода САПР на новый качественный уровень является создание и применение экспертных систем [23, 22], основные функции которых сводятся к накоплению и организации знаний для прогнозирования и принятия решений в конкретной профессиональной области. Экспертные системы по машинам обработки давлением в каталоге подобных систем [22] не значатся. Разработка таких систем ожидается в ближайшем будущем.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Автоматизированное проектирование машиностроительного гидропривода / И.И. Бажин, Ю.Г. Беренгард, М.М. Гайцгори и др. М.: Машиностроение, 1988. 312 с.
64
Глава 1.4. СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ
2. Бреббиа К., Теллес Ж., Вроубел Л. Методы граничных элементов. М.: Мир, 1987. 524 с.
3. Высокоскоростные вычисления. Архитектура, производительность, прикладные алгоритмы и программы суперЭВМ. М.: Радио и связь, 1988.432 с.
4. Гольник Э.Р., Гуидорова Н.И. Неинкрементальное дискретное моделирование контактных систем упругих шероховатых тел с выявлением зон проскальзывания и сцепления // Изв. вузов. Машиностроение, 1997. № 12. С. 11-19.
5. Гольник Э.Р., Гуидорова Н.И., Павлов Г.Г. О перспективах эффективного применения метода граничных элементов при моделировании объектов прессостроения // Кузнечно-штамповочное производство. 1997. №3. С. 27-30.
6. Гольиик Э.Р., Радченко И.Г. Дискретное моделирование упругих тел, контактно взаимодействующих при произвольных статических нагрузках, зазорах и натягах И Изв. вузов. Машиностроение, 1987. № 12. С. 11 -19.
7. Гольник Э.Р., Радченко И.Г. Обобщение смешанного метода контактных сил и переносных перемещений на класс систем произвольного числа упругих деталей И Изв. вузов. Машиностроение, 1988. № 10. С. 17 - 22.
8. Гольиик Э.Р., Радченко И.Г. Трехмерное моделирование по МКЭ единой контактной системы деталей кривошипного пресса как основа решения технологических и конструкторских задач проектирования // Кузнечно-штамповочное производство. 1993. № 10. С. 16-19.
9. Грувер М., Зиммере Э. САПР и автоматизация производства. М.: Мир, 1987.528 с.
10. Живов Л.И., Овчииииков А.Г. Кузнечно-штамповочное оборудование. Прессы. Киев: Вища школа, 1981. 376 с.
11. Живов Л.И., Овчинников А.Г. Кузнечно-штамповочное оборудование. Молоты. Винтовые прессы. Ротационные и электрофизические машины. Киев: Вища школа, 1985. 279 с.
12. Жук ДМ. CAD/CAE/CAM - системы высокого уровня для машиностроения И Информационные технологии. 1995. № 1. С. 22- 26.
13. Зенкевич О.С. Метод конечных элементов в технике. М.: Мир, 1975. 541 с.
14. Интеллектуализация конструкторско-технологического проектирования в интегрированном кузнечно-штамповочном про
изводстве / Ю.М. Соломенцев, Ю.А. Максин, Б.М. Позднеев и др. И Кузнечно-штамповочное производство. 1991. № 2. С. 2 - 4.
15. Иосилевич Г.Б. Концентрация напряжений и деформаций в деталях машин. М.: Машиностроение, 1981. 224 с.
16. Климов В.Е., Клишин В.В. Реинжиниринг процессов проектирования и производства И Автоматизация проектирования. М.: Отд. информатики, вычислительной техники и автоматизации РАН, 1996. № 1. С. 25 - 31.
17. Математика и САПР: В 2-х кн. Кн. 1. П. Шенен, М. Коснар, И. Гардан и др. М.: Мир, 1988.204 с. Кн. 2 / П. Жермен-Лакур, П.Л. Жорж, Ф. Пист, П. Безье. М.: Мир, 1989. 264 с.
18. Новые направления оптимизации в строительном проектировании / М.С. Андерсон, Ж.-Л. Арман, С. Арора и др. М.: Стройиз-дат, 1989. 592 с.
19. Нореиков И.П., Маиичев В.Б. Основы теории и проектирования САПР. М.: Высшая школа, 1990. 335 с.
20. Обоснование размеров двухэксцентриковых валов горячештамповочных прессов на стадиях эскизного и технического проектирования / В.Н. Тынянов, Э.Р. Гольник, В.Н. Го-рожанкин и др. // Кузнечно-штамповочное производство. 1989. № 1. С. 5 -7.
21. Программный комплекс МАКС и опыт его применения в САПР тяжелых кривошипных прессов / Э.Р. Гольник, Р.А. Бирбраер, М.А. Лейкин, И.Г. Радченко // Кузнечно-штамповочное производство. 1995. № 3. С. 19-22.
22. Уотермеи Д. Руководство по экспертным системам. М.: Мир, 1989. 388 с.
23. Хорафас Д, Легг С. Конструкторские базы данных. М.: Машиностроение, 1990. 224 с.
24. Шпур Г., Краузе Ф.-Л. Автоматизированное проектирование в машиностроении. М.: Машиностроение, 1988. 648 с.
25. Golnik Е., Radchenko I. Numerical Methods of Statics and Dynamics of Contact Systems with Arbitrary Number of 3D Elastic Bodies // Contact Mechanics. New York: Plenum Press, 1995. P. 271-274.
26. System Methods of Computer Mechanics and their Using in Computer Aided Design of Heavy Technological Machines I E. Golnik, I. Radchenko, V. Balagansky, R. Birbraer// 10-th Int. Conf, on CAD/CAM - MICAD-91. Paris: Hermes, 1991. P. 367-387.
Раздел 2
ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ПРЕССЫ И СТАТЬ!
Глава 2.1
КЛАССИФИКАЦИЯ, ОСНОВЫ ТЕОРИИ И РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ
Классификация. Гидравлическими прессами называются кузнечно-штамповочные машины (КШМ) квазистатического [2] воздействия на деформируемый материал силой давления жидкости на поршень или плунжер рабочего исполнительного механизма. В гидравлических статах давление жидкости воздействует непосредственно на деформируемый материал или посредством капсулы, содержащей, например, металлопорошок.
Гидравлические прессы классифицируют: по компоновке конструкции на вертикальные и горизонтальные; по числу рабочих цилиндров на одноцилиндровые, трехцилиндровые и многоцилиндровые; по конструкции станины на колонные, рамные, скрепленные (лентой, проволокой), двухстоечные, одностоечные; по типу привода на насосные, насосно-аккумуляторные и мультипликаторные.
Классификация по технологическому назначению приведена на рис. 2.1.1 [2].
Типоразмеры гидравлических прессов подразделяют по величине номинальной силы в соответствии с нормальным рядом чисел по государственным стандартам, а гидростаты - по величине давления жидкости и объему контейнера.
.....
|/7дгеа/ гидравлически^
Для листовой штамповки
У
И
Hi
Для правильных и сварочных работ
а)
>1
§
i
ф tM
Л
Рис. 2.1.1. Классификация гидравлических прессов по технологическому назначению: а - для металла; б - для неметаллических материалов
3-819
66
Глава 2.1. КЛАССИФИКАЦИЯ, ОСНОВЫ ТЕОРИИ И РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ
Основы теории. Обобщенная теория гидравлических кузнечно-штамповочных машин постоянно усовершенствуется, опираясь на различные методы исследований. Современное состояние теории гидравлических прессов и других гидравлических кузнечноштамповочных машин характеризуется основными фундаментальными положениями механики твердого тела, жидкости и газа. Энергия сжатой жидкости, поступающей из насоса или аккумулятора, трансформируется посредством линейного (гидроцилиндр) гидродвигателя в гидравлических прессах непосредственно в механическую работу деформирования материала, а в гидравлических молотах и гидро-винтовых прессах (где могут применяться также и гидромоторы) сначала переходит в кинетическую энергию рабочих масс, а затем в работу деформирования. В гидростатах энергия сжатой жидкости используется непосредственно для создания гидростатического поля давления на материал, а в гидроимпульсных и гидропульсационных машинах она служит источником импульсного воздействия.
Современные гидравлические кузнечноштамповочные машины представляют собой сложные реверсивные машинные агрегаты, включающие металлические, жидкостные и газовые звенья и механизмы, гидросистемы которых состоят из сложных, относительно коротких, разветвленных гидролиний (отношение длины к диаметру l/d < 300...400 и часто меньше 100) с относительно близким расположением местных сопротивлений, при котором часто суммарное сопротивление гидролинии оказывается в 2...2,5 раза меньше суммы сопротивлений, рассчитанных по принципу наложения потерь. Скорость холостого хода рабочего звена исполнительного механизма современных прессов не превышает 0,3...0,4 м/с, а рабочего - 0,1...0,15 м/с. В гидросистемах прессов наблюдаются переходные процессы, кратковременные неустановившиеся и продолжительные установившиеся турбулентные режимы движения жидкости, а ее упругие свойства проявляются при рабочем ходе, в начале и конце холостых перемещений.
Наибольшая скорость движения исполнительных механизмов гидравлических КШМ ударного воздействия на обрабатываемый материал (гидровинтовых прессов и гидромоло
тов) 0,5... 1 и 3...5 м/с соответственно, а в их гидросистемах преобладает неустановившийся турбулентный режим движения жидкости, при котором существенно проявляются ее упругие свойства.
Задачи динамики гидропривода при простых граничных условиях можно решать с помощью волновых уравнений [23, 25, 27]. При сложных граничных условиях на концах гидролиний, характерных для гидравлических КШМ, расчеты по волновой теории становятся чрезвычайно громоздкими и неопределенными из-за отсутствия критериев правильности. В таких случаях более целесообразно переходить от систем с распределенными к системам с сосредоточенными параметрами. Критерий перехода [24] сложен и не позволяет оценить точность замены решения в виде бесконечного ряда приближенным решением с ограниченным числом членов ряда. В работе [18] критерием служит соотношение частот колебаний системы с распределенными и сосредоточенными параметрами. Однако это соотношение пригодно при малых значениях корня характеристического уравнения при замене tga « a, что не характерно для гидросистем КШМ.
Решения на основе хорошо разработанного математического аппарата теории линейных колебаний могут быть получены в конечном виде. Такие решения обладают преимуществами перед численными решениями, поскольку получаются в наиболее общем виде, обладают большей наглядностью, простотой и доступностью вычислений, однако из-за необходимости упрощений нуждаются в экспериментальной проверке.
Численные решения на ЭВМ не нуждаются в упрощениях, но они являются частными и лишены важнейшего достоинства аналитических решений - общего вида.
Наибольший эффект можно получить сочетанием общих аналитических решений и экспериментальных исследований, с помощью которых можно планировать наиболее существенные направления исследований, а также применением метода последовательных приближений с использованием ЭВМ, которые позволяют оценивать величину ошибок общих решений, вызванных упрощениями, и уточнять их (см. гл. 1.3).
Основные положения экспериментальноаналитической теории гидравлических кузнеч-
КЛАССИФИКАЦИЯ, ОСНОВЫ ТЕОРИИ И РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ
67
но-штамповочных машин состоят в следующем [3,4, 16,19].
Рассматриваются два типа систем гидравлических кузнечно-штамповочных машин: насосные системы с характерной (постоянной или изменяющейся по определенному закону) подачей и насосно-аккумуляторные системы с характерным (постоянным или изменяющимся по определенному закону) давлением [3].
Движение рабочего звена исполнительного механизма дискретное, оно характеризуется тремя этапами машинного цикла: холостой ход (прессов) или ход разгона (для машин ударного действия) по направлению к поковке, рабочий ход деформирования поковки и возвратный ход. Процесс открытия распределителя (клапана, золотника) сопровождается сложными переходными процессами изменения проходного сечения и изменения коэффициента местного сопротивления. Этот процесс в расчетах принимается либо мгновенным (tK = t\ = 0), либо заменяется силовой функцией клапана по линейному закону:
О при t = О,
W) =
Л) = Ро/
при0 2<<^, (2.1.1)
при t>t}.
Время включения распределителя, когда давление в гидролинии становится равным стационарному давлению р0, по экспериментальным данным, короче времени его полного открытия и для исследованных систем состав-
ляет (0,3...0,7)Го (где Tq = —, Z - длина на-с
порной гцдролинии, с - скорость упругой волны; с = 1000... 1200 м/с) [3, 5]. Переходные процессы в гидросистемах характеризуются общими закономерностями неустановившегося неодномерного движения жидкостной сплошной среды, отражающими физическую сущность взаимодействия жидкостных и твердых звеньев. При эскизно-техническом проектировании гидравлических прессов и других машин часто требуется аналитически определять приближенные закономерности движения рабочих частей машин и жидкости в гидросистемах, времени пуска и продолжительности переходных процессов, величин и количество забросов давления, основных частот колебаний гидросистемы, а во время технического проектирования с помощью программ математического моделирования на ЭВМ выявлять и оптимизировать конструктивные параметры, влияющие на поведение системы в различные периоды машинного цикла. Для получения приближенных расчетных зависимостей реальные сложные физические свойства жидкости и твердых сплошных сред упрощаются и представляются одномерными физическими моделями, учитывающими главные и опускающими второстепенные для целей анализа свойства, а состояние рабочей жидкости характеризуется осредненными по сечению плотностью, скоростью и давлением [3]. В зависимости от целей расчетов рекомендуется применять четыре расчетные модели гидросистем кузнечно-штамповочных машин (табл. 2.1.1).
2.1.1. Расчетные модели гидросистем кузиечно-штамповочных машин
Характеристики звеньев Расчетные модели и их свойства
Идеальная сжимаемая (И) Жесткая сосредоточенная (Ж) Упругая сосредоточенная (У) Волновая распределенная (В)
Рабочая жидкость Вязкость 0 Постоянная Постоянная /(Р.0)
Сжимаемость Постоянная 0 Постоянная /(р)
Теплопроводность 0 0 0 /(0)
Масса Сосредоточенная Сосредоточенная Сосредоточенная Распределенная
Сопротивление течению 0 /(V)2 /(V, V2) /(V, V2)
3*
68
Глава 2.1. КЛАССИФИКАЦИЯ, ОСНОВЫ ТЕОРИИ И РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ
Продолжение табл. 2.1.1
Характеристики звеньев Расчетные модели и их свойства
Идеальная сжимаемая (И) Жесткая сосредоточенная (Ж) Упругая сосредоточенная (У) Волновая распределенная (В)
Гидролиния Деформатив-ность Постоянная 0 Яр) Яр)
Масса 0 0 0 Распределенная
Распределитель Процесс включения Мгновенный Мгновенный Линейный Произвольный
Гидроцилиндр Деформатив-ность 0 0 Яр) Яр)
Трение 0 Яр) /(V) /(р. V)
Рабочие части Масса Сосредоточенная Сосредоточенная Сосредоточенная Распределенная
Деформатив-ность 0 0 0 /(О)
Трение 0 Постоянное /(V) /(V)
5 Термодинамический процесс Изотермический Политропический Политропический Адиабатический
Тип уравнения движения Рабочих частей Ньютона и линейных незатухающих колебаний Рикатти неполного Рикатти неполного и линейных затухающих колебаний Лагранжа 2-го рода
Жидкости Дифференциальное 2-го порядка Д. Бернулли для неустано-вившегося движения Дифференциальное 2-го порядка Волновое в частных производных 2-го порядка
При назначении модели гидросистемы следует учитывать требуемую точность результатов расчета, относительную продолжительность процесса, частотную характеристику гидросистемы, уровень демпфирования, соотношение масс рабочих частей и жидкости. Приближенно можно руководствоваться диаграммой (рис. 2.1.2), в которой обозначены рекомендуемые модели (см. табл. 2.1.1) в зависимости от относительной продолжительности всего процесса t?l TQ (где TQ = 4Ис -период незатухающих колебаний жидкости в гидролинии длиной Z, с - скорость упругой волны в гидролинии 1000... 1200 м/с) и рас
сматриваемого интервала ///Го, которые можно оценить априорно, на основе опыта. Вопросы обоснования выбора расчетных моделей рассмотрены также в работе [3].
Расчет основных параметров. К основным параметрам гидравлического пресса относятся: номинальная сила, наибольший ход ползуна (поперечины), скорость рабочего хода, холостого хода вниз (приближения), хода вверх (возвратного), площадь стола, время машинного цикла (число ходов поперечины пресса в минуту). Для прессов эти параметры регламентируются стандартами [13].
КЛАССИФИКАЦИЯ, ОСНОВЫ ТЕОРИИ И РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ
69
Рис. 2.1.2. К назначению расчетных моделей гидросистем:
а-характерные интервалы переходного процесса; б - области применения расчетных моделей;
/i < (0,5... 1,5) То - движение во время включения
распределителя; h = (0,5... 1,5) То-(10...12) То-движение с затухающими колебаниями
при полностью включенном распределителе;
h - монотонный разгон до v = 0,95 vyCT;
h - движение с установившейся скоростью;
t0*(0,35.. .0,7) То - время пуска, /р - время разгона
Номинальной является сила, создаваемая цилиндрами пресса при упоре штампов (бойков),
FH = zpiSb
где z - число рабочих цилиндров; р} - давление в рабочем цилиндре; - площадь плунжера (поршня).
Деформирующая сила, развиваемая прессом в процессе деформирования материала, всегда меньше номинальной из-за потерь давления жидкости в гидросистеме при скорости течения больше нуля. Выделено шесть групп технологических процессов [13], и для них составлены типовые графики изменения деформирующей силы по перемещению (рис. 2.1.3):
I группа - процессы выдавливания, прошивки, протяжки (dFIds = 0; ф = 0,7...0,8);
II группа - процессы осадки, протяжки, проглаживания (dFIds = const; ф = 0,6...0,7);
III группа - процессы гибки, объемной штамповки, брикетирования, пакетирования, формовки (dFIds -> оо; ф = 0,1...0,25);
IV группа - процессы вытяжки листового материала, штамповка резиной, полиуретаном (dFIds ф const; ф = 0,4...0,7);
V группа - процессы вырубки-пробивки, резки скрапа, блюмсов, слябов (dFIds > 0; Ф = 0,45...0,6);
VI группа - процессы рельефной чеканки, калибровки (dFIds —> оо; ф 0,05...0,12).
Рис. 2.13 Типовые графики деформирующих сил для групп технологических процессов: а - группа I; б - группа II; в - группа III; г - группа IV; д - группа V; е - группа VI;
F - сила; 5 - перемещение; sp - рабочий ход
70
Глава 2.1. КЛАССИФИКАЦИЯ, ОСНОВЫ ТЕОРИИ И РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ
Исходной для расчетов является информация: о технологическом назначении пресса, силовой и энергетической характеристике процесса, требуемой величине номинальной силы и ее регулировании (табл. 2.1.2), требований к выдержке под давлением (табл. 2.1.3), требуемой величине холостого и рабочего хода (табл. 2.1.4 и 2.1.5), рекомендуемой скорости рабочего хода (табл. 2.1.6) и ее регулировании (табл. 2.1.7). Информация об удельной силе деформирования (табл. 2.1.8) необходима при выборе давления рабочей жидкости, размеров штампового пространства, жесткости пресса.
2.1.2. Регулирование максимальной силы пресса
Группа процессов Регулирование Ртах Технологический процесс
I Не имеет значения Вырубка, обрезка, отрубка
II Желательно Объемная штамповка, гибка, пакетирование металлоотходов, брикетирование стружки, выдавливание, вытяжка
III Необходимо Правка валов, испытание труб, правка листов растяжением
2.1.3. Выдержка изделий под давлением по окончании рабочего хода /выд
Группа процессов ^выд Технологический процесс
I Не требуется Протяжка, проглаживание, горячее выдавливание стали, осадка
II Требуется незначительная выдержка Брикетирование металлической стружки, штамповка резиной, правка профилей и листов растяжением
III Требуется длительная выдержка Штамповка термореактивных пластмасс, испытание труб под давлением, прессование плит из слоистых пластиков
2.1.4. Холостой ход пресса sx
Группа процессов Sx Технологический процесс
I Отсутствует или малый Чеканка, вырубка листового материала, проглаживание
II Средний Протяжка, объемная штамповка, штамповка термореактивных пластмасс
III Большой Вытяжка цилиндрических изделий, прошивка
2.1.5. Рабочий ход пресса sp
Группа процессов Sp Технологический процесс
I Отсутствует или малый Правка плит и профилей растяжением, чеканка и калибровка, обрезка заусенца, пробивка и обрезка с помощью резины, отделка, выдавливание обратным способом, правка валов, прессование плит из различных материалов, правка и закалка в штампах
II Средний Протяжка, объемная штамповка
III Большой Осадка слитков, выдавливание труб и профилей, пакетирование, гибка толстолистового материала, брикетирование металлической стружки, прошивка слитков, протяжка через кольца
КЛАССИФИКАЦИЯ, ОСНОВЫ ТЕОРИИ И РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ
71
2.1.6. Средняя скорость рабочего хода пресса vp
Группа процессов Vp, мм/с Технологический процесс
I <25 Выдавливание профилей из алюминиевых сплавов, правка, обтяжка, правка с растяжением
11 25... 100 Отрезка, объемная штамповка алюминиевых сплавов
III >100 Выдавливание стальных труб и профилей, объемная штамповка стали, прошивка, протяжка через кольца
2.1.7. Регулирование скорости рабочего хода пресса vp(/p)
Группа процессов Vp(/p) Технологический процесс
I Необходимо Выдавливание алюминиевых сплавов, вытяжка, осадка и протяжка легированных сталей
II Не предъявляется особых требований Гибка, выдавливание стали, процессы, характеризующиеся малым рабочим ходом
2.1.8. Удельная сила деформирования, действующая на заготовку, q
Группа процессов q, МПа Технологический процесс
I <20 Правка, вырубка, пробивка, обрезка заусенца, неглубокая вытяжка с помощью резины, пакетирование листового материала
II 20... 100 Осадка, протяжка, штамповка толстолистового материала с помощью резины
III 100...400 Горячее выдавливание цветных металлов, объемная штамповка цветных металлов, брикетирование металлической стружки, прошивка
IV >400 Горячее выдавливание изделий из стали, холодное выдавливание стали, калибровка, рельефная чеканка
На конструктивную компоновку пресса и привода оказывают влияние характер и эксцентриситет приложения деформирующей силы (табл. 2.1.9 и 2.1.10). При выборе скоростных характеристик необходима также информация о требуемом времени контакта штампа с деформируемым материалом (табл. 2.1.11), частоте приложения силы (табл. 1.1.12) и соотношении времени рабочего хода и технологического цикла (табл. 2.1.13) [13].
Расчет основных параметров других гидравлических кузнечно-штамповочных машин приведен в разделах 5, 6, 7.
2.1.9. Характер приложения нагрузки F
Группа процессов F Технологический процесс
I Сосредоточенный Чеканка, правка ‘ валов, холодное выдавливание стали
II Линейный Гибка кромок листов, правка листов растяжением, отрезка листового материала
III Захватывающий значительную площадь Протяжка, осадка, выдавливание труб, прутков из цветных металлов, вытяжка деталей из листа
2.1.10. Эксцентриситет приложения нагрузки £
Группа процессов б Технологический процесс
I Незначительный Выдавливание круглых прутков и труб прошивка
II Умеренный Протяжка, проглаживание, объемная штамповка, обрезка заусенца у поковок
III Большой Отрезка ножницами листового материала
72
Глава 2.1. КЛАССИФИКАЦИЯ, ОСНОВЫ ТЕОРИИ И РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ
2.1.11. Время контакта инструмента с заготовкой tK
Группа процессов 1* Т ехнологический процесс
I Не предъявляется требований Процессы листовой штамповки, правка, холодная гибка листового материала
II Желательно малое Протяжка и проглаживание поковок из углеродистых сталей
III Необходимо минимальное Ковка легированных сталей, выдавливание стали, объемная штамповка стали, прошивка
2.1.12. Частота приложения нагрузки п
Группа процессов п Технологический процесс
I Не предъявляется требований Обрезка, вырубка, штамповка резиной, выдавливание
II Повышенная Объемная штамповка, протяжка
III Большая Проглаживание
2.1.13. Соотношение между временем рабочего хода и временем цикла а
Группа процессов а = — Т Технологический процесс
I <0,1 Штамповка пластмасс, прессование плит из неметаллических материалов, горячее выдавливание стали, осадка слитка, правка и закалка в штампах
II 0,1...0,5 Прошивка, брикетирование металлической стружки, выдавливание труб и прутков из медных сплавов
III >0,5 Проглаживание, протяжка, выдавливание труб и профилей из алюминиевых сплавов, вытяжка
Расчет параметров движения
Прессы и машины с насосным приводом. Применение жесткой расчетной модели (табл. 2.1.1) дает следующие уравнения.
Скорость плунжера пресса с насосным приводом
v(o=e„(o/s1, (2.1.3)
где 2н(0 - переменная подача насоса. Перемещение при постоянной подаче насоса
s = Nt. (2.1.4)
Влияние упругих свойств гидросистемы подробно рассмотрено в работе [3] с применением для расчетов упругой модели (табл. 2.1.1, рис. 2.1.4). Пренебрегая пульсацией подачи насоса и электромагнитного поля электродвигателя, вибрацией насоса и электродвигателя и считая (рис. 2.1.4, б)
*1=(Й,А)С <2-1.5)
Рис. 2.1.4. Принципиальная схема (а) и расчетная модель (б) гидравлического пресса машины с насосным приводом
КЛАССИФИКАЦИЯ, ОСНОВЫ ТЕОРИИ И РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ
73
получено нелинейное уравнение движения
/их + £х2 + сх + кх = QH/ S}(ktQ +c)-R,
(2.1.6)
где m - приведенная масса рабочих частей и жидкости; с = 2^kmfi - коэффициент вязкого демпфирования колебаний жидкости (т\ -приведенная масса жидкости); R - приведенная сила сопротивления движению (включая деформирующую силу на этапе рабочего хода);
/0 « —L - время пуска (запаздывания движе-
ния рабочих частей), к= + /3) - при-
веденный коэффициент жесткости гидролинии
сечением , кж
_______кжа______
1 ^жа VT 'I
1 + _JLL 2-Ц--
Е 5СI V )
приведенный модуль упругости гидролинии (кжа - изотермический для гидропрессов или адиабатический для машин ударного действия модуль упругости жидкости; Е - модуль упругости стали; d и 8С - диаметр и толщина стенки трубы; ц - коэффициент Пуассона; VT, V -объем жидкости в гидролинии и полный, включая объем жидкости в гидроцилиндре, объем); С, - приведенный коэффициент сопротивления гидросистемы,
I 1 diJi 1 Jj
(2.1.7)
здесь 5i - рабочая площадь цилиндра (гидромотора); р - плотность жидкости; X/ - коэффициент гидравлического трения в трубах; lh di, fi - длина, диаметр и площадь сечения прямых участков труб; fj - коэффициент местного сопротивления и площадь сечения трубы, примыкающей к местному сопротивлению.
Относительный коэффициент демпфирования можно определить по предложенной в [5] формуле для гидросистем с турбулентным потоком
п ( п \
Р = А./<о = Л/2л— У/*/^ .(2.1.8)
1 )
коэффициенты кинематической вязкости минерального масла и водной эмульсии; /э/ - эквивалентная длина прямого участка трубы.
После линеаризации квадратичного члена сопротивления гидролинии в уравнении (2.1.6) при R = const и нулевых начальных условиях получено выражение для перемещения
s = 2Н /S} -—е"р<й' sin у/^, (2.1.9)
где Р = d 14кт - коэффициент демпфирования колебаний;со = 4кТт - частота свободных незатухающих колебаний; у = Шд/1 ~р2 ~ частота свободных затухающих колебаний.
Скорость
x = v = eH/S1x
1 —==cos(y/ + а)
(2.1.10)
X
где а = arctgP / -у 1 - р - угол сдвига фаз.
Уточненное время запаздывания начала движения - время пуска
Го =Л$1/££?н+2р/а). (2.1.11)
Давление в гидролинии
p(t) = R/St +^^- + kQH /уе’15”' sin yt. co
(2.1.12)
Для расчета параметров движения и динамических процессов в гидролинии во время рабочего хода деформирования материала можно, например при разделительных операциях, воспользоваться системой линейных дифференциальных уравнений:
mi^- = p}S}-p2S2-Fa-, at
m2^- = p2S2-p}S}-s2c2+Fa-, at
—+s2—
dt V 1 dt 2 dt)
^- = k2(sl^--S2^]; (2.1.13) dt I dt 2 dt )
Здесь J = 0,1 • 10-6 для минерального масла и А = 0,9 • 10-6 для водной эмульсии; 3 и Яв -
dsy
—L = v,; dt 1
ds?
—£- = v dt
2 >
74
Глава 2.1. КЛАССИФИКАЦИЯ, ОСНОВЫ ТЕОРИИ И РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ
где Wi - масса ползуна и связанных с ним подвижных частей; т2 - масса станины; рь р2 ~ давление жидкости в рабочих (поршневой полости) и возвратных (штоковой полости) цилиндрах соответственно; Si, S2 - площадь плунжеров рабочих и возвратных (поршневой и штоковой полостей) цилиндров соответственно; Fa - сила сопротивления деформированию;
^2, с2 ~ коэффициенты жесткости напорной, сливной гидролинии и фундаментных болтов соответственно; QH - подача насоса.
Решение и анализ результатов проводят численными методами на ЭВМ [17].
Машины с насосно-аккумуляторным приводом (и/или с наполнительным баком). Упругие свойства гидросистемы оказывают незначительное влияние на параметры движения рабочих частей большинства конструкций гидравлических КШМ из-за их большой инерционности (отношение масс рабочих частей и жидкости более 10). Применение жесткой расчетной модели для расчета параметров движения рабочих частей пресса (рис. 2.1.5, а) в период холостого хода приближения (под действием давления в наполнительном баке и силы тяжести), в период рабочего хода при Fa = const и возвратного хода под действием давления жидкости в аккумуляторе приводит к уравнению движения типа Рикатти неполного [20, 19, 22]. К такому же уравнению приводит расчет этапа разгона машин ударного действия (гидровинтовых прессов и гидромолотов) [2, 4]. Решение этого уравнения при нулевых начальных условиях дает при постоянном давлении в наполнительном баке или аккумуляторе перемещение рабочих частей машины
s = < Inch-J[(F-R)Um]t, (2.1.14)
где т - масса рабочих частей машины; F -активная сила; R - сила сопротивления; t -время; £ - приведенный коэффициент сопротивления гидросистемы
^5’р/2^А- + Ё4
I I difi 1 fj )
(2.1.15)
Скорость
v = - Я) £ / m] Z. (2.1.16)
• di
Рис. 2.1.5. Принципиальная схема (а) и расчетная модель (б) гидравлического пресса машины с насосно-аккумуляторным приводом
Скорость плунжера пресса с насосноаккумуляторным приводом зависит от разности давления в аккумуляторе и цилиндре и от гидравлического сопротивления гидролинии. При постоянном давлении в аккумуляторе, установившаяся скорость
vy=72(P3-Pl)/P^ . (2-1.17)
где рз - давление в аккумуляторе; р - плотность жидкости; - приведенное сопротивление течению жидкости в гидролинии.
Ускорение
j=—-ch'2V[(F-A)<;/m]/. (2.1.18) т
Параметры движения по уравнениям (2.1.14) -(2.1.18) можно выразить в безразмерной форме
s v
с = - - V = — - .
m/Q’ JF-R/Q ’
КЛАССИФИКАЦИЯ, ОСНОВЫ ТЕОРИИ И РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ
75
Рис. 2.1.6. Относительные параметры движения жидкости и рабочих частей машин для жесткой модели гидросистемы при постоянном давлении в аккумуляторе
1 F-RIm' Т m/^F-R) '
Графики функций (2.1.14), (2.1.16) - (2.1.18) в безразмерной форме приведены на рис. 2.1.6.
Решение уравнения движения рабочих частей машины при переменном давлении жидкости в наполнительном баке или аккумуляторе получено после разложения функции давления газа в гидропневматическом аккумуляторе (наполнительном баке) [10,11]
( АГУ"
Л=/Ц> + — J > (2.1.19)
(где роз - начальное давление газа, V и ДИ -начальный объем и изменение объема газа, п -показатель термодинамического процесса расширения газа) в виде степенного ряда и ограничения двумя членами разложения и введения опытного коэффициента а = 1,2
Si
Рз * Роз - аРоз«уs - (2-1.20)
£ 5
справедливого для -р- < 0,2 , что характерно для большинства конструкций насосно-аккумуляторных приводов КШМ [13, 20].
При этих условиях скорость рабочих частей пресса во время хода приближения или гвдровинтового пресса и гидромолота во время разгона
fmk Y
v= 1/d— + (F-/?) 1-е ms к /I
к
(2.1.21)
£
где к = ap0 3w-^- - (см. выражение 2.1.20).
Подобное выражение получено также для скорости рабочих частей пресса во время деформирования поковки при линейно возрастающей деформирующей силе = FaQ + ks).
Исследование выражения (2.1.21), проведенное по методике [1] в безразмерной форме, показывает, что при определенной величине пути разгона smax скорость может достигнуть наибольшего значения vmax, а затем уменьшается. Для машин ударного действия целесообразно использовать наиболее интенсивно возрастающую часть диаграммы скорости и возможно применять гцдропневматические аккумуляторы с уменьшенным по сравнению с гидропрессами объемом газа V = (5...7)ИМ (где Им - маневровый объем) [4-6].
Упругую сосредоточенную модель гидросистемы (см. табл. 2.1.1) целесообразно применять для анализа параметров движения жидкости и рабочих частей некоторых гидропрессов на этапе возвратного хода, гидровин-товых прессов и гидромолотов на всех этапах машинного цикла, когда проявления упругих свойств гидросистемы становятся значительными [4].
Движение жидкости и рабочих частей (см. рис. 2.1.5, б) описывает система нелинейных уравнений:
тх + £(iq )2 + сххх + с2х2 + к(х} - х2 ) = Fo;
(2.1.22)
Мх2 + /?(signx2)2 -
-c(iq -х2)-к(хх -х2) = 0, (2.1.23)
где т и М - приведенные массы жидкости и рабочих частей.
Решение уравнений (2.1.22) и (2.1.23) можно получить численным методом на ЭВМ. Приближенные решения получены при линейном и внезапном открытии клапана [3]. При соотношении М/т >5 упругие свойства гидросистемы слабо влияют на движение рабочих частей и оно становится переносным для рабочих частей и жидкости
76
Глава 2.1. КЛАССИФИКАЦИЯ, ОСНОВЫ ТЕОРИИ И РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ
х2 = (A/ + w)/^lnchx
+«))('-'о)]. (2.1.24)
где 10 - время открытия клапана.
Относительное колебательное движение приведенной массы жидкости в гидролинии
jq = Fq /(к cos a exp(-fa)/) х
х cos(yr - а) + Fo / к), (2.1.25)
где Fq = Роз*^1 ~ сила давления жидкости на поршень (плунжер); у = (Од/1-р2 - частота затухающих колебаний;
фазовый угол
а = arctgp/71-Р2 ;
(й = чк!т - частота свободных колебаний; Р - коэффициент демпфирования колебаний в гидросистемах с турбулентным потоком (см. (2.1.8)) [3, 5].
Место установки распределителя клапана на гидролинии (см. рис. 2.1.5) оказывает существенное влияние на переходные процессы и на максимальную величину заброса давления в гидросистемах КШМ
(2.1.26)
Для гидравлических прессов желательно Рт
-> 1. Для этого /1 -» 0 и клапан следует Ро
располагать в непосредственной близости от гидроцилиндра. В гидроимпульсных машинах
Рт
целесообразно использовать —— —> 2. Для Ро
этого —------> 1 и клапан следует распола-
/1+/2
гать вблизи аккумулятора. Для других гидравлических КШМ и, в частности, для гидровин-товых прессов и гидромолотов колебания в гидросистеме благоприятны, поскольку они уменьшают трение, но амплитуду давления
р
следует ограничить величиной —^-<1,5 и Ро
клапан целесообразно размещать вблизи середины длины /1 + /3 [3].
Волновую распределенную расчетную модель (табл. 2.1.1) целесообразно применять
для анализа параметров движения жидкости и рабочих частей гидроимпульсных кузнечноштамповочных машин, анализа волновых процессов и явлений гидравлического удара [25].
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Андронов А.А., Витт А.А., Хайкин С.Э. Теория колебаний. М.: Физматгиз, 1959.
2. Банкетов А.Н., Бочаров Ю.А., Доб-ринский Н.С. и др. Кузнечно-штамповочное оборудование. М.: Машиностроение, 1982. 574 с.
3. Бочаров Ю.А. Основы общей теории гидравлических кузнечно-штамповочных машин И Труды МВТУ. Машины и технология обработки металлов давлением. М.: Машиностроение, 1980. № 335. С. 12 - 40.
4. Бочаров Ю.А. Винтовые прессы. М.: Машиностроение, 1976. 246 с.
5. Бочаров Ю.А. Гидросистемы кузнечно-штамповочных машин. М.: Машиностроение, 1972. 60 с.
6. Бочаров Ю.А., Хорычев А.А. Гидравлические молоты и пресс-молоты. М.: НИИмаш, 1974. С. 82.
7. Бочаров Ю.А., Морозов Ю.Д. О рациональном применении методик расчета параметров гидровинтовых машин с насосноаккумуляторным приводом И Труды МВТУ. Машины и технология обработки металлов давлением. Вып. 12. М.: МВТУ, 1978. № 263. С. 3-14.
8. Бочаров Ю.А., Морозов Ю.Д. Влияние величины открытия клапанов на энергетические и кинематические показатели разгона рабочих частей гидровинтовых машин // Труды МВТУ. Машины и технология обработки металлов давлением. Вып. 12. М.: МВТУ, 1978. №263. С. 14-21.
9. Бочаров Ю.А., Морозов Ю.Д. Экспериментальное исследование гцдровинтового пресса И Труды МВТУ. Машины и технология обработки металлов давлением. Вып. 10. М.: Машиностроение, 1973. № 163.
10. Бочаров Ю.А. Анализ разгона рабочих частей машины ударного действия с учетом переменного давления в аккумуляторе // Труды МВТУ. Машины и технология обработки металлов давлением. Вып. 10. М.: Машиностроение, 1973. № 163.
11. Бочаров Ю.А., Ларионов А.М. Влияние переменного давления в аккумуляторе на скорость рабочих частей машины ударного действия И Труды МВТУ. Машины
СИСТЕМЫ ГИДРОПРИВОДА ПРЕССОВ И МАШИН
77
и технология обработки металлов давлением. Вып. 10. М.: Машиностроение, 1973. № 163.
12. Гидравлические прессы: Некоторые конструкции и расчеты / Под ред. Б.П. Васильева. М.: Машиностроение, 1966. 436 с.
13. Добринский Н.С. Гидравлический привод прессов. М.: Машиностроение, 1975. 222 с.
14. Зимин А.И., Кагарманов А.Ф., Копии И.В. Новые быстродействующие штамповочные гидравлические импульсные машины и установки. М.: НИИмаш, 1978. С. 44.
15. Матвеев И.Б. Гидропривод машин ударного и вибрационного действия. М.: Машиностроение, 1974. С. 184.
16. Нехай С.М. Проектирование гидроприводов прессов. М.: Машгиз, 1963. 160 с.
17. Петров Н.В., Москвитии С.А. Компьютерное моделирование динамики гидравлических прессов с насосным безаккумулятор-ным приводом при разделительных операциях И Кузнечно-штамповочное производство. 1998. №7.
18. Праздников А.В. Гидропривод в металлургии. М.: Металлургия, 1973.
19. Розанов Б.В. Гидравлические прессы. М.: Машгиз, 1959. 300 с.
20. Розанов Б.В., Гольман Л.Д. Динамика гидравлического пресса с насосноаккумуляторным приводом И Тр. ЦНИИТмаш. Кн. 54. М.: Машгиз, 1953.
21. Розанов Б.В. Исследование и методы расчета гидравлических прессов: Дис. ... д-ра техн. наук. М.: ОНТИ ЦНИИТмаш, 1963.
22. Синицкий В.М. Основы динамики гидрофицированных металлургических машин и агрегатов. М.: МГТУ - ВНИИТмаш, 1990. 116 с.
23. Синицкий В.М. Волновые процессы в трубопроводах прессов, оснащенных компенсаторами гидроударов // Кузнечно-штамповочные производство. 1995. № 9. С. 22 - 25.
24. Тарко Л.М. И Вестник машиностроения. 1973. №1. С. 24-25.
25. Тарко Л.М. Волновые процессы в трубопроводах гидромеханизмов. М.: Машгиз, 1963.150 с.
26. Тярасов Г.П. Гидропульсационные прессы // Кузнечно-штамповочное производство. 1996. №12. С. 30-32.
27. Парный И.А. Неу становившееся движение реальной жидкости в трубах / Гос. ИТТЛ. М.-Л., 1951.
Глава 2.2
СИСТЕМЫ ГИДРОПРИВОДА ПРЕССОВ И МАШИН
Классификация. По конструкции устройства для преобразования первичной электрической или тепловой энергии гидропривод подразделяют на насосный (безаккумулятор-ный, насосно-маховичный, насосно-аккумуляторный), гидропульсаторный и мультиплика-торный (рис. 2.2.1).
Рабочими жидкостями служат минеральное масло ’’Индустриальное" вязкостью (20...50) 10"6 м2/с при 50 °C и водная эмульсия, представляющая собой 2...3%-ную смесь с водой эмульсолов марки А или Б. Большее содержание эмульсола рекомендуется для заполнения новых гидросистем, меньшее - для эксплуатирующихся. Состав эмульсола следующий: 83...7 % минерального масла, 12,4 % олеиновой кислоты, 2,5 % едкого натра 40%-ной концентрации.
Рекомендуется также эмульсол ВНИИНП-117. Эмульсия, приготовленная дисперсной смесью 1 % этого эмульсола с водой, обладает повышенной стойкостью, лучшей смазывающей способностью и антикоррозионными свойствами [2].
Для прессов и машин применяют как индивидуальный гидропривод, предназначенный для одной машины, так и групповой - для нескольких машин. В качестве группового привода гидропрессов и других машин обычно используют насосно-аккумуляторные станции (НАС) [10, 6]. НАС размещают в отдельном помещении, примыкающем к цеху. Протяженность линий трубопроводов, соединяющих НАС с отдельными прессами, достигает нескольких метров. В современных НАС используют кривошипно-плунжерные насосы и гид-ропневматические беспоршневые аккумуляторы. Стандартное условное давление рабочей жидкости НАС составляет 20...32 МПа. Аккумулятор запасает жидкость под давлением, подаваемую насосами во время пауз в работе прессов и в периоды пониженного расхода жидкости, а подает ее в моменты, когда потребление жидкости превышает подачу насосов. Уровень жидкости в аккумуляторе меняется между верхним предельным уровнем, на котором все насосы переключаются на работу вхолостую, и нижним предельным уровнем, на котором аккумулятор отключается (прекращается расход жидкости из него).
78
Глава 2.2. СИСТЕМЫ ГИДРОПРИВОДА ПРЕССОВ И МАШИН
Рис. 2.2.1. Классификация систем гидропривода
Объем жидкости, заключенный между этими уровнями, составляет рабочий, или маневровый, объем. Для гидропрессов различного технологического назначения используют практически все виды приводов (см. рис. 2.2.1), а для гидравлических машин ударного действия - молотов и гидровинтовых прессов в основном применяют индивидуальный насосно-
аккумуляторный привод. Это объясняется большими значениями мгновенной мощности, которую должен развивать исполнительный механизм гидросистемы машин ударного действия к началу рабочего хода. Для небольших винтовых прессов, мощность привода которых не превышает 10... 15 кВт, иногда применяют насосные безаккумуляторные приводы.
СИСТЕМЫ ГИДРОПРИВОДА ПРЕССОВ И МАШИН
79
Исполнительные механизмы приводов приведены на рис. 2.2.2. Силовые гидроцилиндры а и б линейного движения применяют в качестве рабочих и возвратных гидроцилиндров, а цилиндр в - обычно в качестве возвратного или уравновешивающего. Рабочим звеном в большинстве приводов прессов и других машин служит плунжер или шток с поршнем, в некоторых конструкциях - цилиндр. В приводах гидровинтовых прессов (см. раздел 5) применяют гидродвигатели вращательного движения - г. В некоторых конструкциях винтовых прессов перемещение рабочего звена гидроцилиндра линейного движения преобразуется в винтовое (рис. 2.2.2, д, е) посредством винтового механизма с несамотормозящей резьбой [3]. Для привода гидроколенных прессов применяют гидроцилиндры линейного и винтового движения, воздействующие на коленный шарнир (рис. 2.2.2, ж и з) [2].
Системы гидропривода кузнечноштамповочных машин. В насосном гидроприводе постоянной подачи (рис. 2.2.3) в течение большей части технологического цикла работы машины мощность, развиваемая электродвигателем и насосом, пропорциональна мощности, развиваемой плунжером рабочего цилиндра, т.е. N3 = = N\. При трогании и
разгоне плунжера возможно N3 = NH > N\, так как часть подачи насоса может сбрасываться на слив через предохранительный клапан.
Если пресс выполняет операцию объемной штамповки, то нагрузка на рабочий плунжер характеризуется диаграммой, представленной на рис. 2.2.3, в. Насос, соединенный с рабочим цилиндром (рис. 2.2.3, а\ нагружен пропорционально нагрузке рабочего плунжера (рис. 2.2.3, б):
A.=«l|s (2-2.1)
где Fa - нагрузка на рабочий плунжер; оц = = 1,05... 1,07 - коэффициент, учитывающий трение в направляющих и в уплотнениях.
Наибольшую нагрузку насос воспринимает в самом конце рабочего хода; большую часть хода насос недогружен.
Установочная мощность насоса
/Г с
^н=Ри2к=1/По-^7А. (2-2.2)
где рт - максимальное давление; QH - подача насоса; F^ - максимальная сила деформирования; 51 - площадь рабочей полости цилиндра; 5Д и /д — ход и время деформирования; Т]д - объемный КПД.
Установочная мощность электродвигателя
W,=WH/nH> (2-2.3)
где Т)н - КПД насоса.
Рис. 2.23. Насосный гидропривод постоянной подачи:
а - принципиальная схема; б - диаграмма давления и подачи насоса во время ta рабочего хода пресса;
в - диаграмма мощности привода (насоса Ун и электродвигателя N3 в течение цикла); 7 - электродвигатель;
2 - насос; 3 - разгрузочно-предохранительный клапан; 4 - распределитель; 5 - рабочий цилиндр;
6 - рабочие части машины
80
Глава 2.2. СИСТЕМЫ ГИДРОПРИВОДА ПРЕССОВ И МАШИН
Рис. 2.2.4. Гидросхемы ускорения холостого хода с применением:
а - ускорительного плунжера; б - наполнительного бака; 1 - распределитель; 2 - рабочий цилиндр;
3 - бак; 4 - наполнительный клапан;
5 - последовательный клапан;
5Ь 52,5з - площади поршня, ускорительного плунжера, штоковой полости
Во время холостого хода приближения, когда подвижные части опускаются под действием низкого давления жидкости или силы тяжести, насос работает с очень малой нагруз
кой (рис. 2.2.3, в); при возвратном ходе из-за уменьшения сопротивления после трогания он также обычно недогружен. В течение технологической паузы насос должен работать вхолостую; это осуществляется с применением распределительных золотников с так называемым открытым центром, обеспечивающих соединение насоса со сливным баком в нейтральной позиции, или применением разгрузочнопредохранительных клапанов с переливным золотником.
Скорость холостого хода примерно постоянная, а во время рабочего хода она немного уменьшается из-за утечек и упругой деформации с ростом давления. Для увеличения скорости холостого хода применяют гидросхемы, показанные на рис. 2.2.4, для изменения скорости рабочего хода - схемы на рис. 2.2.5, выдержки под давлением - на рис. 2.2.6, для создания некоторых других условий состояния и движения рабочих частей - на рис. 2.2.7 [4].
В насосном гидроприводе постоянной подачи электродвигатель, непосредственно соединенный с насосом, нагружен примерно так же, как и насос. Однако электродвигатель потребляет большую мощность из-за снижения
В)
Рис. 2.2.5. Гидросхемы изменения скорости рабочего хода с применением:
а и б - дросселя; в - регулятора потока; 1 - насос; 2 - разгрузочно-предохранительный клапан; 3 - дроссель;
4 - обратный клапан; 5 - путевой переключатель; 6 - регулятор потока; 7 - распределитель;
51 - площадь поршня рабочего цилиндра
СИСТЕМЫ ГИДРОПРИВОДА ПРЕССОВ И МАШИН
81
Рис. 2.2.6. Гидросхемы для выдержки изделия под давлением с применением:
а - управляемого обратного клапана; б - микроаккумулятора; в - аккумулятора; г - зажимного цилиндра;
/ - распределитель; 2 - рабочий цилиндр; 3 - гидрозамок; 4 - микроаккумулятор; 5 - дроссельный клапан;
6 - насос; 7 - образный клапан; 8 - аккумулятор; 9 - редукционный клапан; 10 - разгрузочно-предохранительный клапан; 11- зажимной цилиндр; S| и S3 - площади поршней; S2 и S4 - площади штоковой полости
СО8ф при недогрузке во время хода приближения и технологической паузы. Для гидропрессов с короткими и частыми циклами, например для ковочных прессов, выполняющих большую часть времени протяжку или шлихтовку (когда время хода приближения мало и нет технологической паузы), применение насосного привода постоянной подачи может быть эффективным.
Улучшения использования установочной мощности электродвигателя и насосов во время рабочего хода при выполнении операций осадки, объемной штамповки и других операций, перечисленных в группе 3 табл. 1.1.1 (см. гл. 1.1), можно добиться, используя насосный привод со ступенями давления и подачи.
Насосы должны отключаться поочередно при достижении определенного давления в гидросистеме.
Принципиальная схема привода с насосами, имеющими две ступени подачи и давления приведена на рис. 2.2.8, а. Используются два насоса, один из которых 1 рассчитан на меньшее давление, чем другой 2. Насосы могут приводиться в движение одним электродвигателем 3 с двумя выходными концами вала. В начале, на участке оба насоса 1 и 2 работают совместно, перемещая плунжер пресса со скоростью, определяемой суммарной подачей (61 + 0г) Двух насосов (рис. 2.2.8, б). Затем насос /, достигнув давления plf с помощью
82
Глава 2.2. СИСТЕМЫ ГИДРОПРИВОДА ПРЕССОВ И МАШИН
в)
Рис. 2.2.7. Гидросхемы, обеспечивающие:
а - удержание рабочих частей на весу; б - регулирование скорости движения вниз; в и г - уменьшение скорости при соприкосновении штампа с изделием; 1 - распределитель; 2 - обратный клапан; 3 - подпорный клапан, 4 - рабочий цилиндр; 5 - тормозной клапан; 7 - путевой клапан; 8 - путевой тормозной клапан;
9 - наполнительный клапан, Sb S2 - площадь поршня и штоков полости рабочего цилиндра
Рис. 2.2.8. Насосный гидропривод с двумя ступенями подачи:
а - принципиальная схема; б - диаграмма давления и подачи насосов; в - диаграмма мощности привода на рабочем ходе пресса; 1 - насос низкого давления; 2 - насос высокого давления; 3 - электродвигатель; 4 - разгрузочно-предохранительный клапан первой ступени; 5 - разгрузочно-предохранительный клапан второй ступени; 6 - обратный клапан; 7 - рабочий цилиндр; Si и S2 - площадь поршня и штоков полости рабочего цилиндра
СИСТЕМЫ ГИДРОПРИВОДА ПРЕССОВ И МАШИН
83
разгрузочно-предохранительного клапана 4 переключается на слив. Насос 2, линия нагнетания которого отделена обратным клапаном 6, продолжает работать, завершая деформирование на участке s2 с пониженной скоростью, определяемой подачей Q2 этого насоса. Разгрузочно-предохранительный клапан 5 должен быть настроен на давление, несколько большее, чем рт. Установочная мощность насосов, подача и давление связаны соотношением
N„ = pmQ2 = Pi(.Qi + Q2> =
SifriPi +s2pm), {2 2 4)
(д
где и pi могут быть найдены графическим или аналитическим способом из условия минимальной площади графика или минимального времени деформирования [1]. Установочная мощность насосов и электродвигателя может быть использована полностью в двух точках рабочего хода Ьис (рис. 2.2.8, в).
В насосном приводе (рис. 2.2.9, а и б) применяют аксиально-плунжерные и радиально-плунжерные насосы с изменением подачи в зависимости от давления с помощью одной пружины, двух пружин или копирного механизма [1]. Применяют также насосы с пропорциональным (электронным) управлением подачей.
Рис. 2.2.9. Насосный гидропривод с регулируемой подачей насоса:
а - принципиальная схема; б - принципиальная схема с реверсивным насосом; в - схема устройства для изменения подачи радиально-плунжерного насоса с помощью пружины; г - диаграмма изменения подачи насоса; д - диаграмма давления и подачи насоса; е - диаграмма мощности привода; I - насос с регулируемой подачей; 2 - реверсивный насос; 3 - разгрузочно-предохранительный клапан;
4 - редукционный клапан; 5 - рабочий цилиндр; 6 - наполнительный клапан; 7 - бак; 8 - пружина;
9 - вспомогательный цилиндр; 10- регулировочный винт; 11 - барабан насоса;
Si и S2 - площади поршня и штоковой полости рабочего цилиндра
84
Глава 2.2. СИСТЕМЫ ГИДРОПРИВОДА ПРЕССОВ И МАШИН
Пружина 8 (рис. 2.2.9, в) смещает барабан 11 насоса на величину эксцентриситета е влево до упора в винт 10. Пружина затянута с силой Рпр- Подача насоса при этом наибольшая: QH = 2НД1. Вспомогательный цилиндр 9 соединен с линией нагнетания насоса. Давление жидкости р действует на плунжер вспомогательного цилиндра, имеющего площадь f При pf > Рпр барабан 11 насоса перемещается вправо, эксцентриситет уменьшается, т.е. подача насоса уменьшается. При наибольшем давлении в линии нагнетания барабан занимает крайнее правое положение, обеспечивая наименьшую подачу.
Если необходимо сохранить силу на ползуне пресса при его неподвижном положении (например, во время выдержки под давлением при прессовании пластмасс), то величину минимальной подачи следует установить такой, чтобы компенсировать утечки жидкости.
Линия характеристики пружины должна быть касательной к гиперболе = const (рис. 2.2.9, д). На участке 51 до точки касания А насос работает с полной подачей Q^, (рис. 2.2.9, г). Давление в точке А соответствует силе предварительного поджатия пружины Р ~ Рпр ~ ^пр / f-
Текущие значения подачи QH и давления ри насоса связаны соотношением
6н=6вт Рт~Р" . (2.2.5)
Рт~Рпр
где Рпр ~ давление, соответствующее затяжке пружины.
На участке S2 подача насоса уменьшается пропорционально увеличению давления (рис. 2.2.9, г).
Пропорционально изменению подачи уменьшается и скорость плунжера.
Установочная мощность насоса характеризуется равнобочной гиперболой 2VyH = = Рнтвнт =PhQh = const. При регулировании подачи насоса с помощью одной пружины используется мощность меньше установочной (рис. 2.2.9, д и е), так как подача насоса изменяется в зависимости от давления в соответствии с линией АС характеристики пружины. Следовательно, на участке регулирования мощность привода полностью не используется.
Чтобы уменьшить установочную мощность электродвигателей и лучше ее использовать, применяют маховики. В насосно-махович-ном приводе (рис. 2.2.10, а) на валу насоса и электродвигателя находится маховик, который служит накопителем (аккумулятором) механической энергии электродвигателя. Насос постоянной подачи через распределительное устройство соединен с рабочим цилиндром машины. Насос развивает мощность NH, пропорциональную мощности, развиваемой плунжером рабочего цилиндра; установочная мощность насоса 2VyH такая же, как и в насосном приводе постоянной подачи.
Установочную мощность электродвигателя можно определить как среднюю за время деформирования
N3=-^- = &9*-, (2.2.6)
(дПм Пн
где АД - работа деформирования; /д - время рабочего хода; Т]м - механический КПД пресса; рс - давление в точке с (см. рис. 2.2.10, б); Т]н - КПД насоса.
Рис. 2.2.10. Насосно-маховичный гидропривод:
а - принципиальная схема; б - диаграмма давления и подачи насоса; в - диаграмма мощности привода пресса во время /д; 1 - насос; 2 - электродвигатель; 3 - маховик;
4 - разгрузочно-предохранительный клапан; 5 - распределительное устройство; 6 - рабочий цилиндр; S*! и S2 ~ площади поршня и штоковой полости рабочего цилиндра
СИСТЕМЫ ГИДРОПРИВОДА ПРЕССОВ И МАШИН
85
Момент инерции маховика
/„ = , 2Лм-----------(2.2.7)
где Ам - работа маховика (см. рис. 2.2.10, в); Шо - синхронная угловая скорость электродвигателя; 8 - скольжение электродвигателя.
В периоды пониженных затрат мощности насосом (до точки с на рис. 2.2.10, в) электродвигатель разгоняет маховик. Энергия электродвигателя аккумулируется маховиком Ам и расходуется насосом в периоды пикового потребления мощности рабочим цилиндром (рис. 2.2.10, в). С помощью маховика достигается снижение и лучшее использование установочной мощности электродвигателя N3y. Область применения насосно-маховичного привода можно расширить, применяя обратимые гидронасосы-гцдромоторы, гидромуфты [1].
В насосно-мультипликаторном приводе (рис. 2.2.11) применен насос 1 низкого давления. Высокое давление создается во время рабочего хода встроенным мультипликатором б [4].
В насосно-аккумуляторном приводе (рис. 2.2.12, а) электродвигатель 1 приводит насос 2. Между насосом и рабочим цилиндром 7 машины находится накопитель энергии жидкости - аккумулятор 5, отделенный от рабочего цилиндра распределителем 6 с закрытым центром. Жидкость под давлением накапливается во время пауз и во время таких этапов цикла, когда расход жидкости меньше подачи насосов.
Рис. 2.2.11. Насосно-мультипликаторный гидропривод:
1 - насос; 2- разгрузочно-предохранительный клапан; 3 - распределитель; 4 - обратный клапан;
5 - регулирующий клапан; 6 - промежуточный мультипликатор; 7 - гидрозамок;
Si и S2, S3 и S4- площади поршня и штоковой полости рабочего цилиндра, площади поршня ступеней низкого и высокого давления мультипликатора
P,Q
Рис. 2.2.12. Насосно-аккумуляторный гидропривод:
а - принципиальная схема; б - диаграмма давления насоса рн, аккумуляторарл, в рабочем цилиндре прессарь в рабочем цилиндре пресс-молота и молотар2, подачи насоса QH, расхода жидкости исполнительным механизмом пресса Q\, пресс-молота и молота Q2, в-диаграмма мощности насоса 2VH, исполнительного механизма пресса ЛГЬ пресс-молота и молота JV2 во время рабочего хода /д;
I - электродвигатель; 2 - насос; 3 - разгрузочно-предохранительный клапан; 4 - обратный клапан;
5 - аккумулятор; 6 - распределитель; 7 - рабочий цилиндр;
.$! и S2 - площади поршня и штоковой полости рабочего цилиндра
ъь
глава 2,2. СИСТШЙ ГИДРРЛГЖ>ДЛ ПРЕССОВ И МАШИН
Во время этапов цикла, когда требуется повышенный расход жидкости высокого давления рн = ра, например, во время рабочего хода пресса Q} и пресс-молота Q2 (рис. 2.2.12, б), а также во время разгона рабочих масс молота, питание цилиндра машины осуществляется одновременно от насосов и аккумулятора, причем расход жидкости из аккумулятора значительно превышает подачу насосов QH. Для пресса такими периодами являются рабочий и возвратный ходы, для молота и пресс-молота - ход разгона и возвратный ход. Величины пиковых расходов для каждого из этих периодов различны и определяются произведением скорости плунжера на площадь соответствующего цилиндра или полости цилиндра машины.
Для управления потоком жидкости используется золотниковое или клапанное распределительное устройство 6. Золотник должен иметь положительное перекрытие и закрытый центр. В нейтральной позиции проточки золотника для подвода жидкости от аккумулятора, а также от цилиндров к сливной магистрали должны быть плотно перекрыты.
Между насосом и аккумулятором расположен обратный клапан 4, который предотвращает возможную разрядку аккумулятора через разгрузочно-предохранительный клапан 3 и предохраняет насос от воздействия обратного потока жидкости из аккумулятора. Насос подает жидкость в аккумулятор, и при заполнении его с помощью разгрузочно-предохранительного клапана насос переводится на слив. При понижении уровня жидкости или давления в аккумуляторе насос вновь подает жидкость в аккумулятор. При включении распределительного устройства жидкость из аккумулятора подается под давлением в рабочий цилиндр машины. Если к этому времени насос переведен на слив, то в цилиндр поступает жидкость только из аккумулятора. Если насос продолжает работать, то поток от насоса дополняет поток от аккумулятора. Таким образом, в течение времени цикла электродвигатель и насос нагружены постоянно средней за цикл мощностью N* (рис. 2.2.12, в). Мощность, развиваемая гидравлическим цилиндром машины в отдельные периоды цикла, например в
период деформирования у пресса Nx и у пресс-молота W2 (рис. 2.2.12, в), значительно превышает мощность насоса NH и электродвигателя. Пиковые расходы мощности обеспечиваются аккумулятором.
Установочная мощность насосов рассчитывается по средней величине подачи суммар-п
ного объема V, жидкости высокого давле-1
ния за время цикла t:
п
= ОнРа = По' ’ (2.2.8)
I
где Г|о - объемный КПД гидросистемы.
Для привода одной кузнечной машины используют индивидуальный насосно-аккумуляторный привод, устанавливаемый, как правило, вблизи машины или непосредственно на ней. Для привода группы кузнечных машин применяют насосно-аккумуляторные станции (НАС), располагаемые в отдельном помещении [10, 6]. Иногда НАС используют в качестве индивидуального привода мощной кузнечной машины.
Сервоуправление. Управление распределителями осуществляется электрогидравличе-ским сервоуправлением (рис. 2.2.13) [4].
В гидропульсаторном приводе генератором пульсирующей подачи рабочей жидкости служит гидропульсатор объемного вытеснения (вместо насоса) (рис. 2.2.14, а). Частота пульсаций (16...48 с-1) зависит от угловой частоты вращения ротора и числа рабочих камер, вытесняемых за один оборот ротора пульсатора. Амплитуда пульсирующего давления р„ < 32 МПа. Деформирующая сила Fn = pnsx и перемещение ползуна пресса пульсирующие, что способствует снижению деформирующей силы на 30...40 % по сравнению со статической Fc=pcSi (2.2.14, б) [11]. Возвратный ход осуществляется от аккумулятора 5.
В гидровибрационном приводе применены насос постоянной подачи и одноцикловой аккумулятор, который соединен непосредственно с рабочей полостью гидроцилиндра и в исходном состоянии разряжен (рис. 2.2.15, а).
СИСТЕМЫ ГИДРОПРИВОДА ПРЕССОВ И МАШИН
87
Рис. 2.2.13. Гидросхемы питания сервоуправления:
а - от насоса низкого давления; б - от насоса высокого давления с применением подпорного клапана; в - от насоса высокого давления с применением подпорного и редукционного клапанов;
I - электродвигатель; 2 - насос сервоуправления; 3 - разгрузочно-предохранительный клапан;
4 - распределитель; 5 - подпорный клапан; 6 ~ насос гидропривода; 7 - редукционный клапан;
8 - распределитель сервоуправления; 9 - обратный клапан
При подаче насосом 2 жидкости давление в аккумуляторе 4 и в цилиндре 5 повышается до величины р\ = F* / $1, при которой жидкость сбрасывается в бак разгрузочным клапаном 3. Повторные циклы нагружения и разгрузки
создают вибрирующую силу F* определенной частоты и амплитуды, воздействующую на обрабатываемый материал (рис. 2.2.15, б) [7]. Возвратный ход осуществляется от аккумулятора 6.
Рис. 2.2.14. Гидропульсаторный привод: а- принципиальная схема; б - диаграмма давления жидкости во время рабочего хода;
1 - электродвигатель; 2 - гидропульсатор;
3-разгрузочно-предохранительный клапан;
4 - рабочий цилиндр; 5 - аккумулятор;
рс-давление в рабочем цилиндре при статическом деформировании; р„ - давление при пульсаторном деформировании; si - перемещение при единичной пульсации; 5Д - рабочий ход;
3| - площадь поршня рабочего цилиндра
Рис. 2.2.15. Гидровибрационный привод: а - принципиальная схема; б - давление в рабочем цилиндре; 7 - электродвигатель;
2 - насос; 3 - клапан-пульсатор;
4 - аккумулятор; 5 - рабочий цилиндр; б - аккумулятор
О
88
Глава 2 2. СИСТЕМЫ ГИДРОПРИВОДА ПРЕССОВ И МАШИН
Рис. 2.2.16. Гидроимпульсный привод:
а - принципиальная схема; б - давление в гидролинии; 1 - электродвигатель; 2 - насос;
3 - разгрузочно-предохранительный клапан;
4 - обратный клапан; 5 - аккумулятор; 6 - гидролиния;
7 - рабочий цилиндр; 8 - сливной клапан;
9 - импульсный клапан; 10 - распределитель
В гидроимпульсном приводе между аккумулятором 5 (рис. 2.2.16, а) и рабочим цилиндром 7 расположена гидролиния б длиной / и импульсный клапан 9. При быстром (^ < 1/10 2 И с) открытии клапана по гвдролинии 6 пробегает со скоростью с = 1000... 1200 м/с фронт упругой волны сжатия жидкости до давления ра аккумулятора. При встрече с поршнем цилиндра 7 в момент времени t = I / с давление скачком может достичь величины приблизительно 2ра. Отраженная волна с таким давлением устремляется в обратном направлении к клапану 9, который к этому времени t = 2 // с должен быть быстро закрыт. Потенциальная и кинетическая энергия упругой волны сжатой жидкости применяется для импульсного деформирования материалов [5].
В мультипликаторном приводе энергия пара, сжатого воздуха или механическая энергия электродвигателя преобразуется в энергию давления жидкости с помощью мультипликатора, в первичном звене которого ранее применялся пар (паровой мультипликатор) [8], а в современных конструкциях применяют мультипликаторы с электромеханическим приводом: реечные, винтовые, кривошипные. С помощью реечного, винтового или кривошипного механизмов вращательное движение элек
тродвигателя преобразуется в поступательное перемещение плунжера мультипликатора [1]. Мультипликаторный гидропривод с кривошипным механизмом нашел применение в некоторых конструкциях ковочных прессов под названием "синусоидальный привод" для создания коротких шлихтовочных нажатий при протяжке.
Комбинированный привод. В комбинированном (насосном и насосно-аккумуляторном) приводе все этапы технологического цикла, не требующие большого расхода жидкости высокого давления (ход приближения, возвратный ход), осуществляются от насоса непосредственно, а такие этапы цикла, как разгон и деформирование, - от аккумулятора и насоса [1,2,3].
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бочаров Ю.А., Прокофьев В.Н. Гид-ропривод кузнечно-прессовых машин. М.: Высшая школа, 1969. 248 с.
2. Бочаров Ю.А. Гидросистемы кузнечно-штамповочных машин. М.: Машиностроение, 1972. 60 с.
3. Бочаров Ю.А. Винтовые прессы. М.: Машиностроение, 1976. 248 с.
4. Добринский Н.С. Гидравлический привод прессов. М.: Машиностроение, 1975. 222 с.
5. Зимин А.И., Кагарманов А.Ф., Копии И.Е. Новые быстродействующие штамповочные гидравлические импульсные машины и установки. М.: НИИмаш, 1978. 44 с.
6. Кармацкий Ю.И., Коровин Е.А. Насосно-аккумуляторные станции (конструкции и расчет). М.: Машгиз, 1965. 150 с.
7. Матвеев И.Б. Гидропривод машин ударного и вибрационного действия. М.: Машиностроение, 1974. 184 с.
8. Мюллер Э. Гидравлические прессы и их приводы: Пер. с нем. М.: Машиностроение, 1965.316 с.
9. Нехай С.М. Проектирование гидроприводов прессов. М.: Машгиз, 1963. 160 с.
10. Розанов Б.В. Гидравлические прессы. М.: Машгиз, 1950. 300 с.
И. Тарасов Г.П. Гидропульсационные прессы // Кузнечно-штамповочное производство. 1996. №12. С. 30-32.
ГИДРОСТАТЫ ДЛЯ КОМПАКТИРОВАНИЯ ПОРОШКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ
89
Глава 2.3
ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ И ГАЗОВЫЕ СТАТЬ!
2.3.1. ГИДРОСТАТЫ ДЛЯ КОМПАКТИРОВАНИЯ ПОРОШКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ
В производственной практике наиболее широко используются два метода гидростатического компактирования порошковых материалов: "сухого" и "мокрого" прессования.
Метод "сухого" прессования применяется при серийном производстве однотипных изделий. Для этого эластичная оболочка закрепляется в контейнере таким образом (рис. 2.3.1), что в ее внутреннюю полость можно засыпать порошок, а снаружи подавать жидкость под необходимым давлением. После герметизации засыпанной заготовки она обжимается снаружи давлением жидкости. Для извлечения отпрессованного изделия рабочая камера гидростата раскрывается и специальным механизмом заготовка удаляется из контейнера.
Наибольшее распространение метод "сухого" прессования получил в производстве изделий из огнеупорных материалов в огнеупорной, оптической и электротехнической промышленности.
Для гидростатов, работающих по методу "сухого" прессования, широко используется безрамная схема. В этом случае гидростат представляет собой толстостенный цилиндр с цельным (см. рис. 2.3.1) или отъемным днищем.
Рис. 23.1. Гидростат для "сухого" метода:
/ - байонетный затвор; 2 - отсекатель;
3 - контейнер; 4 - ограничитель; 5 - эластичный чехол; 6 - порошковая заготовка
Метод "мокрого" прессования является универсальным для получения сложных по геометрии, а также крупногабаритных изделий из порошковых материалов, требующих при прессовании высокого давления жидкости.
По этому методу заполнение порошком пресс-форм с оболочкой осуществляется вне гидростата. Затем пресс-форма помещается в контейнер, заполненный рабочей жидкостью, в котором создается необходимое давление для получения плотного изделия. При использовании гидростатов "мокрого" прессования необходимы специализированные стенды для сборки и разборки пресс-форм, виброуплотнения и вакуумирования порошковой заготовки, а также средства механизации для транспортировки пресс-форм от стенда к гидростату и обратно.
Гидростаты для "мокрого" метода прессования строятся в безрамном и рамном исполнении.
В безрамных гидростатах осевая сила воспринимается рабочим контейнером через пробки с байонетным или резьбовым затвором.
Однако в связи с ростом величин рабочего давления прессования, размеров контейнеров и требований по технике безопасности наибольшее распространение получила рамная конструкция гидростатов, в которой осевая сила передается на раму. Рамы гидростатов выполняют либо сборными из ригелей и стоек, скрепленных высокопрочной лентой (рис. 2.3.2), либо сборными из катаных толстостенных замкнутых плит.
Гидростаты в зависимости от назначения изготавливают с гидравлическим насосно-мультипликаторным приводом, работающим на воде или минеральном масле. Максимальное давление в контейнере создается плунжером мультипликатора, размещенного в гидростате. В зависимости от величины рабочего давления прессования гидростаты имеют две или три ступени давления: первая создается насосами, подающими жидкость под давлением 32 МПа, вторая - вынесенными мультипликаторами под давлением до 200 МПа, а третья -встроенным мультипликатором (размещенным в раме), питаемым от насоса с давлением 32 МПа или мультипликатора с давлением 200 МПа. Цикл работы гидростатов зависит от объема контейнеров и составляет от 8 до 16 мин.
90
Глава 2.3. ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ И ГАЗОВЫЕ СТАТЬ!
Рис. 2.3.2. Гидростат для "мокрого" метода прессования, скрепленный обмоткой из высокопрочной ленты:
1 - скрепленная обмоткой станина; 2 - скрепленный обмоткой контейнер
Сила, действующая на дно контейнера 3 (см. рис. 2.3.1) и байонетный затвор 7, передается на стенки контейнера. В контейнере установлен перфорированный ограничитель 4 с дном, повторяющим наружную геометрическую форму спрессованного изделия с учетом коэффициента усадки порошка при прессовании. Верхний торец изделия оформляется отсекателем 2. Внутри ограничителя установлен тонкостенный эластичный чехол 5. Радиальные отверстия в корпусе контейнера предназначены для подвода жидкости высокого давления и вакуумирования пространства между внутренней поверхностью контейнера и перфорированным ограничителем. Вакуумирование указанного пространства позволяет растянуть эластичный чехол на величину усадки порошка при прессовании.
Засыпка порошкового материала осуществляется при снятой верхней крышке. После
окончания засыпки устанавливается верхняя крышка и посредством вакуум-насоса (при необходимости) через подводы в верхней крышке удаляется воздух из порошка. После окончания вакуумирования включается гидропривод, жидкость под высоким давлением подается в контейнер и через отверстия в перфорированном ограничителе воздействует равномерно на эластичный чехол, который передает это давление на порошок, оформляя своей внутренней поверхностью необходимую конфигурацию изделия.
Все технологические операции (засыпка порошка, закрывание затвора, открывание затвора, извлечение спрессованного изделия) механизированы и автоматизированы. Производительность подобных гидростатов - до 20 изделий в час при обслуживании одним человеком.
ГАЗОСТАТЫ ДЛЯ КОМПАКТИРОВАНИЯ ПОРОШКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ
91
2.3.2. ГАЗОСТАТЫ
ДЛЯ КОМПАКТИРОВАНИЯ ПОРОШКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ
После гидростатического компактирова-ния, как правило, необходимо проводить последующее спекание заготовки, чтобы придать ей окончательные свойства. Совмещение компактирования и спекания в одну операцию позволяет снизить давление и температуру обработки, повысить качество изделий и упростить технологию. Однако при использовании жидкой рабочей среды температура компакти-рования ограничивается теплостойкостью жидкости и не может превышать 500 °C. Часто этого недостаточно для получения нужных свойств. Более высокая температура при совмещении компактирования и спекания возможна при использовании в газостатах инертной (аргонной) или нейтральной (азотной) газовой рабочей среды. Применение газоста-тов позволяет обеспечить комбинированное воздействие высокого давления (до 200 МПа) и температуры (до 2200 °C). Это дает возможность получения высококачественных монолитных изделий с плотностью, близкой к теоретической, из порошков труднодеформируе-мых металлических и неметаллических материалов, проведения диффузионной сварки заготовок сложной конфигурации из однородных и разнородных материалов, “залечивания" дефектов в литье, восстановления работоспособности деталей, выработавших свой ресурс, изготовления изделий из композиционных материалов (в том числе класса угле-род-углерод), а также капсулирования газов. Полученные изделия могут иметь особые сочетания служебных свойств (высокие прочность, жаропрочность и пластические характеристики, пониженную скорость ползучести, изотропность или заданное распределение свойств и т.д.), которые нельзя обеспечить с помощью традиционных технологий.
Технологические возможности газостата определяются размерам рабочего пространства, давлением рабочей среды и ее температурой.
Основным узлом газостата является контейнер с пробками, которые образуют его камеру. Внутри камеры газостата расположено нагревательное устройство (цилиндрический нагреватель и термоизоляционный колпак). Заготовка размещается в рабочем пространстве внутри нагревателя (рис. 2.3.3).
Газ обладает высокой сжимамостью, и энергия, аккумулирования в нем, достаточно велика. Например, в каждом кубическом дециметре аргонной рабочей среды с давлением 200 МПа аккумулирована энергия взрыва 0,062 кг тринитротолуола. Следовательно, в крупных газостатах аккумулируется энергия, эквивалентная сотням килограммов тринитротолуола.
Для обеспечения безопасности при эксплуатации и предотвращения возникновения ударных волн и осколков при разрушении газостата к его конструкции, прочности и надежности, а также к помещению, где он расположен, предъявляются специфические требования.
Нагрузки от давления рабочей среды в радиальном направлении замыкаются в стенках контейнера, а для восприятия осевых сил, воздействующих на пробки, используют резьбовые или байонетные затворы, передающие эти силы на стенки контейнера, либо отдельную станину.
Конструкция газостата с отдельной станиной позволяет устранить концентраторы напряжений в контейнере в зоне крепления пробок и обеспечивает возможность использования при создании этих узлов многоэлементных конструкций контейнеров и станин.
Многоэлементный контейнер представляет собой втулку, скрепленную обмоткой из высокопрочной ленты или большим количеством установленных по ее высоте колец.
Втулку контейнера выполняют из высококачественной стали с высокими механическими свойствами и низкой склонностью к распространению трещин. В процессе изготовления свойства втулки тщательно контролируют.
В таком контейнере появление трещины во втулке или в одном из скрепляющих колец не приводит к ее лавинообразному распространению и разрушению всей конструкции.
Многоэлементную станину выполняют в виде стоек и ригелей, скрепленных обмоткой из высокопрочной ленты, либо набирают в виде пакета стальных пластин.
Многоэлементная конструкция контейнера и станины обеспечивает постепенный выход газа при разрушении контейнера и, следовательно, безопасность эксплуатации газо-статов. Благодаря этому такие машины можно устанавливать в обычных производственных помещениях, оснащенных дополнительно предохранительными окнами.
92
Глава 2.3. ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ И ГАЗОВЫЕ СТАТЬ!
Рис. 233. Принципиальная схема газостата и его основных систем:
I - газовая система; II - вакуумная система; III - газостат с системой нагрева; IV - система охлаждения; / - баллонная станция; 2 - вентиль; 3 - манометр; 4 - предохранительный клапан; 5 - газовый фильтр;
6 - газовый холодильник; 7 - датчик давления; 8 - компрессор; 9 - самописец давления; 10 - мановакууметр; / / - вакуумный насос; 12 - гидравлический домкрат; 13 - верхний ригель станины; 14 - скрепляющая обмотка станины; 15 - каналы охлаждения верхней пробки; 16- стойка станины; 17- каналы охлаждения контейнера; 18 - наружная рубашка контейнера; 19 - обмотка контейнера; 20 - втулка контейнера; 21 - фланец контейнера; 22 - нижний ригель станины; 23 - промежуточная пробка; 24 - термопарный ввод; 25 - токоввод; 26 - нижняя пробка; 27 - каналы охлаждения промежуточной и нижней пробок; 28 - трансформаторы и тиристорные регуляторы; 29 - самописец температуры; 30 - донная термоизоляция; 31 - заготовка; 32 - термопара;
33 - нагреватель; 34 - термоизоляционный колпак; 35 - уплотнение; 36 - верхняя пробка; 37 - теплообменник системы охлаждения; 38 - ротаметр барботирующего газа; 39- осушитель; 40 - распылитель бака;
41 - термометр; 42 - редуктор; 43 - баллон для барботирующего газа; 44 - насос замкнутого контура системы охлаждения; 45 - форсунка для барботирования воды в баке; 46 - указатель уровня;
47- бак замкнутого контура системы охлаждения
Пробки газостатов выполняют в виде отдельных дисков, между которыми расположены уплотнительные кольца круглого сечения и каналы для циркуляции охлаждающей жидкости. Пробки оснащены газовыми уплотнителями и вводами для термопар и электрических проводов. Газовые уплотнения выполняют в виде U-образных манжет из полиуретана и треугольных противоэкструзи-онных колец из бериллиевой бронзы. Вакуумные уплотнения иногда выполняют в виде отдельных колец круглого сечения, размещенных в канатах пробок.
Вводы для термопар и электрических проводов выполняют в виде специальных разборных узлов, оснащенных газовыми уплотнителями в виде колец круглого сечения или манжет.
Работа газостата по заданным режимам обеспечивается газовым приводом и системами нагрева, охлаждения, вакуумирования, управления и другими устройствами и механизмами.
Подготовка заготовок к обработке в газо-стате проводится вне машины: порошок засыпается в металлическую оболочку, которая вакуумируется и герметизируется; на пористые
ГАЗОСТ АТЫ ДЛЯ КОМПАКТИРОВАНИЯ ПОРОШКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ
93
заготовки наносят покрытия; заготовки для диффузионной сварки предварительно прихватываются, а их стыки герметизируются и т.д.
Цикл газостатической обработки включает в себя: загрузку заготовки, закрытие камеры газостата, удаление из нее воздуха (ваку-уммирование), подъем давления в камере при подаче рабочей среды из баллонов для хранения газа (баллонной станции) до выравнивания давления между ними, подъем давления в камере за счет закачивания в нее газа из баллонной станции с помощью компрессоров, нагрев, выдержку заготовки при заданных давлении и температуре в рабочем пространстве, охлаждение заготовки, выпуск газа из камеры, откачивание газа из камеры в баллонную станцию с помощью компрессоров, выпуск газа в атмосферу, открытие камеры, удаление заготовки. В зависимости от требований технологии некоторые из этих операций могут быть исключены, переставлены по порядку, совмещены с другими или же использованы повторно.
Загрузка и удаление заготовок в промышленных газостатах механизированы. Все операции рабочего цикла могут быть автоматизированы и выполняться по программе.
Длительность цикла газостатической обработки составляет от нескольких часов на лабораторных машинах до десятков часов на промышленном оборудовании.
Газовый привод включает: баллонную станцию, устройства для создания давления рабочей среды, контрольную, регулирующую и запорную арматуру и аппаратуру, холодильники, предохранительные устройства, фильтры и трубопроводы, а при необходимости - систему очистки.
Система нагрева включает: нагревательное устройство, токовводы, регуляторы напряжения, трансформаторы и соединяющие их кабели. В зависимости от температуры нагрева нагреватели и термоизоляционный колпак выполняют из различных материалов.
При рабочей температуре до 1100... 1200 °C нагреватели выполняют из сплавов типа Fe-Cr-Al, при температуре до 1500 °C - из молибдена, при температуре до 2000...2200 °C -из графита. Термоизоляцию колпака изготовляют из каолиновой ваты, алюмохромосили-катной ваты, графитового войлока. Нагревате
ли обычно имеют несколько зон по высоте; температура каждой зоны регулируется в зависимости от показаний соответствующей термопары.
Система охлаждения, как правило, имеет два контура - замкнутый и открытый. В замкнутом контуре охлаждения жидкость (вода, ингибированная антикоррозионными добавками) из бака с помощью насоса подается к охлаждаемым узлам (контейнеру, пробкам, компрессорам, газовым холодильникам), проходит через теплообменники и поступает обратно в бак, в котором она барботируется аргоном в целях удаления растворенного кислорода. В теплообменниках эта вода охлаждается водой из открытого контура - заводского водооборота.
Система управления с помощью соответствующих датчиков и устройств обеспечивает измерение и регулирование давления и температуры на всех стадиях рабочего цикла газостата. В современных системах предусматриваются устройства для автоматического проведения рабочего цикла по заданной программе с возможностью его оптимизации.
Промышленность выпускает лабораторные мини-газостаты, полупромышленные и промышленные газостаты. От имеют диаметр рабочего пространства 75... 1500 мм, высоту рабочего пространства 100...3175 мм, рабочее давление до 320 МПа, рабочую температуру до 2200 °C.
В целях сокращения длительности рабочего цикла современные газостаты оснащают газовым приводом повышенной подачи, устройствами для ускоренного охлаждения и унифицированными нагревательными устройствам. Последние позволяет нагревать заготовки вне камеры газостата на стенде, а также транспортировать, устанавливать и обрабатывать их в камере газостата.
Устройства для ускоренного охлаждения предотвращают конвективный теплообмен между заготовкой, стенками контейнера, его пробками и внешними холодильниками во время разогрева заготовки и ее выдержки, а также интенсифицируют конвективный теплообмен во время охлаждения заготовки. Это достигается за счет использования встроенных внутри камеры газостата вентиляторов или внешних циркуляционных компрессоров, а
94
Глава 2.4. КОВОЧНЫЕ И ГОРЯЧЕШТАМПОВОЧНЫЕ ПРЕССЫ И КОМПЛЕКСЫ
также управляемых клапанов, встроенных в термоизоляционный колпак.
Расширяя технологические возможности, выпускают газостаты для совмещения процесса спекания в вакууме заготовки из порошка без оболочки и последующей газостатической обработки этой спеченной заготовки. При этом иногда используют газостаты с рабочим давлением, не превышающим 10 МПа, в которых перед началом спекания из заготовки в результате нагрева и вакуумирования удаляют пластифицирующие добавки.
Для обеспечения возможности обработки заготовок в реакционных газах, агрессивных по отношению к материалам камеры газоста (например, обработка оксидной керамики в кислородной среде), выпускают двухкамерные газостаты. Внутренняя камера такого газостата образована герметичной тонкостенной оболочкой и соединена с источником реакционного газа. В наружной камере находится инертный газ под давлением, превышающим давление газа во внутренней камере примерно на 0,5 МПа. Особенностью таких газостатов является система синхронизации давлений в камерах, обеспечивающая указанный перепад.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Зверев А.Д., Кривонос Г.А., Максимов Л.Ю. Технологические возможности газостатической обработки. Зарубежная информация. Вып. 169. М.: ЦНИИТЭИтяжмаш, 1989. 64 с., ил.,
2. Зверев А.Д., Кривонос Г.А., Максимов Л.Ю. Зарубежное оборудование для газостатической обработки: Обзор. М.: ЦНИИТЭИтяжмаш, 1987. 48 с., ил. (Металлургическое оборудование. Сер. 1. Вып. 3).
3. Зверев А.Д., Кривонос Г.А., Максимов Л.Ю. Техника безопасности при газостатической обработке: Зарубежный опыт. М.: ЦНИИТЭИтяжмаш, 1989. 26 с., ил. (Энергетическое машиностроение. Сер. 14. Вып. 7).
4. Зверев А.Д., Кривонос Г.А., Максимов Л.Ю. Новое оборудование и процессы газостатической обработки: Зарубежный опыт. М.: ЦНИИТЭИтяжмаш, 1989. 48 с., ил. (Энергетическое машиностроение. Сер. 14. Вып. 8).
Глава 2.4
КОВОЧНЫЕ
И ГОРЯЧЕШТАМПОВОЧНЫЕ ПРЕССЫ И КОМПЛЕКСЫ
2.4.1. КОВОЧНЫЕ ПРЕССЫ И КОМПЛЕКСЫ
Автоматизированные ковочные компрессоры (АКТ) с ЧПУ (табл. 2.4.1) предназначены для свободной ковки с точностью ± (1,0... 1,5) мм поковок круглого, квадратного и полосового сечения, а также ступенчатых валов массой от 400 до 10 000 кг.
На агрегате могут быть выполнены все операции свободной ковки, при этом поковки с вытянутой осью типа гладких профилей круглого, квадратного и полосового сечения, а также круглых ступенчатых валов могут изготавливаться в режиме программного управления.
В состав агрегатов входят: гидравлический пресс с нижним расположением цилиндров и неразъемной двухстоечной рамой, оснащенный продольным выдвижным и поперечным инструментальными столами, а также механизмом с дистанционным управлением для крепления верхних бойков; рельсовый манипулятор с тиристорным электроприводом, обеспечивающим регулируемые скорости перемещения и вращения поковки; тележка с поворотным столом для разворота и перехвата манипулятором поковок; устройство числового программного управления, обеспечивающее автоматизацию процесса путем синхронизации движений механизмов пресса и манипулятора.
Автоматизированный комплекс с ЧПУ на базе гидравлического ковочного пресса с верхним приводом силой 3150 кН. Комплекс мод. А КПА 1035-1 предназначен для свободной ковки поковок широкой номенклатуры (гладких и ступенчатых валов, фланцев, кубиков, колец и др.) массой 25...500 кг из углеродистых и легированных сталей в кузнечных цехах машиностроительных заводов.
В состав комплекса входят: пресс гидравлический ковочный силой 3150 кН мод. ПА 1235, манипулятор ковочный стационарный грузоподъемностью 630 кг мод. МКС 0,63, машина посадочная колесная с кантователем грузоподъемностью 630 кг мод. МПК 0,63.
КОВОЧНЫЕ ПРЕССЫ И КОМПЛЕКСЫ
95
2.4.1. Техническая характеристика ковочных агрегатов с программным управлением
Параметр АКП 500/2,5 АКП 1250/2,5, АКП 1250/5/5 АКП 200/10 АКП 3150/10, АКП 3150/10/10
Сила пресса, МН 5 12,5 20 31,5
Ход подвижной рамы, мм 710 1250 1600 2000
Число одновременно управляемых координат пресса 1 1 1 1
Число позиций механизма смены нижнего бойка 4 3 3 3
Дискретность перемещений подвижной рамы, мм 1 1 1 1
Частота ходов рамы, мин-1 32...115 22... 100 18...90 14...90
Грузоподъемность манипулятора, т 2,5 2,5; 5/5* 10 10; 1 0/10*
Число одновременно управляемых координат манипулятора 4 4 4 4
Габаритные размеры (длина х ширина х высота 23 500х1900х 3000x16 000 х 35150x25320х 42 100x26 700х
над уровнем пола), мм х3520 х4960 х5620 х6800
Наибольшее заглубление, мм 4950 7800 10 700 11 500
Масса, т 142 427 875 1280 1400
Примечание. Изготовитель Днепропетровский завод тяжелых прессов. * Агрегат ковочный оснащен двумя манипуляторами.
Пресс оснащен быстродействующими дистанционно управляемыми механизмами крепления верхнего и нижнего инструментов на оси пресса.
Имеется шестипозиционный инструментальный магазин для вспомогательного инструмента и механическая рука для подачи инструмента в рабочую зону. В прессе предусмотрено устройство для смены верхнего бойка. Привод пресса индивидуальный масляный от регулируемых насосов.
Манипулятор стационарный, поворотный, с регулируемыми электроприводами основных механизмов. Схват хобота манипулятора оснащен губками и кернами, что позволяет оперативно захватывать и кантовать поковки различной конфигурации.
Комплекс оснащен электронной системой числового программного управления, что позволяет дистанционно осуществлять задание и контроль размеров поковок по толщине, а также автоматизировать отдельные движения ползуна пресса и исполнительных механизмов манипулятора.
Управление прессом и манипулятором осуществляется одним оператором с пульта.
Управление посадочной машиной, кантователем, механической рукой и шестипозиционным инструментальным магазином производится вторым оператором с пульта посадочной машины и отдельного навесного пульта, размещенного на станине пресса.
Техническая характеристика комплекса
Номинальная сила пресса, кН....... 3150
Грузоподъемность, кг: манипулятора................... 630
посадочной машины.............. 630
Наибольшие диаметры поковок, мм: валов.......................... 290
колец.......................... 600
Наибольшая длина поковки, мм....... 1500
Наибольшая масса поковки, кг: валов.......................... 500
кубиков........................ 220
фланцев........................ 80
колец.......................... 150
Достижимая точность ковки по толщине, мм.............. ±1,5
Число обслуживающих рабочих........ 2
Установленная мощность электродвигателей, кВт............. 195
96
Глава 2.4. КОВОЧНЫЕ И ГОРЯЧЕШТАМПОВОЧНЫЕ ПРЕССЫ И КОМПЛЕКСЫ
Габаритные размеры комплекса (длина х ширина х высота 8000 х 10 100 х
над уровнем пола), мм..............х 4700
Максимальное заглубление приямка, мм........................3400
Масса оборудования комплекса, кг: пресса........................ 52000
манипулятора................... 9000
машины посадочной..............5000
Примечание. Изготовитель Днепропетровский завод тяжелых прессов.
Ковочные комплексы с верхним приводом и манипулятором. Комплексы (табл. 2.4.2) предназначены для свободной ковки крупногабаритных поковок. В состав каждого комплекса входят: ковочный пресс, ковочный манипулятор, подъемно-поворотный стол, устройство для смены комплекта бойков, инструментальный манипулятор, система контроля заданного размера поковки.
Привод прессов насосно-аккумуляторный (НАС). Рабочая жидкость - вода с эмуль-солом давлением 32 МПа. Механизмы пере
движения столов выполнены с приводом от двух плунжерных гидроцилиндров, обеспечивающих полный ход столов в обе стороны от оси пресса. На ковочном прессе силой 150 МН, самом крупном в стране, могут обрабатываться слитки массой до 350 т (с осадкой).
Любой из размещенных на инструментальном столе комплектов бойков может быть установлен по оси пресса, при этом корпус нижнего бойка входит в зацепление с выступом подвижной плиты механизма поперечного перемещения, ходом которой комплект бойков подается на ось пресса.
Инструментальный манипулятор предназначен для подачи в рабочую зону пресса накладного инструмента (топоров, просечек, уголков и т.п.); он включает в себя основание с размещенной на нем подвижной плитой, на которой смонтирована подъемно-поворотная обойма с шестью инструментальными штангами.
Ковочные манипуляторы напольные рельсовые, работающие в составе комплексов, состоят из двух основных частей: захватного узла, включающего хобот с клещевой головкой, и передвижной рамы с ходовыми колесами.
2.4.2. Техническая характеристика ковочных комплексов с верхним приводом и манипулятором
Параметр Комплекс силой, МН
40 60 150
Сила, МН, на ступени: I 13,3 20 50
II 26,6 40 100
III 40 60 150
Ход подвижной траверсы, м 2,5 2,6 4
Открытая высота пресса, м 4,15 6 8,5
Расстояние между колоннами в свету, м 1,220x3,25 1,65x4,05 2,3 х 5,6
Размеры рабочей поверхности стола, м 2,9x6 3,2x8 4,7x1,2
Ход стола в обе стороны, м 2,25; 4 3; 4 4; 6
Скорость перемещения подвижной траверсы, м/с, при ходе: рабочем 0,15 0,08 0,08
холостом >0,3 >0,3 >0,3
Габаритные размеры прессовой установки (длина х ширина х х высота над уровнем пола), м 6,83x28,5x12,3 28,7x47,76x13,76 37,46x52,82x19,86
Заглубление, м 5,245 5,68 8,0
Допускаемый эксцентриситет при ковке, м 0,2 0,3 0,3
Масса установки (без НАС и манипулятора), т 1520 2300 5360
Примечание. Изготовитель Уральский машиностроительный завод.
ТЯЖЕЛЫЕ ГОРЯЧЕШТАМПОВОЧНЫЕ ПРЕССЫ
97
Ковочный пресс силой 150 МН. Ковочный пресс конструкции ОАО ’’Уралмаш” силой 150 МН - один из наиболее мощных ковочных прессов в мировой практике прессостроения (рис. 2.4.1).
Пресс работает в составе ковочного комплекса, оснащенного ковочным манипулятором грузоподъемностью 120 т и инструментальным манипулятором типа ’’Роза” на шесть позиций инструмента.
Инструментальный манипулятор (устройство для подачи инструмента располагается рядом с прессом) передвигается по направляющим к прессу, поворачивается вокруг вертикальной оси необходимой позицией и подает в рабочую зону необходимый инструмент (например, топор).
Такая конструкция инструментального манипулятора компактна и занимает небольшую производственную площадь по сравнению с колесными манипуляторами и стеллажами инструмента.
2.4.2. ТЯЖЕЛЫЕ ГОРЯЧЕШТАМПОВОЧНЫЕ ПРЕССЫ
Тяжелые гидравлические прессы начали использоваться для штамповки крупногабаритных деталей из легких сплавов в конце 30-х годов XX века, когда фирмами ’’Шлеман”, ’’Леви" и ’’Сомуа” были построены прессы силой 100, 120, 150 и 200 МН.
В табл. 2.4.3 приведены основные характеристики крупнейших в мире штамповочных прессов силой 100 МН и выше [1].
Рис. 2.4.1. Ковочный пресс силой 150 МН в составе комплекса: / - устройство подачи инструмента в рабочей позиции; 2 - пресс
4-819
2.4.3. Краткая характеристика крупных горячештамповочных прессов различных фирм мира
Параметр "Шлём ан", Германия, 1939 г. "Места", США, 1945 г УЗТМ. СССР, 1950 г. НКМЗ, СССР, 1980 г. "Леви", Англия, 1939 г. "Шлём ан", Германия, 1937 г. НКМЗ, СССР, 1961 г. НКМЗ, СССР, 1980 г. "Места", США, 1943 г. "Сомуа", Франция, 1939 г. "Камерон", США, 1959 г. АСВ, Франция, 1964 г "Шлёман", Германия, 1941 г.
Сила пресса, МН 100 100 100 100 120 150 150 150 162 200 200 200 300
Давление жидкости в главных цилиндрах, МПа 32 32 32 64 32 100 63 32 50 50 50 45
Размеры стола, мм длина 5000 5580 5500 3000 3960 6150 1500 3500 3760 2500 3500 3000 10 000
ширина 1900 1980 1900 1600 1830 2150 1000 1800 2160 1500 3000 2000 3400
Открытая высота штампового пространства, мм 3300 3350 3 500 2300 3650 2500 1000 2300 3060 1500 4000 2500 2700
Ход поперечины, мм 1400 1400 1500 750 3050 1400 250 700 1525 400 2250 1000 1800
Допустимый эксцентриситет нагружения, мм: по продольной оси До 250 240 150 300
по поперечной оси — — — 160 — — 150 200 — — — — —
Высота пресса, мм: общая 15 950 13 940 17 100 15 825 7800 11 985 14 500 25 000 12 500
над полом 11 500 9200 - - 13 035 10 600 3400 6805 9760 - 15 000 7780 -
Размеры пресса в плане, мм: длина 16 050 24 000 3800 18 170 7000 16 000
ширина - 5540 - - - 8100 3500 5060 - - - 5500 6500
Масса пресса, т 765 1000 1090 640 - 2000 346 1030 2250 645 1350 - 5200
Глава 2 4 КОВОЧНЫЕ И ГОРЯЧЕШТАМПОВОЧНЫЕ ПРЕССЫ И КОМПЛЕКСЫ
Параметр УЗТМ, СССР, I960 г. нкмз, СССР, 1963 г. "Г идрав-лик", ФРГ, 1964 г. ’’Камерон", США, 1966 г. нзтсг, СССР, 1969 г
Сила пресса, МН 300 300 300 300 300
Давление жидкости в главных цилиндрах, МПа 45 100 50 50 32
Размеры стола, мм: длина ширина 10 000 3300 2700 1800 5000 2000 4500 3500 2500 1500
Открытая высота штампового пространства, мм 3000 1650 2500 5000 3100
Ход поперечины, мм 1500 450 1000 3000 800
Допустимый эксцентриситет нагружения, мм: по продольной оси по поперечной оси 400 200 150 150 - - 150 150
Высота пресса, мм: общая над полом 24 000 13 600 11410 4925 16 000 34 500 14 500 13 300 8300
Размеры пресса в плане, мм: длина ширина 11 000 9400 4870 3700 - - 2500 1500
Масса пресса, т 6522 1200 - - 1150
Продолжение табл 2.4.3
"Юнайтед", США, 1955 г "Леви", США, 1955 г. "Камерон", США, 1974 г. "Леви", США, 1955 г. "Места", США, 1955 г. нкмз, СССР, 1976 г нкмз, СССР, 1959 г.
315 315 350 450 450 650 750
31,5 31,5 31,5 31,5 31,5 63 32/20
8220 9300 9900 7925 6000 16 000
2100 3660 - 3700 3660 3500 3500
3350 3600 7200 4200 4000 5500 4500
1830 1830 3600 1830 1830 1500 2000
500 600
— — — — — 200 300
21 945 34 000 35 000 36 520 39 700 34 700
10 000 14 000 - 15 000 15 544 25 700 21 900
23 600
- - - - - - 13 300
5200 - - - - 11 760 20 500
ТЯЖЕЛЫЕ ГОРЯЧЕШТАМПОВОЧНЫЕ ПРЕССЫ
100
Глава 2.4. КОВОЧНЫЕ И ГОРЯЧЕШТАМПОВОЧНЫЕ ПРЕССЫ И КОМПЛЕКСЫ
Рис. 2.4.2. Пресс силой 750 МН конструкции ВНИИметмаш - НКМЗ: а - вид спереди
Основными параметрами горячештамповочных прессов, кроме развиваемой ими силы, являются размеры штампового пространства и величина хода подвижной поперечины (траверсы).
По комплексу этих параметров прессы принято делить на универсальные и специализированные (малогабаритные).
Для штамповки крупногабаритных, развитых в плане деталей используются универсальные прессы с большими размерами рабочего пространства и большим ходом подвижной поперечины. Характерным представителем этого типа прессов является самый мощный в мире горячештамповочный пресс силой 750 МН (рис. 2.4.2).
-25940
Рис. 2.4.2. Пресс силой 750 МН конструкции ВНИИметмаш - НКМЗ: б-вид сбоку
102
Глава 2.4. КОВОЧНЫЕ И ГОРЯЧЕШТАМПОВОЧНЫЕ ПРЕССЫ И КОМПЛЕКСЫ
Специализированные малогабаритные прессы используются для штамповки небольших деталей из высокопрочных сплавов, требующих для деформирования высоких удельных сил [3]. Размеры штампового пространства и величина хода подвижной поперечины у специализированных прессов значительно меньше, чем у универсальных. На рис. 2.4.3 в качестве примера приведен типичный малогабаритный пресс силой 300 МН [6, 7].
Размеры штампового пространства прессов определяются номенклатурой штамповок, для изготовления которых предназначается та или иная машина. Размеры его в плане зависят от наружных габаритов штамповой оснастки, а размеры по высоте - от ряда факторов, которые должны быть проанализированы в процессе разработки технического задания на создаваемый пресс.
В штамповом пространстве пресса (рис. 2.4.4) размещаются: штампы 7, подштамповые плиты 2 и опорные блоки 3, обеспечивающие "разнос" (снижение) давления, действующего на гравюру штампа, до уровня допустимых контактных давлений для поверхностей столов и подвижных поперечин.
При штамповке деталей из алюминиевых сплавов среднее давление, действующее на гравюру штампа, принимается равным qm = = 350...450 МПа. При штамповке изделий из титановых сплавов и стали они гораздо выше и могут достигать 1000 МПа.
Средние же значения давления на поверхностях литых стальных столов и подвижных поперечин во избежание быстрого износа этих поверхностей не должно превышать qn = = 80... 100 МПа.
Рис. 2.43. Пресс силой 300 МН конструкции ВНИИметмаш - НКМЗ
ТЯЖЕЛЫЕ ГОРЯЧЕШТАМПОВОЧНЫЕ ПРЕССЫ
103
Рис. 2.4.4. Схема штампового пространства пресса
Для обеспечения относительно равномерного распределения нагрузки на контактных поверхностях стола и подвижной поперечины (поз. 4 на рис. 2.4.4), как показывают расчеты, необходимо разносить ее под углом а = 30...37°. Исходя из этих соображений и определяется минимальная высота опорных блоков Аз (см. рис. 2.4.4). Она рассчитывается с учетом допускаемых средних удельных сил в штампе, геометрии в плане штампуемых поковок, принятой высоты штампа h\ и толщины подштамповой плиты
Высота рабочего пространства пресса характеризуется двумя размерами: открытой высотой - максимальным расстоянием между поверхностями стола и подвижной поперечины; закрытой высотой - расстоянием между ними при сомкнутых штампах.
После расчета высоты опорных блоков величина закрытой высоты штампового пространства Н определяется из соотношения
//=2(А1 + Л2 + Лз).
С учетом отмеченного выше соотношение между шириной стола В и закрытой высотой штампового пространства Н при квадратных в плане штампах может быть представлено в виде
Ход подвижной поперечины универсальных прессов обычно выбирается из условий возможности штамповки высоких деталей и оформления в них прошивкой глубоких полостей. Обычно считается, что ход подвижной поперечины должен быть несколько больше удвоенной высоты обрабатываемых поковок для того, чтобы поковку можно было удалить из штампа, не выдвигая стола пресса.
Открытая высота пресса равна сумме его закрытой высоты и величины хода подвижной поперечины.
Поскольку специализированные прессы обычно создаются для штамповки плоских деталей из катаных плит, ход подвижных поперечин у них относительно невелик, а следовательно, у них невелика и открытая высота.
Различия в основных характеристиках универсальных и специализированных прессов, вызванные приведенными выше сведениями, видны при сравнении универсального пресса силой 300 МН конструкции УЗТМ и специализированных прессов силой 300 МН конструкции НКМЗ и НЗТСГ (см. табл. 2.4.3).
Анализ параметров прессов, приведенных в табл. 2.4.3, позволяет выявить возникшую в 60-х годах XX века тенденцию к созданию прессов, у которых размеры рабочих столов в плане уменьшены, но другие параметры обеспечивают им достаточную универсальность.
По современным представлениям, наиболее рациональными параметрами мощных универсальных прессов можно считать параметры, принятые при создании прессов силой 300 МН фирмы ’’Гидравлик’’ и силой 650 МН НКМЗ (рис. 2.4.5).
Крупные горячештамповочные прессы различаются между собой рядом характерных конструктивных особенностей:
- конструктивной схемой силовой станины;
- числом рабочих цилиндров и их расположением (верхнее или нижнее);
- наличием вспомогательных устройств, смонтированных на прессе (выдвижных столов, выталкивателей, прошивных цилиндров и т.д.);
- наличием и схемой системы синхронизации, обеспечивающей бесперекосное перемещение подвижной поперечины.
Основные конструктивные схемы силовых станин. По конструктивным схемам силовых станин прессы подразделяются на: колонные, рамные, с трубной станиной, со станиной, скрепленной обмоткой высокопрочной лентой.
Первые штамповочные прессы, создававшиеся в конце 30-х - начале 40-х годов XX века, по конструктивной схеме станин, как правило, повторяли конструкции ковочных прессов и выполнялись четырехколонными с базовыми деталями в виде цельных или составных отливок большой массы.
Возможности использования такой конструктивной схемы ограничивались тем, что даже наиболее оснащенные заводы тяжелого машиностроения не могли изготовить детали с размерами и массой, необходимыми для создания прессов силой свыше 150 МН. Колонна пресса силой 150 МН уже имела длину
104 Глава 2.4. КОВОЧНЫЕ И ГОРЯЧЕШТАМПОВОЧНЫЕ ПРЕССЫ И КОМПЛЕКСЫ
Рис. 2.4.5. Пресс силой 650 МН конструкции ВНИИметмаш - НКМЗ: а - вид спереди; б - вид сбоку;
1 - рамы станины; 2 - балки; 3 - колонны; 4 - боковины; 5,6- цилиндры центральной прошивной системы; 7 - стол выдвижной; 8 - неподвижная поперечина; 9 - опоры; 10 - возвратные цилиндры;
11 - синхронизирующие цилиндры; 12,13 - подштамповые плиты; 14 - подвижная поперечина;
15 - направляющие колонны; 16 - рабочие цилиндры; 17 - плиты; 18-мост
14 480 мм, диаметр по резьбе 840 мм и массу свыше 57 т. Верхняя поперечина этого пресса собиралась из 5 отливок, причем три из них имели массу свыше 80 т каждая.
Поэтому фирма ’’Шлеман” выполнила свой пресс силой 300 МН восьмиколонным.
Для того чтобы создавать прессы больших сил в колонном исполнении, разработан ряд оригинальных конструктивных решений [1, 2, 4, 5]. Однако наряду с совершенствованием колонных конструкций станин предложены и принципиально новые решения.
Одно из таких решений - использование рамных конструкций силовых станин. Такие станины были применены, в частности, фирмой "Гидравлик” при создании пресса силой
300 МН и УЗТМ при создании крупнейшего в мире пресса силой 750 МН (см. рис. 2.4.2).
Станина пресса силой 750 МН состоит из 4 секций, собранных из катаных сварных плит. Каждая секция состоит из ригелей (горизонтальные части секции) и стоек (вертикальная часть секции). Ригели собраны из 7 плит толщиной по 180 мм каждая, а стойки - из 6 плит толщиной по 200 мм. Плиты ригелей и стоек стянуты шпильками диаметром 100 мм. Подвижная поперечина и нижняя поперечина (основание) собраны из плит толщиной до 400 мм, также стянутых шпильками.
Масса деталей из плит, изготовленных из проката, составляет 65 %, а масса литых деталей - не превышает 7 % общей массы пресса.
ТЯЖЕЛЫЕ ГОРЯЧЕШТАМПОВОЧНЫЕ ПРЕССЫ
105
Вследствие этого себестоимость пресса оказалась значительно ниже, чем себестоимость прессов обычной колонной конструкции.
Трубная конструкция станины была разработана при проектировании специализированных малогабаритных прессов, создававшихся применительно к производству небольших по размерам поковок из труднодеформи-руемых сплавов. В связи с такой специализацией конструкторы поставили перед собой задачу минимизировать и габариты самой машины.
Этого удалось добиться благодаря применению ряда оригинальных конструктивных решений, в том числе и за счет использования станины в виде цельной (в прессе силой 150 МН) конструкции ВНИИметмаш - НКМЗ [1, 3] или разрезной (в прессе силой 300 МН) конструкции ВНИИметмаш - НКМЗ [6, 7] толстостенной трубы, не только воспринимающей осевую нагрузку, но и являющейся элементом рабочего цилиндра (см. рис. 2.4.3). Той же цели служило и использование в гидроприводе этих прессов повышенного (до 100 МПа) давления.
Принципиально новое направление в конструировании мощных прессов связано с использованием при создании их наиболее нагруженных элементов (силовых станин, рабочих цилиндров на повышенные давления и т.д.) скрепления их обмоткой из высокопрочной ленты. Холоднокатаная лента толщиной 0,8... 1 мм имеет предел текучести при комнатной температуре 1900...2000 МПа и выше, что существенно превышает предел текучести у наиболее высококачественных крупногабаритных поковок (1000... 1200 МПа). Это позволяет значительно повысить надежность конструкции, уменьшить габариты и металлоемкость, а следовательно, и стоимость оборудования.
В конструкции пресса силой 150 МН ВНИИметмаш - НКМЗ со станиной, скрепленной обмоткой высокопрочной лентой, осевая нагрузка воспринимается двумя бандажами из высокопрочной ленты шириной по 990 мм каждый. Лента в каждом бандаже наматывается на два (верхний и нижний) полуцилиндри-ческих ригеля, между которыми размещаются проставки. В результате намотки ленты с натяжением возникают силы, стягивающие ригели и проставки в единый блок. Натяжение при намотке определяется расчетом из условия, чтобы при работе пресса с максимально допустимыми нагрузками стыки между ригелями и проставками не раскрывались.
Выполненные к настоящему времени эскизные проработки показали, что при исполь
зовании скрепленных обмоткой станин возможно создание значительно более мощных прессов, чем строились до сих пор, - силой до 1200... 1500 МН.
Одноцилиндровые и многоцилиндровые прессы. В связи со значительными технологическими трудностями, возникающими при изготовлении рабочих цилиндров на большие силы, подавляющее большинство мощных универсальных прессов выполнено многоцилиндровыми.
При создании прессов силой 100... 150 МН обычно применяется трехцилиндровая конструктивная схема. Наибольшее же число рабочих цилиндров - 16 - использовала фирма "Места” в своем прессе силой 450 МН, расположив их по четыре в четырех рядах. В более мощном (и самом мощном в мире) прессе силой 750 МН конструкторы Уралмашзавода ограничились 12 цилиндрами (четыре ряда по три цилиндра в каждом).
Применение многоцилиндровой конструктивной схемы обеспечивает ряд преимуществ как в процессе изготовления пресса, так и при его эксплуатации.
Рабочие цилиндры принадлежат к числу наиболее нагруженных и ответственных элементов пресса и изготавливаются, как правило, коваными или сварно-коваными из легированных (никелевых) сплавов. Трудности обеспечения высокого качества крупногабаритных поковок резко возрастают с увеличением их размеров. Отсюда стремление конструкторов и технологов к применению цилиндров меньших размеров. Тем более что с уменьшением размеров цилиндра облегчается изготовление не только самого цилиндра, но и плунжеров, направляющих втулок, уплотнений и других связанных с ним элементов конструкции.
При эксплуатации многоцилиндрового пресса существенно упрощается регулировка силы штамповки. Включая в работу различное число цилиндров, можно обеспечить ковку изделий на нескольких ступенях силы. Так, например, на трехцилиндровом прессе даже без изменения давления в насосно-аккумуляторной станции можно вести ковку на трех ступенях силы, включая в работу поочередно центральный, два боковых или все три цилиндра.
Если же насосно-аккумуляторная станция имеет две или более секции, возможности регулирования силы существенно расширяются.
Так, пресс силой 750 МН, имеющий 12 цилиндров и привод от двухсекционной насосно-аккумуляторной станции (давления в секциях 20 и 32 МПа), может создавать силы
106
Глава 2.4. КОВОЧНЫЕ И ГОРЯЧЕШТАМПОВОЧНЫЕ ПРЕССЫ И КОМПЛЕКСЫ
230, 375, 460, 600 и 750 МН. Пресс силой 650 МН с 5 рабочими цилиндрами и двумя уровнями рабочего давления (32 МПа - от насосно-аккумуляторной станции и 64 МПа -от мультипликатора) имеет шесть ступеней силы от 270 до 650 МН.
Однако в случае, если мощный пресс строится с относительно небольшим рабочим столом (как, например, специализированные прессы НКМЗ силой 150 и 300 МН), преимущества одноцилиндровой схемы и использования повышенного давления в гидроприводе неоспоримы. Такие решения обеспечивают уменьшение габаритов и металлоемкости машины при одновременном повышении ее жесткости, а следовательно, и точности изготав-ли-ваемых поковок.
Большинство мощных прессов построено с размещением рабочих цилиндров на верхней поперечине. Цилиндры с опорой на бурт в этом случае встраиваются в верхнюю поперечину, а цилиндры без бурта опираются на нее днищем.
Имеются прессы и с нижним расположением цилиндров. При таком исполнении цилиндры встраиваются в нижнюю поперечину или опираются на нее. Так, в частности, выполнены малогабаритные прессы НКМЗ силой 150 и 300 МН (см. рис. 2.4.3).
Иногда применяются и более сложные схемы расположения рабочих цилиндров. Так, прессы силой 315 и 450 МН фирмы ’’Леви” выполнены с нижними цилиндрами и подвижными рамами (рис. 2.4.6). Цилиндры в этих прессах опираются на нижнее основание, а плунжеры передают силы на нижнюю поперечину подвижной рамы. Такая конструктивная схема позволяет обеспечить меньшую высоту пресса над уровнем пола цеха.
Вспомогательные устройства прессов. Практически все мощные горячештамповочные прессы оснащены подвижными столами, которые облегчают их обслуживание. Столы используются в основном для установки и смены штампов, подачи в пресс заготовок и извлечения готовых поковок большой высоты.
Для этого стол гидравлическими цилиндрами выдвигается из пресса. Кран, обслуживающий пресс, снимает отштампованное изделие и устанавливает на его место очередную заготовку или удаляет сменяемый штамп и заменяет его новым.
Для облегчения извлечения поковок из фигуры штампа применяются выталкиватели, размещаемые в опорных блоках или в нижней поперечине.
Для штамповки сложных изделий с полостями прессы оборудуются вертикальными и боковыми прошивными цилиндрами. Так, пресс силой 650 МН имеет вертикальную центрально расположенную прошивную систему, развивающую силу 134 МН. В конструкции пресса предусмотрены также две боковые прошивные системы силой по 70 МН каждая.
Есть и более сложные разработки. В частности, Уралмашзаводом предложена оригинальная конструкция пресса для многополостной штамповки силой 500 МН с пятью прошивными системами. Центральная прошивная система с нижним расположением привода (прошивень совершает движение снизу вверх) развивает силу 100 МН. Четыре боковые, расположенные горизонтально прошивные системы, создают силу каждая по 60 МН.
Системы синхронизации. Многолетний опыт эксплуатации горячештамповочных прессов показал, что одной из основных причин, снижающих точность изготавливаемых на них поковок, является перекос верхнего штампа относительно нижнего в результате того, что при штамповке изделий сложной конфигурации центр давлений, действующих в фигуре штампа, не совпадает с осью пресса.
В связи с этим все создаваемые в последнее время прессы силой 300 МН и выше оснащаются специальными системами синхронизации, обеспечивающими бесперекосное (или с минимально возможным перекосом) движение подвижной поперечины.
Все системы синхронизации мощных прессов представляют собой системы автоматического регулирования. По конструктивному оформлению и принципу действия регулирующего органа их можно разделить на три основные группы [1].
УНИВЕРСАЛЬНЫЕ И СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫЕ ГОРЯЧЕШТАМПОВОЧНЫЕ ПРЕССЫ
107
К группе I относятся механические устройства, в которых основная часть момента, возникающего от эксцентрично действующих на подвижную поперечину рабочих нагрузок и стремящихся отклонить ее от горизонтального положения, воспринимается специальным шарнирно-рычажным механизмом.
К группе II относятся системы, которые путем регулирования количества подаваемой в рабочие цилиндры жидкости обеспечивают такие изменения силы в них, что равнодействующая внешних нагрузок на подвижную поперечину проходит по оси пресса.
К группе III относятся системы и устройства, в которых момент от эксцентричного приложения нагрузок воспринимается специальными гидравлическими цилиндрами.
Устройства группы I, по сути, не являются регулирующими. Они способны воспринимать лишь относительно небольшие моменты и не нашли применения при создании мощных штамповочных прессов.
Системы, которые отнесены к группам II и III, по конструктивному оформлению чувствительных элементов и их взаимодействию с регулирующим органом подразделяются на гидромеханические и электрогидравлические. В гидромеханических в качестве чувствительного элемента используются рычажно-шестеренные механизмы. В электромеханических с этой целью применяются сельсины, тензодатчики, индукционные катушки и другие функционально аналогичные элементы.
К группе III следует отнести и весьма эффективные, хотя и не являющиеся по своей сути регулирующими системы, схема которых показана на рис. 2.4.7.
Такая система обычно включает в себя четыре синхронизирующих цилиндра поршневого типа, установленные на столе пресса. Штоки цилиндров связаны с подвижной поперечиной. Полости цилиндров, расположенных
Рис. 2.4.7. Схема синхронизации с пассивными синхронизирующими цилиндрами:
/ - подвижная поперечина; 2 - синхронизирующие цилиндры
по диагонали, связаны между собой крест-накрест: т.е. верхняя полость одного соединена с нижней полостью другого. Все четыре собранные таким образом гидросистемы герметично замкнуты.
При возникновении эксцентричной нагрузки сжатие жидкости в замкнутых объемах этих систем будет препятствовать перекосу подвижной поперечины.
Такое устройство представляет собой пассивную систему синхронизации. Применение в конструкции мощных прессов чисто пассивных систем не обеспечивает эффективного противодействия возникающим при их работе значительным перекашивающим моментам.
Однако с использованием описанной выше схемы возможно создание и активных систем. В них при перекосе подвижной поперечины вдобавок к пассивному сопротивлению сжимаемой в синхронизирующих цилиндрах жидкости предусматривается закачка в те магистрали и полости цилиндров, где давление возрастает, дополнительных количеств рабочей жидкости. Благодаря этому может быть получен момент, необходимый для предотвращения перекоса подвижной поперечины.
Накопленный в последние годы отечественный и зарубежный опыт создания активных синхронизирующих систем позволил предложить ряд новых перспективных схем этих систем [1].
2.4.3. УНИВЕРСАЛЬНЫЕ И СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫЕ ГОРЯЧЕШТАМПОВОЧНЫЕ ПРЕССЫ
Универсальные прессы. Промышленностью выпускаются универсальные прессы для горячей объемной штамповки силой 50 и 300 МН (табл. 2.4.4).
Конструкция пресса мод. П2547 разработана Московским НПО "Кузмаш". Пресс предназначен для горячей объемной штамповки заготовок из черных и цветных металлов, выполнен в четырехколонном исполнении. На верхней неподвижной траверсе закреплены три рабочих цилиндра плунжерного типа, на нижней траверсе смонтирован выдвижной стол, перемещающийся с помощью двух цилиндров. Пресс оснащен центральным и боковым выталкивателями. Привод пресса от насосноаккумуляторной станции. Управление движением траверсы, стола и выталкивателей осуществляется с помощью распределителей клапанного типа. Пресс мод. КПЗЗО предназначен
2.4.4. Техническая характеристика гидравлических прессов для горячей объемной штамповки
Параметр П2547 КПЗЗО
Номинальная сила, МН 50 300
Сила цилиндров возвратного хода, МН 5 20
Наибольший ход подвижной траверсы, мм 1250 2000
Наибольшее расстояние между столом и под- 2500 4800
вижной траверсой, мм
Скорость подвижной траверсы, мм, с, при ходе:
рабочем 10...80 0,2...60
холостом (вверх и вниз) 200 100
Размеры стола, мм 2500x2000 3750x2400
Ход стола, мм 2800 3750
Наибольший допустимый экцентриситет при- 200x200 150x150
ложения нагрузки, мм
Рабочее давление жидкости, МПа 32 32
Габаритные размеры (длинах ширинах высота 12 700x6260x9685 30 000x19 000x16 600
над уровнем пола), мм
Общая высота, мм 14 300 30 600
Масса, т 572 3788
Примечание. Изготовители: П2547 - Рязанский завод тяжелого кузнечно-прессового оборудования; КПЗЗО - Коломенский завод тяжелого с станкостроения
для горячей объемной штамповки с последующим неглубоким выдавливанием деталей типа стаканов. Конструкцией пресса предусмотрена возможность работы по двум вариантам технологического процесса: горячая объемная штамповка и горячая объемная штамповка с последующим неглубоким выдавливанием.
Пресс - колонного типа, вертикальный, двухрамный: одна рама неподвижная, на ней устанавливаются поочередно подаваемые в рабочее пространство пресса два выдвижных стола, а вторая - подвижная, несущая рабочий контейнер.
Сила пресса создается двумя рабочими цилиндрами, расположенными по вертикальной оси.
Многоплунжерный пресс для штамповки в разъемных матрицах. Для многопуансонной штамповки в разъемных матрицах ЭНИКмаш создан гидравлический пресс мод. ПБ2632 (рис. 2.4.8), имеющий: верхний вертикальный прижимной ползун, четыре деформирующих ползуна (верхний, нижний, левый и правый), четыре дополнительных силовых органа, устройства для загрузки исходных заготовок в штамп и удаления готовых заготовок. При оснащении пресса задним деформирующим ползуном технологические возможности пресса еще более расширятся (на нем возможно осуществлять схемы штамповки различными методами).
Важным преимуществом пресса является оснащение деформирующих ползунов дополнительными силовыми органами, что позволяет получать сложные детали в одном ручье штампа.
Возможность регулировки усилий дополнительных силовых органов позволяет управлять процессом формообразования и предотвращать перегрузку штампового инструмента. Одновременно дополнительные силовые органы используются в качестве выталкивающих устройств.
Система управления прессом обеспечивает более десяти различных вариантов последовательности движения пуансонов, что позволяет получать на прессе детали широкой номенклатуры.
Техническая характеристика многоплунжерного пресса мод. ПБ2632
Сила каждого деформирующего ползуна, МН.......................1,6
Наибольший ход деформирующих ползунов, мм
вертикальных.................. 70
горизонтальных............... 130
Сила возврата деформирующих ползунов, МН.................... 0,25
Скорость деформирующих ползунов (средняя), мм/с..........450
УНИВЕРСАЛЬНЫЕ И СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫЕ ГОРЯЧЕШТАМПОВОЧНЫЕ ПРЕССЫ 109
Сила прижимной траверсы, МН........3,15
Ход прижимной траверсы, мм.........220
Скорость перемещения прижимной траверсы, мм/с.....................300
Регулируемая сила каждого из дополнительных силовых механизмов, МН................ 0,02...0,24
Наибольший ход дополнительных силовых механизмов, мм
вертикальных.................... 60
горизонтальных.................. 100
Наибольшее время цикла, с........... 8
Номинальное давление рабочей жидкости, МПа....................... 32
Установленная мощность, кВт......... 100
Габаритные размеры пресса без гидропривода (длинахширинах высота над уровнем пола), мм.... 5250x2530x5050
Масса, т............................ 88
Рис. 2.4.8. Многоплунжерный пресс мод. ПБ2632:
/ - пресс; 2 - гидропривод; 3 - пульт управления; 4 - бункерное ориентирующее загрузочное устройство;
5 - индукционная нагревательная установка; б - электрошкаф; 7 - устройство подачи и съема штамповок и смены штампового инструмента; 8-станция технологической смазки и охлаждения инструмента
по
Глава 2 4. КОВОЧНЫЕ И ГОРЯЧЕШТАМПОВОЧНЫЕ ПРЕССЫ И КОМПЛЕКСЫ
Рис. 2.4.9. Схема выпрессовки корня остряка на втором переходе:
а - первый переход - разгонка стенки рельефа; б - второй переход до начала деформации; в - второй переход после деформации;
/ - верхняя половина штампа, 2 - корень остряка, 3 - нижняя половина штампа
Пресс для выдавливания корня остряка стрелочного перевода. Днепропетровским заводом тяжелых прессов создан по заказу Керченского металлургического завода им. Войкова гидравлический штамповочный пресс силой 100 МН мод. П0750, предназначенный для горячей штамповки корня остряка стрелочного перевода. Технологический процесс штамповки: выдавливание нагретого до 1100... 115 °C острякового конца рельса типа ОР50, ОР65 или ОР75 с образованием остряка стрелочного перевода (рис. 2.4.9).
Корень остряка штампуется в два перехода. На первом переходе (рис. 2.4.9, а) осуществляется разгонка стенки рельса. Головка и подошва рельса при этом не деформируются, а очаг деформации охватывает только область, расположенную между деформирующими поверхностями. На втором переходе в открытом штампе оформляется полный профиль корня (рис. 2.4.9, б, в). При штамповке остряка на первом переходе перераспределение металла не приводит к уменьшению площади поперечного сечения. На втором переходе площадь поперечного сечения уменьшается, так как часть металла выдавливается в облойную канавку. В связи с этим возникает необходимость в обрезке облоя и калибровке отштампованного конца рельса.
Штамповка производится в четырехпозиционном штампе в следующем порядке: нагрев конца рельса в газовой печи; подача рельса на первую позицию предварительно нагретого штампа; штамповка на первой позиции (разгонка стенки рельса) силой 20 МН: перенос на вторую позицию; штамповка на второй позиции силой до 100 МН; перенос на обрезной штамп четвертой позиции (пропуская тре
тью); обрезка облоя силой до 20 МН; перенос (возврат) на третью позицию; калибровка профиля силой до 100 МН; перенос к термостату. Пропуск третьей позиции и возврат к ней после штамповки на четвертой позиции связан с необходимостью разместить позиции, требующие максимальной силы, как можно ближе к центру пресса, чтобы обеспечить прессование с номинальной силой при минимальном эксцентриситете.
Малые габаритные размеры стола при относительно большой силе потребовали сдвоенное рамное исполнение станины (схема "тандем"). Пресс (рис. 2.4.10) состоит из двух рам - подвижной 1 и неподвижной 2 силой по 50 МН каждая, их силы суммируются на ползуне, обеспечивая общую силу 100 МН.
Неподвижная рама 2 - четырехколонная, с верхним расположением рабочего цилиндра, подвижная рама 1 — двухколонная, с нижним расположением рабочего цилиндра 6. Подвижная рама встроена в неподвижную таким образом, что ее верхняя поперечина 4 является ползуном неподвижной рамы, т.е. тем элементом пресса, на котором суммируется сила двух рабочих цилиндров.
В верхней неподвижной траверсе установлены рабочий цилиндр 3 и возвратные цилиндры дифференциального типа. Плунжеры этих цилиндров с помощью шаровых шайб и гайки скреплены с концами колонн подвижной рамы.
На верхней траверсе подвижной рамы, выполняющей функцию ползуна, закреплен плунжер верхнего цилиндра с коробом сбора утечек. К этой траверсе снизу монтируется подштамповая плита с четырьмя пазами типа "ласточкин хвост" для крепления верхних частей штампов. Нижняя траверса неподвижной рамы является основанием, на котором смонтирована вся станина и выкатной стол, необходимый для смены и установки штампов.
Стол 5 перемещается по рельсам на четырех ходовых колесах с помощью гидравлического цилиндра поршневого типа. Действием четырех вертикальных цилиндров он поднимается над опорной поверхностью основания таким образом, чтобы колеса оказались на уровне рельсов. В рабочем положении стола плунжеры этих гидроцилиндров опускаются вместе с расположенными на них колесами, и стол своей нижней поверхностью ложится на основание и затем фиксируется: от горизонтальных смещений - жесткими фиксирующими шпонками, от вертикальных смещений - специальным привод
УНИВЕРСАЛЬНЫЕ И СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫЕ ГОРЯЧЕШТАМПОВОЧНЫЕ ПРЕССЫ
111
ным устройством, ограничивающим его подъем при работе возвратных цилиндров пресса.
В нижней траверсе подвижной рамы размещен второй рабочий цилиндр.
Для облегчения ремонтных работ (демонтаж плунжера, направляющих втулок и т.п.)
в прессе предусмотрено выкатное устройство, с помощью которого цилиндр вместе с траверсой подвижной рамы, предварительно отсоединенной от ее колонн, может быть выдвинут в место, доступное для обслуживания ремонтным краном.
Рис. 2.4.10. Конструкция пресса мод. П0750:
/ - подвижная рама; 2 - неподвижная рама; 3 - верхний рабочий цилиндр;
4 - верхняя поперечина подвижной рамы; 5 - стол; б - нижний рабочий цилинд
112
Глава 2.4. КОВОЧНЫЕ И ГОРЯЧЕШТАМПОВОЧНЫЕ ПРЕССЫ И КОМПЛЕКСЫ
Техническая характеристика пресса мод. П0750
Номинальная сила, МН, на ступени:
1................................ 50
II ...л 100
Номинальная сила возвратных цилиндров, МН....................... 8
Открытая высота, мм................. 1900
Ход, мм............................. 500
Размеры рабочих поверхностей стола и верхней подвижной траверсы, мм...................2400x2000
Мощность привода, кВт..............707,4
Габаритные размеры (длина х ширина х высота 111 000 х
над уровнем пола), мм.......х 30700 х 9950
Масса, т............................ 925
Многоплунжерные штамповочные прессы. Разработанная Уралмашзаводом гамма многоплунжерных штамповочных прессов силами 20; 50; 100; 500/840 МН (табл. 2.4.5) предназначена для производства методом безоблой-ной или изотермической штамповки заготовок многополостных деталей типа корпусов, стаканов, днищ, раструбов и других из алюминиевых, магниевых, титановых сплавов и сталей,
используемых в машиностроительной, авиационной и энергетической промышленности.
В основу конструкции гаммы прессов, в том числе пресса силой 500/840 МН положено двухярусное расположение колонн с введением промежуточной поперечины (рис. 2.4.11).
Жесткая силовая рама нижнего яруса, ограничивающая рабочую зону пресса, хорошее направление ползуна по плоским направляющим, смонтированным внутри промежуточной поперечины, позволяют уменьшить перекосы ползуна и повысить точность штамповки без применения специальных выравнивающих систем. Все прессы оснащены одной вертикальной (нижней) и четырьмя боковыми прошивными системами.
Расположение колонн по сторонам квадрата и размещение боковых прошивных систем под углом 45° к осям пресса обеспечивает свободный доступ в рабочую зону пресса для подачи и уборки заготовок и хороший ее обзор.
Прессы оборудованы выдвижным столом, верхним и нижним выталкивателями, причем снизу могут быть установлены как центральный, так и боковой. Рабочая жидкость -эмульсия с рабочим давлением 32 МПа.
2.4.5. Основные параметры прессов для многополостной безоблойной штамповки
Параметры Характеристики
Номинальная сила, МН 20 50 100 500
Открытая высота, мм 1340 2000 3050 4500
Ход ползуна, мм 500 600 1500 1800
Размеры рабочей поверхности стола, мм 800x1000 1150x1600 1900x2500 3500x10000
Ход стола, мм 1400 2200 2800 6000
Количество боковых прошивных систем 4 4 4 4
Сила каждой боковой прошивной системы, МН 3 6 16 60
Ход пуансонов боковой прошивной системы, мм 500 800 1300 2000
Сила нижней прошивной системы, МН 1,2 2,5 3,0 6,0
Наибольший диаметр пуансона, мм: боковой прошивной системы 85 120 200 400
нижней прошивной системы 200 250 300 600
Скорость рабочего хода ползунов, мм/с: главного 2... 100 2...100 2... 100 0,2...65
прошивных 50...200 50...200 50...200 50...200
Масса пресса, т без НАС и механизации 155 460 1650 12 500
УНИВЕРСАЛЬНЫЕ И СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫЕ ГОРЯЧЕШТАМПОВОЧНЫЕ ПРЕССЫ 113
18050
Рис. 2.4.11. Многоплунжерный штамповочный пресс силой 50 МН конструкции ОАО "Уралмаш
33725
114
Глава 2 4 КОВОЧНЫЕ И ГОРЯЧЕШТАМПОВОЧНЫЕ ПРЕССЫ И КОМПЛЕКСЫ
Скорости рабочих ходов главного ползуна и ползунов прошивных систем регулируются в широких пределах, что позволяет использовать прессы для получения штамповок из алюминиевых сплавов, а также из титановых сплавов и сталей.
Боковые прошивные системы снабжены системой синхронизации, позволяющей осуществлять их работу в режимах общей и попарной синхронизации и автономной работы. Наличие системы синхронизации обеспечивает высокое качество штамповок и способствует увеличению производительности прессов.
Специализированный пресс силой 50 МН для раскатки крупногабаритных колец. На прессе предлагается применение новой технологии раскатки колец и обечаек в отличие от традиционной раскатки колец на оправке на универсальных ковочных прессах в прессе или вне пресса.
Суть новой технологии следующая: к заготовке после ее установки на оправку прикладывается локальная деформирующая сила по ее наружной боковой и торцовым поверхностям. Для реализации этой технологии разработана конструкция специализированного пресса.
Пресс вертикального типа с верхним расположением рабочих цилиндров. Особенности конструкции пресса:
- высокая жесткость направления ползуна ковочного инструмента при значительном расстоянии между колоннами и большой открытой высоте;
- наличие горизонтальных силовых ползунов, позволяющих раскатывать кольца и обечайки по новому способу;
- наличие двух столов (верхнего и нижнего) расширяет технологические возможности пресса, позволяя механизировать трудоемкие операции загрузки заготовок, смены тяжелого технологического инструмента и уборки окалины без остановки работы пресса;
- наличие устройства измерения размеров изделий, позволяющего дистанционно контролировать диаметры, ширину и толщину раскатываемых заготовок, а также устройств для правки конусности и эллипсности, позволяющих уменьшить припуски на поковках, увеличить производительность и улучшить условия обслуживания;
- наличие двух устройств поворота оправок, обеспечивающих шаговую подачу заготовок и их постоянное реверсивное вращение на оправках;
- компоновка средней части пресса позволяет производить в рабочей зоне отбортов
ку патрубков на обечайках специальным устройством;
- наличие системы управления ковкой на заданный размер в ручном и автоматическом режимах работы.
Основной составной частью пресса является его силовая рама - станина, состоящая из верхней поперечины, промежуточной траверсы, верхних и нижних проставок трубных колонн, а также нижней поперечины, стянутых термозатяжкой посредством вертикальных верхних и нижних стяжек. В верхнюю поперечину вмонтированы три одинаковые рабочие цилиндра (наибольшая сила 54 МН), плунжеры которых опираются на главный (вертикальный) ползун, размещенный в центральном сквозном проеме промежуточной траверсы.
Горизонтальные ковочные системы, включающие в себя левый и правый горизонтальные ползуны, соединяются со станиной пресса шарнирами через ее верхние проставки.
Пресс снабжен верхним столом, который опирается на нижние проставки и несет на себе опоры с оправкой, верхний стол передвигается с помощью гидроцилиндров.
По сравнению с универсальными прессами ось оправки развернута на 90° и расположена перпендикулярно движению стола, это позволило сократить наибольшее расстояние между колоннами, так как оно определилось высотой заготовок, а не диаметром.
На нижней поперечине размещен нижний стол, оснащенный измерительной и инструментальной головками.
Головки перемещаются вертикально от нижнего ползуна, вмонтированного в центральное отверстие нижней поперечины.
Головки устанавливаются в рабочее положение перемещением нижнего стола от гидроцилиндров. Для поворота оправки предусмотрено устройство поворота: правое с шаговым приводом и левое с маршевым приводом. Эти устройства одинаковы по конструкции и включают в себя подъемный столик с роликами, жестко соединенный со штангой, которая вместе со столиком может вертикально перемещаться в направляющих, вмонтированных в нижние проставки, посредством гидроцилиндра, а на столиках установлены корпуса шпиндельных головок.
Головки соединяются с приводами устройств поворота через универсальные шпиндели, компенсирующие вертикальное перемещение головок.
Горизонтальные ползуны приводятся от рабочих цилиндров, имеющих ступенчатые
УНИВЕРСАЛЬНЫЕ И СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫЕ ГОРЯЧЕШТАМПОВОЧНЫЕ ПРЕССЫ
115
плунжеры, хвостовики которых снабжены регулируемыми упорами, позволяющими ограничивать рабочий ход горизонтальных ползунов на заданный размер.
Заготовка раскатывается посредством верхнего и горизонтальных бойков, которые скреплены с соответствующими ползунами. Учитывая требования к жесткости пресса и точности направления инструмента при значительном расстоянии между колоннами и большой открытой высоте, станина разделена на две части: нижняя основная ее часть, отделенная от верхней поперечины, снабжена укороченными, предварительно сжатыми трубчатыми колоннами, концы которых глубоко заделаны в проставки.
Для предварительного сжатия рамы от термозатяжки трубчатые колонны снабжены опорными буртами и разъемными гайками.
Гайками выверяют горизонтальность опорных поверхностей проставок и прилегание стыков. В центральном проеме промежуточной траверсы предусмотрены четыре узких паза, расположенные друг против друга, в каждом пазу закреплены по две вертикальные направляющие, которые сопрягаются посредством регулировочных клиньев с выступающими главного ползуна.
Такая конструкция главного ползуна при больших его размерах в плане без увеличения высоты промежуточной траверсы обеспечивает хорошую базу и точность направления ползуна.
Кроме того, отказ от традиционного направления ползуна по вертикальным колоннам позволил обеспечить надежное соединение системы горизонтальных ползунов с силовой рамой пресса посредством шарнирного соединения, выполненного в верхних проставках, благодаря чему сила от горизонтальных ползунов передается на нижние концы верхних стяжек рамы через проставки.
Нижняя часть рамы снабжена двумя столами: верхний стол, на котором закреплены опоры, оправки, опирается на верхние поверхности нижних проставок и может выдвигаться из рабочей зоны с помощью двух гидроцилиндров; нижний стол расположен на нижней поперечине между нижними проставками. Эта часть рамы по высоте имеет четыре стыка (разъема), при погружении ее во время раскатки сила от оправки через опоры передается на верхний стол, прижимая проставки к нижней поперечине, благодаря чему нижний стык не раскрывается. Верхний стык между промежуточной траверсой и верхними проставками при нагружении рамы также не будет раскрывать
ся, а наоборот, будет уплотняться, так как верхние и нижние стяжки прижимают промежуточную траверсу к проставкам.
Описанные выше соединения силовой рамы пресса, а также термически затянутые трубчатые колонны значительно повышают жесткость пресса и дают возможность увеличить допускаемые эксцентриситеты приложения технологической нагрузки, что особенно необходимо при правке "юбки".
Верхний слой имеет в плане П-образную конфигурацию и изготовлен из двух размещенных на проставках и разделенных проемом элементов, состоящих каждый из несущей и хвостовой частей, соединенных между собой посредством Т-образного выступа на одном элементе и ответного паза на другом, при этом части элементов связаны между собой кронштейнами, жестко закрепленными одной стороной на внутренних гранях хвостовых элементов, а другой - связаны шарнирно.
Такое соединение частей стола обеспечивает их механическую синхронизацию при передвижении стола от двух гидроцилиндров и позволяет компенсировать тепловые расширения стола, поскольку поверхности стола нагреваются от теплоизлучения раскаленных заготовок, находящихся в его проеме.
На нижнем столе предусмотрены два вертикальных отверстия, находящихся на расстоянии, равном ходу стола, в которые устанавливаются наделки. Одна наделка имеет измерительную головку, вторая - инструментальную. На нижних торцах наделок имеются Т-об-разные пазы, в которые поочередно может входить Т-образный выступ, находящийся в верхнем торце нижнего ползуна, соединяя ползун с соответствующей наделкой, находящейся на оси ползуна.
Для предотвращения смещения головок с оси ползуна при его подъеме каждая головка фиксируется фиксатором.
Головка предназначена для измерения наружного диаметра заготовки суммированием перемещения верхнего, нижнего ползунов и радиуса оправки, а инструментальная головка используется как нижний боек при правке эл-липсности. В нижнем столе со стороны рабочей поверхности выполнена система каналов для охлаждения поверхностей скольжения стола. Пресс оснащен теплозащитным устройством, включающим вертикальные теплозащитные экраны, расположенные по периметру нижнего стола.
Пресс работает следующим образом. Нагретая до ковочной температуры кольцевая
116
Глава 2.4. КОВОЧНЫЕ И ГОРЯЧЕШТАМПОВОЧНЫЕ ПРЕССЫ И КОМПЛЕКСЫ
заготовка собирается с оправкой и краном подается на выдвинутый из рабочей зоны верхний стол, при этом оправка устанавливается на опоры, а шарнирные теплозащитные экраны, расположенные со стороны загрузки, открываются посредством специальных приводов. Затем стол перемещается в рабочую зону. Оправка соединяется с устройством поворота, шарнирные экраны закрываются, и заготовка оказывается как бы в колодце.
Последовательными ходами ползуна и го-ризонтальных ползунов с бойками и поворотом заготовки с помощью устройства поворота производится ее раскатка. По мере раскатки периодически контролируется геометрия и раз-меры наружного диаметра заготовки.
Тепловые лучи, исходящие от заготовки, частично отражаются от экранов в рабочую зону пресса, уменьшая скорость охлаждения заготовки, благодаря чему увеличивается продолжительность ковки за один нагрев, а также сокращается распространение тепла в окружающую среду, в результате чего улучшаются условия обслуживания прессовой установки. После окончания раскатки оправка разъединяется с устройством ее поворота, со стороны выгрузки открываются экраны, и раскатанная заготовка ходом стола выдается из рабочей зоны пресса.
Техническая характеристика пресса
Главный верхний ползун Сила ступеней, МН.............. 18, 36, 54
Наибольший ход, мм................ 2200
Скорость рабочего хода, мм/с........ 100
Горизонтальные ползуны Сила, МН............................ 22
Наибольший ход, мм ................ 1500
Наибольшее расстояние между рабочими поверхностями ползунов, мм....................... 4500
Скорость рабочего хода, мм/с....... 80
Расстояние между верхней плитой для крепления инструмента и рабочими поверхностями столов (открытая высота), мм: нижнего............................10 200
верхнего...................... 5900
Расстояние в свету между проставками колонн пресса, мм..... 6300
Грузоподъемность столов, т.........400
Привод пресса от НАС с давлением рабочей жидкости 32 МПа.
Автоматизированная линия для штамповки крупных осесимметричных поковок из легких сплавов. Линия (рис. 2.4.12) состоит из двух конвейерных двухручьевых печей /, в которых мерные цилиндрические заготовки нагреваются до температуры 450...480 °C, а затем выдаются поочередно на участки рольгангов 2, после чего заготовки, пройдя по криволинейным участкам рольганга, поступают на осевой рольганг 3 линии.
Основу линии составляют гидравлические прессы:
- заготовительный 4 силой 60 МН;
- штамповочные 5 предварительной и окончательной штамповки силой 200 МН;
- обрезной 6 силой 16 МН.
Рис. 2.4.12. План автоматизированной линии для производства осесимметричных штамповок из легких сплавов
УНИВЕРСАЛЬНЫЕ И СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫЕ ГОРЯЧЕШТАМПОВОЧНЫЕ ПРЕССЫ
117
2.4.6.Технические характеристики прессов линии
Параметры Характеристики
Номинальная сила, МН 60 200 16
Количество рабочих цилиндров, шт. 1 1 1
Диаметр плунжеров рабочих цилиндров, мм 1550 2850 800
Наибольший ход подвижной траверсы, мм 1500 700 700
Открытая высота 2700 2450 2100
Расстояние между осями колонн, мм 3200x3200 3700x3700 2600x2600
Расстояние между колонными проставками в свету, мм 2420x2420 2340x2340 1860x2060
Допустимый эксцентриситет, мм 100 100 -
Сила подъемных цилиндров, МН 5,14 13 1,28
Размеры рабочей поверхности стола, мм 2100 x 2700 2100 x 2700 1600x1700
Ход стола (в одну сторону от оператора), мм 3000 4000 1800
Скорости передвижения подвижной траверсы, мм/с:
при рабочем ходе 100 50 100
при холостом ходе 300 150 200
Масса пресса, установки, т 632 1630 140
788 1850 195
Технические характеристики прессов линии приведены в табл. 2.4.6.
Все прессы одноцилиндровые, четерех-колонные, с верхним расположением рабочего цилиндра и выполнены по одной конструктивной схеме. Одноцилиндровая конструкция по сравнению с многоцилиндровой позволила существенно сократить площади несущих поперечин силовых рам прессов, уменьшить их металлоемкость и габариты.
Силовые рамы прессов выполнены повышенной жесткости за счет введения термозатянутых полых колонных проставок, позволяющих применять плоские Г-образные регулируемые направляющие для подвижных поперечин, а в подвижных поперечинах уменьшить прогибы, что в целом максимально приблизило геометрию получаемых изделий к форме и размерам готовой детали.
Гидропрессовые установки расположены между двумя печами 1 для нагрева заготовок и тремя печами 7 закалочного агрегата, соединены с печами и между собой соответствующими средствами механизации, к которым относятся:
- средства доставки нагретой исходной заготовки от печей 1 к заготовительному прессу 4 виде участка радиальных рольгангов 2 с кантователем заготовок на 90 °C;
- средства передачи штамповок между прессами в виде передаточных колесных тележек-термосов;
- средства передачи штамповок от обрезного пресса 6 к трем печам 7 закалочного агрегата.
Штамповочные прессы линии имеют некоторые особенности.
Так, штамповочные прессы силой 200 МН (рис. 2.4.13, а) содержат станину, состоящую из верхней 1 и нижней 2 неподвижных поперечин, стянутых колоннами верхнего 3 и нижнего 4 ярусов с неподвижной промежуточной плитой 5. Между нижней поперечиной 2 и промежуточной плитой 5 установлены проставки 6, каждая из которых надета на соответствующую колонну 4 нижнего яруса. Проставки 6 снабжены фланцами 7 с отверстиями для колонн 3 верхнего яруса, которыми проставки 6 жестко присоединены к промежуточной плите 5.
В центральном отверстии промежуточной плиты 5 (рис. 2.4.13, б) расположен рабочий цилиндр, снабженный отъемным днищем 8 с уплотнением 9 и корпусом 10 с буртом 11, выполненным в верхней части корпуса, контактирующий с отъемным днищем 8. При этом днище 8 и бурт 11 корпуса 10 рабочего цилиндра расположены между верхней поперечиной 1 и промежуточной плитой 5, стянуты между собой с помощью колонн 3 верхнего яруса. В корпусе 10 рабочего цилиндра размещен плунжер 12, соединенный подвижной поперечиной 13 с верхним штампом 14, а на нижней поперечине 2 размещен нижний штамп 75. Для направления подвижной поперечины 13 по проставкам 6 выполнены направляющие 16.
Плунжер рабочего цилиндра выполнен в виде поршня со стальными втулками, которые
Глава 2.4 КОВОЧНЫЕ И ГОРЯЧЕШТАМПОВОЧНЫЕ ПРЕССЫ И КОМПЛЕКСЫ
Рис. 2.4.13. Штамповочный пресс силой 200 МН: а - общий вид конструкции; б - верхняя поперечина
скользят по внутренней поверхности диаметром 2850 мм корпуса рабочего цилиндра, наплавленной высококачественной бронзой и обработанной с высокой чистотой.
Нагружение пресса силой вызывает растяжение колонн 4, при этом стыки между промежуточной плитой 5 и проставками 6 стремятся ослабнуть, однако колонны 3 верхнего яруса, установленные с напряжением, уплотняют эти стыки, так как через фланцы 7 они прижимают проставки 6 к промежуточной плите 5, при этом отсутствуют взаимные перемещения элементов уплотнения 9 днища рабо
чего цилиндра и сохраняется натяг станины в местах соединения промежуточной плиты 5 с проставками 6.
Поэтому возможные эксцентричные нагрузки, возникающие при штамповке изделия, через верхний штамп 14, подвижную поперечину 13, направляющие 16, плунжер 12 и корпус 10, воспринимается промежуточной плитой 5, проставками 6 и не вызывают перекосов верхнего штампа 14, обеспечивая при этом точность штамповки изделия 17.
Пресс, кроме того, снабжен встроенным в подвижную поперечину 13 верхним выталкивателем 18, а также установленным под нижней поперечиной 2 нижним выталкивателем 19, цилиндрами 20 передвижения стола, упорными цилиндрами 21 для фиксации подштамповой плиты 22 относительно поперечины 2.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Белов А.Ф., Розанов Б.В., Линц В.П. Объемная штамповка на гидравлических прессах. М.: Машиностроение, 1986. 240 с., ил.
2. Гидравлические прессы / Под ред. Б.П. Васильева. М.: Машгиз, 1966. 436 с.
3. Кузько Ю.П., Копыский Б.Д. Некоторые решения по оборудованию и технологии для объемного деформирования крупных деталей И Совершенствование кузнечно-штамповочного производства / Под ред. П.В. Камнева и К.Н. Богоявленского. М.-Л.: Машиностроение, 1971. С. 124- 135.
4. Мощные гидравлические прессы / Под ред. Б.В. Розанова//Труды ЦНИИТмаш. Вып. 3. М.: ОНТИ ЦНИИТмаш, 1959. 82 с.
5. Новое в создании и исследовании кузнечно-прессовых машин / Под ред. Л.Д. Гольмана: Труды ВНИИметмаш. 1983. № 52. 120 с.
6. А. с. 132070. Гидравлический колонный пресс / В.А. Новоселов // Бюл. изобр. 1960. № 18.
7. Новоселов В.А. Малогабаритный гидравлический штамповочный пресс усилием 30 000 тс // Кузнечно-штамповочное производство. 1963. №9. С. 31 -35.
8. Новоселов В.А. Основные направления создания мощных вертикальных гидравлических прессов: Экспресс-информация. Вып. 5. М.: НИИмаш, 1981.
9. Новоселов В.А. Анализ конструктивных и технологических особенностей малогабаритного штамповочного пресса усилием 30 000 тс: Экспресс-информация. Вып. 5. М.: НИИмаш, 1981.
ПРЕССЫ ДЛЯ ПРЕССОВАНИЯ
119
Глава 2.5
ПРЕССЫ ДЛЯ ПРЕССОВАНИЯ
Прессы для прессования труб и профилей. Основными параметрами гидравлических прессов для прессования профилей и труб, в совокупности определяющими их технологические возможности, производительность и конструктивные особенности, являются: номинальная сила, размеры контейнера, ход и скорость движения прессующей траверсы, время выполнения вспомогательных операций, связанных с подачей заготовки, пресс-шайбы, отделением прес-остатка, выгрузкой пресс-изделия и др. [6].
Номинальная сила и размеры контейнера пресса определяются размерами заготовок для прессования, которые устанавливают на основании технологических параметров процесса: материала и сортамента пресс-изделий, метода истечения металла при прессовании, вытяжки и др. При этом чем больше объем заготовки при данной номинальной силе пресса, тем больше длина получаемого пресс-изделия и соответственно выше технико-экономические показатели процесса прессования: производительность, выход годной продукции и др.
В настоящее время в прессовых цехах работают прессы с номинальной силой до 200 МН, наибольшее распространение имеют прессы номинальной силой 12,5...50 МН.
Рабочий ход прессующей траверсы пресса определяется длиной контейнера. Полный ход, состоящий из рабочего и холостого, зависит от метода истечения металла при прессовании и способа загрузки заготовок в контейнер (см. ниже).
Скорость движения прессующей траверсы при рабочем ходе устанавливают в зависимости от допустимых скоростей истечения обрабатываемого материала при прессовании и применяемой вытяжки. На действующих прессах при горячем прессовании она составляет: для алюминиевых сплавов - 0,2...25,0 мм/с, для медных сплавов - 20... 120 мм/с, для стали -50...500 мм/с.
С увеличением скорости прессования значительно возрастает влияние времени выполнения вспомогательных операций на общую продолжительность рабочего цикла и соответственно на производительность пресса. В наибольшей степени это относится к прес
сам для получения пресс-изделий из быстро-прессуемых алюминиевых и медных сплавов, стали, которые являются базовыми агрегатами для поточного производства труб и профилей [3, 7]. Например, на горизонтальных гидравлических прессах для получения пресс-изделий из низколегированных алюминиевых сплавов затраты времени на выполнение неперекрываемых вспомогательных операций составляют 12... 18 с, а темп прессования достигает 60...80 шт./ч. При прессовании стальных труб производительность таких прессов достигает 140 шт./ч.
Гидравлические прессы для прессования металлов в зависимости от технологических возможностей получения пресс-изделий разных форм поперечного и продольного сечений делятся на прутковопрофильные и трубопрофильные.
Прутковопрофильные прессы (табл. 2.5.1) характеризуются наличием только одного самостоятельного привода инструмента при рабочем ходе - привода пресс-штемпеля - и предназначены для получения прутков, профилей сплошного сечения и полых профилей, прессуемых или на подвижной игле, жестко связанной с пресс-штемпелем, или со сваркой металла в очаге деформации (прессование через язычковые или камерные матрицы) [4]. Такие прессы имеют наибольшее распространение. На рис. 2.5.1 представлены типовая конструкция и основные элементы современного прутковопрофильного горизонтального гидравлического пресса для прессования алюминиевых сплавов с прямым истечением металла.
Трубопрофильные прессы (табл. 2.5.2) в отличие от прутковопрофильных имеют два самостоятельных привода инструмента при рабочем ходе: привод пресс-штемпеля и привод иглы (прошивного устройства). Такие прессы предназначены для получения полых пресс-изделий постоянного и периодического сечений, с внутренними и внешними утолщениями. При этом внутренняя поверхность пресс-изделий формируется иглой, рабочая часть которой профилируется соответственно поперечному сечению и в процессе прессования может перемещаться независимо от положения пресс-штемпеля. На рис. 2.5.2 представлена типовая конструкция прессующей траверсы и задней поперечины трубопрофильного горизонтального гидравлического пресса с внутренним прошивным устройством.
120
Глава 2.5. ПРЕССЫ ДЛЯ ПРЕССОВАНИЯ
2.5.1. Техническая характеристика прессов гидравлических прутковопрофильиых
Параметр П8739 ПА8741 ПА8741А П8743В П8743М ПА8744 ПБ8745 П8546 i П8747
Номинальная сила, МН 8 12,5 20 25 31,5 35 50
Ход плунжера, мм 1470 1770 2160 1980 2460 1400 2800 3450
Наибольшая длина контейнера, мм 550 700 850 815 950 1150 1080 1300
Наибольший внутренний диаметр втулки контейнера, мм 130 150 200 180 250 310 360
Скорость рабочего хода, мм/с 0,5...30 0,2... 20 100... 350 0,2... 20 0,2... 30 0,2... 20 0,2... 21 0,52... 20
Габаритные размеры (длина х ширина х высота над уровнем пола), мм 15 700х х7450х х4000 15 700 х 7765 х х 4000 18 700х х9800 х х4700 44 300х х14 700х х4270 19 500х х9800х х5120 22000х х11900х х5ОО5 44000х х14 100х х55ОО 22 200х х11700х х55ОО 49 750х х14250х х6545
Масса, т 100 142,5 240 420 300 370 426 400 729
Примечание. Изготовители: П8739, ПА8741, ПА8741А - Новосибирский завод "Тяжстанкогидро-пресс", П8743В, П8743МШ, ПА8744, ПБ8745, П8546, П8846, П8747 - Коломенский завод тяжелого станкостроения.
Рис. 2.5.1. Прутковопрофильный горизонтальный гидравлический пресс для прессования алюминиевых сплавов:
1 - колонна с гайками; 2 - матрицедержатель; 3 - контейнер; 4 - контейнеродержатель; 5 - пресс-штемпель; 6 - цилиндр привода контейнера; 7 - рама; 8 - задняя поперечина; 9 - рабочий цилиндр; 10- клапан наполнения; 11 - индивидуальный масляный привод; 72- цилиндр обратного хода; 13 - прессующая траверса; 14 - проставка с Х-образными направляющими; 15 - ножницы отделения пресс-остатка;
16 - передняя поперечина
ПРЕССЫ ДЛЯ ПРЕССОВАНИЯ
121
2.5.2. Техническая характеристика прессов гидравлических трубопрофильных
Параметр ПА8340 П8742БМ П8842 ПЯ745 ПА8745П
Номинальная сила, кН 10 000 16 000 31 500
Ход главного плунжера, мм 1000 1530 1700 2235 2460
Наибольшая длина контейнера, мм 300 750 1020 1015 1000
Наибольший внутренний диаметр втулки контейнера, мм 75 200 360 410
Скорость рабочего хода, мм/с 3...200 0,2...20 0,2...40 0,2...20 0,5... 150
Габаритные размеры (длина х ширина х высота над уровнем пола), мм 24 150 х х 12 700х х5230 39 725 х х9600х х4410 22 155х х10 900х х4030 51 430 х х! 1 350х 5120 30 ОООх х18 000х х4100
Масса, т 300 212 230 400 500
Примечание. Изготовитель Коломенский завод тяжелого станкостроения.
Рис. 2.5.2. Внутренняя прошивная система трубопрофильного пресса:
/ - прессующая траверса; 2 - цилиндр привода иглы назад; 3 - прошивная траверса; 4 - задняя поперечина; 5 - цилиндр обратного хода; 6 - рабочий цилиндр; 7 - ограничители хода иглы; 8 - телескопический подвод рабочей жидкости; 9- цилиндр привода иглы вперед; 10 - иглодержатель; 11 - проставка
с Х-образными направляющими; 72- игла; 13 - пресс-штемпель
Прошивное устройство значительно расширяет технологические возможности пресса при получении полых пресс-изделий и позволяет осуществлять на нем прессование с прошивкой заготовки, с движением иглы по заданной программе, с фиксацией иглы в любом промежуточном положении по длине рабочего хода и др.
В зависимости от расположения привода прошивного устройства трубопрофильные прессы выполняют с внутренним или наружным
прошивным устройством. У прессов с внутренним прошивным устройством прошивная траверса и гидроцилиндры ее привода размещаются в прессующей траверсе. У прессов с наружным прошивным устройством силовые элементы прошивной системы расположены за задней поперечиной пресса и соединены с ней колоннами, а прошивная штанга проходит через центральное отверстие в главном цилиндре и плунжере пресса [5].
122
Глава 2.5. ПРЕССЫ ДЛЯ ПРЕССОВАНИЯ
В зависимости от используемого метода истечения металла при прессовании гидравлические прессы подразделяют на прессы для прессования: с прямым истечением, с обратным истечением, универсальные (с прямым и обратным истечением), с активным действием сил трения.
На прессах с прямым истечением контейнер вместе с заготовкой в период прессования остается неподвижным, а движение получает пресс-штемпель, закрепленный на прессующей траверсе, при этом заготовка перемещается относительно контейнера. Такие прессы получили наиболее широкое распространение вследствие относительной простоты конструкции и возможности изготовления пресс-изделий практически любой конфигурации с высоким качеством поверхности. Их недостатки связаны с необходимостью преодоления трения металла о внутреннюю поверхность контейнера, что ограничивает скорость истечения металла при прессовании и увеличивает необходимую силу.
Характерная особенность гидравлических прессов для прессования с обратным истечением металла состоит в движении контейнера вместе с заготовкой под действием прессующей траверсы относительно матрицы, закрепленной на удлиненном матрице-держателе, обычно называемом шплинтоном. В связи с этим ход контейнера пресса для обратного прессования должен быть не меньше его длины.
Силы обратного прессования в среднем на 30...40 % меньше, чем при прямом, не зависит от длины заготовки и практически постоянна по всей длине рабочего хода. Это снижает неравномерность деформации по длине пресс-изделия и позволяет увеличить диаметр и длину заготовки по сравнению с прямым прессованием: отношение длины заготовки к ее диаметру для обратного прессования может достигать 5...6, в то время как для прямого прессования оно не превышает 3...4.
Однако широкому применению гидравлических прессов для обратного прессования препятствуют существенные недостатки. Габаритные размеры сечения пресс-изделий ограничены размерами внутренней полости шплинтона. Качество поверхности пресс-изделий хуже, чем отпрессованных с прямым истечением, что обусловливает необходимость механической обработки заготовок перед прессованием.
В связи с этими обстоятельствами прессы для обратного прессования строят редко. Наи
большее распространение имеют универсальные прессы, конструктивно предусматривающие возможность прессования с прямым и обратным истечением. В первую очередь это относится к трубопрофильным прессам с номинальной силой свыше 60...80 МН. Прессование с активным действием сил трения относится к одному из перспективных процессов получения пресс-изделий из труднодеформи-руемых алюминиевых сплавов [1]. Сущность процесса состоит в том, что контейнер пресса двигается в ту же сторону, что и пресс-штемпель, но с большей скоростью.
В результате силы контактного трения, оказывающие при прямом прессовании тормозящее действие, становятся активными и способствуют изотермическому режиму течения металла, повышению скорости прессования и равномерности структуры пресс-изделий. Вместе с тем прессование с активным действием сил трения имеет те же недостатки, что и обратное прессование.
Для практического применения прессования с активным действием сил трения необходимы специальные конструкции гидравлических прессов с независимым приводом контейнера, номинальная сила которого должна быть сопоставима с силой привода пресс-штемпеля. В настоящее время создание таких прессов находится на опытно-промышленной стадии.
В зависимости от положения оси прессования и соответствующего направления движения ползуна гидравлические прессы для прессования делятся на горизонтальные и вертикальные. Преимущественное распространение (более 90 %) имеют горизонтальные прессы [8], которые по сравнению с вертикальными прессами не имеют ограничений по длине пресс-изделий (табл. 2.5.3). Областью применения вертикальных прессов является диапазон сил до 10 МН и выпуск полых пресс-изделий небольших размеров [2].
Узел крепления матриц в передней поперечине пресса, называемый матрицедержате-лем, оказывает существенное влияние на продолжительность цикла прессования, быстроту проведения операций по отделению пресс-остатка, замене матрицы и др. [6] В современных прессах для прессования труб и профилей наибольшее распространение имеют матрице-держатели типа салазок, перемещающихся поперек оси пресса, и поворотных головок, вращающихся вокруг оси, параллельной оси пресса. Общим для них является наличие мощной
ПРЕССЫ ДЛЯ ПРЕССОВАНИЯ
123
2.5.3. Техническая характеристика горизонтальных прессов для прессования профилей и труб
Параметр Характеристика
Сила пресса, МН 16 35 20 16 31,5 55 200
Тип пресса Прутково-профильный Прутково-профильный Прутково-профильный Трубопрофильный Трубопрофильный Трубопрофильный Трубопрофильный
Метод прессования Прямой Прямой Прямой Прямой Прямой Прямой Прямой, обратный
Обрабатываемый материал Алюминиевые сплавы Алюминиевые сплавы Сталь, титан Алюминиевые сплавы Медные сплавы Сталь Алюминиевые сплавы
Наибольший ход прессующей траверсы, мм 1680 1120 1980 1680 2150 3600 2550
Скорость рабочего хода, мм/с 0,3...20,0 0,3...25 100...350 0,3...20,0 2...150 <500 0,2...30
Сила прошивного устройства (впе-ред/назад), МН - - - 2,0/1,2 6,3/1,6 4,0/4,0 70/88
Диаметры втулок контейнера, мм 160...212 225...310 125... 180 150...200 200...410 290...450 650... 1100
Длина контейнера, мм 760 1100 815 750 1000 1600 2100
Сила цилиндров контейнера (впе-ред/назад), МН 1,6/0,9 5,0/3,8 2,4/1,1 1,6/1,1 5,2/2,2 6,0/7,0 12,8/7,6
Наибольший ход контейнера, мм 355 1170 900 200 1300 250 2550
Тип матрицедержателя Салазки Салазки Поворотная головка Салазки Салазки Поворотная головка Мундштук
Устройство для отделения пресс-остатка Ножницы Ножницы Пила Ножницы, пила Пила Пила Ножницы
Тип гидропривода Насосный Насосный НАС НАС НАС НАС НАС
Рабочая жидкость Масло Масло Эмульсия Эмульсия Эмульсия Эмульсия Эмульсия
Давление рабочей жидкости, МПа 21,0 25,0 16,0...32,0 32,0 32,0 32,0 32,0
Масса пресса, т 82,0 260,0 235,0 136,5 534,0 - 3200
опорной плиты под матричным комплектом, что уменьшает прогиб матрицы в процессе прессования и повышает точность и стабильность размеров пресс-изделий, при этом корпуса салазок и поворотных головок разгружены от силы прессования.
Матрицедержатели в виде мундштука, перемещающегося вдоль оси пресса и фиксирующегося в передней поперечине с помощью
затвора, находят применение только в прессах старых конструкций.
Матричные салазки выполняют одно- и многопозиционными в зависимости от технологической схемы прессования. На рис. 2.5.3 показаны однопозиционные матричные салазки с механизмом смены матрицедержателя, который расположен рядом с передней поперечиной пресса. Отделение пресс-остатка производят перед матрицей ножницами или пилой.
124
Глава 2.5. ПРЕССЫ ДЛЯ ПРЕССОВАНИЯ
Рис. 2.53. Матричные салазки с механизмом смены матрицедержателя:
1 - передняя поперечина пресса; 2 - матрицедержатель; 3 - рама пресса; 4 - колонна; 5 - проставка с Х-образными направляющими; 6 - гидроцилиндр перемещения матрицедержателя; 7 - каретка; 8-механизм отделения пресс-остатка; 9 - направляющие; 10- механизм смены матрицедержателя;
11 - гидроцилиндр обрезки пресс-изделия
Поворотные матрицедержатели наибольшее применение находят в прессах для прессования стали и тугоплавких металлов, когда требуются частая смена инструмента и отделение изделия от пресс-остатка непосредственно за матрицей.
В зависимости от наибольшего хода главного плунжера пресса (прессующей траверсы), который принято измерять длиной контейнера, гидравлические прессы для прессования подразделяют на одно- и двухходовые, т.е. в первом случае ход плунжера пресса несколько превышает одну длину контейнера, а во втором - две длины.
Наибольшее распространение имеют прессы двухходовой конструкции, которая позволяет осуществлять загрузку заготовок в контейнер одновременно с отделением пресс-остатка и тем самым обеспечивать минимальное время вспомогательных операций, а также удобство размещения средств механизации пресса.
Преимущество одноходовых прессов по сравнению с двухходовыми состоит в сокращении длины пресса на 20...30 % и соответствующем снижении его массы и расхода рабочей жидкости в цикле прессования. Вместе с
тем одноходовой пресс требует специальных механизмов и технических решений для осуществления загрузки заготовок в контейнер (рис. 2.5.4). Например, посредством зажима нагретой заготовки между матрицей и пресс-штемпелем с закрепленной на нем пружинной пресс-шайбой и последующего надвигания контейнера на заготовку или с помощью смещения с оси пресса пресс-штемпеля, закрепленного на салазках, и заталкивания заготовки в контейнер механизмом податчика.
Станины горизонтальных гидравлических прессов для прессования по конструкции делятся на колонные, рамные и предварительно напряженные. Наиболее широкое распространение имеют четырехколонные станины, которые наиболее удобны для размещения поперечно перемещающегося или поворотного матрицедержателя, ножниц или пилы для отделения пресс-остатка, податчиков заготовок и других вспомогательных механизмов. В то же время колонны не могут быть использованы в качестве направляющих контейнеродержателя и прессующей траверсы вследствие влияния температурных деформаций и изгиба колонн на соосность инструмента пресса. В колонных
ПРЕССЫ ДЛЯ ПРЕССОВАНИЯ
125
Рис. 2.5.4. Схема загрузки заготовок в контейнер в зависимости от величины хода главного плунжера пресса:
/ - двухходовой пресс; //- одноходовой пресс с подачей заготовки перед матрицей; ///- одноходовой пресс с креплением пресс-штемпеля на салазках;
1 - прессующая траверса; 2 - пресс-штемпель; 3 - пресс-шайба; 4 - заготовка; 5 - податчик заготовок;
6 - контейнер; 7 - матрица; 8 - матрицедержатель; 9 - передняя поперечина пресса; 10 - салазки пресс-штемпеля; 11 - заталкиватель заготовок
прессах направляющие размещают на фундаментной плите независимо от станины.
Рамные станины, изготовленные из высококачественного толстолистового проката применяют главным образом в мощных гидравлических прессах, изготовление колонного варианта которых затруднительно [5].
Станины предварительно напряженной конструкции состоят из передней и задней поперечин, четырех полых проставок и связывающих их колонн (рис. 2.5.1, 2.5.3). На проставках выполняют Х-образные призматические направляющие под опорные башмаки контейнеродержателя и прессующей траверсы. Плоскости скольжения направляющих на проставках пересекаются на оси прессования, чтобы исключить влияние температурных деформаций на настройку пресса и обеспечить при всех режимах нагружения совпадение осей пресс-штемпеля, контейнера и матрицы. Башмаки снабжают винтовыми домкратами для
регулирования положения прессующей траверсы и контейнеродержателя.
Станины предварительно напряженной конструкции с Х-образными направляющими наибольшее распространение получили в трубопрофильных прессах, соосность узлов которых непосредственно влияет на разностен-ность пресс-изделий. В последнее время такие конструкции станин находят все более широкое применение и в прутковопрофильных прессах в связи с использованием закрепленных на пресс-штемпелях пресс-шайб и увеличением стойкости прессового инструмента.
В зависимости от числа рабочих цилиндров гидравлические прессы для прессования бывают одно- и многоцилиндровыми. Основное число прессов имеет одноцилиндровую конструкцию, которая содействует беспере-косному движению прессующей траверсы. Многоцилиндровую компоновку применяют только в уникальных прессах большой мощности (силой свыше 100 МН).
126
Глава 2.5. ПРЕССЫ ДЛЯ ПРЕССОВАНИЯ
В прессах для прессования профилей и труб получили распространение гидравлические приводы двух типов: насосный и насосноаккумуляторный (от насосно-аккумуляторной станции - НАС), причем в целях обеспечения точности регулирования скорости прессования при рабочем ходе они, как правило, выполняются индивидуальными для каждого пресса. При прессовании алюминиевых сплавов, совершаемым с относительно низкими скоростями, основную долю времени технологического цикла занимает время деформирования (60...95 %), в течение которого расход жидкости высокого давления имеет практически постоянную величину. Поэтому для подобных прессов применяют масляный насосный привод от аксиально-поршневых насосов регулируемой подачи давлением до 32 МПа. Такой привод имеет целый ряд преимуществ: высокую точность регулирования скорости прессования, уменьшение массы прессовой установки за счет использования поршневой конструкции цилиндров, увеличение долговечности уплотнений и т.д.
Прессование стали и медных сплавов, совершаемое с высокими скоростями, характеризуется интенсивным потреблением жидкости высокого давления в период рабочего хода пресса, который составляет незначительную часть общего времени цикла (менее 5... 10 %). В этих случаях более экономичным является применение насосно-аккумуляторного привода, который может обеспечить практически любой требуемый расход жидкости высокого давления.
Использование в приводе от НАС воздушногидравлического беспоршневого аккумулятора обусловливает применение в качестве рабочей жидкости эмульсии типа "масло в воде" давлением 32 МПа.
Регулирование скорости прессования при насосно-аккумуляторном приводе связано с определенными трудностями, для решения которых в гидросистемах прессов для прессования труб и профилей необходимо предусматривать регуляторы скорости прессования.
Технические характеристики горизонтальных гидравлических прессов для прессования профилей и труб приведены в табл. 2.5.3.
Результатом совершенствования конструкций, повышения производительности и надежности гидравлических прессов для прессования труб и профилей является применение их в качестве головных агрегатов поточных линий по производству пресс-изделий, вклю
чающих весь комплекс технологического оборудования - от заготовительных до отделочных операций.
Горизонтальный гидравлический трубопрофильный пресс силой 200 МН. Один из мощнейших горизонтальных прессов в мировой практике конструкции ОАО "Уралмаш" предназначен для горячего прессования прутков, фасонных профилей, панелей и ребристых труб из алюминиевых сплавов.
Пресс четырехколонный, имеет три ступени сил, оснащен прошивной системой. Инструментальными наладками предусмотрено использованные круглых и плоских контейнеров с размерами внутренних втулок: диаметрами 650; 800; 1100 и 500 х 1200 мм.
Пресс прошел модернизацию для внедрения обратного метода прессования в целях получения ребристых труб. Последующая их разрезка по образующей и дальнейшая развертка позволяют получить ребристую панель шириной до 2500 мм, что решает многие вопросы их использования в авиационной технике.
Оснащение же пресса плоскими контейнерами, в особенности контейнером с телескопической рабочей втулкой, позволяет получить прессованный тяжелый профиль с законцов-ками и панели шириной до 1100 мм, длиной 40 метров, что способствовало строительству таких типов самолетов как "Руслан", "Мрия", "Ту", "Ан" и других летательных аппаратов.
При создании конструкции этого пресса использованы нетрадиционные решения конструкций узлов горизонтальных прессов.
Передняя поперечина состоит из трех основных частей, воспринимающих полную силу при прессовании. Сварно-литая средняя часть опирается на две боковые, которые, в свою очередь, опираются на гайки колонн.
Цилиндровая поперечина состоит из четырех отдельных балок - двух горизонтальных и двух вертикальных, которые образуют квадрат и соединяются с помощью основных колонн пресса. В центре каждой балки имеется гнездо для установки рабочего цилиндра. На приливах балок монтируются поперечины, в которые устанавливаются цилиндры передвижения контейнера, а в середине квадрата находится направляющая, по бронзовым планкам которой скользит прошивная штанга. При работе пресса в зависимости от необходимого положения конца иглы штанга упирается в затворы иглы.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
127
Пресс выполнен с шестью рабочими цилиндрами силой по 35 МН, развивающими суммарную силу 200 МН. Два из этих цилиндров являются прошивными, используемыми для прессования труб.
Несмотря на ступенчатое расположение цилиндров, все плунжеры выполнены одинаковыми по длине, так как крестообразное расположение балок подвижной поперечины соответствует выступающим рабочим цилиндрам. Разница в высотах балок задней и подвижной поперечин компенсируется проставками, несущими сферические опоры плунжеров.
Узел задней поперечины спроектирован так, что без разборки пресса можно заменить любой из рабочих цилиндров и плунжеров, для этого достаточно совершить полный ход пресса вперед, снять проставку и сферическую опору плунжера, после чего вынуть плунжер и цилиндр.
Подвижная поперечина также выполнена разъемной и состоит из двух литых частей, сцентрированных между собой кольцом и скрепленных шпильками. Передняя часть, в которой крепится прессштемпель, расположена горизонтально, а задняя - вертикально. В каждую из них упираются попарно плунжеры цилиндров, монтируемых в цилиндровой поперечине. Подвижная поперечина перемещается по наклонным направляющим литой опорной рамы и допускает регулировку в вертикальном и горизонтальном направлениях с помощью клиньев и винтовых упоров с опорными башмаками.
Техническая характеристика пресса
Номинальная сила пресса, МН.........200
Количество ступеней усилий...........3
Сила ступеней, МН
I ступень.......................... 65
II ступень......................... 135
III ступень......................... 200
Сила прошивной системы, МН..........15...65
Рабочий ход, мм...................... 2550
Скорость рабочего хода, мм/с........0,2...30
Скорость холостых ходов, мм/с.......до 300
Сила прижима контейнера, МН......... 12
Сила отрыва контейнера, МН.......... 7,0
Привод пресса....НАС с давлением 32 МПа
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бережной В.Л., Щерба В.Н., Батурин А.И. Прессование с активным действием сил трения. М.: Металлургия, 1988. 296 с.
2. Жолобов В.В., Зверев Г.И. Оборудование гидропрессовых цехов. М.: Машиностроение, 1974. 271 с.
3. Манегин Ю.В., Притоманов А.Е., Шпиттель Т., Кнаушнер А. Горячее прессование труб и профилей. М.: Металлургия, 1980. 272 с.
4. Перлин И.Л., Райтбарг Л.Х. Теория прессования металлов. М.: Металлургия, 1975. 448 с.
5. Сомов Б.С. Трубопрофильные прессы. М.: Машиностроение, 1972. 232 с.
6. Шур И.А. Технологическое оборудование для прессования металлов. М.: Металлургия, 1983. 160 с.
7. Шевакин Ю.Ф., Грабарник Л.М., Нагайцев А.А. Прессование тяжелых цветных металлов и сплавов. М.: Металлургия, 1987. 246 с.
8. Щерба В.Н. Классификация горизонтальных гидравлических прессов как основа для проектирования нового оборудования // Куэнечно-штамповочное оборудование. 1998. №9. С. 24-30.
9. Щерба В.Н., Кузнецов А.Н., Власов В.Н. и др. Эффективность модернизации горизонтальных гидравлических прессов при переводе на прессование с использованием активного действия сил трения // Технология легких сплавов. 1990. № 4. С. 64 - 69.
10. David Drake, Karl-Heinz Schutte. Largest Aluminum Extrusion Press in Korea // Light Metal Age (USA). 1996. № 4. P. 86 - 89.
Глава 2.6
ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ЛИСТОШТАМПОВОЧНЫЕ ПРЕССЫ
Прессы одностоечные со средствами механизации и автоматизации. Эти прессы обладают широкими технологическими возможностями; их используют для выполнения монтажно-запрессовочных операций, листовой штамповки, гибки, отбортовки и вытяжки, прошивки, протяжки или калибровки отверстий, обработки неметаллических материалов и прессования металлопорошков.
Прессы оснащаются гидроподушкой, выполняющей функции нижнего выталкивателя и прижима заготовки при вытяжке, а также универсальными средствами механизации - поворотными делительными столами и задающе-
128
Глава 2.6 ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ЛИСТОШТАМПОВОЧНЫЕ ПРЕССЫ
Рис. 2.6.1. Гидравлические одностоечные прессы: а - с шиберным устройством; б - с оснасткой для правки валов
сталкивающими (шиберными) устройствами для штучных заготовок (рис. 2.6.1, а), технологической оснасткой для правки валов (рис. 2.6.1, б).
Изготавливаются прессы следующих конструктивных исполнений: по ГОСТ 9753-88 правильные, базовые; с гидроподушкой; с гидроподушкой и шиберным устройством; с поворотным столом. Основные параметры и размеры прессов приведены в табл. 2.6.1.
Все узлы одностоечного пресса собраны на открытой С-образной станине сварной конструкции. Станина имеет вехнюю и нижнюю консоли и вертикальную стойку, внутри которой размещается емкость для рабочей жидкости. На фланце емкости закреплен гидроагрегат, содержащий регулируемый насос, электродвигатель и блок распределительной и кон-трольно-регулирующей аппаратуры. Сбоку на стойке пресса укреплен электрошкаф, в котором собраны электропанели управления. Узлы механизации устанавливаются на нижней консоли: поворотный стол закрепляется на базовом столе пресса, шиберное устройство -сбоку.
Поворотный стол имеет зубчато-рычажный механизм периодического движения планшайбы, обеспечивающий остановку ее в двенадцати рабочих позициях. Привод поворотного стола - от гидромотора с регулировкой частоты вращения.
Шиберное устройство представляет собой боковой гидравлический цилиндр, связанный с ползуном шиберного инструмента, верхняя часть которого выполнена в виде стола для размещения магазина штучных заготовок. Ползун соединен также с планкой сталки-вателя готовых изделий со штампа. Прессы с шиберным устройством и с поворотным столом оснащаются специальным ограждением рабочей зоны.
Прессы отбортовочные с ЧПУ. Прессы (табл. 2.6.2) предназначены для выполнения различных операций листовой штамповки: гибки листов в разных плоскостях и на разные углы в закрытых и открытых штампах (универсальная гибка); последовательной отбортовки
ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ЛИСТОШТАМПОВОЧНЫЕ ПРЕССЫ
129
2.6.1. Техническая характеристика прессов гидравлических одностоечных в автоматизированном исполнении для штамповки изделий из штучных заготовок
Параметр П3226В П3228В П3230В П3232В П3234В П6316Ж П6320Ж П6324Ж П6326Ж
Номинальная сила, кН 400 630 1000 1600 2500 40 100 250 400
Ход ползуна, мм 500 500 500 500 500 250 400 - 500
Наибольшее расстояние между ползуном и столом, мм 710 710 750 750 800 - - - 710
Расстояние от оси штока до станины (вылет), мм 320 320 400 400 400 160 200 250 320
Скорость ползуна, мм/с, при ходе:
холостом 250 220 190 180 125 150 230 250 250
рабочем 16...32 10 16...32 6,3... 12,5 4 48 25 20 16
возвратном 350 310 240 180 ПО 360 350 350 350
Наибольший ход шиберного устройства, мм 400 400 400 630 - - - - -
Наибольший диаметр планшайбы поворотного стола, мм - - - - - 500 630 800 800
Суммарная мощность электродвигателей, кВт 7,5 11 11 15 15 3 4 7,5 7,5
Габаритные размеры 1950 х 1060х 1950х 1950х 2600х 800х ЮООх ПООх 1250х
(длина х ширина х х1770х х1800х х2090х х2090х х2230х х1270х х1700х х1900х х1770х
х высота над уровнем пола), мм х2880 х2900 х3180 х3680 х3670 Х1200 х2085 х2760 х2900
Масса, т 3,55 4,0 6,44 8,3 12,0 0,6 1,485 2,47 3,4
Примечание. Изготовитель Оренбургское ПО "Гидропресс".
труб и деталей типа днищ; гибки различных профилей; штамповки днищ; отбортовки фланцев и цилиндрических обечаек.
Станины прессов (рис. 2.6.2) состоят из верхней 5 и нижней 8 поперечины и проставки 10, которые стянуты нагорячо между собой стяжными колоннами 12. В верхней поперечине установлены два вертикальных рабочих гидравлических цилиндра плунжерного типа 2 и четыре возвратных 4. К плунжерам вертикальных цилиндров жестко крепятся подштамповые плиты б, снабженные Т-образными
пазами для установки инструмента. Плунжеры возвратных цилиндров 4 связаны тягами с подшпамповыми плитами 6. Силы цилиндров могут передаваться на изделие раздельно и совместно. При совместной работе используется объединяющая их рабочая плита 3. В проставках станины размещен боковой цилиндр поршневого типа 13, используемый для отбортовочных работ, на плунжере бокового цилиндра закреплена рабочая плита. В нижней поперечине расположен выталкиватель 9.
5-819
130
Глава 2.6. ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ЛИСТОШТАМПОВОЧНЫЕ ПРЕССЫ
2.6.2. Техническая характеристика прессов гидравлических листоштамповочных одностоечных отбортовочных с ЧПУ
Параметр П3236Ф1 П3239Ф1 П3241Ф1
Номинальная сила, кН 4000 8000 12 500
Сила цилиндров, кН:
вертикальных 2 х 2000 2 х 4000 2 х 6300
возвратных 4x400 4 х 1000 1250
горизонтального 1000 2000 3150
выталкивателя 1000 2000 3150
Ход плунжера, мм:
вертикальных цилиндров 1120 1200 1700
бокового цилиндра - 1300 -
выталкивателя над столом — 560 —
выдвижного стола 1500 2000 2000
Расстояние, мм:
от оси вертикального цилиндра до станины от оси бокового цилиндра до плоскости 1100 700 1500 900 1900 1050
стола
между выдвижным столом и плитами вертикальных цилиндров 1800 2000 2000
Скорость движения плунжеров вертикальных цилиндров, мм/с:
при холостом ходе при рабочем ходе на ступенях: 40... 240 40...210 25... 125
I 2 2,25 1,65
II 4,5 5 3,6
III 9 9 6,5
IV 18 18 13,0
при возвратном ходе 15...135 15...132 15...120
Наибольшая скорость движения плунжеров бокового цилиндра и выталкивателя, мм/с:
при рабочем ходе 35 35 20,8
при возвратном ходе 80 70 41,5
Размеры (длина х ширина), мм:
выдвижного стола 2000 х 2400 3600 х 2600 4500 х 3000
плит вертикальных цилиндров 1200 х 1600 1500 х 2000 2500 х 2400
плит бокового цилиндра 500 х 500 500 х 500 800 х 800
Номинальное давление рабочей жидкости, МПа 20 20 20
Мощность привода, кВт 78,4 127,4 133,59
Грузоподъемность кран-балок, кг 3000 3000 5000
Габаритные размеры пресса (длина х ширина х 9500 х 6500 х 10 400 х 7500 х 12 200 х 8000 х
х высота над уровнем пола), мм х 6700 х 8100 х 8400
Общая высота, мм 8950 10 400 11 600
Масса, т 82 180 320
ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ЛИСТОШТАМПОВОЧНЫЕ ПРЕССЫ
wo
Рис. 2.6.2. Пресс гидравлический листоштамповочный одностоечный отбортовочный с ЧПУ (мод. П3236Ф1)
132
Глава 2.6. ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ЛИСТОШТАМПОВОЧНЫЕ ПРЕССЫ
Пресс снабжен выдвижным столом 7 с приводом от гидравлического цилиндра /7, он перемещается по направляющим нижней поперечины и имеет в своей передней части два опорных катка, которые при выходе из зоны направляющих опираются на рельсы, расположенные вне пресса. Стол используется при многопозиционной гибке или штамповке и для смены инструмента. Пресс оснащен индивидуальным насосным гидроприводом.
Для облегчения обслуживания пресса на верхней поперечине монтируются две кран-балки 7, по которым перемещаются тельферы. ЧПУ обеспечивает цифровую индикацию хода ползуна по заданной координате.
Система управления прессом содержит датчики перемещения рабочих вертикальных цилиндров, установленные на верхней поперечине и передающие преобразованный электрический сигнал линейных перемещений плит цилиндров в блоки цифровой индикации (БЦИ). Блоки цифровой индикации установлены в пульте управления 14 прессом. Конструкция пресса и его система управления обеспечивают возможность использования вертикальных цилиндров в режимах работы: ручном -вертикальными цилиндрами совместно; вертикальными цилиндрами раздельно (прижим одним из цилиндров); полуавтоматическом -одним вертикальным цилиндром (любым), двумя вертикальными цилиндрами совместно, двумя вертикальными цилиндрами раздельно (прижим одним из цилиндров).
Прессы двухстоечные вытяжные простого действия. Такие прессы предназначены для холодной вытяжки полых изделий (табл. 2.6.3). На них можно осуществлять: вытяжку на провал с выдачей готового изделия через окно в задней стенке стола, вытяжку изделия с ограничением и последующим выталкиванием через матрицу на поверхность стола выталкивателем, вытяжку на провал с обрезкой верхней части вытянутого изделия и с механизированным удалением обрезанной части детали. Конструкция прессов (рис. 2.6.3) рамная, со стяжными колоннами, что обеспечивает достаточную жесткость прессов, удобство регулировки зазоров в направляющих ползуна и получение изделий с минимальной разностенностью. Основные силовые детали станины: стол и верхняя поперечина - стальные, стойки - чугунные.
Под столом пресса расположен механизм выгрузки изделий качающегося типа с само
стоятельным приводом. Работа его согласована с циклом работы пресса. С фронта пресса установлен механизм загрузки заготовки. Заготовки загружаются горизонтально, а механизм поворачивает их в вертикальное положение и переносит в зону штампа. Механизмы загрузки и выгрузки выполнены таким образом, что обеспечивают работу пресса как с одним, так и с двумя пуансонами. Если производится вытяжка с обрубкой верхней части полуфабриката, за прессом устанавливается механизм удаления обрубленного кольца, обеспечивающий работу пресса с одним или двумя пуансонами. Для установки и смены инструмента прессы оборудованы консольным краном.
Прессы листоштамповочные двойного действия (колонные). Прессы (табл. 2.6.4) предназначены для горячей вытяжки деталей типа днищ, сосудов, резервуаров, котлов и других деталей из толстого листа. Листоштамповочные прессы применяются особенно широко в химической, судостроительной и транспортной отраслях промышленности.
На прессах моделей П238, П239А предусматривается выполнение вырубных работ при комплектации их достаточно надежной системой, воспринимающей гидравлические удары, неизбежные при мгновенном сбросе давления. Отличительная особенность конструкции прессов - наличие прижимной поперечины и гидроподушки, позволяющих работать на прессе по схеме двойного и тройного действий. При работе по схеме тройного действия один пресс заменяет два пресса, работающих по схеме двойного действия. Прессы тройного действия позволяют значительно расширить технологические возможности производства.
Станина прессов состоит из верхней и нижней поперечин, соединенных между собой четырьмя колоннами. Колонны соединены с поперечинами с помощью разъемных гаек.
На верхней поперечине смонтированы три главных и четыре прижимных цилиндра. Вытяжная нижняя поперечина направляется четырьмя колоннами пресса при помощи бронзовых разъемных втулок. Верхняя прижимная поперечина направляется четырьмя специальными колоннами, жестко заделанными в вытяжной поперечине и имеющими бронзовые направляющие втулки в верхней поперечине. Возвратный ход поперечин (и вытяжной, и прижимной) осуществляется двумя цилиндрами, укрепленными на нижней поперечине.
ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ЛИСТОШТАМПОВОЧНЫЕ ПРЕССЫ
133
2.63. Техническая характеристика прессов гидравлических двухстоечных вытяжных простого действия
Параметр П7830 П7830А П7832 П7832А П7933 П7933А ПА7834 П7834А П7836
Сила, кН: номинальная пресса возвратного хода 1000 1600 2000 2500 4000
400 400 или 800
Давление рабочей жидкости, МПа: привода пресса средства механизации 20
1,3
Наибольший ход ползуна мм: с механизмом принудительного отвода без механизма принудительного отвода: при работе на провал без обрубки при вытяжке с ограничением 2500 1500 2500 1500 2500 1500 2500 1500 1800
2300 1300 2300 1300 2300 1300 2300 1300 —
- - - - 2200 1200 220 1200 -
Скорость хода, м/мин: холостого рабочего возвратного при силе съема, кН: 200 400 800 35
8...13 5,5...8,8 4,4...4,7 3,6...5,7 2,25... 3,6
35
21 21 или 17,5 10,5
— — — —
Наибольший ход выталкивателя, мм 1300 800 1300 800 1300 800 1300 800 1200
Наименьшее время цикла, с 16,15 11,32 18,9 12,97 20,99... 25,26 14,25... 16,3 23,34... 27,61 15,72... 18,27 23,59... 26,65
Расстояние между стойками в свету, мм 1200
Размеры подштамповой плиты (длина х х ширина), мм 1070 х 1100
Размеры отверстия в столе, мм 260 х 700
Габаритные размеры (длинах ширина х высота над уровнем пола), мм 4920х х3490х х9540 4920х х3490х х7615 4920х х3490х х9540 4920х х3490х х7615 4920х х3490х х9780 4920х х3490х х7780 4920х х3490х х9780 4920х х3490х х7780 4920х х4050х х9740
Масса пресса, т 61,73 55,5 63,16 56 80,5 74 81 74 86,7
Примечания: 1. Изготовитель Одесское ПО "Прессмаш" им. 60-летия Октября.
2. Наименьшее время цикла дано при наибольшей производительности насосов 400 л/мин и ускоренном ходе, равном половине наибольшего хода ползуна. Время цикла при вытяжке изделия определяется путем замера при эксплуатации пресса.
3. Скорости рабочего и возвратного ходов указаны при давлениях насоса 12,5 и 20 МПа и производительности 400 и 250 л/мин соответственно.
4. Сила обратного хода (400 или 800 кН) - по требованию заказчика.
134
Глава 2.6. ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ЛИСТОШТАМПОВОЧНЫЕ ПРЕССЫ
Рис. 2.63. Гидравлический пресс мод. ПА7834:
/ - бак наполнения; 2 - главный цилиндр; 3 - гидропровод; 4 — верхняя поперечина; 5 — холодильник; 6- стойкастанины; 7— механизм загрузки; ^ — механизм выгрузки; 9— нижняя поперечина
ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ЛИСТОШТАМПОВОЧНЫЕ ПРЕССЫ
135
2.6.4. Техническая характеристика прессов гидравлических листоштамповочиых двойного действия (колонных)
Параметр П4638А П233А П236Б П238 П239А
Номинальная сила вытяжной поперечины, кН, на ступени: I II III 2000 4000 6300 280 560 800 500 1000 1600 800 1600 2500 1000 2000 3150
Номинальная сила прижимной поперечины (II ступень), кН 1000 500 1000 1600 2000
Ход поперечин, мм 1700 2500 1700
Наибольшее расстояние между столом и вытяжной поперечиной, мм 2600 3900 3100
Размеры стола (длина х ширина), мм 3550 х 3550 2650 х 2650 3550 х 3550 6000 х 5500 4300 х 4300
Ход стола, мм 3550 2650 3550 6500 4350
Номинальная сила, кН: гидроподушки (центрального выталкивателя) бокового выталкивателя 200 5 250 0 500 63 800 100 1000 125
Ход гидроподушки и бокового выталкивателя (над столом), мм 700 900 1000 500
Скорость поперечин (при двойном действии), мм/с, на ходе: холостом рабочем (только вытяжной траверсы) возвратном 300 33 160 32 135 2( 25 125 )0 20 80 100 200
Давление рабочей жидкости, МПа 20 32
Мощность привода, кВт 240 296 434 527 -
Габаритные размеры (длина х х ширина х высота общая), мм 18 950 х х 9820 х х 12 550 15 000 х х 12 450 х х 12 070 18 750 х х 10 560 х х 16 000 29 400 х х 14 410 х х 19 300 24 300 х х 12 600 х х 17 105
Высота над уровнем пола, мм 7550 7470 11 100 11900 10 205
Масса пресса, т 353 340 738 1732 1145
Примечания. 1. Изготовитель Рязанский завод тяжелого кузнечно-прессового оборудования.
2 По требованию заказчика гидроприводы прессов могут быть индивидуальными масляными (прессы мод П4638А, П233А, П2365, П238), а также от насосно-аккумуляторных станций (прессы мод. П238, П239А).
136
Глава 2.6. ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ЛИСТОШТАМПОВОЧНЫЕ ПРЕССЫ
Выдвижной стол для подачи нагретых заготовок смонтирован на нижней поперечине станины пресса. Стол имеет возможность выдвигаться из пресса на специальный мост, одна сторона которого прикреплена к станине, а другая опирается через башмаки на фундамент. Стол перемещается двумя цилиндрами плунжерного типа. Движение стола в конце хода замедляется дросселированием потока жидкости в цилиндре перемещения стола. Стол - кованый, состоит из нескольких частей, сваренных электрошлаковым способом. Стол фиксируется четырьмя винтами в нижней поперечине.
В нижней части пресса имеется гидроподушка (центральный выталкиватель), состоящая из двух цилиндров, двух неподвижных и одной подвижной поперечины четырех несущих колонн. Цилиндры укреплены в подвижной поперечине и перемещаются с ней при работе гидроподушки. Плунжеры цилиндров укреплены в неподвижных поперечинах, которые в свою очередь связаны с помощью колонок с нижней вытяжной поперечиной пресса.
Гидравлическая и электрическая части пресса позволяют работать на прессе по схеме двойного и простого действия; при этом обеспечиваются три режима работы: без гидроподушки, с гидроподушкой самовозвратом, с гидроподушкой без самовозврата. На каждом из этих режимов пресс может развивать различные силы, количество ступеней которых и величина указаны в табл. 2.6.4.
Пресс для прессования тонкостенных полусферических изделий. Пресс мод. Д0743 Коломенского завода тяжелого станкостроения предназначен для прессования тонкостенных полусферических изделий из малопластичных материалов в выносных пресс-формах.
Станина пресса разъемная, состоит из верхней и нижней неподвижных рам, верхней и нижней подвижных поперечин, стянутых между собой четырьмя колоннами. Нижняя и верхняя подвижные поперечины соединены двумя колоннами. В верхнюю неподвижную раму вмонтирован главный и возвратные цилиндры, в нижнюю подвижную поперечину -цилиндр пресс-втулки. Механизм центрального пуансона крепится на верхней поперечине станины и проходит через плунжер верхнего главного цилиндра, где установлен пресс-штемпель, к нижней части которого крепится рабочий инструмент, формующий внутреннюю сферу оболочки. Пресс-форма, расположенная на тележке, имеет в своей верхней час
ти пресс-втулку, нижним торцом которой осуществляется формирование торца оболочки. Следящий гидропривод с программным управлением обеспечивает заданное взаимное положение плунжеров по пути и во времени.
Техническая характеристика пресса для прессования тонкостенных полусферических изделий (мод. Д0743)
Номинальная сила, кН: главного цилиндра................20 000
цилиндров пресс-втулки.......10 000
возвратного цилиндра.......... 500
Рабочее давление жидкости, МПа: в главном цилиндре............. 25
в цилиндре пресс-втулки...... 25
в возвратных цилиндрах....... 16
Наибольший ход плунжера, мм: главного цилиндра............. 700
цилиндра пресс-втулки........ 500
возвратного цилиндра.......... 750
Скорость холостого хода плунжера, мм/с: главного цилиндра............... 9
цилиндра пресс-втулки........ 10
Скорость рабочего хода при прессовании, мм/с: предварительном................ 1... 5
окончательном..................0,05... 0,2
Скорость, мм/с:, возвратного хода............... 10
перемещения тележки........... 100
Размеры плиты тележки, мм...... 1380 х 1550
Расстояние между колоннами в свету, мм........................ 1520
Межштамповая высота, мм.......... 2050
Суммарная мощность электродвигателей, кВт........................ 161
Расход, м3/ч: воды для охлаждения............. 2
воздуха......................... 1
Габаритные размеры (длина х ширина х х высота над уровнем пола), мм.....4500х
х4600х х8545
Масса, т............................ 175
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Живов Л.И., Овчинников А.Г. Кузнечно-штамповочное оборудование. Прессы. Киев: Вища школа, 1981. 376 с.
2. Мансуров И.З., Подрабинник И.М. Специальные кузнечноо-прессовые машины и автоматизированные комплексы кузнечноштамповочного производства: Справочник. М.: Машиностроение, 1990. 344 с.
ПРАВИЛЬНЫЕ ПРЕССЫ
137
Глава 2.7
ПРАВИЛЬНЫЕ И ПРАВИЛЬНОРАСТЯЖНЫЕ ПРЕССЫ
2.7.1. ПРАВИЛЬНЫЕ ПРЕССЫ
Многообразие деталей в машиностроении, подвергаемых правке вследствие коробления, определяет многотипность используемых для выполнения данной операций правильных прессов. Чаще всего для правки используются гидравлические прессы, так как они наилучшим образом обеспечивают характер необходимой технологической нагрузки. Выбор силы правильного прессового оборудования, определение соотношений упругих и пластических деформаций, величин остаточных напряжений в деталях при правке производят согласно рекомендациям [12,20,15,19,9].
По ГОСТ 9753-88 [3] предусмотрен выпуск прессов гидравлических одностоечных правильных с ручным управлением (исполнение I) силой от 100 до 4000 кН, оснащенных съемными правильными столами. Съемные столы комплектуются приспособлениями для точной правки: призмами, центрами, передвижными каретками.
В соответствии с этим стандартом освоены и выпускаются (в основном Оренбургским ПО ''Гидропресс") модели прессов, приведенные в табл. 2.7.1.
Для правки проката и крупногабаритных сварных конструкций используются более мощные специальные правильные прессы силой до 15 000 кН колонного или портального типа, оснащенные устройствами перемещения выправляемой детали относительно правильного инструмента [2].
В гидравлических правйльных прессах обычно применяют насосный безаккумулятор-ный привод с насосами постоянной или переменной подачи, параметры которого выбираются по известным рекомендациям [1, 6]. Соблюдение требований техники безопасности [4] на отечественных правильных прессах достигается за счет использования двурукого управления.
За рубежом правильные прессы с ручным управлением выпускаются в значительных количествах рядом европейских фирм: Dunkes (Германия), LBM (Франция), Galdabini (Италия) и др. Прессы оснащены широким ассортиментом сменных правйльных приспособлений и имеют более развитые ряды по основным
2.7.1. Техническая характеристика правильных прессов
Параметр Модели правильных прессов
П6320Б П6324Б П6326Б ПБ6328 ПБ6330 ПБ6332 ПБ6334
Номинальная сила, кН 100 250 400 630 1000 1600 2500
Расстояние от оси штока до станины, мм 200 250 320 400
Наибольшее расстояние между правильным столом и ползуном, мм 420 460 590
Размеры съемного правильного стола, мм: длина ширина 1250 1600 2000 2500
300 360 500 600
Модель используемой для съемного стола правильной оснастки 117 118 119
Мощность привода, кВт 4 7,5 15 18,5
Масса, кг 1260 2150 2915 3390 5430 7400 9460
138
Глава 2.7. ПРАВИЛЬНЫЕ И ПРАВИЛЬНО-РАСТЯЖНЫЕ ПРЕССЫ
рабочим параметрам. Например, фирмой Dun-kes выпускаются правильные прессы серии HS силой от 100 до 2000 кН, а также настольные правильные прессы серии DR силой 5; 10; 20; 40 кН.
За последние два десятилетия за рубежом и в нашей стране в связи с развитием вычислительной техники и средств автоматического контроля широкое применение в условиях массового и серийного производства находят автоматические правильные прессы с ЧПУ или комплексы на их базе. Наиболее широкое применение они нашли для правки высокоточных деталей типа валов (распределительные и коленчатые валы двигателей внутреннего сгорания, полуоси, шпиндели и т.д.).
В России разработаны и выпускаются по заказам предприятий специализированные правильные автоматические прессы и комплексы [7]. Основные данные по освоенному оборудованию приведены в табл. 2.7.2.
Использование автоматического оборудования повышает производительность труда
от 2 до 8 раз при высокой стабильности допусков деталей по биению.
За рубежом ведущими фирмами по выпуску автоматического правильного оборудования являются фирмы: Jenny (Швейцария), МАЕ, Muller (ФРГ), Galdabini (Италия), Anritsu (Япония) и др. Например, фирмой Jenny выпускается семейство прессов-автоматов ARP, включающее в себя 12 моделей силой от 50 до 1000 кН для правки деталей длиной от 300 до 1700 мм.
Основным направлением развития и совершенствования автоматического правильного прессового оборудования является создание правильных центров с системами диалогового режима работы, диагностики возникающих неисправностей, с возможностью оперативной переналадки на правку любой детали из определенной группы, выполнения дополнительного контроля деталей на наличие трещин, маркировки и разбраковки, а при необходимости фиксирования результатов работы.
2.7.2. Техническая характеристика правильных прессов с ЧПУ
Модель пресса или комплекса
Параметр П0118.А.Ф2 П0122П (К12.322.01) К12.322.04 К12.322.08 АКК12.322.01 П6126Ф2 П626Ф4 АКП6126Ф4 АКП6126.Ф4-01 В08.026.Ф4
Номинальная сила, кН 63 160 160 160 160 400 400 400 400 630
Длина выправляемого вала, мм 600... 1200 800 315 700... 1035 150... 800 600... 1200 360 250... 600 600... 1200 1180
Количество сечений правки 1...5 3 2 3...5 1...3 1...5 2 1...4 1...5 5
Количество сечений контроля 1...7 3 2 3...7 1...5 1...7 2 1...6 1...7 7
Точность правки (наименьшее биение детали), мм 0,02 0,025 0,06 0,025 0,02 0,03 0,06 0,03 0,03 0,03
Суммарная мощность приводов, кВт 3 3 3 3 7,8 11,2 7,8 11,2 11,2 30,3
Масса (совместно с ЧПУ), кг 3000 1350 2100 3200 3600 4800 4000 5600 5900 13 100
Примечание. Организация разработчик и изготовитель: Оренбургское ПО “Гидропресс", В08.026.Ф4 НПО "ЭНИКмаш".
ПРАВИЛЬНО-РАСТЯЖНЫЕ И ОБТЯЖНЫЕ ПРЕССЫ
139
2.7.2. ПРАВИЛЬНО-РАСТЯЖНЫЕ И ОБТЯЖНЫЕ ПРЕССЫ
Для правки тонколистового проката из алюминиевых сплавов, титана, сталей и сплавов с особыми физическими свойствами используют правильно-растяжные машины с силой растяжения от 100 до 10 000 кН [2, 15, 17]. Прессы имеют рамную конструкцию станины (рис. 2.7.1). При правке концы листа зажимаются в головках, одна из которых во время растяжения листа неподвижна, но может переставляться в зависимости от длины листа; другая перемещается под действием гидравлического цилиндра. В результате перемещения одной из головок в сторону, противоположную от другой неподвижной головки, зажатый в них лист растягивается и правится. При правке лист пластически удлиняется на 2...3 %. Качество правки высокое. В отличии от других способов правки поверхность листа не портится (отсутствуют царапины). Машины оборудуются цепными транспортерами [10] для подачи листов в зажимные губки и пневмовакуумными захватами для подачи листов из стопы к цепному транспортеру и складирования выправленных листов в другую стопу (рис. 2.7.2). Для правки полос из рулона используются машины, у которых головки имеют гладкие губки, не оставляющие отпечатков на поверхности полосы при ее зажатии [13]. Перед правкой растяжением необходимо выправить рулонную кривизну. Высокопрочные листы и полосы правят комбинированными способами: растяжением с изгибом; растяжением с про-гладкой валками; растяжением с нагревом [17, 12]. Для снижения степени деформации и повышения ее однородности по длине и ширине
листа можно при правке использовать дифференциальное растяжение [11].
Для правки прессованных профилей и труб фасонного сечения используются правильно-растяжные прессы с раскрутными механизмами, встраиваемыми в зажимные головки [2]. Правка профилей сопровождается раскруткой и растяжением. Профили из алюминиевых сплавов правят в холодном состоянии, а из титана и высокопрочных сталей и сплавов -в горячем состоянии [2]. Правилъно-растяж-ные прессы для профилей изготавливают с силой от 50 до 15 000 кН и крутящим моментом при раскрутке до 550 кН • м. Раскрутные механизмы устанавливаются на одной или на обеих головках.
Прессы для растяжки плит изготавливают силой растяжения от 20 000 до 136 000 кН. Эти прессы имеют станину колонной конструкции с гидравлическими цилиндрами, расположенными на осях колонн. Две растяжные головки могут при перестановке в зависимости от длины плиты перемещаться вдоль колонн, а при растяжении жестко скрепляться с ними. В некоторых конструкциях для перестановки головки на расстояние, соответствующее длине растягиваемой плиты, используют специальные разрезные проставки [7, 21].
Независимо от назначения все правильно-растяжные прессы имеют насосный безак-кумуляторный гидравлический привод [1]. Прессы оборудуются амортизаторами для предохранения поломок в момент внезапного обрыва листа, профиля или плиты. Величина пластической деформации при правке назначается в зависимости от степени искривленности материала.
21000
Рис. 2.7.1. Правильно-растяжной пресс силой 6300 кН
140
Глава 2.7. ПРАВИЛЬНЫЕ И ПРАВИЛЬНО-РАСТЯЖНЫЕ ПРЕССЫ
Необходимая деформация обеспечивается силой растяжения
z \т
Р = Л^- + е0 F, V Е J
(2.7.1)
где Е, А, т - постоянные растягиваемого материала, определяемые при испытании на растяжение; - предел текучести материала, МПа; F - площадь поперечного сечения растя-2 гиваемого материала, м ; 80 - степень пластической деформации, необходимой для получения качественной правки.
Для автоматического управления процессом растяжения используют цифровые системы.
На обтяжных прессах осуществляют формообразование листовых и профильных деталей из алюминиевых сплавов, титана, высокопрочных сталей и сплавов с особыми физическими свойствами в холодном и горячем состояниях [5].
Рис. 2.7.2. Схема установки для правки листов
Для обтяжки деталей из листа используют в основном две разновидности прессов - поперечные (рис. 2.7.4) и продольные (рис. 2.7.3). На поперечных прессах осуществляют простую обтяжку и обтяжку с растяжением. При простой обтяжке лист, зажатый в неподвижных зажимах, пластически удлиняется под действием движущегося вверх стола с установленной на нем болванкой, и приобретает форму последней. На этом принципе в основном
Рис. 2.73. Продольный обтяжной пресс силой 1500 кН
ПРАВИЛЬНО-РАСТЯЖНЫЕ И ОБТЯЖНЫЕ ПРЕССЫ
141
31000
Рис. 2.7.4. Поперечный обтяжной пресс силой 7500 кН
Рис. 2.7.5. Схемы перемещения зажимов и стола обтяжных прессов
работают все обтяжные прессы. Отличие между ними заключается в различном перемещении зажимов и стола с болванкой (рис. 2.7.5): с неподвижными (рис. 2.7.5, а) или подвижными (рис. 2.7.5, б, в) зажимами; подвижным (рис. 2.7.5, а, б, в) или неподвижным (рис. 2.7.5, г, е) столом; прямолинейными, монолитными или секционными, устанавливаемыми по радиусу зажимами (рис. 2.7.5, ж) или с секционными зажимами, осуществляющими дифференциальное растяжение (рис. 2.7.5, и). Стол с болванкой, перемещаясь вверх, наклоняется в вертикальной плоскости. Поперечные
прессы изготавливаются с силой стола от 1000 до 15 000 кН и силой растяжения от 500 до 7500 кН. На продольных прессах производят в основном обтяжку с растяжением (рис. 2.7.5, ж) [21]. Эти прессы имеют силу растяжения от 1000 до 16 000 кН. В прессах, работающих по способу обтяжки с растяжением используется программное управление, позволяющее одновременно управлять двумя зажимами и подвижным столом. Для обтяжки деталей сложной формы с двойной знакопеременной кривизной применяют дополнительный ползун, расположенный сверху стола (рис. 2.7.5, ж).
142
Глава 2.7. ПРАВИЛЬНЫЕ И ПРАВИЛЬНО-РАСТЯЖНЫЕ ПРЕССЫ
Дополнительный ползун монтируется на портале, который или жестко скреплен со станиной, или может перемещаться вдоль станины. На верхнем ползуне закрепляется прижим, имеющий поверхность, обратную поверхности основной болванки (контрповерхность). При обтяжке лист находится между болванкой и прижимом.
Для обтяжки деталей из прессованных и прокатанных профилей используют машины с поворотными рычагами (рис. 2.7.5, г). На станине шарнирно установлены два поворотных рычага, на них смонтированы растяжные цилиндры, на штоках которых закреплены зажимы для установки и закрепления концов профиля. Сверху станины располагается стол, на котором устанавливается и закрепляется болванка, по поверхности которой производится обтяжка профиля. Имеются прессы с поворотным столом и одним поворотным рычагом с растяжным цилиндром. Второй зажим и обтяжная болванки устанавливаются на поворотный стол (рис. 2.7.5, д). В некоторых конструкциях используются или дополнительный ползун для формообразования знакопеременной кривизны или формующий башмак или ролик для местной обработки профиля [11].
Для получения обечаек из листа с поверхностью в виде тела вращения с прямыми или кривыми образующими используют прессы для кольцевой обтяжки с раздвижными болванками (рис. 2.7.5, з). При радиальном перемещении множества болванок, одетая на них предварительно сваренная обечайка пластически удлиняется и приобретает форму поверхности этих болванок.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бочаров Ю.А., Прокофьев В.И. Гидропривод кузнечно-прессовых машин. М.: Высшая школа, 1969. 247 с,
2. Гидравлические прессы / Под ред. Б.П. Васильева. М.: Машиностроение, 1966. 436 с.
3. ГОСТ 9753-88 (СТ СЭВ 1829-79, СТ СЭВ 5934-87). Прессы гидравлические одностоечные. Параметры и размеры. Нормы точности.
4. ГОСТ 12.2.117-88 (СТ СЭВ 5933-87). Прессы гидравлические. Требования безопасности.
5. Громова А.Н., Завьялова В.И., Коробов В.К. Изготовление деталей из листов,
профилей и труб при серийном производстве. М.: Оборонгиз, 1969. 544 с.
6. Добринский Н.С. Гидравлический привод прессов. М.: Машиностроение, 1975. 222 с.
7. Иванов М.В., Бакаев Е.И., Повалиев С.А., Чавкин О.Н. Пресс-автомат для правки коленчатых валов И Кузнечно-штамповочное производство. 1987. № 8.
8. Ирошников А.Н. Вспомогательные машины прокатных станов. Энциклопедический справочник машиностроения. Т. 8. М.: Машгиз, 1948. С. 938-1051.
9. Малинин Н.Н. Прикладная теория пластичности и ползучести. М.: Машиностроение, 1975. 400 с.
10. Моисеев В.Г., Коробов А.Г., Быковский Г.С. Правильно-растяжная машина для правки листов без отходов // Труды ВНИИМЕТМАШ. 1972. Сб. № 33. С. 222 - 227.
11. Моисеев В.Г. Машина обтяжная с дифференциальным растяжением И Авиационная промышленность. 1986 № 1. С. 7 - 11.
12. Мошнин Е.Н. Гибка, обтяжка и правка на прессах. М.: Маштиз, 1959. 360 с.
13. Победин И.С., Моисеев В.Г., Нистратов А.Ф., Розанов Б.В. Правильно-растяжная машина для правки полос из рулона // Вестник машиностроения. 1968. № 1. С. 47-48.
14. Сахненко В.Л. Холодная гибка и правка деталей. М.: Машгиз, 1951. 138 с.
15. Сигалов Ю.М., Моисеев В.Г., Дьяконов Ю.А., Попов А.В., Филиппов Е.И., Масюков И.Н. К вопросу о методах правки листов и полос титановых сплавов // Технология легких сплавов. 1973. № 2.
16. Слоним А.З. Машины для правки листового и сортового материала. М.: Машиностроение, 1975. 208 с.
17. Слоним А.З., Сонин АЛ. Современное оборудование для правки металла в СССР и за рубежом // НИИИНФОРМТЯЖмаш, 1969. 57 с.
18. Сторожев М.В., Попов Е.А. Теория обработки металлов давлением. М.: Машгиз, 1971.424 с.
19. Феодосьев В.И. Сопротивление материалов. М.: Изд-во физико-математической литературы, 1963. 539 с.
20. Presses and machines for the aerospace industry (каталог) Zoire ACB (Франция), 1989.
21. Presses and machines for the aerospace industry (каталог) JNNSE innocenti santeustac-chio (Италия) 1984.
ПРЕССЫ ДЛЯ ПАКЕТИРОВАНИЯ ЛЕГКОВЕСНОГО МЕТАЛЛОЛОМА
143
Глава 2.8
ПАКЕТИРОВОЧНЫЕ И БРИКЕТИРОВОЧНЫЕ
ГИДРОПРЕССЫ
2.8.1. ПРЕССЫ ДЛЯ ПАКЕТИРОВАНИЯ ЛЕГКОВЕСНОГО МЕТАЛЛОЛОМА
Пакетировочный пресс, предназначенный для уплотнения легковесного металлолома, должен обеспечить максимальную производительность, высокую плотность и прочность пакетов при небольших энергозатратах, безотказность работы и высокую степень механизации загрузки и выгрузки пакетов. Многообразие конструктивных схем пакетировочных прессов объясняется стремлением производителей удовлетворить требование потребителей, т.е. проектируется и изготавливается машина под конкретного потребителя.
Пакетирование - это уплотнение легковесного лома с насыпной плотностью 0,2...0,35 т/м3 в пакеты с массой от 20 до 4000 кг, имеющих форму параллелепипеда, с плотностью 1,5...4,0 т/м3, в результате чего объем металлолома уменьшается в несколько десятков раз (до 30 и более раз). Основные технологические характеристики пакета - прочность и плотность зависят от давления окончательного прессования [2].
Гидравлические пакетировочные прессы табл. 2.8.1 в зависимости от способа пакетирования классифицируются на четыре основные группы: непрерывного действия; с двусторонним сжатием пакетов с закрывающейся крышкой (мод. БА 1334 и Б1642); с двусторонним прессованием на окончательной ступени прессования (мод. Б1345); с трехсторонним прессованием пакетов во взаимно-перпендикулярных плоскостях.
2.8.1. Техническая характеристика прессов пакетировочных для пакетирования легковесного лома
Параметр БА1330 Б1332 БА1334А Б1334 Б1638 Б1642 Б1345
Сила (на окончательной ступени прессования), кН 1000 1600 2500 6300 16 000 31 500
Размеры пакета (длина х высота), мм, не более 400 х х 320 х х 320 450 х х 340 х х 340 500 х 360 х 360 1000 х х 500 х х 500 2000 х 1000x 710
Объем прессовой камеры в начале пакетирования, м3 0,72 2,43 10,9 2,94 10 21 32,5
Толщина пакетируемых отходов, мм, не более 3 4 6 8 12
Производительность, пакетов в час 40 35 30 20
Мощность привода, кВт 22 89,7 177,2 127 300 750 1320
Габаритные размеры (длина х ширина х высота над уровнем пола), мм 4600 х х 3300 х х 2600 8800 х х 5300 х хЗЮО 12 000 х х 8700 х х 1000 9000 х х 5350 х х 2780 15 350 х х 10 500 х х 4650 18 700 х х 17 180 х х 1000 25 800 х х 22 650 х х 6320
Масса, т 10,6 38 148 72 230 605 1190
Примечание. Изготовители: БА1330; Б1334 - Азовский завод кузнечно-прессового оборудования; Б1332, БА1334А - Одесское ПО "Прессмаш" им. 60-летия Октября; Б1638, Б1642, Б1345 - Новосибирский завод "Тяжстанкогидропресс".
144
Глава 2.8. ПАКЕТИРОВОЧНЫЕ И БРИКЕТИРОВОЧНЫЕ ГИДРОПРЕССЫ
Пакетировочные прессы непрерывного действия. Прессы гидравлические пакетировочные представляют собой пресс-ножницы для встраивания их в поточные линии для пакетирования листовой обрезки на автомобильных заводах, где образуется большое количество металлических отходов.
Загрузка отходов в прессовую камеру и удаление готовых пакетов осуществляется специальными транспортерами.
Схема пакетирования следующая: непрерывная загрузка лома (прессующие цилиндры в исходном положении); предварительное заталкивание отходов в камеру (I ступень прессования); окончательное прессование пакета (II ступень прессования); выталкивание пакета.
Окончательно спрессованный пакет выталкивается ползуном механизма второго прессования.
Прессы пакетировочные с двусторонним сжатием пакетов. Характерные особенности прессов с двусторонним сжатием - наличие гидравлического загрузочного бункера или мульды и автоматически закрывающейся подвижной крышки пресс-камеры. Уплотнение -пакетирование лома осуществляется в три или четыре ступени прессования: I, II, III и IV. Из загрузочного короба лом сталкивается штемпелем ступени I в пресс-камеру, при этом часть лома уплотняется. Наиболее эффективное уплотнение лома производится последовательно на ступенях прессования III и IV. На ступени III осуществляется формирование пакета по ширине, а окончательное уплотнение скрапа и формирование пакета по длине осуществляется на ступени прессования IV. Готовый пакет выталкивается через окно, которое во время прессования закрывается заслонкой. Пакеты достигают плотности до 2,5 т/м3.
Азовский завод кузнечно-прессового оборудования серийно выпускает две модели пакетировочных прессов с двусторонним сжатием пакетов: БА 1330, Б1334 (см. табл. 2.8.1). Кинематика прессов: предварительное сжатие лома крышкой - ступень прессования I; ступень окончательного прессования, открытие шибера и выталкивание пакета ходом поршня осуществляется ступенью прессования II. На малых прессах силой 1000 кН мод. БА 1330 загрузка осуществляется с помощью короба, на прессе силой 2500 кН мод. Б1334 - с помощью мульды. Крышка каждого пресса оснащена ножами, что обеспечивает одновременно уплотнение и срезание отходов по периметру
пресс-камеры. Прессующие ползуны имеют удлиненные направляющие, обеспечивающие бесперекосное их движение без специальных синхронизирующих устройств.
Обычно прессы изготавливают пакет за один цикл, который начинается с закрывания крышки (предварительное сжатие лома). После того как крышка доходит до своего крайнего положения, автоматически включается ход ползуна ступени сжатия I, затем автоматически выключается ход ползуна ступени сжатия II. Ход ползуна последней ступени сжатия длится до тех пор, пока давление в гидросистеме и сила гидроцилиндра не достигнут своих номинальных значений; после этого срабатывает реле давления, которое дает команду на прекращение сжатия и открытие окна выдачи пакета. Готовый пакет выталкивается через окно ползуном последней ступени сжатия, и все механизмы возвращаются в исходное положение [1].
Пресс с двусторонним прессованием на окончательной ступени пакетирования. Новосибирским заводом "Тяжстанкогидропресс" создан уникальный пресс гидравлический пакетировочный силой 31 500 кН мод. Б1345 (см. табл. 2.8.1). Пресс используется на крупных металлургических комбинатах и заводах по переработке металлолома.
Схема пресса модели Б1345 приведена на рис. 2.8.1.
Станина пресса 8 представляет собой жесткую конструкцию из двух массивных боковин, соединенных между собой через литые стальные проставки и днище стяжками. Боковины, днище, проставки и откидная крышка образуют пресс-камеру. Все поверхности, соприкасающиеся со скрапом, облицованы износоустойчивыми плитами. Загрузочный короб 7 выполнен в виде жесткой сварной конструкции из толстолистового материала, усиленной швеллерами. При сбросе металлолома в прессовую камеру короб поворачивается с помощью гидравлического цилицдра, закрепленного на станине пресса. Загрузочная тележка / выполняет роль второго загрузочного короба. Она перемещается с помощью цепной передачи от электродвигателя через редуктор. Опрокидывание тележки происходит самопроизвольно в конце хода вследствие уклона направляющих катков. Ходом тележки управляет оператор с общего пульта управления прессовой установкой. Откидная крышка 9 закрывается и открывается с помощью двух главных и
ПРЕССЫ ДЛЯ ПАКЕТИРОВАНИЯ ЛЕГКОВЕСНОГО МЕТАЛЛОЛОМА
145
Рис. 2.8.1. Схема конструкции пресса для пакетирования силой 31 500 кН
одного обратного цилиндров. Поверхность крышки, соприкасающаяся со скрапом, облицована износоустойчивыми рифлеными плитами, а ее поверхность в зоне окончательного прессования - гладкими плитами. Передняя лобовая плита ползуна также имеет по контуру рифленые выступы, которые совпадают с впадинами облицовочных плит крышки и стенок пресс-камеры. Узел первого прессования 6 осуществляет прессование пакета ползуном, соединенным с плунжерами главных цилиндров через проставки со сферическими подпятниками, а также транспортировку отпрессованного пакета в зону выталкивания.
В ползуне под лобовой плитой смонтирован электромагнит, с помощью которого пакет перемещается в зону выталкивания.
Механизм контроля ширины пакета 5 и длины пакета 4 осуществляет дистанционный контроль размера пакета с помощью сельсин-датчика, установленного на входном валу редуктора, и сельсин-приемника, размещенного на пульте управления.
Узел второго прессования 2 производит окончательное прессование пакета с двух сторон одинаковыми цилиндровыми группами, расположенными по обе стороны пресс-камеры. Механизм прижима пакетов 3 удерживает готовый пакет в окне выдачи пакетов в момент
очередного прессования. При этом торец пакета образует продолжение внутренней стенки пресс-камеры и препятствует попаданию скрапа в окно. Выталкиватель 10 выдает готовый пакет из пресс-камеры на приемный стол. Привод пресса от насосной станции размещен в отдельном помещении. Насосная станция может работать как на масле, так и на эмульсии.
Прессы для пакетирования с тремя ступенями прессования. Для пакетирования легковесного лома Одесским ПО "Прессмаш” им. 60-летия Октября созданы высокопроизводительные прессы силой 1600 кН мод. Б1332 и силой 2500 кН мод. БА1334А с увеличенным размером прессовой камеры и трехступен чатым прессованием легковесного лома (А.с. 1447694. Гидропривод пакетировочных прессов от 23.03.87).
Трехступенчатое пакетирование наиболее оптимально: оно позволяет увеличить производительность, в значительной степени повысить силовые и энергетические показатели пресса и обеспечить высокую плотность пакета.
Пресс мод. БА1334А, высокопроизводительный, гидравлический, пакетировочный, силой 2500 кН, с тремя ступенями прессования входит в унифицированную гамму пакетировочных прессов, разработанную Одесским ПО ’’Прессмаш”. Пресс (см. табл. 2.8.1) предназна
146
Глава 2.8. ПАКЕТИРОВОЧНЫЕ И БРИКЕТИРОВОЧНЫЕ ГИДРОПРЕССЫ
чен для пакетирования крупногабаритного стального лома и отходов (типа кузовов легковых автомобилей).
Пресс - горизонтальной конструкции. Станина - сборно-сварная, представляет собой короб и служит загрузочной и прессовой камерой. Все поверхности камеры, соприкасающиеся с металлом, облицованы сменными износостойкими плитами, которые смазываются жидкой смазкой. Поворачивающийся на осях под действием гидроцилиндра бункер производит предварительное формирование порции и засыпку в загрузочную камеру. Металлолом в прессовой камере прессуется в трех взаимноперпендикулярных направлениях. Крышка, закрывающая камеру прессования, одновременно служит для предварительной подпрессовки. Три поршневых гидроцилиндра через пресс-штемпели осуществляют пакетирование. По окончании операции пакетирования гидроцилиндр открывает заслонку окна выдачи, и пакет гидроцилиндром выталкивается из пресса. Пресс снабжен механизмом контроля длины пакетов.
Прессы пакетировочные НП Zdas (Чехия) с тремя ступенями прессования. В действующем парке ломоперерабатывающего обору
дования значительное место занимают гидравлические прессы для пакетирования легковесного металлического лома, поставленные НП Zdas.
Этим предприятием освоены прессы гидравлические пакетировочные сил 3150... 12 500 кН с тремя ступенями прессования (табл. 2.8.2).
2.8.2. Техническая характеристика современных пакетировочных прессов
с тремя ступенями прессования НП Zdas (Чехия)
Параметр СРА315-А СРА630-А СРА1250-А
Номинальная сила прессования на ступни, кН: I 2500 6300 3920
II 3150 6300 12 260
III 3150 6300 11 770
Гидравлический пакетировочный пресс мод. CPA 630-А (рис. 2.8.2) предназначен для
Рис. 2.8.2. Пресс гидравлический пакетировочный с тремя ступенями прессования (модель Zdas CPA 630-А)
БРИКЕТИРОВОЧНЫЕ ПРЕССЫ
147
пакетирования легковесного скрапа с максимальной толщиной до 8 мм в компактные пакеты. На прессе пакетируются: листовой прокат, трубы, профильный прокат, отходы штамповочных цехов или более крупный скрап, как, например, кузова автомашин, агрегаты сельскохозяйственных машин и т.д.
Гидравлический пакетировочный пресс СРА1250-А предназначен для прессования легковесного металлолома максимальной толщины до 10 мм в компактные пакеты большой плотности. На прессе пакетируются: отходы листового проката, профильный материал, скрап из прессовых цехов или крупногабаритные кузовы автомобилей, сельскохозяйственные машины и т.п.
Пресс в основном монтируется на скрапных дворах металлургических заводов.
Привод пресса обеспечивают поршневые насосы высокого давления. В привод включена охлаждающая система, состоящая из двух хо
лодильников. Гидравлическое распределительное устройство размещено на крышке бака, в корпусе распределительного устройства установлены золотниковые распределители. Управление главными золотниковыми распределителями электрогидравлическое.
Пульт управления помещен в кабине и снабжен управляющим рычагом для автоматического хода и кнопочной системой для управления ходом отдельных операций. Рабочий цикл осуществляется автоматически.
2.8.2. БРИКЕТИРОВОЧНЫЕ ПРЕССЫ
Прессы гидравлические для брикетирования чугунной и стальной стружки.
Прессы-автоматы гидравлические (табл. 2.8.3) предназначены для холодного брикетирования чугунной и мелкодробленой стальной стружки для переплава.
2.8.3. Техническая характеристика прессов брикетировочных
Параметр Б6234 Б6238 Б6241
Номинальная сила, кН 2500 6300 12 500
Сила, кН:
трамбования 16 100 315
подпрессовки 160 315 630
съема контейнера 200 400 800
Наибольший ход пресс-штемпеля, мм 350 520 720
Ход контейнера, мм 140 180 370
Наибольшее давление прессования, МПа 320 510 235
Диаметр инструмента, мм, для:
стали 120 170 230
чугуна 100 150 -
Размеры готового брикета, мм:
стального:
диаметр 120 190 230
длина 30 80... 120 150
чугунного:
диаметр 100 150... 170 -
длина 70 90... 120 -
Масса брикета, кг:
стального 2,0 11...16 45
чугунного 3,0 8...20 -
148
Глава 2.8. ПАКЕТИРОВОЧНЫЕ И БРИКЕТИРОВОЧНЫЕ ГИДРОПРЕССЫ
Продолжение табл. 2.8.3
Параметр Б6234 Б6238 Б6241
Производительность пресса, т/ч, при изготовлении брикетов: стальных чугунных 1,8 2,3 3,8...5,5 4,0...7,0 7,0...9,4
Мощность привода, кВт 30,8 111,2 285
Габаритные размеры (длина х ширина х х высота), мм 3840 х 1730х х 1930 5200 х 3550 х х 2950 12 500 х 3500 х х 4000
Масса, т 8,2 28 93,5
Примечание. Изготовитель Одесское ПО "Прессмаш” им. 60-летия Октября.
Показатели качества брикетов из стальной чугунной стружки в пределах технических требований регламентированы ГОСТ 2787-75.
Брикеты из чугунной стружки, используемые в ваграночных печах, должны иметь массу не менее 2 и не более 20 кг при плотности не менее 5000 кг/м3. Суммарное содержание безвредных примесей и масла в брикетах не должно превышать 2 % по массе.
Прессы могут быть также использованы для брикетирования мелкодробленой стружки цветных металлов путем изменения площади инструмента. Рекомендуемые давления при брикетировании различных видов стружки:
Материалы стружки Давление, МПа
Чугун................ 370
Сталь................ 280
Алюминий............. 280
Бронза............... 370
Медь................. 280
Магний............... 370
Титан................ 510
Прессы (рис. 2.8.3) выполнены в горизонтальном исполнении. Их основные узлы следующие: станина 1 двух- или четырехколонного исполнения с опорной или основной поперечиной, совмещенной с рабочим цилиндром 2,
Рис. 2.83. Пресс гидравлический для брикетирования чугунной и стальной дробленой стружки (модель Б6238)
БРИКЕТИРОВОЧНЫЕ ПРЕССЫ
149
Рис. 2.8.4. Автоматизированный комплекс для горячего брикетирования металлической стружки:
1 - шарнирный ленточный транспортер; 2 - стружкодробитель; 3 - скребковый транспортер;
4 - вибролоток; 5 - центрифуга; 6 - вибрационный конвейер; 7 - магнитный сепаратор; 8 - бункер для стружки с шиберным устройством; 9 - пресс гидравлический брикетировочный
два соосных гидравлических цилиндра - ускорительный 4 и рабочий 2; подвижный контейнер 7 с пневматическими или гидравлическими трамбовками для предварительного сжатия стружки перед заталкиванием в матрицу, гидропривод 5 и бак наполнения 3. Процесс брикетирования стружки на прессах полностью автоматизирован.
Прессование стружки осуществляется пресс-штемпелем 6 в открытой матрице, которая вмонтирована в подвижный контейнер 7. Цикл прессования брикета включает: предварительное сжатие стружки в контейнере 7 двумя трамбовками; ускоренный ход с помощью ускорительного цилиндра 4, при котором стружка из контейнера заталкивается пресс-штемпелем в матрицу, а в этот момент рабочий цилиндр заполняется маслом из бака наполнения 3 (специальная блокировка предусматривает повторный ход трамбовки и пресс-штемпеля при брикетировании легковесной стружки, когда одной ее порции недостаточно для образования полного брикета); по достижении номинального усилия брикетирования контейнер перемещается в сторону, противоположную рабочему движению пресс-штем-пеля, брикет освобождается из открытой матрицы, остается зажатым между опорной поперечиной и пресс-штемпелем 6, в момент возврата поршня рабочего цилиндра ускорительным цилиндром 4 брикет освобождается и под действием силы тяжести падает в тару, все механизмы пресса возвращаются в исходные положения, и цикл прессования повторяется.
Типовой автоматизированный комплекс для подготовки и брикетирования металлической стружки. Прессы-автоматы брикетировочные работают в непрерывном автоматическом режиме, поэтому весьма важно обеспечить подачу необходимого объема дробленой сухой стружки в контейнер пресса.
На рис. 2.8.4 показан типовой комбинированный автоматизированный комплекс для брикетирования.
Для брикетирования витой стальной стружки сначала ее подвергают дроблению на стружкодробилке, которая одновременно удаляет крупные металлические включения, далее транспортером измельченная стружка подается на специальный лоток и центрифугу для удаления масла и смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ), затем через вибрационный конвейер, магнитный сепаратор и накопительный бункер стружка поступает в вибролоток пресса и контейнер брикетировочного пресса. Готовые брикеты по склизу поступают в контейнер для передачи на переплавку.
Для брикетирования чугунной стружки автоматизированный комплекс комплектуется центрифугой и аналогичными транспортными системами и соответствующим брикетировоч-ным прессом-автоматом.
Автоматизированный комплекс для горячего брикетирования стружки. Комплект для горячего брикетирования металлической стружки создан Всесоюзным научно-исследовательским проектным институтом лома (ВНИПИлом) на базе модернизированного пресса брикетировочного силой 6300 кН.
Комплекс (рис. 2.8.5) состоит из системы подготовки стружки, нагревательной печи и пресса. Система подготовки стружки включает: стружкодробилку фрезерного типа 7, ленточный транспортер 2, молотковую стружкодробилку 3 для окончательного дробления стружки, снабженную загрузочным бункером 4 и вибропитателем. После молотковой струж-кодробилки мелкая стружка попадает на ленточный транспортер 5, по которому поступает в приемный бункер б, установленный перед барабаном вращающейся печи 8, в которую входит лоток вибропитателя 7, подающего
150
Глава 2.8. ПАКЕТИРОВОЧНЫЕ И БРИКЕТИРОВОЧНЫЕ ГИДРОПРЕССЫ
Рис. 2.8.5. Схема работы механизмов пресса для горячего брикетирования стружки
стружку из бункера в барабан печи, и далее нагретая стружка поступает в накопитель 9.
Модернизированный пресс снабжен дополнительными устройствами: дозатором горячей стружки и контейнером с вертикальной допрессовкой. Дозатор служит для подачи изнакопителя нагревательной печи в пресс-камеру подпрессовки строго определенных и равных по объему порций стружки. Дозатор состоит из гидравлического цилиндра, штемпеля и корпуса. Задняя часть штемпеля в месте крепления штока цилиндра охлаждается водой. Верхняя плоская поверхность штемпеля при ходе дозатора вперед перекрывает приемное окно и препятствует высыпанию стружки из накопителя нагревательной печи. Корпус дозатора имеет массивное основание с боковыми стенками и крышкой, отлитыми из чугуна. Нижняя часть и боковые стенки основания внутри защищены листами жаропрочной стали. Контейнер с вертикальной трамбовкой состоит из гидравлического цилиндра, двух стяжных колонн, литого корпуса с пресс-каме-рой, пресс-штемпеля и системы охлаждения.
Техническая характеристика комплекса
Производительность, т/ч........ 2,5... 3,0
Установленная мощность электродвигателя, кВт.................... 165
Сила, кН........................... 6300
Теплоноситель..................... Природ-
ный газ
Температура нагрева стружки, °C 550...700 Размеры брикета, мм: диаметр.............................. 180
высота....................... 130... 150
Масса брикета, кг.............. 12... 15
Плотность брикета, т/м3........ 5,5...6
Габаритные размеры (длина х ширина х высота), мм............. 18,3х
х6,2х х4,4
Масса, т....................... 77
Барабанная вращающаяся печь изготовлена на базе сушильного барабана. Сварной барабан печи футерован шамотным кирпичом. Кожух барабана имеет приводной разъемный венец и два бандажа, которыми барабан опирается на две пары опорных роликов, закрепленных на литой чугунной раме. Привод состоит из электродвигателя, двухступенчатого цилиндрического редуктора, зубчатой передачи со сменными зубчатыми колесами для изменения числа оборотов барабана в зависимости от сорта стружки. Одним торцом барабан входит в огневую коробку с накопителем, а другим - в дымовую коробку, соединенную через боров с дымовой трубой.
В огневой коробке размещены газовые горелки инжекционного типа, работающие на природном газе. В накопителе для предотвращения охлаждения стружки установлена дополнительная газовая горелка. Нагретая стружка осыпается в накопитель огневой коробки.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Морозов С.И. Машинист пакетировочных прессов. М.: Металлургия, 1977.
2. Каталог фирмы HENSCHEL (Германия).
3. Каталог фирмы HARRIS (США).
4. Каталог фирмы VEZZANI (Италия).
5. Каталог фирмы BECKER (Германия).
6. Каталог фирмы LINDEMANN (Германия).
7. Каталог фирмы ”RICO” (Югославия).
8. Каталог фирмы ’’ARNOLD” (Австрия).
9. Рабочая документация ПО Донпрес-смаш на прессы пакетировочные БА 1330 и БГ1334.
ПРЕССЫ И КОМПЛЕКСЫ ДЛЯ ПРЕССОВАНИЯ РЕАКТОПЛАСТОВ
151
Глава 2.9
ГИДРОПРЕССЫ И КОМПЛЕКСЫ ДЛЯ ПРЕССОВАНИЯ ПЛАСТМАСС
И ДРУГИХ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
2.9.1. ПРЕССЫ И КОМПЛЕКСЫ ДЛЯ ПРЕССОВАНИЯ РЕАКТОПЛАСТОВ
Прессы и комплексы предназначены для получения объемных изделий из реактопластов различных типов: фенопластов, аминопластов, стеклопластиков методами компрессионного (прямого) и трансферного (литьевого) прессования (табл. 2.9.1).
Перерабатываемый материал загружается в пресс в виде пресс-порошка, отпрессованных заранее таблеток, жгутов, а также заранее набранных пакетов ткани, пропитанной смолой.
Как правило, на прессах переработка ведется в стационарных пресс-формах с различным числом гнезд, имеющих электрический нагрев [4, 1].
Конструктивные особенности прессов. Сварная рама, служащая станиной пресса, имеет в верхней поперечине расточку, в которую монтируется главный гидроцилиндр с закрепленными на его верхнем торце баком и клапаном наполнения. Сварная плита на нижней поперечине станины служит рабочим столом пресса. Под столом пресса размещен диф-фенциальный гидроцилиндр выталкивателя.
2.9.1. Техническая характеристика прессов [2]
Параметр Численные значения
Номинальная сила, кН 630 1000 1600 2500 4000
Ход ползуна, мм 450 500 560 630 710
Наибольшее расстояние между столом и ползуном, мм 710 800 900 1000 1120
Размер стола, мм 560 х 500 630 х 560 710x630 800 х 710 900 х 800
Сила выталкивателя, кН 125 200 315 500 630
Ход выталкивателя, мм 160 200 250 320 400
Скорость холостого хода ползуна, мм/с: вниз вверх 350 220 350 200 350 230 350 190 350 170
Скорость рабочего хода ползуна, мм/с: при силе > 30 % ном. при силе < 30 % ном. 50...7 7 50...6,5 6,5 50...7 7 50...6 6 50... 5,5 5,5
Скорость рабочего хода выталкивателя, мм/с: при силе > 30 % ном. при силе < 30 % ном. 100...35 35 100...30 30 100...35 35 100...30 30 100...30 30
Мощность привода, кВт 4 5,5 7,5 15 18,5
Масса, кг 2800 3400 5000 8000 12 500
Примечания: 1. Две ступени рабочей скорости ползуна предназначены для режима компрессионного (прямого) прессования.
2. Выталкиватель применяется для режима трансферного (литьевого) прессования.
152
Глава 2.9. ГИДРОПРЕССЫ И КОМПЛЕКСЫ ДЛЯ ПРЕССОВАНИЯ ПЛАСТМАСС
Ползун пресса направляется четырьмя клинообразными направляющими, расположенными на лобовом и заднем листах станины. Справа от станины расположен электронный шкаф управления с пультом управления, содержащий в себе логический блок управления прессом, аппаратуру терморегулирования полуформ пресс-формы и пусковую аппаратуру двигателя.
Гидропривод пресса выполнен в виде автономного устройства и состоит из гидробака, с размещенной в нем насосной установкой, состоящей из сдвоенного радиальноплунжерного насоса высокого давления и лопастного насоса низкого давления, приводящихся одним двигателем. Насос высокого давления обеспечивает силу пресса и выталкивателя, сообщая им необходимые скорости рабочих и возвратных ходов. Лопастной насос служит для управления гидрораспределителями и приводом средств автоматизации.
Гидропривод комплектуется блоком гидроаккумулятора для получения увеличенных скоростей рабочего хода.
Основные параметры прессов как силовые, так и геометрические соответствуют рядам нормальных чисел, что позволяет иметь силовое подобие основных узлов прессов и применять типовые расчеты, методы моделирования при разработке конструкций.
Система управления позволяет получать наладочный и полуавтоматический режимы, обеспечивать прямое, трансферное прессование, получать циклы с паузами и без них, с подпрессовками в нужном количестве и без них, с регулируемым временем выдержки под давлением, величин ходов, скоростей рабочих органов, сил на них, временных и температурных параметров, работать с выталкивателем и без него и т.д.
В зависимости от вида перерабатываемого материала возможно вести автоматическую термостабилизацию обеих половин пресс-формы.
Автоматические комплексы иа базе прессов для реактопластов. Комплексы 630, 1000 и 1600 кН позволяют вести работу прессов в автоматическом режиме, исключая работу оператора на операциях дозирования материала, загрузки его в гнезда пресс-формы и съема готовых изделий.
Комплексы предназначены для получения безарматурных изделий из пресс-порошков и неподогретых таблеток в условиях круп
носерийного производства на стационарных пресс-формах с количеством гнезд до четырех.
В зависимости от вида исходного материала (пресс-порошок или таблетка) комплексы выпускаются двух видов для каждой из вышеуказанных сил.
Комплексы для производства изделий из пресс-порошков [3]. Комплекс состоит из двух блоков: пресса и блока автоматизации с приводом от гидро- и электропривода пресса. Блоком автоматизации производятся операции дозирования пресс-порошка, раскладки его в гнезда пресс-формы и съема изделий. Дозирование и раздача доз в гнезда плиты осуществляется время выдержки изделия под давлением. Перед загрузкой пресс-формы ее очищают путем обдува сжатым воздухом.
Комплексы для производства изделий из таблетированного пресс-материала. Комплексы состоят из двух блоков: пресса и блока автоматизации.
Блок автоматизации для работы на таблетках выполнен на базе блока, описанного выше, только вместо бункера для пресс-порошка он снабжен ротационным механизмом для выдачи загруженных в него таблеток, а раздача таблеток по гнездам загрузочной плиты ведется пневматическим манипулятором.
Пути совершенствования оборудования для переработки реактопластов. Дальнейшее совершенствование прессов данного типа можно осуществить по следующим направлениям:
- создание комплексов с применением пластицирующих устройств, которые позволят сокращать время выдержки под давлением и повышать производительность прессов;
- повышение стойкости мягких уплотнений гидроцилицдров, работающих на высоких давлениях, что сократит время простоя в ремонтах;
- создание приборов и систем управления, позволяющих контролировать параметры процесса полимеризации, обеспечивая заданное качество изделий;
- создание дистанционных систем управления, позволяющих повысить комфортность настроек и регулировок механизмов;
- совершенствование структуры выпуска оборудования, где наряду с серийным оборудованием должны найти свое место определенное количество прессов и автоматов, созданных под конкретную деталь или группу деталей.
ПРЕССЫ ДЛЯ ЛИТЬЕВОГО ПРЕССОВАНИЯ
153
2.9.2. ПРЕССЫ ДЛЯ ЛИТЬЕВОГО ПРЕССОВАНИЯ
Прессы однопозиционные с ЧПУ для литьевого прессования. Прессы (табл. 2.9.2) предназначены для получения изделий из полистирола и его сополимеров, полиэтилена высокой и низкой плотности, полипропилена, полиамидов, поликарбонатов, полиформальдегидов и других материалов, перерабатываемых методом литья под давлением. Материал применяется в виде гранул и крошки с температурой пластикации до 350 °C.
На машинах можно изготавливать одно или несколько изделий в одно- или многогнездной пресс-форме. Предусмотрена возможность получения изделий в горячеканальных пресс-формах. В режиме интрузии можно получить изделия с утолщенной стенкой (объем отливаемого изделия увеличивается приблизительно до 20 %), а в режиме литьевого прессования-точные и тонкостенные изделия.
Для расширения технологических возможностей машины выпускаются трех исполнений -сдавлениями литья 180; 132; 100 МПа. Литьевые машины выполнены в горизонтальной компоновке (расположение осей механизма запирания и впрыска горизонтальное) с индивидуальными гидроприводами.
Все узлы размещены на станине, на лицевой стороне которой установлены панели управления и регулирующая аппаратура.
Машины силой до 1600 кН имеют цельную станину, машины силой свыше 1600 кН - станины, состыкованные из двух частей, каркасы которых выполнены из листов, гнутых профилей и швеллеров.
Сверху на обработанных плитах станины установлены механизмы впрыска запирания с закрепленными на них узлами.
Пластицирующий шнек приводится в движение высокомоментным гидродвигателем.
Для демонтажа пластицирующего шнека механизм впрыска разворачивается относительно каретки на определенный угол в горизонтальной плоскости.
Машины силой 500 и 1000 кН имеют гидромеханический механизм запирания; машины силой свыше 1000 кН - двухступенчатый гидроцилиндр. Все машины снабжены гидравлическими выталкивателями с регулировкой скорости и хода выталкивания. Инструмент крепится с помощью резьбового соединения. На механизмах запирания преду
смотрено устройство, исключающее поломку инструмента в процессе работы.
Гранулированный материал загружается в бункер механизма впрыска, откуда при вращении шнека через загрузочное окно попадает в обогревательный цилиндр, где установлены электрообогреватели с регулируемыми зонами обогрева. Материал при соприкосновении со стенками цилиндра и от механического воздействия вращающегося шнека разогревается и пластицируется.
Давление, развиваемое расплавом, перемещает шнек вместе с поршнем цилиндра впрыска в осевом направлении. После накопления необходимого объема расплава поступательным перемещением шнека осуществляется впрыск пластмассы в пресс-форму. Объем набираемой порции регулируется дозирующим устройством (командоаппаратом).
После выдержки изделия под давлением и охлаждения его осуществляется размыкание пресс-форм и выталкивание готового изделия. Температура нагрева контролируется и поддерживается специальными терморегуляторами. Измерение температуры производится термопарами, установленными в специальных отверстиях обогревательных цилиндров.
На машинах силой запирания до 1000 кН опасная зона механизма запирания закрыта арочным подвижным ограждением, а на машинах силой свыше 1000 кН - передним и задним ограждениями.
На машинах предусмотрена регулировка параметров литья в зависимости от размеров изделия и марки перерабатываемого материала.
Программное управление технологическими параметрами включает адаптивное регулирование объемной дозы расплава и задание в числовом виде технологических параметров литья, оказывающих влияние на свойства и характеристики отливаемых изделий.
В машинах с ЧПУ осуществляются:
регулирование объемной дозы расплава по объему расплава в передней части пласти-кационного цилиндра после окончания стадии формирования (“подушки”); момента перехода стадии впрыска в стадию формования;
задание интервалов изменения скорости по пути шнека и ступеней скорости на каждом интервале пути шнека при впрыске и пластикации;
регулирование ступеней давления пластикации; времени формования и ступеней давления формования; объемной дозы расплава
154
Глава 2.9. ГИДРОПРЕССЫ И КОМПЛЕКСЫ ДЛЯ ПРЕССОВАНИЯ ПЛАСТМАСС
2.9.2. Техническая характеристика машин однопозиционных для литья под давлением термопластических материалов с ЧПУ
Параметр ДВ3127-63Ф1 ДЕ3127-63Ф1 ДЕ3130-125Ф1 ДП3332.Ф1 ДП3334.Ф1
Номинальная сила запирания, кН 500 1000 1600 2500
Ход подвижной плиты при наибольшей высоте пресс-формы, мм 250 320 400 500
Высота устанавливаемых пресс-форм, мм: наибольшая наименьшая 250 320 400 500
140 160 200 250
Расстояние между колоннами в свету, мм: горизонтальное вертикальное 320 400 500
250 320 400 500
Время "сухого" цикла, с 1,3 1,7 2,1 2,4
Номинальное давление литья, МПа 180, 132, 100
Номинальный объем впрыска за цикл, см3 45, 53, 85 95, 125, 170 190, 250, 340 380, 800, 670
Частота вращения шнека (регулируемая), мин-1 20... 430 2...290 40...300 20...250
Число задаваемых параметров 15 20
Мощность обогрева цилиндра пластикации, кВт 4,9 5,6 8,47 10,48
Суммарная мощность электродвигателей, кВт 15 22,5 30 43
Габаритные размеры (длина х х ширина х высота над уровнем пола), мм 3555 х х 835 х х 1570 3200 х х 850 х х 1900 3770 х х 920 х х 1940 4600 х х 1600 х х 1990 5400х х 1640х х 1990
Масса, т 21 3,2 5,8 8,5
Примечание: Изготовители: ДВ3127-63Ф1, ДП3332.Ф1, ДП3334.Ф1 - Одесское ПО "Прессмаш" им. 60-летия Октября, ДЕ3127-63Ф1, ДЕ3130-125Ф1 - Хмельницкий завод термопластавтоматов.
(при работе без автоматического выбора объемной дозы расплава); моментов перехода стадии впрыска в стадию формования; перемещения шнека при декомпрессии; моментов отвода сопла по пути шнека; перемещения подвижной плиты механизма запирания; ступеней скорости ускоренного перемещения подвижной плиты механизма запирания.
Гидроприводы машины выполнены с использованием клапанной аппаратуры, встраиваемой в отверстие (КАВО), что дает возможность значительно сократить габариты блоков впрыска и запирания и сосредоточить органы управления технологическими параметрами литья непосредственно на блоках.
ПРЕССЫ ДЛЯ ЛИТЬЕВОГО ПРЕССОВАНИЯ
155
Литьевые машины (табл. 2.9.3) предназначены для изготовления изделий из термопластичных гранулированных материалов: полистирола и его сополимеров, полиэтилена высокой и низкой плотности, полипропилена, полиамидов, полиформальдегидов, поликарбонатов, пластифицированного поливинилхлорида, этрола, анида, пригодных для переработки методом литья под давлением с температурой пластикации до 350 °C.
2.9.3. Техническая характеристика машин однопозиционных для литья под давлением термопластических материалов
Параметр ДБ3121-16П ДБ3124-32П
Номинальная сила запирания инструмента, кН 125 250
Ход подвижной плиты при наибольшей высоте пресс-формы, мм 160 200
Высота устанавливаемой пресс-формы, мм: наибольшая наименьшая 160 НО 200 125
Расстояние между колоннами в свету, мм: горизонтальное вертикальное 200 160 250 200
Наименьшее время запирания и раскрытия пресс-формы, с 1,0 1,2
Наибольшее расстояние между подвижной и неподвижными плитами, мм 320 400
Номинальный объем впрыска за цикл, см3 16 32
Номинальное давление литья, МПа 112
Диаметр пластицирующе-го шнека, мм 22 26
Номинальная частота вращения пластицирующего шнека (регулирование бесступенчатое), мин-1 20... 240
Продолжение табл. 2.9.3
Параметр ДБ3121-16П ДБ3124-32П
Мощность электрообо-
грева цилиндра пластикации, кВт 1,6 2,4
Число зон обогрева 2 3
Габаритные размеры машины (горизонтальная компоновка), мм:
длина с механизмом
впрыска:
подведенным 2170 2500
отведенным 2290 2620
ширина 850
высота 1670
Габаритные размеры машины (вертикальная компоновка), мм:
длина х ширина 2150 х 850
высота с механизмом
впрыска:
подведенным 2500 2720
отведенным 2620 2840
Масса машины с электрошкафом, т 13,5 14,7
Примечание. Изготовитель: Хмельницкий завод термопластавтоматов.
Для переработки непластицированного поливинилхлорида машины по особому заказу оснащаются специальной оснасткой.
Термопластичный материал должен быть в ваде гранул размером не более 5x5x5 мм.
На машинах можно изготавливать одно или несколько изделий одновременно в зависимости от конфигурации, массы и площади изделия.
Машины выполнены в горизонтальной компоновке, которую путем поворота рамы и установки противовеса ограждения можно преобразовать в вертикальную компоновку (рис. 2.9.1). Такие машины оснащены механическим выталкивателем, имеющим регулируемую величину хода.
$
Рис. 2.9.1. Компоновки однопозиционных машин для литья под давлением термопластических материалов (мод. ДБ3121-16П и ДБ3124-32П): а - горизонтальное исполнение; б — вертикальное
Глава 2.9. ГИДРОПРЕССЫ И КОМПЛЕКСЫ ДЛЯ ПРЕССОВАНИЯ ПЛАСТМАСС
ПРЕССЫ ДЛЯ ЛИТЬЕВОГО ПРЕССОВАНИЯ
157
Механизм запирания гидромеханический, рычажного типа с приводом от гидроцилиндра, размещенного соосно с осью механизма.
Межштамповое расстояние регулируется перемещением подвижной плиты с помощью ручного привода.
Узлы механизмов запирания инструмента и впрыска смонтированы на раме, имеющей ось поворота на кронштейнах станины.
Механизм впрыска с установленным на нем цилиндром пластикации перемещается в направляющих рамы с помощью цилиндра прижима.
Станина выполнена вместе с гидробаком, на крышке которого установлен гидроагрегат. На лицевой стороне станины закреплен пульт управления.
После набора необходимого объема расплава масло подается в поршневые полости гидроцилиндров впрыска, и поступательным перемещением шнека осуществляется впрыск расплава в пресс-форму.
Объем набираемой порции регулируется дозирующим устройством (командоаппаратом).
Температура нагрева цилиндра пластикации контролируется и поддерживается специальными терморегуляторами, расположенными в электрошкафу, а измеряется она термопарами, установленными в специальных отверстиях цилиндра пластикации.
Опасная зона механизма запирания закрыта арочным подвижным ограждением, сблокированным с системой управления машины таким образом, что при открытии ограждения привод механизма запирания отключается на любом этапе цикла.
Автоматы литьевые для изготовления двух- и трехцветных изделий из пластмасс. Автоматы (табл. 2.9.4) предназначены для изготовления двух- и трехцветных изделий методом литья под давлением из термопластических масс с температурой пластикации до 300 °C.
Автомат мод. Д3937 - машина двухцветного литья; имеется возможность использовать обе формы на два различных изделия, а также обеспечить впрыск материала в одну большую пресс-форму с помощью двух литьевых узлов. Предусмотрена возможность интрузии материала в пресс-форму перед впрыском.
Автомат горизонтального исполнения оснащен двумя литьевыми узлами.
Станина сварная коробчатой формы, на ней смонтированы все узлы автомата.
Цилиндры со шнеками служат для подогрева и предварительной пластикации гранулированного исходного материала.
Цилиндры имеют три зоны электрообогрева. Температура каждой зоны нагрева регулируется автоматически.
Вращение шнеков от гидродвигателей осуществляется через редукторы. Поступательное перемещение шнеков производится
2.9.4. Техническая характеристика автоматов литьевых для изготовления двух-и трехцветных изделий из пластмасс
Параметр Д3937 ДА3933
Наибольший объем впрыскиваемого материала, см3 250 х 2* 63 х 3**
Сила, кН: закрытия пресс-формы раскрытия пресс-формы 5000 500 1600 160
Номинальное давление литья, МПа 160 140
Ход подвижной плиты, мм 500 320
Наибольшее расстояние между подвижной и неподвижной плитами, мм 1000 630
Регулируемое расстояние между подвижной и неподвижной плитами, мм 280 170
Расстояние между колоннами в свету, мм 800 х 630 500 х 400
Время впрыска материала в пресс-форму, с 2 1,2
Суммарная мощность электродвигателей, кВт 91 52
Габаритные размеры (длина х ширина х высота над уровнем пола), мм 1500 х х2100х х 2050 5160 х х 2200 х х 2200
Масса, т 24,3 12
Примечание. Изготовитель Одесское ПО "Прессмаш" им. 60-летия Октября.
* Для двухцветных изделий.
♦♦ Для трехцветных изделий.
158
Глава 2.9. ГИДРОПРЕССЫ И КОМПЛЕКСЫ ДЛЯ ПРЕССОВАНИЯ ПЛАСТМАСС
Рис. 2.9.2. Машина литьевая для производства изделий из вспенивающихся термопластичных материалов (мод. Д3034-3000):
1 - короткоходовой цилиндр большого диаметра; 2 - механизм впрыска;
3 - вакуумзагрузчик; 4 - дозирующее устройство
механизмом вспрыска материала. Механизм вспрыска создает необходимое давление для заполнения форм материалов и поддерживает его в процессе работы.
Механизм прижима служит для подвода и отвода механизма вспрыска к форме. Он осуществляет поджим сопла к литниковой втулке формы и отрыв литника; механизм представляет собой гидравлический цилиндр поршневого типа.
Механизм запирания служит для полного запирания, отрыва и дальнейшего раскрытия форм. Привод механизма запирания осуществляется от гидравлического цилиндра. Механизм запирания оснащен выталкивателями.
Механизм поворота служит для переноса укрепленных на планшайбе полуформ с одной позиции на другую. Материал первого цвета вспрыскивается в незаполненную пресс-форму на первой позиции, затем форма переносится на вторую позицию и заполняется материалом второго цвета. Привод - индивидуальный гидравлический. Автомат ДА3933 - горизонтального исполнения с тремя литьевыми узлами. Станина сварная коробчатой формы, является базовой деталью, на которой смонтированы все узлы автомата.
Цилиндры обогрева и шнека служат для подогрева и предварительной пластикации материала. Обогрев цилиндров электрический, охлаждение водяное. Температура нагрева цилиндров поддерживается и контролируется автоматически.
Во время вспрыска шнек совершает возвратно-поступательное движение. Объем вспрыска регулируется величиной обратного хода шнека. Вращение шнека осуществляется от гидродвигателя: частота вращения регулируется бесступенчато.
Механизм смыкания пресс-форм приводится в движение от гидравлического привода Ускоренные закрытие и раскрытие пресс-форм осуществляются с помощью гидроцилиндра.
Конструкция механизма смыкания пресс-форм обеспечивает автоматическую наладку на высоту различных пресс-форм.
Материал разного цвета впрыскивается в форму последовательно на трех позициях: на первой - первого цвета, на второй и третьей -соответственно второго и третьего цветов. Привод индивидуальный гидравлический.
Программа автоматической работы задается перфокартой со считывающим устройством.
На автомате производится трех-, двух- и одноцветное литье в одно-, двух- и трехкомпозиционном режиме с поворотом и без поворота планшайбы, что значительно расширяет технологические возможности автомата.
Машина для производства изделий из вспенивающихся термопластичных материалов. Машина мод. Д3034-3000 Одесского ПО "Прессмаш" им. 60-летия Октября предназначена для изготовления изделий с плотной монолитной оболочкой и пористой сердцевиной из вспенивающихся композиций на основе термопластов (в виде простых или опудренных гранул): полистирола и его сополимеров, полиэтилена высокой и низкой плотности, полипропилена, полиамида (рис. 2.9.2).
Машина горизонтальной компоновки с индивидуальным гидроприводом имеет двухступенчатый гидравлический механизм запирания.
Быстрое перемещение подвижной плиты осуществляется двумя гидроцилиндрами малого диаметра. Силу запирания развивает короткоходовой цилиндр большого диаметра.
ПРЕССЫ ДЛЯ ЛИТЬЕВОГО ПРЕССОВАНИЯ
159
Инжекционная часть машины состоит из двух механизмов впрыска. Механизмы запирания и впрыска монтируются на станине, состоящей из двух частей. Пластикационные устройства механизмов впрыска объединены смесительной камерой, служащей для разделения потоков расплава.
Станины запирания и впрыска соединяются между собой болтами; их взаимное расположение в горизонтальных плоскостях фиксируется штифтами. Гидроблоки запирания и впрыска, насосные установки смонтированы на отдельно стоящем гидроагрегате, установленном около механизма впрыска. Для впрыска заданного объема расплава в полость пресс-формы предусмотрено дозирующее устройство, смонтированное на траверсе цилиндров впрыска, которое вместе с двумя механизмами впрыска, установленными на подвижной каретке, составляют замкнутую силовую раму. Конструкция дозирующего устройства имеет короткие каналы, что сокращает объем расплава, который может быть подвергнут предварительному вспениванию.
На каждом из механизмов впрыска установлен вакуумзагрузчик для автоматической подачи материала в бункер и поддержания постоянства уровня.
Для получения высоких объемных скоростей впрыска на каждом механизме впрыска установлены гидропневматические аккумуляторы.
В машине предусмотрено цикловое программное управление, которое реализуется режимными переключателями. Выбор скорости передвижения рабочих органов производится дискретно набором соответствующих модульных переключателей.
При литье вспенивающихся термопластов (в отличие от литья монолитных материалов) высокое давление воздействует на материал в течение короткого времени, необходимого для подачи материала в пресс-форму. Изделие формируется под действием внутреннего давления газа, содержащегося в материале. Как только прекращается действие высокого давления впрыска, газ, стремясь выделиться из расплава, увеличивает объем расплава. Чем равномернее распределен газ в расплаве полимера и меньше его потери, тем меньшую плотность имеет вспенивающаяся часть изготавливаемого изделия.
С целью расширения технологических возможностей машины предусмотрены разные
режимы работы (на вспененных материалах, на монолитных материалах, передним шнеком и двумя шнеками, с выталкивателем и без выталкивателя, впрыск на аккумуляторах, впрыск без аккумуляторов, с предохранением и без предохранения пресс-формы) и циклы (наладка, ручная работа, полуавтоматическая работа).
Для выталкивания готового изделия из полости пресс-формы имеется гидравлический выталкиватель.
Смазка трущихся частей - централизованная.
Для удобства демонтажа пластицирую-щих шнеков и цилиндров пластикации предусмотрена возможность разворота цилиндров пластикации.
Предусмотрено световое табло, обеспечивающее поиск неисправностей в электро- и гидрокоммуникациях.
В механизме запирания существует устройство, исключающее поломку пресс-формы в процессе работы.
Опасная зона механизма запирания закрыта передним и задним ограждениями. Ограждения, защищающие оператора в период работы машины, сблокированы с системой управления таким образом, что при открытии хотя бы одного из них машина полностью выключается на любом этапе цикла. В механизме запирания установлена еще одна блокировка -гидромеханическая, которая исключает перемещение подвижной плиты при открытом переднем ограждении.
Техническая характеристика машины мод. Д3034-3000
Номинальная сила запирания пресс-формы, кН.................. 2500
Ход подвижной плиты при наибольшей высоте пресс-формы, мм 1120
Высота устанавливаемых пресс-форм, мм:
наибольшая.................. 1250
наименьшая..................... 630
Расстояние между колоннами в свету, мм:
горизонтальное................ 1000
вертикальное.................. 1000
Наименьшее время запирания и раскрытия пресс-формы, с....... 12
Сила гидровыталкивателя, кН ....... 135
Ход гидровыталкивателя, мм..... 320
160
Глава 2.9. ГИДРОПРЕССЫ И КОМПЛЕКСЫ ДЛЯ ПРЕССОВАНИЯ ПЛАСТМАСС
Номинальный объем впрыска за
цикл, см3 ...................... 1000...
2000 Номинальное давление литья, МПа 100 Частота вращения шнека, мин-1.... 10...
118
Мощность обогрева цилиндра пластикации, кВт.................... 59,4
Суммарная мощность всех электродвигателей, кВт............... 89,75
Габаритные размеры машины (длина х ширина х высота), мм........ 10 350 х
х 3600 х х3070
Масса, кг: машины........................... 27 170
установки..................... 30 550
Гидравлические ротационные прессы-автоматы для пластмасс. Прессы-автоматы (табл. 2.9.5) предназначены для изготовления изделий из порошкообразных и гранулированных реактопластов методом прямого прессования.
Ротационные десятипозиционные прессы-автоматы (рис. 2.9.3) имеют станину сварной конструкции. Основание и поперечина соединены между собой тремя колоннами. В нижней части основания на пяту установлен подшипник, являющийся опорой для ротора. Верхний подшипник ротора смонтирован в верхней поперечине.
Ротор состоит из двух силовых плит, стянутых между собой десятью колоннами, из которых две центрируют верхнюю плиту относительно нижней. В роторе установлены десять цилиндров прессования. Пресс-формы монтируются на подвижных плитах цилиндров прессования. По центру каждой позиции в верхней плите расположены толкатели, через которые выталкиватель воздействует на выталкивающую систему пресс-формы.
Поворот ротора осуществляется механизмом, закрепленным на основании станины. При подаче масла в поршневую полость цилиндра поворота шток, соединенный с плечом рычага, поворачивает ротор на 39°. Другое плечо рычага соединено ’’собачкой" с фиксирующим диском ротора.
Для обеспечения непрерывной работы в автоматическом режиме на прессе установлены механизм дозировки и загрузки пресс-мате-риала в форму, а также съемник для гладких изделий и свинчивающее устройство для резьбовых изделий.
2.9.5. Техническая характеристика прессов-автоматов гидравлических ротационных для пластмасс
Параметр Д2722 Д2724
Число позиций 10
Сила смыкания, кН 160 250
Открытая высота, мм 500
Ход подвижной плиты, мм 250
Диаметр стола, мм 220 250
Время цикла, с И 10
Габаритные размеры (длина х ширина х высота), мм 3600 х х 3600 х х 2700 3700 х х 2500 х х 3370
Масса, кг 7,38 9,5
Примечание. Изготовитель Оренбургское ПО ’’Гидропресс’’.
Рис. 2.93. Пресс-автомат гидравлический ротационный для пластмасс (мод. Д2722): 1 - верхняя силовая плита ротора; 2 - подвижная плита пресс-формы; 3 - цилиндр прессования;
4 - нижняя силовая плита ротора
ПРЕССЫ ДЛЯ ЛИТЬЕВОГО ПРЕССОВАНИЯ
161
Прессы гидравлические этажиые. Прессы для производства листовых пластиков. Прессы (табл. 2.9.6) предназначены для горячего прессования листовых фольгированных пластиков, а также могут использоваться и для прессования нефольгированного гети-накса, текстолита, стеклотекстолита и других пластиков (при давлении до 10 МПа и температуре до 180 °C).
Станина (рис. 2.9.4) рамной конструкции выполнена из толстолистового проката; листы в верхней части соединены между собой стяжками, а в нижней - цилиндрами.
Главный цилиндр - плунжерного типа; уплотнение цилиндра производится набором манжет шевронного типа. К плунжеру цилиндра крепится подвижный рабочий стол, передающий усилие к греющим плитам. Греющие плиты выполнены из листового проката. Верхняя плита крепится к неподвижной поперечине, нижняя - к столу подъема. Промежуточные плиты опираются на ступенчатые гребешки
станины. Греющие плиты имеют внутри систему каналов, образующих змеевик для циркуляции пара и холодной воды.
Температура нагрева плит контролируется и регулируется автоматически.
Механизм загрузки предназначен для одновременной загрузки всех этажей пресса, а также для поэтажной загрузки этажерки. Механизм представляет собой сварную балку, по которой с помощью цепной передачи перемещается толкатель, перекрывающий все этажи пресса. На конце толкателя имеется рычаг, предназначенный для поэтажной загрузки этажерки.
Механизм выгрузки служит для одновременной выгрузки всех этажей пресса, а также для поэтажной разгрузки этажерки. Механизм имеет конструкцию, аналогичную механизму загрузки. На толкателе механизма выгрузки смонтировано приспособление для одновременного захвата всех отпрессованных пакетов.
2.9.6. Техническая характеристика прессов гидравлических этажных для производства листовых пластиков
Параметр ДА7441 Д7443 Д7444 Д7446
Номинальная сила, МН 12,5 20 25 40
Размеры греющих плит, мм 1100 х1100 х х 65 1100х1650х х 65 1100х2500х х 65 1650 х 1670 х х 65
Расстояние между плитами, мм 100 150 200
Число этажей 12 11 10
Давление, МПа: пара воздушной сети 1,2 0,4...0,6
Рабочее давление в гидросистеме, МПа 32
Наибольшая температура нагрева плит, °C 180
Мощность привода, кВт 53 51,8 59,8 70,8
Габаритные размеры (длина х ширина х высота над уровнем пола), мм 9820 х 7650 х х 4450 9670 х 8705 х х 5000 9820 х хЮ 515 х х 5210 11 150х х 7800 х х 6000
Масса, т 60,7 96,6 137,6 187
Примечание. Изготовитель Днепропетровский завод тяжелых прессов.
6-819
162
Глава 2.9. ГИДРОПРЕССЫ И КОМПЛЕКСЫ ДЛЯ ПРЕССОВАНИЯ ПЛАСТМАСС
Рис. 2.9.4. Пресс гидравлический этажный для производства листовых пластиков (мод. ДА7441):
1 - загрузочное устройство; 2 - греющие плиты; 3 - рабочий цилиндр; 4 - разгрузочное устройство
Этажерка - сварная пространственная рама, имеющая склизы, по которым перемещаются прокладочные листы с пакетами. Привод этажерки гидравлический - от цилиндра плунжерного типа. Привод механизма загрузки и выгрузки - индивидуальный от электродвигателя через цепную передачу и редуктор. Привод пресса - индивидуальный гидравлический от насосной установки. Гидравлическая и электрическая схемы обеспечивают прессование в наладочном, ручном и полуавтоматическом режимах.
Прессы для изготовления изделий из стеклопластиков. Прессы предназначены для изготовления из стеклопластиков различных изделий методом горячего прессования (табл. 2.9.7).
Пресс мод. Д2035 служит для изготовления крупногабаритных изделий из стеклопластиков методом горячего прессования в закрытых пресс-формах; пресс мод. Д2038 используется для изготовления крупногабаритных из
делий типа сидений автобусов, крыльев и других деталей автомобилей.
Пресс мод. Д2042 предназначен для изготовления крупногабаритных изделий типа крыш железнодорожных вагонов и автобусов, корпусов лодок и т.п.
Основным элементом пресса, воспринимающим силу прессования, является жесткая станина, состоящая из верхней поперечины и основания, соединенных стойками и стяжными колоннами. Рабочая сила создается пятью гидравлическими цилиндрами, смонтированными в верхней поперечине и соединенными своими плунжерами с ползуном. Возвратный ход ползуна осуществляется с помощью двух поршневых цилиндров.
Принудительное раскрытие пресс-формы в связи с возможным прилипанием готового изделия производится совместным действием возвратных цилиндров и двух дополнительных цилиндров срыва. Последние смонтированы в
ПРЕССЫ ДЛЯ ЛИТЬЕВОГО ПРЕССОВАНИЯ
163
2.9.7. Техническая характеристика прессов для изготовления изделий из стеклопластиков
Параметр Д2035 Д2038 Д2042
Сила, кН:
номинальное 3150 6300 16 000
пресса размыкания 800 1250 3500
выталкивателя 315 630 800
Размеры выдвижного стола, мм 1200х1250 4200 х 2500 4500 х 3200
Открытая высота, мм 1700 2000
Ход, мм:
ползуна 1200 1400 2000
выталкивателя 400
Скорости перемещения, мм/с, ползуна при ходе:
холостом 200 300 250
замедленном 16
рабочем 1...8 1.. .10
возвратном выталкивателя при ходе:
холостом 120
рабочем 12
возвратном 200
Диапазон автоматических выдержек под давлением, мин 2...60 2...60 1...30
Габаритные размеры (длина х ширина х высота), мм 3890 х 5920 х х7166 9600 х 5790 х х 9820 8100 х 11 270 х х 12 730
Масса, т 60,2 155 400
Примечание. Изготовитель Днепропетровский завод тяжелых прессов.
основании, а их плунжеры взаимодействуют с ползуном. Для удобства загрузки и разгрузки пресс-форм, а также их смены пресс снабжен выкатным столом, поступательное перемещение которого осуществляется двумя цилиндрами плунжерного типа, размещенными по оси пресса и связанными со столом цепным полиспастным механизмом, позволяющим использовать короткоходовые цилиндры и разместить их более компактно, чем в традиционном исполнении.
Направляющие стола и упоры, обеспечивающие его останов, расположены по оси прессования в зонах, наименее подверженных тепловым деформациям, что в сочетании с
точным направлением ползуна и надежной фиксацией стола гарантирует высокую износостойкость пресс-форм, позволяет прессовать изделия малой толщины.
Привод пресса, индивидуальный, насосный, безаккумуляторный, размещен на верхней поперечине, имеющей площадку и лестницу к ней для обслуживания электродвигателей, насосов и другого оборудования. Управление прессом осуществляется с поста и пульта, причем имеется возможность выбора скорости прессования во всем диапазоне (1...10 мм/с) поворотом ручки на пульте управления.
Работа пресса начинается с загрузки в пресс-форму заготовки при выдвинутом столе.
6*
164
Глава 2.9. ГИДРОПРЕССЫ И КОМПЛЕКСЫ ДЛЯ ПРЕССОВАНИЯ ПЛАСТМАСС
Далее стол вкатывается в пресс до упоров, опускается на основание (катки при этом утапливаются) и фиксируется в этом положении клиновым механизмом. После команды на смыкание пресса (закрытие пресс-формы) начинают перемещаться вниз ползун и экран: последний, опережая ползун, изолирует рабочую зону. Процесс непосредственно прессования начинается вслед за закрытием пресс-форм. Длительность выдержки изделия под давлением определяется реле времени.
Управление прессом допускает работу с подпрессовками, т.е. с периодическим снятием силы с изделия, небольшим размыканием пресс-формы для выхода газов. После выдержки под давлением реле времени выдает команду на раскрытие пресс-формы на малой скорости. При этом одновременно с возвратными цилиндрами начинают работать дополнительные цилиндры, отрывая верхнюю половину пресс-формы от изделия. Далее скорость ползуна увеличивается, и он ускоренно поднимается в верхнее положение, С некоторым отставанием от ползуна начинает подниматься экран, а при подходе в верхнее положение он опережает ползун. Стол расфиксируется и выкатывается из пресса.
Пресс гидравлический для мехаио-пневмоформирования изделий из листовых термопластов. Пресс мод. ДБ2430Д предназначен для изготовления крупногабаритных изделий из листовых термопластов методом механопневмоформования с предварительным подогревом листа. Пресс создан на базе пресса мод. ДБ2430.
Формовка осуществляется совместным действием выталкивателя и сжатого воздуха. Электрооборудование пресса размещено в отдельном поворотном шкафу, закрепленном на станине. Гидропривод пресса - насосный. Гидроаппаратура стыкового исполнения имеет свободный доступ для обслуживания.
Подача листа в нагревательную печь, а затем в штамповое пространство пресса осуществляется специальными механизмами, имеющими автономный пневмопривод. Механизмы подачи листа и нагревательная печь скомпонованы в самостоятельный агрегат.
Пресс отличается простотой конструкции, имеет малые габаритные размеры. Низкие номинальные давления формования позволяют применять для пресс-форм дешевый материал -бетон, дерево и т.п.
Техническая характеристика пресса
мод.ДБ2430Д
Номинальная сила, кН........ 1000
Ход ползуна, мм................. 560
Наибольшее расстояние между столом и ползуном, мм....... 900
Размеры стола без накладных плит (длина х ширина), мм... 710 х 630
Размеры накладных плит (длина х х ширина), мм................ 1000 х 710
Суммарная толщина накладных плит, мм........................ 120
Номинальная сила выталкивателями ........................... 200
Ход выталкивателя, мм....... 200
Скорость ползуна, мм/с, при ходе: рабочем........................... 7
холостом...................... 200
возвратном.................... 75
Размер формуемого листа (длина х х ширина), мм:
наименьший................. 500 х 400
наибольший................. 900 х 630
Наибольшее давление воздуха на материал, МПа................... 0,6
Мощность привода, кВт 5,5
Габаритные размеры (длина х х ширина х высота), мм...... 4220 х
х 1720х х3525
Масса, т........................ 5,5
Примечание. Изготовитель: Оренбургское ПО "Гидропресс”.
Гибкий производственный модуль для литья под давлением пластмасс. Гибкий производственный модуль (ГПМ) мод. М1ДЕ3327.Ц1.01 предназначен для изготовления изделий методом литья под давлением из термопластичных материалов с температурой пластикации 350 °C, в том числе полиолефинов, полистирола и его сополимеров, полиамидов, термопластичных полиуретанов, полиэфиров, полифенилоксидов. При оснащении модуля специальными узлами пластикации, поставляемыми по заказу, можно также работать с поликарбонатами, поливинилхлоридом, полиакрилатами, наполненными термопластичными материалами.
ГПМ состоит из литьевой машины с силой запирания 500 кН, системы программного управления, манипулятора для съема изделий с литьевой формы, манипулятора для переноса
ПРЕССЫ ДЛЯ ЛИТЬЕВОГО ПРЕССОВАНИЯ
165
изделий и обрезки литников, устройства авто* магической смены вставок формы, устройства для смазки литьевой формы, устройства для загрузки гранулированного материала в бункер машины, транспортера для выноса изделий из зоны выпадения, прихватов пресс-формы.
Техническая характеристика ГПМ мод. М1ДЕ3327.Ц1.01
Сила запирания инструмента, кН: наибольшая...................... 550
номинальная...................... 500
Ход подвижной плиты, мм.......... 250
Высота устанавливаемой пресс-формы, наибольшая, мм............... 105
Расстояние между колонками в свету, мм:
горизонтальное................... 320
вертикальное..................... 250
Наименьшее время запирания и раскрытия пресс-формы с учетом съема изделия, с....................... 2,5
Наибольший объем впрыска за цикл, см1................................. 105
Наибольшее давление при литье, МПа................................. 140
Наибольшая объемная скорость впрыска, см3/с....................... 70
Частота вращения шнека, мин"1.... 40... 300
Номинальная грузоподъемность манипулятора для съема изделия, кг ... 0,5
Наибольшая длина отрезаемого литника, мм............................. 60
Наибольшая масса устанавливаемого пакета блока пресс-формы, кг.. 50
Мощность, кВт: электрообогрева цилиндра пластикации ....................... 6,2
суммарная установленная.......
Габаритные размеры (длина х ширина х высота), мм.................. ЗбООх
х1600х х2500
Масса, кг............................ 3000
Примечание. Изготовитель Хмельницкий завод термопластавтоматов.
Линии роторио-коивейериые. Линии для литья под давлением термопластичных материалов. Линии (табл. 2.9.8) предназначены для изготовления деталей массового назначения, включая резьбовые, из полиэтилена и ударопрочного полистирола с температурой пластикации до 250 °C.
Термопластичный материал, поступающий на переработку, должен быть в виде гранул размером не более 5x5x5 мм.
Линия мод. Л525 типовой конструкции (рис. 2.9.5) представляет собой совокупность цепного конвейера с установленными в нем 108 литьевыми пресс-формами и рабочих роторов, огибаемых конвейером. При перемещении конвейера каждая литьевая форма последовательно перемещается через все рабочие роторы, на которых производятся необходимые технологические переходы (предварительное и окончательное смыкание литьевых форм, впрыск расплава, выдержка под давлением, охлаждение в процессе транспортных перемещений, отрыв и удаление литника, съем или свинчивание изделий). Каждый технологический переход осуществляется специальными механизмами, расположенными на роторах. Вращение роторов производится от общего привода. Базовой деталью, на которой смонтированы все узлы линии, является станина. Предварительная пластикация и нагрев материала осуществляются в червячном пла-стикаторе.
Через обогреваемый материалопровод расплав термопласта поступает в ротор инжекции, где впрыскивается в литьевые формы и выдерживается под высоким давлением.
Ротор инжекции содержит обогреваемый диск, соединенный каналами с материалопро-водом и восемнадцатью плунжерными инжекционными цилиндрами с гидравлическим приводом инжекционных плунжеров.
Подвод и распределение рабочей жидкости от гидропривода к гидроцилиндрам осуществляются плоским торцовым распределителем. Для охлаждения литьевых форм служат три ротора охлаждения, последовательно установленные между роторами инжекции и размыкания. Литьевые формы охлаждаются за счет их контакта с охлаждаемыми поверхностями роторов.
Размыкание литьевых форм, съем изделий и удаление литников происходят в роторе размыкания вследствие возвратно-поступательного движения механических ползунов, взаимодействующих с неподвижными копирами, предварительное смыкание литьевых форм происходит в роторе смыкания.
Материал нагревают в нескольких зонах электрическими нагревательными элементами. Температура нагрева регулируется и поддерживается автоматически терморегуляторами.
2.9.8. Техническая характеристика роторно-конвейерных линий для переработки термопластичных материалов
Параметр ЛЛТ-1 Л525 РКП-8 ЛПТ-10 1ЛЛТ-10 ЛЛТ-ЮМ ЛИК-10 ЛЛТ-16 ЛСЛ-1-16 ЛЛТ-63 ЛЛТ-125
Объем отливки, см3 1 8 10 16 30 40 160
Производительность, шт./мин 1000 120... 160 200 150 75 100 120 100 25 80 20
Пластикационная производительность, кг/ч 85 60 45 85 45 40 45 40 85 250
Удельное давление впрыска, МПа 70 ПО 100 160 100 200 100 150 ПО
Сила смыкания пресс-форм, кН 20 75 40 120 160 120 60 160 200 450 1000
Максимальные габаритные размеры изделий (диаметр х длина), мм 20x30 35x40 35x30 40x50 45x50 40x50 25x40 60x50 85x50 130x80
Число пресс-форм 360 108 96 48 112 90 42 32 48 18
Габаритные размеры (длина х ширина х высота), мм 5500 х х 1100 х х1860 3700 х х 1500 х х 2200 3100 х х1160х х 2700 4370 х х 1300х х 1820 2500 х х 1800 х 2600 3900 х х 1300 х х 2200 2800 х х1330х х 1850 2760 х х 1500х х 2100 2800 х х1370х х 2200 4500 х х 1730х х 2550 5600 х х 3000 х х 2250
Установленная мощность, кВт 62 70 65 90 80 55 72 75 105 160
Примечание. Изготовитель Л525 - Одесское ПО "Прессмаш” им. 60-летия Октября; линии серии ЛЛТ, РКП, ЛИК, ЛСЛ - Конструкторское бюро автоматических линий (г. Климовск Московской области).
Глава 2 9. ГИДРОПРЕССЫ И КОМПЛЕКСЫ ДЛЯ ПРЕССОВАНИЯ ПЛАСТМАСС
ПРЕССЫ ДЛЯ ЛИТЬЕВОГО ПРЕССОВАНИЯ
167
Рис. 2.9.5. Линия роторно-конвейерная для литья под давлением термопластичных материалов (мод. Л525): / - пост управления; 2 - станина; 3 - гидропривод; 4 - ограждения роторов; 5 - роторы (производящие, литьевые, инжекционные, размыкающие)
Рабочая зона линии отделяется подвижными и неподвижными ограждениями. Электрическая блокировка исключает работу линии при открытых дверях подвижного ограждения. Аварийная электрическая блокировка обеспечивает останов линии при несмыкании литьевых форм.
На линии предусмотрена централизованная система смазывания трущихся частей.
Гидропривод линии состоит из индивидуального масляного гидроагрегата, устанавливаемого рядом с линией, и насосного агрегата для перекачки утечек с ротора инжекции.
Роторные линии для изготовления автомобильных деталей из металлопластмассовых антифрикционных материалов.
Линии (табл. 2.9.9) комплектуются прессом таблетирования, транспортным устройством, многопозиционным роторным прессом прессования и полимеризации, автоматическими счетчиками готовых деталей, регуляторами давления и температуры.
Процесс изготовления деталей из металлопластмассовых материалов типа ГС-ТАФ-НАМИ и АГ-НАМИ на роторных линиях полностью автоматизирован - от засыпки шихты до получения готовой детали.
Линия мод. 2189 оснащена дозатором для взвешивания шихты равными порциями и передачи их в течение определенного повторяющегося цикла в агрегат таблетирования.
2.9.9. Технические характеристики роторных линий для изготовления металлопластмассовых антифрикционных материалов
Параметр 2066М 2138 2189
Сила на штоке цилиндра прессования, кН 100 160 250
Производительность, шт./ч 500...600 300...400 80... 200
Число рабочих позиций на роторе прессования 45 30 20
Температура нагрева инструмента прессования, °C 160±5 200±5 200±5
Установленная мощность, кВт 41 38 52
Габаритные размеры (длина х ширина х х высота), мм 3500 х 2200 х х 2700 2250 х 2200 х х 2830 3280 х 5050 х х 3400
Примечание. Изготовитель Московский опытный завод Научно-исследовательского института технологии автомобильной промышленности (НИИТавтопром).
168
Глава 2.10. ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ПРЕССЫ, АВТОМАТЫ И КОМПЛЕКСЫ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Брагинский В.А. Прессование. Л.: Химия, 1979.
2. ГОСТ 8200-87. Прессы гидравлические для изготовления изделий из пластмасс. Параметры и размеры. Нормы точности.
3. Завгородний В.И. Механизация и автоматизация переработки пластических масс. М.: Машиностроение, 1964.
4. Лейкин Н.Н. Конструирование пресс-форм для изделий из пластических масс. М.-Л.: Государственное научно-техническое издательство машиностроительной литературы, 1961.
5. Мансуров И.З., Подрабиниик И.М. Специальные кузнечно-прессовые машины и автоматизированные комплексы кузнечноштамповочного производства: Справочник. М.: Машиностроение, 1990. 344 с.
6. Оборудование для переработки пластмасс: Справ, пособие по расчету и конструированию / Под ред. В.И. Завгороднего. М.: Машиностроение, 1976.
7. Типикин В.Ф., Лейбзон Л.М., Новак В.Н. Гидравлические прессы для неметаллических материалов. М.: Машиностроение, 1969. 196 с.
Глава 2.10
ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ПРЕССЫ, АВТОМАТЫ И КОМПЛЕКСЫ
ДЛЯ ПРЕССОВАНИЯ МЕТАЛЛОПОРОШКОВ
2.10.1. ПРЕССЫ И КОМПЛЕКСЫ
Для прессования крупных деталей и заготовок из металлических порошков, а также ряда специальных изделий, при прессовании которых требуется выдержка под давлением и ограничение скорости прессования, выпускаются гидравлические прессы-автоматы 1600... 10 000 кН, на которых возможно изготовление деталей с тремя (и более) ступенями поперечного сечения.
Широкое применение в промышленности (особенно в инструментальном производстве) находят автоматы гидравлические силой 40...630 кН для прессования изделий из порошков твердых сплавов, оснащенные устройствами выгрузки и ориентированной раскладки деталей для передачи в печи спекания.
Гидравлические прессы-автоматы. Гидравлические прессы-автоматы используются
для прессования из металлических порошков высокоточных конструкционных деталей, из порошков твердых сплавов - неперетачиваемых резцовых пластин, фильеров, бурового инструмента, из оксидно-бариевых порошков с высокими магнитными свойствами и из безвольфра-мовых порошков - заготовок твердых сплавов.
Прессованием металлических порошков на гидравлических прессах обеспечивается возможность уплотнения деталей при сравнительно малых рабочих скоростях, что важно при прессовании порошков с большими номинальными давлениями. Возможны любые выдержки прессуемой детали под давлением прессования и регулирование в широком диапазоне сил прессования в следующих режимах: по давлению без выдержки или с выдержкой; подпрессовкой; прижимом от ползуна или прижимом с помощью цилиндра в ползуне при стягивании матрицы; естественным или принудительным подпором плавания матрицы; замедлением скорости прессования и регулированием мощности по мере нарастания давления; вибрацией кассеты над матрицей и без кассеты со всасыванием порошка.
На рис. 2.10.1 показана типовая конструктивная схема пресса-автомата гидравлического серии ДА (табл. 2.10.1). Прессы-автоматы имеют станину рамного типа с верхним прессующим цилиндром и блоком нижних цилиндров. Питатель с бункером, обеспечивающие подачу порошка в матрицу, установлены сзади пресса. В ползун по оси пресса вмонтирован цилиндр для управления верхним дополнительным пуансоном. Цилиндр матрицы, закрепленный снизу к станине и расположенный штоком вниз, обеспечивает управление движением матриц. Другой цилиндр расположен выше цилиндра матрицы управления центральным стержнем.
Механизм регулировки насыпной высоты порошка обеспечивает автоматическую регулировку высоты засыпки порошка в матрицу, которая осуществляется с пульта на заданную величину. Привод пресса осуществляется от индивидуального гидропривода.
Прессующий блок, смонтированный в межштамповом пространстве пресса, состоит из пяти плит, на которых установлен инструмент -пуансоны и матрица. Для получения более сложных изделий со многими переходами прессующий блок оснащается дополнительными плитами и пневмоцилиндрами. Передача движения матрице от блока нижних цилиндров осуществляются четырьмя колоннами.
ПРЕССЫ И КОМПЛЕКСЫ
169
1850
Рис. 2.10.1. Пресс-автомат гидравлический силой 4000 кН (мод. ДА1536):
/ - станина; 2 - прессующий цилиндр; 3 - блок нижних цилиндров; 4 - прессующий блок
Для останова по циклу прессования промежуточной плиты, несущей нижний наружный пуансон, применяются упоры, управляемые с помощью толкателей.
Для удобства смены пресс-блока и сокращения необходимого времени пресс-блоки оснащаются роликами, а пресс имеет выдвижные
рельсы, по которым пресс-блок захватывается в рабочую зону пресса и выдвигается на исходную позицию для замены формообразующих вставок.
Набор насыпной высоты и стягивание матрицы осуществляются до жесткого упора независимо от высоты засыпки порошка, поэтому повторной регулировки не требуется.
170
Глава 2.10. ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ПРЕССЫ, АВТОМАТЫ И КОМПЛЕКСЫ
2.10.1. Техническая характеристика гидравлических прессов-автоматов серии ДА
Параметр ДА1532| ДА1632 Б ДА 1534 ДА1534Б ДА1536 ДА1536Б ДА1238Б ДА1240
Номинальная сила, кН 1600 2500 4000 6300 1000
Наибольшая высота засыпки порошка, мм 200 250 300 350
Наибольший диаметр изделия, мм 125 160 250
Ход ползуна, мм 500 400 500 400 500 400 1 630 500
Скорость ползуна при рабочем ходе, мм/с 27 50 16 31 15 24 18
Производительность при наибольшей высоте засып- 3 7 1,7 4,0 1,5 4,6 6 3
ки, шт./мин Мощность привода, кВт 30,8 57 80,8 57 44,8 81 133,8 135
Габаритные размеры _ 2200 х 4450 х 1660х 4600 х 2160х 5000 х 6000 х 6240 х
(длинах ширинах высота), хЗбООх х3580х х3805х х4125х х 4200 х х5170х хЗОООх хбЗООх
мм х3500 х3690 х4300 х4130 х5160 х5500 х8000 х9400
Масса, т 8,4 19,7 11,2 23,2 22,9 46,3 46 62
Приме ч. ание. Изготовители: ДА1532, ДА1532Б, ДА1534, ДА1534Б, ДА1536, ДА1536Б - Оренбургское ПО "Гидропресс"; ДА1238Б, ДА1240 - Днепропетровский завод тяжелых прессов.
Пресс-блок изготавливается по степени точности на один-два порядка выше точности пресса. Для обеспечения точности прессуемого изделия по высоте порядка ±0,1 мм после того, как верхний пуансон внедрился в матрицу, следует подобрать соответствующий упор и приостановить дальнейшее внедрение пуансона в матрицу, обеспечив тем самым точное формирование верхней части изделия. Дальнейшее перемещение верхнего пуансона будет осуществляться совместно с матрицей. Эта схема прессования используется также при прессовании деталей и конической формы.
Гидравлический пресс со специальным прессующим блоком. Для прессования деталей типа втулок и фланцев из металлических порошков Днепропетровским заводом тяжелых прессов изготовлен пресс гидравлический силой 6300 кН мод. К20.810. Он оборудован соответствующим прессующим блоком, причем формообразующий инструмент центрируется только в блоке, а пресс передает силу на инструмент только через блок. На рис. 2.10.2 представлена типовая конструкция прессующего блока и схема прессования втулок с наружным буртом.
Блок состоит из пяти плит, несущих на себе формообразующий инструмент. Верхняя плита 2 с верхним пуансоном 3 крепится к ползуну 1. Плита матрицы 4 связана жестко четырьмя колонками 7 с нижней плитой. Между плитой матрицы 4 и неподвижной плитой 15 пресс-блока расположена промежуточная подвижная плита 8, несущая наружный пуансон 5. К столу 14 пресса крепится неподвижная плита 75, несущая внутренний пуансон 6. В расточке плиты 75 установлен гидроцилиндр 16 центрального стержня 13. Промежуточная плита 8 опирается через четыре штанги 17 на нижнюю плиту 18 блока. На промежуточной плите 8 блока расположены два неподвижных упора 9 и два подвижных упора 72. Подвижные упоры 72 обеспечивают прессование бурта втулки, а неподвижные 9 фиксируют промежуточную плиту 8 после стягивания матрицы 4. Для увода подвижных упоров 72 после прессования имеются две штанги 77 со скосами, которые через ролики 10 воздействуют на подвижные упоры 72. Возврат в исходное положение промежуточной плиты 8 осуществляется нижней плитой 18 через штанги 77. В верхней плите 2 блока предусмотрена клиновая регулировка (на рисунке не показана) верхнего пуансона 3.
ПРЕССЫ И КОМПЛЕКСЫ
171
Рис. 2.10.2. Схема типовой конструкции пресс-блока для прессования втулок с наружным буртом: а-засыпка порошка в матрицу; б - прессование; в - стягивание матрицы и выдвижение подвижных упоров;
г - окончательное стягивание матрицы, д - увод центрального стержня и освобождение изделия
Техническая характеристика пресса
мод. К20.810
Номинальная сила пресса, кН...... 6300
Ход ползуна, мм....................... 400
Высота штампового пространства, мм.................... 1800
Размеры ползуна (длинах ширина), мм.............. 1260x700
Размеры стола (длинах ширина), мм.............. 2500x1500
Сила, кН:
цилиндра стягивания матрицы .. 3150
подпора матрицы................ 1700
Ход цилиндра стягивания матрицы (насыпная высота порошка), мм 200
Регулируемая насыпная высота
порошка, мм...................... 3...200
Регулируемое перемещение
нижнего упора матрицы, мм........ 0... 15
Наибольший размер изделия в плане (диаметр описанной окружности), мм...................... 250
Сила центрального стержня, кН.... 50
Ход цилиндра центрального стержня, мм.......................... 200
Сила цилиндра прижима, кН........ 125
Ход цилиндра прижима, мм......... 100
Номинальное давление рабочей жидкости в гидросистеме, МПа..... 32
Скорость ползуна, мм/с, при ходе:
рабочем............................. 230
возвратном.......................... 230
Скорость матрицы, мм/с, при ходе: рабочем...................... 110
возвратном.................... 210
Габаритные размеры пресса (длина х ширина х высота), мм. 6240 х
хбЗООх х9400
Высота над уровнем пола, мм 5900 Суммарная мощность привода, кВт 107,3 Масса, т...................... 55
Гидравлический пресс представляет собой вертикальную конструкцию рамного типа, состоящую из следующих узлов: станины, главного цилиндра, блока нижних цилиндров, цилиндра прижима, механизма регулировки насыпной высоты, питателя, грейферной подачи, установки конечных выключателей, электрооборудования и трубопровода. Главный цилиндр служит для перемещения ползуна с верхним пуансоном. Блок нижних цилиндров состоит из цилиндра стягивания матрицы и цилиндра подъема матрицы. Цилиндр прижима, размещенный в ползуне, предназначен для расширения его технологических возможностей (прижим спрессованного изделия, прессование изделия типа втулки с буртом посредине). К штоку цилиндра крепится соответствующая часть верхнего инструмента.
Механизм регулировки насыпной высоты предназначен для регулирования положения матрицы относительно нижних пуансонов, а также для фиксации верхнего положения блока нижних цилиндров при подъеме матрицы.
172
Глава 2.10. ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ПРЕССЫ, АВТОМАТЫ И КОМПЛЕКСЫ
Питатель состоит из плиты, которая крепится к прессующему блоку, а кассеты перемещаются по плите под действием гидроцилиндра. К передней части плиты шарнирно крепится лоток-накопитель, на который кассета сталкивает спрессованные детали. При использовании пресса для повторного допрессо-вания деталей на него устанавливается грейферная подача, смонтированная на плите, которая крепится на прессующем блоке.
Автоматический комплекс мод. АКДА1240. Днепропетровским заводом тяжелых прессов изготовлен автоматический комплекс мод. АКДА1240, предназначенный для прессования из металлических порошков широкой номенклатуры деталей типа втулок диаметром до 250 мм (с наружным буртом по торцу и с наружным буртом, равноудаленным от торцов).
Состав комплекса: гидравлический пресс силой 10 000 кН мод. ДА 1240 и накопитель готовых изделий НЗ-6 с этажерками. Комплекс обеспечивает операции: дозированной засыпки исходного порошка в матрицу: двустороннее прессование за счет "плавания" матрицы; выталкивание готового изделия на этажерку накопителя.
Пресс снабжен грейферной подачей, которая используется при необходимости для калибровки деталей после спекания. Цикл работы комплекса: дозирующей кассетой порошок подается в пресс-блок к матрице, высота засыпки регулируется устройством, обеспечивающим необходимую установку матрицы относительно нижнего пуансона, совершается рабочий ход и осуществляется прессование детали.
По окончании прессования верхний пуансон занимает верхнее положение, а матрица после движения вниз и упора в нижний пуансон освобождает деталь, оставляя его на нижних пуансонах; дальнейшим движением дозирующей кассеты деталь выталкивается на одну из четырех полок этажерки накопителя. Накопитель выполнен в виде платформы с пневмоцилиндрами подъема сменных этажерок.
Конструкция пресса вертикальная, колонного типа, включает станину, главный цилиндр поршневого типа, блок нижних цилиндров, питатель, блок прессования.
Главный цилиндр смонтирован в верхней поперечине пресса. К его штоку через сферические опоры крепится перемещающийся по колоннам ползун, имеющий Т-образные пазы для крепления верхнего пуансона.
Блок нижних цилиндров, расположенный в основании, состоит из цилиндра центрального стержня, цилиндра стягивания матрицы и цилиндра ее подъема.
Техническая характеристика комплекса мод. АКДА1240
Сила прессования, кН......... 10 000
Производительность, цикл/мин, (заполнение матрицы) при насыпной высоте порошка, мм: 45................................. 5
350............................. 3
Регулируемая насыпная высота порошка, мм.................. 20...350
Наибольший размер изделия (диаметр описанной окружности), мм.................. 250
Вместимость этажерки накопителя, шт.................... 36
Ход ползуна пресса, мм....... 500
Открытая высота, мм.............. 2230
Размеры, мм: ползуна (длина х ширина).... 2000 х
х960 стола (длина х ширина)... 2500 х
х1200
Установленная мощность электродвигателей, кВт....... 135
Габаритные размеры (длинах х ширинах высота над уровнем пола), мм..................... 6240 х 7000х
х5900
Масса, т..................... 72
Прессы-автоматы гидравлические для прессования порошков твердых сплавов. Для прессования изделий из порошков твердых сплавов используются прессы-автоматы гидравлические силой 250... 1000 кН (табл. 2.10.2); их в основном применяют для прессования неперетачиваемых пластин твердого сплава, которые используются для армирования фрез и резцов.
Изделия из твердых сплавов после прессования должны сохранить острые кромки, поэтому автоматы оснащаются автоукладчиками, которые имеют полностью автоматизированный цикл: выдача спрессованного изделия на поддон при помощи механической руки или манипулятора (робота) и фигурная раскладка
ПРЕССЫ И КОМПЛЕКСЫ
173
2.10.2. Техническая характеристика гидравлических прессов-автоматов
Параметр ДА 1224 ДА1226 ДА1228 ДА1230
Номинальная сила, кН 250 400 630 1000
Скорость ползуна, мм/с, при ходе:
рабочем 55 35 26 41
возвратном 400 280 150 220
Наибольший диаметр изделия, мм 70 85 100
Суммарная мощность, кВт 16,1 32
Габаритные размеры 3900х2100х 3800 х 2500 х 4130х2740х 4200 х 3390 х
(длинах ширинах высота), мм х2845 х3200 х35ОО х4700
Масса, т 5,1 5,17 5,3 9,7
Примечание. Изготовитель Оренбургское ПО Тидропресс".
изделий на поддоне. Автоукладчик имеет электронную систему управления и исполнительные механизмы, работающие от сжатого воздуха с автоматическим циклом: выхватывание отпрессованного изделия вакуумной присоской; подъем над матрицей, вынос изделия из зоны штампа на 180°; опускание изделия на стол и укладка изделия на столе, который перемещается на один интервал и на один ряд после их заполнения, т.е. выполняет, по существу, роль робота.
Конструктивной особенностью прессов этой гаммы является наличие верхнего и нижнего цилиндров, обеспечивающих двустороннее прессование изделий, а также механических упоров, ограничивающих перемещение силовых цилиндров и обеспечивающих точный размер изделия по высоте.
Пресс гидравлический для изготовления плоских деталей из металлических порошков. Пресс Коломенского завода тяжелого станкостроения предназначен для изготовления плоских изделий типа колец, секторов и дисков. На прессе можно получать одно- и двухслойные изделия из металлических порошков с заполнением пресс-формы из двух дозаторов.
Пресс - вертикальный трехколонный. Станина пресса состоит из верхних неподвижных поперечин, стянутых колоннами, и одной подвижной поперечины. В верхней поперечине смонтированы главный и два форсирующих цилиндра.
Главный цилиндр - плунжерного типа со стальным плунжером, форсирующие цилиндры -поршневые.
Плунжер главного цилиндра и штока форсирующих цилиндров соединяются через шаровые пяты с подвижной поперечиной, которая направляется с помощью разъемных бронзовых втулок по колоннам пресса. К нижней части подвижной поперечины крепится инструмент.
Стол выполнен из двух частей, вращается вокруг одной из колонн пресса и имеет четыре гнезда, в которые устанавливаются пресс-формы.
Для поглощения инерции вращающегося стола перед остановкой в рабочей позиции применена электромагнитная муфта.
Привод стола осуществляется от индивидуального электродвигателя через червячный редуктор, ведущее зубчатое колесо и на зубчатый венец стола.
Механизм загрузки, состоящий из стойки с бункером, кассеты и шибера, механизмы выталкивания и съема детали устанавливаются на сварную раму на фундаменте.
Кассета перемещается по бронзовым направляющим поршневым гидравлическим цилиндром через ускоряющую зубчатую передачу. Шибер перемещается по бронзовым направляющим поршневым гидроцилиндром.
В кронштейне стойки механизма загрузки смонтирован цилиндр подъема нижнего пуансона, регулировкой кода которого меняется высота засыпки порошка в пресс-форму.
Механизм выталкивания и съема детали смонтирован в С-образной станине. Цилиндр выталкивателя поршневого типа.
Механизм съема изготавливаемой детали рычажного типа с приводом от качающегося цилиндра. Деталь со стола сдвигается скребком.
174
Глава 2.10. ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ПРЕССЫ, АВТОМАТЫ И КОМПЛЕКСЫ
Гидравлическая схема пресса в сочетании с электрической позволяет работать в полуавтоматическом и наладочном режимах.
Техническая характеристика пресса гидравлического для плоских изделий из металлокерамики (мод. Д1143)
Номинальная сила, кН: пресса......................... 20 000
выталкивателя................ 1200
Сила форсирующих цилиндров, кН 1000
Ход, мм: подвижной поперечины........... 100
подвижной поперечины при снятом столе.................. 600
Скорость, мм/с: холостого хода поперечины...... 70
рабочего хода поперечины.... 3,4
выталкивателя................... 8
съемника изделия............... 150
кассеты........................ 150
Наибольший диаметр изделия, мм ... 700
Наибольшая высота засыпки, мм .... 40
Расчетная производительность пресса, шт./ч...................... 90
Установленная мощность, кВт.... 75
Габаритные размеры (длинахширинах высота над уровнем пола), мм ... 8000х
х8950х х5820
Высота общая, мм............... 7420
Масса, т....................... 220
Пресс гидравлический для изготовления деталей (типа штабиков) из порошков вольфрама и молибдена. Пресс мод. К25.033 (рис. 2.10.3), предназначенный для прессования штабиков из порошков вольфрама и молибдена сечением от 12 х 12 до 30x30 мм, изготавливается Одесским ПО "Прессмаш" им. 60-летия Октября.
Рис. 2.10.3. Пресс гидравлический для изготовления изделий (типа штабиков) из порошка вольфрама и молибдена (мод. К25.033):
/ - гидропривод; 2 - возвратный горизонтальный цилиндр; 3 - горизонтальный прессующий цилиндр; 4 - станина; 5 - вертикальный прижимной цилиндр; 6 - возвратный вертикальный цилиндр
СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫЕ ПРЕССЫ
175
Станина пресса имеет форму рамы, два цилиндра пресса расположены под углом 90° один относительно другого: горизонтальный цилиндр прессующий, вертикальный - прижимной.
В цилиндры вставлены стальные рубашки, в которых перемещаются поршни. Поршни уплотнены манжетами из маслостойкой прорезиненной ткани.
Техническая характеристика пресса
мод. К25.033
Номинальная сила, кН: прессования..................... 4750
прижима.......................... 5200
Сила обратного хода, кН........ 60
Наибольший ход цилиндра, мм: -прессования....................... 80
прижима........................... 80
Скорость, мм/с: прессования........................ 4
прижима.......................... 3,64
возвратного хода.................. 41
Размеры окна пресса (длинахширинах высота), мм..... 435 х 800 х
х525
Размеры рабочего пространства (длинах ширинах высота), мм.... 140 х 800 х
х240
Мощность привода, кВт.......... 22
Габаритные размеры (длинах ширинах высота), мм.... 2940 х
х 4300 х
х 3000
Масса, т....................... 14,36
После прессования металлического порошка горизонтальный и вертикальный поршни возвращаются в исходное положение возвратными цилиндрами, расположенными попарно на каждой из крышек. К нижнему концу штоков прикреплены нажимная и прессующая колодки; к ним прикреплены сменные планки, толщина которых зависит от размера пресс-формы.
На стол пресса устанавливают чугунный угольник. На вертикальную и горизонтальную плоскости угольника устанавливаются прокладки, размеры которых выбирает заказчик с учетом размеров пресс-формы.
Пресс снабжен специальными приставными столами, на которых собираются и разбираются пресс-формы.
2.10.2. СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫЕ ПРЕССЫ
Для операций формования заготовок порошковых деталей сложных форм, когда необходимо создание комбинированного нагружения заготовки, создаются специализированные прессы, имеющие приводы механизмов, перемещающих с требуемыми силами и рабочими ходами инструменты для заданного нагружения и деформирования заготовки, а также прессы-автоматы с рядом независимых движений. Однако технические характеристики этих прессов-автоматов: высота засыпных камер, ход рабочих органов по отношению к номинальной силе пресса - таковы, что на этих прессах-автоматах целесообразно изготавливать только плоские детали. Для изготовления высоких деталей приходится создавать сложные штампы к универсальным гидравлическим прессам, имеющим большие ходы ползуна, или разрабатывать новые конструкции специализированных прессов.
В отечественной практике для холодного формования порошков используются специальные гидравлические прессы серии ДА и др.
Гидравлические прессы серии ДА для формования металлических порошков. Все прессы серии ДА подразделяются на две гаммы: силами 250... 1000 кН - для формования порошков твердых сплавов, силами 1600...20000 кН - для формования обычных металлических порошков.
После формования, спекания и калибровки практически не требуется дополнительной обработки деталей, так как после формования получают детали 2-3-го класса точности с шероховатостью поверхности Ra 2,5; 1,25.
Гидравлические прессы этой серии выпускаются: колонного типа (силой 250, 630, 6300, 10 000 и 20 000 кН); рамного типа (силой 1600, 2500 кН) и составного типа (силой 400 кН).
Для формования изделий сложной формы пресс может быть дополнительно оборудован соответствующим штамповым блоком. Все гидравлические прессы сконструированы с верхним расположением главного цилиндра, со съемным штамповым блоком, выполненным по принципу стягивания матрицы с изделия.
Гидравлический пресс мод. ДА1143 силой 20 000 кН. Это четырехпозиционный агрегат револьверного типа с периодически поворачивающимся столом.
176
Глава 2.10. ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ПРЕССЫ, АВТОМАТЫ И КОМПЛЕКСЫ
Пресс предназначен для массового производства из металлического порошка плоских деталей типа колец, секторов, дисков и т.д. На прессе могут быть изготовлены одно- и двухслойные изделия с заполнением пресс-форм из двух дозаторов. При снятии стола пресс может быть использован как универсальный для других работ.
Порошковый формовочный автомат мод. АПФ-100. Его отличительные особенности: возможность равномерного распределения плотности по высоте изделий; бесступенчатое регулирование числа ходов; автоматическая загрузка порошка в матрицу; извлечение изделия из матрицы стягиванием последней; автоматическое удаление изделия из зоны формования.
Ряд зарубежных фирм выпускает специализированные прессы для порошковой металлургии.
Прессы фирмы Apex (Англия) используются для формования металлургических, керамических и ферритовых порошков. Во всех прессах применяется штамповый инструмент с выталкиванием изделия (в отличие от стягивания матрицы). Давление на уплотняемый материал осуществляется одновременно снизу и сверху, а выталкивание готовой детали производится благодаря движущемуся вверх нижнему пуансону.
Автоматические прессы типа Komage фирмы Gellner (Германия) предназначены для формования металлических порошков и порошкообразных масс. Они эксплуатируются при производстве фасонных деталей, трудность изготовления которых обусловлена сложностью формы, требующей применения различных по высоте пуансонов.
Прессы гидравлические фирмы Mannesmann (Германия). Создан ряд специальных прессов для формования деталей различных групп сложности. Выпускается серия гидравлических прессов силой от 300 до 20 000 кН, которые широко используются в порошковой металлургии.
Станины прессов силой до 4500 кН рамные, сварной конструкции, а силой свыше 4500 кН - колонные.
Гидравлические прессы моделей HP ML, ИРМ 30, НРМ 60, НРМ100, НРМ 160, НРМ 200, ИРМ 250, НРМ 300, НРМ 380 с рамной конструкцией станины устанавливаются без фундамента. Эти прессы применяются для формования деталей из металлических и керамических
порошков, для создания фрикционных покрытий из органических и неорганических комбинированных материалов, для уплотнения окисных твердых сплавов и т.д.
Прессы модели НРМ L обладают высокой производительностью, точностью и надежны в эксплуатации. Рабочее пространство прессов достаточно для размещения и закрепления пресс-форм и инструмента. Рама пресса и насосный агрегат смонтированы на общей плите. Элементы гидропривода находятся на правой стойке пресса, а электроуправления -на левой. Изменение скоростей перемещения рабочих органов пресса, на которых крепятся пуансоны, матрица, питатель, осуществляется в наладочном режиме. Необходимые скорости формования устанавливаются автоматически, обеспечивается оптимальная по объему загрузка порошка, благодаря чему исключаются образование трещин, расслоение и дефекты.
Фирма выпускает также четырехколонные гидравлические прессы модели НРМ силой свыше 4500 кН. Прессы отличаются повышенной жесткостью. Они обладают широкими возможностями регулирования различных элементов, влияющих на уплотнение порошков. Их можно точно настраивать с помощью механических упоров на ограничение ходов пуансонов (точная высота детали), нижнего поршня (точность объема засыпки) и хода стягивания матрицы.
Для изготовления деталей сложной формы комплект инструмента в штамповом блоке можно настраивать предварительно вне пресса.
Достоинством прессов типа РСН фирмы Yoshizuka (Япония) является объединение в одной конструкции механической и гидравлической систем. Конструкция обеспечивает их высокие жесткость и точность. Эти прессы оснащаются различными блоками, предназначенными для формования деталей типа "втулка"; для получения деталей, имеющих на верхней стороне одну ступень, а на нижней - две; для формования деталей сложных конструкций с равномерным распределением плотности с помощью специального движения каждой плиты блока с закрепленным на ней инструментом.
Для получения высокоплотных изделий из железных порошков и порошковых сталей необходимо осуществлять деформирование в условиях, при которых реализуется эффект сдвигов между зернами [3].
Из большого разнообразия процессов изготовления порошковых деталей наибольшей
СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫЕ ПРЕССЫ
177
интенсификации производства позволяют достичь холодное выдавливание деталей из спеченных порошковых заготовок и холодное формование порошка в закрытой матрице с последующим спеканием.
Первый из названных технологических процессов состоит в том, что сначала готовят порошковую шихту, в состав которой входят железный порошок, порошок пластификатора (стеарата цинка), предназначенный для снижения трения между отдельными частицами, а также, возможно, порошки легирующих элементов. Затем заготовку спекают в восстановительной атмосфере, например в водороде или диссоциированном аммиаке, или в атмосфере не допускающей окисления, например в аргоне или азоте.
Прогрессивность описываемых технологий и оборудования заключается а повышении качества деталей, изготовленных холодным выдавливанием из спеченных из железного порошка заготовок, а также в снижении величин удельных сил, действующих на штамповый инструмент. Снижение удельных сил позволяет повысить прочность инструмента и расширить применение технологии на область производства деталей из легированных порошковых материалов.
Удельная сила при холодном выдавливании спеченных заготовок достигает 2500 МПа. Современные штамповые стали Р9, Р18, Х12Ф1 при таких удельных силах не обеспечивают стойкости, при которой процесс холодной штамповки является конкурентоспособным по сравнению с другими процессами производства машиностроительных деталей. Кроме того, разрушение пуансона при холодной объемной штамповке всегда сопряжено с опасностью поражения осколками работающего.
Для снижения удельной силы проводится выдавливание в штампах, рабочие элементы которых перемещаются относительно друг друга таким образом, что силы трения на поверхности контакта пластически деформируемого материала заготовки с этими элементами инструмента становятся направленными в сторону течения материала и способствуют этому течению. Такие силы трения названы активными силами контактного трения.
На рис. 2.10.4 показан пресс, в котором выдавливающий пуансон перемещается плунжером /. При выдавливании по традиционной схеме силы контактного трения на границе заготовки с матрицей препятствуют течению материала заготовки. Однако, если матрицу, установленную в траверсе 2, с помощью гцд-
роцилиндров 3 перемещать в направлении течения материала со скоростью, превышающей скорость течения, силы трения на границе заготовки с матрицей будут способствовать течению и разгрузят пуансоны.
Кроме снижения удельной деформирующей силы выдавливание с активными силами контактного трения позволяет улучшить качество изготавливаемой детали, уменьшить пористость материала.
Для уменьшения пористости стенки при выдавливании на прессе, показанном на рис. 2.10.4, матрицу вначале принудительно перемещают в том же направлении, в каком движется формирующий полость пуансон (т.е. вверх), создавая силами трения дополнительное препятствие течению материала в стенку стакана, и только после того, как будет исключена пористость заготовки, матрицу направляют в сторону течения материала в стенку стакана, разгружая пуансон при деформировании заготовки. В результате получают деталь с высокой равномерной плотностью.
Формование высокоплотных деталей со сдвигом частиц может проводиться на прессах для выдавливания с активными силами контактного трения, схема которых представлена на рис. 2.10.4.
Рис. 2.10.4. Пресс для выдавливания с активными силами трения
178
Глава 2.10. ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ПРЕССЫ, АВТОМАТЫ И КОМПЛЕКСЫ
Рис. 2.10.5. Схема формования с созданием в заготовке сдвигов слоев материала: а - осевое сжатие с одновременной раздачей на первом этапе; б - осевое сжатие с одновременным обжимом на втором этапе
Формование осевым сжатием с одновременным созданием в заготовке сдвигов слоев материала осуществляется по схеме, приведенной на рис. 2.10.5. На первом этапе (рис. 2.10.5, а) осуществляется уплотнение порошка движением пуансона со скоростью vn с одновременной раздачей заготовки путем перемещения матрицы, имеющей ступенчатую рабочую полость, навстречу пуансону со скоростью vM.
При раздаче создаются сдвиги слоев материала заготовки. На втором этапе (рис. 2.10.5, б) осуществляется обжим брикета по боковой поверхности перемещением матрицы со скоростью vM при воздействии силой Рп со стороны верхнего пуансона.
При этом создаются дополнительные сдвиги слоев материала заготовки. При формовании по таким схемам достигается средняя плотность формованных деталей 90 % и выше.
При эксплуатации описанного пресса (см. рис. 2.10.4) выявлено, что поперечина 2 имеет недостаточную жесткость и высоту посадочной поверхности в гильзе. В результате в процессе выдавливания возможен перекос поперечины при несинхронной работе гцдро-цилиндров 3, что приводит к несоосности внутренней и наружной поверхностей выдавливаемого изделия. Для устранения этого недостатка целесообразно конструировать прессы для выдавливания с принудительным перемещением матрицы в соответствии со схемой, приведенной на рис. 2.10.6.
Рис. 2.10.6. Схема пресса с повышенной жесткостью поперечины для перемещения матрицы
В этой конструкции главный гидроцилиндр 8 выполнен вне гильзы 3 и размещен под столом пресса. На его плунжере 7 установлен пуансон 6. Второй пуансон 4 установлен на опоре 2. Матрица 5 скреплена с гильзой 3, которая перемещается боковыми гцдроци-линдрами 1 по опоре 2.
Развивая этот принцип конструирования, разработан пресс, схема которого приведена на рис. 2.10.7.
Масса этого пресса, имеющего силу 1 МН, всего 350 кг. В прессе шток вспомогательного гцдроцилиндра 4 является одновременно штоком главного гидроцилиндра 2, а гильза вспомогательного гцдроцилиндра является дополнительным плунжером главного гцдроцилиндра.
Рис. 2.10.7. Схема малогабаритного пресса
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
179
При подаче рабочей жидкости в нижнюю полость главного гидроцилиндра пуансон б, установленный на поршне 5 вспомогательного гидроцилиндра, деформирует заготовку относительно неподвижного пуансона 8, закрепленного на верхней поперечине станины 1. По мере уменьшения объема верхней полости главного гидроцилиндра из него вытесняется гильза вспомогательного гидроцилиндра, перемещая матрицу 7. Скорость движения матрицы регулируется путем дополнительной подачи жидкости в верхнюю полость главного гидроцилиндра от гидропривода или путем ее выпуска через дроссель из этой полости. Жидкость из нижней полости вспомогательного гидроцилиндра сливается через осевое отверстие в общем штоке гидроцилиндров.
Для возвратного хода жидкость подается через это отверстие. В результате гильза вспомогательного гидроцилиндра с матрицей перемещается вниз, изделие при этом выталкивается из матрицы. После упора гильзы 4 в поршень 3 главного гидроцилиндра происходит их совместное перемещение вниз до исходного положения для нового рабочего хода. Деталь при этом съемником (на схеме не показан) снимается с пуансона 8.
Конструкция наиболее компактного из прессов схематично изображена на рис. 2.10.8. Этот пресс, кроме холодного выдавливания с активными силами трения, предназначен для формования высокоплотных стаканов из железного порошка. В прессе главный гидроци-линдр / является одновременно станиной. Главный гидроцилиндр содержит два поршня: 2 и 9. Шток 3 поршня 2 является гильзой вспомогательного гидроцилиндра с поршнем 4 и штоком 5, на котором установлен пуансон 7, второй пуансон 6 установлен на штоке 3.
Поршень 9 неподвижно соединен с мат-рицедержателем 5, в котором находится матрица 10. Третий пуансон 11 (контрпуансон) установлен на станине 1.
Пресс работает следующим образом. В матрицу 10 засыпают металлический порошок, смешанный с пластификатором. Подачей жидкости в рабочие полости гидроцилиндров инструменты отводят в положение, при котором торец пуансона б находится выше торца пуансона 7 и является оправкой, формующей полость в заготовке. Матрица находится в нижнем положении (см. рис. 2.10.8 - правая половина).
Рис. 2.10.8. Схема пресса для выдавливания и формования порошковых деталей
При рабочем ходе вначале подается жидкость в полость Б, при этом полость Д соединяется со сливом, а входы в полости А и В закрыты. Матрица 10 поднимается, и пуансон 11 закрывает ее горловину. Затем подают рабочую жидкость в полость В, при этом полость Б соединяют со сливом. Входы в полости А и Д закрыты. Пуансон 7 поднимается и уплотняет стенку формуемого стакана. После окончания уплотнения стенки подают рабочую жидкость в полость Д, при этом полость Б соединяют со сливом, а входы в полости А и В закрыты. При этом матрица перемещается вниз и активными силами контактного трения дополнительно уплотняет стенку формуемого стакана. Затем подают рабочую жидкость в полость А при соединенной со сливом полости Б и закрытых входах в полости В и Д. При этом пуансоны б и 7 калибруют дно стакана.
После окончания формования последовательной подачей жидкости в одну из полостей каждого гидроцилиндра при соединении другой со сливом и одновременном перекрытии входов в оставшиеся две полости производят раскрытие штампа и извлечение изделия. Преимуществом этого пресса является его работа от одного насоса.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Клячко Л.И., Уманский А.М., Бобров В.Н. Оборудование и оснастка для формо
180
Глава 2.11. ПРЕССЫ ДЛЯ СИНТЕЗА СВЕРХТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ
вания порошковых материалов. М.: Металлургия, 1986. 336 с.
2. Мансуров И.З., Подрабииник И.М. Специальные кузнечно-прессовые машины и автоматизированные комплексы кузнечноштамповочного производства: Справочник. М.: Машиностроение, 1990. 344 с.
3. Прогрессивные технологические процессы штамповки деталей из порошков и оборудование / Г.М. Волкогон, А.М. Дмитриев, Е.П. Добряков и др.; Под общ. Ред. А.М. Дмитриева, А.Г. Овчинникова. М.: Машиностроение, 1991. 320 с.
Глава 2.11
ПРЕССЫ ДЛЯ СИНТЕЗА СВЕРХТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ
Гидравлические прессы для синтеза сверхтвердых материалов. Прессы для синтеза сверхтвердых материалов с индивидуальными гидроприводами (табл. 2.11.1) предназначены для производства синтетических алмазов и других сверхтвердых материалов из порошков методом одновременного воздействия высокого давления и высокой температуры.
Пресс мод. Д0138А (рис. 2.11.1) оснащен поворотным 16-позиционным столом; восемь позиций являются основными, транспортирующими блок-матрицы на рабочие позиции. Когда стол выносит блок-матрицу из зоны прессования с помощью специального меха* низма, производятся разборка, сборка, охлаждение и контроль состояния блок-матриц.
Пресс мод. ДА0043 комплектуется механизмом загрузки-выгрузки блок-матриц, направляющие которого входят в рабочее пространство пресса. Снаряженная блок-матрица с готовым продуктом поднимается над направляющими и подается в зону прессования. В этот момент осуществляется сборка или разборка очередной блок-матрицы.
Пресс мод. Д0052. Пресс Коломенского завода тяжелого станкостроения (рис. 2.11.2), предназначенный для выполнения технологических процессов синтеза, имеет ряд специфических особенностей:
сосредоточение больших сил на малых площадях;
возможность мгновенного снятия технологической силы;
поддержание стабильного давления рабочей жидкости по времени и заданному циклу синтеза.
2.11.1. Техническая характеристика прессов гидравлических для синтеза сверхтвердых материалов
Параметр Д0138А ДА0043
Номинальная сила, кН 6300 20 000
Сила возвратного цилиндра, кН 120 200
Наибольший ход плунжера, мм 50 200
Скорость хода ползуна, мм/с:
холостого 8 12
рабочего - 0,05...0,25
возвратного 30 25
Наибольшее давление рабочей жидкости, МПа 32 80
Размеры рабочего окна пресса, мм - 1000x800
Объем заливаемого в систему масла, дм3 600 700
Расход воды на охлаждение, м3/ч 2...3 2...5
Мощность привода, кВт 7,5 15
Габаритные размеры (длинах ширинах высота), мм 2850x2950x2245 7550x5800x3080
Масса, т 7,8 25
Примечание. Изготовитель Рязанский завод тяжелого кузнечно-прессового оборудования.
ПРЕССЫ ДЛЯ СИНТЕЗА СВЕРХТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ
181
Рис. 2.11.1. Установка для синтеза сверхтвердых материалов на базе пресса мод. Д0138А:
1 - станина; 2 - главный цилиндр; 3 - возвратный цилиндр; 4 - защитный кожух; 5 - поворотный стол
fotlQ.
Рис. 2.11.2. Пресс гидравлический для синтеза искусственных сверхтвердых материалов (мод. Д0052): 1 - станина; 2 - пульт управления; 3 - гидропривод; 4 - верхний ригель станины;
5 - стойка станины; 6 - нижний ригель; 7 - пульт центральный
182
Глава 2.11. ПРЕССЫ ДЛЯ СИНТЕЗА СВЕРХТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ
Станина 1 пресса рамного исполнения состоит из двух ригелей 4, 6 и двух стоек 5, скрепленных четырьмя бандажами из высокопрочной ленты. Верхний и нижний ригели имеют полукруглую форму и привалочные плоскости для сопряжения со стойками. Стойки сварной конструкции с пластинками для крепления возвратных цилиндров. Бандажи овальной формы состоят из каркаса и намотанной на него высокопрочной ленты. Главный цилиндр - плунжерного типа, с шевронными уплотнениями из полиамидной смолы, с прокладками из масло-бензостойкой резины. Подвижная траверса закреплена на плунжере главного цилиндра с четырьмя угловыми направляющими. Для подачи инструментального блока с исходным материалом пресс укомплектован выдвижным столом с четырьмя подпружиненными катками с приводом от поршневого гидроцилиндра.
Гидропривод 3 пресса - индивидуальный с мультипликатором. Управление - дистанционное с центрального пульта 7 с программным управлением набора и сброса давления.
Техническая характеристика пресса
мод. Д0052
Номинальная сила пресса, МН...... 160
Рабочее давление, МПа............... 80
Наибольший ход, мм................ 400
Рабочий ход, мм..................... 30
Открытая высота, мм.............. 3000
Размер, мм: в свету между стойками......... 2520
стола (длинах ширина).......... 3090 х
х2000
Ход стола, мм.................... 2500
Номинальная сила цилиндра стола, кН, при движении: в пресс........................... 280
из пресса...................... 210
Номинальная сила возвратных цилиндров, МН..................... 0,55 х 4
Давление рабочей жидкости, МПа: цилиндра стола................... 16
возвратных цилиндров............ 16
Скорость поперечины, мм/мин, при ходе: рабочем........................... 5,1
холостом........................ 33
возвратном...................... 58
Мощность привода, кВт............ 30
Габаритные размеры (длинах ширинах х высота над уровнем пола), мм... 13 900х
х9650х х7790
Общая высота, мм.................. 10 ПО
Масса, т......................... 590
Пресс лабораторный мод. Д0050М. Пресс Коломенского завода тяжелого станкостроения (рис. 2.11.3) широко используется при проведении научно-исследовательских работ по получению искусственных сверхтвердых материалов.
Станина пресса 1 сварная, выполненная в виде цилиндра, имеет два окна, одно из которых закрыто постоянно, а второе 2 закрывается щитом во время работы. Нижняя часть станины служит гидравлическим цилиндром 3, в котором перемещается поршень. В него же встроен возвратный цилиндр 4.
Для загрузки контейнера стол выдвигается из пресса на кронштейн, контейнер вставляется в контейнеродержатель и стол вдвигается в пресс. Стол приводится в действие гидравлическим цилиндром. Упоры ограничивают ход стола.
Гидропривод 5 - индивидуальный масляный с мультипликатором. Управление кнопочное с пульта.
Пресс для изготовления твердосплав-леииых материалов методом высокотемпературного синтеза. С целью замены традиционных инструментальных материалов отделением Института химической физики Академии наук разработан способ получения безвольфрамовых сплавов методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС). Этим методом в специально составленной смеси порошков инициируется режим экзотермической реакции. Реакция сосредоточена в зоне, самопроизвольно перемещающейся по исходной (холодной) смеси в виде волны горения. Распространение волны сопровождается большим саморазогре-вом (обычно до 2000...3000 °C). Горячий продукт после прохождения волны горения подвергается всестороннему сжатию, в результате чего получается твердосплавная заготовка, используемая для изготовления режущего инструмента.
ПРЕССЫ ДЛЯ СИНТЕЗА СВЕРХТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ
183
Рис. 2.11.3. Пресс гидравлический лабораторный мод. Д0050М
Рис. 2.11.4. Пресс гидравлический для изготовления твердосплавных материалов методом СВС (мод. Д1932):
/ - пресс; 2,3 - электрошкафы; 4 - гидроагрегат; 5 - микропривод; 6 - пульт управления;
7- механизм перемещения пресс-формы; 8 - реакционная пресс-форма; 9 - ограждение; 10- вытяжной щит
Для реализации технологии СВС Оренбургским заводом гидравлических прессов "Гидропресс" изготовлен пресс мод. Д1932 (рис. 2.11.4) на базе гидравлического пресса для пластмасс силой 1600 кН.
Пресс оборудован: микроприводом, обеспечивающим малую скорость перемещения ползуна при подпрессовке; механизмом перемещения пресс-формы; вспомогательным столом перед прессом; контактным устройством,
184 Глава 2.12. ПРЕССЫ ДЛЯ ГИДРОФОРМОВКИ И ШТАМПОВКИ ЭЛАСТИЧНОЙ СРЕДОЙ
соединяющим электрические цепи инициирования; ограждением штампового пространства с автоматически открывающимся окном для прохода пресс-формы, сблокированным с работой пресса; вытяжным зонтом с подсоединением к цеховой вентиляции. В реакционной пресс-форме осуществляются синтез, допрессовка и прессование брикета. Пресс-форма состоит из пуансона, сборной обоймы, куда закладываются предварительно сформированная заготовка и кварцевый песок; электрической системы со сменной инициирующей спиралью. Электрическая и гидравлическая схемы пресса обеспечивают автоматический цикл работы пресса после установки снаряженной пресс-формы в механизм перемещения.
Техническая характеристика пресса для изготовления твердосплавных изделий методом СВС (мод. Д1932)
Номинальная сила, кН: пресса......................... 1600
выталкивателя................... 315
Ход, мм: ползуна......................... 630
выталкивателя................... 250
Расстояние, мм: между стойками в свету.......... 845
наибольшее между столом и ползуном....................... 1000
Ход механизма перемещения пресс-формы, мм.................... 500
Мощность, кВт: инициирования, наибольшая......... 2
привода ....................... 12,5
Габаритные размеры (длинахширинах высота), мм........ 1920х
х750х х3810
Масса, т............................. 6
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Мансуров И.З., Подрабииник И.М. Специальные кузнечно-прессовые машины и автоматизированные комплексы кузнечноштамповочного производства: Справочник. М.: Машиностроение, 1990. 344 с.
Глава 2.12
ПРЕССЫ ДЛЯ ГИДРОФОРМОВКИ И ШТАМПОВКИ ЭЛАСТИЧНОЙ СРЕДОЙ
Для осуществления процессов гидро формовки (ГФ) и штамповки эластичной средой (ШЭС) используются универсальные, обычно гидравлические прессы [4], оснащенные специальной оснасткой [3] или специализированные гидравлические прессы широкого назначения.
Наиболее простая схема оснастки для осуществления ШЭС по методу внедрения жесткого формблока с заготовкой в эластичную подушку (рис. 2.12.1) состоит из контейнера 7, эластичной среды 2, размещенной в полости контейнера, стола 3, на котором устанавливается формблок 4, повторяющий внутреннюю геометрию получаемой детали с учетом пружинения. Контейнер устанавливается на подвижную поперечину 5 пресса, стол - на неподвижную поперечину 6. При перемещении поперечины пресса стол входит с технологическим зазором в полость контейнера, эластичная среда соприкасается с заготовкой 7, размещенной на формблоке и при дальнейшем ходе поперечины давление в эластичной среде растет, что и приводит к пластической деформации заготовки, превращающей ее в изделие 8. При обратном ходе подвижной поперечины стол, формблок и изделие выходят из полости контейнера и изделие снимается с формблока.
Рис. 2.12.1. Схема ШЭС по методу внедрения
ПРЕССЫ ДЛЯ ГИДРОФОРМОВКИ И ШТАМПОВКИ ЭЛАСТИЧНОЙ СРЕДОЙ
185
Принципиально иная схема используется для штамповки жидкостью через эластичную диафрагму (рис. 2.12.2). В контейнере 3 размещается эластичная камера 4 и эластичная диафрагма 5. В основании 7 устанавливается лотковый стол 2, в котором располагаются формблоки 1 и заготовки 6. Осуществляя подачу жидкости от насосной установки в камеру 4, упруго деформируют эластичную диафрагму, которая, надавливая на заготовку, превращает ее в изделие.
Важной особенностью этой схемы является то, что она не требует наличия подвижной поперечины пресса и ее силового хода. Возникающая при штамповке сила воспринимается специальным упором или стяжками 8.
Эффективно используется при гидроформовке простая штамповая оснастка (рис. 2.12.3) для получения сложных крупногабаритных деталей штамповкой жидкостью без использования эластичной камеры и диафрагмы. Штамп состоит из жесткой матрицы 1 и основания 3. В основание вмонтировано специальное кольцо 4, несущее U-образную манжету 6, устанавливаемую на входной кромке матрицы. Заготовка 9 располагается между сердечником 2 и проставкой 8 и претерпевает предварительную деформацию, как показано на рис. 2.12.3, при установке матрицы. Матрица и основание имеют специальные каналы 10 и гибкую трубку 77 для выхода воздуха, имеющегося под и над заготовкой.
Рис. 2.12.2. Схема штамповки жидкостью через эластичную диафрагму
0/W
3 6 5
Рис. 2.12.3. Штамп для гидравлической формовки сложных деталей большого размера
186 Глава 2.12. ПРЕССЫ ДЛЯ ГИДРОФОРМОВКИ И ШТАМПОВКИ ЭЛАСТИЧНОЙ СРЕДОЙ
Рис. 2.12.4. Установка для гидравлической формовки деталей особо крупных размеров
При подаче жидкости по каналу 5 заготовка пластически деформируется, образуя изделие. Возникающая распорная сила между матрицей и основанием воспринимается специальными шпильками или замыкается станиной пресса.
Для получения особо крупных изделий используются специальные установки (рис. 2.12.4), не требующие пресса, оснащенные подъемными средствами и насосной станцией (на рис. не показана). Установка состоит из корпуса 7, крышки 2, сменной матрицы 3, эластичной диафрагмы 4, клинового затвора 5, воспринимающего деформирующую силу. Заготовка 6 располагается между сменной матрицей и эластичной диафрагмой.
Наибольшее развитие в промышленности получили процессы ШЭС и ГФ, осуществляемые на специальных гидравлических прессах [1,2]. Созданные прессы позволяют осуществлять групповую и индивидуальную штамповку по методу внедрения в эластичную среду, по методу обжатия жидкостью через эластичную диафрагму и по методу гидроформовки глубоких деталей с постоянным или регулируемым прижимом.
Прессы для ШЭС при относительно невысоком технологическом давлении. В России и за рубежом применяется большой парк специализированных прессов, осуществляющих ШЭС при технологическом давлении, не превышающем 20...40 МПа (табл. 2.12.1).
Указанные прессы, работающие по методу внедрения, представляют собой обычные 4- или 6-колонные гидравлические прессы, на подвижной поперечине которых закреплен контейнер, имеющий замкнутую полость с эластичной (обычно резиновой) подушкой. На нижней поперечине пресса располагаются 2 или 4 подвижных стола, обеспечивающих загрузку формблоков и заготовок на одном столе за время штамповки под прессом на других имеющихся столах при групповой или индивидуальной штамповке.
2.12.1. Гидравлические прессы для штамповки эластичной средой (резиной)
А. Прессы производства зарубежных фирм
Наименование фирмы Номинальная сила, МН I Максимальное 1 давление эластичной среды, МПа св 5
меры стс в плане, ммх мм
£
Фарем(США) 22,5 10 2000x2150
Блисс (США) 25 11 1000x2000
Лейк-Ири (США) 25 8,5 1200x2500
Болдвин (США) Беккер ван Хюл- 50 8,5...1О 1300x 3500
лен (Германия) 80 32 1200x2100
ПРЕССЫ ДЛЯ ГИДРОФОРМОВКИ И ШТАМПОВКИ ЭЛАСТИЧНОЙ СРЕДОЙ
187
Продолжение тцбл. 2.12.1
Б. Прессы отечественного производства
Модель пресса, завод-изготовитель Номинальная сила, МН Максимальное давление эластичной среды, МПа Размер стола в плане, мм х мм Максимальная высота штампуемой детали, мм Технологическая схема штамповки Масса пресса, т
П-355, МАИ 28 40 800x900 150 внедрение 250
ПШР-О, МАИ 46 40 700x1500 80 диафрагма 140
П-307, КСПО 96 40 1200x2000 80 » 250
П525О, КСПО 100 40 1200x2000 270 внедрение 700
П555О, КСПО 100 27,5 1200x3000 120 диафрагма 430
П5252, КСПО 100 40 1200x2000 130 » 260
Прессы для ШЭС при повышенных параметрах. Начиная с 1970-х годов в СССР и развитых странах мира создавались прессы для ШЭС при повышенном технологическом давлении до 100 МПа, работающие по методу внедрения и методом обжатия через эластичную диафрагму (табл. 2.12.2).
Основные проблемы обеспечения эффективности и надежности при создании прессов связаны с конструкцией контейнера, материалом и конструкцией эластичного инструмента, конструкцией станины и привода.
Отечественные прессы конструкции ВНИИметмаш по параметрам и конструктивным решениям в раде случаев превосходят достижения зарубежных фирм. Пресс для ШЭС по методу внедрения с верхним приводом (рис. 2.12.5) имеет контейнер 7, установленный на подвижной поперечине 2 пресса. Контейнер имеет овальную полость, в которой размещена эластичная среда 3. Контейнер 1 помещен в наружную обечайку 4; в зазор между контейнером и обечайкой поступает жидкость из рабочего цилиндра пресса 5, что обеспечивает гидроподдержку контейнера, создавая автоматически равенство давления внутри и снаружи контейнера. Это кардинально решает вопрос прочности контейнера при высоких технологических давлениях и создает отрицательную деформацию стенок контейнера, что обеспечивает наилучшие условия работы эластичной среды, увеличивая ее работоспособность. Станина пресса выполнена многоэлементной с предварительным напряжением силовых элементов. Она состоит из стоек 6 и арок 7, скрепленных высокопрочной лентой, что обеспечивает повышенную надежность конструкции при снижении металлоемкости.
Выдвижные столы 8 через подкладные плиты установлены на нижнем ригеле 9. Плунжер рабочего цилиндра 10 установлен на верхнем ригеле. В качестве эластичной среды используются различные полиуретаны (в частности, СКУ-МДИ), обладающие значительно более высокими механическими характеристиками, чем резины. Подушка, как правило, набирается из листов полиуретана толщиной 200...250 мм, что позволяет увеличить ее срок службы.
Во всех отечественных прессах используется насосно-мультипликаторный привод, ввиду отсутствия насосов на давление 100 МПа.
Оригинальная и чрезвычайно эффективная конструкция использована при создании гаммы прессов с нижним приводом (рис. 2.12.6). В этой конструкции контейнер совмещен с верхним ригелем пресса 7, что сокращает габариты пресса по высоте, обеспечивает повышенную прочность и надежность ригеля за счет поддерживающего действия арки и пакета ленты, а при рациональном расположении полости в ригеле можно получить отрицательную деформацию стенок контейнера при нагружении, что уменьшает зазор между внутренней кромкой полости контейнера и столом 2, обеспечивая повышенную работоспособность эластичного инструмента. Осевая сила, возникающая в полости контейнера, воспринимается специальной горизонтальной рамой 3, что позволяет использовать прямоугольный стол и облегчить условия замены слоев подушки. Днище 4 рабочего цилиндра 5 установлено на нижнем ригеле 6 пресса. Станина выполнена из арок и стоек, скрепленных высокопрочной лентой.
2.12.2. Гидравлические прессы для штамповки эластичной средой при повышенных технологических параметрах (разработчики: НПО ВНИИметмаш, ПО "КЗТС", изготовитель ПО "КЗТС")
Модель пресса Тип пресса/ тип привода Номинальная сила, МН Максимальное технологическое давление, МПа Размеры стола, ммхмм Число столов Максимальная высота штампуемой детали, мм Установочная мощность, кВт Размеры в плане, м х м Высота над уровнем пола,м Величина заглубления, м Масса пресса, т
КП393 Плунжерный/ насосный 45 60 600x 1130 2 125 250 2,25x6,25 2,1 1,9 80
П5650 Диафрагменный/ насосно-муль-типликаторный 100 100 700х 1400 2 150 340 7,2x15,0 1,9 2,7 105
КП394 Плунжерный/ насосный 120 60 750 х 2800 2 125 300 2,3 х 16,8 2,2 1,9 130
П5054 Плунжерный/ насосно-муль-типликаторный 240 80 1330x2100 4 250 1600 16,0x33,5 7,7 3,2 1100
Я06017 Плунжерный/ насосно-муль-типликаторный 240 100 1200 x 2000 4 250 1200 16,0x30,5 4,5 6,6 840
Я06017А Плунжерный/ насосно-муль-типликаторный 240 100 1200 х 2000 2 250 1200 16,0 х 30,5 3,2 5,6 900
Я06019 Диафрагменный/ насосно-муль-типликаторный 600 100 1415x4250 2 250 480 11,4x25,1 3,0 2,5 260
Плунжерный пресс 400 МН (проект) Плунжерный/ насосно-муль-типликаторный 400 100(150) 200 х 3000 (1200 x 2000) 2 250(200) - 16,0x30,5 3,5 4,0 850
Глава 2.12. ПРЕССЫ ДЛЯ ГИДРОФОРМОВКИ И ШТАМПОВКИ ЭЛАСТИЧНОЙ СРЕДОЙ
ПРЕССЫ ДЛЯ ГИДРОФОРМОВКИ И ШТАМПОВКИ ЭЛАСТИЧНОЙ СРЕДОЙ
189
Рис. 2.12.5. Пресс для ШЭС по методу внедрения с выносным контейнером
5020
Рис. 2.12.6. Пресс для ШЭС по методу внедрения с контейнером, встроенным в верхний ригель пресса
Пресс для ШЭС по методу обжатия эластичной диафрагмой (рис. 2.12.7) состоит из станины 7, закладных деталей, образующих рабочую зону 2, выдвижного стола 3, диафрагмы 4, верхнего и нижнего ригелей 5 и горизонтальной рамы б, воспринимающей осевую силу, возникающую в рабочей зоне при подаче рабочей жидкости (масло). Станина выполнена в виде тонкого кольца 1 скрепленного высокопрочной лентой. В прессе использована оригинальная одноэлементная полиуретановая диафрагма, повышающая надежность этого элемента.
Наличие горизонтальной рамы улучшает условия нагружения станины пресса и упрощает процесс замены диафрагмы, для чего рама специальными цилиндрами 7 поднимается вверх.
190 Глава 2.12. ПРЕССЫ ДЛЯ ГИДРОФОРМОВКИ И ШТАМПОВКИ ЭЛАСТИЧНОЙ СРЕДОЙ
Рнс. 2.12.7. Пресс для ШЭС по методу обжатия через эластичную диафрагму
Прессы для гидроформовки глубоких деталей. Для получения сложных глубоких деталей методом гидроформовки по эластичной матрице, по эластичному пуансону или раздачи пространственной заготовки были созданы специализированные прессы (ASEA -Швеция, КСПО - Россия), позволяющие обеспечить прижим фланца заготовки, изменяющейся по заданной программе.
Пресс (рис. 2.12.8) состоит из станины, скрепленной высокопрочной проволокой (/ -ригель, 2 - стойка, 3 - обмотка из проволоки). К верхнему ригелю крепится рабочий цилиндр 4, к плунжеру которого крепится контейнер 5, имеющий гидравлическую полость, закрытую диафрагмой. На нижнем ригеле установлен плунжер прижимного цилиндра б, на торец которого устанавливаются формблоки и заготовки. При ходе рабочего плунжера в гидравлической полости контейнера создается давление, передаваемое диафрагмой на заготовку, формуя изделие. При этом в прижимном цилиндре создается давление, оптимальным образом меняющееся по ходу специальным управляемым дроссельным устройством, что позволяет получать качественные наиболее глубокие изделия [1].
Перспектива развития ШЭС и ГФ состоит в создании оборудования для осуществления процессов при давлениях до 150 и 200 МПа
Рис. 2.12.8. Пресс для получения глубоких сложных деталей
ПРЕССЫ ДЛЯ ИЗОТЕРМИЧЕСКОЙ ШТАМПОВКИ
191
с большеразмерными столами до 10 м2, создании гибких производственных комплексов на базе прессов силой 120 и 240 МН, создании оборудования для штамповки при локальном нагреве заготовок.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Гольман Л.Д. Исследование процесса гидравлической вытяжки // Элементы теории и новые процессы обработки металлов давлением: Сб. ст. М.: Машгиз, ЦНИИТмаш, 1954. Вып.62. С. 131-164.
2. Гольман Л.Д., Курович А.Н., Крас-иокутский Ю.Б. и др. Плунжерные прессы для штамповки эластичной средой с нижним приводом // Труды ВНИИметмаш. М., 1979. №54. С. 11-18.
3. Исаченков Е.И. Штамповка резиной и жидкостью. М.: Машиностроение, 1967. 366 с.
4. Розанов Б.В. Гидравлические прессы. М.: Машгиз, 1959.425 с.
5. Шофман Л.А. Элементы теории холодной штамповки. М.: Оборонгиз, 1952. 335 с.
Глава 2.13
ПРЕССЫ ДЛЯ ИЗОТЕРМИЧЕСКОЙ ШТАМПОВКИ
Деформирование металлов в состоянии сверхпластичности позволяет производить штамповку сложных деталей с силой в десятки раз меньшей, чем традиционными методами объемной штамповки, и получать детали из труднодеформируемых малопластичных материалов.
В качестве оборудования для объемной изотермической штамповки применяют гидравлические прессы со сравнительно небольшой скоростью рабочего хода ползуна, которую необходимо регулировать в широких пределах.
Прессы (табл. 2.13.1) предназначены для изготовления точных поковок, турбинных лопаток, дисков, панелей и других деталей сложных форм из коррозионно-стойких сталей и сплавов на основе титана, магния, алюминия методом изотермической штамповки, которая
2.13.1. Техническая характеристика гидравлических прессов для изотермической штамповки
Параметр ПА2634 ПА2638 ПА2642 ПА2646
Номинальная сила, кН 2500 6300 16 000 40 000
Наибольший ход поперечины, мм 710 800 1000 1200
Скорость перемещения поперечины, мм/с, при ходе: холостом рабочем 63 40 0,2...2,0 25 40 0,2...4
Закрытая высота, мм 600 975 975 2000
Сила нижнего и верхнего выталкивателей, кН 250 630 1600 2000
Ход выталкивателя, мм: нижнего верхнего 250 320 100 400 600 150
Расстояние между колоннами в свету (длинах ширина), мм 1000x800 1250x1000 1600x1250 2800x1500
Габаритные размеры (длинах ширинах высота), мм 2250х2020х х5685 2580х2180х х6900 4325х2850х х9140 11 000х8180х х 14 650
Масса, т 23 43 85 398
Примечание. Изготовители: ПА2634, ПА2638, ПА2642 - Одесское ПО "Прессмаш"; ПА2646 -Днепропетровский завод тяжелых прессов.
192
Глава 2.13. ПРЕССЫ ДЛЯ ИЗОТЕРМИЧЕСКОЙ ШТАМПОВКИ
характеризуется процессом деформирования инструментом, нагретым до температуры, близкой к температуре штампуемой заготовки (400... 1100 °C в зависимости от обрабатываемого металла), а также низкими скоростями деформирования (0,2... 2,0 мм/с).
Конструктивно прессы выполнены в вертикальном исполнении с верхним давлением [5]. Нижняя и верхняя неподвижные поперечины стянуты четырьмя колоннами, по которым перемещается подвижная поперечина. На нижней (неподвижной) поперечине смонтированы регулируемые упоры для ограничения хода подвижной поперечины, привод регулируемых упоров и нижний выталкиватель.
Выдвижной стол имеет отдельный электромеханический привод. Для фиксации стола в рабочей зоне предусмотрены цилиндрические штыри и специальный клиновой механизм. С помощью цилиндров подъема стол устанавливается на уровень рельсов, по которым он выкатывается из рабочей зоны пресса для смены штампа.
На подвижной поперечине монтируются верхний выталкиватель для удаления отштампованной детали из верхней части штампа, подштамповый блок с инструментом и механизмом фиксации подвижной поперечины в крайнем верхнем положении.
Блок состоит из подштамповой и охлаждающей плит, соединенных промежуточными планками. Охлаждающая плита (по внутренним каналам постоянно циркулирует вода) и промежуточные планки служат теплоизоляцией, устраняющей влияние температуры нагретых штампов на ползун и основание.
Штампы обогреваются индукторами или элементами сопротивления и изолированы от окружающего пространства теплоизоляционным кожухом, в котором предусмотрено специальное окно для загрузки и удаления отштампованных деталей.
Прессы оснащены специальными регулируемыми упорами, ограничивающими величину рабочего хода подвижной поперечины. Для наладочных и ремонтных работ предусмотрен механизм захвата и удержания подвижной поперечины при отключенном гидроприводе. Гидравлические нижние и верхние выталкиватели (за исключением верхнего выталкивателя в прессе ПА2634) кроме удаления штампованных поковок могут использоваться также для извлечения штампов из блока и в качестве деформирующих органов при штамповке в разъ
емных штампах. Для повышения производительности штамповки предусмотрены высокие скорости холостого и обратного хода, а также быстрый подъем давления в рабочем цилиндре до заданного уровня. Для облегчения монтажа и демонтажа крупных штамповых блоков, а также замены массивных штамповых вставок стол пресса ПА2646 выполнен выдвижным.
Управление прессами - кнопочное. Электрическая схема прессов обеспечивает управление в полуавтоматическом и наладочном режимах. Индивидуальный гидропривод выполнен в виде отдельно установленного гидроагрегата с закрепленной на нем вертикальной панелью, на которой смонтирована контрольно-регулирующая и распределительная аппаратура [4].
Кроме специализированных прессов для изотермической штамповки можно модернизировать прессы с относительно небольшой скоростью рабочего хода: для штамповки пластических масс, для холодного выдавливания гравюры штампов. Модернизация прессов должна обеспечить возможность регулирования скорости рабочего хода в сторону дальнейшего ее уменьшения.
В простейшем случае на гидролинии, ведущей от гидропривода к главному цилиндру, монтируется регулируемый дроссель. Для такой модернизации следует выбирать пресс с относительно небольшой подачей жидкости гидроприводом, которую можно оценить по скорости рабочего хода (менее 10 мм/с), указанной в технической характеристике пресса. Это ограничение объясняется тем, что при большой подаче привода дросселирование рабочей Жидкости вызывает существенный ее нагрев, а также значительный по величине и меняющийся в процессе деформирования заготовки перепад давления на дросселе (при переменной силе деформирования). Разогрев масла может быть компенсирован установкой дополнительных охладителей в баках пресса Перепад давлений на дросселе приводит к тому, что возрастание силы в процессе деформирования вызывает снижение скорости, обусловленное упругими деформациями станины пресса и штампового блока.
Для прессов с приводом от кривошипного плунжерного насоса возможна модернизация, позволяющая регулировать скорость за счет уменьшения подачи насоса (рис. 2.13.1). К рабочей камере 9 одного из плунжеров насоса (между всасывающим 10 и нагнетательным 8
ПРЕССЫ ДЛЯ ИЗОТЕРМИЧЕСКОЙ ШТАМПОВКИ
193
Рис. 2.13.1. Схема модернизации пресса с приводом от кривошипного плунжерного насоса
клапанами) присоединяется регулятор 7, представляющий собой подпружиненный золотник с регулируемым ходом, а остальные плунжеры устанавливаются на холостой ход, например, с помощью принудительного открытия всасывающих клапанов. Кривошипный плунжерный насос может располагаться ниже уровня бака, или запитываться вспомогательным насосом 77, обычно шестеренчатым. При относительно малом давлении запитывающего насоса или напора на всасывающем клапане силы пружины достаточно для возврата золотника в исходное положение, поэтому золотник имеет одну рабочую полость, присоединенную к рабочей камере насоса. Регуляторы такого типа установлены на одноцилиндровых прессах (прессы с нижним приводом, когда возвратные цилиндры отсутст
7-819
вуют) для выдавливания гравюр штампов моделей П0440 и П0443 [2], что позволяет уменьшать скорость деформирования до 0,14 мм/с. Однако использование этих прессов для изотермической штамповки ограничено вследствие низких скоростей холостого и обратного ходов. У прессов с верхним приводом холостой ход происходит под действием силы тяжести подвижной поперечины 7; рабочий цилиндр 2 заполняется маслом через наполнительный клапан 3 из наполнительного бака 4, установленного над цилиндром. Этим обеспечивается высокая скорость холостого хода. Для увеличения скорости обратного хода используют запитывающий насос, имеющий ббльшую подачу, чем плунжерный (даже если подача плунжерного насоса не уменьшена регулятором), но при этом давление запитывающего
194
Глава 2 14. КОНСТРУКЦИИ И РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ПРЕССОВ
насоса должно быть достаточным для подъема подвижной поперечины. В этом случае регулятор скорости (подпружиненный золотник) должен иметь две рабочие полости, так как силы возвратной пружины недостаточно для преодоления давления запитывающего насоса. Одна полость, как и у прессов П0440 и П0443, присоединена к рабочей камере плунжерного насоса, а вторая (противодействующая) - к напорной гидролинии запитывающего насоса. Но так как возможность регулирования скорости рабочего хода необходима при любых давлениях, меньших давления обратного хода, на предохранительном клапане 6 запитывающего насоса монтируют переключатель 5 режимов работы, который при рабочем ходе пресса устанавливает предохранительный клапан на минимальное давление (только для питания плунжерного насоса), а при обратном ходе - на давление, необходимое для подъема поперечины [1].
Наиболее крупный зарубежный пресс, оснащенный штамповым блоком для изотермической штамповки, имеет силу 300 МН. Пресс снабжен системой управления, позволяющей регулировать скорость деформирования [7].
Пресс силой 72,5 МН используют для штамповки деталей из никелевых и титановых сплавов в вакууме. Используются два манипулятора, один из которых подает нагретую заготовку из печи в рабочую камеру штампового блока, не нарушая ее герметичности, а второй извлекает изделие из штампа [6]. Сообщается о применении прессов двойного действия, оснащенных устройством для ступенчатого регулирования скорости перемещения рабочей поперечины в диапазоне 0,1...25 мм/мин. На прессе силой 3,5 МН скорость деформирования можно программировать. Устройство для выталкивания поковки может использоваться также для раскрытия и смыкания составного штампа, применяемого для получения изделий сложной формы [3].
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. А.с. 1286431. Система управления гидравлическим прессом для изотермического деформирования / И.А. Изаков, Д.И. Браславский, И. Смирнов и др. // Бюл. 1987. № 4.
2. Гидравлические прессы для выдавливания рельефа штампов / Г.М. Беруль, М.Г. Бранденбургский, Н.М. Нойгуз, А.М. Ройтман // Кузнечно-штамповочное производство. 1966. №6. С. 27-30.
3. Гринвуд Г.В., Сиде В.И. Изотермическая штамповка титановых сплавов для авиационной и космической техники: Пер. с англ. // Деформация и свойства материалов для авиационной и космической техники: Тр. Меж-дунар. конф., 1977. М.: Металлургия, 1982. С. 239-247.
4. Изотермическое деформирование металлов / С.З. Фиглин, В.В. Бойцов, Ю.Г. Кал-пин, Ю.И. Каплин. М.: Машиностроение, 1978. 239 с.
5. Мансуров И.З., Подрабинник И.М. Специальные кузнечно-прессовые машины и автоматизированные комплексы кузнечноштамповочного производства: Справочник. М.: Машиностроение, 1990. 344 с.
6. Isothermal press produces turbine engine forgings // Metallurgia. 1986. V. 53. № 2. P. 45.
7. Hot precision die forging for aerospace // Metallurgia. 1987. V. 54. № 7. P. 17.
Глава 2.14
КОНСТРУКЦИИ И РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ПРЕССОВ
2.14.1. ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ЦИЛИНДРЫ
2.14.1.1. КОНСТРУКЦИИ И ПРИБЛИЖЕННЫЙ РАСЧЕТ
Конструктивные схемы цилиндров, применяемых в гидравлических кузнечно-штамповочных машинах, приведены на рис. 2.14.1.
Рис. 2.14.1. Схемы конструкций гидроцилиндров: а - плунжерный; б - поршневой;
в - дифференциально-плунжерный;
1 - цилиндр; 2 - плунжер; 3 - поршень; 4 - шток;
5 - уплотнительное устройство; А - поршневая полость; Б - штоковая полость
ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ЦИЛИНДРЫ
195
Для гидропрессов силой до 1 МН (в основном работающих на минеральном масле) обычно применяют поршневые цилиндры (рис. 2.14.2) с размерами, приведенными в табл. 2.14.1, а для более крупных прессов (в основном работающих на водной эмульсии) используют плунжерные цилиндры с опорой на фланец (рис. 2.14.3) и дифференциальноплунжерные [5, 8].
Конструктивные разновидности плунжерных цилиндров приведены на рис. 2.14.4.
При расчете цилиндра с опорой на фланец рассматриваются три зоны: цилиндрическая, опорного фланца и дно. Размер наружного радиуса цилиндрической части, достаточно удаленной от опорного фланца и дна, рассчитывается по формулам Ляме
м
[а]-р4з ’
(2.14.1)
где гв - внутренний радиус цилиндра; [о] = от/л - допускаемое напряжение (от - предел текучести, п - запас прочности по пределу текучести); р - давление внутри цилиндра.
Оптимальное давление, при котором наружный радиус минимален для цилиндра с опорой на фланец
ропт= ^- = 0,29(0], (2.14.2)
Рис. 2.14.2. Конструкция цилиндра поршневого типа:
1 - цилиндр; 2 - поршень; 3 - шток; 4 - крышка; 5 - гайка; 6 - втулка; 7 - разъемное стопорное кольцо;
8 - втулка, 9 - распорное стопорное кольцо; 10-14 - уплотнительные кольца (манжеты);
15 - грязесъемное кольцо; 16 - разъемное стопорное кольцо; 17- фланец; 18- гайка
2.14.1. Размеры (мм) гидроцилиндров поршневого типа для прессов на номинальное давление 32 МПа [5]
Диаметр Ход поршня <5 L Lx / D, dx
поршня D штока d
50 36 160 305 ±5 105 32 85 30
60 45 160 330 ±5 ПО 34 100 40
80 56 400 380 ±5 125 36 120 45
100 70 160 425 ±5 145 42 150 60
125 90 320 450 ±5 155 50 180 80
160 110 320 535 ±5 185 66 230 100
200 140 500 605 ±5 215 81 280 130
220 160 500 625 ±5 230 81 320 150
250 180 900 700 ±5 240 85 360 170
320 220 500 795 ±5 270 105 460 210
Условные обозначения: L- габаритный размер цилиндра в сборе; L\ - расстояние от торца штока до крепежной выточки цилиндра; и / - диаметр и длина посадочной части штока; D3 - диаметр посадочной части цилиндра.
196
Глава 2.14. КОНСТРУКЦИИ И РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ПРЕССОВ
Рис. 2.14.3. Конструкция цилиндра плунжерного типа:
1 - цилиндр; 2 - плунжер; 3 - направляющая втулка; 4 - уплотнительное устройство; 5 - нажимное кольцо; 6,7- фланец; 8 -тормозной плунжер
(для цилиндра с опорой на дно Рот ~ 0,277[а]). Поскольку вблизи оптимального значения размер наружного радиуса изменяется незначительно, часто принимают р = = (0,70...0,75)ропт [2, 3].
Для прессов с уменьшенным ходом рабочего плунжера цилиндр может принять форму, изображенную на рис. 2.14.4, а. Изготовление такого цилиндра (ковка, механическая обработка) облегчается.
При малом ходе рабочего плунжера применяют цельный цилиндр с опорой на дно (рис. 2.14.4, б), который можно выполнить подвижным и неподвижным. В такой конструкции исключено возникновение дополнительных напряжений, обусловленных наличием фланца, а также проще создать опору, не вызывающую значительной неравномерности напряжений по окружности цилиндра. Это позволяет уменьшить запас прочности цилиндра.
Дальнейшим совершенствованием конструкции является изготовление цилиндров с отъемным дном (рис. 2.14.4, в и г). В такой конструкции возникают практически только радиальные и тангенциальные напряжения. Доступ к внутренней поверхности цилиндра с обоих
Рис. 2.14.4. Конструкции плунжерных цилиндров
торцов облегчает его обработку. Уплотнение неподвижных соединений при диаметре плунжера до 1000 мм и высоком давлении рабочей жидкости не составляет затруднений.
Уплотнение подвижного соединения может быть расположено на плунжере, тогда цилиндр не будет ослабляться расточкой под уплотнительный узел и высокое давление будет действовать не на весь цилиндр, а лишь на участок, соответствующий ходу плунжера. Часто применяют манжетные уплотнения из пластмасс с малым коэффициентом трения, обладающие по сравнению с резиной повышенным сопротивлением выдавливанию в зазор. При давлениях рабочей жидкости около 100 МПа (1000 кгс/см2) для предупреждения выдавливания манжеты в зазор применяют специальные обтюраторы.
ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ЦИЛИНДРЫ
197
Для цилиндра с отъемным дном запас прочности
Ит=И1Л2"з>
где И] - коэффициент, учитывающий точность определения расчетных нагрузок (ввиду достоверности определения возникающих напряжений и с учетом того, что для короткоходовых прессов применяют главным образом безакку-муляторный маслонасосный привод, можно принять /?!= 1,2); п2 - коэффициент, учитывающий возможные отклонения механических характеристик от нормативных значений (упрощение изготовления позволяет принять п2 = = 1,2); и3 - коэффициент, вводимый для обеспечения повышенной надежности, п3 = 1,25.
При этих условиях пг « 1,8.
Для цилиндра с опорой на дно обычно принимают ропт = 0,28 [о]. За счет незначительного увеличения наружного диаметра цилиндра можно повысить давление рабочей жидкости сверх оптимального. Приняв наружный диаметр цилиндра DH на 5 % больше минимального DHinin ’ получим
D2 1 н пип
Р Рот
® 1,3 ропт •
Если цилиндр изготовлен из легированной стали с пределом текучести 500 МПа, то при ит = 1,8
5000 р = 1,3 0,28----«100 МПа.
1,8
Следовательно, цельнокованые цилиндры с опорой на отъемное дно можно рекомендовать для давлений до 100 МПа (1000 кгс/см2).
Увеличения компактности цилиндра можно достигнуть рациональным распределением напряжений по толщине стенки путем применения предварительно напряженных конструкций. Схема скрепленного цилиндра с двумя слоями показана на рис. 2.14.4, г. При изготовлении слоев из одного итого же материала оптимальное давление будет составлять: для двухслойного цилиндра 0,385 [о], для трехслойного 0,433 [о] [3].
Более равномерное распределение напряжений по толщине стенки цилиндра дает применение для одного из слоев материала с повышенным пределом текучести. Увеличенная усталостная прочность конструкции благодаря уменьшению амплитуды изменения напряжений позволяет создавать компактные цилиндры на давления выше 100 МПа (1000 кгс/см2). Уплотнительными элементами при давлении жидкости 100 МПа (1000 кгс/см2) и выше служат преимущественно автоматически действующие манжеты различных конструкций.
Обеспечение более равномерного нагружения слоев материала цилиндра при одновременном использовании материала с высоким пределом прочности достигается применением цилиндров, скрепленных проволокой (рис. 2.14.4, д). Цилиндр такой конструкции фирмы ASEA для пресса силой 140 кН (14 000 тс) при давлении 400 МПа (4000 кгс/см2) имеет внутренний диаметр 690 мм, а наружный - 1260 мм.
2.14.1.2. УТОЧНЕННЫЙ РАСЧЕТ
Уточненную картину распределения напряжений и деформаций в цилиндре с учетом его реальной формы можно получить путем расчета по методу конечных элементов. Ниже приведены в качестве примера результаты расчета конкретной конструкции гидроцилиндра. Основные размеры цилиндра: внутренний диаметр dB = 380 мм, наружный диаметр dH = = 580 мм, толщина дна h = 150 мм, диаметр отверстия для подвода жидкости d0 = 60 мм, радиус перехода от внутренней поверхности стенки к дну г\ =40 мм, радиус перехода от наружной поверхности стенки к дну г2 = 80 мм, диаметр фланца Оф = 80 мм, радиус перехода от стенки цилиндра к фланцу г3 = 20 мм, габаритный размер цилиндра в направлении оси /ц = 1230 мм. Материал цилиндра - стальное литье марки 45Л. Давление жидкости в цилиндре р = 32 МПа.
Расчет выполнен с использованием пакета прикладных программ, реализующих метод конечных элементов в варианте метода перемещений. Цилиндр разбит на 1005 осесимметричных конечных элементов. Принято, что давление жидкости действует на элементы, находящиеся вне зоны установки уплотнителя.
198
Глава 2 14. КОНСТРУКЦИИ И РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ПРЕССОВ
Рис. 2.14.5. Изолинии напряжений: а - осевых; б - тангенциальных; в - радиальных
Изолинии осевых напряжений (рис. 2.14.5, а и 2.14.6, а) отвечают следующим значениям о, , МПа: -40,8 (7), -8,73 (2), 7,31 (3), 23,4 (4), 39,4 (5), -24,8 (6), 87,5 (7), 71,5 (5), 55,4 (9).
Рис. 2.14.6. Изолинии напряжений в переходных зонах цилиндра:
а - фланец - наружная стенка (осевые напряжения), б - дно - внутренняя стенка (осевые напряжения);
в - отверстие для подвода жидкости (тангенциальные напряжения), г - дно - внутренняя стенка (радиальные напряжения)
Из рис. 2.14.5, а видно, что в средней части цилиндра осевые напряжения незначительно изменяются по координате z , но распределение их по толщине стенки неравномерно. Величина Qz изменяется от 39,4 до 7,31 МПа, в то время как по формулам Ляме су, = 24,07 МПа, осред-ненное по толщине стенки цилиндра.
Материал дна цилиндра нагружен сжимающими напряжениями сравнительно небольшой величины. Материал фланцевой части цилиндра в опорной зоне нагружен сжимающими осевыми напряжениями, а в переходной зоне - растягивающими. Для переходных зон характерна значительная концентрация напряжений, на что указывают малые расстояния между изолиниями (рис. 2.14.6, а). Наибольшее значение Qz в переходе от фланца к стенке достигает 87,5 МПа (изолиния 7), в то время как на небольшом удалении от этой зоны величина Q z составляет 7,31 МПа (изолиния 3). Концентрация осевых напряжений имеет место и в сопряжении стенки с дном (рис. 2.14.6, б).
На рис. 2.14.5, б изолинии тангенциальных напряжении отвечают следующим значениям qz, МПа: -17,3 (7х), -3,86 (2х), 9,54 (3х), 23,0 (4х), 36,3 (5х), 49,2 (6х), 63,1 (7х), 76,6 (5х).
АККУМУЛЯТОРЫ
199
Из рис. 2.14.5, б видно, что даже в центральной части стенки цилиндра величина тангенциального напряжения в точках, лежащих на окружностях одного и того же радиуса, существенно изменяется в функции координаты z (изолинии 6', 7', 8'}.
В поперечном сечении, проведенном через точки экстремумов на указанных изолиниях, распределение тангенциальных напряжений практически совпадает с полученным по формуле Ламе. Тангенциальные напряжения в днище цилиндра довольно резко меняются по его высоте от -17,3 до 36,3 МПа (изолинии 7', 2', 3', 4', 5'). Наблюдается заметная концентрация напряжений вблизи отверстия для подвода жидкости (изолинии 6', 7', S', 91 на рис. 2.14.6, в), причем в этой зоне действуют наибольшие растягивающие тангенциальные напряжения о,=90 МПа (9').
На рис. 2.14.5, в изолинии радиальных напряжений отвечают значениям Qr, МПа: 475 (/"), 49,6 (2"), 36 (3"), -31,9 (4"), -18,3 (5"), 22,4(6”), 8,6 (7"), 76,8 (<$"), 63,2 (9").
В центральной зоне цилиндра высотой около 150 мм изолинии 7", 4", 5" весьма близки к прямым, параллельным оси z. Распределение радиальных напряжений в этой зоне практиче
ски совпадает с полученным по формуле Ламе. За пределами этой зоны изолинии ог искривляются, т.е. напряжение <jz при г = const зависит от координаты z. В зоне, прилегающей к днищу, радиальные напряжения (изолинии б", 7", 7") убывают с увеличением текущего радиуса г. При гв < г < г0 (примерно 270 мм) действуют растягивающие радиальные напряжения. В переходе от фланца к стенке и в особенности от внутренней поверхности стенки к днищу наблюдается высокая степень концентрации напряжений (рис. 2.14.6, г).
2.14.2. АККУМУЛЯТОРЫ
Применяются насосно-аккумуляторные станции (НАС) [11, 7] и индивидуальные аккумуляторы с разделением жидкой и газовой среды или без нее [5]. Поршневые аккумуляторы (рис. 2.14.7) полным объемом от 0,4 до 100 дм3 рассчитаны на рабочее давление до 16 и 32 МПа и предназначены для работы на минеральном масле и техническом азоте II сорта (ГОСТ 9293).
Аккумуляторы с эластичной мембраной (рис. 2.14.8) выпускают с полным объемом 0,5...40 дм3 и давлением до 20 МПа.
Рис. 2.14.7. Поршневые аккумуляторы:
Вид А
Н
200
Глава 2.14. КОНСТРУКЦИИ И РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ПРЕССОВ
Рис. 2.14.8. Мембранные аккумуляторы: а - сферический; б - баллонный; 7 - штуцер для подвода жидкости; 2 - штуцер для подвода газа; 3 - мембрана; 4 - резиновый мешок; 5 - клапан
Маневровый объем жидкости под давлением, расходуемой из аккумулятора
^=isiSl, (2.14.3)
1
где Sjy Sj - площадь и перемещение поршня или плунжера под давлением жидкости, поступающей из аккумулятора.
Процесс расширения объема газа Иг описывается полигропой с показателем п = 1,3... 1,35 для прессов [11] и п = 1,5... 1,6 для машин ударного действия [4]
(2.14.4)
где Ртах и Pmin ” максимальное (начальное) и минимальное давление.
При допустимом для прессов отношении Pmin / Ртах = ^,9 объем газа в аккумуляторе Vr » 12,7 Им. Для гидровинтовых прессов и гидромолотов допустимо pmin /pmax = 0,6...0,7 и ИГ«(6...7)ИМ [4].
2.14.3. МУЛЬТИПЛИКАТОРЫ
Мультипликаторы служат для повышения давления рабочей жидкости, поступающей в цилиндр пресса, по сравнению с подаваемой насосом или аккумулятором. Применяются мультипликаторы однократного и многократного действия, развивающие давление до 60... 100 МПа (рис. 2.14.9) [5].
Рис. 2.14.9. Мультипликаторы: а - однократного действия; б - многократного действия; 7 - цилиндр низкого давления; 2 - плунжер низкого давления (цилиндр высокого давления), 3 - плунжер высокого давления; 4 - неподвижные поперечины станины; 5 - подвижная поперечина, 6 - возвратные цилиндры; 7 - поршень цилиндра низкого давления; 8 - всасывающий клапан;
9 - цилиндр высокого давления; 10 - нагнетательный клапан; 77 - конечный выключатель; 72 - штанга с кулачками; 73 - распределитель; 14 - подача низкого давления; 15 - подача высокого давления
Коэффициент мультипликации
(2.14.5)
где Т|м - механический КПД (Т|м « 0,95); Z)H, Z)B - диаметры поршня низкого и плунжера высокого давления.
Ход плунжера мультипликатора
4И
SM=-------у. (2.14.6)
ПолЦ|
где V - объем жидкости, подаваемой из мультипликатора; Т|о = 0,90.. .0,95 - объемный КПД.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
201
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Банкетов А.Н., Бочаров Ю.А., Добринский Н.С. и др. Кузнечно-штамповочное оборудование. М.: Машиностроение, 1982. 574 с.
2. Богданов Э.Ф. Выбор давления рабочей жидкости при проектировании гидравлических прессов. Машины и технология обработки металлов давлением: Сб. М.: Машгиз, 1960.
3. Богданов Э.Ф. Расчет скрепленных и бандажированных цилиндров гидравлических прессов // Кузнечно-штамповочное производство. 1961. № 12.
4. Бочаров Ю.А. Гидросистемы кузнечно-штамповочных машин. М.: Машиностроение, 1973. С. 78.
5. Добринский Н.С. Гидравлический привод прессов. М.: Машиностроение, 1975. 222 с.
6. Живов Л.И., Овчинников А.Г. Кузнечно-штамповочное оборудование. Прессы. Харьков: Изд-во ХГУ, 1966. 455 с.
7. Кармацкий Ю.Н., Коровин Е.А. Насосно-аккумуляторные станции. М.: Машиностроение, 1965. 244 с.
8. Корнилов В.В., Сииицкий В.М. Гидропривод в кузнечно-штамповочном оборудовании: Учебное пособие для вузов / Под ред. Н.В. Пасечника. М.: Машиностроение, 2002. 224 с.
9. Ланской Е.Н., Силанов В.И. Станины гидравлических прессов И Детали машин. Расчет и конструирование: Справ. / Под ред. Н.С. Ачеркана. Т. 2. М.: Машиностроение, 1968. С. 390-396.
10. Морозов Б.А., Васильев В.В., Любимов В.Я. Повышение прочности галтельных сопряжений цилиндров с фланцами // Кузнечно-штамповочное производство. 1961. № 4.
11. Розанов Б.В. Гидравлические прессы. М.: Машгиз, 1953.
12. ЦНИИТмаш. Гидравлические прессы. Кн. 54 / Под ред. А.И. Зимина. М.: Машгиз, 1953.
Раздел 3
КРИВОШИПНЫЕ ПРЕССЫ И АВТОМАТЫ
Глава 3.1
КЛАССИФИКАЦИЯ И СТРУКТУРА КОНСТРУКЦИЙ
Кривошипные прессы - машины, широко применяемые в обработке давлением; по своей численности в общем парке машин такого назначения они превалируют. Это объясняется сравнительной простотой исполнительного механизма кривошипных прессов, естественностью реверсирования движения ползуна с инструментом после совершения рабочего хода, технологичностью деталей исполнительного механизма и рядом других причин.
Различают две группы прессов (рис. 3.1.1), существенно отличающихся друг от друга. Одна из этих групп предназначена для листовой, другая - для объемной штамповки [1,2].
Для листовой штамповки нужны крупногабаритные прессы с большим ходом (есть еще группа для обработки деталей из порошков, но она малочисленна) и значительными размерами штампового пространства, но сопротивление деформированию при этом меньше, чем при объемной штамповке, поэтому прессы для листовой штамповки изготавливают с меньшими значениями номинальной силы.
Рис. 3.1.1. Классификация кривошипных кузнечно-штамповочных машин по технологическому признаку
КЛАССИФИКАЦИЯ И СТРУКТУРА КОНСТРУКЦИЙ
203
Особенности технологических процессов объемной штамповки требуют сравнительно малого рабочего хода ползуна; сопротивление деформированию велико при сравнительно малых габаритных размерах штампуемой детали и штампов; при горячей штамповке необходимо обеспечить быстроходность пресса во избежание остывания поковки; стремление получать высокую точность поковок приводит к повышению жесткости конструкции прессов.
В каждой группе прессов имеются подгруппы: машин общего назначения, специализированных машин для определенных операций, автоматов, которые предназначены для обработки относительно узкой номенклатуры деталей.
Совершенствование техники и специализация приводят к развитию подгруппы автоматов за счет сокращения выпуска машин общего назначения.
К листоштамповочным машинам общего назначения следует отнести ножницы для листового металла, универсальные прессы для вырубки и неглубокой вытяжки, специализированные прессы для вытяжных и формовочных работ, перфорационные и гибочные прессы. К автоматам относятся многопозиционные листоштамповочные автоматы, служащие для многооперационной листовой штамповки мелких, средних и крупных деталей и однопозиционные автоматы для штамповки из листа или ленты разнообразных деталей (штамповка роторного и статорного железа и пр.).
Подгруппа прессов для объемной штамповки более многочисленна. В нее входят: ножницы для сортового материала, горячештамповочные прессы и горизонтально-ковочные машины, на которых производятся все операции объемной штамповки; чеканочные прессы, которые служат для плоскостной и объемной калибровки штампованных деталей, благодаря чему повышается точность их размеров; эти же прессы с увеличенным ходом применяются для холодной объемной штамповки; гибочные прессы, которые используют для холодной и горячей гибки сортового проката; обрезные прессы, выполняющие вспомогательную операцию по обрезке облоя после штамповки - они используются одновременно и для прошивки поковок и для их правки; для ковки ступенчатых валов созданы радиально-обжимные машины, на которых ковка валов производится почти без отходов и с высокой точностью.
Автоматы для объемной штамповки применяются в основном для холодной штамповки крепежных деталей, шариков, роликов и
других деталей, горячей штамповки гаек, колец и подобных деталей массового производства. Широкое распространение получили автоматы для гибки деталей из проволоки.
Технические параметры некоторых из указанных машин приведены в табл. 3.1.1. У различных типов машин имеется очень много общего с точки зрения кинематики, конструктивного оформления и т.п. Поскольку отдельные элементы различных кривошипных машин имеют сходную конструкцию, для их расчета применяются одинаковые методы, их детали имеют аналогичные расчетные схемы.
Структуру конструкций кривошипной машины можно проследить по рис. 3.1.2. Каждая машина имеет исполнительный механизм, ведущим звеном в котором является кривошип, рабочим - ползун. Основными деталями являются: коленчатый вал (в различных модификациях), шатун, ползун. Для приведения в действие исполнительного механизма служит привод и трансмиссия от электродвигателя к коленчатому валу. В системе привода для соединения или отключения от исполнительного механизма предусматривается муфта, а для остановки коленчатого вала - тормоз. Включение и выключение муфты и тормоза осуществляются системой управления, состоящей из электрических и электронных приборов, пневматических, гидравлических и других механизмов. Кроме перечисленного в прессе могут быть предусмотрены предохранители, уравновешиватели, пневматические и гидравлические подушки в столе или ползуне. Наличие этих элементов определяет совершенство конструкции пресса.
Важны также устройства, обеспечивающие удобство работы, безопасность и надежность конструкции пресса. Сюда следует отнести: решетки для ограждения штамповочного пространства, защитные кожухи, лестницы или площадки, указатели силы или давления, тормоз маховика, систему смазывания, микропривод. Технологическая гибкость обеспечивается введением в конструкцию внецикловых механизмов: передвижных столов, автоматизированных зажимов для крепления штампов и ряда других узлов, которые не работают при каждом цикле, но наличие их дает возможность эксплуатировать пресс более эффективно. Все это объединяется в одну систему и монтируется на станине. Кроме того, станина, как правило, служит замыкающим звеном в силовой цепи пресса, поэтому конструированию станины уделяется большее внимание.
3.1.1. Основные параметры прессов различных типов
№ п/п Тип и конструктивная разновидность пресса Диапазон номинальных сил, кН Диапазон длин хода, мм Число ходов ползуна в минуту Мощность электродвигателя, кВт Примечание
1 Универсальные листоштамповочные: одностоечные с неподвижным столом: без зубчатого привода с зубчатым приводом 63... 1600 500... 4500 45...120 90...200 200...80 75...25 0,6... 10 3...20 -
одностоечные с регулируемым столом: без зубчатого привода с зубчатым приводом 63...700 500... 1000 45...100 90... 120 200...80 75...55 0,8...5 4...8 -
двухстоечные открытые ненаклоняемые: без зубчатого привода с зубчатым приводом 40... 700 160...4000 45... 120 50...250 170...90 70...25 0,3...5 2...30 -
открытые наклоняемые: без зубчатого привода с зубчатым приводом 40... 1600 160...1600 45... 160 70... 180 170...70 75...35 0,3...10 2...10 -
открытые двухстоечные двухкривошипные 400... 5000 65...150 80...30 3...40 —
однокривошипные закрытые: без зубчатого привода с зубчатым приводом: средние крупные 400... 800 630...6300 2000...16 000 80...100 80...320 250...630 150...80 75...10 20...6 3...7 3...40 14...100 -
двухкривошипные закрытые 1000... 16 000 (до 31 500) 120...800 40...6 10...120 -
четырехкривошипные: с верхним приводом с нижним приводом 3000... 16 000 (до 31 500) 2000... 10 000 280... 800 280...450 22...7 22...8 25...120 20... 100 -
Глава 3.1. КЛАССИФИКАЦИЯ И СТРУКТУРА КОНСТРУКЦИЙ
2
№ п/п Тип и конструктивная разновидность пресса Диапазон номинальных сил, кН
2 Прессы вытяжные: двойного действия открытые двойного действия закрытые однокривошипные двойного действия закрытые двухкривошипные 64/40... 1000/630 40/25...8000/315 1000/1000... 10 000/10 000
двойного действия закрытые четырехкривошипные 4000/4000... 10 0000/10 000
для глубокой вытяжки с семизвенным механизмом с шестизвенным механизмом 200...500 1000...5000
3 Листогибочные 630...5000
4 Ножницы листовые с наклонным ножом 10...6300
5 Ножницы перфорационные 500....5000
6 Многопозиционные листоштамповочные кривошипные автоматы 160...25 000
7 Крупные автоматы многопозиционные 25 000...95 000
8 Прессы-автоматы однопозиционные 25...6300
9 Горячештамповочные прессы 2000... 160 000
Продолжение табл. 3.1.1
Диапазон длин хода, мм Число ходов ползуна в минуту Мощность электродвигателя, кВт Примечание
800/50...300/170 280/160... 1060/670 420/260... 1060/670 90...28 20...7 14...5 7...75 10...75 При повышенной скорости холостого хода число ходов увеличивается приблизительно вдвое
800/400...1060/670 11...5 40...200 -
300...500 300...800 80...50 16...5 15...20 15...80 -
63...100 30... 12 4...40 Длина листа 1000.. .5000 мм
40...300 100...10 1...200 Длина реза 1600... 8000 мм Толщина листа 1.. .60 мм
- 800...40 - -
100...500 130... 10 4,5...25О Число ходов регулируемое. Число позиций 6-14 по специализации
До 1400 25...6 902...800 Размеры заготовки 4000...2000 мм
10...165 1800...40 2...40 -
180...500 120...35 20... 500 -
КЛАССИФИКАЦИЯ И СТРУКТУРА КОНСТРУКЦИЙ 205
№ п/п Тип и конструктивная разновидность пресса Диапазон номинальных сил, кН
10 Горизонтально-ковочные машины 500... 31 500
11 Чеканочные кривошипно-коленные прессы 630...40 000
12 Обрезные 100... 16 000
13 Радиально-ковочные машины 600...36 000
14 Холодновысадочные одноударные автоматы 63...2000
15 Холодновысадочные двухударные автоматы 200...4000
16 Холодновысадочные многопозиционные автоматы 400...6300
17 Горячештамповочные автоматы 1000...7000
18 Ножницы сортовые 400...16 000
Окончание табл 3 1.1
Диапазон длин хода, мм Число ходов ползуна в минуту Мощность электродвигателя, кВт Примечание
150... 700 95...20 6...350 -
25...280 95...13 3...125 -
180...600 40...10 8...60 -
- 800...350 20... 100 -
40...220 450...65 1...20 Диаметр стержня 2,6...20 мм
50...280 450...90 2,5...55 Диаметр стержня 4...25 мм
130...260 110...30 8...125 Диаметр стержня 4...24 мм. Для высадки с истечением мощность двигателя приблизительно вдвое выше
100...200 200...40 7...75 -
32...200 45...9 - Для резки круга диаметром 40... 250 мм
Глава 3.1 КЛАССИФИКАЦИЯ И СТРУКТУРА КОНСТРУКЦИИ
КЛАССИФИКАЦИЯ И СТРУКТУРА КОНСТРУКЦИЙ
207
Рис. 3.1.2. Структура кривошипного пресса
Совершенствование системы управления привело к тому, что система осуществляет и контрольно-диагностические функции, а также обеспечивает наладку. В память промыш
ленного компьютера заносятся код инструмента, параметры наладки, фиксируются диаграммы сила - перемещение и другие данные.
208
Глава 3.2. ОСНОВЫ ТЕОРИИ И РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Власов В.И. и др. Кривошипные кузнечно-прессовые машины. М.: Машиностроение, 1982. 424 с.
2. Кузнечно-штамповочное оборудование / Под ред. А.Н. Банкетова и Е.Н. Ланского. М.: Машиностроение, 1982. 574 с.
Глава 3.2
ОСНОВЫ ТЕОРИИ И РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ
Современная теория кривошипных прессов и автоматов (КП и А) построена на кинето-статических и динамических принципах механики машин [1,3, 5].
Наиболее проработаны кинетостатические методы, получившие широкое применение:
- в кинематическом анализе и синтезе исполнительных механизмов КП и А;
- в кинетостатическом анализе кривошипно-ползунного и других главных исполнительных механизмов;
- в разработке расчетов на статическую прочность;
- в разработке расчетов энергетики привода.
Типовые схемы кривошипных механизмов. В современном прессостроении нашли применение следующие восемь типов кинематических схем - модификаций кривошипных механизмов (рис. 3.2.1):
1) кривошипно-коромысловый (а) создает смещенный нажим рабочего звена - коромысла и применяется в производстве изделий типа "стержень" с эксцентричной головкой на костыльных автоматах;
ОСНОВЫ ТЕОРИИ И РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ
209
2) кривошипно-ползунный аксиальный (б) получил наиболее широкое применение в КП и А вследствие простоты устройства и надлежащих кинематических параметров. Модификация этого механизма - дезаксиальный, у которого ось движения ползуна не совпадает с осью вращения кривошипа;
3) кривошипно-коленный (в): при небольшой тяговой (толкающей) силе на шатуне создается большая технологическая сила на ползуне, величина хода уменьшена по сравнению с прессами по схеме (б); применяют в чеканочных прессах, прессах для холодной объемной штамповки и прессах для выдавливания;
4) двухкривошипный с двумя степенями подвижности (г) позволяет получить очень большой ход ползуна при соответствующей установке тихоходных колес на кривошипных валах при достаточном постоянстве скорости движения ползуна, что имеет решающее значение для особо глубокой вытяжки;
5) двухкривошипный коленно-ползунный (д) применяют в прессах (автоматах) тройного действия для чистовой вырубки;
6) кривошипно-клиновой (е): благодаря клиновому механизму резко уменьшаются силы в кривошипно-шатунной группе, но высота пресса с таким механизмом увеличивается; применяют в кривошипных горячештамповочных прессах (КГШП) и некоторых типах автоматов для объемной штамповки;
7) кривошипно-круговой (ж): обладает высокой продольной жесткостью, но давление на направляющие ползуна увеличено; приме
няют в специализированных, с коротким ходом вырубных прессах и автоматах;
8) кривошипно-кулисный (з) обладает повышенной продольной жесткостью, точностью направления ползуна, но сложен для наладки: некоторые инофирмы применяют в КГШП, в горизонтально-ковочных машинах (ГКМ).
Кинематический синтез кривошипноползунных механизмов. Исходной величиной для синтеза аксиального механизма является значение полного хода ползуна sraax, заданное ГОСТом на основные параметры и размеры или рассчитанное на основании технологических требований (съем изделия с пуансона, размещение средств автоматизации и др.).
Радиус кривошипа равен R = smax / 2, длина шатуна L = R/k, где X - коэффициент шатуна.
При выборе к руководствуются следующими соображениями. Чем больше величина к при заданном smax, тем меньше габарит пресса в направлении оси движения ползуна. Поэтому для прессов с большим ходом и особенно при плунжерной подвеске ползуна к имеет наибольшую величину. Но при этом растет сила по шатуну, давление на направляющие и крутящий момент, поэтому у прессов для объемной штамповки к невелико, как, впрочем, и у прессов с малым smax.
Применяемые значения к приведены в табл. 3.2.1. Для прессов с регулируемым ходом
3.2.1. Коэффициент шатуна к
Тип КП и А X
Листовая штамповка Универсальные простого действия:
с регулируемым ходом 0,065...0,085
с постоянным нормальным ходом 0,085...0,125
с постоянным увеличенным ходом 0,145...0,175
Вытяжные двойного действия 0,190...0,270
С плунжерной подвеской шатуна:
универсальные простого действия 0,300...0,350
вытяжные двойного действия 0,400... 0,490
Автоматы 0,060... 0,250
Объемная штамповка
Горячештамповочные 0,140...0,175
Горизонтально-ковочные машины 0,270...0,330
Обрезные прессы 0,100...0,120
Автоматы 0,120...0,200
210
Глава 3.2. ОСНОВЫ ТЕОРИИ И РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ
и регулируемой длиной шатуна указаны максимальные значения X.
Для дезаксиального кривошипно-ползунного механизма радиус ведущего кривошипа равен
Л = 5тах/[2 + 8^/(1-Х2)],
где 8Д = Е/ L - коэффициент дезаксиально-сти, 8Д =0,06...0,08; Е - абсолютная величина дезаксиала.
Кинематический синтез кулачковых механизмов автоматов. Исходными данными являются: цикловая диаграмма, соответствующая данной технологической последовательности; принципиальные схемы механизмов и предварительная конструкторская проработка узлов. На основании этих данных определяются параметры, необходимые для синтеза: углы поворота кулачков, длины путей ведомых и рабочих частей и т.д.
Синтез проводят в такой последовательности: 1) выбор схемы кулачкового механизма; 2) выбор закона движения; 3) определение основных размеров механизма; 4) расчет и построение профиля кулака.
В современных КП и А применяют три типовые схемы кулачковых механизмов (рис. 3.2.2): с возвратно-поступательным движением плоского кулачка и толкателя (а); с вращающимся дисковым кулачком и поступательно движущимся толкателем (б); с вращающимся дисковым кулачком и толкателем, совершающим качательное движение (в).
Предпочтение (при возможности конструкторской реализации) следует отдавать 3-й схеме в силу ее преимуществ перед двумя другими: уменьшенное давление на кулачок и, следовательно, меньший его износ; увеличенное значение угла давления при максимальном
Рис. 3.2.2. Схемы кулачковых механизмов
значении КПД; рабочие углы поворота кулачка могут быть различными при прямом и обратном ходах толкателя; допускается увеличение времени рабочего хода толкателя, что резко снижает динамические нагрузки и улучшает эксплуатационные показатели КП и А, например допустимое число ходов возрастает на 30...45 %.
Согласно общей теории КП и А рекомендуется проводить расчет профилей кулачков с учетом изменения ускорений в звеньях механизма, принимая сами звенья упругоподатливыми. Наилучшие результаты дают кулачки, спроектированные по синусоидальному закону движения толкателя: в этом случае машины работают более надежно.
Кинетостатический анализ главных исполнительных механизмов КП и А. Для прочностного расчета деталей и узлов КП и А и анализа энергетики привода решают задачи: 1) о внешних силах, действующих на звенья механизмов; 2) о реакциях в кинематических парах; 3) о крутящих моментах, приложенных к ведущим звеньям; 4) о внутренних силах и напряжениях в ведущем вале.
Главные исполнительные механизмы КП и А относятся к группе "силовых механизмов", в которых силы инерции малы по сравнению с силами полезных сопротивлений, обусловленных сопротивлением деформируемого материала. Поэтому согласно теории КП и А предлагается проводить силовой расчет главных исполнительных механизмов на силы полезных и вредных (силы трения) сопротивлений. Принципиальной основой силового расчета является кинетостатический анализ без учета инерционных сил. Однако в расчете вспомогательных механизмов, где силы полезных сопротивлений невелики или вовсе отсутствуют, силы инерции могут стать решающим фактором.
В современной теории КП и А существуют два независимых варианта решения задачи об опорных реакциях в главном исполнительном механизме.
Первый вариант приводит к решению задачи о крутящем моменте. Главные допущения в этом решении: в расчетной схеме ведущий вал (кривошипный коленчатый или эксцентриковый) заменяется статически разрешимой балкой, лежащей на опорах; фактические внешние силы и реакции представляются сосредоточенными нагрузками, приложенными по центру ступиц или цапф [5].
ОСНОВЫ ТЕОРИИ И РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ
211
В типовой расчетной схеме вертикального двухстоечного однокривошипного пресса с односторонним зубчатым приводом при расположении маховика на приемном валу (рис. 3.2.3) приняты обозначения: Рд - сила полезного сопротивления на ползуне; Рп - сила, действующая на направляющие ползуна; РАВ -сила по шатуну; Тш - нормальная сила на зубе колеса, через которое на ведущий вал подается крутящий момент Мк ; Тш = Л/к /7?ш cos 8 ;
Qu - реакции в опорах вала; 8у - установочный угол шестерни, 8у = 70...75° или 250... 255°; 8 - угол зацепления, 8 = 20°; а - угол, координирующий положение кривошипа, отсчитывается от крайнего нижнего положения (к.н.п.); р - угол, координирующий положение шатуна, sin Р = 8Д + A, sin а ; у, ф - углы отклонения сил от идеального направления в связи с трением в кинематических парах, у = =arcsin[p(r4 + rB)/L]; <p = arctgp; ц -коэффициент трения; /2, /3 - долевые размеры балки, фиксирующие положение сил; R = OA - радиус кривошипа; L-AB - длина шатуна; R^- делительный диаметр колеса; гА, гв, г0 - радиусы цапф (шеек); р, - радиусы трения во вращательных парах, р, = цг,.
Для механизма с учетом трения
Рав = P4cos<|>/cos (Р + у + <р);
Рп = Рд sin ( Р + у) / cos ( 0 + у + <р);
(3.2.1)
сила давления на направляющие ползуна
Р„ = Pflsin(P + y)cos<p/cos(P + Y + <p).
(3.2.2)
Имея в виду реальные размеры КП и А и условия работы, можно принимать (индексы "в” и "г” соответственно определяют вертикальную и горизонтальную составляющие сил)
РАВ » РАВ ~ ’ РАВ « ’
Гщ = Л/к sin(5y+е)/7?ш cose ; Т^«ТШ\
- Р 4-Тв + h .
д/2+/3 ш /2+/з ’
Крутящий момент в кривошипно-ползунном механизме выражают через силу Рл и ее приведенный радиус тк к ведущему кривошипу
Л/к = Ра. (3.2.3)
Рис. 3.23. Расчетная схема двухстоечного однокривошипного пресса с односторонним зубчатым приводом
212
Глава 3.2. ОСНОВЫ ТЕОРИИ И РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ
Приемлем расчет тк по формуле тк = /?(sina +—sin 2a + e„cosa | +
I 2 )
+ ц[(1 + Л)г?(+Хгв+г0]. (3.2.4)
Условия трения оцениваются в зависимости от условий смазки: проточная жидкая смазка - Ц = 0,005... 0,01; периодическая жидкая смазка- ц =0,01...0,03; пластичная смазка - ц = 0,04...0,06.
Второй вариант. Опоры валов КП и А, не являясь абсолютно жесткими, претерпевают упругие деформации в зависимости от действующей на вал нагрузки и свойств опоры. Это обстоятельство в сочетании с тем, что, во-первых, пролет опоры соразмерим с длиной цапфы и, во-вторых, долевые и поперечные размеры цапф соизмеримы, вносит существенные изменения в распределение и величины внутренних сил и напряжений. Поэтому расчетные схемы [1, 2, 7] строят на основе следующих допущений: ведущий кривошипный вал заменяется балкой с опорными цапфами на упругом основании; фактические внешние силы и реакции представляются давлениями (распределенными силами), изменяющимися по длине цапфы по заданному закону. При этом точное или приближенное решение связано с тем, что учитываются либо обе координатные составляющие сил и реакций или только одна из них. В теории вертикальных КП и А обычно учитывают только вертикальные (горизонтальные у горизонтальных КП и А) составляющие силовых параметров.
Расчетная схема кривошипного вала показана на рис. 3.2.4, а, где выделены три опасных сечения: В-В - на выходе опорной цапфы из подшипника, Е-Е - на срезе междуопорного пролета по правому торцу большой головки шатуна; F-F - посредине междуопорного пролета. Расчетная схема балки - аналога вала показана на рис. 3.2.4, б.
Нагружение кривошипных валов в КП и А относится к так называемому простому циклическому нагружению, когда при одновременном действии силы РАВ ~ Яав и крутящего момента Мк последний возрастает пропорционально первой нагрузке. В теории предельного состояния запас прочности п при совместном действии указанных нагрузок равен [2]
Рис. 3.2.4. Расчетная схема кривошипного вала
П = 1 / ^(Ипа)2+(\/п,)2 > [л], (3.2.5) где па - запас прочности по нормальным напряжениям, па = /стэ; - то же по касательным, wt=t_j/t3; [л] - допускаемый запас прочности; - соответственно
пределы выносливости при циклическом изгибе и кручении; стэ, тэ - максимальные эквивалентные напряжения.
Эквивалентные напряжения учитывают конструкторские и технологические факторы: неравномерность распределения напряжений и их концентрацию (эффективные коэффициенты Ка, Кх ); абсолютные размеры (коэффициенты ео, ет); качество обработки поверхности и ее упрочнение (0С, 0Т); чувствительность материала к асимметрии цикла нагружения (<|/о, <|/т); значения амплитудных (<jv, tv) и средних (стт, тт) напряжений:
®3=(^o/eaPo)ov + 4/aam; (3.2.6)
т э = (Л, / е, Рт ) tv + „ • (3-2.7)
Из уравнений (3.2.5), (3.2.6) и (3.2.7) получают уравнение вида
п = а_|/ х2 > [л], (3.2.8)
ОСНОВЫ ТЕОРИИ И РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ
213
« Фа=(ч>о+Ко/еора)2/4,
Фт = (<|/т + Кх /ет Рт)2 (ст_!/т_])2/4 ;
аф, тф - действующие нормальные и касательные напряжения.
Уравнение (3.2.8) приводят к уравнению допускаемых сил [7^] на ползуне по прочности вала в опасных сечениях в общем виде
[DJ_ о,чУ,
ЗД ^Фа^+Ф^ОЛ^+О,!?^)2 ’
(3.2.9)
где t/0 - диаметр опорной цапфы вала; Ка -коэффициент долговечности; С/и, UK, Uc -силовые факторы соответственно от изгибающего Мк и крутящего Мк моментов, от поперечных сил Qc.
Из общего уравнения (3.2.9) получают уравнения для расчета [Рд] по различным опасным сечениям. Как правило, расчет по сечению Е-Е не проводят ввиду его относительной прочности, по сечению F-F расчет рекомендуют проводить только для щековых коленчатых валов, когда диаметр коленной шейки dA занижен ^<1,3^0- По сечению В-В расчет ведется для всех типов КП и А.
Дальнейшее упрощение расчетных формул для [Рд] связано с оценкой влияния тех или иных силовых факторов. Например, для прессов с коротким ходом ползуна smax < d0 пренебрегают действием поперечных сил Uc=0; для прессов с большим ходом smax > влияние изгибающих напряжений по сравнению с напряжениями кручения сильно уменьшается и £7И = 0.
Допускаемая сила [Рд] на ползуне по контактной выносливости зубьев тихоходного колеса. Используем соотношение (3.2.3) и уравнение прочности для номинального контактного напряжения в зоне наибольшей интенсивности [1,2]
он = ZWZMZE^2MK(u + i)/m2z2b <[<sH],
(3.2.10)
где ZH - коэффициент, учитывающий форму сопряженных поверхностей зубьев, при е = 20°, ZH = 1,77 cos Рн; рн - угол наклона зубьев; ZM - коэффициент, учитывающий механические свойства материала зубьев, для стали ZM =275 МПа1/2; Ze - коэффициент, учитывающий длину контактной линии:
для косозубых и шевронных колес Ze = = д/ 1/еа;
для прямозубых колес Ze = (4-еа)/3; еа - коэффициент торцового перекрытия, еа = [ 1,88-3,2(1/z, +l/z2)]cosPH ; и - передаточное число тихоходной передачи; т -нормальный модуль зацепления; z2 - число зубьев колеса; b - рабочая ширина зубчатого венца колеса; [стя] - допускаемое контактное напряжение. Получаем уравнение для допускаемой силы
, f [dwl V z,m2b
1= 1 Hi --------?------.(3.2.11)
2(u + \)mK
Диаграмма и условие прочности КП и А. Расчет ведущих кривошипных валов, бугельных осей и связанной с ними тихоходной зубчатой передачи состоит в определении допускаемых сил на ползуне главного исполнительного механизма в зависимости от положения кривошипа (ползуна) в виде графиков допускаемых сил [Рд] = /(а) или [Рд] = /(я). Подобный подход обусловлен тем, что характеристика КП и А в виде номинальной силы условна и не дает полного представления о возможностях технологического нагружения во время работы.
Характер и взаимное расположение графиков [Рд] по прочности сечений вала определяется его конструктивными размерами и формой для разных по технологическому назначению КП и А. Например, у прессов с коротким ходом smax < dQ кривая 1 (рис. 3.2.5) допускаемых сил по прочности в сечении В-В (см. рис. 3.2.4) достаточно плавная с максимумом при а « 0... 10°. Для прессов с smax > d0 кривая 1 значительно повышается при малых углах. Кривая 2 прочности по сечению Е-Е, как
214
Глава 3.2. ОСНОВЫ ТЕОРИИ И РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ
Рис. 3.2.5. Графики допускаемых сил на ползуне
правило, высокоподнятая. Для современных КП и А график 3 сил, допускаемых прочностью зубьев, в области больших углов оказывается самым низким графиком. Для некоторых КП и А этот график лежит полностью ниже всех графиков.
Огибающая графиков допускаемых сил на ползуне (заштрихованная) для всех положений механизма называется диаграммой прочности (графиком допускаемых сил), определяющей условие прочности пресса. Сохранение целостности пресса и его надежной работы связано с тем, что в любом случае нагрузочный график 4, определяемый сопротивлением штампуемого металла, должен вписаться в диаграмму прочности и не превышать ее ни в одной точке [1,2].
Из диаграммы прочности следует, что допускаемая сила, равная паспортной номинальной силе Рн, достигается при вполне определенном положении главного исполнительного механизма и соответствующем угле поворота кривошипа ан, называемом номинальным углом. Величина номинального угла ан зависит от технологического назначения и особенностей конструктивного устройства КП и А. Так как в производственных условиях наладка КП и А ведется на заданное положение ползуна, рекомендуется график Рд = /(а)
перестроить в координаты Рд = f (s) ив таком виде обязательно вносить в паспорт пресса. В этом случае номинальному углу ан будет соответствовать номинальный недоход sH до крайнего нижнего (верхнего, переднего) положения ползуна.
Для двухкривошипных прессов, если нагружение происходит с эксцентриситетом относительно оси пресса, фактическая допускаемая сила уточняется по расчетной схеме, в которой ползун рассматривается как балка на двух опорах - подвесках ползуна, а нагрузка прилагается в центре давления штампа. Поскольку фактическая нагрузка на каждую опору не может превышать [Рд]/ 2, то при заданном расстоянии между опорами Ln и эксцентриситете е фактическая допускаемая сила
[Рд]ф =[Д,/(Д,+2е)][Ря]. (3.2.12)
Энергетика привода КП и А. Кривошипные прессы и автоматы оборудованы маховичным приводом с асинхронным электродвигателем, текущая мощность которого меньше мгновенной мощности рабочего хода. Дополнительный приток энергии получают за счет торможения маховика, снижения угловой скорости до величины, ограниченной скольжением электродвигателя. Поэтому к началу каждого следующего рабочего хода электродвигатель должен восстановить частоту вращения маховика; в противном случае вследствие невозобновляемого расхода энергии маховика машина после совершения некоторого числа рабочих ходов остановится. Кривошипно-ползунный механизм может войти в состояние заклинивания.
Теория маховичного привода КП и А базируется на анализе энергетической диаграммы (кривая 1 на рис. 3.2.6), состоящей, как правило, из 4 участков:
а-b - снижение запаса кинетической энергии маховика от начального уровня Тн до Тм вследствие потерь на включение муфты и разгон ведомых частей;
b-с - в правильно рассчитанном приводе на этом участке прямого холостого хода /п х происходит почти полное восстановление энергии маховика электродвигателем;
ОСНОВЫ ТЕОРИИ И РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ
215
c-d - падение уровня энергии маховика до допустимого минимума (иначе перегрев электродвигателя и возможность заклинивания) Тк во время рабочего хода /р. Из общего перепада энергии АГ часть расходуется непосредственно на пластическое формоизменение заготовки (по кривой 2), остальные потери вызваны потерями на трение и упругое деформирование КП и А инструмента;
d-e-g - восстановление уровня энергии.
Если расход энергии на пластическое формоизменение и другие составляющие велик, то восстановления энергии за время обратного хода /0 х не произойдет. Тогда время разгона маховика при работающем электродвигателе и выключенной муфте должно быть увеличено настолько, чтобы по истечении времени /ц-/м был восстановлен начальный уровень энергии маховика: только после этого можно начинать штамповку новой заготовки -технологический цикл завершен.
Время /ц называют временем технологического цикла
Ц — / Ри ’
где /м - время машинного цикла (двойного хода ползуна); ри - коэффициент использования ходов (табл. 3.2.2).
При работе автоматизированных прессов и автоматов при постоянно включенной муфте
3.2.2. Коэффициент использования ходов ри
Тип КП и А Ри
Листовая штамповка
Универсальные простого действия Вытяжные двойного действия 0,40...0,80 0,70... 0,90
Объемная штамповка
Г орячештамповочные Г оризонтально-ковочные машины Чеканочные 0,10...0,20 0,15...0,30 0,60... 0,80
Ножницы 0,70...0,90
Графики сил деформирования Pa(s). Эти графики могут быть рассчитаны по формулам теории обработки металлов давлением или заданы в виде графической или аналитической аппроксимации экспериментальных графиков для сходных условий деформирования. Первый способ не нашел практического применения. Второй способ основан на утверждении тождественности схем нагружения и геометрического подобия реального и отображаемого процессов. Считается, что характер графиков сохраняется - меняется только масштаб сил и абсолютных величин деформаций.
Третий способ заключается в представлении силовых зависимостей в виде кусочных графиков из линейных, синусоидальных и прочих участков [4].
Величину работы Лд, расходуемой на необратимое формоизменение обрабатываемого материала
хд
Лд=р>д(*)Л, (3.2.13)
О
можно получить, планиметрируя этот график.
Нагрузочные графики КП и A Pa(s). Упругая деформация машин непосредственно накладывается на графики сил деформирования, видоизменяя их, при этом величина рабочего хода инструмента может возрастать на
216
Глава 3.2. ОСНОВЫ ТЕОРИИ И РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ
величину упругой деформации (объемная штамповка с пиком силы в конце хода) или оставаться неизменной (вытяжка из листовой заготовки "на провал").
Диаграмма крутящих моментов. Диаграммы Л/К(а) на ведущем валу главного исполнительного механизма в зависимости от его положения, координируемого углом а, строят графоаналитически с использованием формулы
Мк(а) = Рд(а)/ик(а), (3.2.14) где Рл (а) - текущее значение силы из перестроенного графика Рд (s) в график Рд (а); тк (а) - текущее значение приведенного плеча силы Рл.
Планиметрируя диаграмму Мк (а) в пределах рабочего хода, получают величину работы
ан р
Лр = £л/к(а)Да, (3.2.15) ак р
где ан р - угол начала рабочего хода; ак р -угол конца рабочего хода.
Расход энергии в приводе КП и А.
1) На включение муфты и разгон ведомых частей
= Jt0)h,
где JT - момент инерции ведомых частей КП и А (с учетом приведения к валу муфты); сон - номинальная угловая скорость вала муфты.
2) На холостое движение механизмов пресса. Потери энергии этого вида значительно зависят от качества обработки сопряженных поверхностей подвижных деталей механизмов, опор и направляющих, от смазки, натяжения ремней, регулировки тормозов и других случайных причин. Поэтому расчетная величина этого расхода весьма приближенна и определяется в долях кх от другого, стабильного энергетического параметра, например, работы пластического деформирования
4с “
где кх - коэффициент, кх = 0,3...0,4 для листоштамповочных и обрезных закрытых прессов; кх = 0,04.. .0,5 для КГШП; кх = 0,6 для чеканочных прессов; кх = 1,5.. .2,5 для автоматов.
3) На рабочий ход - см. выше (3.2.15).
Выбор электродвигателя. Номинальная мощность асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором определяется как сумма средних мощностей активного и холостого ходов за период одного технологического цикла [6]
ff„ =[*,(«»4 + ^,)+А]/'ц. (3.2.16)
где к3 - коэффициент запаса (табл. 3.2.3); п* - число включений муфты за цикл (на автоматических ходах лв = 0).
У асинхронных электродвигателей с фазным ротором при работе на искусственной характеристике из-за потерь в дополнительном сопротивлении фактическая номинальная мощность снижается
А^н ф = (3.2.17)
гДе лнф ~ фактическая номинальная частота вращения (по каталогу электродвигателя), nH=«o(l-sH); «о “ синхронная частота вращения (по каталогу электродвигателя); sH -номинальное скольжение (см. табл. 3.2.3).
Расчет момента инерции маховых масс и собственно маховика. Номинальный момент инерции маховых масс
J'„ = 22,8 Д, ( 8 + 2)2 / 8, (3.2.18)
3.2.3. Данные для расчета мощности электродвигателя и момента инерции маховых масс
Иф = Рнп ’ ход/мин •^н кз Бз
До 15 0,12...0,08 1,2 0,85
15...50 0,08...0,04 1,3 0,9
Св. 50 0,04...0,02 1,4...1,6 0,95
ОСНОВЫ ТЕОРИИ И РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ
217
где пи - номинальная частота вращения маховика; А* - работа маховика, дополняющая до общего уровня расход энергии во время пиковой рабочей нагрузки Яр,
Лл ~ ~ А К ’
Л)К - работа электродвигателя в этот период:
А к “ н (или NH ф ) Zp Т|п .
Здесь Г|п - КПД передач; 5 - торможение маховика,
6 = 2 Л3е3 (sH + sp n),
Здесь 83 - относительный коэффициент скольжения (см. табл. 3.2.3); spn - скольжение в ременной передаче (5р п « 0,01).
Поскольку нагрузка в режиме одиночных ходов не является мгновенной, а происходит во времени, то фактический момент инерции маховых масс несколько меньше номинального:
для однопикового технологического цикла
(3.2.19)
для двухпикового
(3.2.20)
В машинах отдача энергии осуществляется не только маховиком, но и другими вращающимися частями. В мощных прессах эта доля существенна, поэтому величина JM является приведенной величиной всех маховых масс к одному валу.
Проверка на допустимое время первоначального разгона при включении электродвигателя
l,2J„n^
'разг=7ТТ— ^'разД W ф
Для короткозамкнутых электродвигателей [/разг] = 8... 10 с, для двигателей с повышенным скольжением [Zpa3r ] = 15... 18 с.
3.2.4. КПД рабочего хода Г|р
Тип кривошипного пресса Пр
Листовая штамповка
Универсальные простого действия
на вырубке 0,55...0,65
на вытяжке 0,70...0,80
Вытяжные двойного действия 0,75...0,85
Объемная штамповка
Г орячештамповочные 0,30...0,40
Горизонтально-ковочные машины 0,35...0,45
Обрезные 0,50...0,55
КПД КП и А. Для оценки расходования энергии в приводе машины во время рабочего хода используется КПД рабочего хода (табл. 3.2.4)
Пр=Лд/Лр, учитывающий совокупные "бесполезные" потери энергии на трение и упругую деформацию.
График работоспособности КП и А [2]. Поскольку энергия, которую способен отдать привод за один технологический цикл, является фактором, зависящим от мощности привода и от длительности цикла, при заниженной величине технологической работы машину можно использовать более интенсивно во времени в цикле одиночных ходов. График, представляющий зависимость допустимой работы формоизменения от фактически используемых ходов, называется графиком работоспособности (рис. 3.2.7). Его параметры рассчитываются по формуле
218
Глава 3.3. УНИВЕРСАЛЬНЫЕ КРИВОШИПНЫЕ ПРЕССЫ
Л3 L Ри
(3.2.22)
Из графика видно, что при автоматических ходах (ри = const) [Лд] существенно снижается.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Банкетов А.Н., Бочаров Ю.А., Доб-ринский Н.С. и др. Кузнечно-штамповочное оборудование. М.: Машиностроение, 1982. 576 с.
2. Живов Л.И., Овчинников А.Г. Кузнечно-штамповочное оборудование. Прессы. 2-е изд., перераб. и доп. К.: Вища шк. Головное изд-во, 1981. 376 с.
3. Живов Л.И., Овчинников А.Г. Кузнечно-штамповочное оборудование. Молоты... 2-е изд., перераб. и доп. К.: Вища шк. Головное изд-во, 1985. 279 с.
4. Ковка и штамповка: Справочник: В 4-х т. М.: Машиностроение, 1987. Т. 4. С. 503 - 518.
5. Сторожев М.В. Основы расчета кривошипных прессов И Вестник металлопромышленности. 1935. № 10. С. 103 - 156; № 11. С. 115-179.
6. Харизоменов И.В. Электрооборудование кузнечно-штамповочных машин. М.: Высш, шк., 1970. 128 с.
7. Нистратов А.Ф. Энциклопедический справочник. Машиностроение. Т. 8. М.: Машгиз, 1949.
Глава 3.3
УНИВЕРСАЛЬНЫЕ КРИВОШИПНЫЕ ПРЕССЫ
Классификация. На кривошипных прессах общего назначения выполняют операции вырубки, пробивки, гибки, неглубокой вытяжки, отрезки и другие операции листовой, горячей и холодной объемной штамповки в тех случаях, когда не требуется какого-либо изменения технологических параметров пресса Конструктивные разновидности можно проследить по классификации (рис. 3.3.1).
Открытые прессы. В промышленности превалирует штамповка мелких и средних деталей, что обусловило большое распространение открытых прессов. До 80...85 % парка- кривошипных прессов составляют эти сравнительно простые и удобные в эксплуатации прессы.
Рис. 3.3.1. Классификация универсальных кривошипных прессов
УНИВЕРСАЛЬНЫЕ КРИВОШИПНЫЕ ПРЕССЫ
219
Рис. 3.3.2. Конструкции открытых прессов
На рис. 3.3.2 показаны наиболее распространенные модификации открытых прессов. Прессы наклоняемые с параллельным расположением коленчатого вала (рис. 3.3.2, а) в последнее время находят все большее применение, вытесняя прессы с валом, перпендикулярным фронту пресса. При параллельной фронту установке коленчатого вала, он не имеет консольного эксцентрика, что позволяет уменьшить размеры вала, увеличить длину хода и сделать работу на прессе более безопасной. Ненаклоняемые открытые прессы наиболее часто применяют при силах 0,63...4 МН. Применение стола-рога существенно увеличивает штамповое пространство. Одностоечные прессы с рогом (рис. 3.3.2, б) применяют при выполнении операций, которые невозможно осуществить при обычной конструкции стола, например, в мелкосерийном производстве при выполнении таких операций, как подгибка кромки, фальцовка, обработка крупных кольцеобразных деталей (типа ободов) и т.д.
Для крупногабаритных штампов при манипулировании громоздкими деталями применяют двухстоечные прессы с передвижным столом и номинальными силами 0,1... 1,6 МН.
Необходимо отметить, что применение передвижного стола снижает общую жесткость пресса и точность взаимной фиксации частей штампа, поэтому такие прессы не используют для точных штамповочных работ. Такие же одностоечные прессы, но с неподвижным столом строят с силами от 0,01 (настольные) до 4 МН; имеются прессы силой до 16 МН. Прессы с двухстоечной станиной наклоняемые (рис. 3.3.2, а) силой 0,63... 1,6 МН из-за универсальности и удобств эксплуатации нашли наибольшее распространение. Основные параметры открытых прессов регламентируются ГОСТ 9408-89. Величина хода ползуна прессов находится в диапазоне 45...250 мм, частота ходов 120...25 в минуту.
Станины открытых прессов могут быть изготовлены литыми и сварными. Конструкцию станины выбирают исходя из техникоэкономических соображений. Поскольку прессы малых сил выпускают сравнительно крупными сериями, для них экономически целесообразными являются литые чугунные станины.
Прессы больших сил имеют стальную сварную станину. Одностоечные станины обладают более высокой жесткостью (на 30...40 %),
220
Глава 3.3 УНИВЕРСАЛЬНЫЕ КРИВОШИПНЫЕ ПРЕССЫ
чем двухстоечные, поэтому жесткость конструкции прессов на 15...20 % выше жесткости двухстоечных. Оптимальную жесткость (в МН/м) станин открытых прессов определяют по эмпирической формуле
С = 16^, (3.3.1)
где Рн - номинальная сила, кН.
Жесткость станины одностоечного пресса можно повысить приблизительно в 1,5 раза, установив стяжные болты, но последние затрудняют обслуживание пресса. Регулирование стола по высоте позволяет приблизительно в 2 раза увеличить минимальную закрытую высоту пресса.
На рис. 3.3.3 показана конструкция передвижного стола. Стол 2 крепят к стойке станины 3 с помощью болтов 4, находящихся в пазах стойки. Опорой стола служит установленный под ним регулировочный винт 7, который опирается на регулировочную гайку 5. Стол имеет боковые приливы, с помощью которых его можно, вращая вокруг оси 6, отводить в сторону. При этом в отверстие стойки, которое прикрывается столом, заводится рог.
В прессах больших сил стол опирается на два винта, регулируемые гайками, связанными
между собой зубчатой передачей. В прессах силой 100...200 кН стол не имеет опорного винта, при этом для крепления стола к стойке используют не только болты, но и клинья.
Станины одностоечных и двухстоечных ненаклоняемых прессов устанавливают непосредственно на фундамент.
Станины наклоняемых прессов монтируют на специальных стойках, служащих также базой механизма регулировки положения наклона станины.
Для прессов с малой номинальной силой механизм наклона представляет собой обычный винтовой домкрат. В крупных прессах силой более 1 МН используют гидроподъемный механизм (рис. 3.3.4). Корпус станины связан с двумя плунжерами 7 с помощью шарнира 2. Плунжер уплотнен в цилиндре 3, куда подается жидкость высокого давления (до 20 МПа). Нижние крышки 5 цилиндров также соединены шарнирами 6 со стойками. Гидропривод состоит из ручного насоса с баком. Масло сливается из цилиндра через дроссельную шайбу 4 и регулируемый дроссель. Дроссельная шайба 4 обеспечивает медленный слив при повреждении трубопроводов гидропривода. Станина фиксируется в заданном наклонном положении крепежными винтами.
Рис. 3.3.3. Конструкция передвижного стола пресса
УНИВЕРСАЛЬНЫЕ КРИВОШИПНЫЕ ПРЕССЫ
221
А-А
Рис. 33.4. Внецикловой механизм наклона стола с гидроподъемником
У открытых однокривошипных прессов ступенчатая регулировка хода осуществляется за счет промежуточного эксцентрика 7, насаживаемого на кривошипный вал 2 (рис. 3.3.5). Общий максимальный радиус кривошипа определяется суммированием наружного эксцентриситета втулки ен и эксцентриситета кривошипной шейки ев. Тогда максимальная длина хода
Ятах=2(е„+ев) = 2г1пах. (3.3.2)
Соответственно минимальная длина хода
Hrnin = “ ев) = 2^min • (3.3.3)
Промежуточная длина хода зависит от фиксируемого угла а поворота эксцентриковой втулки относительно оси кривошипа. Эксцентриковая втулка поворачивается и фиксируется в результате сцепления кулачковой полу-муфты, установленной на шпонке или шлицах на валу, с полумуфтой, выполненной как одно целое с эксцентриком. Наличие эксцентрика приводит к необходимости значительного увеличения рабочего диаметра отверстия шатуна, что сказывается на уменьшении КПД кривошипного механизма. Имеются конструкции с бесступенчатой регулировкой хода и регулированием от вспомогательного электродвигателя.
Рис. 333. Механизм регулировки длины хода ползуна
В ползуне пресса находятся чашечный предохранитель и поперечина жесткого выталкивателя (в ползунах прессов силой более 0,4 МН имеется еще и узел регулировки штамповой высоты). В быстроходных прессах муфту и тормоз устанавливают на коленчатом валу; такие прессы снабжены лишь одной ременной передачей в приводе. В тихоходных прессах, предназначенных для работы со штучными
222
Глава 3.3. УНИВЕРСАЛЬНЫЕ КРИВОШИПНЫЕ ПРЕССЫ
заготовками, в привод дополнительно включают зубчатую передачу, тогда муфту, как правило, устанавливают на промежуточном валу. При установке на быстроходных прессах пневматическую фрикционную муфту желательно четко сблокировать с работой тормоза, так как пневматическое управление при малой продолжительности цикла не может обеспечить достаточно четкую работу узлов муфты и тормоза в заданной последовательности. Управление этих прессов должно обеспечивать возможность эксплуатации при одиночных и последовательных ходах. На прессах с малыми номинальными силами используют также электромагнитные муфты и тормозы.
Закрытые прессы. Высокая жесткость двухстоечных станин позволяет выполнять закрытые листоштамповочные прессы с большим диапазоном сил 0,4...35 МН. Прессы характеризуются большими размерами штампового пространства. В связи с этим закрытые прессы по сравнению с открытыми обладают большими технологическими возможностями, а также, как правило, меньшим числом ходов и большей длиной хода. Обычно эти прессы строят в так называемом тихоходном и быстроходном вариантах. Основные параметры одно- и двухкривошипных прессов регламентированы соответственно ГОСТами 10026-87 и 7766-88. Номинальные силы одно- и двухкривошипных прессов 1...16 МН при длине хода 130...800 мм и числе ходов 6...40 в минуту. Номинальные силы четырехкривошипных прессов 3,15...31,5 МН при длине хода 250... 1000 мм и числе ходов 5... 18 в минуту.
Однокривошипные прессы предназначены для выполнения вырубных, вытяжных и других операций холодной штамповки, а также для обрезки облоя после горячей штамповки (при этом несколько увеличивается длина хода и берется верхний предел числа ходов, вариант III - см. ГОСТ 10026—87).
Сравнительно малое число ходов этих прессов в минуту обусловливает в системе привода наличие двух-трех зубчатых передач. Конструкция привода в известной мере определяет компоновку пресса, его габаритные размеры и другие эксплуатационные качества.
Современные прессы строят с валами привода, перпендикулярными к фронту пресса, что уменьшает длину валов, делает привод более компактным, хотя увеличивает высоту пресса за счет усложнения поперечины, где размещены все передачи. При параллельном
расположении валов зубчатые передачи привода удается установить за стойками, что хотя и увеличивает габаритные размеры пресса в плане, но способствует снижению высоты пресса. Стремление уменьшить габаритные размеры пресса привело к применению двусторонних и сдвоенных передач в последней и в промежуточной зубчатых парах. Поскольку при валах небольшой длины двусторонние передачи работают равномернее, чем при длинных валах, в современном прессостроении отдают предпочтение перпендикулярному размещению валов привода. Привод в поперечине пресса может быть герметизирован, тогда поперечина превращается в масляный картер, имеющий уплотнения в отверстиях для плунжеров, соединяющих ползун с шатуном. При этом обеспечивается долговечность привода, но увеличивается высота пресса из-за введения плунжеров и усложняется его конструкция в целом. Применяют и целиком отрытые приводы, а также герметизацию лишь быстроходных ступеней в пристыкованных кожухах.
Современные однокривошипные прессы имеют сварную станину, конструкция которой определяется указанными выше особенностями привода. В стойках станины размещают цилиндры уравновешивателей и предусматривают проемы, улучшающие условия обслуживания и размещения устройств автоматизации. Кривошипный механизм построен на базе одно-или двустороннего шестерне-эксцентрикового привода.
В ползуне находится устройство для регулирования штампового пространства с электроприводом и, как правило, предохранитель с устройством, сигнализирующим о его срабатывании. Наряду с механическим выталкивателем (специальной поперечиной) иногда применяют пневматические и гидравлические цилиндры для выталкивания.
Двух- и четырехкривошипные прессы выпускают в основном с перпендикулярным расположением валов привода. Кривошипноползунные механизмы этих прессов выполняют идентичными, причем имеются две конструкции: с вращением кривошипов в одну сторону (в тихоходных прессах) и в противоположные стороны. В последнем случае горизонтальные составляющие реакции от шатуна замыкаются на ползуне, благодаря чему разгружаются направляющие. В однокривошипных прессах кривошип выполняется в виде шестерни-эксцентрика. Узел регулирования
УНИВЕРСАЛЬНЫЕ КРИВОШИПНЫЕ ПРЕССЫ
223
должен исключать возможность возникновения перекосов при перемещении ползуна, поэтому передача на четыре или две точки подвеса происходит от одного привода. Валы, соединяющие передачи, имеют сцепные муфты для удобства сборки и ремонта. В ползуне этих прессов в основном устанавливают предохранительные гидропневматические устройства, при этом в них создается предварительное давление; срезающиеся предохранители обычной конструкции можно применять лишь воднокривошипных прессах. В столах прессов помещают батарею подушек, обеспечивающих силы прижима порядка 6.. .25 % номинальной.
Для наладки прессов используют микропровод, при этом приводной вал получает вращение от специального электродвигателя небольшой мощности через муфту и систему передач или через диск тормоза.
Наладка прессов во многом влияет на производительность, поэтому важно сокращать время наладки. С этой целью применяют выдвижные столы на двух- и четырехкривошипных прессах, а также автоматические зажимные устройства для штампов.
Важным является уменьшение габаритных размеров прессов, а также совершенствование точности движения ползуна [4], особенно таких мощных прессов, как двух- и четырехкривошипных. Одна из попыток решить первую задачу привела к созданию прессов с нижним приводом. При этом пространство под столом используют для размещения привода, а ползун связывают с кривошипом длинными тягами-шатунами, работающими на растяжение.
Сравнение габаритных размеров прессов показывает, что использование этого конструктивного решения позволяет уменьшить высоту пресса над полом, но не приводит к снижению его массы и общей высоты. Оснащение только такими прессами листоштамповочного цеха потребовало бы разделения его на два этажа, причем на первом этаже разместились бы ремонтные и складские службы. Это создает определенные удобства с точки зрения организации производства, так как разделяет производственные и вспомогательные службы цеха. Прессы с нижним приводом большого распространения не получили.
Решение второй задачи связано с тем, что закрытые двух- и четырехкривошипные прессы наиболее часто используются в цехах автозаводов для изготовления более или менее
сложных по форме деталей достаточно больших габаритов. При этом в материале могут возникнуть достаточно большие напряжения, которые приводят к появлению трещин, разрывов или неравномерной деформации. Такая нестабильность процесса при листовых заготовках высокого качества объясняется или недостатками в конструкции и пригонке рабочих частей штампа, или недостатками в работе пресса. Практика эксплуатации прессов привела к требованию ограничения скорости ползуна при листовой штамповке, во-первых, при встрече пуансона с листовой заготовкой и, во вторых, при проведении процесса деформирования. Обычно допускаемой скоростью при встрече считается 0,35 м/с, а при вытяжке до 0,45 м/с. Существенно сказывается на стабильности процесса деформирования возможность перекоса ползуна.
Ограничение скорости ползуна на заданном перемещении обеспечивается применением гибридного привода, т.е. добавлении вспомогательного гидропривода в систему основного привода, применением некруглых колес в зубчатой передаче или заменой четырехзвенного исполнительного механизма более сложным семи-, восьмизвенным (рис. 3.3.6).
Рис. 33.6. Схема двухкривошипного закрытого пресса с механизмом замедления скорости рабочего хода [3]
224
Глава 3.4. ВЫТЯЖНЫЕ ПРЕССЫ
Рис. 3.3.7. Схема фиксации и устранения перекоса ползуна кривошипного пресса [4]: 1 - фиксация перекоса; 2- регулировка перемещения;
3 - золотники; 4 - гидропривод
На рис. 3.3.7 показана схема двухкривошипного пресса, в которой устраняется перекос ползуна при внецентровой нагрузке за счет работы гидрополостей под опорами шатунов. При этом пресс должен иметь датчики, фиксирующие перекос, и золотники, связанные с гидроприводом. На рис. 3.3.8 показана схема механизма регулировки скорости ползуна, которая меняется благодаря повороту верхнего шарнира 1 шатуна 2, связанного через соединительное звено 3 с гадромотором 4.
Рис. 33.8. Схема регулирования скорости ползуна с помощью гидромотора [4]
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Власов В.И. и др. Кривошипные кузнечно-прессовые машины. М.: Машиностроение, 1982. 424 с.
2. Кузнечно-штамповочное оборудование / Под ред. А.Н. Банкетова и Е.Н. Ланского. М.: Машиностроение, 1982. 574 с.
3. Handbuch der Unformtechnik / Schuler. Berlin: Springer, 1996. 565 c.
4. Neugebaur R. u.a. Reduzierung von Kippung und Horizontalversatz in Presse-Werkzeug-Systemen I I Blech. 1997. N 9. P. 92-98.
Глава 3.4
ВЫТЯЖНЫЕ ПРЕССЫ
Для процессов вытяжки и формовки листового материала требуется получение достаточно большого рабочего хода ползуна для вытяжки, создание силы прижима заготовки, обеспечение выталкивания изделия. К таким прессам относятся трехкривошипные для глубокой вытяжки; для последних характерны специальная конструкция исполнительного механизма и большой ход ползуна [1].
Трехкривошипные прессы предназначены для осуществления первой операции вытяжки (свертки) колпачков в массовом производстве. В этих прессах имеются два ползуна, причем один перемещается внутри другого. Каждый ползун приводится в действие от кривошипа; при этом в наружном ползуне, имеющем точки подвеса на двух кривошипах, закреплен вырубной инструмент; внутренний ползун, на котором закреплен вытяжной пуансон, вытягивает колпачки. Такие прессы имеют сравнительно небольшие номинальные силы.
Более сложной является конструкция прессов двойного действия, где наружный ползун обеспечивает вырубку заготовки и надлежащий прижим фланца заготовки во время рабочего хода вытяжки, поэтому он должен иметь некоторый выстой в нижнем положении, который обычно соответствует углу поворота 70... 120 °C кривошипа внутреннего ползуна, т.е. приблизительно половине хода внутреннего ползуна. Очевидно, что бблыпий угол выстаивания излишен, так как невозможно обеспечить выталкивание изделия, высота которого превышает половину хода ползуна. Перемещение наружного ползуна задается специальным механизмом, рассчитанным на создание заданной
ВЫТЯЖНЫЕ ПРЕССЫ
225
номинальной силы и определяющим требуемую длительность и точность выстоя в конце хода.
Техническая характеристика прессов двойного действия предусматривает дополнительные параметры для наружного ползуна: номинальную силу, длину хода, наибольшее расстояние между столом и ползуном, величину регулировки штамповой высоты и размеры рабочей плоскости.
В соответствии с технологическим назначением прессов двойного действия некоторые параметры их технической характеристики существенно отличаются от аналогичных параметров универсальных прессов той же номинальной силы.
В частности, длина хода внутреннего ползуна этих прессов в 2 (и более) раза больше, чем у обычных прессов. Для уменьшения динамических напряжений, возникающих в деформируемом листе при встрече с пуансоном, в таких прессах стремятся ограничить скорость ползуна на участке рабочего хода. Считается, что максимальная скорость не должна превышать 0,40...0,45 м/с. Наиболее простой метод ограничения - уменьшение числа ходов в минуту. Поэтому, как правило, число ходов в минуту прессов двойного действия в 1,5-2 раза меньше числа ходов обычных прессов, что существенно снижает производительность прессов. Длина хода наружного ползуна обычно составляет ‘Л...% хода внутреннего ползуна. Для крайнего нижнего положения ползуна задается номинальная сила на внутреннем ползуне. При выборе силы пресса для вытяжки в технической характеристике задаются допустимой силой на внутреннем ползуне при недоходе до крайнего нижнего положения на величину (0,45... 0,47) Н, где Н - общая длина хода Обычно эта сила составляет 40 %
номинальной. В табл. 3.4.1 указаны основные параметры прессов двойного действия.
Все узлы прессов двойного действия, за исключением исполнительных механизмов наружного и внутреннего ползунов, существенно не отличаются от аналогичных узлов универсальных кривошипных прессов. Однако станина пресса, изготовляемая, как правило, сварной, имеет несколько большие габаритные размеры, чем станина прессов общего назначения (особенно по высоте).
В поперечине при обычном исполнении конструкции с верхним расположением кривошипов, устанавливают привод пресса, который может быть открытым, закрытым и комбинированным.
Если прессы двойного действия тихоходные, то в системе привода, предусматривают три (для прессов небольших и средних сил) и четыре ступени передачи (для прессов больших сил).
Первая ступень обычно имеет клиноременную передачу, последующие - зубчатые передачи. Характерной особенностью конструкции зубчатого привода однокривошипных прессов двойного действия является обязательное двустороннее исполнение последней зубчатой передачи (в данном случае третьей), а иногда и предпоследней. Двусторонние зубчатые передачи на последних ступенях применяют, как правило, в двух- и четырехкривошипных прессах. В случае закрытого привода, установленного в поперечине, подвергают герметизации не только зубчатые передачи, но и рычажную систему привода наружного ползуна. Это обстоятельство существенно усложняет конструкцию поперечины и увеличивает высоту пресса в целом, габаритные размеры его верхней части, а также металлоемкость пресса.
3.4.1. Параметры прессов двойного действия
Прессы Сила на ползуне, кН Число ходов Ход внутреннего ГОСТ
внутреннем наружном в минуту ползуна, мм
Однокривошипные: открытые 63... 1000 40...630 90... 28 80... 300 9408-89
закрытые 630... 8000 400... 5000 20...7 420... 1060 7639-88
Двухкривошиппые закрытые 1000...6300 1000... 10 000 14...6 420... 1060 8247-84
Четырехкривошипные закрытые 4000... 16 000 4000... 10 000 11...5 800... 1250 -
8-819
226
Глава 3.4. ВЫТЯЖНЫЕ ПРЕССЫ
В большинстве случаев предпочтительным считают комбинированный привод, где лишь быстроходные зубчатые передачи, размещаемые консольно, герметизируют в отдельной масляной ванне, прикрепленной к поперечине. Иногда для уменьшения высоты пресса вал, на котором вращается маховик с муфтой, устанавливают не наверху, а сбоку поперечины.
Своеобразна и типовая конструкция кривошипа в прессах двойного действия. Так как величина хода внутреннего ползуна достаточно большая, коленчатый вал в обычном исполнении получается слишком громоздким. В связи с этим в современных прессах используют кривошип, закрепленный на зубчатых колесах, при этом одно из двух зубчатых колес отливают вместе с мотылевой шейкой или два колеса собирают на осях и соединяют запрессовываемым в них пальцем - кривошипом.
Коэффициент длины шатуна составляет 0,2...0,3, а при закрытом размещении привода и кривошипного механизма его величина принимается до 0,45.
Чтобы обеспечить синхронную связь при работе наружного и внутреннего ползунов, последнюю пару зубчатых колес устанавливают на валу со шпонкой, а на консолях вала укрепляют ведущие кривошипы привода наружного ползуна. Последнее характерно только для однокривошипных прессов. В двух- и четырехкривошипных прессах, как правило, используют кривошипы, устанавливаемые между опорами привода. Определенные особенности имеет и конструкция направляющих внутреннего ползуна. Направляющие клинья размещают во внутренней полости наружного ползуна; регулировочные элементы (прижимная резьбовая втулка, отжимные болты и крепежные болты) - в доступном для обслуживания месте на наружном ползуне.
Привод наружного ползуна. При перемещении и выстаивании ползуна привод должен воспринимать все нагрузки, возникающие в связи с преодолением полезного сопротивления деформации, а также при прижиме фланца формуемой детали. Должна быть предусмотрена также возможность вырубки с номинальной силой и при недоходе ползуна, определяемом технической характеристикой. В последнее время требования автоматизации процесса штамповки выдвинули еще одно требование к циклу движения наружного ползуна - определенное время выстаивания в верхнем положении для срабатывания механизмов подачи и удаления отштампованного изделия.
Механизмы привода показаны на рис. 3.4.1. Кулачковый привод на рис. 3.4.1, а является наиболее простым, однако такой привод может быть применен лишь в прессах с небольшими силами, поскольку эта сила воспринимается в месте контакта кулачка с роликом. Наиболее целесообразен этот привод в открытых прессах двойного действия.
В однокривошипных закрытых прессах применяют восьмизвенный кривошипнорычажный механизм с ползушкой (рис. 3.4.1, б или 3.4.1, в). Так как ползун обычно подвешивают на четырех точках, два таких механизма устанавливают на передней и задней или на боковых сторонах станины пресса. Механизм на рис. 3.4.1, б может быть выполнен с кулачками для привода ползушки вместо привода ее от кривошипа.
Восьмизвенные кривошипно-рычажные механизмы на рис. 3.4.1, г, д применяют в двух- и четырехкривошипных прессах, а также при симметричном расположении механизмов для приведения в движение четырех точек подвеса ползуна. Иногда для увеличения угла выстоя применяют и десятизвенные механизмы аналогичного типа. Следует отметить, что в двух- и четырехкривошипных прессах в качестве ведущего элемента привода наружного ползуна часто используется один кривошип -исполнительного механизма, с которым связаны два шатуна. Один из шатунов соединен с механизмом привода наружного ползуна, а другой - с приводом внутреннего ползуна.
Рис. 3.4.1. Схемы механизмов привода наружного ползуна
ВЫТЯЖНЫЕ ПРЕССЫ
227
Применяют два метода обеспечения выстаивания наружного ползуна. Наиболее распространенный механизм привода состоит из звеньев, которые последовательно проходят через крайние положения, когда подвижность звена минимальна, иначе говоря, скорость близка к нулю. Например, на рис. 3.4.1, б пол-зушка привода еще не достигла крайнего положения, а звенья, связанные с наружным ползуном, уже обеспечивают его крайнее положение. Дальнейшее движение ползушки приводит к повороту тех же звеньев сначала к центру (колебания поворота менее 1°), затем поворот опять в спрямленное положение, а затем движение ползуна вверх.
В последнее время стали применять механизмы, в которых остановка наружного ползуна создается за счет подбора шатунной кривой, близкой к окружности; по этой траектории двигается шарнир звена во время остановки.
Все описываемые механизмы не обеспечивают идеальной неподвижности ползуна во время выстоя. Теоретически ползун колеблется во время выстоя, совершая два-три отхода от крайнего нижнего положения на величину 0,03...0,05 мм. В действительности ползун остается неподвижным, а изменяется упругая деформация звеньев, на которые опирается ползун во время выстоя. Изменение упругой деформации влечет за собой колебания силы прижима. Для уменьшения этих колебаний важно, чтобы звенья механизма имели достаточно высокую податливость при необходимой прочности.
На рис. 3.4.2 показаны совмещенные графики движения наружного и внутреннего ползунов одного из прессов двойного действия за цикл; там же показаны характерные положения ползунов при перемещении. Положение останова ползуна не совпадает с углом поворота кривошипа а = 180°, и соответствует а = 190°. При этом достигается наибольшая штамповая высота, что расширяет технологические возможности пресса. Легко проследить, что при а = 180° или при другой величине угла штамповая высота уменьшается за счет опускания одного из ползунов.
Однако это не значит, что положение II останова совпадает с верхним положением наружного ползуна; его верхнее положение I соответствует углу поворота кривошипа 220°. Разность углов, соответствующих крайним верхним положениям I и III обоих ползунов, называется углом опережения и составляет обычно 25...50°. Этот угол получается произвольно при синтезе работоспособного механизма, и поэтому каких-либо особых требований к его величине не предъявляют. Из рассмотрения графиков видно, что наружный ползун приходит в нижнее положение раньше внутреннего (положение IV). Часть хода внутреннего ползуна после начала выстоя может быть использована в качестве рабочего хода при вытяжке. Выстой начинается при угле поворота кривошипа 75...90°. После совершения рабочего хода наружный ползун продолжает
в I
Угол опережения
-38*
ММ съ
мм
soo 700
600 500 ЧОО-Ц 300-Ц^ гоо-^ юо
’ положе-te наружного пол -
Ж
Теоретический график — пути наружного —г ползуна на х участке^ыстоя
Ж К Г2Е)
400
300
200 100
120 160 \200 230 ос'
Угол поворота кривошипа привода внутреннего ползуна
I I вытяжка । । 13* Г 105* 1 Г
200 240 280 320
О 40 80
О
и
Один двойной ход пресса
Рис. 3.4.2. Совмещенные кривые перемещений наружного (/) и внутреннего (2) ползунов за цикл
8*
228
Глава 3.4. ВЫТЯЖНЫЕ ПРЕССЫ
некоторое время (при повороте кривошипа на угол 10...20°) оставаться неподвижным, что необходимо для отделения вытянутой детали от пуансона. Таким образом, общий угол выстоя наружного ползуна соответствует 100... 115° поворота кривошипа внутреннего ползуна. Во время выстоя наряду с положениями ползуна IV, VI, VIII наблюдаются положения V и VII наружного ползуна, когда он отходит от нижней точки. После этого оба ползуна возвращаются в исходное положение и останавливаются.
При конструировании механизма привода наружного ползуна вначале в зависимости от компоновки пресса выбирают тип и основные размеры механизма, обусловливающие положение неподвижных точек подвеса рычагов. Затем, задаваясь углом выстоя, допустимым теоретическим отходом ползуна от нижней точки (0,03...0,05 мм) и допустимыми углами передачи для звеньев механизма, выбирают размеры отдельных элементов.
По технологическим условиям необходимо создавать неравномерный прижим по периметру фланца вытягиваемой детали. В связи с этим ползун подвешивают на четырех точках, каждая из которых имеет свою индивидуальную регулировку с помощью резьбовой пары (рис. 3.4.3). Поскольку регулировка должна
быть достаточно точной, регулировочные гайки имеют нониусную шкалу и фиксирующие хомутики, предохраняющие гайки от поворота после наладки. Регулировку осуществляют вручную, а в средних и крупных прессах предусматривают индивидуальный электропривод для каждой точки, который может работать синхронно со всеми остальными точками подвеса и отдельно от них, что существенно облегчает наладку и сокращает время простоев. Крупные прессы снабжаются в точках подвеса гидроподушками, которые служат, с одной стороны, регуляторами силы в каждой точке, а с другой - предохранителями по силе.
При расчете пресса двойного действия необходимо учитывать, что его станина воспринимает суммарную силу, складывающуюся из номинальных сил по наружному и внутреннему ползунам. За расчетное положение механизма наружного ползуна принимается положение на расстоянии 12 мм от крайнего нижнего положения. Для указанного положения строят план сил, при этом исходят из допущения действия номинальной силы.
Повышение быстроходности прессов двойного действия. Малое число ходов в минуту прессов двойного действия является их существенным недостатком. Это снижает производи
Рис. 3.43. Конструкция подвески наружного и внутреннего ползунов пресса двойного действия
ВЫТЯЖНЫЕ ПРЕССЫ
229
тельность и затрудняет компоновку автоматических поточных линий, поскольку в линии необходимо на один пресс, вырубающий заготовки, ставить два вытяжных крупногабаритных пресса.
В связи с этим важной проблемой стало создание таких прессов двойного действия, которые при тех же значениях скорости в период рабочего хода обеспечивают примерно в 2 раза большее число ходов ползуна в минуту.
Очевидно, эта задача может быть решена уменьшением приблизительно в 3 раза затрат времени на перемещение на участке холостого хода (обратный ход и подход). Указанные затра
ты времени могут быть уменьшены с помощью ускорительных элементов, включаемых в зубчатый привод пресса, или специального исполнительного механизма, которому присущи характерное изменение скорости внутреннего ползуна.
Применение специальных типов привода с двумя муфтами, осуществляющими переключение соединения кривошипа с ускоренной ступени на обычную и обратно, не дало положительных результатов, так как на переключение муфт требуется довольно много времени, причем переключению сопутствуют большие потери энергии.
Рис. 3.4.4. Схемы механизмов внутреннего ползуна (с уменьшением скорости на участке рабочего хода)
Рис. 3.4.5. Схема двухкривошипного вытяжного пресса
Более успешным оказалось применение исполнительных механизмов с усложненной кинематической цепью.
На рис. 3.4.4. показаны некоторые схемы этих механизмов. Для всех них характерно то, что ход вниз совершается при угле поворота кривошипа 210...220°, а ход вверх - на оставшейся части цикла. Кроме того, определенная часть хода вниз совершается при пониженной скорости. Применение таких механизмов позволило решать задачу встраивания прессов двойного действия в автоматическую поточную линию. Увеличение числа ходов рационально в данном случае лишь при автоматизации подачи и удаления, при этом привод автоматических устройств от привода пресса дает возможность обеспечить производительность 14... 18 деталей в минуту и работать без выключения муфты последовательными ходами. Самостоятельный привод автоматических устройств требует выстоя ползунов в верхнем положении и, следовательно, выключения муфты, что снижает производительность. На рис. 3.4.5 показана схема пресса для вытяжки с восьмизвенным механизмом фирмы "Шулер" [3].
230
Глава 3.4. ВЫТЯЖНЫЕ ПРЕССЫ
Специальные вытяжные прессы. Для вытяжки гильз и других изделий большой высоты применяют прессы простого действия, у которых исполнительный механизм имеет довольно сложную кинематическую схему, определяющую рациональное изменение скорости ползуна. Во время рабочего хода скорость ползуна снижается и остается в этот период почти постоянной, при холостом ходе скорость ползуна повышается, причем на обратный ход затрачивается меньше половины времени цикла.
Схема одного из механизмов вытяжного пресса показана на рис. 3.4.6, а. Это кривошипно-шарнирный семизвенный механизм, имеющий два кривошипа, синхронность работы которых обеспечивается зубчатым зацеплением. Обычно величина хода ползуна здесь составляет 3,6/? (/? - радиус кривошипа). В области рабочих ходов скорость ползуна почти постоянна (рис. 3.4.6, б), затем она быстро падает до нуля, при этом обратный ход ползуна совершается приблизительно за % цикла. Прессы с описываемыми механизмами выпускаются с номинальной силой 100...500 кН при длине хода 200...500 мм и числе ходов 100...40 в минуту. Недостатки описываемых прессов заключаются в малой жесткости исполнительного механизма, больших его размерах по высоте, значительных потерях на трение. Это не дает возможности применять такой механизм в прессах с большой номинальной силой.
Более удачна схема двухкривошипного механизма вытяжного пресса или так называе-
Рис. 3.4.6. Схема семизвенного (кривошипно-шарнирного) механизма пресса для глубокой вытяжки:
а - схема; б - характер изменения скорости ползуна для пресса силой 500 кН (50 тс) при длине хода 350 мм и числе ходов 40 в минуту
мого механизма для выравнивания хода (рис. 3.4.7, а). В этом механизме кривошип коленчатого вала гк является ведомым звеном шарнирного четырехзвенника Rlrz и совершает полный оборот. Скорость его вращения, конечно, неравномерна, что обусловливает соответствующее изменение и скорости ползуна, с которым кривошип связан шатуном L. Конструкция такого механизма весьма компактна.
Скорость ползуна во время рабочего хода (рис. 3.4.7, б) изменяется более равномерно, чем в отписанном выше механизме. Прессы с таким исполнительным механизмом изготовляют с номинальной силой 1...5 МН (100...500 тс), длиной хода 300...800 мм и числом ходов 16...5 в минуту.
Рис. 3.4.7. Двухкривошипный механизм пресса для глубокой вытяжки:
а - кинематическая схема; б - характер изменения кривых перемещения (/) и скорости (2) за цикл
КРИВОШИПНЫЕ ЛИСТОВЫЕ НОЖНИЦЫ С НАКЛОННЫМ ножом
231
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Кузнечно-штамповочное оборудование/Под ред. А.Н. Банкетова и Е.Н. Ланского. М.: Машиностроение, 1982. 574 с.
2. Тынянов В.Н., Федоркевич В.Ф., Филькин И.Н. Эксплуатация кривошипных прессов двойного действия. М.: Машиностроение, 1968. 164 с.
3. Handbuch der Unformtechnik I Schuler. Berlin: Springer, 1996. 565 p.
Глава 3.5
КРИВОШИПНЫЕ ЛИСТОВЫЕ НОЖНИЦЫ С НАКЛОННЫМ НОЖОМ
Кривошипные листовые ножницы предназначены для прямолинейной резки листового материала и используются для разделения листов на полосы заданного размера, а также для изготовления так называемых карточек, служащих заготовками для последующей листовой штамповки. В настоящее время практически не используются ножницы с параллельными ножами, а в обычных листовых ножницах применяют нож с наклонной режущей кромкой (подобно гильотине), что обеспечивает некоторое снижение режущей силы. Диапазон применения ножниц довольно широк - в соответствии с ГОСТ 6282-88 ножницы выпускают для резки листов толщиной от 1,6 до 40 мм; при ширине от 1 до 4 м. Обычный угол наклона ножа не превышает 3°30', ббльший угол наклона существенно искажает форму отрезаемой полосы, подвергая ее пластическому изгибу. Ножницы для больших толщин листа предпочитают изготавливать с гидроприводом, но в вышеуказанном диапазоне технологических возможностей (толщина и ширина листа) кривошипные ножницы предпочтительнее благодаря прежде всего простоте конструкции и большой быстроходности (частота ходов в пределах 100... 15 в минуту).
Наряду с главным параметрами ножниц в их техническую характеристику входят: наибольшая ширина полос, отрезанных с упором или без упора (630... 1000 мм), расстояние от режущей кромки ножа до станины (вылет 200...500 мм), величина хода подвижного ножа, другие размерные параметры.
Технологические возможности ножниц характеризуются принятым в конструкции
способом резки, определяющим в первую очередь точность отрезки и качество поверхности среза [2]. На рис. 3.5.1, а показана схема расположения ножей при вертикальном движении верхнего ножа. При такой схеме поле рассеивания ширины отрезанной полосы довольно широкое, качество среза низкое (неперпендику-лярность скола, кривизна полосы). При резке по схеме рис. 3.5.1 верхний нож двигается по дуге, благодаря чему появляется косой срез, обеспечивающий подготовку кромок под сварку.
Требования к качеству здесь особо не регламентируются. При резке по схеме рис. 3.5.1, в нож движется под углом 1,5...2° к вертикали. При этом срез получается более чистым и перпендикулярен к плоскости листа, рассеивание размеров отрезаемых полос меньше [2].
Во всех конструкциях ножниц для ограничения возникающего при резке листа изгиба обязательно предусмотрен механизм прижима, прижимающий лист к плоскости стола ножниц до начала реза и фиксирующий лист вплоть до окончания отрезки. Ножницами можно производить не только отрезку полос, но и осуществлять продольную резку листа путем повторных резов и продвижения листа в пределах вылета станины ножниц вдоль стола.
Конструктивно ножницы представляют собой своеобразный двухкривошипный пресс открытого типа, оснащенный специфичными для отрезки деталями и устройствами (рис. 3.5.2). К таким деталям относится прежде всего аналог ползуна - ножевая балка, имеющая направляющие и несущая секционные сменные ножи. Так как при резании возникают не только сила резания, но и сила распора между ножами, ножевая балка должна быть достаточно жесткой как в вертикальном, так горизонтальном направлениях. Поэтому ножевая балка выпол-
Рис. 3.5.1. Расположение ножей при разных схемах резки ножницами
232
Глава 3.5. КРИВОШИПНЫЕ ЛИСТОВЫЕ НОЖНИЦЫ С НАКЛОННЫМ НОЖОМ
Рис. 3.5.2. Кривошипные листовые ножницы с гидроприжимом
йена в виде сочетания вертикальной и горизонтальной плит, связанных ребрами. На столе ножниц жестко устанавливается неподвижный нож с устройством для регулировки зазора между ножами. Для облегчения перемещения листа на столе имеются шаровые подпружиненные опоры.
Ножевая балка соединена шатунами с двухкривошипным валом. Сила веса ножевой балки воспринимается двумя наклонными уравновешителями [1].
Своеобразен конструктивно кривошипно-ползунный механизм ножниц. Большие размеры ножевой балки позволяют применять тянущие шатуны, что обеспечивает компактность исполнительного механизма и машины в целом. На рис. 3.5.3 [1] показаны схемы исполнительных кривошипно-ползунных механизмов. Только центральный механизм б имеет толкающий шатун. Механизм по схеме а отличается большой дезаксиальностью е и употребляется для уменьшения высоты и разгрузки станины ножниц. Кривошипно-ползунный механизм по схеме в применяют в большинстве ножниц со схемой резания при наклонном движении ножа (см. рис. 3.5.1, в). Благодаря малой дезаксиальности и применению криво
шипного тянущего шатуна механизм получается компактным, размещающимся за передним листом ножевой балки. При этом применяют эксцентриковую конструкцию вала. Конструкция ножевой балки допускает создание предварительной деформации, уменьшающей серповидность отрезаемой полосы [1].
Наряду с силами резания и распора в ножницах создается и сила прижима. Прижим может быть гидравлическим, обеспечиваемым гидроцилиндрами, размещенными перед ножевой балкой (рис. 3.5.2), и механическим -путем воздействия на прижимную балку силы от пружин или кулачков. Применение жесткой прижимной балки допустимо лишь в ножницах для толщины листа до 12 мм, поскольку не достигается равномерность силы прижима по всей ширине отрезаемого листа. Для работы гидравлического прижима в ножницах предусмотрен гидронасос, приводимый в действие от кулачка, закрепленного на коленчатом валу. Обычное давление порядка 15 МПа, число цилиндров 7... 11 [2].
Отметим также наличие в конструкции заднего упора, который служит для установки Ширины отрезаемой полосы. Упор может приводиться вручную или электродвигателем.
КРИВОШИПНЫЕ ЛИСТОВЫЕ НОЖНИЦЫ С НАКЛОННЫМ ножом
233
Рис. 3.53. Схемы кривошипно-ползунных механизмов для перемещения ножевой балки ножниц (а - рабочий угол)
Однако его установка на заданный размер осуществляется с рабочего листа. Привод перемещения упора должен допускать две скорости - для обеспечения перемещения и установки на заданный размер. До начала процесса разделения упор должен отводиться от торца листа, чтобы отрезаемая полоса не заклинивалась при резании.
Некоторые ножницы снабжаются оптическим устройством для подсвечивания линии реза.
Привод ножниц малой мощности, как правило, двухступенчатый, через ременную передачу и зубчатую пару. Однако в большинстве ножниц, имеющих сравнительно малое число ходов, предпочитают применять червячную пару, обеспечивающую компактность и надежность в работе. В системе привода предусмотрены муфта и тормоз для работы ножниц на одиночных ходах. Хотя основным параметром ножниц является толщина разрезаемого листа, необходимо определение соответствующей силы резки. Общепринятая формула для этого следующая [3]:
/2
Р =0,6£or55------х
₽ tg<p
авД2Л 16tg<p
авА2Л + 1055Г2 35 ,
здесь к - коэффициент затупления ножей, принимаемый в пределах 4... 1,5; ств - предел прочности материала, обычно 500 МПа; t -толщина разрезаемого материала, м; <р - угол наклона ножа, рад; б5 - относительное удлинение стандартного образца при растяжении; А - зазор между ножами, м; h - расстояние от режущей кромки до оси прижима, м.
Зазор А между ножами принимается в соответствии с толщиной t листа [2].
/, мм 2,5 4 6,3 10 16 20 25 32
А, мм 0,15 0,3 0,45 0,65 1,1 1,4 1,75 2,2
Сила прижима определяется по эмпирической формуле
Рпр =4,5-10’3(6. (3.5.2)
Здесь t - толщина и b - ширина листа, мм. Расстояние h от кромки неподвижного ножа до оси прижима выбирают по таблице:
(3.5.1)
Z, мм 2,5 4 6,3 10 12,5 16 20 25 32
h, мм 65 70 90
234
Глава 3.6. ОДНОПОЗИЦИОННЫЕ ЛИСТОШТАМПОВОЧНЫЕ ПРЕССЫ-АВТОМАТЫ
Следует учитывать довольно тяжелый динамический режим работы ножниц - удары при врезании и сколе листа. Поэтому не следует на ножницах допускать перегрузки, чрезмерное затупление ножей, увеличение зазоров выше допускаемых.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Леонов И.С., Фуга Г.П., Крылов ГЛ., Песоцкий В.Г. Ножницы для резки листового и сортового проката. М.: Машиностроение, 1972. 376 с.
2 Кузнечно-штамповочное оборудование / А.Н. Банкетов, Ю.А. Бочаров и др. М.: Машиностроение, 1982. 376 с.
3. Посаль В.В. Резание металлов на двухдисковых ножницах. М.: Машгиз, 1950.
Глава 3.6
ОДНОПОЗИЦИОННЫЕ ЛИСТОШТАМПОВОЧНЫЕ
ПРЕССЫ-АВТОМАТЫ
Универсальные прессы-автоматы. Для массового производства сравнительно простых по форме деталей, а также в некоторых других случаях применяются однопозиционные листоштамповочные автоматы.
Современные прессы-автоматы (ПА) отличаются: высокой и регулируемой быстроходностью, наличием автоматической подачи ленты или штучных заготовок, жесткой, конструкцией направляющих ползуна, существенным ограничением динамических сил, возникающих при работе, широким по размерам ползуном, регулированием диаметров, достаточно быстрой и простой наладкой. Это обеспечивает надлежащую надежность машины, а также высокую стойкость штампов. Ранее выпускались ПА с нижним приводом, обладающие повышенной быстроходностью. В настоящее время ни одна из известных западных фирм не предлагает такие ПА. Это объясняется неудобством их наладки, а также трудностью уравновешивания кулисного механизма реечного привода валковых подач.
Современные листоштамповочные ПА в большинстве случаев двухкривошипные, имеют, как правило, закрытую чугунную станину (рис. 3.6.1), что способствует уменьшению перекосов и гарантирует более высокую стой
кость штампов. Подача ленты из бунта осуществляется с левой стороны ПА параллельно фронту; наиболее производительны валковые подачи, и они чаще применяются, причем скорость подачи ленты в некоторые ПА достигает 100 м/мин. На рис. 3.6.2 показана схема конструкции однокривошипного ПА. Для уменьшения зазора в силовой системе в конструкции предусмотрены двухрядные подшипники качения [1]. Заснет введения дополнительных масс в исполнительном механизме полностью уравновешены кривошипы коленчатого вала с частью шатуна, а также ползун. Для бесступенчатого регулирования частоты ходов используется электродвигатель постоянного тока или переменного тока с тиристорным преобразователем частоты тока либо частотно-регулируемый электродвигатель с преобразованием частоты. Для демпфирования вредного влияния вибраций, возбуждаемых при рабочем ходе ползуна, станина выполняется довольно жесткой из сфероидального чугуна, что обеспечивает бблыпую демпфирующую способность; ползун выполняется возможно более легким, чтобы повысить его собственную частоту за пределы, близкие к частоте вибраций, возбуждаемых во время деформирования заготовки. Шатун выполняется достаточно прочным и жестким; в большинстве конструкций применяют (см. рис. 3.6.1) два шатуна. Это объясняется тем, что, по экспериментальным данным, при большой частоте ходов динамические силы на шатуне при рабочем ходе могут в 2,5 - 4 раза превышать технологическую силу, а при разгрузке в 2 раза [2]. Известно, что при возбуждении колебаний в вертикальной плоскости возникают колебания и в горизонтальной плоскости, что может привести к снижению стойкости штампов или повреждению режущих кромок рабочих деталей штампа. Поскольку зазор в рабочих деталях может составлять микроны, необходимо повышать и жесткость ползуна в горизонтальном направлении. Для этого на ползуне смонтированы цилиндрические закаленные скалки, которые с натягом входят в отверстие цилиндрических шариковых втулок, закрепленных на станине (см. рис. 3.6.1).
Обычно конструкции ПА устанавливают на виброопоры. В ряде конструкций предусматривается тонкая регулировка положения ползуна по высоте в крайнем нижнем положении [3].
За исключением случаев обработки штучных деталей (например, колец) применяются валковые подачи материала. Для обеспечения синхронизации привод валков отбирает-
ОДНОПОЗИЦИОННЫЕ ЛИСТОШТАМПОВОЧНЫЕ ПРЕССЫ-АВТОМАТЫ
235
Рис. 3.6.1. Двухкривошипный пресс-автомат
Рис. 3.6.2. Однокривошипный однопозиционный пресс-автомат с валковой подачей
ся от коленчатого вала, хотя применяют и индивидуальный привод подачи. Обычно скорость подачи составляет 60...80 м/мин, регулирование шага дистанционное, диапазон регулирования шага 1:10. Точность шага подачи составляет обычно ±(0,02...0,04 мм) и мало зависит от частоты ходов.
Удаление отштампованных деталей осуществляется в ориентированном порядке "на провал" в специальный канал либо вместе с отходом, который захватывается магнитными вращающимися валками. Возможно также применение ножниц для измельчения отходов.
Сокращение времени наладки осуществляется с помощью выкатных столов, зажимных приспособлений, откидываемых направляющих линеек. Современные ПА имеют компьютерное программное управление; в память компьютера записываются также параметры наладки.
Хотя в большинстве конструкций ПА имеется хорошо приспособленный защитный кожух, все же часто рекомендуется для защиты от шума размещать ПА в шумопоглащающих кабинах.
236
Глава 3.6. ОДНОПОЗИЦИОННЫЕ ЛИСТОШТАМПОВОЧНЫЕ ПРЕССЫ-АВТОМАТЫ
3.6.1. Параметры однопознцнонных лнстоштамповочных прессов-автоматов
Номинальная сила, кН Число ходов, в мин (max) Регулируемая величина хода, мм Размеры штампового пространства, мм, (высотах ширина) Масса, кг
1600 800 19...75 385x1790 28 600
1250 850 16...75 386,5x1790 28 300
800 1000 16...63 340x1430 17 700
600 700 20...76 293x920 7900
500 1120 16...51 294x1080 8750
300 1400 13...47 239x740 5000
200 1800 8...51 261x510 2900
Штампы для вырубки Комплекты отдельных пазов штампов
Годовая программа выпуска на один тип
детали
Рис. 3.63. Области рационального применения технологических процессов штамповки статорных и роторных пластин
Параметры некоторых ПА приведены в табл. 3.6.1.
Отечественная промышленность также выпускает комплексы, предназначенные для штамповки из ленты. При этом используются обычные модели прессов, и их оснащают валками или клещевыми подачами, ножницами для измельчения отходов и правильно-разма-тывающими устройствами. Естественно, что производительность и точность работы таких комплексов уступает специализированным ПА.
Специализированные прессы-автоматы для изготовления статорных н роторных листов электрооборудования. Обилие электротехнического оборудования, применяемого в самых разнообразных отраслях промышленности, вызывало необходимость массового производства пластин статоров и роторов электротехнических машин. Эти пластины, необходимые
для уменьшения потерь от вихревых токов, изготавливают из листов кремнистой стали, обычная их толщина 0,5... 1 мм. Диаметр пластин находится в диапазоне от 100 до 2000 мм. При этом малые пластины могут изготавливаться на быстроходных однопозиционных автоматах с применением совмещенных или последовательных штампов. Однако такой метод изготовления экономически рационален лишь при сравнительно большой серии выпуска и диаметре пластин не более 600 мм. При бблыием диаметре пластин и малой серии предпочтительно применять штампы для последовательной пробивки пазов. При наружном размере (диаметре) пластины более 1300 мм применяют штамповку отдельных сегментов кольца. На рис. 3.6.3 по данным фирмы Schuler приведены экономически рациональные области применения того или иного метода изготовления.
ОДНОПОЗИЦИОННЫЕ ЛИСТОШТАМПОВОЧНЫЕ ПРЕССЫ-АВТОМАТЫ
237
3.6.2. Основные параметры ПА для штамповки статорных н роторных пластин
Номинальная сила, кН 800 1250 1600 2000 2500 3150 4000
Расстояние между стойками, мм 900 1400 1600 1800 2000 2200 2500
Размеры стола, мм 900x630 1400x850 1600x960 1800x1000 2000x1100 2200x1200 2500x1200
Закрытая высота, мм 325 400 400 425 425 450 475
Регулировка ползуна, мм 80 100 100 100 100 100 125
Ход ползуна, мм 25 25 30 30 30 35 35
Число ходов в минуту, регулируемое бесступенчатое 80... 900 80... 750 80...630 । 80...550 80...500 80...450 80...400
ПА для работы с последовательными и совмещенными штампами, по данным той же фирмы, имеют параметры согласно табл. 3.6.2.
Для изготовления пластин малыми сериями или большого диаметра применяют прессы с делительной колонкой, как это показано на рис. 3.6.4. При этом пресс и колонка размещаются на общей плите, но имеется возможность менять расстояние между колонкой
Станина
Рис. 3.6.4. Схема пресса с делительной колонкой для вырезки пазов в пластинах большого диаметра
и осью ползуна, отодвигая пресс. В конструкции делительной колонки применяют механизмы задания угла поворота подбором сменных зубчатых колес, от сервомотора, с помощью программного управления. Прессы имеют номинальную силу от 25 до 200 кН, предназначены для диаметра пластины от 400 до 1360 мм, частота ходов от 320 до 1600 в минуту. Наиболее эффективно изготовление пазов в сегментах, диаметр окружности которых может достигать 2500 мм.
Прессы-автоматы с координатным столом. Стремление создать достаточно гибкое оборудование для обработки листовых панелей большого размера потребовало создания ПА с координатным столом. Такие прессы предназначены для последовательной пробивки разнообразных по форме и размерам отверстий в обрабатываемом месте, а также для обработки листа в целях получения сложного наружного контура, очерченного по прямой или заданной кривой. Все эти операции выполняются сменными штампами или путем высечки с последующей зачисткой кромок контура фрезерованием. Координатный стол, перемещающийся вместе с листом по заданной программе, обеспечивает достаточную точность обработки координат при высокой скорости перемещения стола.
238
Глава 3.6. ОДНОПОЗИЦИОННЫЕ ЛИСТОШТАМПОВОЧНЫЕ ПРЕССЫ-АВТОМАТЫ
В конструкциях Чимкентского ПО по выпуску кузнечно-прессового оборудования смена пуансонов обеспечивалась с помощью револьверной головки, где размещались соответствующие штампы, подводимые к рабочей позиции по команде от ЧПУ.
В соответствии с этим ГОСТ 24225-87 "Центры обрабатывающие координатно-револьверные с ЧПУ" (параметры и размеры) выпускались ПА с номинальной силой 100...630 кН, числом непрерывных ходов 400...350 в минуту (одиночных - вдвое ниже), с числом позиций инструмента от 20 до 28 и скоростью перемещения стола от 80 до 40 м/мин. При этом габариты листа толщиной от 2 до 8 мм не превышали 1600 мм (в последующем были созданы столы с перехватом заготовки).
Однако конструкция револьверной головки не обеспечивала надлежащей стойкости штампов, скорость высечки не превышала 0,5...! м/мин, что обусловило сравнительно низкую производительность. К тому же появились новые, более совершенные методы резки -резка плазмой, лазерным лучом, струей жидкости под высоким давлением (300...400 МПа), что предопределило поиск путей создания нового оборудования на базе таких методов.
В настоящее время признано, что для стальных листов толщиной до 20... 12 мм, алюминиевых - до 20 мм лазерная резка экономически предпочтительнее резки струей воды. При толщине 1 мм скорость резки лазером составляет 20...25 м/мин, алюминия - до
30 м/мин. Лазерный луч является идеально "гибким" инструментом хотя КПД лазерной резки не превышает 3...6 %. Лазер-прессы представляют собой современное оборудование, которое пока не получило распространения в массовом и крупносерийном производствах. Поскольку высечкой инструмент в этом случае является достаточно простым и универсальным, ПА такого типа продолжают выпускать и совершенствовать, обеспечивая высокую скорость высечки.
Фирма Trumpf, создающая и выпускающая лазеры-прессы в широком диапазоне сил в 2000 году вернулась к выпуску механических ПА с координатным столом (модели 5000 R). В новой модели облегчен подвижной стол, магазин сменных штампов выполнен с прямолинейным подвижным, значительно увеличены скорости перемещения. В табл. 3.6.3 представлена техническая характеристика ПА моделей 5000 R.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Handbuch der Unformtechnik / Schuler. Berlin: Springer, 1996. 560 p.
2. Schmoeckel D. u.a. Arbeisgenauigkeit schnellaufender Pressen // Blech. 1998. N 7/8. P. 36.
3. Fiir die Zukunft geriistet // Blech. 1999. N 9. P. 42.
4. Beim Stanzen ist Gesehwindigkeit nicht alles // Blech. 2000. N 1/2. P. 36.
5. Stanzen statt Lasem? // Blech. 2000. N 12. P. 28.
3.6.3. Технические параметры ПА 5000 R
Размеры обрабатываемого листа, м 2,5x1,25 3x1,65
Максимальная толщина листа, мм 8 8
Максимальная сила, кН 220 220
Сила прижима (изменяется по программе), МН 4,5...20 4,5...20
Максимальная масса обрабатываемого листа, кг 200 230
Скорость, м/мин, по оси:
X 100 100
Y 60 60
С(поворот) 330 330
Частота ходов в минуту при резке 1200 1000
Частота ходов в минуту при маркировке 2800 2800
Число позиций инструмента в магазине 18...180 21...210
Точность позиционирования, мм ±0,1 ±0,1
МНОГОПОЗИЦИОННЫЕ ЛИСТОШТАМПОВОЧНЫЕ ПРЕССЫ-АВТОМАТЫ
239
Глава 3.7
МНОГОПОЗИЦИОННЫЕ ЛИСТОШТАМПОВОЧНЫЕ
ПРЕССЫ-АВТОМАТЫ
Для деталей, получаемых многократной вытяжкой, а также крупных деталей кузова современных автомобилей используют многопозиционные прессы, в которых вся совокупность необходимых инструментов размещается на длинных столе и ползуне, причем последовательность расположения инструмента определяется последовательностью операций рационального технологического процесса, для облегчения процесса автоматизации позиции (их число доходит до 13) располагаются с заданным постоянным шагом.
На каждой позиции предусмотрена автономная регулировка штамповой высоты, а также выталкиватели в столе и ползуне. Передача полуфабриката с позиции на позицию осуществляется грейферной подачей, выполняющей захват полуфабриката, его перемещение на шаг в инструмент следующей операции, затем до начала рабочего хода раздвижение захватов и возврат их в прежнее положение.
На рис. 3.7.1, а показана кинематическая схема многопозиционного пресса-автомата. На схеме видно, что исполнительный механизм аналогичен механизму двухкривошипного пресса, но на коленчатом валу размещены два кулачка, которые обеспечивают синхронизацию перемещений грейферных линеек с захватами как вдоль стола пресса, так и в поперечном направлениях. Такая синхронизация определяет необходимость выбора хода ползуна (при увеличении радиуса кривошипа) не из технологических соображений, а из необходимости освобождения штампового пространства для беспрепятственного перемещения грейферных линеек с полуфабрикатом. Из рассмотрения цикловой диаграммы автомата (рис. 3.7.1, 6) видно, что рабочий ход может начаться только при углах поворота кривошипа 60...70° (от положения, соответствующего крайнему нижнему положению ползуна). Фактическая величина рабочего хода составляет 35...45 % от общего хода, частота ходов обязательно регулируемая [1]. Автоматы, как следует из рисунка, снабжаются и валковой подачей для перемещения ленты на первой позиции. Коленчатый вал автомата может быть конструктивно расположен параллельно фронту, что рацио
нально для автоматов малой силы. В некоторых конструкциях при общем приводе коленчатые валы размещаются и перпендикулярно фронту. В последнем случае ось шатуна совмещается с осью стойки. Встречаются и раздельные валы, параллельные фронту и также размещаемые в стойках автомата. Достоинства и недостатки тех или иных конструкций освещены в [1].
Классификация и технические параметры. Многопозиционные автоматы - прогрессивное оборудование, поэтому их конструкция постоянно совершенствуется и повышается единичная мощность. В настоящее время наибольшая номинальная сила реально эксплуатируемых машин составляет 95 000 кН, однако это не предел. Поэтому рационально классифицировать автоматы по уровню номинальной силы на малые в диапазоне сил от 160 до 1000 кН, средние - в диапазоне сил свыше 1000 до 10 000 кН, крупные и суперкрупные -силой свыше 10 000 кН. В диапазоне малых значений силы автоматы имеют большое число позиций (10... 13), ползун представляет собой простую коробчатую конструкцию и операция вырубки совершается на первой позиции ползуна. Для автоматов средней группы позиция вырубки располагается на консоли ползуна, выходящего за предел стоек станины или предусматривается дополнительный вырубной ползун, приводимый от консоли коленчатого вала и располагаемый на наружной стороне левой стойки станины. Крупные и суперкрупные автоматы характерны наличием двух или трех секций ползунов, каждый из которых опирается на несколько кривошипных механизмов, имеющих единый (как правило) привод. Естественно, что в этом случае станина автомата должна иметь три или четыре стойки, при этом вырубной ползун не будет размещаться на консоли.
Создание этой группы прессов-автоматов началось главным образом по запросам автомобильной промышленности для изготовления крупных деталей кузова. Суперкрупные прессы, как правило, имеют ползун на каждой позиции, опирающийся на четыре шатуна. Число стоек соответствует числу позиций.
В табл. 3.7.1 представлены основные характеристики автоматов отечественного производства [1] двух первых групп. Возможны изменения некоторых параметров отдельных моделей. Основные параметры регламентированы ГОСТ 8260-88. При принятом числе позиций скорость перемещения линеек грейфера не превышает 1,2 м/с при ускорении до 4 м/с2.
240
Глава 3.7. МНОГОПОЗИЦИОННЫЕ ЛИСТОШТАМПОВОЧНЫЕ ПРЕССЫ-АВТОМАТЫ
Ползун
Валковая подача
ния грейфера P//7J'
103^(5^
а'
Механизм раскрытия грейфера
Механизм продольК^Ход^Ь Выдержка ного перемете- {вперед^ впереди
Рис. 3.7.1. Кинематическая схема типового многопозиционного листоштамповочного пресса-автомата: а - схема; б - цикловая диаграмма
Углы поборота коленчатого вала
360'
3.7.1. Техническая характеристика автоматов отечественных моделей (ГОСТ 8260—88)
Параметр АБ6122 АБ6124 АБ 6126В АБ6128 АБ6130 АБ6132 АБ6134 АБ6136 АБ6138 АБ6140
Номинальная сила, кН 160 250 400 630 1000 1600 2500 4000 6300 10 000
Наибольшая сила на каждой позиции, кН 50 75 120 200 300 500 750 1200 2000 3000
Ход, мм 100 125 160 200 250 280 320 360 400 450
Наибольшее расстояние между столом и штамподер-жателем в нижнем положении ползуна, мм 320 40 400 500 500 670 670 800 800 1000
Регулировка расстояния между столом и штампо-держателем, мм 30 40 40 50 50 60 60 80 80 100
Расстояние между осями штамподержателей, мм 80 100 130 170 210 250 300 400 500 500
Номинальная сила вырубного ползуна, кН - - - - 400 700 1000 - -
Ход вырубного ползуна, мм - - - - - 60 60 60 - -
Регулировка расстояния между столом и вырубным ползуном, мм — — — — — 30 30 30 — —
Число ходов ползуна в минуту (непрерывное, регулируемое) 60... 140 50... 130 50...110 30...90 25...75 25...48 20...42 18...36 15...30 12...25
Число рабочих позиций, включая вырубную 8 10 10 10 8 8 8 8 9 9
МНОГОПОЗИЦИОННЫЕ ЛИСТОШТАМПОВОЧНЫЕ ПРЕССЫ-АВТОМАТЫ
Продолжение табл. 3.7.1
Параметр АБ6122 АБ6124 АБ 6126В АБ6128 АБ6130 АБ6132 АБ6134 АБ6136 АБ6138 АБ6140
Расстояние от стола до нижней плоскости 160 220 220, 320, 320, 400,250, 400, 500,
грейферных линеек, мм 150 180 240 350 300 400
Расстояние между грейферными линейками в
сомкнутом положении, мм 100 150 220 250 340 450 500 600 — -
Общее раздвижение грейферных линеек, мм 60 80 80 100 120 200 220 240 - -
Толщина подштамповой плиты, мм 40 50 50 90 90 100 125 140 - -
Наибольшая высота штампуемой детали, мм 35 40 60 80 100 100 110 120 - -
Наибольшая ширина ленты, мм 115 150 170 210 300 400 500 630 - -
Наибольший размер заготовки, мм:
при однорядной вырубке:
прямоугольная заготовка круглая заготовка — — 120x190 160x210 200x300 — — — — —
диаметром при двухрядной вырубке: 70 90 120 160 200 235 265 330 — —
круглая заготовка 60 75 90 100 160 235 265 330 — —
Число выталкивателей в ползуне 7 9 9 9 7 7 7 7 8 8
242 Глава 3.7. МНОГОПОЗИЦИОННЫЕ ЛИСТОШТАМПОВОЧНЫЕ ПРЕССЫ-АВТОМАТЫ
Параметр АБ6122 АБ6124 АБ 6126В
Наибольшая сила выталкивателей, кН 200 400 580
Число пневмоподушек в столе 7 9 9
Сила пневмоподушек, кН: на 2-й и 3-й позициях на 4... 7 позициях 4,8 7,5 6,5
Электродвигатель главного привода: мощность, кВт частота вращения, мин-1 4,5 1500 6,0 1500 11,0 1500
Габаритные размеры автомата, мм 1660х х2780х х2695 2250х х1730х х2995 2770х х5500х хЗбОО
Масса автомата с правильным и разматывающим устройствами, кг 4845 7165 15 850
Окончание табл 3. 7.1
АБ 6128 АБ6130 АБ6132 АБ6134 АБ6136 АБ6138 АБ6140
1000 1500 1200 1900 3000 - -
9 7 7 7 7 8 8
20 30 53 78 153
— — 36 52 100 — —
21,5 25 45 55 75
1500 1500 1500 1500 1500 — —
5600х 5750х 5030х 5700х 6600х 7500х 7700х
хЗЗООх х3650х хЗОООх х3400х х4550х х4660х х4720х
х4800 х4800 х5300 х5610 х6130 х7370 х7920
26 900 34 200 77 400 87 000 116 000 200 000 250 000
МНОГОПОЗИЦИОННЫЕ ЛИСТОШТАМПОВОЧНЫЕ ПРЕССЫ-АВТОМАТЫ 243
244
Глава 3.7. МНОГОПОЗИЦИОННЫЕ ЛИСТОШТАМПОВОЧНЫЕ ПРЕССЫ-АВТОМАТЫ
На рис 3.7.2 изображена схема современной конструкции многопозиционного листоштампового автомата фирмы "Шулер” (Германия). Конструкция отличается размещением коленчатого вала в подшипниках качения, шариковыми направляющими ползуна, сблокированными жестко муфтой и тормозом [2]. В конструкции предусмотрено уравновешивание ползуна и эксцентричных шеек коленчатого вала и массы шатунов, установка автомата на виброопорах для гашения возможных колебаний. Вырубной ползун размещен в пределах двухстоечной станины, а кривошип вала -между опорами.
Обычно операцию вырубки предпочитают осуществлять несколько раньше нагружения позиций основного ползуна, поэтому кривошип вырубного ползуна должен быть развернут относительно двух других кривошипов. Это способствует снижению износа штампов.
Отметим также, что грейфер перемещает детали в фиксированной плоскости, поэтому высота горизонтальной поверхности полуфабриката должна быть небольшой.
Конструкции крупных и суперкрупных автоматов. Такие автоматы большой номинальной силы появились в качестве конкурентной альтернативы эксплуатируемых на автозаводах прессовых автоматизированных линий.
По данным фирмы "Шулер” (Германия), листоштамповочное производство крупных автомобильных деталей (рис. 3.7.3) должно состоять из одной прессовой линии, нескольких прессов-автоматов, прессов для подгонки и испытания штампов и ряда вспомогательных устройств. Такой вариант предусмотрен для ряда автомобильных фирм. Крупные автоматы имеют как правило два-три ползуна, на которых устанавливается инструмент для шести-восьми операций. Грейферный механизм обеспечивает как
МНОГОПОЗИЦИОННЫЕ ЛИСТОШТАМПОВОЧНЫЕ ПРЕССЫ-АВТОМАТЫ
245
Рис. 3.73. Вариант участка листоштамповочного производства автозавода [2]:
I - многопозиционный автомат для мелких и средних деталей; 2 - моделирование передачи детали; 3 - склад готовых деталей; 4 - склад штампов; 5 - центр пригонки штампов; 6 - прессовая линия; 7 - многопозиционный автомат с грейфером для крупных деталей; 8 - многопозиционный автомат с передачей деталей траверсами с присосками; 9- бунты; 10- установка резки пластин; 11 - приспособление для поворота пакетов
перемещение в одной плоскости, так и подъем фейферных линеек, если это необходимо по технологическим причинам. Привод движения грейфера осуществляется также от кулачков, связанных с коленчатым валом. Созданы такие фейферные системы с независимым электроприводом, где задача синхронизации решается путем электронной связи. При этом можно рейдировать (при наладке) расстояние между позициями и уменьшить ход ползунов. Однако широкого распространения такие системы пока не получили. Основным отличием группы крупных автоматов являются значительные размеры ширины стола - до 3 м, а также величина шага между позициями - до 2 м. По данным [3], применение таких автоматов взамен прессовых линий дает возможность уменьшить производственную площадь на 50...70 %, установленную мощность на 40...50 %, капиталовложения на 20... 40 %.
В крупных и суперкрупных автоматах наряду с механическими грейферными системами применяют и систему пневмоприсосами. Эта система особенно пригодна для крупногабаритных весьма нежестких деталей, где захваты обычного типа неприемлемы. Примене
ние пневмоприсосов эффективно при сдвоенной штамповке, когда полуфабрикат оказывается симметричным с центром тяжести по середине. При этом необходимо увеличивать расстояние между позициями для размещения переносящих поперечин, находящихся в штамповом пространстве. При этом достаточно только продольного движения линеек и подъема поперечины с полуфабрикатом. Для уменьшения инерционных сил поперечины изготавливают из композиционного материала.
Изготовление суперкрупных автоматов (шаг позиций от 2 до 2,6 м) пока обеспечивают только две фирмы: "Шулер" и "Мюллер Вейнгартен" (Германия). Фирма "Шулер" передала в эксплуатацию заводу в Вольфебурге суперкрупный автомат с номинальной силой 59 000 кН на число позиций 6, с шагом позиций 2,3 м, размерами штамповой площади 45 х 2,2 м и грейферной системой с пневмоприсосами. Фирма "Мюллер Вейнгаартен" передала осенью 1999 г. автозаводам пресс-автомат номинальной силой 95 000 кН - самый крупный из известных автоматов. На каждой позиции автомата работает отдельный ползун с четырехкривошипным механизмом, всего предусмотрено 6 позиций.
246
Глава 3.8. КРИВОШИПНЫЕ ГОРЯЧЕШТАМПОВОЧНЫЕ ПРЕССЫ
Грейферная система механическая с пневмоприсосами, на первой позиции допускаемая сила составляет 23 000 кН, на второй и четвертой - по 18 000 кН, на остальных - по 12 000 кН. На второй позиции предусмотрена гидроподушка для вытяжки с программным управлением. Шаг позиций составляет 2,4 м, ход для всех ползунов одинаков - 1400 мм, число ходов регулируемое - от 6... 13 в минуту при подаче отдельных заготовок размерами 4,5 х 2.
Суперкрупные автоматы такого типа требуют больших капитальных затрат.
В работе [3] подробно проанализированы как экономические, так и технические аспекты применения многопозиционных листоштамповочных автоматов. Отмечено значительно меньшее количество случайных простоев этих автоматов по сравнению с автоматизированными прессовыми линиями при равных технологических возможностях.
В работе [4] рассмотрено влияние разных причин на случайные и длительные простои, выяснено, что даже при работе в 3 смены в течение 5 дней в неделю и одну смену в субботу можно рассчитывать при нормальном состоянии машины и инструмента на общий коэффициент использования в зависимости от принятого числа ходов от 0,2 до 0,77. Поэтому при разработке конструкций важно обеспечить надежность машины, что осуществляется на всех позициях за счет: повышения жесткости пресса примерно вдвое в сравнении с обычными прессами; наличия гадропредохранения по силе; двухстороннего размещения столов для смены штампа; автоматического закрепления штампов; контроля технологической силы; программного управления с возможностью перепрограммирования; введения шумозащитных кабин.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Орлов П.Г. Листоштамповочные многопозиционные автоматы. Алма-Ата: Казахстан, 1976. 143 с.
2. Handbuch der Unfbrmtechnik // Schuler. Berlin: Springer, 1996. 560 p.
3. Bogon P. GrundsStsliche Eigenschaften MehrstOpel-Transferpressen I I Blech. 1998. N 5. P. 47.
4. Bogon P. Steigerung der Produktivitat Mehrstdpel-Transferpressen I I Blech. 1998. N 9. P.84.
5. Modularer Transfer ftir Crossbar-Transferpressen П Blech. 2001. N 1. P. 24.
Глава 3.8
КРИВОШИПНЫЕ ГОРЯЧЕШТАМПОВОЧНЫЕ ПРЕССЫ
3.8.1. КЛАССИФИКАЦИЯ И ОСНОВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ
Классификация основана на разграничение КГШП по величине отношения номинальной силы наибольшего пресса в группе к номинальной силе наименьшего пресса (которое составляет примерно 2,5) и принятии для всех групп типовой поковки "фланец” (табл. 3.8.1):
- легкие КГШП - прессы номинальной силой 6,3... 16 МН, предназначенные для изготовления поковок массой примерно до 2 кг, имеющие собственную массу до величины немногим более 100 т;
- средние КГШП - прессы номинальной силой 20...50 МН, на которых могут изготавливаться поковки массой примерно до 40 кг и собственная масса которых не превышают 450 т;
- тяжелые КГШП - прессы номинальной силой 63... 160 МН для производства поковок, наибольшая масса которых превышает 50 кг, а собственная масса превышает 500 т.
3.8.1. Техническая характеристика групп конструкций КГШП
КГШП Номинальная сила, МН Наибольшая масса типовой поковки, кг Масса пресса, т (приблизительно)
6,3 0,21 40
8 0,35 —
Легкие 10 0,58 66
12,5 0,99 —
16 1,75 113
20 3,34 —
25 6,23 177
Средние 31,5 12,2 -
40 22,6 360
50 36
63 53,1 575
80 81,3 660
Тяжелые 100 120 —
125 169 1380
160 247 1600
КЛАССИФИКАЦИЯ И ОСНОВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ
247
Рис. 3.8.1. Влияние конструктивных параметров КГШП на их разграничение по группам. (В анализе учтены КГШП фирм-производителей:
ТМП, Eumuco, Sumitomo, Komatsu, Erie, National Machinery)
Влияние конструктивных параметров показано на рис. 3.8.1.
Общая оценка параметров технической характеристики КГШП отечественного и зарубежного производства показывает, что при проектировании машин выдерживаются постоянными многие соотношения геометрических размеров и энергетических показателей. В связи с этим детальный анализ и прогнозирование основных параметров гаммы КГШП возрастающих сил возможны при применении критериев моделирования, разработанных на основе положений теории подобия и размерностей (табл. 3.8.2).
Если обозначить: Рп - номинальная сила пресса, 5П - ход ползуна, Н3 - закрытая высота, Fn - площадь ползуна, С - вертикальная жесткость пресса, пп - номинальное число ходов ползуна в секунду (угловая скорость главного вала), У - мощность главного электродвигателя, /ИкрН - номинальное плечо крутящего момента, /е - момент инерции вращающихся частей, приведенных к главному
валу, то получим следующие безразмерные критерии подобия:
П] - Fn /зпН3 - характеризует относительные размеры штампового пространства и определяет технологические возможности машины;
П2 = СН3 / Рн - удельную (на единицу силы) жесткость пресса;
Па - Р„ т,- н / CF„ - относительный
J п кр п и
крутящий момент привода;
П4 - PHsnnn / N - относительную работу технологической операции;
П5 - NIIzn^ - общую энергоемкость привода;
П6 - /е ин2 / Рн /Икр н - общие энергосиловые возможности привода.
Указанные критерии подобия позволяют определить независимые параметры проектируемой машины, относящейся к разрабатываемой гамме прессов. Согласно применяемой методике необходимо задаться тремя независимыми параметрами, а именно: Рн, 5П и ин .
3.8.2. Основные параметры гаммы КГШП производства АО ТМП, критерии подобия и прогнозируемые основные параметры КГШП силой 63***200 МН
Параметр КА8538 КБ8040 КГ8042 КБ8544 КБ8046 КБ8048 K8549 K8550 086.851 K8552 Прогноз
Р„, мн 6,3 10 16 25 40 63 80 100 125 160 200
5П, ММ 200 250 300 350 400 460 480 500 520 600 700
Н3, мм 600 560 850 890 1200 1350 1590 1800 1800 1900 2240
(Л хВ), мм 650x700 720x720 1120x1400 1090x1150 1470x2000 1900x1680 1900x1800 2210x2800 2460x2680 2650x3450 -
Габариты пресса, мм:
слева направо 4350 5080 5400 5585 6628 7970 8560 9200 10100 10300
спереди назад высота над 3215 3585 4110 3750 5700 5760 5935 7800 8450 7700 —
уровнем пола 4785 5780 5640 6850 7830 9670 9500 9800 10040 10900
Сфакг> МН/ММ 4,35 6,9 8,43 11,60 12,95 13,24 16,42 17,00 21,18 25,0 28,0
^кр.н» мм 19,98 39,06 28,18 31,4 29,2 52,35 46,27 48,14 44,64 54,91 60
пп, мин-1 100 90 85 70 50 40 40 36 32 28 25
N, кВт 37 75 75 90 160 320 400 400 400 500 673
/е, кг-м с2 246,2 766 1122 2728 14298 53 005 55 809 66918 103 733 158 398 368 136
Масса пресса, т 40 78,9 112,8 176,7 366,6 375,4 659,3 1220 1386 1670 -
П, 3,79 3,7 6,15 4,02 6,13 5,14 4,48 6,88 7,04 8,02 7,03
П2 414,3 386,4 447,8 413 388,5 283,7 326,3 306 305 226,2 305,0
П3 6,36x10“’ 10,93х1(Г’ 3,41x10“’ 5,4x10“’ 3,1x10“’ 7,8x10“’ 6,6x10“5 4,6x10“’ 4x10“’ 5x10“’ 4x10“’.
п4 3,423x103 2,835x10s 5,44x10s 6,80x10s 5,00x10s 3,62x10s 3,84x10s 4,50x103 5,20x10s 5,38x10s 530x10s
П5 15,03x10* 13,43x10* 10,8x10* 9,6x10-* 8,9x10“* 9,4x10-8 11,1x10-* 12,8x10* 11,7x10“* 14,3x10“* 11,7x10“*
П6 195,56x10s 158,16x10s 179,8x10s 1703x10s 306x10s 257,3x10s 241,2x10s 180,2x10s 190,4x10s 1413x10s 191,7x10s
Л = Я3/5„ 3 2,24 2,83 2,54 3,0 2,93 3,3 3,6 3,46 3,17 3,2
248 Глава 3.8. КРИВОШИПНЫЕ ГОРЯЧЕШТАМПОВОЧНЫЕ ПРЕССЫ
КЛАССИФИКАЦИЯ И ОСНОВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ
249
Численные значения 5П (мм) и пп (обоснованы эмпирическим анализом) целесообразно определять как функции номинальной силы Рн (мм) по следующим зависимостям:
sn =130+42д/Рн - для прессов силой 16...63 МН;
sn = 130 +37 д/ Рн - для прессов силой свыше 80 МН;
104
«„ =----Г=--------•
28^ Рн+1-4
В табл. 3.8.2 приведены основные параметры гаммы КГШП, выпускаемых ЗАО "Тяжмехпресс", результаты расчета критериев подобия по вышеупомянутой методике, включая и прогнозируемые основные параметры КГШП силой 200 МН. Отклонения значений П] и П2 для КГШП КА8538 и КБ8040 с одним шатуном связаны с естественным относительным уменьшением площади ползуна Fn .
Принципиальная кинематическая схема конструкций ЗАО ’’Тяжмехпресс” (рис. 3.8.2) состоит из эксцентрикового вала, расположенного параллельно фронту пресса, шатуна и ползуна в направляющих станины. У тяжелых прессов номинальной силой свыше 40 МН имеется приводной вал с маховиком и шестерней, соединяющейся с зубчатым колесом, вращающимся вместе с муфтой на подшипниках качения, установленных на специальной втулке на станине соосно с эксцентриковым валом. На легких и некоторых других КГШП номинальной силой 6,3...25 МН промежуточный вал отсутствует, маховик располагается вместе с муфтой на втулке, закрепленной на станине соосно с эксцентриковым валом. В обоих случаях крутящий момент от электродвигателя передается от шкива на маховик клиноременной передачей. На другом конце эксцентрикового вала устанавливается тормоз.
Основные конструктивные особенности двух последних поколений КГШП производства ЗАО "Тяжмехпресс”:
- вал с двумя мотылевыми шейками, размещенный в стойках станины, связан двумя шатунами с ползуном. Бронзовые подшипники эксцентрикового вала расположены в отъемных корпусах и длина их выбрана таким образом, чтобы опорные реакции проходили вблизи центра тяжести сечения стойки. От осевых перемещений вал удерживается фланцем рас
порного кольца левой коренной опоры и крышкой, закрепленной на левом корпусе. Легкие прессы номинальной силой 6,3... 10 МН выполняются с одним шатуном;
- вся кривошипно-шатунная группа, подшипники промежуточного вала, зубчатое зацепление смазываются от однолинейной системы жидкой циркуляционной смазки. Следует подчеркнуть, что применение жидкой смазки на КГШП возможно либо при полном отсутствии утечек, либо при контролировании их величины и направления. Каждый подшипник (скольжения или качения) представляет собой изолированный узел смазки, к которому смазка подводится, собирается и отводится. Так как по условиям работы пресса и из-за трудностей разборки контактные уплотнения неприемлемы, а щелевые (лабиринтные) из-за больших относительных перемещений не могут быть использованы, то применена разработанная на ТМП система направленного потока. Она предусматривает расположение на пути потока смазки маслоотражательных колец и канавок, а в местах вероятного скопления жидкости размещение маслоотводящих отверстий. Совместное применение жидкой смазки и специальной конструкции подшипниковых узлов позволило резко снизить потери на трение и практически исключить вероятность заклинивания пресса;
- нижние головки шатунов, размещенные в ползуне, соединены с ним трехопорной осью и промежуточными эксцентриковыми втулками. Изменение закрытой высоты пресса достигается поворотом эксцентриковых втулок относительно оси. Поворот втулок осуществляется рычажно-винтовой парой. Таким образом, механизм изменения закрытой высоты расположен в ползуне, в то время как привод механизма, вращающий винтовую пару, неподвижно размещен на станине и соединен с винтовой парой с помощью качающегося рычага с шестернями. Специальная система отсчета позволяют выполнить регулировку закрытой высоты с точностью 0,1 мм и отслеживать ее фактическую величину на главном пульте управления пресса;
- в целях повышения долговечности эксцентрикового вала, его бронзовых подшипников и обеспечения стабильности зазора в зубчатом зацеплении эксцентриковый вал разгружен от силы тяжести зубчатого колеса и муфты, которые размещены на специальной втулке правого корпуса соосно с валом;
250
Глава 3.8. КРИВОШИПНЫЕ ГОРЯЧЕШТАМПОВОЧНЫЕ ПРЕССЫ
Рис. 3.8.2. Принципиальная схема привода КГШП
КОНСТРУКЦИИ ОСНОВНЫХ МЕХАНИЗМОВ
251
- в прессах использованы уравновешива-тели с отсечкой полости уравновешивателя от ресивера на определенном пути ползуна, что позволяет получить уравновешиватель с переменной грузоподъемностью и дает возможность уравновесить не только массу поступательно движущихся частей пресса, но и силы инерции;
- на прессах применены система безударного включения муфты, беззазорное соединение ступицы муфты с эксцентриковым валом, активный контроль температуры основных подшипников скольжения и качения; гидравлическое приспособление для затяжки станины и вывода пресса из заклинивания;
- следует отметить, что КГШП номинальной силой 10, 16 и 25 МН выполняются без промежуточного вала, а остальные, номинальной силой 40 МН и выше - с промежуточным валом.
3.8.2. КОНСТРУКЦИИ ОСНОВНЫХ МЕХАНИЗМОВ
Эксцентриковые валы, ползуны, шатуны. Эксцентриковые валы: одноэксцентриковые (рис. 3.8.3, б) на прессах номинальной силой 6,3,10,16 МН (рис. 3.8.4) и двухэксцентриковые (рис. 3.8.3, а) на прессах всех последующих номинальных сил до 160 МН (рис. 3.8.5) выбираются по диаметру d0 опорных шеек в зависимости от номинальных сил пресса в виде функции (Рн, МН; с/0,мм):
d0 =1O5VPh-2,5.
Основные размеры эксцентриковых валов назначают в зависимости от do и хода ползуна s по формулам табл. 3.8.3.
Изготавливаются валы из стальных поковок (сталь 38Х2Н2МА, ГОСТ 4543-71) устанавливаются в подшипниках скольжения из бронзы (Бр ОЮФ1, ГОСТ 613-79), посаженных по напряженной посадке в буксах, закрепленных в станине пресса с помощью клиновых шпонок. В буксе со стороны тормоза вмонтирован торцовый подшипник, удерживающий вал от осевого перемещения. Букса со стороны муфты имеет цилиндрический хвостовик, выступающий за габариты станины, на котором
3.83. Основные размеры эксцентриковых валов
Обозначение размера Величина размера
Вал двухэксцентриковый Вал одноэксцентриковый
/о 0,9 dn 1,7 d„
dA do + s+10 1,7 do
1а 0,45 dA d0
0,75 dA -
1с 0t4dc -
h 1,45 dA -
ъ 0,15 d0 0,15 4,
Rc 0,15 dA -
на двухрядных роликовых сферических подшипниках типа 20-40038/750 (ГОСТ 5721-75) устанавливаются базовые детали муфт - зубчатые колеса на прессах с промежуточными валами или маховики на прессах без промежуточных валов. В корпусах букс выполнены отверстия для подвода и приспособления для сбора и слива жидкой смазки.
Расстояние между осями шатунов двухэксцентрикового вала определяется в виде функции от диаметра эксцентрика dA : L = = b#ldA.
Ползуны КГШП имеют два исполнения -традиционный с хоботом (рис 3.8.6) и коробчатой формы с удлиненными направляющими, как правило, прямоугольной формы (рис 3.8.7 и 3.8.8); изготавливаются литыми из стали 35Л2 (ГОСТ 977-88) или сварно-литыми. Нижняя плоскость ползуна защищена от повреждений надштамповой плитой. В ползунах монтируют верхние выталкиватели различных конструктивных исполнений с приводом, как правило, от шатуна и механизм регулировки штамповой высоты, представляющий собой эксцентриковую втулку, сидящую на оси и опирающуюся специальным рычагом от проворота на регулировочный винт с шаровой опорой, имеющий специальный привод с постоянным шлицевым (см. рис. 3.8.6) или карданным (рис. 3.8.9) зацеплением.
Рис. 3.83. Конструкция одноэксцентрикового (6) и двухэксцентрикового (а) валов КГШП:
7 — вал; 2 — букса с торцовым подшипником; 3 — букса с удлиненной втулкой; 4 — бронзовые подшипники скольжения; 5 — маслоотражательные кольца
Глава 3.8. КРИВОШИПНЫЕ ГОРЯЧЕШТАМПОВОЧНЫЕ ПРЕССЫ
Рис. 3.8.4. Общий вид КГШП номинальной силой 63 МН модели КА8538:
1 - станина; 2 - муфта; 3 - тормоз; 4 - ползун с механизмом регулировки; 5 - электродвигатель со шкивом; 6 - тормоз маховика;
7- привод механизма регулировки; 8 - уравновешиватели; 9- ресивер; 10- нижний выталкиватель; 11 - верхний выталкиватель;
12- маслостанция системы жидкой смазки; 13 - пульт управления; 14 - клапан быстрого сброса; 75 - фундаментный блок; 16 - фундаментная рама
КОНСТРУКЦИИ ОСНОВНЫХ МЕХАНИЗМОВ 253
Рис. 3.8.5. Общий вид КГШП номинальной силой 63 МН модели КГ8048 на виброизолированном основании:
1 - станина; 2 - муфта; 3 - тормоз; 4 - ползун; 5 - электродвигатель со шкивом; 6 - промежуточный вал со шкивом; 7 - зажимы верхние; 8 - уравновешиватель; 9- ресиверы уравновешивателей; 10— выталкиватели нижние; 11 - зажимы нижние; 12 - маслостанция системы жидкой смазки;
13 - пульт управления; 14 - воздухоподводящая головка муфты; 15 - фундаментный блок; 16 — фундаментная рама; 17 - виброопоры
254 Глава 3.8. КРИВОШИПНЫЕ ГОРЯЧЕШТАМПОВОЧНЫЕ ПРЕССЫ
Рис. 3.8.6. Ползун с хоботом и двумя шатунами:
1 - шатун; 2 - эксцентриковая втулка; 3 - ось; 4 - регулировочный винт
A—A
Б-Б
КОНСТРУКЦИИ ОСНОВНЫХ МЕХАНИЗМОВ 255
Рис. 3.8.7. Ползун рамной конструкции с одним шатуном для легких прессов:
1 — шатун; 2 — ползун; 3 — эксцентриковая втулка; 4 — ось; 5 — регулировочный винт; 6 - выталкиватель
1
Рис. 3.8.8. Ползун рамной конструкции с двумя шатунами:
1 - крышка шатуна; 2 - ползун; 3 - эксцентриковая втулка; 4 - ось опоры шатуна; 5 - регулировочный винт, 6 - выталкиватель
КОНСТРУКЦИИ ОСНОВНЫХ МЕХАНИЗМОВ 257
Рис. 3.8.9. Установка привода механизма регулировки для ползуна, представленного на рис. 3.8.8: 1 - мотор-редуктор; 2 - предохранительная муфта; 3 - механизм считывания количества оборотов; 4 - карданный вал
Глава 3 8. КРИВОШИПНЫЕ ГОРЯЧЕШТАМПОВОЧНЫЕ ПРЕССЫ
КОНСТРУКЦИИ ОСНОВНЫХ МЕХАНИЗМОВ
259
Шатуны КГШП выполняются литыми из стали 45Л (ГОСТ 977-88) или коваными -сталь 45 (ГОСТ 1050-88). Верхняя головка шатуна и бронзовые подшипники скольжения разъемные. Крышка с шатуном стягивается четырьмя шпильками с подогревом. Нижняя головка шатуна упирается через бронзовый подшипник на эксцентриковую втулку.
Уравновешиватели КГШП (рис. 3.8.10), устанавливаемые, как правило, наверху станины, нижней силовой крышкой крепятся к станине, а поршень со штоком связывается с ползуном через шарнирный механизм, имеющий две степени свободы. Ползуны с хоботом имеют по одному уравновешивателю. На ползунах рамной конструкции (без хобота) устанавливаются по два уравновешивателя. Ползуны тяжелых прессов оснащаются специальными зажимами (рис. 3.8.11), предназначенными для быстрого крепления или раскрепления верхней половины штампа и ползуна. Силовое зажатие осуществляется, как правило, набором тарельчатых пружин, а освобождение с помощью пневматического или гидравлического привода.
Муфты и тормоза. Муфты КГШП (рис. 3.8.12) фрикционные дисковые с пневматическим приводом включения и отключения устанавливаются на эксцентриковом валу с правой стороны (вид спереди) пресса. Муфты и тормоза двухдисковые. Шлицевый венец и пневмоцилиндр монтируют жестко на ведущем зубчатом колесе или маховике; для прессов без промежуточного вала, которые установлены на сферических двухрядных подшипниках каче ния 7 [тип 20-40038/750 (ГОСТ 5721-75)], - на удлиненном конце буксы эксцентрикового вала 8, закрепленной на станине пресса. На ведомой ступице муфты 4 на шлицах устанавливаются ведомые стальные диски 5, облицованные фрикционными накладками марки 8-45-62 производства Волжского завода АТИ на асбестовой основе или из безасбестовой композиции марки ТИИР-251 производства Ярославского ОАО "НИИАТИ - фирма ТИИР”. Коэффициент трения фрикционных накладок по чугуну СЧ 15 (ГОСТ 1412-85) ц =0,43...0,60, линейный износ по чугуну СЧ 15 не боле 0,10 мм. Ведомая ступица муфты, литая [сталь 45Л (ГОСТ 977-88)] или кованая [сталь 40ХН2ХМА (ГОСТ 4543-71)], сажается на специальную шейку эксцентрикового вала по напряженной посадке с двумя клиновыми шпонками (рис. 3.8.12, а) или на квадрат (рис. 3.8.12, б), или на горячую посадку через цельную коническую втулку (рис. 3.8.12, в).
9*
Тормоз КГШП (рис. 3.8.13). Шлицевая ступица 4 устанавливается на левом конце эксцентрикового вала на клиновые шпонки. Два стальных диска с наклепанными фрикционными накладками и закаленными ТВЧ-шлицами постоянно зажаты натяжными пружинами 3 между корпусом /, промежуточным диском 8 и нажимным диском 7 посредством толкателей 6 и оттяжного поршня 2. Сила затяжки пружин определяется исходя из необходимого давления на фрикционном контакте (2,4...2,5 МПа). При растормаживании сжатый воздух давлением 0,45...0,5 МПа подается в полость под поршнем 2. Фрикционные материалы те же, что и на муфтах.
Системы управления. Системы управления механизмами и логистикой циклов КГШП, как правило, электропневматические. Они обеспечивают работу прессов в режимах "наладка", "непрерывные ходы" и "одиночные ходы". Исполнительными органами в системах управления являются пневмомеханизмы и стандартные пневмоаппараты (рис. 3.8.14). Система обеспечивает подачу, подготовку и использование сжатого воздуха при работе пресса. Основным является требование техники безопасности предотвратить случайное, не зависящее от воздействия оператора включение пресса. Для этого использован принцип дублирования систем и их блокирования при неисправности какой-либо из них. Этой цели служит сдвоенный воздухораспределитель У-712 (рис. 3.8.15, а), в корпусе которого размещены два трехлинейных клапана, состоящих из управляющих поршней 4, клапанов 2 и дроссельных шайб 3. Управление трехлинейными клапанами осуществляется двумя элек-тропневматическими клапанами 5. Для контроля неисправности одного из клапанов или одной из параллельных электрических цепей управления служит сигнализатор, состоящий из двух поршней 6 и микропереключателя 8.
Сжатый воздух подводится через отверстие b в полости с, сообщенные общим каналом. Через дроссельные щели между корпусом 1 и шайбами 3 воздух попадает в полости а и через перекрестные каналы под клапаны 2. При выключенном пневмораспределителе сжатый воздух заперт под клапанами 2, а рабочий орган машины через каналы d камеры к и верхние седла клапанов 2 через высокоэффективный глушитель связан с атмосферой. Из полостей а сжатый воздух через клапаны управления f и дроссели 7 поступает в камеры е и сервоклапаны.
а) б)
Глава 3.8. КРИВОШИПНЫЕ ГОРЯЧЕШТАМПОВОЧНЫЕ ПРЕССЫ
Рис. 3.8.10. Уравновешивателы
а - с отдельным ресивером и отсечкой рабочей полости от ресивера при подходе ползуна к началу технологической операции; б - со встроенным ресивером; 7 - нижняя силовая крышка цилиндра; 2 - цилиндр; 3 - поршень; 4 - шток; 5 - корпус ресивера; 6 - шарнир крепления штока к ползуну;
7 - отверстие, соединяющее рабочую полость ресивера с уравновешивателем
A
Рис. 3.8.11. Конструктивная схема зажимов верхней половины штампов
КОНСТРУКЦИИ ОСНОВНЫХ МЕХАНИЗМОВ
Ь)
Os
262
Глава 3 8. КРИВОШИПНЫЕ ГОРЯЧЕШТАМПОВОЧНЫЕ ПРЕССЫ
е)
б)
Рис. 3.8.12. Типовая конструкция фрикционной двухдисковой муфты для КГШП:
а - посадка ступицы на цилиндрический вал и клиновые шпонки; б - посадка ступицы на квадрат и клиновые шпонки; в - посадка ступицы на коническую втулку
КОНСТРУКЦИИ ОСНОВНЫХ МЕХАНИЗМОВ
263
Рис. 3.8.13. Типовая конструкция двухдискового тормоза КГШП:
/ - корпус с цилиндром; 2 - отжимной поршень; 3 - нажимные пружины; 4 - ступица со шлицами;
5 - ведомые диски с фрикционными накладками; 6 - нажимной палец; 7 - нажимной диск;
8- диск промежуточный (возможно с водяным охлаждением); 9 - командоаппарат
Р2
Al
Рис. 3.8.14. Схема системы управления механизмами и логистикой цикла:
ВН - вентили запорные; МН - манометры;
Ф - фильтры; PD - реле давления;
КР - регуляторы давления;
КП - клапаны предохранительные;
МР - маслораспылители; КО - обратные клапаны;
Р - воздухораспределители типа У-712;
А1 - воздухоподводящие устройства для безударного (двухступенчатого) включения муфты и быстрого сброса воздуха при отключении муфты
264 Глава 3.8. КРИВОШИПНЫЕ ГОРЯЧЕШТАМПОВОЧНЫЕ ПРЕССЫ
КОНСТРУКЦИИ ОСНОВНЫХ МЕХАНИЗМОВ
265
Рис. 3.8.15. Механизмы подачи воздуха к муфтам и тормозам:
а~ схема сдвоенного воздухораспределителя модели У-712 для Dy = 1" и Dy = 1 ’Л"; б - ускорительный клапан, обеспечивающий двухступенчатое (безударное) включение муфт легких и средних прессов; в - воздухоподводящая головка для двухступенчатого (безударного) включения муфт средних прессов; г - воздухоподводящая головка для двухступенчатого (безударного) включения муфт средних прессов; I - подача воздуха из сети;
II - подача и сброс воздуха из муфты и тормоза; III - выхлоп воздуха через глушители в атмосферу
На рис. 3.8.15, а сдвоенный трехлинейный пневмораспределитель изображен в положении, когда одна секция (правая) включена (или не выключилась). При подаче электриче
ского сигнала на сервоклапаны 5 сжатый воздух из камер е поступает в полости под поршнями 4 и производит включение клапанов. Полости к разобщаются с атмосферой, и через
266
Глава 3.8. КРИВОШИПНЫЕ ГОРЯЧЕШТАМПОВОЧНЫЕ ПРЕССЫ
перекрестные каналы и открытые дроссельные шайбы 3 сжатый воздух поступает к рабочим органам машины по каналам d. При снятии электрических сигналов с сервоклапанов сжатый воздух из-под поршней 4 уходит через сервоклапаны в атмосферу. Клапаны возвращаются в исходное положение, и сжатый воздух от рабочих органов машины через каналы d полости к и глушитель также уходит в атмосферу.
Если один из клапанов не включился (на схеме левый) или не выключился (на схеме правый), то сжатый воздух из камеры а левого клапана, поступающий через дроссельную шайбу 3, будет сбрасываться в атмосферу по перекрестному каналу, через полость к правого клапана, каналы d и полость к левого клапана.
В камере е левого клапана давление будет понижаться через дроссель 7. Через некоторый промежуток времени включить левый клапан будет невозможно, так как давление в камере е составит не более 0,025 МПа. Сигнализатор сработает и подаст сигнал о неисправности секции клапана. Сжатый воздух правого включенного (или невыключенного) клапана через открытую дроссельную шайбу 3 и перекрестный канал будет подаваться под закрытый левый клапан 2. Дроссели 7 служат для задержки давления в камерах е. Задержка необходима для компенсации возможной несинхронности работы обеих секций (несинхронность срабатывания может быть отрегулирована за счет изменения размера дроссельного отверстия).
Таким образом, благодаря надежной системе блокировки секций пневмораспределителя при несрабатывании одной секции на включение (или выключение) сжатый воздух не поступит к рабочему органу машины или будет сбрасываться в атмосферу через одну сработавшую секцию. Далее включать пневмораспределитель можно только после устранения неисправности.
На рис. 3.8.15, б, виг приведены конструкции исполнительных механизмов, обеспечивающих плавное безударное включение муфт.
Приводные валы. Типовая конструктивная схема промежуточного вала приведена на рис. 3.8.16. Вал 4 устанавливается на сферических двухрядных подшипниках 7 в закрытых с обеих сторон крышками с лабиринтными уплотнениями 6 стаканах. С одной стороны на конце вала по посадке и на двух клиновых шпонках устанавливается шевронная шестерня 5, изготавливаемая из стали 38Х2Н2МА (ГОСТ 4543-71),
имеющая поверхностную закалку зубьев токами высокой частоты. С другой стороны по посадке и с двумя клиновыми шпонками устанавливается ступица 2 фрикционного предохранителя маховика. Маховик 1 на ступице устанавливается на бронзовой втулке и стягивается с двух сторон щеками 8 предохранителя, облицованными фрикционными накладками. Усилие затяжки создается несколькими пакетами тарельчатых пружин 3, тарировка которых осуществляется специальным съемным гидравлическим приспособлением.
На рис. 3.8.17 приведена конструкция установки электродвигателя, шкива и механизма натяжения клиновых ремней.
Для быстрой остановки маховики оснащаются тормозами, конструкции которых приведены на рис. 3.8.18.
Станины, фундаменты. Станины легких прессов цельные (рис. 3.8.19) сварные, средних и тяжелых (рис. 3.8.20) прессов разъемные, стянутые четырьмя стяжными шпильками. Основной материал прокат (сталь Зпс, ГОСТ 380-94). Втулки для установки подшипников эксцентрикового вала и центральная часть столов литые из стали 35Л (ГОСТ 977-88). Станины средних прессов состоят из двух деталей: стола и П-образной верхней станины, объединяющей две стойки и верхнюю поперечину. Станины тяжелых прессов (рис. 3.8.20) состоят из пяти деталей: стола 2, двух отдельных стоек 7, верхней поперечины 3, передней мощной распорной плиты 4, на которой закреплены передние направляющие и кронштейн 5 подшипников промежуточного вала, являющегося задней фиксирующей распоркой для стоек. Все эти детали зафиксированы между собой или шпонками, или мерными распорками и стянуты шпильками или болтами. Такие решения целесообразны как из-за больших габаритов и масс деталей, которые необходимо перевозить железнодорожным или морским транспортом, так и из-за необходимости обеспечения требуемых прочностных и жесткост-ных характеристик (рис. 3.8.21). Кованые стяжные шпильки выполняются из стали 45 (ГОСТ 1050-88). Нижние гайки стяжных шпилек цельные или разрезанные пополам. В верхние гайки вмонтировано гидроприспособление для затяжки станины (рис. 3.8.22) и при необходимости вывода пресса из распора. Сила затяжки станины варьируется в диапазоне (1,15... 1,3) Рн.
I
Рис. 3.8.16. Приводной вал с маховиком:
1 - маховик; 2 - фрикционный предохранитель; 3 - тарельчатые пружины; 4 - промежуточный вал; 5 - зубчатая шевронная шестерня; 6 - маслоотражательные кольца уплотнений; 7 - радиально-сферический двухрядный подшипник; 8 - щека предохранителя
КОНСТРУКЦИИ ОСНОВНЫХ МЕХАНИЗМОВ 267
268
Глава 3.8. КРИВОШИПНЫЕ ГОРЯЧЕШТАМПОВОЧНЫЕ ПРЕССЫ
Рис. 3.8.17. Установка электродвигателя, шкива и механизма натяжения клиновых ремней
На столах тяжелых прессов устанавливаются быстросменные штамповые блоки (рис. 3.8.23), в которых с нижней стороны вмонтированы четыре ролика, а в подштамповых плитах столов соответственно четыре гидроцилиндра для подъема блока и рельсы для его перемещения. На стойках по бокам подштамповой плиты размещены четыре специальных зажима. При необходимости замены штампа в гидроцилиндры зажимов подается давление и они разжимаются. После этого подается давление в гидроцилиндры стола и они, выравнивая верхние плоскости плунжеров с уровнем рельсовых накладок, поднимают
штамповый блок на 20...25 мм. Штамп готов к выкатыванию, что производится специальным механизмом.
Прессы устанавливаются, как правило, на жесткие фундаменты (см. рис. 3.8.4). Иногда для защиты окружающих построек от ударов и вибрации прессы устанавливаются на виброи-золированное основание. Одно из таких решений приведено на рис. 3.8.5. В данном случае имеет место непосредственная изоляция пресса, станина которого устанавливается на металлическую раму, которая, в свою очередь, устанавливается на специальные виброопоры пружинного типа с вязкими демпферами.
КОНСТРУКЦИИ ОСНОВНЫХ МЕХАНИЗМОВ
t—t
a)
Рис. 3.8.19. Конструкция цельносварной станины легких прессов: а - общий вид; б - конструкция направляющих;
1 - регулировочный клин боковых направляющих; 2 - регулировочные планки передних направляющих
Глава 3.8. КРИВОШИПНЫЕ ГОРЯЧЕШТАМПОВОЧНЫЕ ПРЕССЫ
Рис. 3.8.20. Конструкция станины тяжелых прессов силой свыше 80 МН:
1 - станина; 2 - стол; 3 - траверса; 4 - передняя распорка; 5 - задняя распорка и опора подшипников промежуточного вала; конструкция направляющих; I - регулировочные клинья боковых направляющих; II - регулировочные планки передних направляющих; Б- стол - вид сверху
КОНСТРУКЦИИ ОСНОВНЫХ МЕХАНИЗМОВ
272
Глава 3.8. КРИВОШИПНЫЕ ГОРЯЧЕШТАМПОВОЧНЫЕ ПРЕССЫ
Рис. 3.8.21. Жесткость кривошипных горячештамповочных прессов: □ - последнее поколение КГШП производства ЗАО ТМП; ▲ - поколение КГШП 70-х годов производства ПО ТМП;
• - прессы производства инофирм
КОНСТРУКЦИИ ОСНОВНЫХ МЕХАНИЗМОВ
273
Рис. 3.8.22. Механизм затяжки станины и вывода пресса из распора: / - стяжная шпилька; 2 - гайка с гидроцилиндрами; 3 - гидроцилиндры; 4 - закладные пластины Н = 15.. .20 мм; 5 - станция с гидравлическим насосом
Рис. 3.8.23. Механизм быстрой смены штампа на столе тяжелых КГШП: 1 - нижние зажимы штампа; 2 - рельсовый путь; 3 - гидроцилиндры подъема штампа
к»
Глава 3.8. КРИВОШИПНЫЕ ГОРЯЧЕШТАМПОВОЧНЫЕ ПРЕССЫ
КОНСТРУКЦИИ ОСНОВНЫХ МЕХАНИЗМОВ
275
Рис. 3.8.24. Принципиальные схемы параллельной (а) и последовательной (б) систем смазывания и схема (в) питателя для последовательной однолинейной системы смазывания
Системы смазывания. Системы подачи смазки к точкам - потребителям смазки подразделяют на два типа: системы с параллельным соединением элементов, подающих смазку в каждую точку (рис 3.8.24, а), и системы с последовательным соединением элементов (рис 3.8.24, б).
При параллельном соединении от основной подающей магистрали выполняются отводы к дозаторам, отмеряющим количество смазки, необходимое для смазывания данной точки. Если какой-то из дозаторов вышел из строя, система будет продолжать функционировать, а точка, к которой подключен вышедший из строя дозатор, останется без смазки.
При последовательном соединении основной тракт смазывающей жидкости проходит через все дозаторы последовательно, контролируя при этом срабатывание каждого дозатора. Если какой-либо из дозаторов откажет, то тем самым преградит путь основному потоку смазки, что будет сигналом аварии (например, через реле давления).
Наиболее совершенной, отработанной, современной и применяемой в настоящее время на КГШП является однолинейная система смазки последовательного действия, гарантирующая дозированную подачу в каждою подключенную точку необходимого количества масла.
Подобные системы выпускаются фирмами REBS (ФРГ), Dzopsa (Италия), TRABON (Франция), Николаевским заводом смазочных систем (Украина).
Основой такой системы является питатель, распределяющий и дозирующий общий поток смазки по точкам (рис. 3.8.24, в). Он должен состоять не менее чем из трех золотниковых секций. Число секций может достигать восьми. Таким образом, один питатель может обеспечить смазкой от трех до шестнадцати точек.
В представленном на рис. 3.8.24, в положении золотник С под действием потока смазки, поступающей из центрального канала по каналу а, переместился из крайнего правого в крайнее левое положение, выдавив при этом порцию смазки из левой торцовой полости по каналам б и в в точку I, и открыл доступ смазке из центрального канала через свою проточку и канал г в правую торцовую полость золотника В, который при своем движении влево будет выдавливать порцию смазки через канал д и проточку золотника С в точку II.
Выпускаются питатели: типа МИ с подачей в точку 0,08...0,48 см3/цикл, типа М с подачей 0,16... 1,12 см3/цикл, типа MX с подачей 0,4...4,8 см3/цикл и типа МГ с подачей 2,4... 19,2 см3 /цикл.
276
Глава 3.9. КРИВОШИПНО-КОЛЕННЫЕ ПРЕССЫ
В состав системы однолинейной жидкой циркуляционной смазки входит станция смазки с пластинчатым насосом подачей 3 л/мин или 5 л/мин. Вместимость бака станции 250 л или 400 л. На станции установлен регулятор расхода по основному потоку жидкости, реле давления по максимальному и минимальному пределам, два параллельных нагнетательных фильтра с тонкостью фильтрации 25 мк. Рабочее давление, создаваемое станцией, до 6,3 МПа.
Системы рассчитаны на подачу смазки в диапазоне от 20 до 250 точек с расходом в каждую точку от 1 до 0,005 л/мин. С этой целью на каждый из выходов первого питателя можно подключить вторичный питатель того же или меньшего типоразмера, ко вторичному -питатель третьей ступени.
На базе описанного питателя выпускаются подобные системы и для подачи пластичных смазок (типа солидолов). Для этого они комплектуются насосами для подачи пластичных смазок, обеспечивающими давление до 20,0 МПа, и электросистемами контроля и управления.
Механизм вывода пресса из распора. Механизм вывода пресса из распора совмещен с механизмом затяжки станины (см. рис. 3.8.22) и представляет собой четыре гайки 2, которые наворачиваются на стяжные шпильки 1 сверху и в которые вмонтировано по восемь гидравлических цилиндров 3. Все цилиндры и все гайки соединены каналами или трубопроводами последовательно. При подаче давления в гидросистему (55,0...65,0 МПа) в результате упора нижних плунжеров в станину происходит растяжение шпилек, сжатие станины и увеличение зазора между нижней плоскостью гаек и верхней плоскостью станины. В увеличенный зазор закладываются специальные мерные пластины 4 расчетной толщины (15...20 мм). После установки пластин и сброса из гидросистемы давления станина приходит в затянутое состояние. Вывод из распора осуществляется извлечением пластин 4 при создании необходимой величины давления.
Глава 3.9
КРИВОШИПНО-КОЛЕННЫЕ ПРЕССЫ
Чеканочные кривошипно-коленные прессы предназначены для выполнения операций холодной и горячей калибровки, чеканки, выдавливания, рельефов и т.п. При этом возника
ет сравнительно большое сопротивление деформации, действующее на небольшой длине рабочего хода ползуна (не более нескольких миллиметров). В соответствии с этим на деформирование затрачивается и сравнительно небольшая энергия.
Указанные особенности технологической операции вызвали необходимость перехода в чеканочных прессах на иной исполнительный механизм - кривошипно-коленный, для которого характерна малая скорость при подходе к крайнему нижнему положению ползуна.
Обычно прессы выполняют с закрытой станиной и с одно- или двухколенчатым валом. Хотя рабочий ход пресса небольшой, но для локальной калибровки полых глубоких деталей строят прессы и с увеличенным ходом.
Чтобы обеспечить требуемую точность калибровки, необходимы прессы, обладающие достаточной жесткостью. Однако при холодной калибровке сопротивление деформации изменяется не в таком большом диапазоне, как при горячей штамповке, поэтому жесткость чеканочных прессов несколько ниже жесткости горячештамповочных.
Прессы имеют двух- или трехступенчатый открытый или закрытый привод, причем передача на коленчатый вал в прессах больших сил двухсторонняя, в прессах средних и небольших сил - односторонняя.
Применение кривошипно-коленного механизма позволяет при том же моменте на приводе преодолевать силу сопротивления деформации, которая в 3-5 раз больше силы на обычных кривошипных прессах в конце хода Поэтому привод чеканочных прессов имеет небольшие габаритные размеры, что отражается и на размерах пресса - они значительно меньше размеров кривошипных прессов (при одинаковой номинальной силе).
Прессы аналогичных конструкций применяют для холодной объемной штамповки и для холодного выдавливания, но при этом в связи с ростом рабочего хода необходим более мощный привод (табл. 3.9.1).
Основные параметры чеканочных прессов и прессов для холодного выдавливания регламентированы ГОСТами. Чеканочные прессы изготавливают с номинальной силой 1...40 МН при ходе ползуна 95...200 мм, прессы для холодного выдавливания - с силой 1...25 МН при ходе ползуна 130...360 мм. Рабочий ход составляет обычно 1...2 % общего хода для чеканочных прессов (меньшее значение для прессов малых сил) и приблизительно
КРИВОШИПНО-КОЛЕННЫЕ ПРЕССЫ
277
3.9.1. Техническая характеристика кривошипио-коленных прессов (ОАО "Барнаульский завод механических прессов")
Модель Номинальная сила, МН Ход ползуна, мм Число ходов, мин-1 Закрытая высота, мм Регулировка закрытой высоты, мм Размеры стола, мм Размеры ползуна, А\хВ\, мм Габариты пресса, WxDxH, мм Масса, т
КБ8334Б 2,50 120 60 300 12 400x400 400x410 1850x1300x2650 7
КБ8336Б 4,00 130 50 375 12 500x500 470x500 2120x1435x2860 9
КБ8338Б 6,30 150 40 420 16 630x630 560x620 2300x1870x3550 14,4
КБ8340Б 10,00 170 32 470 16 800x800 750x740 2840x1950x4090 26
КБ8342Б 16,00 180 25 510 16 1000x1000 860x900 3175x2260x4750 45
КБ8344Б 25,00 180 20 560 20 1250x1250 870x1140 3870x3150x5900 102
КБООЗОВ 1,0 130 60 400 12 500x500 470x500 2120x1435x2860 8,5
КВ0032В 1,60 160 50 435 16 630x630 560x620 2300x1870x3550 12
КБ0034В 2,50 200 40 490 16 800x800 730x740 2840x1950x4090 21,5
КБ0036В 4,00 240 32 590 16 1000x1000 860x900 3175x2260x4970 36,5
КБ0038В 6,30 300 25 700 20 1250x1250 1000x1140 3870x3150x5900 64
КБ0040В 10,00 300 25 700 20 1250x1250 1000x1140 3870x3150x5900 75
КБ0041В 15,00 320 25 750 20 1250x1250 1000x1140 3900x3150x6065 84
КБ0043В 20,00 360 20 800 20 1250x1250 1000x1140 3950x3150x6225 115
КБ0044В 25,00 360 20 850 20 1600x1600 1450x1600 5190x3300x7260 150
15 % для прессов для холодной и объемной штамповки и выдавливания (ГОСТ 5384-89).
Исполнительный механизм состоит из шарнирного четырехзвенника (рис. 3.9.1), к подвижному шарниру коромысла которого присоединено звено с ползуном. Длина хода ползуна определяется максимальным углом \|/ отклонения коромысла от вертикали, который не превышает 30...40°. В крайнем нижнем положении ползуна рационально, чтобы угол передачи между шатуном и коромыслом был близок к прямому, это повысит КПД механизма на участке рабочего хода.
Обычно длины коромысла и звена, на котором подвешен ползун, одинаковы. Коэффициент длины шатуна принимается равным 0,12...0,17, а длину звеньев находят из соот
ношения, связывающего длину хода ползуна и принятое значение ф.
В исполнительном механизме кривошипно-коленного пресса шатун может работать на сжатие (толкающий) или на растяжение (тянущий). Сравнение этих механизмов показывает, что первый характеризуется меньшими габаритами. Такой механизм применяется в отечественных прессах, выпускаемых Барнаульским заводом мехпрессов (см. табл. 3.9.1).
На рис. 3.9.2 приведены кривые перемещений, скоростей и ускорений кривошипноколенного механизма. Как видно, скорость и перемещение в конце хода малы: 3...5 % хода совершается при угле поворота кривошипа на 100... 120°.
278
Глава 3.9. КРИВОШИПНО-КОЛЕННЫЕ ПРЕССЫ
Рис. 3.9.1. Схема исполнительного кривошипно-коленного механизма: а - с тянущим шатуном; б - с толкающим шатуном
Рис. 3.9.2. Графики перемещения ($), скорости (v) и ускорения (/) ползуна чеканочного пресса
На рис. 3.9.3 показана конструкция кривошипно-коленного механизма. Коленчатый вал 3 расположен с задней стороны пресса. Звенья 4 выполнены в виде массивных стальных призм, на концах которых находятся разрезные вкладыши 5 шарниров, воспринимающих технологическую силу. Для обеспечения передачи силы при обратном ходе ползуна к боковым сторонам призм прикреплены щеки 6, имеющие отверстия для осей шарниров 7. Верхний шарнир опирается на подушку 2, которая, в свою очередь, опирается на поперечину станины. Клин 1 или эксцентрик служат для регулировки штамповой высоты пресса, причем величина регулировки составляет 6...20 мм в зависимости от номинальной силы пресса. Подушка крепится к поперечине пресса. Регулировку производят с помощью электродвигателя, вращающего через редуктор винт, ввернутый в гайку, соединенную с клином. Чтобы избежать выталкивания клина, угол скоса его
должен быть не более 3...4°. На рис. 3.9.3, б показан вариант того же механизма, конструктивно более компактный, поскольку звенья размещены в полости ползуна, размеры которого по высоте при этом увеличены. Для регулирования вместо клина применен эксцентрик, совмещенный с верхним шарниром, нижний шарнир использован для привода рычага выталкивателя. Призматический шатун проходит сквозь окно в ползуне и призмах [1].
Сравнительно небольшие габаритные размеры механизма не позволяют значительно увеличить размеры шарниров, трущиеся части которых воспринимают давления, равные 150...200 МПа. Это приводит к необходимости изготавливать оси шарниров из сталей У10, 40ХН, 50ХН с последующей закалкой их на твердость HRC 58...60. Вкладыши целесообразно выполнять из бронзы (Бр010Ф1, БрАЖ9-4 и других более твердых). Для обеспечения работоспособности шарниров в прессе имеется специальная циркуляционная система жидкой смазки. В качестве масляной ванны используют полость в ползуне. Масло через фильтр нагнетается насосом в каналы подушки, подводящие масло к верхнему шарниру, откуда по специальным каналам в фиксирующих штифтах и призмах оно поступает к среднему и нижнему шарнирам, утопленным в ванне ползуна.
Электродвигатель масляного насоса сблокирован с главным электродвигателем пресса таким образом, что работа пресса невозможна до включения смазочной системы.
Приведенный механизм (см. рис. 3.9.3) характерен тем, что время хода вверх и вниз одинаково, хотя предпочтительно, чтобы обратный ход осуществлялся быстрее. Однако разница во
КРИВОШИПНО-КОЛЕННЫЕ ПРЕССЫ
279
Рис. 3.93. Конструкция исполнительного механизма чеканочного пресса:
а - привод открытый, регулирование клином; б - привод закрытый, регулирование эксцентриком
времени не столь велика. На рис. 3.9.4 показана схема так называемого модернизированного кривошипно-коленного механизма, у которого звено с шарниром длиннее на 10...20 % и обратный ход совершается быстрее. К тому же у
этого механизма может перемещаться верхний шарнир, что позволяет обеспечить регулирование. При больших силах применяют два параллельно работающих механизма, на которых подвешен ползун (рис. 3.9.5). Такие прес-
280
Глава 3.10. ГОРИЗОНТАЛЬНО-КОВОЧНЫЕ МАШИНЫ
сы более универсальны, так как на них можно выполнять не только операции чеканки и калибровки, что выгодно отличает их от обычных двухкривошипных прессов [2].
Рис. 3.9.4. Схема модернизированного кривошипно-коленного механизма
Рис. 3.9.5. Схема конструкции пресса с кривошипно-коленным механизмом и двухточечной подвеской ползуна
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Кузнечио-штамповочное оборудование / А.Н. Банкетов, Ю.А. Бочаров, Н.С. Добринский и др. М.: Машиностроение, 1982. С. 514.
2. Handbuch der Unformtechnik I Schuler. Berlin: Springer, 1996. 560 p.
Глава 3.10
ГОРИЗОНТАЛЬНО-КОВОЧНЫЕ МАШИНЫ
Конструкции. Горизонтально-ковочные машины (ГКМ) являются универсальными кривошипными машинами двойного действия, они оснащены главным (высадочным) и дополнительным (зажимным) исполнительным механизмами, что в сочетании с разъемными многоручьевыми матрицами обеспечивает широкие технологические возможности ГКМ, в первую очередь возможность штамповки непосредственно от прутка. На ГКМ изготавливают поковки за несколько переходов (в основном от 1 до 4) в многоручьевых разъемных матрицах (рис. 3.10.1, а).
Формообразование заготовки может осуществляться с момента окончания зажима заготовки и остановки подвижной матрицы (рис. 3.10.1, б). Часть хода высадочного ползуна 5] является рабочим (формообразующим) ходом. Часть обратного хода высадочного ползуна при закрытых матрицах s2 необходима для выведения пуансонов из соприкосновения с поковкой.
В России, Германии, Японии и других странах за главный параметр ГКМ принимается номинальная сила высадочного ползуна в килоньютонах или меганьютонах, в США, Англии и других странах за главный параметр ГКМ принимают максимальный диаметр прутка малоуглеродистой стали в дюймах, который может быть высажен на данной машине. Для приблизительного сравнения тех и других ГКМ с механическим и гидравлическим приводами приведена табл. 3.10.1.
Все современные ГКМ можно разделить на две основные группы: с вертикальным разъемом матриц (ВР) и с горизонтальным разъемом матриц (ГР) (рис. 3.10.2, а). Далее рассматриваются только механические ГКМ.
3.10.1. Соответствие номинальной силы и размера высаживаемого прутка
Номинальная сила ГКМ, МН (ГОСТ 7023-89) 1,6 2,5 4 6,3 8 10 12,5 16 20 25 31,5
Размер ГКМ фирмы National (США) в дюймах 1,75 2,5 3 4 5 5,5 6 7 8,5 9,5 11
ГОРИЗОНТАЛЬНО-КОВОЧНЫЕ МАШИНЫ
281
Рис. 3.10.1. Схема перемещения исполнительных рабочих механизмов ГКМ (а) и циклограмма их движения (б): 1 - подвижная матрица (зажимной ползун);
2 - неподвижная матрица (станина); 3 - блок пуансонов (высадочный ползун); 5 - полный ход высадочного ползуна; si - ход высадочного ползуна после закрытия матриц; s2 - обратный ход высадочного ползуна при закрытых матрицах; s' - ход зажимного ползуна
Большое количество конструктивных разновидностей основных узлов и механизмов механических ГКМ (рис. 3.10.2, б) объясняется поиском наилучших конструкторских и технологических решений, позволяющих расширил» преимущества этих машин и избавиться от их недостатков.
Подавляющее большинство ГКМ в мире выпускается с вертикальным разъемом матриц (табл. 3.10.2). Формула наиболее распространенной конструкции ГКМ (рис. 3.10.3) по классификации основных узлов и механизмов (см. рис. 3.10.2) будет выглядеть так: ВР-1.1 (1.2)-2.1-3.1-4.1 или проще: ВР-11(12)-21-31-41, где в скобках указан второй применяемый вариант этого узла. Кинематические схемы ГКМ ВР приведены на рис. 3.10.3, 3.10.4.
Станина ГКМ предназначена для монтажа всех узлов и механизмов машины. Воспринимает технологические силы высадки и зажима при штамповке. Станина ГКМ ВР - это сложная деталь коробчатой формы из стального литья или сварная. Схема ее нагружения при работе неблагоприятная, поэтому обеспечить требуемую жесткость - нераскрытое матриц при номинальной силе высадки - затруднительно. Поэтому на станинах применяют, как правило, стяжные болты: в направлении силы высадки - на ГКМ силой свыше 1,6 МН, в направлениях силы высадки и силы зажима - на ГКМ силой свыше 8 МН.
Некоторые фирмы ставят стяжные болты на все ГКМ, в том числе и самых малых размеров (Covmac, Англия), другие не ставят их вообще, даже на ГКМ размером 6" (Acme, США). Послед
нее, безусловно, отрицательно влияет на жесткость конструкции, а следовательно, и на точность поковок при любой конструкции станины.
Станины ГКМ силой свыше 16 МН, как правило, изготавливают из двух частей в целях удобства обработки и транспортировки с последующим жестким соединением обеих частей.
Все изложенное выше справедливо и для ГКМ ГР, но в этом случае форма станины симметричная, при штамповке нагружается равномерно, поэтому станина ГКМ ГР меньше и по габаритам, и по массе станины ГКМ ВР машины той же силы.
Станины ГКМ ГР Eumuco (Германия) в настоящее время единственные в мире, состоящие из двух частей, соединенных шарнирно (рис. 3.10.5): нижняя часть - неподвижная и верхняя - подвижная. Последняя совершает качательные движения при работе машины, несет на себе подвижную матрицу и кроме функции станины выполняет еще и функцию зажимного ползуна.
Механизм высадки предназначен для осуществления формообразования заготовки. На ползуне этого механизма крепится блок пуансонов.
Абсолютное большинство ГКМ в мире имеет кривошипно-ползунный механизм высадки. Только одна фирма Acme (США) применяет эксцентриково-кулисный механизм высадки [4]. Он представляет собой кривошипный дезакси-альный механизм с массивным, выполненным из стального литья или из поковки шатуном, передающим силу на высадочный ползун с закреплением на нем блоков пуансонов.
282
Глава 3.10. ГОРИЗОНТАЛЬНО-КОВОЧНЫЕ МАШИНЫ
3.10.2. Производство ГКМ в мире
Страна, фирма Номинальная сила высадки, Формула кинематической схемы
МН, или размер в дюймах (см. рис. 3.10 2)
Россия, РЗ ТКПО 1,6...12,5 ВР-11-21-31(32)-41
2,5... 12,5 ВР-11-21-31-41
Украина, НКМЗ 20...31,5 ВР-12-21-31-41
Чехия, Smeral 2...12 ВР-11-21-31-41
2,5...6,3 ГР-12-21-34-41
США, National 1...11" ВР-11(12)-21-31(32)-41
США, Ajax 1...8" ВР-11(12)-21-31(32)-41
США, Acme 1...6" ВР-11-22-31-41
Германия, Eumuco 0,8...31,5 ГР-13-21-34-41
Германия, Kieserling по лицензии Ajax 1...7" ВР-11(12)-21-31(32)-41
Германия, Kieserling 1...7" ГР-12-21-31-41
Германия, Hasenclever 4...10 ВР-11(12)-21-3 5-00
1...16 ГР-12-21-33-42
Германия, Wagner 2...20 ВР(ГР)-11(12)-21-33-41
Англия, Covmac 3/4... 6" ВР-11-21-33-41
Англия, Lamberton 2,5...6" ВР-11-21-33-41
Англия, Grinbat 1...4" ВР-11-21-31-41
Англия, Etchels 1,25...16 ГР-12-21-33-42
Япония, Aida 2... 12,5 ГР-12-21-31-41
Япония, Сове Steell по лицензии Eumuco 3,5...28 ГР-12-21-34-41
Гчризонтально - ковочные машины (ГКМ)
/ Станина.
2 Механизм высадки
3. Механизм зажима
4, Предохранитель механизма зажима
/./
2.1
3.1
4.1
С вертикальным разъемом (ВР)
С горизонтальным разъемом ( ГР)
Цельная
Из 2-х частей.
1.2 соединенных жестко
Из 2-х частей, / 3 соединенных шарнирно
Кривошипноползунный
Эксцентриково-
2.2 кулисный
Кривошипно-
Кривошипно-
Кривошипно-
31 P^JKHO- Ь, рычожно- 1Т4 рычакно- к.
рычажный. 3.1 клино1ый 3.3 ;;менн>1й № шатунный )!> пмзУнн*и
Кулачково-
Рычажно-пружинный
0)
Рычажно-42 гидравлический (пневматический)
Рис. 3.10.2. Классификация ГКМ (а) и классификация основных узлов и механизмов ГКМ (б)
ГОРИЗОНТАЛЬНО-КОВОЧНЫЕ МАШИНЫ
283
Рис. 3.10.2. Продолжение
284
Глава 3.10. ГОРИЗОНТАЛЬНО-КОВОЧНЫЕ МАШИНЫ
Рис. 3.10.3. Кинематическая схема ГКМ ВР средних и тяжелых конструкций:
7 - неподвижная матрица; 2 - подвижная матрица; 3 - блок пуансонов; 4 - высадочный ползун;
5 - зажимной ползун; 6 - зажимной механизм; 7 - боковой ползун; 8 - кулачковый привод механизма зажима;
9 - электродвигатель; 10 - регулировка механизма зажима
Рис. 3.10.4. Кинематическая схема ГКМ ВР малых конструкций:
7 - неподвижная матрица; 2 - подвижная матрица; 3 - блок пуансонов; 4 - высадочный ползун;
5 - боковой ползун; 6 - кривошипно-рычажно-клиновый привод механизма зажима;
7 - предохранитель механизма зажима; 8 - электродвигатель
ГОРИЗОНТАЛЬНО-КОВОЧНЫЕ МАШИНЫ
285
Рис. 3.10.5. ГКМ ГР Eumuco (Германия) (продольный разрез):
/ - неподвижная часть станины; 2 - подвижная часгь станины; 3 - высадочный ползун; 4 - кривошипноползунный механизм высадки; 5 - механизм зажима; 6 - зажимной шатун; 7 - ось качания верхней станины
Коленчатый вал - изготавливают из поковки хромоникелевой стали с термообработкой, двух- или трехопорный в зависимости от конструкции механизма зажима. Опоры разъемные (реже неразъемные) с подшипниками из высокооловянистой или другой высококачественной бронзы.
Высадочный ползун выполнен из стального литья. Кроме прочности и жесткости должен иметь хорошее направление, что обеспечивает точность поковок и высокую стойкость штампов. Для этого высадочные ползуны имеют две пары направляющих, разнесенных настолько, насколько это позволяет конструкция станины.
Механизм зажима оказывает главное влияние на качество и точность получаемых на ГКМ поковок, на стабильность настройки и стойкость штампов.
Применяются следующие основные типы механизмов зажима.
Кулачково-рычажный механизм (см. рис. 3.10.3). Обеспечивает смыкание и размыкание матриц, а также нераскрытие матриц при высадке.
Условия нормальной работы ГКМ при формообразовании высадочным ползуном:
F > F • F' = 0 3 F 1 заж - 1 выс ’ * заж ’ * выс ’
где F^ - сила, воспринимаемая зажимным ползуном при штамповке высадочным ползу
ном; F^ - сила, развиваемая механизмом зажима при смыкании матриц; FBbIC - сила, развиваемая высадочным ползуном при штамповке.
Недостатком такой конструкции является наличие быстроизнашиваемых деталей, главные из которых это пара кулачок - ролик, а также втулки осей рычагов. Именно поэтому кулачково-рычажный механизм зажима рассчитывается на силу F^ = 0,3 FBbIC, а формообразование зажимным ползуном оказывается невозможным. Методы проектирования кулачковых механизмов рассмотрены в работах [6, 7].
Кривошипно-рычажно-кпиновый (см. рис. 3.10.4) и кривошипно-рычажно-коленный механизмы [1]. Смыкание и размыкание матриц и выдержку (выстой) их в закрытом состоянии эти механизмы обеспечивают за счет подбора размеров кривошипа, длины рычагов и угла их качания. Обеспечить работу ГКМ по заданной циклограмме в данном случае значительно сложнее, чем при использовании кулачков. Кроме того, система рычагов может обеспечить неподвижность матрицы во время формообразования только за счет изменения величины натяга. Да и формообразование зажимным ползуном практически невозможно.
286
Глава 3.10. ГОРИЗОНТАЛЬНО-КОВОЧНЫЕ МАШИНЫ
Кривошипно-рыжачно-шатунный механизм. Этот механизм предложен фирмой Еи-тисо и может использоваться только на ГКМ ГР (см. рис. 3.10.5) [3]. Отличительный признак этого механизма - наличие двух массивных, расположенных симметрично по обе стороны станины зажимных шатунов, смыкающих подвижную и неподвижную части станины с закрепленными на них матрицами. Зажимные шатуны обеспечивают не только надежный зажим, но практически и неподвижность матриц во время формообразования и постоянную силу зажима, благодаря необычно большой длине шатунов и малой длине дуги их качания. Зажимной механизм такого типа позволяет, по данным фирмы Eumuco, осуществлять и формообразование поковки зажимной матрицей с силой F^ = l,3FBbIc. При этом схема нагружения ГКМ оказывается весьма благоприятной - станина ГКМ ГР Eumuco практически не нагружена силой зажима, она воспринимается зажимными шатунами.
Кривошипно-ползунный механизм. В этом случае ГКМ имеет два одинаковых механизма, каждый со своим независимым приводом, но один из них несет блок пуансонов, а второй -подвижную матрицу. Кинематика и конструкция механизма несложны. Работа механизма зажима по заданной циклограмме обеспечивается электропневматической системой управления, причем любая циклограмма ГКМ обеспечивается одинаково легко путем настройки системы управления. Формообразование заготовки производится подвижной матрицей. Условие нормальной работы ГКМ при формообразовании и высадочным и зажимным ползунами:
г > г К' > F 7заж — 7 выс ’ * заж — * выс •
Несмотря на это, кривошипно-ползунный механизм зажима ГКМ широкого распространения пока не получил, поскольку наряду с достоинствами он имеет и серьезные недостатки. Например, трудно обеспечить точную остановку подвижной матрицы в крайнем переднем положении, невозможно встроить в него надежно действующий самовосстанавливаю-щийся предохранитель и т.д.
Отсюда следует, что кривошипноползунный механизм зажима на универсальных и особенно на автоматизированных ГКМ применять нецелесообразно, но в некоторых специальных ГКМ, как, например, ГКМ для
высадки концов буровых труб фирмы Hasen-clever, применение его вполне оправдано.
На РЗ ТКПО создан комбинированный механизм зажима, сочетающий преимущества кулачково-рычажного и кривошипно-ползунного механизмов зажима. Этот механизм устанавливается по заказу на ГКМ ВР силой 2,5 МН и позволяет производить штамповку зажимным ползуном в конце хода с силой 2,5 МН.
Предохранители механизма зажима. Специфика работы ГКМ предопределяет наличие предохранителя в механизме зажима, где вероятность возникновения перегрузки значительно больше, чем в механизме высадки. Кроме того, перегрузка возникает здесь, как правило, не в конце рабочего хода зажимного ползуна, а в середине или даже в начале его (в случае зажима прутка между ручьями или поперек ручьев). Поэтому предохранитель механизма зажима должен обеспечивать возможность совершения полного хода высадочного ползуна и привода механизма зажима при неподвижном зажимном ползуне, а после остановки машины в исходном положении механизм зажима должен быть готов к совершению очередного рабочего хода.
Рычажио-пружиииый механизм. Сила от кулачкового механизма или кривошипа к зажимному ползуну передается через систему рычагов, поджатую пружиной, сила которой рассчитывается из условия: Е^ж = 0,3FBbIc. При стопорении зажимного ползуна на любом участке его хода пружина сжимается, а рычаги складываются, и привод зажима совершает свой ход при неподвижном зажимном ползуне. По окончании рабочего хода рычаги предохранителя автоматически занимают свои места.
Изложенное выше справедливо и для рычажно-гидравлического типа предохранителей, отличающихся только тем, что вместо пружины применен гидроцилиндр или пневмоцилиндр. Наибольшее распространение получили рычажно-пружинные предохранители, как достаточно надежные и наиболее простые в эксплуатации.
Расчеты сил в зажимных и предохранительных механизмах приведены в литературе [3,2].
Привод всех современных ГКМ, как правило, состоит из электродвигателя, клиноременной и зубчатой передач, фрикционной пневматической муфты включения и тормоза. Разница только в конструкциях и исполнении узлов и механизмов.
ГОРИЗОНТАЛЬНО-КОВОЧНЫЕ МАШИНЫ
287
ГКМ с вертикальным или горизонтальным разъемом матриц имеют свои эксплуатационные преимущества и недостатки [5]. При штамповке на ГКМ ГР заготовка перемещается по ручьям в горизонтальной плоскости, нет необходимости держать ее на весу, поэтому труд штамповщика здесь значительно легче даже при отсутствии механизации.
Штамповка поковок от прутка и их удаление на ГКМ ВР много проще, чем на ГКМ ГР. На ГКМ ВР автоматизация используется в основном для коротких заготовок, концы которых не выходят за пределы матриц со стороны штамповщика. На ГКМ ГР автоматизация применяется как для коротких, так и для длинномерных заготовок.
Охлаждение штампов и удаление окалины на ГКМ ВР осуществляется водой и воздухом. На ГКМ ГР - только воздухом.
У ГКМ ВР легче и быстрее проводить монтаж при сборке и демонтаж при ремонте всех основных узлов машины, а также замену матриц и пуансонов.
В России производство ГКМ ВР сосредоточено на РЗ ТКПО (табл. 3.10.3). Основные параметры регламентируются ГОСТ 7023-89. ГКМ ГР серийно не изготавливаются.
В США производством ГКМ занимаются 3 фирмы, там же находится и ведущая фирма в мире по ГКМ ВР - National (табл. 3.10.4), причем ни одна из американских фирм не выпускает ГКМ ГР. Тем не менее потребность в ГКМ ГР с каждым годом растет.
В Германии производством ГКМ занимаются 4 фирмы, из них 3 выпускают ГКМ ВР и ГКМ ГР. Там же находится ведущая фирма в мире по ГКМ ГР - Eumuco (табл. 3.10.5), которая ГКМ ВР не производит вообще.
Основные направления дальнейшего совершенствования ГКМ состоят в следующем: расширение выпуска автоматизированных машин на базе их специализации; придание жесткости машин в пределах установленных норм для получения поковок повышенной точности и увеличения стойкости штампов; расширение технологических возможностей ГКМ ВР за счет возможности формообразования зажимным ползуном.
3.10.3. Краткая техническая характеристика ГКМ ВР универсального назначения, выпускаемых в России и Украине
Параметр Численные значения
Номинальная сила, развиваемая высадочным ползуном Гн, МН 1,6 2,5 4 6,3 8 12,5 20 31,5
Сила, воспринимаемая зажимным ползуном при закрытых матрицах при штамповке F^, МН 1,6 2,5 4 6,3 8 12,5 20 31,5
Ход высадочного ползуна, мм 200 220 290 350 380 460 570 700
Ход высадочного ползуна после закрытия матриц, мм 125 140 190 230 250 310 390 480
Обратный ход высадочного ползуна при закрытых матрицах, мм 40 60 80 НО 130 170 210 270
Частота непрерывных холостых ходов ползуна в минуту 80 63 53 42 38 32 28 22
Мощность привода, кВт 13,0 16,0 25,0 36,0 45,0 75,0 155 250
Масса машины, т 13,2 22,3 36,0 53,0 80,7 128 230 390
28&
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
.2ЛЯ4 Лряткяя техническая характеристика ГКМ ВР универсального назначения, выпускаемых фирмой National (США)
Параметр Численные значения
Размер машины, дюймы Ход высадочного 1,5 2 2,5 3 4 5 6 7,5 9
ползуна, мм 223 241 241 279 343 381 457 559 660
Рабочий ход высадки, мм Отход высадочного ползуна 101 152 171 190 158 206 244 282 381
до раскрытия матриц, мм Частота непрерывных 31 38 44 44 57 76 117 139 171
ходов ползуна в минуту 75 60 55 45 35 30 27 25 25
Мощность привода, кВт 7,5 15 18,5 22 30 37 55 ПО 185
Масса машины, т 11,3 19,7 23,6 38,1 59 81,6 115,6 182,3 226,8
3.10.5. Техническая характеристика ГКМ ГР универсального назначения, выпускаемых фирмой Eumuco (Германия)
Параметр Численные значения
Номинальная сила высадочного ползуна, МН 0,8 1,25 2 3,15 4,5 6,3 9 12,5 16 20 25 31,5
Номинальная сила зажима, МН 1,06 1,7 2,65 4,2 6 8,5 11,8 17,8 21,2 26,5 33,5 42
Рабочий ход высадочного ползуна, мм 100 ПО 130 150 170 190 215 245 280 310 350 380
Частота непрерывных ходов высадочного ползуна в минуту 75 70 65 55 45 35 32 28 25 23 20 18
Мощность привода, кВт 7,5 11 11 15 22 30 37 60 75 90 ПО 132
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Живов Л.И., Овчинников А.Г. Кузнечно-штамповочное оборудование. Прессы. 2-е изд. Киев: Вища школа, 1981. 376 с.
2. Залесский В.И. Оборудование кузнечно-прессовых цехов. 2-е изд. М.: Высшая школа. 1973. 632 с.
3. Кузнечио-штамповочиое оборудование / А.Н. Банкетов, Ю.А. Бочаров, Н.С. Доб-ринский и др., Под ред. А.Н. Банкетова и Е.Н. Ланского. 2-е изд. М.: Машиностроение, 1982. 576 с.
4. Несвит С.М., Нюнько О.И. Горизонтально-ковочные машины и их автоматизация М.: Машиностроение, 1964. 324 с.
5. Нюнько О.И., Савииов Е.А. О преимуществах и недостатках горизонтальноковочных машин с горизонтальным разъемом матриц // Кузнечно-штамповочное производство. 1976. № 1.
6. Попов Н.Н. Расчет и проектирование кулачковых механизмов. М.: Машиностроение, 1980.
7. ЦБКМ МС и ИП. Методика профилирования кулачков. Методические указания. М НИИНмаш, 1983.
АВТОМАТЫ ДЛЯ ХОЛОДНОЙ ОБЪЕМНОЙ ШТАМПОВКИ
289
Глава 3.11
АВТОМАТЫ ДЛЯ ХОЛОДНОЙ ОБЪЕМНОЙ ШТАМПОВКИ
Назначение и область применения. Автоматы для холодной объемной штамповки предназначены для изготовления методами холодного объемного деформирования разнообразных деталей и полуфабрикатов стержневого типа с головками, утолщениями, оплошных, полых, а также коротких деталей простой и сложной формы из калиброванной проволоки, прутков и штучных заготовок, диаметром до 40 мм, подготовленных для холодной штамповки из стали, цветных металлов и их сплавов с временным сопротивлением до 800 МПа.
Холодная объемная штамповка на автоматах характеризуется высокой стабильностью размеров изделий как в партии, так и между партиями.
Точность изделий в массовом производстве достигает 8... 11 квалитетов, а шероховатость Ra = 0,16... 1,25 мкм. Благодаря рациональной ориентации волокон в процессе деформации повышаются механические свойства изделий.
Коэффициент использования металла при штамповке на автоматах достигает 0,87...0,98 при изготовлении стержневых изделий и 0,7...0,8 при изготовлении гаек. Использование холодноштамповочных автоматов в массовом и серийном производстве позволяет многократно (в 5-10 раз) повысить производительность труда, по сравнению с обработкой резанием.
Классификация холодноштамповочных автоматов. В зависимости от назначения и осуществляемого технологического процесса холодноштамповочные автоматы подразделяются на специализированные автоматы для штамповки широкой номенклатуры стержневых и коротких изделий, заготовок шариков и роликов, для обрезки и повторной высадки, для изготовления гвоздей и специальные автоматы для штамповки деталей только одного наименования (определенной формы и размера).
В зависимости от количества штамповочных формообразующих позиций автоматы могут быть одно- или многопозиционными (двух - шести).
По количеству последовательных взаимодействий (ударов) пуансонов с заготовками автоматы подразделяются на одно- и многоударные. При совпадении количества ударов с
10-819
числом позиций количество ударов, как правило, не указывается.
По конструкции матриц автоматы могут быть с цельными или разъемными матрицами.
По расположению главного исполнительного механизма автоматы могут быть вертикального или горизонтального исполнения. Наибольшее распространение получили автоматы последнего типа.
Однопозиционные автоматы для высадки стержневых изделий. К этой группе относятся холодновысадочные одно-, двух- и трехударные автоматы для штамповки стержневых изделий с одной формообразующей цельной матрицей. Автоматы с номинальной силой от 0,063 до 2 МН используют калиброванную проволоку диаметром от 1,6 до 20 мм. Основные параметры холодновысадочных двухударных автоматов для штамповки изделий с длиной стержня до 10 диаметров (рис. 3.11.1) определены ГОСТ 12933-88.
Особенностью двухударных автоматов является то, что продольный и поперечный распределительные валы, приводимые от промежуточного вала, имеют частоту вращения в 2 раза меньшую, чем частота вращения главного кривошипного вала.
В результате того что частота перемещения механизма реза, выталкивания и подачи в 2 раза меньше частоты перемещения ползуна, одно изделие получается за два хода (удара) ползуна.
Характерной особенностью однопозиционных двух-, трехударных автоматов является наличие перемещающейся пуансонной головки с двумя иди тремя пуансонами, которые поочередно при каждом ходе ползуна устанавливаются на позицию штамповки. Пуансонные головки конструктивно выполняются либо возвратно-поступательного типа с перемещением в вертикальной плоскости, либо поворотного (качательного) типа. Современные быстроходные холодновысадочные автоматы оснащаются пуансонными головками поворотного типа, обладающими меньшей инерционностью.
Для осуществления возможности изготовления на двухударных автоматах с цельными матрицами изделий с длиной стрежня свыше 10 диаметров применяют специальные конструкции выталкивателей телескопического типа или экстракторов, связанных с ползуном и удаляющих изделие за его головку из матрицы после предварительного выталкивания изделия обычным способом на небольшую величину.
290
Глава 3.11. АВТОМАТЫ ДЛЯ ХОЛОДНОЙ ОБЪЕМНОЙ ШТАМПОВКИ
Рис. 3.11.1. Кинематическая схема одчопозиционного двухударного автомата с цельной матрицей:
7 - муфта включения; 2 - привод промежуточного вала с передаточным отношением 1:2;
3 - ленточный тормоз; 4 - кулаки для поворота пуансонной головки; 5 - винт для осевой регулировки ножа;
6 - кулачковый привод механизма отрезки; 7 - продольный распределительный вал; 8 - обгонная муфта;
9 - правильное устройство; 10 - тяга привода механизма подачи; 77 - подающие ролики; 72 - толкатель регулируемый; 73 - поперечный вал; 14 - упорный винт для регулировки выталкивателя; 75 - кулак привода выталкивателя; 16- предохранительная кулачковая муфта; 77- прижим для удержания заготовки; 18- нож; 79 - регулируемый упор; 20 и 24 - упоры; 21 - выталкивающий стержень; 22 - кулак; 23 - пуансонная головка
К группе однопозиционных одноударных автоматов относятся также горизонтальные автоматы для холодного выдавливания полых и сплошных деталей из цветных металлов и высокопластичных сталей силой от 0,25 до 6,3 МН, работающие с производительностью до 250 изделий в минуту. Особенностью конструкции
этих автоматов является исполнение привода ползуна от кривошипного коленно-рычажного или кривошипного кулачково-рычажного механизма (рис. 3.11.2), а также применение различных бункерно-ориентирующих устройств для подачи штучных заготовок в зону штамповки.
450
40
Полный хог
Рис. 3.11.2. Схема привода ползуна горизонтальных автоматов для выдавливания деталей из цветных металлов
АВТОМАТЫ ДЛЯ ХОЛОДНОЙ ОБЪЕМНОЙ ШТАМПОВКИ
291
Автоматы для холодной штамповки шариков и роликов. Одноударные автоматы с одной формообразующей матрицей и одним пуансоном изготавливаются для штамповки из калиброванного бунтового или пруткового металла заготовок шариков диаметром от 1,0 до 32 мм и роликов диаметром от 4 до 25 мм для подшипников качения с теоретической производительностью от 90 до 1100 штук в минуту и номинальной силой от 0,08 до 3,15 МН.
Исполнение этой группы автоматов в основном аналогично двухударным автоматам с учетом особенностей, вызванных штамповкой коротких заготовок. В шариковых автоматах применяют пуансон с подпружиненным креплением, а в роликовых - специальный заталки-ватель для передачи заготовки из ножа в коническую или цилиндрическую полость матрицы. В целях повышения соосности частей заготовок, деформируемых в пуансоне и матрице, намечается тенденция к развязыванию жесткого соединения пуансона с ползуном и размещению его и матрицы в едином блоке с соосными гнездами для их крепления.
Автоматы обрезные и для повторной высадки. Автоматы предназначены для обрезки цилиндрических головок по требуемому контуру (шестигранник, квадрат и т.п.) ранее отштампованных на холодновысадочных авто
матах стержневых деталей с цилиндрическими головками, а также для редуцирования стержня детали перед обрезкой и повторной высадкой для получения головки более сложной формы (например, с внутренними шестигранником). Автоматы используются как самостоятельное оборудование, так и в составе автоматических линий. Автоматы имеют одну цельную формообразующую матрицу и один пуансон (рис. 3.11.3). Эти автоматы работают из штучных заготовок и поэтому оснащаются бункерно-загрузочными устройствами и механизмами подачи заготовок в зону штамповки. Отличительной особенностью автоматов является наличие в ползуне приводного выталкивателя. Изготавливают обрезные автоматы с номинальной силой от 0,125 до 2 МН.
Многопозиционные холодноштамповочные автоматы. Наибольшими технологическими возможностями обладают многопозиционные холодноштамповочные автоматы (рис. 3.11.4). Они оснащены соответствующим количеством формообразующих комплектов матриц и пуансонов (два-шесть и более) и механизмами различной конструкции, взаимодействующими в соответствии с цикловой диаграммой, для осуществления заданного технологического процесса: подачи до упора проволоки или прутка, отрезки заготовки нужной
Рис. 3.11.3. Инструмент обрезного автомата
10*
292
Глава 3.11. АВТОМАТЫ ДЛЯ ХОЛОДНОЙ ОБЪЕМНОЙ ШТАМПОВКИ
Рис. 3.11.4. Кинематическая схема 4-позиционного холодноштамповочного автомата для стержневых изделий: 1 - приводной электродвигатель; 2 - клиноременная передача; 3 - маховик с муфтой включения;
6,24,26 - цилиндрические зубчатые колеса; 7 - кривошипный вал; 8 - шатун; 9,14,35- конические зубчатые колеса; 10 - ползун; 11 - продольный распределительный вал; 12 - пуансоны; 13 - блок кулачков механизма реза; 15 - подающие ролики; 16 - кулачки механизма выталкивания из матриц; 17- поперечный распредительный вал; 18 - блок кулачков привода каретки механизма переноса; 19 - рейка привода каретки переноса; 20 - кривошипный механизм привода каретки переноса; 21 - каретка механизма переноса;
22 - матричный блок; 23 - кривошипно-рычажный механизм привода выталкивателей из матриц;
25 - кулачок привода заталкивателя резьбонакатного устройства; 27 - рычажный привод заталкивателя резьбонакатного устройства; 28 - кривошипно-рычажный привод резьбонакатного устройства; 29 - цепь;
30- кулачок привода фасочно-подрезного устройства; 31 - кулачок заталкивателя фасочно-подрезного устройства; 32 - каретка фасочно-подрезного устройства; 33 - механизм выталкивания из матриц;
34 - кулачковый вал механизма переноса; 36 - вертикальный вал; 37 - механизм поддержки коротких заготовок; 38 - привод механизма поддержки
длины, ее деформирования, транспортирования полуфабриката между позициями штамповки, выталкивания изделий из матриц и пуансонов. Эти автоматы являются основным типом оборудования для производства крепежных изделий, а также целого ряда машиностроительных деталей. Они обеспечивают получение изделий по наиболее прогрессивному многопереходному (двух-, трех-, четырех и более) технологиче
скому процессу холодной объемной штамповки с применением операций одно- и многократного редуцирования, прямого и обратного выдавливания, который позволяет получать качественные равнопрочные изделия, добиться наиболее рационального использования металла, исключить повреждение и загрязнение заготовок при их транспортировке с одного автомата на другой, обеспечить высокую стабильность процес
АВТОМАТЫ ДЛЯ ХОЛОДНОЙ ОБЪЕМНОЙ ШТАМПОВКИ
293
са, снизить трудоемкость изготовления изделий и затраты на эксплуатацию оборудования, уменьшить количество обслуживающего персонала, улучшить условия труда.
Главное достоинство многопозиционных автоматов - концентрация в одной машине нескольких технологических переходов при полной автоматизации рабочих и вспомогательных операций.
При правильно спроектированном технологическом процессе можно получить не только равнопрочные изделия, но и изделия с более высокими механическими свойствами, чем исходные заготовки, исключив необходимость их последующей термообработки.
Для изготовления крепежных изделий стержневого типа с головкой наиболее прогрессивным видом оборудования являются автоматы-комбайны, выполняющие наряду со штамповкой подрезку торца и фаски на стержне, накатку резьбы.
Штамповочные позиции в многопозиционных автоматах могут располагаться по окружности, в вертикальной или горизонтальной плоскостях. Наибольшее распространение получили автоматы с горизонтальным расположением штамповочных позиций как обладающие наибольшими технологическими и эксплуатационными преимуществами. Для изготовления крепежных изделий стержневого типа автоматы, как правило, выпускаются в четырехпозиционном исполнении с номинальной силой от 0,32 до 5 МН. Основные параметры этих автоматов для изделий с длиной стержня до 10 диаметров установлены ГОСТ 9861-88.
Предусмотрено оснащение их фаскоподрезным и резьбо накатным устройствами.
Для штамповки гаек и подобных им изделий автоматы изготавливают, как правило, в пятипозиционном исполнении с номинальной силой от 0,315 до 7,5 МН. Основные параметры этих автоматов установлены ГОСТ 6414-87.
Ддя штамповки широкой номенклатуры машиностроительных деталей предусматриваются пяти- и шестипозиционные автоматы с номинальной силой от 0,5 до 5,0 МН, сочетающие особенности стержневых и гаечных автоматов.
Для штамповки изделий с длиной стержня свыше 10 диаметров выпускаются автоматы специального исполнения, оснащенные телескопическими выталкивателями из матриц.
Прогрессивным видом высокоэффективного холодноштамповочного оборудования яв
ляются холодновысадочные двухпозиционные трехударные автоматы, сочетающие конструктивные особенности двухударных и многопозиционных автоматов (рис. 3.11.5).
Характерной особенностью этих автоматов является наличие двух формообразующих цельных матриц и трех пуансонов, расположенных на поворотной пуансонной головке. На этих автоматах одно изделие получается за два хода ползуна.
Типовым видом обработки изделий на этих автоматах является прямое выдавливание с большой степенью деформации (до 75 %) в матрице на первой позиции и двухударная высадка на второй позиции. Благодаря различному сочетанию этих формообразующих переходов на данных автоматах становится возможной штамповка сложных деталей с большой головкой, превышающей в 30 раз диаметр стержня готового изделия, и многоступенчатых коротких
Рис. 3.11.5. Технологическая схема холодновысадочного двухпозиционного трехударного автомата: 1 - подача материала; 2 - позиция переталкивания заготовки; 3 - первая позиция штамповки; 4 - вторая позиция штамповки; 5 - правильное устройство; 6 - подающие ролики; 7 - направляющая втулка; 8 - отрезная втулка; 9 - отрезной нож; 10 - упор;
11 - переталкиватель; 12,14 - выталкиватели;
13,20 - матрицы; 15 - захваты клещей механизма переноса; 16,18,23 - пуансоны; 17- заготовка;
19- матричный блок; 21 - готовое изделие;
22 - пуансонная головка; 24 - ползун
294
Глава 3.11. АВТОМАТЫ ДЛЯ ХОЛОДНОЙ ОБЪЕМНОЙ ШТАМПОВКИ
деталей, получение которых на обычных двухударных и многопозиционных автоматах невозможно. Двухпозиционные трехударные автоматы изготавливают для изделий с диаметром стержня от 6 до 20 мм.
Автоматы проволочно-гвоздильные. Проволочно-гвоздильные автоматы (рис. 3.11.6) предназначаются для изготовления гвоздей разного типа диаметром от 1,2 до 8 мм из бунтовой проволоки общего назначения с временным сопротивлением 500...800 МПа. Автоматы изготавливают с номинальной силой от 0,01 до 0,315 МН и наибольшей теоретической про
изводительностью до 1050 штук в минуту с основными параметрами по ГОСТ 5627-87.
В соответствии с технологическим процессом автоматы имеют: одну разъемную матрицу, один пуансон, механизмы подачи проволоки, зажима матрицы, заострения и отрезки стержня гвоздя.
Конструкция основных узлов и механизмов холодноштамповочных автоматов. Станина автомата выполняется в виде замкнутой жесткой рамы и изготавливается из высокопрочной чугунной или стальной отливки, подвергнутой термической обработке.
Рис. 3.11.6. Кинематическая схема проволочно-гвоздильного автомата:
1 - рычаг зажима; 2 - кулачок зажима; 3 - правильные ролики; 4 - направляющие каретки; 5 - зубильце;
6 - рычаг; 7 - каретка подачи; 8 - тяга; 9 - ползуны отрезки; 10 - отбойник гвоздей; 11 - кривошипная планшайба; 12,13 - конические зубчатые колеса; 14 - высадочный ползун; 15,16- шкивы; 17- зажимной ползун
АВТОМАТЫ ДЛЯ ХОЛОДНОЙ ОБЪЕМНОЙ ШТАМПОВКИ
295
Коленчатый вал изготавливается из легированной стали. Для многопозиционных автоматов кривошипная часть вала и шатун выполняются увеличенной ширины с охватом всех штамповочных позиций, обеспечивая высокую жесткость системы и исключая влияние на штамповку внецентренных нагрузок.
Для обеспечения высокой соосности штамповочного инструмента высадочный ползун многопозиционных автоматов выполняется с дополнительными направляющими, расположенными на хоботе, перекинутом через коленчатый вал, с соотношением длины направляющих к ширине ползуна не менее трех. Для исключения перекоса ползуна при штамповке (на величину зазоров в направляющих) в отдельных конструкциях автоматов применяют принудительный прижим ползуна к направляющим.
Матричные блоки обычно изготавливают из стального термически обработанного литья или поковки. Они выполняются цельными или разъемными со съемными крышками.
Для сокращения времени на смену и наладку инструмента весьма перспективным является его блочная замена, включая матричный и пуансонные блоки, и крепление его с помощью гидравлических быстродействующих клиновых устройств (рис. 3.11.7).
Подача материала производится посредством одной или двух пар периодически приводимых во вращение подающих роликов. Прижим и развод роликов осуществляется, как правило, с помощью пневмоцилиндров с элек-тропневматическим управлением. В некоторых
Рис. 3.11.7. Быстродействующие гидравлические клиновые устройства для крепления инструмента: /-пуансон; 2- матрица, 3 - клин; 4- гидроцилиндр
конструкциях автоматов величина подачи материала может регулироваться с помощью сервопривода, а также предусматривается автоматическое включение и выключение механизма подачи в соответствии с циклом работы автомата без подъема подающих роликов и при включенном приводе автомата.
Механизм реза выполняют качательного или поступательного типа с приводом от кулачков с полным кинематическим замыканием. Отрезка производится ножами открытого или закрытого типа. Механизм с открытым ножом имеет управляемый прижим заготовки и переносит ее с позиции отрезки на позицию штамповки. Отрезка с помощью закрытого ножа обеспечивает более высокое качество торцов заготовки. В этом случае заготовка переносится с позиции отрезки на промежуточную позицию для переталкивания заготовки в клещи механизма переноса.
Механизм переноса заготовки между позициями является одним из основных узлов, от стабильной и надежной работы которого зависит высокая производительность автомата. При большом разнообразии указанных механизмов они имеют общие принципиальные решения: малую инерционность, высокую точность позиционирования, наличие клещей для захвата и переноса заготовок.
Для гаечных автоматов клещи механизма выполняются неуправляемыми с возможностью кантовки изделия на 180° на всех или отдельных позициях. В автоматах для изделий стержневого типа клещи механизма переноса, как правило, имеют раздельное цикловое принудительное раскрытие. В автоматах для штамповки машиностроительных деталей применяют комбинированный механизм переноса, сочетающий особенности указанных выше механизмов.
Все штамповочные позиции оснащаются выталкивателями для удаления отштампованных заготовок из матриц и переталкивания их в клещи механизма переноса. Привод выталкивателей осуществляется от вращающихся или качающихся кулачков, расположенных на поперечном валу.
Для удаления заготовок из пуансонов автоматы оснащаются выталкивателями с приводом от копирных дорожек или качающихся кулачков, расположенных на ползуне и шарнирно соединенных с ним.
Многопозиционные автоматы-комбайны оснащаются одно- или многопозиционными фасочно-подрезными устройствами, а также
296
Глава 3.11 АВТОМАТЫ ДЛЯ ХОЛОДНОЙ ОБЪЕМНОЙ ШТАМПОВКИ
резьбонакатными устройствами с плоскими плашками или с роликом и сегментом.
Передача заготовок из зоны штамповки к фасочно-подрезному и накатному устройствам производится транспортно-ориентирующими устройствами в виде склизов, цепных транспортеров или специальных транспортных труб.
В автоматах применяется комбинированная система смазки - циркуляционная система под давлением для смазки опор коленчатого вала и шатуна и импульсная (безвозвратная) для смазки остальных пар трения.
Для обеспечения интенсивного охлаждения и технологической смазки формообразующего инструмента в автоматах применяется специальная циркуляционная система охлаждения. В конструкции автоматов предусматриваются устройства, исключающие смешивание смазки и охлаждающей жидкости.
Привод автоматов осуществляется от электродвигателей как переменного, так и постоянного тока с плавным регулированием частоты вращения вала как в рабочем, так и в наладочном режимах.
Некоторые тяжелые автоматы для наладочных работ оснащаются микроприводами.
Вращение от электродвигателя с помощью ременной передачи передается на маховик, а затем непосредственно или через зубчатую передачу на коленчатый вал. Автоматы с номинальной силой свыше 0,5 МН оснащаются фрикционной муфтой включения и тормозом с электропневматическим управлением.
Во всех конструкциях быстроходных холодноштамповочных автоматов с кривошипноползунным главным исполнительным механизмом применены устройства для статического и динамического уравновешивания посредством уравновешивающей массы, расположенной на кривошипном валу (рис. 3.11.8, а), четырех-звенника с качающейся кулисой (рис. 3.11.8, б) или посредством двух уравновешивающих масс, установленных на кривошипном и промежуточном валах (рис. 3.11.8, в).
В целях сокращения вспомогательного времени на переналадку в автоматах предусматриваются:
- автоматическая подача бунтов к автомату по мере их переработки, а также правил ьно-задающие устройства для тяжеловесных проволочных бунтов;
- быстросменное крепление формообразующих матриц, пуансонов, матричных и пуансонных блоков с помощью гидроклиновых зажимов или специальных поворотных штифтов;
Рис. 3.11.8. Схемы уравновешивания кривошипно-ползунного механизма:
R, Rt, R2, L, Lt, L2, X,Y- геометрические параметры механизма; m<, тв, m>pi, /Иур2 - приведенные массы звеньев механизма и уравновешивателей
- быстросменное крепление отрезного ножа и подающих роликов механизма подачи;
- блочная быстросменная конструкция инструмента (формообразующего, отрезного и накатного), механизма переноса, направляющих склизов и их внестаночная наладка на специальных стендах;
- регулировка с помощью сервопривода величины подачи материала, упора, механизма выталкивания из матриц.
Эффективность применения холодноштамповочных автоматов существенно повышается при использовании электронных систем диагностики как параметров технологического процесса, так и состояния инструмента, отдельных механизмов, систем и деталей.
Работа системы основана на измерении с помощью пьезо- или тензодатчиков сил, возникающих на каждой позиции штамповки, или работы при выполнении технологического процесса.
Работа системы начинается с автоматизированной фазы обучения, во время которой управляющий микропроцессор запоминает
ГОРЯЧЕШТАМПОВОЧНЫЕ АВТОМАТЫ
297
Рис. 3.11.9. Звукоизолирующая кабина для холодноштамповочного автомата
возникающие нагрузки при штамповке небольшой партии изделий, которые по своим конечным параметрам полностью соответствуют заданным значениям.
В ходе дальнейшей работы происходит сравнение фактических и заданных нагрузок (сил или работ), и при отклонении от последних автомат отключается.
Для экономичного использования холодноштамповочных автоматов в мелкосерийном производстве служат так называемые "штамповочные центры", представляющие собой автоматы с многоцелевыми формообразующими возможностями и оснащенные устройствами для автоматизированной смены инструмента, быстросменными механизмами переноса блочной конструкции и широкого технологического назначения, гидравлическими или механическими устройствами для крепления инструмента и системой диагностики.
Для снижения уровня шума, возникающего при работе автоматов, последние оснащаются специальными звукоизолирующими ограждениями или кабинами (рис. 3.11.9).
Масляные аэрозоли из рабочих зон автоматов удаляются с помощью ротационных или электростатических фильтров с выбросом очищенного воздуха в атмосферу цеха.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Биллигман И. Высадка и штамповка. М.: Машгиз, 1960. 467 с.
2. Ильина Н.П. Многопозиционные автоматы для холодной и горячей высадки. Аналитический обзор. М.: ВНИИТЭМР, 1988. 51 с.
3. Навроцкий Г.А. Кузнечно-штамповочные автоматы. М.: Машиностроение, 1965. 424 с.
4. Навроцкий Г.А., Миропольский Ю.А., Лебедев В.В. Технология холодной объемной штамповки на автоматах. М.: Машгиз, 1972. 96 с.
5. Миропольский Ю.А. Холодная объемная штамповка на автоматах. М.: Машиностроение, 2001. 254 с.
Глава 3.12
ГОРЯЧЕШТАМПОВОЧНЫЕ АВТОМАТЫ
Назначение, область применения. Автоматы для горячей объёмной штамповки являются одним из прогрессивных видов кузнечно-штамповочного оборудования и широко применяются в серийном, крупносерийном и массовом производствах. Наиболее эффективным является использование этих автоматов в составе автоматизированных комплексов и автоматических линий, обеспечивающих выпуск от 4000 до 10 000 заготовок в час (рис. 3.12.1).
Горячая объемная штамповка позволяет обрабатывать все марки углеродистой и большинство марок легированной стали при сравнительно небольших технологических силах и малом расходе энергии.
298
Глава 3.12. ГОРЯЧЕШТАМПОВОЧНЫЕ АВТОМАТЫ
Рис. 3.12.1. Автоматическая линия для горячей штамповки заготовок колец подшипников мод. Л309: 1 - автоматизированный стеллаж; 2 - индукционная нагревательная установка, 3 - многопозиционный автомат, 4 - транспортер для отвода штампованных заготовок
Штамповки, получаемые на горячештам-цовочных автоматах, по точности и внешнему виду приближаются к изделиям, получаемым холодной объемной штамповкой или методами порошковой металлургии.
Как правило, заготовки штампуются без облоя, они имеют весьма малые штамповочные уклоны, низкие припуски на последующую механообработку (0,5... 1 мм на сторону). Некоторые поверхности заготовок вообще оставляются необработанными.
Горячая штамповка на автоматах характеризуется высокой стабильностью размеров изделий как в партии, так и между партиями. В массовом производстве точность размеров достигает 0,3 мм, экономия металла до 25 % и более.
На горячештамповочных автоматах возможно изготовление как стержневых, так и коротких изделий типа гаек, колец шарико-ро-ликоподшипников, заготовок шестерен, муфт, карданных крестовин, тройников и других машиностроительных деталей.
Номинальная сила автоматов находится в пределах от 400 до 28 000 кН, максимальная масса штамповок доходит до 3...7 кг. В качестве исходной заготовки служит, как правило, горячекатаная сталь в прутках. В последнее время начинают использовать также бунтовой материал, обладающий меньшей стоимостью.
В зависимости от температуры нагрева металла, используемого при штамповке на автоматах, различают полугорячую (Т < 800 °C) и горячую штамповку (Т = 1100... 1250 °C). При этом сопротивление обрабатываемых сталей при полугорячей штамповке снижается 4...5 раз, а при горячей - в 10 и более раз.
При работе на горячештамповочных автоматах рекомендуется применять индукцион
ный нагрев либо нагрев в электропечах сопротивления. Эти виды нагрева наиболее пригодны для высокопроизводительного и автоматизированного оборудования, они резко снижают окалинообразование, обезуглероживание поверхностного слоя, обеспечивают экономию металла, повышают стойкость формообразующего инструмента, повышают коэффициент использования оборудования по времени, улучшают условия труда.
Автоматы для горячей объемной штамповки коротких деталей. Наибольшее распространение имеют многопозиционные горячештамповочные автоматы для коротких изделий. В зависимости от номинальной силы и технологического назначения автоматы имеют три или четыре штамповочные позиции (не считая позицию отрезки заготовки).
Штамповочные позиции могут располагаться в горизонтальной либо в вертикальной плоскости. В отдельных типах автоматов предусматривается смещение позиций отрезки и первоначальной осадки относительно остальных штамповочных позиций, что позволяет исключить попадание окалины на основные формообразующие позиции.
Наибольшее распространение получили автоматы с горизонтальным расположением позиций (рис. 3.12.2). Основные технические характеристики автоматических линий на базе горячештамповочных автоматов представлены в табл. 3.12.1.
Работая в условиях больших технологических нагрузок, высоких температур, наличия окалины и охлаждающей воды, горячештамповочные автоматы имеют специфические конструктивные особенности.
ГОРЯЧЕШТАМПОВОЧНЫЕ АВТОМАТЫ
299
/ 2 3 4 5 6 7 89 10 11
39 383736 3534 33 32 31 30 29 28 27 26 25 24 23
Рис. 3.12.2. Кинематическая схема горячештамповочного автомата с горизонтальным расположением матриц:
/-маховик со встроенной фрикционной муфтой; 2 - электродвигатель; 3 - кулачок привода устройства контроля "залипания" заготовок на пуансоне; 4,22,27,37- конические зубчатые колеса; 5 - рычажная система контроля "залипания" заготовок; 6,35 - продольные распределительные валы; 7,9,10 - кулачки
привода элементов механизма отрезки заготовок; 8,11, /9- возвратные пружины; 12 - ножевой шток; /3-зажимная матрица; 14 - клин; 15 - прижим заготовки к ножу; 16 - подающие ролики; 17- кулачки
выталкивателей из матриц; 18 - выталкиватели из матриц; 20 - поперечный распределительный вал;
2/-кулачок привода подачи; 23- рычажная система привода подачи; 24 - обгонная муфта; 25 - матричный блок; 26- кулачок поворота скалок механизма переноса; 28,30,31 - рычажные системы механизма переноса; 29-кулачки продольного перемещения механизма переноса; 32 - механизм переноса; 33- щупы устройства контроля "залипания" заготовок; 34 - пуансоны; 36 - ползун; 38,39, 47 - цилиндрические зубчатые колеса; 40- кулачок выталкивателей из пуансонов; 41 - выталкиватели из пуансонов; 42, 43 - рычажные системы выталкивателей из пуансонов; 44 - шатун; 45 - кривошипный вал; 46 - поперечный вал; 48 - приводной вал
Станина автомата, представляя собой замкнутую жесткую раму, выполняется из стальной легированной отливки, подвергнутой термической обработке. Коленчатый вал изготавливают из легированной стали безщековой конструкции с широкой кривошипной частью, что обеспечивает высокую жесткость системы.
Шатун выполняют с увеличенной по длине соединительной осью, охватывающей все формообразующие позиции.
Для обеспечения высокой соосности штамповочного инструмента высадочный ползун должен иметь дополнительные направляющие, расположенные на хоботе, перекинутом через коленчатый вал. Отношение длины направляющих ползуна к его ширине должно быть не менее трех. Указанные выше конст
руктивные решения позволяют исключить влияние на штамповку внецентренных нагрузок и обеспечить требуемую стойкость инструмента.
Матричные блоки обычно изготавливают из стального, термически обработанного литья. Они имеют съемные крышки, облегчающие смену матриц.
Для сокращения времени на смену и наладку инструмента весьма перспективным является его блочная замена, включая матричный и пуансонные блоки и крепление его с помощью гидравлических быстродействующих клиновых устройств. Установка и наладка пуансонов и матриц в этом случае производится вне автомата на специальном стенде.
300
Глава 3.12. ГОРЯЧЕШТАМПОВОЧНЫЕ АВТОМАТЫ
3.12.1. Техническая характеристика автоматических линий (комплексов) на базе горячештамповочных автоматов для коротких изделий отечественного производства
Параметр А3422с нагревательной установкой и разматывателем АКА0334.31 на базе автомата А0334 Л324.21.100 на базе автомата А0339 Л309 на базе автомата А0341 Л324.41.100 на базе автомата Л324.41.112
Номинальная сила, кН 400 2500 8000 12 500 25 000
Диаметр резьбы гайки (наибольший), мм 16 36 48 76 —
Диаметр исходной заготовки (наибольший), мм 18 40 50 60 80
Длина отрезаемой заготовки (наибольшая), мм 22 72 100 135 180
Масса заготовки (наибольшая), кг 0,04 0,7 1,7 4,0 7,0
Размер штамповки (наибольший), мм:
диаметр 30 66 92 120 180
высота 17 45 60 80 60(90)
Производительность (теоретическая), шт./мин 15...180 70... 140 60... 100 35...70 30...45
Суммарная мощность электродвигателей, кВт 15,8 56 234 350 358
Габаритные размеры, мм:
длина 10 095 18 970 27 000 36 000 42 000
ширина 3588 6100 10 900 14 500 14 000
высота 2765 3590 4500 6000 5300
Масса (без преобразовательной подстанции), т 11 76 124,3 256 520
Подача нагретого материала проводится посредством одной или двух пар подающих роликов, периодически приводимых во вращение. Прижим и развод роликов осуществляются, как правило, с помощью пневмоцилиндров с электропневматичеким управлением. Величина подачи материала может регулироваться с пульта управления с помощью сервопривода. Сила прижима подающих роликов может регулироваться в зависимости от диаметра прут
ка и качества материала, исключая деформирование нагретого прутка и проскальзывание роликов по нему при одновременном удалении окалины до подачи прутка в рабочую зону автомата.
Для быстрой подачи нагретого металла в зону штамповки (в начале работы автомата) или быстрого его удаления из этой зоны механизм подачи оснащен специальным реверсивным приводом с муфтой включения, управляемой с пульта управления.
ГОРЯЧЕШТАМПОВОЧНЫЕ АВТОМАТЫ
301
Для надежного охлаждения механизма подачи через валы подающих роликов подается вода под давлением, свободно изливающаяся из торцовых отверстий валов. В автоматах малых размеров между падающими роликами и позицией отрезки может устанавливаться дополнительный индуктор, который обеспечивает поддержание оптимальной температуры материала до начала формообразования.
Механизм отрезки состоит, как правило, из трех основных составных частей: устройства для зажима прутка в разъемных матрицах, механизма отрезки открытого типа и управляемого по циклу прижима заготовки.
Такая конструкция обеспечивает перпендикулярность среза заготовки. Привод подвижной зажимной матрицы осуществляется от кулака.
Отрезное устройство выполняется с приводом как от кулачкового, так и от кривошип-но-рычажно-кулачкового механизма. Механизм прижима заговки, приводимый от кулачка, удерживает заготовку от изгиба в момент отрезки, а также в момент ее переноса на первую позицию штамповки.
Длина отрезаемой заготовки может быть установлена с точностью до 0,1 мм посредством упора, управляемого с помощью сервопривода непосредственно с пульта управления.
Немерные заготовки, а также немерные концы прутков удаляются сразу же после отрезки при нажатии оператором кнопки на пульте либо автоматически с помощью сенсорной системы. Прижимной палец при этом отходит и заготовка выпадает на пути к первой позиции штамповки.
Механизм переноса заготовок между позициями является одним из основных, от стабильной и надежной его работы зависит высокая производительность автомата. Несмотря на большое разнообразие указанных механизмов, они имеют общие принципиальные решения: управляемые по циклу клещи и прямолинейное перемещение их между позициями.
Учитывая высокую температуру, обилие охлаждающей воды и окалины, в штамповой зоне автомата находятся лишь две полые штанги (одна из которых расположена над матричным блоком, а другая - под ним), несущие две или три пары клещей. Раскрытие и закрытие клещей осуществляется путем поворота штанг в противоположные направления, а перенос заготовок - путем горизонтального перемещения штанг.
Привод поворота штанг осуществляется от блока кулаков, закрепленных на поперечном валу автомата, а привод перемещения штанг - от блока кулаков на продольном валу.
Для контроля возможного "залипания” заготовок на пуансонах автоматы оснащаются специальным устройством с качающимися щупами, которые при каждом ходе ползуна подходят к пуансонам, сбрасывают оставшуюся на пуансоне заготовку и подают сигнал на остановку автомата в случае, если заготовка осталась на пуансоне.
Каждая штамповочная позиция оснащается выталкивателем из матрицы для удаления отштампованной заготовки и переталкивания ее в клещи механизма переноса. Привод выталкивателей осуществляется от вращающихся или качающихся кулачков, расположенных на поперечном валу.
Рычаги механизма выталкивателя выполняются составными и оснащаются разрывными предохранителями. Выталкивающие стержни имеют тормозные устройства обратного хода с пневмоприводом и регулируемой силой торможения. Благодаря этому заготовки при заталкивании их в матрицу удерживаются между пуансоном и выталкивающим стержнем, что исключает возможность их перекоса.
Автоматы могут дополнительно оснащаться выталкивателями из пуансонов, необходимость в которых появляется при выполнении глубокой прошивки, формообразовании заготовок с буртами, фланцами и ступенчатыми углублениями. Эти выталкиватели приводятся в движение от качающихся кулачков, расположенных на ползуне и шарнирно соединенных с шатуном.
В автоматах применяется комбинированная система смазывания: циркуляционная система под давлением для опор коленчатого вала и шатуна и импульсная (безвозвратная) для остальных пар трения.
Эффективная система охлаждения является непременным условием для обеспечения требуемой стойкости инструмента и стабильности работы самого автомата. Эта система, обеспечивая интенсивное охлаждение инструмента, оставляет поковки в горячем состоянии. Для охлаждения используют как водопроводную воду, так и оборотную. Охлаждению подвергаются все пуансоны и матрицы, нож, упор и подающие ролики. Величина подачи охлаждающей воды дозируется с помощью регулировочных вентилей.
302
Глава 3.12. ГОРЯЧЕШТАМПОВОЧНЫЕ АВТОМАТЫ
Помимо душирующих устройств для охлаждения матриц и пуансонов в некоторых автоматах предусмотрено дополнительное охлаждение торцов пуансонов через щупы для контроля "залипания" заготовок.
Привод автоматов, как правило, осуществляется от электродвигателя постоянного тока с тиристорным управлением с плавным регулированием частоты вращения как в рабочем, так и в наладочном режимах.
В автоматах применяются фрикционные муфты включения и тормозы с электропневма-тическим управлением.
Автоматы оснащаются системой программного управления на базе микропроцессора, которая обеспечивает основные технологические функции, контроль перемещения и позиционирования основных механизмов с помощью дискретного углового кодирующего устройства с точностью до 1° поворота коленчатого вала.
Кроме того, предусматривается возможность ввода в основную программу дополнительных технологических данных.
Для полной автоматизации технологического процесса автоматы оснащаются автоматическим устройством, состоящим из фотодатчиков и электронного прибора, для контроля стыка двух прутков. Это устройство подает команду на подъем первого верхнего подающего ролика при подходе нового прутка, давая возможность сомкнуться ему с предыдущим, на выброс переднего немерного конца из механизма отрезки и на останов автомата в случае перерыва в подаче прутков.
В целях сокращения вспомогательного времени при переналадке в автоматах предусматриваются блочные быстросменные конструкции инструмента и механизма переноса, быстродействующие зажимные устройства, роботы и автоматизированные устройства для смены инструмента.
Автоматы для горячей объемной штамповки стержневых изделий. Конструктивно эти автоматы весьма разнообразны, выпускаются они горизонтального и вертикального исполнения, одно- и многопозиционными, одно- и двухударными, с цельными и разъемными матрицами. Автоматы работают как из прутка, так и из штучной заготовки. В первом случае применяют сплошной нагрев, а во втором - нагрев только деформируемого участка. По этой причине последний способ нагрева более экономичен.
Однопозиционные автоматы с разъемными матрицами применяют для получения стержневых изделий с головками относительно простой формы. Многопозиционные автоматы позволяют изготавливать изделия более сложной формы.
Эти автоматы, как правило, работают из штучной заготовки и входят в состав автоматических линий, имеющих оборудование для отрезки заготовок из бунта, нагрева деформируемого участка заготовки и последующей ее обработки после штамповки.
Так как при горячей штамповке невозможно редуцировать стержень и трудно осуществлять процесс обрезки облоя, то в составе автоматических линий используют автоматы, осуществляющие редуцирование, обрезку облоя, а также снятие фаски на стержне и накатку резьбы после охлаждения заготовок.
В многопозиционных автоматах штамповочные позиции могут располагаться по одной линии либо по окружности. В первом случае перенос заготовок между позициями производится механизмом переноса грейферного типа, а во втором случае заготовки переносятся непосредственно матрицами, расположенными в поворотном матричном блоке.
Схема привода поворотного матричного блока и системы питания показана на рис. 3.12.3.
Штучные заготовки подаются в поворотный питающий диск, а из него с помощью поворотной крестовины - в штамповочные матрицы. Заготовки, помещенные в поворотный диск, проходят через индуктор, где проводится нагрев их деформируемой части.
На первой позиции происходит предварительное заталкивание заготовки в матрицу, а на второй позиции - окончательное заталкивание и осадка стержня со сбивом окалины, на третьей - набор металла с предварительным формообразованием головки, на четвертой -окончательное формообразование головки, на пятой - предварительное (силовое) выталкивание изделия из матрицы, на шестой - окончательное выталкивание и интенсивное охлаждение с промывкой канала матрицы для удаления окалины.
Автоматы для полугорячей штамповки. Для полугорячей штамповки небольших по размерам деталей крупными сериями используются стандартные многопозиционные и однопозиционные автоматы для холодной объемной штамповки, оснащенные нагревательными устройствами и специальной системой
КОНСТРУКЦИИ ОСНОВНЫХ ДЕТАЛЕЙ И АГРЕГАТОВ
303
28 21
Рис. 3.12.3. Схема привода основных узлов автомата с поворотным матричным блоком:
1 - матричный блок (6 позиций); 2 - вал; 3,4,18,20,21,23,26,33 - цилиндрические зубчатые колеса; 5-мальтийский механизм; 6- зажимные губки; 7- поворотная крестовина; 8 - индуктор; 9 - заготовки в гнездах питающего диска; 10- пневмоцилиндр удержания заготовок; 11 - гнезда для заготовок; 12,16, 31 -заготовки; 13 - питающий желоб; 14 - конечный выключатель переполнения лотка; 75 - лоток; 17-питающий диск; 19- пневмоцилиндр переталкивания заготовок в питающий диск; 22 - пневмоцилиндр переталкивания заготовок в губки крестовины; 24 - пружина; 25 - клиноременная передача с муфтой включения;
27 - кривошипный вал; 29 - ползун; 30 - пуансоны; 32,35 - валы; 34 - матрицы
охлаждения подающих роликов и штамповочного инструмента.
Автоматы могут работать как из бунта, так и штучных заготовок. Наиболее эффективным является получение штучных заготовок в холодном состоянии непосредственно на этом же автомате.
Отрезанные заготовки предварительно осаживаются, затем выдаются из автомата в нагревательное устройство, где осуществляется сплошной или частичный нагрев заготовок. После этого заготовки вновь поступают в автомат, где на последующих позициях происходит окончательная штамповка заготовок.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ильина Н.П. Многопозиционные автоматы для холодной и горячей высадки. Аналитический обзор. М.: ВНИИТЭМР, 1988. 51 с.
2. Трофимов И.Д., Бухер Н.М. Автоматы и автоматические линии для горячей объемной штамповки. М.: Машиностроение, 1981. 276 с.
Глава 3.13
КОНСТРУКЦИИ ОСНОВНЫХ ДЕТАЛЕЙ И АГРЕГАТОВ
Конструкция ползунов определяется исключительно типом кривошипной машины и видом ее исполнительного механизма, а в первую очередь числом соединений их с шатунами или другими элементами, как, например, в горячештамповочных прессах с клиновым механизмом, в котором передача движения и сил к ползуну осуществляется через клиновое соединение.
По общим конструктивным признакам ползуны можно разделить на две разновидности: ползуны для прессов с одним соединением их со звеньями исполнительных механизмов (рис. 3.13.1, а и б) и ползуны с двумя или четырьмя соединениями со звеньями исполнительного механизма (рис. 3.13.1, в). Первые, как правило, в плане имеют квадратную или прямоугольную форму, выполнены из чугунного или
304
Глава 3.13. КОНСТРУКЦИИ ОСНОВНЫХ ДЕТАЛЕЙ И АГРЕГАТОВ
Рис. 3.13.1. Конструктивные разновидности ползунов
стального литья, вторые - прямоугольную форму, характерную для сварных пространственных конструкций из листового проката. В современных конструкциях однокривошипных прессов простого и двойного действия силой свыше 10 МН и горячештамповочных прессах силой свыше 63 МН конструкции ползунов выполнены сварно-литыми для улучшения их качества за счет устранения скрытых дефектов крупных отливок. Отличительной особенностью ползунов горячештамповочных прессов и автоматов является наличие на некоторых из них дополнительных элементов, служащих для увеличения длины направляющих, обеспечивающих большую точность и устойчивость движения ползунов под нагрузкой.
В листоштамповочных прессах двойного действия прижимной (наружный) ползун выполняют в виде прямоугольной пустотелой сварной коробки, служащей, в свою очередь, направлением для движения вытяжного (внутреннего) ползуна.
Существенное влияние на точность движения ползуна имеют направляющие, которые передают при нагружении силы на станину. На однокривошипных прессах простого действия силой свыше 1,6 МН применяют контуры на
правляющих типа д и е на рис. 3.13.1, а на прессах меньшей силы - контур г или д. Ползуны горячештамповочных прессов имеют прямоугольные направляющие, в том числе и дополнительные типа ж, а ползуны горизонтально-ковочных машин и прессов-автоматов для горячей штамповки - типа з. В прессах двух- и четырехкривошипных простого действия направляющие выполнены по контору и, в таких же прессах двойного действия - по контурам к. Однокривошипные прессы двойного действия имеют ползун, выполненный также по контуру к, но в виде квадратного контура.
В зависимости от типа пресса на нижней плоскости ползуна имеются Т-образные пазы для крепления части штампа к ползуну или надштамповых плит. Кроме того, ползуны снабжены устройствами для выталкивания заготовок или поковок из части штампа, закрепленной на ползуне.
Для выборки зазоров в подшипниках исполнительного механизма, обеспечения плавности работы привода пресса в целом, предотвращения самопроизвольного движения ползуна в случае отказа тормоза ползуны прессов снабжаются уравновешивающими устройствами, из которых преимущественное распространение получили пневматические уравно-вешиватели с замкнутой воздушной системой, в которую входит ресивер, объем его выбирается так, чтобы давление воздуха в цилиндре уравновешивателя изменялось в небольших пределах и не создавало дополнительных нагрузок в приводе.
Независимо от конструктивного исполнения пресса пневматические уравновешиватели делятся на толкающие и тянущие (рис. 3.13.2). Толкающие уравновешиватели (рис. 3.13.2, о), которые устанавливаются в стойках станин, широко применяются в листоштамповочных прессах простого и двойного действия и имеют преимущество перед тянущими, заключающееся в том, что они создают лучшие условия работы направляющих ползуна. Тянущие уравновешиватели (рис. 3.13.2, б) используются на кривошипных горячештамповочных прессах и листоштамповочных прессах небольших сил, в которых имеется возможность установки их на верхней части станины.
Подробное описание конструкций ползунов, их направляющих и уравновешивающих устройств и методы расчета деталей ползунов приведены в [7, 6, 5].
КОНСТРУКЦИИ ОСНОВНЫХ ДЕТАЛЕЙ И АГРЕГАТОВ
305
Рис. 3.13.2. Уравновешиватели ползунов
Шатуны и их соединения с ползунами. Шатуны, являясь деталями, соединяющими ползуны с ведущими звеньями (кривошипами) исполнительных механизмов, передают непосредственно или трансформировано, как, например, в чеканочных прессах, нагрузки, возникающие при выполнении технологической операции, и поэтому относятся к высокона-груженным элементам. Конструктивное исполнение шатунов зависит от типа пресса, вида и условия сборки и эксплуатации исполнительного механизма.
Они могут быть разделены на шатуны с регулируемой (рис. 3.13.3, а и б) или с постоянной длиной (рис. 3.13.3, в и г), а по конструктивному исполнению головки, непосредственно связанной с ведущим звеном исполнительного механизма (кривошипной головкой), -на шатуны с неразъемной (рис. 3.13.3, айв) или разъемной (рис. 3.13.3, биг) кривошипной головкой. Шатуны с регулируемой длиной, используемые в однокривошипных прессах с кривошипным валом, перпендикулярным фронту пресса, составлены из собственно шатуна и винта с шаровой опорой, предназначенного для регулирования закрытой высоты штампового пространства ручным или механическим способом.
Наиболее распространенную группу представляют шатуны с постоянной длиной, отличающиеся конструкцией головки, связанной с ползуном (ползунной головкой). В современных конструкциях прессов применяются три основных способа передачи силы от ползуна на шатун: через двух- или трехопорные оси (рис. 3.13.4, а и б) или через наружную поверхность ползунной головки (рис. 3.13.4, в). При этом предпочтительным способом, широко применяемым в горячештамповочных прессах и тяжелых кривошипных прессах простого действия, является соединение ползунной головки с трехопорной осью, позволяющее повысить его жесткость и прочность на 25...30 % (рис. 3.13.4, б).
Рис. 3.13.3. Конструктивные разновидности шатунов
306
Глава 3.13. КОНСТРУКЦИИ ОСНОВНЫХ ДЕТАЛЕЙ И АГРЕГАТОВ
3.13.4. Конструкция соединения шатуна с ползуном
Ползунная головка может выполнять роль механизма регулировки в горячештамповочных прессах. Для этого она выполняется с промежуточной эксцентричной втулкой между шатуном и пальцем.
К разновидности шатунов относятся круговые шатуны в виде эксцентричной шайбы в механизмах с круговым шатуном, рычаги исполнительного механизма чеканочных прессов и шатуны-камни кулисных механизмов [6].
Основными материалами шатунов являются стальное нормализованное литье марок 35Л-И, 45Л-И или 55Л-И или серый чугун марки СЧ25. Для прессов для горячей штамповки применяют кованые шатуны из сталей 45, 40Х и40ХН.
Методы расчета шатунов даны в [7, 5]. Однако более подробно напряженно-деформированное состояние шатунов может быть оценено по [3].
Ведущие звенья исполнительных механизмов. Под ведущими звеньями исполнительных механизмов кривошипных прессов понимаются детали и сборочные единицы, совершающие полный оборот, воспринимающие непосредственно или трансформированно технологические нагрузки и являющиеся в общем понимании кривошипами этих механизмов.
По конструкции ведущие звенья разделяются на четыре основные вида: коленчатые валы, эксцентриковые валы, оси с эксцентриками и кривошипные валы (рис. 3.13.5).
Коленчатые валы, которые могут иметь одно (рис. 3.13.5, а) или два колена (рис. 3.13.5, б) и
быть двух- или трехопорными, в современных кривошипных прессах находят ограниченное применение в связи с недостаточной жесткостью и сложностью технологии изготовления.
Эксцентриковые валы (рис. 3.13.5, в и г), являющиеся разновидностью коленчатых, применяются в основном в горячештамповочных прессах и прессах с повышенной жесткостью исполнительного механизма. Перспективными являются валы с двумя эксцентриками вместо одного (рис. 3.13.5, г), поскольку они допускают ббльшие эксцентричные нагрузки и имеют увеличенную до 25 % жесткость по сравнению с одноэксцентриковыми.
Заменителями одноколенчатых валов являются оси с вращающимися на них эксцентриками, которые выполняют роль кривошипов исполнительных механизмов (рис. 3.13.5, д и е). Эти конструкции имеют по сравнению с коленчатыми валами большую жесткость за счет массивности эксцентрика, выполняемого совместно с зубчатым колесом в литом или сварном исполнении, в них отсутствуют не обладающие большой надежностью соединения типа шпоночных и они характеризуются лучшей технологичностью и меньшей стоимостью изготовления.
Межопорные оси с эксцентриком, выполняемым совместно с одним или двумя зубчатыми колесами (рис. 3.13.5, д), применяются в кривошипных прессах при ходе ползуна не более 630...710 мм, консольные - при ходе свыше 710 мм или в прессах, в которых используются шести- или восьмизвенные исполнительные механизмы, как, например, в двух- и четырехкривошипных прессах двойного действия.
КОНСТРУКЦИИ ОСНОВНЫХ ДЕТАЛЕЙ И АГРЕГАТОВ
307
Расчетные сечения
Рис. 3.13.5. Конструктивные разновидности коленчатых валов
В одностоечных прессах силой до 1,6 МН широкое распространение получили кривошипные валы (рис. 3.13.5, ж).
Наиболее употребительным материалом для изготовления валов и осей является конструкционная сталь марок 45, 50, 40Х, 40ХН, 38Х2Н2МА и 40ХН2МА.
Предварительное определение размеров коленчатых и эксцентриковых валов и осей на стадии эскизного проектирования сводится к нахождению диаметров с/о (мм) их опорных подшипников по зависимостям, указанным в табл. 3.13.1 [7], в которой Р - сила на валу или оси, МН.
Для кривошипных валов предварительный выбор диаметра кривошипа определяется по зависимости: = 16oV? мм. Выбор остальных размеров коленчатых, эксцентриковых и кривошипных валов и осей эксцентриков и описание этих конструктивных особенностей даны в [7].
В связи с тем что ведущие звенья исполнительных механизмов принадлежат к высоко-нагруженным и ответственным деталям, расчет их прочности производится по методикам, учитывающим специфику их нагружения и размеры. Из этих методов особого внимания заслуживает метод конечных элементов [7].
308
Глава 3.13. КОНСТРУКЦИИ ОСНОВНЫХ ДЕТАЛЕЙ И АГРЕГАТОВ
3.13.1. К определению размеров коленчатых валов и осей
Коленчатый вал Эксцентриковый вал Ось эксцентрика
Рис. 3.13.5, а Рис. 3.13.5,6 Рис. 3.13.5, в Рис. 3.13.5, г Рис. 3.13.5, д Рис. 3.13.5, ж
При Р< 2 МН </о=14Ол/Р При Р < 2 МН d0 = 140 VP d0 - = 103л/Р + 1 do = do=\2i4P do=l6ojp
При Р> 2 МН do = При Р > 2 МН do = = 120л/Р + 1 = \05,]Р+2,5
= \20jP+0,l
Расчет коленчатых валов прессов базируется на расчетной схеме ступенчатого прямого вала при двухосном напряженном состоянии. Вероятностные методы расчета до сего времени не нашли применения главным образом из-за отсутствия достаточно широких наблюдений практики эксплуатации и экспериментальных данных, касающихся причин разрушения, распределения величины нагрузки во времени, роли динамических составляющих в спектре нагрузки на вал. Усовершенствованная методика расчета вводит допущение об упругом взаимодействии подшипников скольжения с валом и принимает определенные значения коэффициента эквивалентной нагрузки при знакопеременном цикле.
Совместное рассмотрение напряженно-деформированного состояния вала со станиной кривошипно-горячештамповочного пресса, проведенное с помощью МКЭ, показало, что распределение давления в подшипнике достаточно точно соответствует треугольнику [9].
Допускаемая сила на ползуне при разных углах поворота кривошипа рассчитывается по условиям прочности опасного сечения вала (см. рис. 3.13.5, а) согласно следующему:
р ОЛсЛ?-!______________
пкэ^Фа + Фт(0,5(/к + 0,1 IdU^)
(3.13.1)
Здесь п - общий коэффициент запаса прочности; kj - коэффициент эквивалентной нагрузки; t/H, t/K, Uo - функции действия изгибающего, крутящего моментов и поперечной силы соответственно; ФОФТ - коэффициенты, определяемые условиями прочности при изгибе и кручении.
Рекомендации по определению всех этих величин даны в [7, 2].
Зубчатые редукторы привода. Преимущественное распространение получили зубчатые редукторы, составленные в зависимости от конкретного типа пресса из определенным образом расположенных цилиндрических прямозубых, косозубых или шевронных передач внешнего эвольвентного зацепления. В отличие от зубчатых редукторов, выполненных в виде отдельных агрегатов, редукторы привода кривошипных прессов являются встроенными и неотъемлемыми конструкциями, от которых зависят во многих случаях силовые (допускаемые силы на ползунах) и энергетические (потери энергии на разгон и торможение) возможности прессов, а также показатели работоспособности связанных с редукторами механизмов, таких как, например, муфты и тормозы.
В зависимости от значения общего передаточного числа и типа пресса редукторы могут быть одно-, двух- и многоступенчатыми, а по числу потоков передаваемого крутящего момента каждая ступень может быть одно-, двух- и многопоточной. Кроме того, по расположению шестерен и колес относительно своих опор ступени разделяются на консольные, меж-дуопорные и смешанные (консольно-меж-дуопорные), при этом междуопорные ступени могут быть с симметричным или несимметричным расположением зубчатых колес.
В связи с требованиями увеличения производительности прессов в основном за счет повышения частоты ходов ползунов и, следовательно, снижения общего передаточного числа редукторов многоступенчатые редукторы в них не применяются, и они заменены на двухступенчатые, а в некоторых типах прессов, как, например, горячештамповочных силой до 25 МН, редукторы отсутствуют. Несмотря на
КОНСТРУКЦИИ ОСНОВНЫХ ДЕТАЛЕЙ И АГРЕГАТОВ
309
Рис. 3.13.6. Двухступенчатый редуктор двухкривошипного пресса
это существует многообразие одно- и двухступенчатых редукторов, отличающихся числом шестерен, колес и потоков крутящего момента в ступенях. Оценка структуры редуктора по этим признакам может быть произведена по формуле
R~
где им - число потоков крутящего момента в ступени; пк и пш - числа колес и шестерен в ступени, включая реверсные (паразитные).
Например, двухступенчатый редуктор (рис. 3.13.6) будет иметь формулу R-222-111.
В табл. 3.13.2 представлены наиболее распространенные в современных кривошипных прессах зубчатые редукторы, даны их структурные формулы, рекомендуемые области применения и диапазон общих передаточных чисел, при которых они обладают наименьшими значениями инерционности. Разбивка общего передаточного числа рекомендуемых к применению редукторов может быть произведена по работе [10]. Из рекомендованных к применению редукторов могут быть составлены другие компоновочные схемы.
Зубчатые передачи, используемые в редукторах, по окружной скорости разделяются на тихоходные (0,5...3 м/с) и быстроходные (3,5... 12 м/с). Первые, как правило, выполняются прямозубыми по 8-й степени норм точности (ГОСТ 1643-81), вторые - косозубыми или шевронными по той же степени точности.
Расчет геометрии зубчатых передач производится по ГОСТ 16532-70 за исключением редукторов, ступени которых составлены из трех последовательно сопряженных коррегированных передач как, например редуктор, имеющий структурную формулу R-222 (табл. 3.13.2). Расчет таких передач производится по методике [11].
По степени изоляции от окружающей среды редукторы принято делить на открытые и закрытые. В последние годы такое разделение необходимо считать условным, так как в современных конструкциях прессов зубчатые передачи, которые ранее были открытыми с пластичными смазками, заключаются в закрытые полости станин или защитные кожухи и имеют жидкие масляные ванны или обильный полив жидкой смазкой от централизованной системы с ее фильтрацией. С этой точки зрения редукторы новых прессов следует рассматривать как закрытые и расчет на прочность зубьев по контактной выносливости и выносливости при изгибе производить по ГОСТ 21354-87.
Шестерни, включая реверсные, диаметром до 800...850 мм изготавливаются из сталей марок 35Г, 45, 40Х, 35ХМ, 38Х2Н2МА, 40ХН, 40ХН2МА и им подобных, подвергаемых термической обработке для получения твердости 190...280 НВ. Для изготовления колес диаметром до 500 мм используются поковки из сталей 35, 45 или 40Х, а колеса диаметром свыше 500...800 мм представляют отливки из сталей марок 45Л, 55Л, 35ХМЛ и 40ХЛ с твердостью серцевины зубьев 160...220 НВ. Широкое распространение получают сварные колеса, у которых кованый венец выполняется из сталей марок 35 или 35Г.
Рабочие поверхности зубьев, включая впадину, подвергаются поверхностной закалке газовым пламенем или ТВЧ. При закалке ТВЧ, применяемой для зубьев с модулем не меньше 6 мм, достигается твердость поверхностей зубьев 35...45 HRC для углеродистых сталей и 42...55 HRC для легированных.
Конструкции шестерен, выполняемых во многих случаях заодно с валами, и колес не отличаются от конструкций таких же деталей крупных редукторов машиностроения. Исключение составляют колеса, выполняемые совместно с кривошипами исполнительного механизма (отлитыми или сваренными с эксцентриками) или посаженными на эксцентрики или щеки коленчатых валов. Конструкция таких колес зависит от конкретных особенностей исполнительного механизма.
310
Глава 3.13. КОНСТРУКЦИИ ОСНОВНЫХ ДЕТАЛЕЙ И АГРЕГАТОВ
3.13.2. Зубчатые редукторы прессов
Формула структуры редуктора Кинематическая схема Рекомендуемое применение Диапазон передаточного числа
R-111 ф Прессы кривошипные горячештамповочные и однокривошипные силой 1,6 МН 2...6,2
R-222 Прессы однокривошинные силой до 2 МН
R-121 R-242 Не рекомендуются как имеющие завышенную массу и инерционность -
R-221 Прессы двухкривошипные силой до 4 МН 2...6,7
R-442 Прессы четырехкривошипные силой до 4,5 МН
R-222 Прессы двухкривошипные силой до 6 МН 2...6,1
R-444 Прессы четырехкривошипные силой до 6 МН
R-666 Прессы многопозиционные силой до 8 МН 2,5...8,2
R-111-111 5* Прессы однокривошипные силой до 1 МН 6,5...28
R-222-111 Прессы однокривошипные силой до 1,6 МН 6,5...30
R-222-222 Прессы однокривошипные силой до 5 МН 6,5...40
R-424-442 г ' « "“te; г 2 Прессы однокривошипные силой свыше 5 МН 9...40
R-121-111 Не рекомендуются как имеющие завышенную массу и инерционность -
КОНСТРУКЦИИ ОСНОВНЫХ ДЕТАЛЕЙ И АГРЕГАТОВ
311
Продолжение табл. 3.13.2
Формула редуктора структуры
Кинематическая схема
Рекомендуемое применение
Диапазон передаточного числа
R-221-111
R-442-11 1
R-222-111
R-222-222
R-444-111
R-666-111
Прессы двухкривошипные силой до 5 МН 8...28
Прессы четырехкривошипные силой до 5 МН 8...30
Прессы двухкривошипные силой свыше 5 МН 10...32
Прессы четырехкривошипные силой свыше 5 МН
Прессы многопозиционные 12...32
R-222-121
R-444-121
R-444-242
Не рекомендуются как имеющие завышенную массу и инерционность
R-444-222
R-444-444
Прессы двух- и четырехкривошипные силой свыше 16 МН
6,5...32
R-444-442
Прессы двух- и четырехкривошипные для штамповки длинных деталей типа лонжеронов
8...36
Станины. Станины представляют собой корпусные базовые элементы кривошипных прессов, в которых замыкаются нагрузки от технологических операций и другие производные от них силы, и служат для размещения вне и внутри других составных частей.
Конструкции станин зависят в первую очередь от типа конкретной машины и других факторов, в числе которых технология их изготовления, возможность сборки и транспортировки.
Вертикальные станины по конфигурации разделяются на С-образные (рис. 3.13.7, а и б) и рамные (рис. 3.13.7, в). Первые могут быть ненаклоняемыми и наклоняемыми и применяются в одно- и двухкривошипных прессах. Все вертикальные станины, включая станины для прессов с нижним приводом, разделяются на три основные части: верхнюю - поперечину, среднюю - стойку и нижнюю - стол. При этом в пересечении стойки горизонтальной плоскостью на верхнем уровне стола может быть
312
Глава 3.13. КОНСТРУКЦИИ ОСНОВНЫХ ДЕТАЛЕЙ И АГРЕГАТОВ
Рис. 3.13.7. Конструктивные разновидности станин
одно, два, четыре или несколько сечений (рис. 3.13.7). По этому признаку станины делятся на одностоечные (рис. 3.13.7, а), двухстоечные (рис. 3.13.7, б), четырехстоечные (рис. 3.13.7, в) и многостоечные. К последним относятся многопозиционные листоштамповочные прессы, станины которых содержат по шесть или восемь стоек. Как правило, С-образ-ные станины однокривошипных прессов силой до 4 МН с валом, перпендикулярным фронту пресса, являются одностоечными и могут иметь регулируемый по высоте или откидной стол, причем вместо откидного стола в нижней части станины имеется отверстие для закрепления в нем круглой детали, именуемой рогом.
Рамные станины в отличие от С-образ-ных, которые выполняются только цельными, могут быть цельными или разъемными, составные части которых - поперечина, стойки и стол - стягиваются стяжными шпильками; шпильки нагревают перед затяжкой газом или электронагревателями и затягивают с определенной силой гидравлическими устройствами. Составные части разъемных станин могут выполняться из стального литья или из сваренного листового проката. В прессах силой свыше 63 МН эти части выполняют сварно-литыми.
Горизонтальные станины в основном являются цельнолитыми. Исключение составляют станины горизонтально-ковочных машин больших сил, которые являются разъемными, состоящими из двух частей, стягиваемых стяжными шпильками или скобами. У некоторых типов таких машин цельнолитые станины имеют стяжки для повышения жесткости. Такие стяжки с той же целью могут иметь двухстоечные С-образные станины. Однако применение стяжек у этих станин ограничивает доступ средств автоматизации к штамповому пространству.
С-образные станины отливаются из чугунного (СЧ 25) или стального (35Л или 45Л) литья или свариваются из стального проката (СтЗ). Рамные цельные станины могут быть литыми (35Л или 45Л) или сварными из листового проката (Ст13), а составные части разъемных станин - в основном сварными из стального проката.
Перспективным направлением является изготовление станин всех типов крупных прессов сварными.
Горизонтальные станины для машин небольших сил отливаются из чугуна, а средних и крупных - из стального литья.
КОНСТРУКЦИИ ОСНОВНЫХ ДЕТАЛЕЙ И АГРЕГАТОВ
313
Подробные методики расчета станин даны в [4, 1].
Муфты и тормозы. Отличительной чертой современных кривошипных прессов является применение сцепных, фрикционных, управляемых муфт, предназначенных для соединения и отсоединения ведущими ведомых частей привода и передачи движения и крутящего момента. Эти муфты в зависимости от настройки способны служить предохранительными устройствами от перегрузки по крутящему моменту в аварийных ситуациях. В отличие от применявшихся жестких муфт типа кулачковых, пальцевых и шпоночных эти муфты позволяют отключать их в любом положении рабочего органа исполнительного механизма, обеспечивать наладочные режимы работы, снижать динамические нагрузки при их включении, комбинировать их с тормозами в единую систему. Компенсация таких недостатков фрикционных муфт, как потери энергии на проскальзывание элементов при включении и повышенные затраты на изготовление, компенсируются рациональным выбором соотношений инерционности ведомых и ведущих элементов и гарантированной безопасностью работы.
Некоторые виды прессов-автоматов, работающие только в режиме непрерывных ходов, не имеют муфт.
В кривошипных прессах используются исключительно дисковые муфты, в которых для передачи движения и нагрузки используются диски, работающие в условиях сухого или жидкого, масляного трения.
Конструкции дисковых муфт зависят от типа кривошипного пресса и места их в приводе. Муфты могут быть расположены на рабочих валах (в горячештамповочных прессах, горизонтально-ковочных машинах, быстроходных обрезных прессах, ножницах); на промежуточных и приемных валах (в листоштамповочных прессах). При этом по расположению муфт относительно опор валов, на которых они установлены, муфты делятся на консольные и межопорные. Преимущественное распространение, особенно в прессах силой свыше 1 МН, получили консольные муфты как наиболее ремонтопригодные и малоинерционные в отличие от межопорных муфт, совмещенных в сборочную единицу с тормозом.
В отдельную группу входят муфты скольжения, предназначенные для включения и отключения по заданным законам. Муфты этой группы, в которую входят электромагнитные, гидродинамические и двухскоростные муфты, нашли ограниченное применение, в основном в прессах для глубокой вытяжки.
Современные кривошипные машины оснащаются дисковыми тормозами, из которых наиболее удобными в эксплуатации и лучшими по износостойкости фрикционных элементов являются консольные. Для улучшения условий отвода тепла с фрикционных поверхностей они могут иметь водяное или вентиляторное охлаждение. Ленточные или колодочные тормозы применялись в устаревших конструкциях прессов. По количеству ведомых деталей с фрикционными поверхностями дисковые муфты и тормозы разделяются на одно-, двух- и многодисковые. В последние годы многодисковые муфты не применяют.
В отличие от дисковых муфт, в которых ведомые и ведущие элементы сжимаются под давлением воздуха или масла и разводятся пружинами небольшой силы, тормозы приводятся в действие пружинами, а разведение фрикционных поверхностей производится сжатым воздухом.
По способу крепления фрикционных элементов к ведомым дискам различают муфты и тормозы с накладках, которые крепятся к дискам заклепками или с помощью клея, и со вставками различных форм, которые устанавливаются в соответствующие вырезы в дисках. При этом диски со вставками могут иметь одно- и двухрядное расположение фикционных элементов. Муфты и тормозы со вставками имеют преимущества в эксплуатации в связи с легкостью и доступностью смены фрикционных элементов, которые выполняются в основном в виде овальных вкладышей. Материалом накладок и вставок служат различные композиционные прессованные смеси, например материал 8-45-62.
Выбор размеров муфты и тормоза осуществляется на базе расчетного максимального технологического момента.
Расчетный момент, передаваемый муфтой, определяется по выражению
(3.13.2) 'пПм
314
Глава 3.13. КОНСТРУКЦИИ ОСНОВНЫХ ДЕТАЛЕЙ И АГРЕГАТОВ
Здесь Л/р - расчетный максимальный и Мт -технологический момент на коленчатом валу; /п - передаточное отношение привода от вала муфты до коленчатого вала; г|л/ - КПД передачи этого привода; k3 - коэффициент запаса, учитывающий возможное падение давления в пневмосети, износ фрикционных элементов и другие факторы (обычно 1,1... 1,3).
Режим частых включений требует проведение расчета на износ или работоспособность. Условие работоспособности оценивается по выражению
J со2 (3.13.3)
где JB м - момент инерции ведомой части (приведенный к валу муфты); (0м - угловая частота вращения вала муфты; F - площадь фрикционных поверхностей муфты, м2; р - коэффициент использования числа ходов ползуна пресса; лпр - номинальное число ходов ползуна пресса, мин; ам = 1,05... 1,15 - коэффициент запаса.
Обычно Ки не должно превышать 0,7... 0,8 МДж/(м2 • мин).
Более подробные расчеты муфт и тормозов приводятся в [6, 2].
Управление муфтами и тормозами производится в основном от электропневматиче-ских или пневматических систем, обеспечивающих необходимую синхронизацию их работы в зависимости от конкретного типа кривошипного пресса. Конструкции муфт и тормозов приведены в [8, 2].
Регулировочные, выталкивающие, прижимные и предохранительные устройства. У всех конструкций кривошипных прессов необходимо регулировать высоту штампового пространства в целях установки различных по высоте штампов и инструмента, наладочных работ и компенсации износа инструмента в процессе штамповки. В листоштамповочных прессах регулировка высоты штампового пространства осуществляется двумя способами: изменением длины шатуна (см. рис. 3.13.3, а и б) или изменением длины соединения головки шатуна с ползуном (см. рис. 3.13.4, б и в). Наряду с последним способом регулировки штамповой высоты в многопозиционных прессах могут применяться дополнительные регулировочные устройства на
каждой позиции штампа для частичной подрегулировки инструмента.
В кривошипных горячештамповочных прессах используются также два способа регулировки высоты штампового пространства: изменением длины шатуна с помощью эксцентричной промежуточной втулки, устанавливаемой между ползунной головкой шатуна и пальцем соединения шатуна с ползуном, или установкой в столе клинового устройства [5]. Последний способ в новых конструкциях этих прессов не используется в связи с ненадежностью работы клинового устройства, загрязнением его в процессе эксплуатации и снижением жесткости пресса в целом. Расчет на прочность механизмов регулировки высоты штампового пространства сводится к определению допускаемого напряженного состояния регулировочных винтов и их гаек [7,6].
Для выталкивания поковок, заготовок или готовых деталей из гравюр штампов в прессах применяются выталкиватели, представляющие собой механизмы или отдельные агрегаты, работающие в определенные моменты машинного цикла пресса. Эти устройства размещаются в ползунах и в столах прессов. Как правило, все ползуны листоштамповочных прессов простого действия имеют механические выталкиватели, конструкция которых зависит от конкретного типа пресса. В прессах для горячей штамповки выталкиватели могут быть механическими с приводом от шатуна или гидравлическими для прессов силой свыше 63 МН.
Выталкиватели, располагаемые в столах, обычно жестко связаны через кулачковорычажные механизмы с ведущими звеньями исполнительных механизмов или приводятся от отдельных агрегатов, встроенных в столы прессов [5]. Первые характерны для горячештамповочных прессов и автоматов, а вторые -для листоштамповочных прессов и в ряде случаев для горячештамповочных прессов силой свыше 25 МН. Вторые конструктивно представляют собой отдельные либо соединенные с рычажными системами пневматические либо гидравлические цилиндры, или могут быть совмещены с прижимными устройствами в столе [6, 5].
Прижимные устройства в столе присущи листоштамповочным прессам простого действия, на которых выполняются операции глубокой вытяжки или другие операции, требующие
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
315
дополнительных сил, кроме силы ползуна пресса. Такие устройства - подушки могут быть пневматическими и гидропневматическими, управляемыми или неуправляемыми [7,6,12].
Существующая вероятность перегрузок кривошипных прессов в эксплуатации, опасность серьезных нарушений их элементов при перегрузках и требование исключить при этом травмирование обслуживающего персонала вызвали необходимость оборудования прессов средствами защиты от перегрузок; эти средства состоят из предохранительных устройств, на которые непосредственно воздействуют силы технологических операций или возникающие крутящие моменты, и информационных устройств (информаторов нагрузки).
Конструкции предохранительных устройств разнообразны [7, 6, 12]. Однако в листоштамповочных прессах силой свыше 4 МН широкое распространение получили предохранительные устройства, устанавливаемые в ползунах. Они представляют собой управляемые гидравлические или гидропневматические системы, в которых сила технологической операции передается от ползуна к шатунам исполнительного механизма через встроенный гидравлический цилиндр, превышение давления в котором сверх заданного обеспечивает сброс жидкости из него с одновременным отключением пресса [12]. Индикаторы нагрузки, выполненные со световым электронным табло, не только сообщают о силах в процессе штамповки, но при перегрузке дают командный сигнал на отключение пресса. Наиболее совершенной системой защиты прессов от перегрузки является сочетание предохранительного устройства с индикатором нагрузки.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бирбраер Р.А. и др. Типизация конструкций и конечно-элементных моделей кривошипных листоштамповочных прессов // Кузнечно-штамповочное производство. 1989. №11. С. 13-15.
2. Власов В.И. и др. Кривошипные кузнечно-прссовые машины. М.: Машиностроение, 1982. 424 с.
3. Гольник Э.Р., Радченко И.Г. Конечноэлементный расчет полей напряжений и деформации шатунов как объектов подсистем деталей кривошипных прессов // Кузнечно-штамповочное производство. 1986. № 3. С. 25 - 27.
4. Детали машин. Расчет и конструирование: Справочник / Под ред. Н.С. Ачеркана. Т. 2. М.: Машиностроение, 1968. С. 317-376.
5. Игнатов А.А., Игнатова Т.А. Кривошипные горячештамповочные прессы. М.: Машиностроение, 1974. 352 с.
6. Кузнечно-штамповочное оборудование / Под ред. А.Н. Банкетова и Е.Н. Ланского. 2-е изд. М.: Машиностроение, 1982. 576 с.
7. Ланской Е.Н., Банкетов А.Н. Элементы расчета деталей и узлов кривошипных прессов. М.: Машиностроение, 1966. 380 с.
8. Расчет муфт, тормозов, трубопроводов и систем пневмоуправления кузнечнопрессовых машин: Методические указания / ЭНИКМАШ. Воронеж, 1971. 78 с.
9. Тынянов В.Н. и др. Обоснование размеров двухэксцентриковых валов горячештамповочных прессов на стадиях эскизного технического проектирования // Кузнечно-штамповочное производство. 1989. № 11. С. 5 - 7.
10. Тынянов В.Н. О разбивке общего передаточного числа двухступенчатых зубчатых приводов кривошипных машин // Кузнечно-штамповочное производство. 1978. № 9. С. 30-32.
11. Тынянов В.Н. Расчет геометрии зацепления зубчатых передач двух- и четырехкривошипных прессов // Кузнечно-штамповочное производство. 1963. № 1. С. 14-18.
12. Тынянов В.Н., Федоркевич В.Ф., Филькин И.Н. Эксплуатация кривошипных прессов двойного действия. М.: Машиностроение, 1968. 164 с.
13. Нитратов А.Ф. Машиностроение: Энциклопедический справочник. Т. 8. М.: Машгиз, 1949.
Раздел 4
РОТАЦИОННЫЕ МАШИНЫ
Глава 4.1
КЛАССИФИКАЦИЯ РОТАЦИОННЫХ МАШИН
Кузнечно-штамповочное оборудование, рабочее звено которого в процессе рабочего хода совершает вращательное движение, относится к ротационным машинам. Окружная скорость рабочего звена таких машин задана кинематикой передаточного механизма и практически остается постоянной на протяжении всего рабочего хода (изменяется окружная скорость в пределах допустимого для асинхронных электродвигателей привода скольжения). В зависимости от формы и относительных размеров вращающегося рабочего звена
ротационные машины подразделяют на шпиндельные, валковые, роликовые, дисковые.
Особенностями технологических процессов, выполняемых на ротационных машинах, определяются основные параметры: размеры обрабатываемых заготовок (толщина, ширина), диаметр валков (роликов, дисков), окружная скорость вращения рабочего звена, мощность электродвигателя, величины изгибающего и крутящего моментов и в некоторых случаях величина деформирующей силы.
Привод ротационных машин состоит из электродвигателя, ременной и зубчатой передач. Дисковые муфты и тормозы - характерные элементы привода кривошипных прессов -в некоторых типах ротационных машин отсутствуют.
4.1.1. Классификация ротационных машин
Класс Подразделение Целевое применение Конструктивные признаки Относительное расположение рабочих органов
Радиальнообжимные (ковочные) машины Шпиндельные Ротационная ковка С вращающимся шпинделем С вращающейся обоймой С вращающимися шпинделем и обоймой -
Ковочные вальцы Валковые или роликовые Вальцовка заготовок Объемная горячая штамповка Консольные Двухопорные Комбинированные -
Правильные Валковые или дисковые Листоправильные Параллельное расположение валков Непараллельное расположение валков -
Сорто- и профилеправильные Параллельное расположение валков
Г ибочные Валковые или роликовые Листогибочных Трехвалковые Симметричное Асимметричное Комбинированное
Сортогибочные Четырехвалковые —
Профилегибочные Парнороликовые —
Дисковые ножницы Дисковые Резка листа Однодисковые —
Двухдисковые Оси дисков горизонтальны Оси дисков наклонны
РАДИАЛЬНО-ОБЖИМНЫЕ (КОВОЧНЫЕ) МАШИНЫ
317
Ротационные машины классифицируют по технологическому признаку. В табл. 4.1.1 приведена классификация ротационных машин в зависимости от их применения для основных операций обработки давлением и указаны конструктивные особенности этих машин. Согласно этой классификации ротационные машины делят на радиально-обжимные (ковочные), ковочные вальцы, гибочные, правильные, дисковые ножницы. Конструктивные особенности ротационных машин в значительной степени определяются их технологическим назначением.
Глава 4.2
РАДИАЛЬНО-ОБЖИМНЫЕ (КОВОЧНЫЕ) МАШИНЫ
Классификация. Различают, особенно в зарубежной литературе, ротационно-обжимные машины и радиально-обжимные машины. Первое наименование относится преимущественно к машинам с роликовым приводом механизма обжима (ковки). Второе наименование закрепилось за машинами с кривошипнорычажным и гидравлическим приводом механизма обжима. В России для обоих типов машин принято общее название "радиальнообжимные (ковочные) машины" (РОМ).
В качестве классификационных приняты признаки деления РОМ, приведенные в табл. 4.2.1.
К специальным машинам кроме указанных в табл. 4.2.1 отнесены РОМ для производства сборочных работ, копировально-обжимных (ковочных) работ, комбинированных комплексов для радиального обжатия и объемной штамповки; радиального обжатия и механической обработки и др.
В холодном состоянии изготавливают изделия сравнительно небольших сечений (диаметром до 150 мм) и длин преимущественно на роликовых и кривошипно-рычажных РОМ. При этом получают изделия высокой точности, с малыми припусками или без припусков на последующую механическую обработку.
Основную массу изделий, особенно с поперечным сечением свыше 100 мм изготавливают на РОМ методом деформирования с нагревом.
Анализ тенденций развития технологии и конструкций РОМ приводит к следующим результатам.
1. Приоритетное развитие получают процессы и оборудование для непрерывного производства конечного продукта (например, деталей типа "ступенчатый вал") с минимумом переделов исходного сырья и расхода энергии.
В качестве примера, иллюстрирующего такое направление, можно привести систему машин, объединенных, например, в минизавод нового типа, содержащий: установку непрерывной (полунепрерывной) разливки стали (УНРС), радиально-обжимные (ковочные) машины различного назначения (протяжки-калибровки литых штанг, изготовления ступенчатых валов, цилиндров, стаканов на оправке и др.), разделительные ножницы и другое оборудование, в том числе для механической обработки путем снятия стружки.
Такая система машин производит не металлопрокат различного сортамента, что также не исключено, а главным образом заготовки-полуфабрикаты деталей машиностроения или деталей машин в законченном виде [24].
2. Другим не менее важным направлением является разработка и освоение на базе процесса и оборудования радиального обжатия многофункциональных комплексов изготовления изделий объемной штамповкой. Это позволит механизировать и автоматизировать мелкосерийное и единичное производство, существенно снизить себестоимость производства поковок в нем [20].
3. Системы машин согласно п. 1, многофункциональные комплексы на базе РОМ согласно п. 2 открывают возможности освоения участков, цехов, производств, работающих по так называемой безлюдной технологии как в серийном, так и единичном производстве.
4. Проводятся поиск, разработка и освоение новых технических решений, направленных на дальнейшее сбережение материальных и энергетических ресурсов при освоении и применении процессов и оборудования для радиального обжатия. В частности, увеличение значения коэффициента С = пН не менее чем на 25 % (где п - число ходов в минуту; Н -величина хода, мм) при соответствующем снижении потерь энергии на холостой ход ковочной машины. Для современных РОМ значение С = пН находится в пределах от 5000 до 10 000. Большие значения характерны для РОМ большой силы.
318
Глава 4.2. РАДИАЛЬНО-ОБЖИМНЫЕ (КОВОЧНЫЕ) МАШИНЫ
4.2.1. Классификация характеристик
Способы ротационного
Признаки деления Продольное (раздельное)
Классификация изделий Типовые изделия Заготовки труб, прутки, выхлопные патрубки, заготовки автокарандашей, ножек мебели и другие осесимметричные с односторонними ступенями Заготовки из слитков, профили квадратного, прямоугольного, шестигранного и других сечений, хвостовики и носки напильников и другие симметричного профиля ступенчатые и гладкие Переходные втулки, ступенчатые муфты, и другие осесимметричные с внутренним ступенчатым профилем
Обрабатываемая поверхность Наружная Внутренняя
Характеристика РОМ Тип заготовки Прутки, трубы, штучные заготовки Прутки, трубы, штучные заготовки, слитки, бунты Штучные заготовки
Механизм бойков Синхронное движение бойков Синхронное, попеременное и последовательносинхронное движение бойков Относительно малый ход бойков, синхронное движение бойков
Межосевое расстояние не регулируется
Подача заготовок Односторонняя Двухсторонняя
Оправка и упор не требуются Оправка и упор требуются
Управление Ручное Программное Ручное
Управление координатами, их наименование и количество Механизированное Скорость подачи (прямой и обратный рабочий ход), шаг подачи, перехват заготовки двум подающим устройствам
Автоматическое - Подача заготовки на ось обжатия и в зажим; извлечение заготовки из зажима и сброс -
РАДИАЛЬНО-ОБЖИМНЫЕ (КОВОЧНЫЕ) МАШИНЫ
319
радиально-обжимных машины
обжатия
Комбинированное (профильное)
Штоки, валы, оси, заготовки из слитков и другие сплошные и полые осесимметричные с односторонними цилиндрическими ступенями Горловины баллонов, корпусы снарядов, трубки Вентури и другие полые цилиндрические Шпиндели ткацких и прядильных веретен, тяги рулевого управления и другие сплошные и полые с цилиндрическими и коническими участками Муфты, ниппели другие полые цилиндрические
Наружная Внутренняя
Штучные заготовки, прутки, трубы, бунты Штучные заготовки полые Штучные заготовки, прутки, трубы, бунты Штучные заготовки
Синхронное движение бойков
Межосевое расстояние регулируется
Односторонняя Двухсторонняя Одностороння
Оправка и упор не требуются Оправка и упор требуются Оправка и упор не требуются Оправка и упор требуются
Программное
Межбойковое расстояние, скорость подачи заготовки (прямой и обратный рабочий ход), шаг подачи, скорость вращения заготовки Ход подачи упора и оправки Перехват заготовки Ход подачи упора и оправки
Подача заготовки на ось обжатия и сброс поковки; подача заготовки в зажим (на оправку) и извлечение
320
Глава 4.2. РАДИАЛЬНО-ОБЖИМНЫЕ (КОВОЧНЫЕ) МАШИНЫ
Рис. 4.2.1. Схема гидравлической радиальнообжимной машины:
/ корпус. 2 - цилиндр гидропривода, 3 - дозатор гидропривода, 4 - насосная станция
5) Создаются новые типы РОМ для решения различных задач обработки металлов давлением, например способных выполнять все кузнечные операции, в частности, прошивку, раскатку (по всей длине или по части заготовки) и др. [3], а также с гидравлической (рис. 4.2.1) и комбинированной системами привода (рис. 4.2.2).
Конструктивные схемы и конструкции. Радиально-обжимная машина состоит из комплекса машин - агрегатов, работающих совместно по заданной программе в автоматическом цикле. При этом циклограмма (последовательность) работы агрегатов определяется назначением машины и типом обрабатываемых изделий, т.е. не является жесткой неизменяемой, как в большинстве кузнечно-прессовых машин-автоматов.
Кинематическая схема комплекса с одним манипулятором представлена на рис. 4.2.3.
При обработке и изготовлении относительно коротких изделий длиной до L = 1500 мм, особенно, когда обработка проводится в довольно широком интервале температур, вместо двух манипуляторов может использоваться один. Второй манипулятор заменяется кантователем 3 (рис. 4.2.3). В этом случае существенно сокращается производственная площадь, занимаемая РОМ, упрощается ее конструкция, но снижается производительность.
А-А
Рис. 4.2.2. Схема агрегата обжатия радиально-обжимной машины с комбинированным приводом: / - электродвигатель главного привода, 2 - кривошипный вал; 3 - плунжер гидроцилиндра;
4 - блок инструмента; 5, 6 - цилиндры гидравлические; 7 - цилиндр;
8 - устройство для регулирования расстояния между бойками
РАДИАЛЬНО-ОБЖИМНЫЕ (КОВОЧНЫЕ) МАШИНЫ
321
Рис. 4.23. Схема автоматической РОМ с одним манипулятором и кантователем заготовок:
1 - ковочный агрегат; 2 - манипулятор; 3 - кантователь
Кантователь может быть выполнен совместно с механической рукой загрузки или разгрузки, как это делает фирма GFM в машинах малой силы.
В машинах для изготовления коротких изделий на оправке (дорне) при обработке их по всей длине "на проход" вместо второго манипулятора используется так называемый про-тивоудерживатель (контрфиксатор). Он представляет собой гидроцилиндр, на штоке которого с возможностью вращения относительно него выполнен подпружиненный центр-оправка. Обычно центр-оправка имеет дополнительные направляющие.
Обрабатываемая заготовка в этом случае зажимается и удерживается двумя ценграми-оправ-ками, из которых одна смонтирована на противо-удерживателе, а вторая - на манипуляторе.
В РОМ вертикального исполнения (рис. 4.2.4) достаточно просто решаются вопросы удаления и сбора окалины, а также исключения ее закова в изделие. При обработке изделий малого сечения в горячем состоянии также возможно исключение прогиба изделий при обработке, особенно при высоких требованиях к точности. При вертикальном исполнении РОМ занимают меньшую площадь цеха. В то же время усложняется процесс автоматизации загрузки - разгрузки заготовок, а также имеются ограничения по их длине. Поэтому такие конструкции РОМ имеют ограниченное применение - преимущественно при изготовлении заготовок стволов охотничьих ружей.
11-819
Рис. 4.2.4. РОМ вертикального исполнения:
1 - ковочный механизм; 2 - манипулятор;
3 - станина; 4 - привод ковочного механизма;
5 - пульт управления; 6 - электрошкаф;
7 - гидроцилиндр привода манипулятора;
8 - подвальное помещение размещения гидропривода и удаления окалины
322
Глава 4.2. РАДИАЛЬНО-ОБЖИМНЫЕ (КОВОЧНЫЕ) МАШИНЫ
Рис. 4.2.5. РОМ модели RB-2-HAP-2 фирмы НМР (Германия) с роликовым приводом бойков и звукоизолирующим кожухом
Качательное колебательное движение параллельно оси ковки используется одновременно для обжатия заготовки и перемещения ее вдоль оси ковки. Таким образом совмещено обжатие заготовки с ее подачей в бойки, что позволяет значительно повысить производительность РОМ. Характер движения бойков машин этого типа используется преимущественно в проходных (протяжных) РОМ. Наибольшее распространение поручили РОМ с возвратно-поступательным характером движения рабочих органов-бойков.
В машиностроении получили распространение роликовые и кривошипно-рычажные РОМ. Машины с гидравлическим приводом изготавливаются в единичных образцах преимущественно для производства с нагревом поковок большого сечения (диаметром до 700... 1000 мм), требующих сил деформирования до 25 МН, установленной мощности привода (бойков) (молотов) до 4000 кВ при ходе бойка до 50 мм и частоте ходов до 50 мин-1. Машины с гидравлическим приводом главного исполнительного механизма (ГИМ) существенно уступают известным машинам с кривошипно-рычажным приводом по целому ряду параметров: имеют больший расход энергии за цикл работы ГИМ, меньшую частоту ходов бойка, более высокий уровень шума, ненадежную систему синхронизации работы бойков, меньшую точность получаемых изделий. Перечисленные причины ограничивают распространение РОМ с гидравлическим приводом ГИМ.
Роликовые РОМ предназначены преимущественно для изготовления методом холодного деформирования изделий с малым поперечным сечением, требующих силы деформирования до 2000 кН: прутков диаметром до 50 мм, труб - до 100 мм. Ход бойка измеряется десятыми долями миллиметра, при полном ходе - до 2...3 мм. При этом частота ходов бойка достигает значений, близких к 8000... 10 000 мин’1, В связи с этим роликовые РОМ отличаются большим уровнем шума и износа пар ролик -боек (молот), ролик - обойма. В целях уменьшения шума рабочий профиль бойка (молота), контактирующий с роликом, профилируют по синусоиде, принимают и другие меры, обеспечивающие плавную кинематическую связь ролика с бойком (молотом); кроме того, механизм обжима закрывают звукозащитными кожухами и ограждениями (рис. 4.2.5).
Основным типом роликовых РОМ являются машины с вращающимся шпинделем и установленными в нем бойками. Обрабатываемая заготовка в виде проволоки, прутка или трубы при этом не вращается. Расстояние между бойками остается постоянным, нерегулируемым. Изготавливают также роликовые РОМ с вращающейся обоймой и регулируемым расстоянием между бойками, а также с вращающейся обоймой и вращающимся шпинделем. В роликовых машинах заготовка независимо от величины ее поперечного сечения обрабатывается преимущественно в горизонтальном положении.
Роликовые машины используются в металлообработке в качестве автономного оборудования (рис. 4.2.5; 4.2.6), а также в составе автоматизированных комплексов и поточных линий.
Кривошипно-рычажные РОМ предназначены для изготовления изделий методом горячего и холодного деформирования силой от 1000 до 30 000 кН с поперечным сечением прутков при холодном деформировании до 150 мм, горячем - до 1000 мм и длиной до 10...12 м. В кривошипно-рычажных РОМ в отличие от роликовых бойки не вращаются. В процессе обработки вращается заготовка, скорость вращения заготовки регулируется. Величина хода бойка постоянна. Расстояние между бойками регулируется в достаточно широких пределах.
РАДИАЛЬНО-ОБЖИМНЫЕ (КОВОЧНЫЕ) МАШИНЫ
323
Кривошипно-рычажные РОМ для холодного и горячего деформирования отличаются параметрами технической характеристики, составом механизмов и агрегатов. Они применяются в металлообработке в виде отдельных машин, в составе автоматизированных комплексов, производственных участков, а также в составе поточных линий.
Количество бойков оказывает влияние на производительность и качество получаемых изделий. Производительность и качество получаемых изделий на четырехбойковых машинах несравненно выше, чем на двух- или трехбойковых. Наибольшее распространение получили машины с четырьмя бойками. Шести и восьмибойковые машины - специализированные, протяжные применяются для обжима слитков, полученных на УНРС, для калибровки и получения шести- и восьмигранных прутков большой длины, обрабатываемых без вращения. Бойки в этом случае работают комплектами по 3 или 4 последовательно. При этом второй комплект перекрывает деформированную поверхность первого комплекта.
Агрегат обжима (ковки). Основным агрегатом, от которого зависит точность и качество получаемых изделий, а также производительность РОМ, является агрегат обжима (ковки) (рис. 4.2.7). Ковочный агрегат является наиболее сложным из всех агрегатов и механизмов РОМ и требует высокой точности изготовления. Особо точные РОМ для ковки в холодном состоянии, например, нарезных ружейных стволов освоены и поставляются на международный рынок двумя-тремя известными в мире фирмами.
Состав ковочного агрегата, а также параметры его технической характеристики могут изменяться в зависимости от назначения; так, агрегаты для холодного деформирования отличаются повышенной на 25...50 % частотой ходов рабочего органа, наличием системы охлаждения инструмента и т.д.
Наибольшее распространение получили агрегаты с четырьмя бойками, расположенными под 45° к горизонтальной оси машины. В качестве примера рассмотрены конструктивные особенности агрегатов обжима производства АООТ "Тяжпрессмаш" (Рязань) и фирмы GFM (Австрия).
Они относятся к кривошипно-кулисным агрегатам универсального назначения.
На рис. 4.2.8., а приведена схема механизма обжима "Тяжпрессмаш", а на рис. 4.2.8 -
Рис. 4.2.6. Принципиальная схема РОМ с роликовым приводом и устройством регулирования расстояния между бойками
Рис. 4.2.7. Кинематическая схема ковочного агрегата:
1 - бойки; 2 - привод механизма регулирования расстояния между бойками в процессе ковки;
3 - зубчатый привод исполнительных механизмов; 4 - электропривод; 5 - гидромотор привода регулировки расстояния между бойками
фирмы GFM: количество подвижных звеньев (п = 5) и кинематических пар (р - 7) в них одинаково. Различаются они типом звеньев и кинематических пар, а также законом движения эксцентрикового вала 4. Вал 4 в механизме GFM совершает вращательное (круговое) движение. В механизме "Тяжпрессмаш" - кача-тельное колебательное движение, вращательное
II*
324
Глава 4.2. РАДИАЛЬНО-ОБЖИМНЫЕ (КОВОЧНЫЕ) МАШИНЫ
Рис. 4.2.8. Схема исполнительного механизма: а - РОМ конструкции АООТ "Тяжпрессмаш" (Рязань); б - РОМ фирмы GFM (Австрия): 1 - бойки; 2 - кулисы; 3 - подшипники кулис; 4 - главный эксцентриковый вал; 5 - кулисный камень, 6 (рис. 4.2.8, а) - шатун; 6 (рис. 4.2.8, б) -крестово-кулисная муфта; 7 - приводной вал;
8 - букса эксцентриковая поворотная; 9 - привод поворота буксы; 10- станина; 11 - приводной вал ковочного агрегата; 12 - заготовка
движение совершает вал 7. Механизм GFM содержит крестово-кулисную муфту (Ольдге-ма). Посредством этой муфты обеспечивается передача движения от приводного вала 11 эксцентриковому валу 4 при несоосном расположении валов. Несоосность появляется в результате регулирования расстояния между бойками. В механизме "Тяжпрессмаш" крестово-кулисной муфты нет. Кинематическая схема позволяет регулировать расстояние между бойками.
Учитывая специфику работы таких РОМ, основным органичением ковочного механизма, определяющим его прочностные параметры, является нагрузочная способность подшипников скольжения главного исполнительного механизма. Как известно, нагрузочная способность подшипников скольжения определяется значением pv (МПа) м/с. Значение давления р для равных по силе машин для обоих типов РОМ - одинаковое. Значение окружной скорости v существенно отличается. В РОМ по схеме рис. 4.2.8, а при одинаковом времени цикла /ц скорость v на порядок меньше, чем в РОМ по схеме рис. 4.2.8, б. В первом случае эксцентриковый вал 4 совершает качательное колебательное движение на угол приблизительно 18...250, а во втором случае на угол 360°. Поэтому при равной скорости v машина "Тяжпрессмаш" имеет в 1,5-2 раза большую частоту ходов, по сравнению с машиной GFM. Кроме того, учитывая передаточное отношение / = АВ/ВС, зубчатый привод РОМ "Тяжпрессмаш" в / раз нагружен меньшим крутящим моментом и поэтому допускает большие окружные скорости и частоту работы бойков Ковочный агрегат "Тяжпрессмаш" по сравнению с РОМ GFM меньше нагревается, меньше потребляет энергии на холостой ход, меньше изнашивается и не требует специальных подшипниковых материалов и смазочных масел [15].
Расчет основных параметров. Основные параметры технических характеристик изготавливаемых и вновь проектируемых РОМ регламентируются ГОСТ 24367-87 "Машины радиально-обжимные. Основные параметры и размеры". Предусмотрены два исполнения РОМ: исполнение I для деформирования в горячем состоянии и исполнение II для деформирования в холодном состоянии заготовок.
К основным параметрам РОМ согласно практике их производства и эксплуатации относятся:
РАДИАЛЬНО-ОБЖИМНЫЕ (КОВОЧНЫЕ) МАШИНЫ
325
Рн,МН
50 105 210265 515 425 550 640 Л>,мм 850
2,5 7,5 15 50 45 60 75 90 105 Н, мм
I______I______I-------1------1--------1------1-------1------1
65 155 200 275 540 410 475 В,мм
125 250 575 500 600 750 1000 1в,мм 1250
। । » > » » ।__________ 9______i
200 600 1000 1500 2000 2500 5000 4000 N.kBt 5000
Рис. 4.2.9. Графическая зависимость основных параметров РОМ поданным отечественных и зарубежных производителей:
Рн - номинальная сила на бойке, кН; п - частота ходов бойка, мин-1; Н - величина хода бойка, мм; Do - максимальный диаметр обрабатываемой заготовки, мм; Lq - длина опорной поверхности бойка, мм; R - величина регулировки расстояния между бойками, мм; N- мощность электродвигателя привода ковочного агрегата, кВт
1. Номинальная сила на бойке (молоте), кН...................... Рн
2. Число бойков.................... Z
3. Величина хода бойка, мм.......... Н
4. Частота ходов бойка, мин-1..... п
5. Наибольший диаметр обрабатываемой заготовки при ов < 600 МПа, мм.... До
6. Наибольшая длина заготовки, мм. £0
7. Величина регулирования расстояния между бойками, мм................... R
8. Скорость манипулятора, мм/с.... vM
9. Скорость регулирования расстояния между бойками, мм/с............... v6
10. Мощность электродвигателя привода бойков, кВт....................... N
На рис. 4.2.9 приведена полученная на основе анализа отечественных и зарубежных РОМ графическая зависимость некоторых параметров РОМ, используемых в машиностроении.
Расчет основных параметров РОМ с кривошипным приводом. Опыт освоения быстроходных кривошипных РОМ показывает, что такие параметры, как выполняемая за один
цикл работа и производительность определяются преимущественно нагрузочной способностью подшипников главного кривошипного (эксцентрикового) вала. В качестве подшипников этого вала используют подшипники скольжения. Значение нагрузочной способности [Pv] > pv для подшипников на основе бронз, получивших наибольшее распространение, не превышает 30 МПа [м/с]. В РОМ зарубежного производства (с кинематикой согласно (рис. 4.2.8, б) используются специальные подшипниковые сплавы обеспечивающие [Pv] свыше 300 МПа * м/с. Эксцентриковый вал в машине (рис. 4.2.8, б) совершает вращательные движения, а согласно рис. 4.2.8, а - качательное колебательное движение на угол (р « 360°.
Мощность NT, расходуемая на преодоление трения в подшипнике, определяется по зависимостям [19]
NT = MTo (4.2.1)
или
= fmP„(4.2.2) I •/ пр П А •/ пр П '
Z оО
326
Глава 4.2. РАДИАЛЬНО-ОБЖИМНЫЕ (КОВОЧНЫЕ) МАШИНЫ
где Л/т - момент трения в подшипнике; со -средняя за цикл угловая скорость цапфы (вала); /пр “ приведенный коэффициент трения;
Рн - среднее значение силы, действующей на подшипник; d - диаметр цапфы; п - частота вращения цапфы.
За один оборот эксцентрикового вала (РОМ по рис. 4.2.8, б) каждая точка этого вала проходит путь, равный 5Т = nd, а в РОМ по
nd
рис. 4.2.8, а путь 5Т = ^^Ф- Значение <р для
РОМ производства АООТ "Тяжпрессмаш” (Рязань) не превышает ср < 24°. Вследствие этого
окружная скорость v РОМ по рис. 4.2.8, а в 15 раз меньше при равных значениях давления р на цапфу вала, чем в РОМ по рис. 4.2.8, б. Следовательно, РОМ по схеме рис. 4.2.8, а имеет большую частоту ходов бойка и производительность. Зубчатый привод этих машин
. АВ
передает i ---- меньший крутящий момент.
АС
Потери на трение в машинах по схеме рис. 4.2.8, а существенно меньше, чем в машинах по рис. 4.2.8, б.
Таким образом, из условия обеспечения нагрузочной способности pv подшипников скольжения главного вала исполнительного механизма находят частоту ходов п и силу Рн (кН), а также мощность холостого хода с учетом количества исполнительных механизмов (бойков)
, =12оад
н ппН
(4.2.3)
d,l- диаметр и длина опорной шейки (шипа) главного вала.
Рабочую скорость манипулятора vM
(мм/с) определяют по формуле
W7(l-cos<p„) 60(2jt-<pH)tgp
Из условия
5“=^’ a = t0-COS(P">
/о 60
(дм - шаг подачи заготовки за время /ц = —,
п
мм; h - рабочая часть хода бойка, мм; <рн -угол нагружения кривошипа при деформиро
вании заготовки, °; Р - угол заходного конуса бойка, °) скорость vM не должна быть больше
средней скорости бойка vc = — мм/с.
Рабочая скорость сведения бойков v6.
Рабочая скорость сведения бойков должна быть всегда меньше рабочей скорости vM манипулятора (на 25...30 %), т.е.
*$м > *$б>
„ 60
5б - сближение бойка за время /ц =—, мм.
п
Сближением бойков обжим (ковку) заготовок не производят. Приближают боек к заготовке во время холостого хода бойка.
Определение силы обжатия (ковки). Силы обжатия кН в общем случае определяют по формуле
Р = pF, (4.2.5)
р - удельная сила, кН/мм2; F - площадь контакта бойка с заготовкой, мм2. Могут иметь место два случая обжатия заготовок на РОМ:
- обжатие плоскими бойками;
- обжатие заготовки вырезанными бойками с радиусной или плоской угловой выемкой.
Определение силы при горячем обжатии плоскими бойками. Удельная сила определяется по формуле:
для цилиндрических заготовок [21] ( 2 I \ p=CT41+3g^J’ (<Ш)
для прямоугольных заготовок
Г 1
Р = 1 + -- , (4.2.7)
V 4 п)
где - предел текучести при температуре обжатия, кН/мм2; ц - коэффициент трения; Zo - длина деформирующей части бойка, мм; dn - диаметр поковки, мм; а - основание прямоугольника, мм; h - высота прямоугольника, мм.
Площадь контакта F.
для цилиндрической заготовки
F = d„l0,
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
327
для прямоугольной заготовки
Г = а/0.
Определение силы обжатия при работе радиусными бойками. Отличается от предыдущих случаев определением площади контакта F. Значение F (мм2) рекомендуется определять для РОМ с четырьмя бойками по формуле:
для заходной (конической) деформирующей зоны бойка
. 0
1 / 4sin-
(4-28)
где D3 - диаметр заготовки.
Для калибрующей цилидрической зоны бойка
о
t7nZK sin—, (42.9)
к ii ik 2
da - диаметр поковки, мм; 1К - длина калибрующей зоны бойка, мм.
Удельная силар, кН/мм2:
для заходной (конической) деформирующей зоны бойка
p = as 1--цРз d" -
( 3 2tgp 7^2-J
(4.2.10)
для калибрующей цилиндрической зоны бойка
1 2 ZK I
1—ц— • з dj
(4.2.11)
Определение мощности двигателя привода ковочного агрегата.
Определение технологической работы
Л = ЛЛр, (4.2.12)
где Рср - средняя сила за цикл нагружения, Н, равная [24] (график нагружения - треугольник): Рср = 0,5Рн (Рн - номинальная сила на бойке, Н); h0 - рабочая часть хода бойка, соответствующая допустимому углу нагружения
W-
Таким образом,
Ат = 0,5ЛоРн.
Определение мощности двигателя кВт, для совершения технологической работы
N _АТ znAr _ znh0PH
т 102tu 102-60 122-40 ’
z - число бойков; п - частота ходов бойка, мин-1. Полная мощность двигателя
- мощность холостого хода агрегата.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Деордиев Н.Т., Радюченко Ю.С. Исследование силовых параметров процесса холодного ротационного обжатия. Труды ЭНИКмаша. Вып. 24: Прогрессивные технологические процессы обработки металлов давлением. М.: Машиностроение, 1971.
2. Деордиев Н.Т., Радюченко Ю.С. Пути совершенствования технологии и оборудования для радиального обжатия И Кузнечноштамповочное производство. 1988. № 7.
3. Ковка на радиально-обжимных машинах / Под ред. Тюрина В.А. М.: Машиностроение, 1990. С. 251 -253.
4. Любвин В.И. Обработка металлов радиальным обжатием. М.: Машиностроение, 1975. С. 49.
5. Маштакова Т.В. Особенности программирования технологических процессов радиального обжатия И Кузнечно-штамповочное производство. 1987. № 6.
6. Патент Рязанского ПО ''Тяжпрессмаш" 356478 (Австрия), 4229963 (США), 2430840 (Франция).
7. Патент 278481, B21j 13/10 Австрия.
8. Патент 1224224 B21j. ФРГ.
9. Радиальное обжатие прутковых заготовок в горячем состоянии. Воронеж: ЭНИКмаш, 1982. С. 11.
10. Радюченко Ю.С. Ротационное обжатие. М.: Машиностроение, 1972. С. 148.
11. Радюченко Ю.С. Исследование влияния элементов геометрии бойка на процесс ротационного обжатия. Труды ЭНИКмаша, Вып. 19. Разработка и исследование технологических процессов обработки металлов давлением. М.: Машиностроение, 1968.
328
Глава 4.3. КОВОЧНЫЕ ВАЛЬЦЫ
12. Радюченко Ю.С., Деордиев Н.Т. Машины для ротационного обжатия. М.: НИИМАШ, 1971. Кузнечно-прессовое машиностроение. Серия 3.
13. Радюченко Ю.С. Комплексное решение вопросов развития технологии и оборудования для радиального обжатия И Кузнечноштамповочное производство. 1987. № 6.
14. Савинов Е.А. Технологические и конструктивные особенности радиально-ковочных машин и перспективы их развития // Кузнечно-штамповочное производство. 1981. №10. С. 20-23.
15. Савинов Е.А., Воронов В.Г. А.с. СССР 726990 16Н 1/22, В21 7/16.
16. Савинов Е.А. Методы синхронизации работы многокривошипных исполнительных механизмов кузнечно-прессовых машин (КПМ) И Кузнечно-штамповочное производство. 1983. № 12. С. 20-21.
17. Савинов и др. А.с. СССР 839137 B21j 13/10.
18. Савинов Е.А. Пат. 2494147 B21j 13/03. Франция.
19. Савинов Е.А. Возможности снижения потерь мощности в механизмах быстроходных радиально-ковочных машин (РКМ) // Вестник машиностроения. 1983. № 8. С. 52 - 55.
20. Савинов Е.А. Унификация и принципы проектирования исполнительных механизмов КПМ: Информ, сб. Вып. 10. М.: ВНИ-ТЭМР, 1991. С. 16-18.
21. Сторожев А.В., Попов Е.А. Теория обработки металлов давлением. М.: МАШГИЗ, 1957. С. 216.
22. Тынянов В.Н., Носова В.В. Общий случай расчета нулевого значения угла смещения кривошипа в двух- и четырехкривошипных прессах И Кузнечно-штамповочное производство. 1983. № 2. С. 29 - 31.
23. Тюрин В.А., Экарев М.С. Состояние и перспективы развития радиального обжатия заготовок. М.: ВНИИТЭМР, 1988. Технология и оборудование кузнечно-штамповочного производства. Серия 3. Вып. 5.
24. Целиков А.И. Металлургический завод нового типа // Наука и жизнь. 1983. № 11. С. 48-55.
25. Ширинкин Л.В. Технологические возможности и область применения радиально-обжимных машин // Кузнечно-штамповочное производство. 1987. № 6.
Глава 4.3
КОВОЧНЫЕ ВАЛЬЦЫ
4.3.1. КЛАССИФИКАЦИЯ
Вальцовка является разновидностью прокатки и заключается в распределении металла и оформлении переменного профиля по длине путем деформирования заготовки между взаимно движущимися валковыми инструментами, имеющими рабочие и холостые участки, или между плоскими инструментами.
Отвальцованные заготовки предназначены для последующей чистовой механической обработки либо штамповки с того же нагрева. В производстве распространены два вида вальцовки: продольная и поперечно-клиновая.
При продольной вальцовке деформирование заготовки осуществляется между двумя валковыми инструментами, вращающимися в противоположные стороны. При поперечноклиновой вальцовке деформирование заготовки ведется между взаимно движущимися навстречу друг другу инструментами.
Машины, на которых осуществляется вальцовка, названы ковочными вальцами. С целью классификации типоразмеров ковочных вальцов в качестве главного параметра принято номинальное межосевое расстояние валкового инструмента и наибольшая длина плоского инструмента. Сравнительной характеристикой машин являются наибольшие диаметр и длина изделия.
По конструктивному исполнению ковочные вальцы подразделяются (рис. 4.3.1) на консольные и закрытые в зависимости от расположения инструмента соответственно на консольной части рабочих валков или в срединной части между опорами.
4.3.2. КОНСТРУКТИВНЫЕ СХЕМЫ И КОНСТРУКЦИИ
Ковочные вальцы для продольной вальцовки. Деформирование при продольной вальцовке осуществляется валковым инструментом, выполненным в виде колец (валок-штамп) или секторов (сектор-штамп), установленным на вращающихся рабочих валках (рис. 4.3.2). Исходной является штучная мерная заготовка, нагретая до ковочной температуры.
Ковочные вальцы на базе закрытых конструкций выполняются комбинированными, у которых инструменты размещаются между опорами и на консоли (рис. 4.3.3).
КОНСТРУКТИВНЫЕ СХЕМЫ И КОНСТРУКЦИИ
329
Рис. 43.1. Классификация ковочных вальцов
Рис. 43.2. Схема процесса продольной вальцовки:
1 - рабочий валок; 2 - инструмент;
3 - упор; 4 - заготовка
Вращение рабочим валкам 1 передается от электродвигателя 2, через клиноременную передачу 3, маховик 4, пневматическую фрикционную, как правило, совмещенную муфту-тормоз 5 и зубчатую передачу б, расположенную в корпусе-станине 7. Рабочие валки установлены в эксцентриковых втулках 8, поворотом которых осуществляется регулировка межосевого расстояния.
Консольные ковочные вальцы. Вальцы предназначены для получения профилированных заготовок под последующую штамповку, при этом заготовки могут иметь круглое, квадратное, прямоугольное, овальное и другое поперечное сечение [9].
По числу пар рабочих валков (клетей) консольные ковочные вальцы подразделяются наодноклетьевые и многоклетьевые.
Одноклетьевые консольные ковочные вальцы (рис. 43.4) состоят из одной пары рабочих валков, при этом редуктор привода в отличие от комбинированных вальцов размещается между опорными стойками, что сокращает габаритную длину и позволяет встраивать их в кузнечно-штамповочные линии для предварительного профилирования заготовок с единым нагревом.
Рабочие участки валков-штампов с выполненной гравюрой (ручьями) охватывают валки для кольцевого инструмента до 270°, для секторного инструмента - не более 180°, при этом длиной их развертки определяется наибольшая деформируемая длина заготовок. По длине рабочего валка располагается до трех ручьев.
В процессе вальцовки на одноклетьевых ковочных вальцах манипулирование с заготовкой (загрузка и кантовка вокруг оси) производится вручную, при этом вальцовка ведется на рабочего, удерживающего заготовку в клещах (рис. 4.3.2). Управление вальцами осуществляется от педали.
Характеристика отечественных одноклетьевых консольных ковочных вальцов представлена в табл. 4.3.1 [5].
За рубежом одноклетьевые консольные вальцы выпускаются фирмами: Massey, Wilkins and Mitchell (Англия), National (США), Kiserling (Германия).
Рис. 433. Комбинированные закрытые ковочные вальцы
о
Глава 4.3. КОВОЧНЫЕ ВАЛЬЦЫ
КОНСТРУКТИВНЫЕ СХЕМЫ И КОНСТРУКЦИИ
331
43.1. Характеристики отечественных консольных ковочных вальцов (АО "Вороиежпресс")
Параметры Одноклетьевые вальцы Двухклетьевые вальцы.
СА1332 СА1334 СА1335 СА1336 С1432 С1434 С1435 С1436
Межосевое расстояние, мм 160 250 320 400 160 250 320 400
Диаметр обрабатываемой заготовки (наибольший), мм 50 75 95 125 50 75 95 125
Частота вращения валков, мин’1 85 65 55 45 85 60 50 40
Посадочные места под инструмент, мм: диаметр валка длина валка 90 160 140 220 180 280 225 360 90 75 140 95 180 120 225 150
Мощность электродвигателя, кВт 13 19 26 35 17 40 66 66
Масса, т 4 6,2 8,2 13 5 14,1 35,1 39
Габиритные размеры в плане, мм 1795 х х 1065 2420 х х 1900 2590 х х 1930 3035 х х 2350 2020 х х 1685 2955 х х 2470 3415 х х 3800 3415 х х 3800
Высота, мм 1925 2015 2130 2485 1320 1830 2150 2150
Рис. 43.4. Одноклетьевые консольные ковочные вальцы
Многоклетьевые консольные ковочные вальцы имеют две и более последовательно установленные клети, при этом на рабочем валке располагается один ручей и вальцовка ведется на проход.
В нашей стране созданы автоматизированные двухклетьевые консольные ковочные вальцы, особенностью которых является взаимно-перпендикулярное расположение двух
Рис. 43.5. Двухклетьевые консольные ковочные вальцы
пар валков, что позволяет сближать клети, создается возможность передачи заготовки от первой клети ко второй самими инструментами и исключается необходимость кантовки заготовки (рис. 4.3.5) [7].
Двухклетьевые ковочные вальцы снабжены регулировкой межклетьевого расстояния и взаимной угловой регулировкой первой и второй пары валков, обеспечивающих вальцовку в широком диапазоне длин и диаметров заготовок.
Из условия передачи заготовки валками-штампами каждый типоразмер двухклетьевых вальцов имеет ограничения по минимальной и
332
Глава 4.3. КОВОЧНЫЕ ВАЛЬЦЫ
максимальной длине вальцуемых заготовок, которые определяются расчетом [8]. Двух-клетьевые ковочные вальцы являются автоматизированным комплексом. В табл. 4.3.1 представлена техническая характеристика всей гаммы двухклетьевых вальцов.
За рубежом многоклетьевые консольные ковочные вальцы (от 2 до 9 клетей) с взаимноперпендикулярным расположением смежных пар валков выпускает фирма Eumuco (Германия). Особенностью конструкции этих вальцов является расположение рабочих пар валков под углом 45° к горизонтали, что позволяет обеспечить проход клещей, удерживающих заготовку, в положении проворота каждой пары валков-штампов холостыми участками друг к другу.
Закрытые ковочные вальцы. Вальцы предназначены для профилирования заготовок под последующую штамповку, для оттяжки и формовки концевых частей заготовок.
Закрытые ковочные вальцы по сравнению с консольными обладают большей жесткостью, что позволяет получать заготовки с меньшими допусками, и имеют большую длину
валков для размещения не менее четырех рядов валков-штампов (ручьев) (см. рис. 4.3.3).
При комбинированном исполнении закрытых вальцов консольные участки рабочих валков по диаметрам унифицированы с консольными вальцами и могут использоваться как для вальцовки заготовок, так и для привода встраиваемых вспомогательных механизмов: ножниц для отрезки готовых деталей, прессов для правки или гибки поковок или для привода автоматического манипулятора [9, 5].
В целях получения длинномерных заготовок закрытые вальцы выполняются с подвижной внешней стойкой, что обеспечивает установку кольцевых валков-штампов. Ввиду большой массы заготовок эти вальцы оснащены автоматически манипулятором.
Параметры закрытых ковочных вальцов представлены в табл. 4.3.2. За рубежом закрытые ковочные вальцы выпускаются фирмами: Wilkins and Mitchell (Англия), Eumuco, Hasen-clever (Германия) и др. Указанные немецкие фирмы создали автоматизированные закрытые ковочные вальцы для типовых заготовок, оснащенные манипуляторами.
4.3.2. Характеристики закрытых ковочных вальцов (АО "Воронежпресс")
Параметры Модель
С1234 С1235 С1237 С1240 С0234А С0536 С1037Б С0240
Межосевое расстояние, мм 250±5 320±6 500±10 1000± ±12,5 250±5 400^ 500±6 1000± ±12,5
Распорная сила, кН 250 400 1000 2500 250 1000 1600 4000
Диаметр обрабатываемой заготовки (наибольший), мм 30 45 70 130 30 60 75 200
Частота вращения валков, мин-1 100 60 20 16 100 40 28 30
Посадочные места под инструмент, мм: диаметр валка длина валка 160 320 200 400 320 630 710 960 160 240 240 160 360 400 550 1000
Мощность электродвигателя главного привода, кВт 10 40 100 ПО 11 30 55 160
Масса, т 5,0 10,5 32 66,5 4,75 11 17,7 47,1
Габаритные размеры в плане, мм 2140 х х 1330 3300 х х 2300 5840 х х 3375 6030 х х4150 1430 х х 1540 2275 х х2130 3100 х х 2400 3800 х хбЗЮ
Высота, мм 2220 2125 2590 3270 1530 2255 2800 4130
КОНСТРУКТИВНЫЕ СХЕМЫ И КОНСТРУКЦИИ
333
Рис. 4.3.6. Конструкции и способы крепления инструмента для продольной вальцовки
Кроме универсального назначения существуют зарубежные и отечественные конструкции специальных закрытых ковочных вальцов, например, для оттяжки лезвий столовых приборов (ножей, вилок), калибровки пера турбинных лопаток и др.
Конструкции и способы крепления инструмента. Существуют разнообразные конструкции кольцевого и секторного инструмента к консольным и закрытым ковочным вальцам и соответственно способы их крепления на рабочих валках [9]. На рис. 4.3.6 показаны наиболее применяемые конструкции инструмента:
I - для консольных вальцов; II - для закрытых вальцов; III - прижимные кольца для секторного инструмента; IV, V - варианты исполнения инструмента.
Размеры посадочных диаметров рабочих валков, располагаемых между опорами и консольными участками, для отечественных вальцов унифицированы и приведены в табл. 4.3.3.
4.3.3. Размеры посадочных диаметров рабочих валков
Межосевое расстояние, мм Посадочный диаметр, мм
между опорами на консоли
160 100 90
250 160 140
320 200 180
400 250 225
500 320 280
630 400 360
1000 690 630
Рис. 43.7. Конструктивные схемы поперечно-клиновой вальцовки: а - валковая; б - плоская; в - валково-сегментная
Ковочные вальцы для поперечноклиновой вальцовки. Деформирование при поперечно-клиновой вальцовке осуществляется клиновыми элементами, выполненными цилиндрическими или плоскими, движущимися навстречу друг другу, при этом заготовка, находящаяся между ними, приводится во вращательное движение.
Поперечно-клиновая вальцовка осуществляется по трем основным конструктивным схемам: валковой, плоской и валково-сегментной (рис. 4.3.7). Ковочные вальцы, реализующие эти схемы, соответственно названы: валково-клиновыми, плоскоклиновыми и валково-сегментно-клиновыми.
Вальцы предназначены для получения заготовок деталей типа ступенчатых валов с цилиндрическими, коническими и сферическими участками.
334
Глава 4.3. КОВОЧНЫЕ ВАЛЬЦЫ
Рис. 43.8. Вертикальные валково-клиновые консольные ковочные вальцы, мод. СБ 3337: 1 - станина с размещенным в ней приводом; 2,3- рабочие валки; 4 - подача (механизм загрузки); 5 - механизм межвалковой регулировки; б - выгрузочный желоб; 7 - ограждения валков
Процесс поперечно-клиновой вальцовки по условиям безопасности требует автоматизированной загрузки заготовок в рабочую зону, поэтому ковочные вальцы представляют собой самостоятельные автоматические комплексы, встраиваемые в технологические линии.
Промышленное применение получили валково-клиновые и плоско-клиновые ковочные вальцы.
Валково-клиновые ковочные вальцы. В отличие от двух других конструктивных схем для валково-клиновой требуется удерживание обрабатываемой заготовки в очаге деформации с помощью боковых проводок или других устройств, фиксирующих заготовку по оси вальцовки.
По конструктивному исполнению в зависимости от размещения инструмента на консоли или между опорами рабочих валков валково-клиновые вальцы подразделяются на консольные и закрытые.
Консольные валково-клиновые ковочные вальцы. Имеются два конструктивных исполнения консольных валково-клиновых вальцов с горизонтальным расположением осей рабочих валков друг над другом и вертикальным.
При нагрузке, возникающей в процессе вальцовки, неизбежно раскрытие межосевого расстояния, поэтому для увеличения жестко
сти конструкции рабочие валки выполнены полыми и установлены через подшипники на осях, заделанных в корпусе клети.
На этих вальцах используется кольцевой инструмент, подлежащий многократной переточке, что повышает его экономичность.
Горизонтальные консольные валковоклиновые вальцы [11] состоят из клети и редуктора привода, соединенных зубчатыми муфтами, устройства для подачи заготовок в рабочую зону, желоба для выгрузки изделий и концевых отходов. Вальцы снабжены подвижными боковыми проводками, которые разводятся в момент выдачи заготовок и в процессе вальцовки.
У вертикальных консольных валковоклиновых ковочных вальцов (рис. 4.3.8) загрузка заготовок в зону деформации осуществляется за счет силы тяжести [3].
Эти вальцы высокопроизводительны, однако на них затруднено отделение концевых отходов, что предопределяет их применение для получения профилированных заготовок под последующую штамповку, к тому же по точности заготовок они превосходят заготовки, получаемые продольной вальцовкой.
Характеристика вертикальных консольных вальцов приведена в табл. 4.3.4.
КОНСТРУКТИВНЫЕ СХЕМЫ И КОНСТРУКЦИИ
335
4.3.4. Характеристика валково-клиновых консольных ковочных вальцов
Горизонтальные Вертикальные
Основные параметры Межосевое расстояние, мм (модель)
900$ (110x300) 500 (СБ 3337) 630 (СБ 3338) 800 (СБ 3339)
Наибольшие размеры изделия, мм:
по диаметру ПО 34 60 90
по длине 300 300 400 400
Частота вращения валков, мин-1 12 24 15 10
Мощность электропривода, кВт 185 37 55 75
Габаритные размеры, мм:
длина 4750 2100 2200 2300
ширина 3000 1500 1600 1800
высота 2250 1720 2400 2400
Масса, т 30 5 10,5 15
4.3.5. Характеристика валково-клиновых закрытых ковочных вальцов с расположением валков друг над другом
Основные параметры Межосевое расстояние, мм (модель)
650 (D 650) 1000 (D 1000) 980 (100x500) 630 (АСК 45/400) 930 (АСК 90/500)
Наибольшие размеры изделия, мм:
по диаметру 60 130 100 45 90
по длине 370 350 500 400 550
Частота вращения валков, мин-1 12 6 12 15 10
Мощность электродвигателя главного привода, кВт 55 160 150 55 132
Габаритные размеры, мм:
длина 3500 6000 6430 5780* 13 200*
ширина 1800 3000 4500 2700 4550
высота 2400 3400 4000 2400 4000
Масса, т 15,1 32 55 17,5 46,5
♦ С нагревательной установкой.
336
Глава 4.3. КОВОЧНЫЕ ВАЛЬЦЫ
Закрытые валково-клиновые ковочные вальцы. Вальцы предназначены для получения точных поковок с вытеснением излишков металла и отделением их в виде концевых отходов.
Имеются два вида закрытых валково-клиновых вальцов: с горизонтальным расположением осей рабочих валков в вертикальной плоскости (друг над другом) и в горизонтальной плоскости.
В отечественном производстве созданы закрытые валково-клиновые вальцы по аналогии с прокатными станами, в которых рабочие валки последовательно связаны с приводом валами-шпинделями [2]. Техническая характеристика их приведена в табл. 4.3.5. К уменьшенью габаритной длины привело размещение валов-шпинделей внутри полых рабочих валков, осуществленное в закрытых вальцах моделей АСК 45/400, АСК 90/500 [4].
В отечественном кузнечно-штамповочном производстве применение нашли закрытые ковочные вальцы чешской конструкции, в которых привод и рабочие валки размещены в едином корпусе-станине, техническая характеристика этих вальцов указана в табл. 4.3.6.
4.3.6. Техническая характеристика ковочных вальцов
Параметры Модель
UL-35 К/50 ULS-100
Межосевое расстояние, мм 725 ±25 1000 ±50
Размеры заготовки, мм: диаметр длина 22... 50 6300 35... 100 500
Наибольшая длина прокатанного изделия, мм 320 750
Частота вращения валка, мин-1 16 9
Мощность, кВт 55 158
Масса, т 14,7 45
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Андреев Г.В., Клушин В.А., Маку* шок Е.М. и др. Поперечно-клиновая прокатка. Минск: Наука и техника, 1974.
2. Балин А.Ф., Рогов М.В. Станы поперечно-клиновой прокатки Д-1000 и Д-650: Труды ГПКТИ. Вып. 4. 1969.
3. Веремеевич Ю.Н., Горовой Р.С., Бондарев И.А., Имелев Ю.Е. Применение поперечно-клиновой прокатки для профилирования заготовок перед горячей штамповкой // Кузнечно-штамповочное производство. 1983. № 10.
4. Веремеевич Ю.Н., Суворин Е.П., Горовой Р.С., Седюков В.Н. Конструкция автоматических станов поперечно-клиновой прокатки И Кузнечно-штамповочное производство. 1976. № 9.
5. Власов В.И., Крупенко А.Г., Сумской В.И., Каржан В.В., Сацевич М.А., Писарев И.М. Современные тенденции совершенствования ковочных вальцов. М.: НИИмаш, 1975.
6. Жукевич-Стоша ЕЛ., Милютин C.IL, Казанская И.И. и др. Прокатка круглых периодических профилей И Производство точных заготовок машиностроительных деталей прокаткой. М.: НИИНФОРМтяжмаш, 1968.
7. Никольский Д.Н., Комиссаров В.Т., Шипанов Л.П. Новые ковочные вальцы с непрерывным процессом вальцовки. М.: Маш-гиз, 1965. (Новые кузнечно-прессовые машины: Сб. ст. Вып. 11 / ЭНИКМАШ).
8. Никольский Д.Н., Кузнецов А.В. Получение заготовок на ковочных вальцах: Рекомендации. 3-е изд. / ЭНИКМАШ. Воронеж, 1980.
9. Трофимов И.Д., Павлов В.А., Кузьмичев В.Н. Ковочные вальцы. М.: Машиностроение, 1967.
10. Украинец В.В., Федоров В.К., Долгов С.Г. Оборудование для холодной поперечно-клиновой прокатки деталей малых диаметров валковым инструментом // Кузнечно-штамповочное производство. 1983. № 7.
11. Целиков А.И., Казанская И.И., Сафонов А.С., Матвеев А.В., Садовский Б.Ф., Щукин В.Я. Поперечно-клиновая прокатка в машиностроении. М.: Машиностроение, 1982.
ПРЕССЫ ДЛЯ СФЕРОДВИЖНОЙ ШТАМПОВКИ ОБКАТЫВАНИЕМ
337
Глава 4.4
ПРЕССЫ ДЛЯ СФЕРОДВИЖНОЙ ШТАМПОВКИ ОБКАТЫВАНИЕМ
Оборудование для сферодвижной штамповки обкатыванием в торец цилиндрических и фасонных заготовок применяется как в виде специализированных прессов, в которых реализуются многообразные траектории движения инструмента (рис. 4.4.1), так и в виде штамповых приставок к универсальным гидравлическим прессам, в которых инструменту наряду с осевой подачей придаются только круговые качательные движения обкатки по торцовой поверхности заготовки (табл. 4.4.1).
Специализированное оборудование имеет значительно более широкие возможности не только по кинематике инструмента, но и по возможностям комплексного регулирования
основных параметров в процессе деформирования [1 - 5]. При этом в зависимости от потребностей производства можно достигать максимальной для данного технологического агрегата производительности или максимальной точности [5].
Однако штамповые приставки требуют значительно меньших капитальных вложений, поэтому применяются для простых технологических операций - осадки, высадки, выдавливания, рельефной формовки с формированием профиля в матрице [1, 4].
Большое распространение в мировой практике для штамповки осесимметричных деталей получили прессы, в основе которых положена схема сферодвижного прессователя (рис. 4.4.2; 4.4.3, б). Прессы данного типа, позволяющие обеспечить разнообразные траектории движение инструмента, используются для получения достаточно широкого круга мелких деталей в основном в холодном состоянии.
4.4.1. Основные технические характеристики специализированного оборудования и приставок к универсальным гидравлическим прессам для сферодвижной штамповки обкатыванием
Параметр Специализированное оборудование Приставки к универсальным гидравлическим прессам (Россия)
PXW-100 (Польша) Массей (Англия) Шмидт (Германия) Россия 13.010 13.011 13.012
С82-201 ПСШО-108К
Наибольший диаметр обрабатываемой детали, им 100 150 180...240 175 250 180 220 340
Осевая сила, МН 1,6 2,0 2,0...6,3 1,6 5 1,0 1,6 4,0
Частота круговых качаний инструмента, мин-1 200 до 900 4...12 180 280 163 150 156
Мощность, кВт 17,8 150/110 180...240 45 200
Масса оборудования, кг 5000 12 000 12 000... 18 000 6000 16 800 1,500 2,100 5,100
Угол наклона оси инструмента, 0 0...10 0...10 0...20 2,5 2,5 2 3 2
Производительность, шт./ч До 120 До 600 До 60...80 До 240 До 240 До 100 До 80 До 60
338
Глава 4.4. ПРЕССЫ ДЛЯ СФЕРОДВИЖНОЙ ШТАМПОВКИ ОБКАТЫВАНИЕМ
Рис. 4.4.1. Траектории движения инструмента в прессах для сферодвижной штамповки: а - линейное; б - круговое; в - сложное;
г - спиральное
Рис. 4.4.2. Схема конструкции сферодвижного прессователя:
I - сферодвижная головка; 2 - верхний инструмент; 3 - нижний инструмент; у - угол наклона
б)
Рис. 4.43. Схемы локального деформирования: а - с вращением нижнего инструмента; б - с обкатыванием верхнего инструмента
Анализ кинематической схемы и конструкции сферодвижных прессов, основанных на использовании высокоточной сферической опоры, показал значительную их сложность и, как следствие, ограниченные возможности
машин, технологические возможности и надежность. Круговое качательное движение верхнего инструмента предопределяет перемещение центра давления при штамповке вокруг геометрической оси пресса и приводит к раскачиванию его на фундаменте. Последнее, видимо, объясняет то, что сферодвижные прессы характеризуются весьма малыми размерами рабочей штамповой зоны, существенно ограничивающими технологические возможности прессов.
В конструкции пресса ВНИИметмаша применено вращение нижнего штампа вокруг оси пресса и фиксированный наклон оси вращающегося верхнего инструмента (рис. 4.4.3, а).
В этом случае локальный очаг деформирования заготовки постоянно находится с одной стороны по отношению к оси пресса, создавая стабильные условия силового нагружения станины и узлов пресса.
Подобная же схема принята при создании прессов фирмой Wagner Dortmund (Германия). На рис. 4.4.4 представлено конструктивное решение прессов для штамповки с обкатыванием (ПШО), разработанных ВНИИметмашем (табл. 4.4.2).
Пресс представляет собой замкнутую силовую раму, состоящую из стоек 9, верхней 7 поперечины и нижней 8 поперечины, в которой на поворотной опоре 2 с возможностью вращения расположен нижний штамп 4. Приводом вращения поворотной опоры могут служить, например, гидромоторы.
В верхней поперечине 7 расположены традиционные рабочий 10 и возвратный 11 гцдроцилиндры, плунжеры и штоки которых связаны с ползуном 6 пресса. В ползуне с возможностью поворота для установки необходимого угла наклона у сферодвижной головки 1 расположена верхняя поворотная опора, несущая верхний штамп 3. Ось вращения этой поворотной опоры совпадает с вершиной конуса верхнего штампа. Под нагрузкой поворотная опора передает силу через цилиндрическую пяту на верхнюю часть ползуна пресса. Необходимый наклон поворотной опоры фиксируется специальными стопорными механизмами и остается постоянным в процессе штамповки данной партии деталей.
Нижняя и верхняя поперечины связаны между собой стойками-проставками 9, образуя предварительно напряженную станину. Ползун перемещается в станине по диагональным регулируемым направляющим 5.
ПРЕССЫ ДЛЯ СФЕРОДВИЖНОЙ ШТАМПОВКИ ОБКАТЫВАНИЕМ
339
А-А
эмо
___________7880__________________
____________7220_________________
3200 i 2500 . । fMO
Рис. 4.4.4. Конструкция пресса ВНИИметмаша для сферодвижной штамповки
340
Глава 4.4. ПРЕССЫ ДЛЯ СФЕРОДВИЖНОЙ ШТАМПОВКИ ОБКАТЫВАНИЕМ
4.4.2. Основные параметры прессов для штамповки с обкатыванием конструкции ВНИИметмаш
Параметр Характеристика
Номинальная сила, MH 1,6 6,3 10 16
Ход ползуна, мм 260 400 500 500
Расстояние между стойками в свету, мм 800 2000 2960 3100
Размер (диаметр) штампов в плане, мм 500 1200 1960 2300
Число ходов ползуна, мин-1 5 2 1 1
Число оборотов штампов, мин-1 120 120 120 120
Угол наклона верхнего штампа, ° 0...10 0...10 0...10 0...10
Особенностью этого решения является смещение друг относительно друга оси вращения нижнего штампа и оси верхнего рабочего гидроцилиндра. Величина этого смещения равна эксцентриситету приложения центра давления при штамповке с обкатыванием наиболее трудоемкой или наибольшей по размерам детали.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Богоявленский К.Н., Селин М.Т., Лапин В.В. Оборудование и технология раскатки прецизионных заготовок: Обзор. М.: НИИМАШ, 1981.72 с.
2. Лапин В.В., Давыдов С.Н., Якименко Б.М. Основные направления исследований
в области сферодвижной штамповки за рубежом. М.: ЦНИИТЭИтракторосельмаш, 1986. 37 с. (Серия 3. Технология и автоматизация производства (зарубежный опыт). Вып. 5, 6).
3. Миропольский Ю.А., Мансуров ИЗ. Современные тенденции развития технологии холодной объемной штамповки: Обзор. М.: НИИмаш, 1979. 80 с.
4. Сапрыкин И.А., Атрошенко А.П., Альперович Г.Б., Сдобин В.А. Полугорячее выдавливание и сферодвижная штамповка деталей электроаппаратуры И Кузнечно-штамповочное производство. 1983. № 9. С. 12 - 14.
5. Oarleone J., Pei Chi Chou. Numerically controlled orbital forging: feasibility of high precision Proceedings of 2nd International Conference on Rotary metallworkine processes, October 6 - 8 th 1982. Stratford, 1982. P. 101 - 112.
Раздел 5
ВИНТОВЫЕ ПРЕССЫ
Глава 5.1
КЛАССИФИКАЦИЯ И ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ
Принцип действия винтовых прессов заключается в разгоне рабочих частей (винт с маховиком или без маховика, ползун и верхний штамп) приводом во время холостого хода вниз (или по направлению к поковке) до определенной скорости с целью накопления кинетической энергии вращательного и поступательного движения. Во время рабочего хода 5 зга энергия используется для деформирования поковки Лд:
Лп -> (Ту + ) = mv2 / 2 + /со2 / 2 =
= ТЭ->ЯД= ]>д(^)<&. (5.1.1)
О
Обычно кинетическая энергия вращательного движения составляет (0,8...0,9)Тэ, линейная скорость рабочих частей v = 0,3... 1,0 м/с, время деформирования /д « 0,1... 0,2 с.
Для винтового механизма характерно постоянное соотношение угловой и линейной скоростей:
2v 2тс
со =--------= — V,
<Zctga h
(5.1.2)
поэтому эффективную кинетическую энергию рабочих частей пресса можно представить
или
v2 V2
— = М —, (5.1.4) 2 2
где / - приведенный момент инерции рабочих частей; М- приведенная масса рабочих частей.
В приведенных выше формулах обозначено: Лд - работа привода; Гу и Тй - кинетическая энергия поступательно движущихся и вращающихся рабочих частей; m и - масса поступательно движущихся и осевой момент инерции вращающихся рабочих частей; h - ход винта; tZc - средний диаметр; a - угол подъема резьбы винтовых рабочих механизмов.
Классификация. В зависимости от типа передаточного механизма винтовые прессы относят к фрикционным, муфтовым, электро-винтовым или гидровинтовым (рис. 5.1.1). Наиболее полная морфологическая классификация приведена в работе [1].
Основные параметры и показатели. К основным параметрам винтовых прессов относятся: номинальная и допускаемая сила, эффективная энергия, наибольший ход ползуна, размеры штампового пространства, быстроходность и другие параметры, регламентированные стандартами (например, ГОСТ 713-В8 "Прессы винтовые").
Номинальная и допускаемая сила пресса. Кинетическая энергия Т3 рабочих частей во время рабочего хода расходуется на полезную работу пластического деформирования поковки Лд, упругую деформацию деталей пресса, штампов (и поковки) А?, преодоление трения в элементах машины и штампа А^ в случае перегрузки избыточная энергия поглощается предохранительным устройством Лп :
Тэ = Лд + Лу + + стЛд, (5.1.5)
где ст - единичная функция; при работе без предохранителя и при силе деформирования поковки, меньшей силы предварительной настройки (затяжки) предохранителя, ст = 0, в остальных случаях ст = 1.
Деформирующая сила, развиваемая прессом
P = 72c(nMT3-^)-G4, , (5.1.6)
и»
Жесткое
р н
Ковочно -штамповочные
Высадочные
Чеканочные (правочные)
Ли ст о -штамповочные
Для прессования металлопорошков, керамики и огнеупоров
Знерготип
Многобайтовые |
Двухвинтовые
| Фрикционные винтовые | | Муфтовые винтовые |
| ЭлектровинтовыД \ Гидровинтовые
вин т а
— Винтовые прессы
| Комбинированные
Станины и ползуна
С амортизаторами
h
Двух ползунов
-1и-Суй)
Тщр. Туырг
К и]н е м q т и \а
'53
’5l
sr£
5! §
£
I
’51 5з
Б
£
5з ъ С
ч
£
I
•51
5Г£
Рис. 5.1.1. Схема классификации винтовых прессов
Глава 5.1. КЛАССИФИКАЦИЯ И ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ
Шаботное Конструктивное исполнение
Весшаботное
Одновинтовые
'5j 53
3? 5
КЛАССИФИКАЦИЯ И ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ
343
где с - жесткость системы машина - штамп в направлении движения ползуна, с» «(0,15...0,2)7"^ (здесь с в МН/м, Р„ в МН); ?]м - механический КПД во время деформирования.
Номинальная сила - это условная величина деформирующей силы, развиваемой прессом при штамповке расчетной поковки [Лд] без срабатывания предохранителя (о = 0)
^н=72с(Пм7;-Мд]. (51.7)
р2
И1 = Пм7;-^-. (5.1.8)
2с
Допускаемой силой является Рдоп = 1,67% = 0,8/%, при которой допускается длительная работа пресса, при срабатывании предохранителя и низком значении Т|м (рис. 5.1.2).
Максимальную силу пресс без предохра-। нителя (ст = 0) развивает при Ад = 0:
Рт=^сцмТ3. (5.1.9)
Типоразмерные ряды номинальных сил винтовых прессов, как и других видов кузнечно-штамповочного оборудования, устанавливают на основе ряда предпочтительных чисел. Для винтовых прессов, изготавливаемых в СССР, на основе анализа номенклатуры поковок, которые возможно и экономически целесообразно получать на этих прессах в различных отраслях промышленности, а также изучения техникоэкономических показателей и затрат на изго-
Рис. 5.1.2. Зависимость КПД деформирования от деформирующей силы
товление и эксплуатацию установлен десятичный ряд R5 чисел геометрической прогрессии со знаменателем 1,58 в пределах 0,1... 100 МН. Фрикционные дисковые прессы выпускались в СССР серийно на ЧЗПА силой 0,63... 6,3 МН. Электровинтовые прессы с номинальной силой 0,4... 10 МН изготавливались серийно, самый крупный гидровинтовой изготовлен на ВПОТМП с номинальной силой 25 МН.
В зарубежной практике используют различные ряды чисел геометрической прогрессии со знаменателями 1,26; 1,3; 1,6 [1].
Самый крупный в мире фрикционный пресс силой 32 МН изготовлен в Японии, элек-тровинтовой с номинально силой 310 МН -в Германии фирмой Weingarten, гидровинтовой пресс силой 250 МН - в Германии фирмой Hasenclever.
Эффективная энергия. К числу важнейших параметров винтовых прессов относится эффективная энергия, которая состоит из кинетической энергии, накопленной рабочими частями пресса к началу рабочего хода, и работы, сообщенной (в некоторых конструкциях) приводом во время рабочего хода. В большинстве конструкций винтовых прессов привод отключают перед рабочим ходом, и поэтому эффективная энергия равна кинетической. В конструкциях гидровинтовых прессов А.И. Зимина [4] дополнительная работа привода во время рабочего хода может составлять 10...30 % кинетической энергии и эффективная энергия может быть больше кинетической [2].
Номинальный ряд эффективной энергии рассчитывают по полезной работе деформирования, которая необходима для энергоемких операций объемной штамповки массивных поковок
Тэ = Лд/Пя =ф4дРн/пя> (5.1.10) где Т]д - КПД процесса деформирования, зависящий от конструкции пресса и технологической операции; при чеканке-калибровке Г|д= =0,45...0,5; при осадке и высадке Г|д = = 0,75...0,85; при объемной штамповке ориентировочно принимают Т|д= 0,6...0,7; ср - коэффициент заполнения P-s диаграммы; для объемной штамповки деталей средней сложности без элементов, получаемых выдавливанием, ф = 0,16...0,19; для деталей сложных с элементами, получаемыми выдавливанием, ф =
344
Глава 5.1. КЛАССИФИКАЦИЯ И ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ
= 0,26...0,32; 5Д - абсолютная деформация поковки в направлении движения инструмента; Рн - номинальная сила.
Стандартом ГОСТ 713-88 предусматривается два ряда эффективной энергии: для чеканочных прессов 0,8... 3200 кДж, для штамповочных прессов 1,25...5000 кДж.
Наибольший ход ползуна. Величина наибольшего хода ползуна регламентируется стандартом ГОСТ 713-88. Она определяется из требования накопить заданную эффективную энергию и отвечать условиям удобства загрузки и выгрузки отштампованной поковки, возможности использования средств механизации и установки штампов с разъемными матрицами, у которых разъем сопровождается большим ходом ползуна вверх, а также отвечать эргономическим требованиям по обзору рабочей зоны оператором. Требуемый наибольший ход определяют из соотношения [1]
7~Пр+пр+5Д, (5.1.11)
где Fn и Л/к - сила и эквивалентный крутящий момент привода; Т]р - механический КПД разгона рабочих частей пресса при движении.
Материалоемкость и энергоемкость. Удельная материалоемкость
kM=m0/PKSc(sm+H}), (5.1.12)
где т0 - масса пресса; Sc - площадь стола; Hi - расстояние от подштамповой плиты до ползуна в нижнем положении.
Удельную энергоемкость оценивают расходом электроэнергии из сети в течение одного машинного цикла ZM =60/п, отнесенным к единице эффективной энергии пресса:
где N3 и т|эд - среднецикловая мощность и КПД электродвигателя; п - частота циклов пресса.
В винтовых фрикционных, муфтовых и гидровинтовых прессах применяют асинхронные электродвигатели с короткозамкнутым ротором, работающие в установившемся режиме с высоким КПД: Г|эд = 0,8...0,85. В элек-
тровинтовых прессах применяют специальные электродвигатели, работающие в переходном пусковом режиме. КПД электродвигателей с круговым статором Т]эд = 0,4...0,45, с дуговым-Т]Эд = 0,35...0,4 [1].
Винтовой рабочий механизм. К основным параметрам винтовых рабочих механизмов относят средний диаметр dc и угол подъема резьбы а. Важными параметрами также являются наружный и внутренний диаметры, шаг и число заходов резьбы, ход винта. В винтовых прессах различных конструкций обычно применяют сплошные или полые (имеющие сквозное центральное отверстие небольшого диаметра) винты (рис. 5.1.3, а, б), имеющие резьбу с прямоугольным, трапециевидным и упорным профилем.
Средний диаметр. Винты с винтовым движением во время рабочего хода испытывают напряжение сжатия на участке от ползуна до гайки вне зависимости от а и напряжение кручения на участке от гайки до маховика тем больше, чем больше а. При а = 16° 10' напряжение сжатия и эквивалентное напряжение кручения равны. При проектном расчете для винтов с винтовым движением из стали 40ХН (<4,СМ, Рн,кН)
rfc«107^, (5.1.14)
а для винтов с вращательным движением
t/c«12,7TX- (5.1.15)
Ход (перемещение при одном обороте) винта с числом заходов i и шагом t
/? = Wctga = /Z. (5.1.16)
Линейное и угловое перемещения и скорость винта связаны соотношениями (без учета упругих деформаций)
Л h d
s = —<р = ф—tga; v = —co = co—tga. 2л 2 2л 2
(5.1.17)
Коэффициент полезного действия винтового механизма с прямоугольным профилем резьбы при движении винта по направлению действия силы во время холостого движения ползуна вниз и вверх
Т]„ »tg(a-p)/tga (5.1.18)
КЛАССИФИКАЦИЯ И ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ
345
Рис. 5.13. Конструкции винтов:
а-сплошной; б - полый; в - профили резьбы (7 - прямоугольный, 2 - трапецеидальный, 3 - упорный)
и при движении против силы во время рабочего хода
п, = tga/tg(a + p). (5.1.19)
Для винтов с трапециевидным профилем резьбы можно использовать приведенный угол трения
p = arctg—, (5.1.20)
COSP
где Р - угол наклона опорной поверхности профиля резьбы.
Угол подъема резьбы. С увеличением угла подъема резьбы до 45° - р повышается КПД но возрастает металлоемкость конструкции рабочих частей из-за уменьшения доли кинетической энергии вращательного движения в составе эффективной энергии пресса и металлоемкость гайки из-за увеличения диаметра винта. Оптимальное значение угла аопт = = 10... 13° получено в результате исследования на минимум функции S стоимости электроэнергии 5Э и материала SM рабочих частей и гайки, отнесенной к одному циклу работы [1]
(рис. 5.1.4). Оптимальное значение смещается в меньшую сторону при увеличении стоимости материала и в большую сторону при удорожании энергии. Применение в прессах винтовых механизмов с углом подъема резьбы 12° < а 16° при р. = 0,05 обеспечивает Г|в = = 0,76...0,81. Наиболее распространены винты a = 12°... 12°30'.
Рис. 5.1.4. К оптимизации угла подъема резьбы: S - суммарная стоимость материала и энергии;
SM - стоимость материала; - стоимость энергии; Г|в - КПД винта
346
Глава 5.2. ФРИКЦИОННЫЕ ВИНТОВЫЕ ПРЕССЫ
Особенности рабочего хода винтовых прессов. Во время рабочего хода происходит соударение рабочих частей пресса с поковкой, трансформация кинетической энергии в работу пластического деформирования поковки, упругого деформирования деталей пресса и штампов и преодоления трения. Подвижные части движутся за счет запаса кинетической энергии и в некоторых конструкциях за счет дополнительной работы привода.
Этот процесс в винтовых прессах характеризуется следующими особенностями: сочетанием ударного характера нагружения поковки (как у молотов) и замыкания технологической силы в станине (как у прессов), наличием винтового несамотормозящего передаточного механизма, работа которого при динамическом нагружении сопровождается одновременными линейными и угловыми деформациями, явлением перебега зазоров в кинематических парах винтового пресса, обусловливающим появление дополнительной динамической составляющей нагрузки. Сочетание этих особенностей создает трудности в полном аналитическом описании процессов, происходящих в механической системе винтового пресса во время рабочего хода [3].
Наблюдаются три основных этапа рабочего хода: этап пластического деформирования поковки и упругого нагружения системы с монотонным характером нагружения, этап только упругого нагружения системы пресс-штампы и этап упругой разгрузки. Характерным является динамический колебательный процесс, соответствующий моменту соприкосновения нижнего и верхнего штампов после окончания пластического деформирования поковки.
Согласно экспериментальным данным с учетом имеющихся зазоров динамическая нагрузка в различных деталях винтовых прессов может находиться в пределах от -20 до +100 % от статической. Расчеты на прочность и долговечность следует вести с учетом влияния динамики, что позволяет избежать как завышения прочности, а следовательно, и металлоемкости, так и снижения прочностных характеристик отдельных деталей, а следовательно, снижения надежности и долговечности машины [1,3].
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бочаров Ю.А. Винтовые прессы. М.: Машиностроение, 1976. 248 с.
2. Бочаров Ю.А. Экспериментальное исследование гидровинтового пресс-молота И
Кузнечно-штамповочное производство. 1960. №7. С. 22-27.
3. Власов А.В. Разработка методики проектирования винтовой пары электровинтового пресса по динамическим нагрузкам в процессе штамповки: Дис. ... канд. техн. наук. М., 1983.210 с.
4. Зимин А.И. Гидровинтовой пресс-молот // Машины и технология обработки металлов давлением: Труды МВТУ им. Н.Э. Баумана. М.: Машгиз, 1957. С. 5 - 10.
5. Зимин А.И. Машины и автоматы кузнечно-штамповочного производства. Ч. 1: Молоты. М.: Машгиз, 1953. 456 с.
Глава 5.2
ФРИКЦИОННЫЕ ВИНТОВЫЕ ПРЕССЫ
5.2.1. КЛАССИФИКАЦИЯ, КОНСТРУКТИВНЫЕ СХЕМЫ И
КОНСТРУКЦИИ
Классификация винтовых фрикционных прессов в зависимости от конструкции фрикционного механизма приведена на рис. 5.2.1 [1].
Наибольшее распространение в промышленности получили двухдисковые винтовые фрикционные прессы (рис. 5.2.2, а), в которых маховик 6 получает движение от электродвигателя / через одноступенчатую клиноременную передачу 2 и вертикальные приводные диски 3 и 4. Нажимной механизм 5 обеспечивает попеременное нажатие дисков справа или слева на обод маховика.
Рабочий силовой винт 7 с закрепленным на нем маховиком 6 совершает в ходовой рабочей гайке 8 винтовое (рис. 5.2.2, а, в, г) или вращательное (рис. 5.2.2, б, д) движение.
Разница величин окружных скоростей при соприкосновении приводных дисков 1 и маховика 2 и 3 предопределяет их проскальзывание и, следовательно, потери энергии (рис. 5.2.3, а). В целях снижения этих потерь (рис. 5.2.3, б) используется схема трехдисковых винтовых фрикционных прессов (рис. 5.2.3, в).
На Чимкентском производственном объединении по выпуску кузнечно-прессовых машин (ЧПО КПО) производился серийный выпуск винтовых двухдисковых фрикционных прессов с номинальной силой до 6,3 МН и кинетической энергией до 80 кДж (рис. 5.2.4), (табл. 5.2.1).
КЛАССИФИКАЦИЯ, КОНСТРУКТИВНЫЕ СХЕМЫ И КОНСТРУКЦИИ
347
Рис. 5.2.1. Схема классификации винтовых фрикционных прессов
5.2.1. Техническая характеристика винтовых фрикционных прессов
Параметр Характеристика
Номинальная сила пресса*, МН Рн 0,40 0,63 1,00 1,60 2,50 4,00 6,30
Кинетическая энергия движущихся частей в конце хода (при наибольшем ходе), кДж, не менее Прессы с повышенным числом ходов 80 160 320 640 1280 2560 5120
Прессы с нормальным числом ходов 1,25 2,5 5,0 10,0 20,0 40,0 80,0
Ход ползуна (наибольший), мм S 240 270 310 360 420 500 600
Число ходов ползуна в минуту (при наибольшем ходе), не менее Прессы с повышенным числом ходов 39 34 30 26 23 20 17
Прессы с нормальным числом ходов 25 22 19 17 15 13 11
Расстояние между направляющими в свету, мм, не менее В 310 350 400 460 530 670 740
Размер ползуна, мм L 320 350 390 440 500 570 660
Размер стола, мм 410 450 500 560 650 750 880
в. 360 400 450 510 580 670 790
Наименьшее расстояние между столом и ползуном в его крайнем нижнем положении, мм, (при наибольшем ходе) н 170 190 220 260 300 360 430
Масса прессов, кг, не более - 2200 3430 3750 7000 12 500 — —
* Указанная номинальная сила пресса является силой, по которой производятся выбор пресса и его расчет.
“ Кинетическая энергия движущихся частей пресса определяется расчетом по скорости ползуна, замеренной в конце наибольшего хода.
348
Глава 5.2. ФРИКЦИОННЫЕ ВИНТОВЫЕ ПРЕССЫ
Рис. 5.2.2. Принципиальные схемы винтовых фрикционных прессов:
а, б и г - двухдисковые; в - трехдисковый; д - фрикционно-муфтовый;
7 - электродвигатель; 2 - одноступенчатая клиноременная передача; 3,4- приводные диски; 5 - нажимной механизм; 6 - маховик; 7 - силовой винт; 8 - рабочая гайка; 9 - ползун; 10 - третий диск; 11 - маховик возвратного хода ползуна; 12 - главный маховик; 13 - вспомогательный маховик; 14 - выталкиватель
Рис. 5.23. Диаграммы окружных скоростей ведущих дисков 1 и маховика фрикционных передаточных механизмов 2 и 3 (2 - при ходе вниз; 3 - при ходе вверх): а - двухдискового с винтовым движением винта; б - трехдискового с винтовым движением винта; в - двухдискового с вращательным движением винта
КЛАССИФИКАЦИЯ, КОНСТРУКТИВНЫЕ СХЕМЫ И КОНСТРУКЦИИ
349
Рис. 5.2.4. Двухдисковый винтовой фрикционный пресс мод. Ф1238:
/ - напряженная станина; 2 - стяжная колонна; 3 - верхняя поперечина; 4 - левый диск; 5 - ось; 6 - правый диск; 7 - механизм нажатия; 8 - маховик; 9 - ходовая гайка; 10 - рабочий винт
Предварительно напряженная станина 1 пресса (рис. 5.2.4) содержит верхнюю поперечину 3, в которой укреплена ходовая гайка 9 с рабочим винтом 10. На верхнем конце винта укреплен маховик 8, а на нижнем подвешен на упорном подшипнике ползун с верхним штампом.
Стойки со столом отлиты как одно целое из чугуна марки СЧ 25-40. Предварительное напряжение стоек с верхней поперечиной (сталь 35Л) осуществляется с помощью термической затяжки колонн путем поворота на расчетный угол гаек относительно положения холодной затяжки.
Ходовая цельная (рис. 5.2.5, а) и составная биметаллическая (рис. 5.2.5, б) гайки, состоящие из стального корпуса и бронзовой (Бр ОЦС-5-5-5, Бр ОФ 10-1) резьбовой втулки, запрессовываются в расточку верхней поперечины 3 (рис. 5.2.4).
Фирма Hasenclever (Германия) изготавливает резьбовые втулки из латуни следующего состава: 58,91 % Си; 0,25 % Sn; 0,40 % Re; 0,83 % Ni; 1,18 % Fe; 1,89 % Мп; 1,31 % Al; остальное Zn. Механические свойства такой латуни: ав = 486 МПа; = 233 МПа, \|/ = 20,3 %.
350
Глава 5.2. ФРИКЦИОННЫЕ ВИНТОВЫЕ ПРЕССЫ
а)
Рис. 5.2.5. Гайки фрикционных прессов: а - цельная; б - составная
Рабочие винты изготавливают из стальных поковок легированной стали 40ХНМА, 35ХНМА, 40Х, 60С2 с нормализацией.
Фирма Hasenclever применяет полые винты [1] (см. рис. 5.1.3, б), изготовленные из стали 34ХНМ. После термической обработки они имеют следующие механические свойства: ав =800...950 МПа; = 600 МПа, у = 13 %.
Литые ползуны (сталь 35Л) призматической формы (рис. 5.2.6, а) перемещаются в регулируемых угловых направляющих станины.
За рубежом (Hasenclever, ZDAS (Чехия) и др.) выпускали также ползуны с удлиненными хо-ботообразными направляющими.
Все винтовые фрикционные прессы обо* рудованы гидросистемами управления (рис. 5.2.7), ряд фирм (Hasenclever, Dellavia, Vaccazi (Италия) и др.) выпускает винтовые фрикционные прессы, оснащенные системами программного управления, что создает возможность использовать их в составе автоматизированных комплексов и линий.
РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ
351
Рис. 5.2.7. Гидросистема управления винтовыми фрикционными двухдисковыми прессами ЧЗПА
5.2.2. РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ
Проектный расчет. При проектировании, согласно ГОСТ 713-88, известны: номинальная сила Рн, допускаемая сила Рдоп, эффективная номинальная энергия Т3, наибольший ход ползуна sm, ход ползуна при номинальной эффективной энергии (ход разгона
масс) 5р, число ходов ползуна в минуту при номинальной энергии п, расстояние между направляющими, размеры ползуна, стола и др. Требуется определить размеры винта, гайки, маховика, дисков, высоту ползуна, угловую скорость и мощность электродвигателя.
Средний диаметр и размеры резьбы винта можно определить из (5.1.14), (5.1.15), (5.1.16), угол подъема резьбы винта аопт = 10...13°[1].
352
Глава 5.2. ФРИКЦИОННЫЕ ВИНТОВЫЕ ПРЕССЫ
Рис. 5.2.8. Расчетная схема
Средний крутящий момент, передаваемый приводными дисками (рис. 5.2.8), M„=F„nRM=-^— = (5.2.1)
ФтЛпЛв 25даТ|пТ|в
Сила нажатия дисков на маховик
F„-----r3<tga (5.2.2)
2р./?м5даТ]пТ|в
В этих выражениях: |1 - коэффициент трения обкладок маховика (ц «0,35...0,40); RM -радиус маховика, RM «2sт ; Т|п - КПД фрикционного передаточного механизма, Т|п « 0,6; Г|в - КПД винтового механизма (см. 5.1.18-5.1.20).
Масса ползуна и других линейно движущихся деталей
Т3
/и » (0,4...0,5)-у. (5.2.3)
v
Осевой момент инерции маховика (JM) и других вращающихся деталей
7] =(1,6...1,5)Тэ/а>2, (5.2.4)
где v = (0—tga; v = (0,5...0,6) м/с - линей-2
ная скорость рабочих частей в конце разгона.
Среднюю мощность приводного электродвигателя можно определить по формуле, приведенной в работе [1],
®___к*?3
эс₽ чЛаЦп+О
(5.2.5)
где к3 = 1,2... 1,5 - коэффициент запаса; п -число ходов ползуна в минуту; /т - технологическая пауза; Т|м «0,5...0,55 - среднецикловой КПД фрикционной передачи.
Момент инерции двух дисков /д« «(4,5...6) /м. Наружный радиус диска
Я, •(«».+'о) «03...2)sm.
Расчет параметров движения. Расчетная схема пресса с двухдисковым фрикционным передаточным механизмом приведена на рис. 5.2.8 [1,4]. Сила сцепления /FH (штриховая стрелка) направлена по линии действия вектора относительной скорости проскальзывания диска по маховику, поэтому в процессе работы она изменяет направление, отклоняясь от горизонтального вверх (при ходе подвижных частей вниз) и вниз при обратном ходе. Для упрощения расчета направление действия этой силы принимают горизонтальным (сплошная стрелка).
На винт с маховиком дополнительно действуют сила тяжести, силы и моменты трения в узлах машины.
Ход подвижных частей вниз. Во время разгона подвижных частей до момента соприкосновения с поковкой сила сцепления создает крутящий момент на ободе маховика
где f - коэффициент трения; р - коэффициент запаса сцепления (р = 1,2... 1,5); FH - сила нажатия диском на маховик; /?м - радиус обода маховика.
РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ
353
Сила тяжести подвижных частей G соз-
дает дополнительный момент = G—. ° 2тс
Кроме того, на систему подвижных частей действуют силы и моменты трения в различных узлах. Суммарный момент трения
Л/т = £л/,. (5.2.7)
Приведенный момент трения от силы вертикального проскальзывания маховика по поверхности диска
W1=#-A. (2.5.8)
2л
Сила сцепления дополнительно создает силу (прижимающую винт к внутренней боковой поверхности гайки), действие которой аналогично действию силы нажатия FH.
Момент трения на боковой поверхности гайки
^2=мЛ,'ь7|+/2 <5-2-9)
где ц - коэффициент трения в резьбе гайки; г0 - наружный радиус резьбы винта.
Момент трения в резьбе гайки возникает под действием вертикальной силы G - fFn (величиной силы инерции mdvldt можно пренебречь):
M3 = p(G-/FH)-----
(l + ptga)cosa
(5.2.10)
где a - угол подъема резьбы винта (а = = 12... 16°).
Момент трения в сплошном и кольцевом подпятнике, на который опирается винт в соединении с ползуном,
2
M<=~i\faFa, (5.2.11)
2 /-г3
W4=-A_i/nFn, (5.2.11, а)
3 П -Лг
где /п - коэффициент трения материалов винта и подпятника; Fn - сила затяжки пяты; Г] и г2 _ внешний и внутренний радиусы кольцевой пяты.
Приведенный момент трения в направляющих (силу трения принимают (0,05.. .0,01) G)
М5 = (0,05...0,10)G—. (5.2.12)
2 л
Все составляющие суммарного момента трения можно считать постоянными.
Уравнение вращательного движения рабочих частей
^- = (М + Ма-Мт)Н=^-, (5.2.13) at I
где Л/н - результирующий момент при движении вниз; / - приведенный момент инерции рабочих частей [см. (5.1.3)].
Угловая скорость маховика в результате интегрирования (5.2.13) при нулевых начальных условиях
Окружная скорость обода маховика радиусом 7?м
(5.2.15)
Скорость поступательного движения
h hMH V = G)-=---t .
2л 2л/
(5.2.16)
Время движения вниз в функции пере
мещения
(5.2.17)
Окружная скорость обода маховика в функции перемещения
R н м G ।
(5.2.18)
12-819
354
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Окружная скорость точек контакта диска с маховиком изменяется по линейному закону
Угловая скорость маховика
va=-^L('b+*»,). (5.2.19)
где г0 - начальный радиус диска, при котором начинается нажатие диском на маховик; лд -частота вращения диска.
При недостаточной величине FH все точки параболы (5.2.18) расположены ниже этой прямой (кривая 1 рис. 5.2.9, а), при чрезмерной (0 = 1,5...2), после точки F (рис. 5.2.9, б), произойдет перекатывание маховика по диску без проскальзывания, поэтому следует определять Гн исходя из условия равенства окружных скоростей диска и маховика в точке касания К. При Л/т ~ MG [1,3]
F РЧ. _ Рд”2/,го " ~ Ж, - 900X1
(5.2.20)
Рис. 5.2.9. Изменение окружной скорости точек контакта маховика и диска во время хода ползуна вниз
Угловая скорость маховика от при s = sm должна обеспечить заданное по ГОСТ значение кинетической энергии
Т3 = 1^- . (5.2.22)
Расчет параметров движения вверх (возвратный ход) проводится аналогично [1,3].
Рабочий ход. Во время рабочего хода происходит соударение рабочих частей пресса с поковкой и трансформация кинетической энергии в работу пластического деформирования поковки, упругого деформирования деталей пресса и преодоления трения. Процесс соударения рабочих частей, имеющих винтовое движение и связи в виде сил и моментов в винтовом несамотормозящем механизме, достаточно сложен. При рабочем ходе оба диска отведены от маховика и подвижные части движутся за счет запаса кинетической энергии. Согласно экспериментальным данным, станины прессов нагружаются с запаздыванием по отношению к нагрузке штампов, в результате удара смещаются по направлению удара и поворачиваются в перпендикулярной плоскости. Для анализа процессов рабочего хода рекомендуется использовать динамические модели, подобные рассмотренным в работе [3].
Расчет потерь энергии и КПД фрикционных винтовых прессов рассмотрен в работе [1].
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бочаров Ю.А. Винтовые прессы. М.: Машиностроение, 1976. 248 с.
2. Бочаров Ю.А. Экспериментальное исследование гидровинтового пресс-молота // Кузнечно-штамповочное производство. 1960. №7. С. 22-27.
3. Власов А.В. Разработка методики проектирования винтовой пары электровинтового пресса по нагрузкам, возникающим в процессе штамповки: Дис.... канд. техн, наук, 1983.210с.
4. Зимин А.И. Машины и автоматы кузнечно-штамповочного производства. Ч. 1: Молоты. М.: Машгиз, 1953. 456 с.
ВИНТОВЫЕ МУФТОВЫЕ ПРЕССЫ
355
Глава 5.3
ВИНТОВЫЕ МУФТОВЫЕ ПРЕССЫ
Конструктивные схемы и конструкции. Конструкции винтовых муфтовых прессов находятся в стадии интенсивного развития [2,6] (рис. 5.3.1). Электромеханический фрикционный муфтовый привод расширяет технологические возможности винтовых прессов и позволяет осуществлять регулирование трех основных параметров пресса: максимальной силы, работы и хода деформирования.
Принципиальной особенностью конструкций винтовых прессов с муфтовым приводом является нежесткая связь маховика с винтом, осуществляемая посредством фрикционной муфты с пневматическим, гидравлическим или электромеханическим механизмом включения. Маховик постоянно вращается в одном направлении, сцепляется с винтом посредством фрикционной муфты только на время хода
ползуна вниз и разъединяется выключением муфты во время деформирования поковки.
При подаче в цилиндр 9 (рис. 5.3.2) сжатых воздуха или жидкости поршень 10 перемещается вниз и включает муфту. После включения муфты винт 3 разгоняется до скорости вращения маховика 8. Поскольку момент инерции винта и связанного с ним ведомого диска 7 муфты невелик, то разгон осуществляется на небольшом пути ползуна. После разгона скорость винта остается постоянной до начала рабочего хода, а во время деформирования скорость маховика падает до величины скольжения электродвигателя 12... 15 %. В конце хода деформирования муфта отключается и винт отсоединяется от продолжающего вращение маховика. Деформирование заготовки завершается кинетической энергией ползуна 2, винта 3 и ведомого диска 7. Возврат ползуна 2 в исходное положение производится двумя гидроцилиндрами 4. Скорость ползуна 4 при ходе вниз и вверх примерно одинакова и составляет около 0,5 м/с.
Рис. 5.3.1. Классификация винтовых муфтовых прессов
12*
356
Глава 5.3. ВИНТОВЫЕ МУФТОВЫЕ ПРЕССЫ
Рис. 53.2. Конструкция винтового муфтового пресса:
7 - станина; 2 - ползун; 3 - винт; 4 - цилиндр возвратного хода; 5 - гайка; 6 - подпятник;
7 - ведомый диск муфты; 8 - маховик;
9- цилиндр муфты; 10- поршень
В этих конструкциях (табл. 5.3.1) [8, 7] инерционность масс, разгоняемых дважды в течение каждого хода ползуна (винт и ведомый диск муфты), во много раз меньше, чем у прессов с жесткой связью маховика (винт и маховик). Поэтому при включении муфты эти массы разгоняются быстро, скорость ползуна достигает установившейся (наибольшей) величины на участке хода ползуна, не превышающем 10... 15 % полной величины его хода, и остается практически неизменной до конца хода ползуна вниз.
Наибольшая величина кинетической энергии, расходуемой во время хода деформирования, ограничивается величиной допустимого скольжения асинхронного электродвигателя главного привода: увеличение этой энер
гии может быть достигнуто за счет момента инерции маховика.
Величина деформирующей силы, развиваемой винтовым прессом с муфтовым приводом, зависит от крутящего момента, передаваемого фрикционной муфтой. Регулирование давления в ее цилиндре обеспечивает настройку величины необходимого крутящего момента и в конечном итоге дозирование величины силы деформирования, так как при нагружении ползуна большей силой муфта начнет проскальзывать. Это означает, что винтовые прессы с муфтовым приводом не требуют каких-либо дополнительных устройств для предохранения от перегрузки, в том числе и при холодном ударе, так как инерционные массы винта и ведомого диска муфты невелики и не способны развивать сколько-нибудь значительной силы, угрожающей прочности машины.
Ввиду того, что массы деталей, разгоняемых при возвратном ходе ползуна, невелики и не требуется реверсировать главный привод, время силового контакта инструмента с поковкой примерно в 2 раза меньше времени силового контакта инструмента у винтового пресса с жесткой связью маховика.
В конце рабочего хода деформирования требуется отключать маховик. К системе управления винтовых прессов с муфтовым приводом поэтому предъявляются высокие требования. Из-за непродолжительности времени деформирования время отключения муфты в конце рабочего хода не должно превышать 10 мс. Применяемые на прессах системы управления отключают маховик по достижению заданного значения одним из параметров технологического процесса: хода деформирования, силы деформирования или работы деформирования. Применяются также комплексные системы управления, сочетающие системы отключения, например, как по величине силы, так и работы деформирования [6].
В системе управления по величине хода деформирования отключение муфты осуществляется электрической командой, подаваемой на электромагнитный клапан от установленного на станине пресса датчика при контакте с ползуном.
В системе управления по величине силы деформирования отключение муфты осуществляется электрической командой от тензодатчика, установленного на стойке (при цельной станине) или стяжной колонне (при разъемной станине). Применяется также механическая
Техническая характеристика муфтовых винтовых прессов фирмы SIVIS Hasenclever (Германия)
Модель SPK
параметр -400 -500 -630 -900 -1000 -1250 -1600 -2000 -2500 -3150 -4000 -5000 -6300 -7100 -8000 -9000 -10 000
Номинальная сила, МН 4 5 6,3 8 10 12,5 16 20 25 31,5 40 50 63 71 80 90 100
Максимальная допустимая сила, МН 5 6,3 8 10 12,5 16 20 25 31,5 40 50 63 80 90 100 112 125
Наибольшая работа, используемая за один ход ползуна при падении частоты вращения маховика на 15 %, кН м 35,5 50 71 100 140 200 280 400 560 800 1120 1600 2240 2650 3150 3750 4500
Диаметр винта, мм 180 200 224 250 280 315 355 400 450 500 560 630 710 750 800 850 900
Расстояние между стойками, мм 690 730 770 820 880 950 1060 1180 1320 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2050 2120
Размеры стола и ползуна, мм: слева направо 670 710 750 800 850 900 1000 1120 1250 1400 1500 1600 1700 1800 1900 2000 2120
спереди назад 560 630 710 800 1000 1060 1120 1250 1400 1600 1800 2000 2240 2360 2500 2650 2800
Ширина окон в стойках, мм 224 250 280 315 355 400 450 500 560 630 710 800 900 950 1000 1060 1120
Наибольший ход ползуна, мм 300 315 335 355 375 400 425 450 475 500 530 560 600 630 630 670 670
ВИНТОВЫЕ МУФТОВЫЕ ПРЕССЫ 357
Продолжение табл. 5.3.1
Модель SPK
Параметр
-400 -500 -630 -900 -1000 -1250 -1600 -2000 -2500 -3150 -4000 -5000 -6300 -7100 -8000 -9000 -10 000
Наименьшее расстояние между столом и ползуном (ход вниз), мм 600 630 670 720 780 850 930 1020 1120 1230 1340 1450 1560 1610 1670 1720 1780
Скорость ползуна, м/с 0,53 0,53 0,53 0,53 0,53 0,53 0,53 0,53 0,53 0,53 0,53 0,53 0,53 0,53 0,53 0,53 0,53
Продолжительность одного хода, с 1,4 1,5 1,6 1,6 1,7 1,8 1,9 2,0 2,2 2,3 2,4 2,5 2,7 2,8 2,8 3,0 3,0
Наибольшая частота ходов ползуна, мин-1: при величине хода от его полной вели- 27... 26... 25... 24... 23... 22... 21... 20... 18... 16... 14... 12,5... 11,2... 10... 9... 8... 7...
чины до половины 38 37 36 35 33 32 30 28 26 23 20 17 16 14 13 12 10
при энергии удара за ход, соответствующей падению частоты вращения маховика на 15 % 25 22,4 20 18 16 14 12,5 11,2 10 9 8 7,1 6,3 6,0 5,6 5,3 5,0
Мощность электродвигателя главного привода, кВт 18 22 28 36 45 58 70 90 ПО 140 180 224 280 315 355 400 450
Мощность электродвигателя гидравлического насоса, кВт 4 6 8 8 8 11 15 15 19 22 30 37 37 45 45 55 55
358 Глава 5.3. ВИНТОВЫЕ МУФТОВЫЕ ПРЕССЫ
ВИНТОВЫЕ МУФТОВЫЕ ПРЕССЫ
359
система (рис. 5.3.3), использующая момент проскальзывания муфты, определяемый по началу относительного смещения ведомого диска 4муфты относительно маховика 5 [5]. В исходном положении при отключенной муфте цилиндр управления 3 отводит рычаг 2 от ведомого диска 4. После включения муфты, когда скорости вращения ведомого диска 4 и маховика 5 становятся одинаковыми, включается цилиндр 3, который прижимает рычаг 2 к ведомому диску 4. При достижении заданной силы деформирования происходит проскальзывание ведомого диска 4 относительно маховика 5. Рычаг 2 поворачивается и включает клапан 7, соединяющий цилиндр 9 (рис. 5.3.2) муфты со сливным баком при гидравлическом приводе муфты или с атмосферой при пневматическом приводе муфты. Данная система отличается высокой чувствительностью и срабатывает при относительном проскальзывании диска всего на 2°. Продолжительность цикла отключения муфты составляет 3...5 мс [1].
В системе управления по величине работы деформирования на крышке муфты устанавливается соосно основному маховику дополнительный маховик, имеющий принудительное вращение от основного маховика. Отключение осуществляется срабатыванием клапана отключения муфты от дополнительного маховика при заданном снижении скорости вращения основного маховика [1].
Для уменьшения потерь энергии при включении/отключении муфты и стабилизации этого процесса длительность отключения муфты должна быть примерно на порядок меньше продолжительности хода деформирования. Это достигается применением быстродействующего исполнительного механизма системы программного управления на базе импульсного сбрасывающего клапана с дистанционно управляемым пьезоэлектрическим приводом, позволяющим отключать муфту по любому из трех способов [3,4].
Для процессов штамповки с кручением [9, 10] разрабатывают специализированные винтовые муфтовые прессы [11, 12] с электромагнитными (индукционными) муфтами [13].
Основы теории и расчет параметров. Проектный расчет. Работа пресса независимо от системы управления имеет восемь характерных периодов машинного цикла (рис. 5.3.4). Маховик вращается со скоростью оа холостого движения. На I периоде при включении муфты осуществляется разгон винта и ползуна. Во время периода 11 происходит ход приближения. Скорость перемещения ползуна практически сохраняется постоянной. Ход деформирования заготовки состоит из 111, IV и V периодов.
На III периоде работа деформирования заготовки на ходе до силы Pi (рис. 5.3.5) осуществляется за счет кинетической энергии маховика, винта, ползуна с гайкой и верхнего штампа:
Рис. 5.3.3. Механическая система отключения муфты: /-гидравлический клапан; 2- рычаг; 3 - цилиндр управления; 4 - ведомый диск муфты; 5 - маховик
. [, , Л2]
4 = А.+4+«>— РЪ 4л J
^d~^2e
2
(53.1)
где Ai - работа деформирования заготовки на ходе 51; Т|1 - КПД деформирования на ходе 5^ /м - приведенный момент инерции маховика; /в - приведенный момент инерции винта; т -суммарная масса ползуна с гайкой и верхнего штампа; h - ход резьбы винта; ©а, (0е - угловые скорости вращения маховика в точках d, е.
Величина силы Pi зависит от крутящего момента, передаваемого муфтой:
WM=^Jy-tg(a + p)> (5.3.2)
где Dci - средний диаметр винта; а - угол подъема резьбы винта; р = arctgpi - угол трения, зависящий от коэффициента трения в винтовой кинематической паре.
360
Глава 5.3. ВИНТОВЫЕ МУФТОВЫЕ ПРЕССЫ
Рис. 53.4. Деформирующая сила и скорость ведущих и ведомых частей пресса при выполнении операции типа "осадка"
Рис. 53.5. Цикловая диаграмма работы пресса: со । и ®2 ~ скорости ведущих (маховика) и ведомых (винта) частей пресса;
tH, 4, /ц - время хода вниз, деформирования, хода вверх и время машинного цикла пресса
Крутящий момент Л/м, передаваемый муфтой от маховика к винту, задается опера-
тором с пульта управления или по программе посредством установки давления р воздуха или жидкости, подаваемых в цилиндр муфты:
Л/М=ц2^-Глр, (5.3.3)
где |12 - коэффициент трения фрикционных накладок; Dc2 - средний диаметр фрикционных накладок; F - площадь поршня цилиндра муфты; п - число пар трения муфты.
Связь между давлением р в цилиндре муфты и величиной силы Рь при которой произойдет отключение муфты:
----^Рцр = кр> (534)
£>c2tg(<x+arctgg|)
v ^D.jFn
где К =---------——------- - коэффициент
£>cltg(a+arctg(i|)
пропорциональности, имеющий постоянное значение.
На IV периоде работа деформирования А2 заготовки осуществляется за счет кинетиче-
ВИНТОВЫЕ МУФТОВЫЕ ПРЕССЫ
361
ской энергии винта и ползуна с гайкой, а также работы, совершаемой маховиком в процессе отключения муфты:
Аг -
' а2 1
4л
2 2 А
- СО f
---^-+Л/м(ф|-ф2) 1)2-
(5.3.5)
где А2 - работа деформирования заготовки на ходе s2, Т|2 - КПД деформирования заготовки на ходе s2', <Pi и ср2 - углы поворота маховика и винта на ходе s2; (йе,(йр - угловые скорости вращения маховика в точках е, f.
На V периоде работа деформирования А$ заготовки осуществляется только за счет кинетической энергии ползуна с гайкой и винта
' h21 Г
Л -
со}, - со,2
: , (5.3.6)
где - работа деформирования заготовки на ходе s3; т)з - КПД деформирования заготовки на ходе s3; ©у-, со, -угловые скорости вращения маховика в точках /.
На этом периоде хода деформирования сила деформирования достигает максимальной величины Р3 = Ртд, дальнейшее перемещение ползуна ограничивается упорами, установленными в штампе, а оставшаяся кинетическая знергия расходуется на работу А^ упругой деформации системы пресс-штамп:
Л2 со2
(5.3.7)
где Я4 - работа упругой деформации системы пресс-штамп на ходе $4; Т|4 - КПД упругой деформации системы пресс-штамп на ходе $4.
На VI периоде происходит разгон маховика, а на VII и VIII периодах машинного цикла (рис. 5.3.4) осуществляется возвратный ход ползуна пресса: разгон (VII) и торможение (VIII).
Система отключения муфты с управлением по величине силы деформирования мо
жет быть использована для технологических процессов, характеризуемых монотонным возрастанием силы до максимального значения в конце хода деформирования. Величина силы на ползуне пресса, при которой происходит срабатывание системы управления и отключение муфты, может быть задана близкой к величине максимальной силы деформирования с учетом эффективной энергии ведомых частей пресса (ползун с гайкой, винт, элементы муфты, жестко связанные с винтом) в момент отключения муфты.
Для таких технологических операций, как прямое и обратное выдавливание, вытяжка, система отключения муфты с управлением по величине силы деформирования непригодна, так как при их выполнении возможна значительная перегрузка пресса по силе. Это объясняется тем, что операции выдавливания не всегда имеют четко выраженное возрастание силы в конце хода деформирования, а для операций типа вытяжки характерно уменьшение силы в конце хода деформирования.
Расчет параметров движения рабочих частей. При расчете параметров движения рабочих частей пресса на этапах машинного цикла в зависимости от состояния при включении муфты принимаются двухмассовые или одномассовые расчетные модели.
На I периоде при включении муфты, когда происходит проскальзывание между ведущими и ведомыми дисками муфты, решается система из двух уравнений
/м-^- = Л/э»-Мм-Л/т); (5.3.8)
at
. h2 do2 „ 1Л ,, 1Л
/в + W j — Мц Л/т2 >
4л J at
(5.3.9)
где ©i и ©2 - скорости вращения ведущих (маховика) и ведомых (винта) частей пресса; Мэ - момент электродвигателя привода пресса; Мы - момент, развиваемый муфтой; Л/ц - приведенный момент от силы возвратных цилиндров; Л/Т1 и Л/т2 - приведенные моменты от сил трения ведущих и ведомых частей пресса; Л/g-момент от силы тяжести ползуна с гайкой (для прессов, не оборудованных уравновеши-вателем); i - передаточное отношение передачи между электродвигателем и маховиком.
362
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
На II периоде осуществляется совместное движение (C0i = CD2) ведущих Ц и ведомых 1г частей пресса:
_ _ h2 1
/м + / +т—3
м “ л—2
4тс
б/<х>12 dt
= M3i+MG-MTX-M.r2-Mn, (5.3.10)
где 0)12 = 01 = 0)2.
На III периоде до начала проскальзывания муфты продолжается совместное движение ведущих и ведомых частей пресса
= M3i + MG - мт1 - мт2 - Мц - Мд,
(5.3.11)
где А/д - приведенный момент от силы деформирования заголовки.
На IV периоде при отключении муфты движение ведомых и ведущих частей определятся системой уравнений
1„^-М31-М„-Мг1, (5.3.12)
at
1 hl 1
d(&2 ~dT
= Мм+Мс-Мг2-Мц-Мл. (5.3.13)
На V периоде при отключенной муфте происходит независимое движение ведомых и ведущих частей пресса. Параметры движения ведущих частей на V и VI периодах определятся уравнением
/и^- = А/9/-А/т1. (5.3.14)
at
Движение ведомых частей на V периоде при деформировании заготовки определяется уравнением
(/-+'"тт| ^- = ^-^2-4,-Мд.
4л J dt
(5.3.15)
При штамповке до упоров V период заканчивается упругим нагружением пресса и штампа.
При завершении V периода ведомые части останавливаются и осуществляется на периодах VII и VIII перемещение ползуна вверх.
Движение ведомых частей на ходе разгона вверх (VII период) определяется уравнением
. Л2 | d&2 .. .. ..
4л ) dt
(5.3.16)
на ходе торможения (VIII период)
/>+'”Тт| ^- = ^-^2-^-^, 4л ) dt
(5.3.17) где Мф - момент тормоза.
Время машинного цикла равно сумме времени хода приближения, хода деформирования и возвратного хода, а также времени разгона маховика до скорости со0. При определении времени машинного цикла оптимальным вариантом является разгон маховика до скорости со0 в конце хода ползуна вверх. Это обеспечивает максимальную производительность пресса при минимальной мощности электродвигателя привода.
Разрабатываются прессы с индукционными муфтами [11, 13].
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. А.с. 1263539 СССР, МКИ ВЗОв, 1/18. Винтовой пресс.
2. Бочаров Ю.А. Винтовые прессы. М.: Машиностроение. 1976. 248 с.
3. Бочаров Ю.А., Маркушин М.Е., Перевертев В.П., Яковенко И.Ф. Клапан сбрасывающий импульсный // По заявке № 4603515 МКИ 16К21/12.
4. Маркушин М.Е. Разработка методики проектного расчета гидроприводной муфты включения винтового пресса с системой программного управления: Дис. ... канд. техн, наук. М.: МВТУ, 1989. 124 с.
5. Проскуряков Н.Е. Разработка методики проектирования винтового пресса с муфтовым приводом по динамическим нагрузкам при горячей листовой штамповке эластичной средой: Дис. ... канд. техн. наук. М.: МВТУ, 1985. 194 с.
ЭЛЕКТРОВИНТОВЫЕ ПРЕССЫ
363
6. Сафонов А.В., Федоркевич В.Ф. Винтовые прессы с муфтовым приводом для горячей объемной штамповки. М.: ВНИИТЭМР, 1988.52 с.
7. Golf К.Н. Kupplungs - Spindelpressen // Industrie - Anzaiger. 1986. N 47. P. 16-19.
8. Kupplungs - Spindelpresse mit hohem Arbeitsvermogen // Werkstatt und Betrieb. 1985. N9.
9. Гапао О.А., Бочаров Ю.А., Субич B.H. и др. Приближенное решение задачи сжатия с одновременным кручением тонкого слоя // Известия вузов. Машиностроение. 1978. № 2. С. 140-144.
10. Гапао О.А., Субич В.Н., Степанов Б.А. и др. Исследование силовых и энергетических параметров осадки с кручением // Обработка металлов давлением в автомобилестроении: Межвузовский сборник, трудов. М.: МАМИ, 1989. Вып. 1. С. 35-49. Х
11. Степанов Б.А., Тимохин В.С. Исследование винтового пресса с двухмаховичным электроприводом: Сборник ВНИИТмаш, 2001.
12. А.с. 1433829. Винтовой пресс для штамповки с кручением.
13. Щетинин Т.А. Электропривод с индукционными муфтами и тормозами. М.: Машиностроение, 1971. 320 с.
Глава 5.4
ЭЛЕКТРОВИНТОВЫЕ ПРЕССЫ
Классификация. Конструктивные схемы и конструкции. Классификация электро-винтовых прессов приведена на рис. 5.4.1. Принцип действия электровинтовых прессов с непосредственным безредукторным приводом (рис. 5.4.2, а-ж) заключается в разгоне маховика 2 с винтом 3 силами электромагнитного поля статора /. Маховик служит ротором асинхронного электродвигателя, круговой (замкнутый, рис. 5.4.2, в, д, е) или дуговой (разомкнутый, рис. 5.4.2, б, ж) [9], статор которого неподвижно закреплен на станине пресса. В электромеханических прессах с редукторным приводом (рис. 5.4.2, з - к) вращательное движение маховику передается от одного или нескольких асинхронных электродвигателей 6 специального исполнения с помощью зубчатой передачи 7 [4].
Рис. 5.4.1. Классификация электровинтовых прессов
364
Глава 5.4. ЭЛЕКТРОВИНТОВЫЕ ПРЕССЫ
Рис. 5.4.2. Конструктивные схемы электровинтовых прессов:
а-е - с круговым статором; б, ж - с дуговым статором; з-к - с электромеханическим приводом: / - статор, 2 - ротор (маховик); 3 - винт; 4 - гайка; 5 - ползун; 6 - электродвигатель; 7 - зубчатая передача
Специфическая особенность привода маховика-ротора обусловливает применение в промышленности принципиальных схем электровинтовых прессов преимущественно с вращательным движением винта под действием крутящего момента и поступательным движением гайки, скрепленной с ползуном. Известна схема (рис. 5.4.2, а) электровинтового пресса, в которой применено поступательное перемещение винта, жестко скрепленного с ползуном, и вращательное движение гайки, скрепленной с ротором маховиком [5].
В конструкции (рис. 5.4.2, в) круговой статор смонтирован в средней части станины, а ротор-маховик закреплен в нижней части винта над ползуном и совершает вместе с винтом вращательное и поступательное (винтовое) движения. Гайка установлена в верхней поперечине станины. В конструкции по патенту КНР круговой статор установлен в верхней поперечине станины, ротор-маховик и винт совершают винтовое движение относительно закрепленной в станине гайки (рис. 5.4.2, д).
Высота статора несколько превышает величину максимального хода ползуна.
В конструкции ЧПО КПО (рис. 5.4.3) маховик 1 (рис. 5.4.4) выполнен из стального литья марки 35. Обод маховика является ротором дугостаторного электродвигателя. Для увеличения скольжения двигателя на маховике-роторе выполнены пазы. Маховик насажен на винт 6 и соединен с ним с помощью трех тангенциальных шпонок 2, а нижним торцом ступицы опирается на упорный подшипник 5, который воспринимает силу тяжести всех движущихся вниз частей пресса. Сила штамповки передается вверх на поперечину через пяту и подпятник 8, соединенный с корпусом 7. К корпусу 7 прикреплен маслосборник 9, масло из которого переливается по трубке в бак. От вертикального перемещения положение винта в поперечине зафиксировано гайкой 3, которая стопорится планкой 4.
Зазор а в пределах 0,2...0,3 мм между пятой винта б и подпятником 8 устанавливается подтягиванием винта б с помощью гайки 3.
ЭЛЕКТРОВИНТОВЫЕ ПРЕССЫ
365
Рис. 5.4.3. Электровиитовой пресс с дуговым статором:
1 - вентилятор; 2 - ротор-маховик; 3 - дуговой статор; 4 - колодочный тормоз; 5 - винт; 6 - гайка;
7 - ползун; 8 - выталкиватель; 9 - станина
1 2 J 4
Рис. 5.4.4. Маховик и винт
Ползун / (рис. 5.4.5) вместе с верхним штампом перемещается по направляющим станины с накладками из антифрикционного сплава ЦАМ. К верхней плоскости ползуна фланцем прикреплена гайка 2. От поворота в процессе работы гайку удерживают штифты. В верхний торец гайки вставлены упоры, воспринимающие удары ползуна вверх в случае неправильной регулировки тормоза. Ход ползуна вниз и вверх достигается переключением фаз на обмотках дуговых статоров. Применен тормоз колодочного типа с самоустанавли-вающимися колодками, облегающими тормозной барабан.
Рис. 5.4.5. Ползун и гайка: 1 - ползун; 2 - гайка
366
Глава 5.4. ЭЛЕКТРОВИНТОВЫЕ ПРЕССЫ
Дозирование энергии удара осуществляется путевым переключателем, изменяющим путь ползуна, на котором происходит разгон маховика. В современных конструкциях применяется дозирование энергии по величине скорости ползуна [1] и система программного управления [8].
Винтовые прессы с электромеханическим приводом. Электровинтовые прессы с номинальной силой более 30 МН, выпускаемые фирмой Weingarten (Германия), оснащены асинхронными электродвигателями с уменьшением частоты вращения посредством зубчатой передачи (см. рис. 5.4.2, з - к). Для привода этих прессов используют два, четыре или шесть асинхронных электродвигателей специального вертикального исполнения (600 мин-1 и средняя мощность 250 кВт), которые вращают маховик через зубчатую передачу с передаточным отношением около 4...5. Наиболее крупный винто
вой пресс с номинальной силой 310 МН изготовлен с таким электромеханическим приводов фирмой Muller-Weingarten (Германия).
Электровинтовой пресс двойного действия. Конструкция винтового пресса двойного действия разработана МВТУ - ЧПО КПО на основе электровинтового пресса с дугостаторным приводом модели Ф1730А [2, 6].
В направляющих станины 7 (рис. 5.4.6) установлен наружный ползун 3, осуществляющий с помощью механизма 10 безударное смыкание и зажим половин разъемных матриц, а в его направляющих - внутренний деформирующий ползун 2 с закрепленной в верхней части гайкой 5. Ползун 3 связан через подпятники биРс корпусом 7 гайки 3, которая свинчивается с винтом 7/, вращающимся в подпятнике 72 и подшипнике 73 станины пресса. К корпусу 7 гайки 8 прикреплен полый винт 4, взаимодействующий с гайкой 5.
Рис. 5.4.6. Схема конструкции электровинтового пресса двойного действия
ЭЛЕКТРОВИНТОВЫЕ ПРЕССЫ
367
В верхней части винта 11 укреплен маховик 14, служащий ротором дугостаторного привода.
При включении привода маховик 14 и винт II начинают ускоренно вращаться. Гайка 8 свинчивается с винта 11, а связанный с ней корпус 7, полый винт 4 и ползуны 2 и 3 перемещаются ускоренно вниз. При подходе наружного ползуна к крайнему нижнему положению срабатывает механизм безударного смыкания 10, который затормаживает наружный ползун и разгоняет гайку 8 с корпусом 7 и полым винтом 4. Наружный ползун останавливается, а гайка 8, корпус 7 и винт 4 вращаются с угловой скоростью вращения винта 11. Вращаясь, винт 4 перемещает линейно гайку 5 и деформирующий ползун 2 с закрепленным на нем пуансоном или верхней половиной штампа.
Перед соприкосновением пуансона с заготовкой дугостаторный привод отключается и формоизменение заготовки осуществляется кинетической энергией вращательного и поступательного движений всех подвижных частей пресса. Возникающий во время деформирования заготовки крутящий момент в соединении винта 4 и гайки 5 передается на корпус 7 и гайку 8, что обеспечивает надежное запирание разъемной матрицы или нижней половины штампа с силой
4jtgq2
4 tga, J
(5.4.1)
где d} и tga2 - средний диаметр и угол наклона резьбы винта 7/; d\ и tgaj - средний диаметр и угол наклона резьбы винта 4\ к -коэффициент, учитывающий величину коэффициента трения в винтовых парах (при коэффициенте трения 0,05 к= 1,25).
Возвратный ход ползунов осуществляется реверсивным включением дугостаторного привода При этом внутренний ползун 2 возвращается в крайнее верхнее положение относительно наружного ползуна 3, и оба ползуна перемещаются совместно в исходное положение.
Основы теории и расчет параметров. Проектный расчет. При проектировании согласно ГОСТ 713-88 известны номинальная сила Рп, эффективная энергия Гэ, наибольший
ход ползуна sm, число ходов ползуна в минуту
п, размеры стола, ползуна и др. Требуется определить размеры винта, гайки, маховика, средний крутящий момент, синхронную угловую скорость, число пар полюсов и другие параметры, необходимые для проектирования пресса и построения механической характеристики специального электродвигателя для привода [4].
Средний диаметр и размеры резьбы винта можно определить из (5.1.14) - (5.1.16), угол подъема резьбы 10° a < 13°.
Средний крутящий момент электродвигателя (рис. 5.4.7)
T3dctga ^Р^/иПпПв
(5.4.2)
где sm - наибольший ход ползуна; £р = = 0,6...0,7 - коэффициент использования наибольшего перемещения для разгона; Т|п = = 0,3...0,35 - средний КПД электродвигателя при разгоне; Т|в - КПД винтового механизма.
Пусковой момент электродвигателя должен быть Мп »1,8Л/ср.
Массу т и момент инерции 7 рабочих частей можно найти из уравнений (5.1.3) и (5.1.4), принимая минимальные значения для т и максимальные для I, а затем определить моменты инерции винта и маховика.
Требуемая наибольшая угловая скорость маховика
®и=Дб7;/7|, (5.4.3)
Рис. 5.4.7. Расчетная схема электровинтового пресса
368
Глава 5.4. ЭЛЕКТРОВИНТОВЫЕ ПРЕССЫ
а требуемая номинальная угловая скорость электромагнитного поля статора электродвигателя
vB
®0=®т/(1-е) = (5.4.4)
11 2Л
где 8 = 0,12...0,20 - номинальное скольжение электродвигателя; v - круговая частота электрического тока; П - число пар полюсов; Р -угол охвата статора.
Средняя требуемая мощность электродвигателя во время разгона рабочих масс вниз
(5.4.5)
Для электровинтовых прессов без урав-новешивателей массы ползуна электродвигатель следует выбирать по средней мощности, требуемой для возвратного хода рабочих частей, которая обычно в 1,5-2 раза больше, чем полученная по (5.4.5).
Данные для электротехнического расчета дугостаторного электродвигателя, построения его механической характеристики и эскизнотехнического проектирования электровинтового пресса имеются в работах [4, 10].
Для расчета параметров движения рабочих частей дугостаторных прессов ЧПО КПО в работе [4] предложена аппроксимация механической характеристики дугостаторного электродвигателя с зубчатым ротором-маховиком (рис. 5.4.8, а)
М3=М„-[М" Л*] 0)2 ’ (5-4.6) I “1 J
где А/п =(1,8...2,0)А/ср - пусковой момент электродвигателя, Afj =(0,25... 0,26) Л/п -момент в конце разгона, CDj = (1 -8)соо.
Расчет параметров движения рабочих частей. Ход рабочих частей вниз. Разгон ротора-маховика и других рабочих частей (винта, ползуна с верхней половиной штампа и др.) в прессах без уравновешивателей производится в два этапа. Сначала ротор-маховик разгоняется моментом Мэ электродвигателя до (Oj = =(1- 8)соо, а затем после отключения электродвигателя - до со2 = (дт за счет сил тяжести поступательно движущихся рабочих частей (рис. 5.4.8, б). В прессах без уравнове-шивателя разгон осуществляется в один этап.
В результате решения уравнения движения получены приведенные ниже зависимости [4]. Угловая скорость ротора-маховика
мп±м„-м.
= (l-6)»oJ—------
°V а/н-а/,
(5.4.7)
Рис. 5.4.8. Механическая характеристика дугостаторного электродвигателя с зубчатым ротором-маховиком (а) и изменение угловой скорости маховика электровинтового пресса в течение цикла (б)
ЭЛЕКТРОВИНТОВЫЕ ПРЕССЫ
369
где а = I - приведенный момент инерции рабочих частей пресса,
А=л/Д..т.л£|.> C = M„+Mg-MT.
Линейная скорость ползуна в функции времени
dc I с
v = co—tga =—tga J-tg
2 2 V b
cb — t , a
а в функции перемещения
перемещение ползуна
5=-ytgalnch
(5.4.9)
ускорение ползуна
время разгона ротора-маховика до
скорости
а
®1
л = —== arth 1—
2 J db J c!b
(5.4.10)
угловой
(5.4.11)
Рабочий ход. Перед рабочим ходом электродвигатель должен быть отключен. Поковка деформируется кинетической энергией рабочих частей [4].
Задачи оптимизации конструкции, повышения долговечности и надежности основных деталей, отслеживания параметров процесса деформирования заготовки и организации обратных связей при адаптивном управлении решаются на основе динамической модели, составленной в виде двух основных (линейной и угловой) подмоделей, связь между которыми осуществляется винтовым рабочим механизмом [12-15].
Результаты расчета, проведенного для пресса Ф 1734 с номинальной силой 1 МН, показали наличие значительных колебаний нагрузки в опасных сечениях винта, амплиту
ды которых могут влиять на его прочность и долговечность. Расчетные зависимости качественно хорошо отражают реальный процесс: фазы колебаний отстают на 10... 15 %, а отклонения амплитудных значений находятся в диапазоне 5... 10 % от экспериментальных [13].
Ход рабочих частей вверх. При ходе ползуна вверх маховик сначала разгоняется электродвигателем до угловой скорости ®3 (см. рис. 5.4.8), затем электродвигатель отключается, и маховик продолжает движение по инерции. В это время угловая скорость маховика понижается под действием момента сопротивления, после чего включением тормоза осуществляется торможение маховика до его полной остановки.
Расчет параметров движения рабочих частей проводится аналогично рассмотренному для движения вниз [4].
Энергетический расчет и КПД. Основные потери энергии происходят в электродвигателе в связи с пусковым режимом его работы. Полезная запасаемая энергия привода всегда будет меньше 50 % затраченной, а активная энергия, затраченная из сети, будет в l/coscp раз (где cos(p = 0,35...0,4 - коэффициент мощности) больше энергии, подведенной к клеммам электродвигателя.
Цикловой электромеханический КПД привода без нагрузки
л
Г) э п =----------, (5.4.12)
Л+ДЛр + Мг + М
где Ап - /со2 / 2 - полезная работа привода; ДЛр = Ап - потери энергии в роторе в резуль-
тате изменения скольжения; АЛ™ = ДЛП —- -
ст п R2
потери энергии в статоре: R\ и R2 - активное сопротивление первичной цепи (статора) и приведенное активное сопротивление вторичной цепи (ротора). При испытаниях в ЦБКМ и ЧПО получены значения Т]Эп = 0,19...0,29 для дугостаторных прессов и Т|э п = 0,22 для пресса PS-180 с круговым статором. Эффективный КПД электровинтовых прессов (с учетом КПД рабочего хода получен в пределах 13...20 % в зависимости от технологической операции).
370
Глава 5.5. ГИДРОВИНТОВЫЕ ПРЕССЫ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. А.с. 573373 СССР // Бюл. 1977. № 35.
2. А.с. 854740 СССР // Бюл. 1981. № 30.
3. Банкетов А.Н., Бочаров Ю.А., Добрин-ский Н.С. и др. Кузнечно-штамповочное оборудование. М.: Машиностроение, 1982.576 с.
4. Бочаров Ю.А. Винтовые прессы. М.: Машиностроение, 1976. 247 с.
5. Голован А.Т. Электрооборудование кузнечно-прессовых машин. М.: Машгиз, 1945. 247 с.
6. Кузнечно-штамповочное оборудование. НИИмаш. 1984. № 2. С. 1 - 5.
7. Патент 839150 ФРГ. 1950.
8. Перевертев В.П., Бочаров Ю.А., Маркушин М.Е. Управление кузнечными машинами в ГПС. Куйбышев: Куйбыш. книжн. изд-во, 1987. 160 с.
9. Стоколов В.Е. Винтовой пресс с дугостаторным приводом: А.с. 153641, 1960.
10. Фридкин П.А. Безредукторный дугостаторный электропривод. Л.: Энергия, 1970. 138 с.
11. Бовыкин И.В. Исследование винтового пресса с новой системой дозирования кинетической энергии: Дис. ... канд. техн, наук. М.: МВТУ, 1977. 150 с.
12. Бочаров Ю.А., Власов А.В. К исследованию динамики винтовых прессов в процессе обработки металлов давлением. Изв. вузов. Машиностроение. 1981. № 7. С. 106-111.
13. Бочаров Ю.А., Власов А.В. Влияние зазоров на динамику винтового пресса // Труды МВТУ. 1982. №389. С. 3-12.
14. Бочаров Ю.А., Проскуряков Е.Н., Власов А.В. Экспериментальное исследование эксцентричного нагружения винтового пресса // Исследования в области инструментального производства и обработки металлов давлением: Сб. трудов Тульского политехнического института. Тула: ТПИ, 1984. С. 152-156.
15. Власов А.В. Разработка методики проектирования винтовой пары электровинтового пресса по динамическим нагрузкам в процессе штамповки: Дис. ... канд. техн. наук. М.: МВТУ, 1983.210 с.
Глава 5.5
ГИДРОВИНТОВЫЕ ПРЕССЫ
5.5.1. КЛАССИФИКАЦИЯ, КОНСТРУКТИВНЫЕ СХЕМЫ И КОНСТРУКЦИИ
Принцип действия гидровинтовых прессов заключается в приводе подвижных частей с помощью гидравлического передаточного механизма с гидродвигателем прямолинейного (гидроцилиндр), винтового или вращательного (гидромотор) движения. Рабочие части пресса при движении вниз до момента соприкосновения с поковкой накапливают кинетическую энергию, которая используется для деформирования поковки во время рабочего хода.
Основные параметры изготавливаемых гидровинтовых прессов охватывают диапазон номинальных сил 2... 125 МН, кинетических энергий от 10 до 6300 кДж, наибольших линейных скоростей от 0,6 до 1,15...2 м/с. Проектируют прессы номинальной силой 250...300 МН и эффективной энергией свыше 10 кДж [1].
Классификация конструкций гидровинтовых прессов приведена на рис. 5.5.1. В промышленности нашли применение преимущественно одновинтовые конструкции с винтовым и вращательным движением винта, с приводными гидроцилиндрами и гидромоторами. Двухвинтовые конструкции изготавливались промышленностью ПНР, ФРГ, а многовинтовые [20] пока не применялись.
В приводных гидроцилиндрах винтового движения один из элементов (плунжер или цилиндр) совершает одновременно вращательное и линейное движения. Гидроцилиндры винтового движения оказывают движущее воздействие непосредственно на винт, полость которого используется в качестве цилиндра (рис. 5.5.2, а), на гайку (в качестве которой служит полый цилиндр с внутренней резьбой) (рис. 5.5.2, б) или на торец плунжера-винта с поршнем (рис. 5.5.2, в) или без поршня (рис. 5.5.2, г). В схеме, приведенной на рис. 5.5.2, д, винтовое движение штока гидроцилиндра передается маховику и рабочему винту с помощью фрикционной муфты.
Гцдроцилиндры прямолинейного движения воздействуют на винт (рис. 5.5.2, е и ж), на ползун и затем на винт (рис. 5.5.2, з), на ползун и на установленную на нем гайку (рис. 5.5.2, w, к), а также на рейку и установленную на винте шестерню (рис. 5.5.2, л, м).
КЛАССИФИКАЦИЯ, КОНСТРУКТИВНЫЕ СХЕМЫ И КОНСТРУКЦИИ
371
Рис. 5.5.2. Конструктивные схемы гидровинтовых прессов с приводными гидроцилиндрами
В гидровинтовых прессах с приводом гидромоторами вращательного движения ротор гидромотора соединен непосредственно с
винтом (рис. 5.5.3, а - в) или посредством зубчатой передачи (рис. 5.5.3, г -ж).
372
Глава 5.5. ГИДРОВИНТОВЫЕ ПРЕССЫ
Рис. 5.5.3. Конструктивные схемы гндровинтовых прессов с приводными гидромоторами
Порядок Включения электромагнитов
Рис. 5.5.4. Гидросистема пресса Ф2732АБ силой 1,6 МН
КЛАССИФИКАЦИЯ, КОНСТРУКТИВНЫЕ СХЕМЫ И КОНСТРУКЦИИ
373
Прессы с приводными гидроцилиндрами винтового движения. По предложению проф. А.И. Зимина [13, 14] на ЧПО КПО выпускались опытно-промышленные гидровинговые прессы типа Ф2732А с номинальной силой 1,6 МН, изготовленные по схеме на рис. 5.5.2, а. Полость гидроцилиндра силой (0,2...0,25)Рн выполнена в винте. Винт вращается относительно закрепленной в станине гайки и перемещается поступательно со скоростью в конце разгона до 1,5 м/с [8].
Пресс Ф2732АБ (рис. 5.5.4) работает с разгоном рабочих частей на протяжении всего
хода до начала рабочего хода. В процессе рабочего хода гидропривод переключается на возвратный ход. Техническая характеристика приведена в табл. 5.5.1. Гидровинтовой пресс Ф2738 с номинальной силой 6,3 МН (см. табл. 5.5.1, рис. 5.5.5) оборудован водно-эмульсионным насосно-аккумуляторным гидроприводом, обеспечивающим работу пресса аналогично приведенному для пресса Ф2732АБ. В качестве рабочей жидкости применяется водная эмульсия на основе эмульсолов ВНИИНП-117 или ВНИТОЛ [10].
5.5.1. Расчетные (по паспорту) и действительные характеристики гидровинтовых прессов
Показатель Ф2732АБ Ф2738 ГВПМ 1000/16
Расчетные Полученные осциллогра-фированием Расчетные Полученные осциллогра-фированием Расчетные Полученные осциллогра-фированием
Сила, МН: номинальная 1,60 — 6,30 — 10,00 —
рабочая - До 3,20 - До 8,04 - До 20,00
Эффективная энергия одного хода ползуна, кДж 12 До 15 80 До 93,6 150 До 190
Наибольшая полезная работа деформирования за один ход ползуна, кДж 8,4 11,6 56 68,2 112 120
Ход ползуна, мм 220 220 360 360 400 400
Скорость ползуна в момент удара, м/с 1,5 2,11 1,5 1,79 1,5 1,96
Время, с: разгона (ход вниз) — 0,195 — 0,37 — 0,4... 0,43
деформирования - 0,023...0,04 - 0,02...0,04 - 0,04...0,06
хода вверх - 0,32 - 0,74 - 0,7
машинного цикла - 0,63 - 1,67 - 1,5
Число ходов ползуна в минуту с полной эффективной энергией: используемое 34 34 9(18)* 9,4 10 10
максимальное - 95 - 36 - 40
Установочная мощность электродвигателя, кВт — 24,5 — 55 — 120
‘ При оснащении гидропривода соответственно одним или двумя насосами.
V74.
Рис. 5.5.5. Гидровинтовой пресс Ф2738 силой 63 МН
Станина 3 (рис. 5.5.5) состоит из двух стоек и основания, отлитых из серого чугуна, и верхней поперечины из стали, стянутых четырьмя стальными шпильками. Все четыре направляющие планки станины регулируемые, они крепятся к стойкам шпильками. Ползун 4 стальной, литой, с удлиненными направляющими поверхностями.
Винт 2 (винтовой цилиндр) из стали 40ХНМА посредством прямоугольной шести-заходной несамотормозящей резьбы сопрягается с гайкой 7, закрепленной в верхней поперечине станины. Нижним концом винт через стальную закаленную пяту и подпятник из антифрикционного сплава соединяется с ползуном. Во время разгона ползуна вниз и возвратного хода между сопрягаемыми поверхностями подпятника должен быть зазор 1,5...2 мм, заполненный жидкой смазкой. В нижней части винта над ползуном смонтирован стальной маховик, закрепленный четырьмя штифтами. В верхней части винта выполнен рабочий цилиндр, с которым через бронзовую втулку и
уплотнения сопрягается полый плунжер, шарнирно закрепленный в поперечине станины.
Гидросхема и схема управления обеспечивают работу пресса в одноударном и в двухударном режимах при нанесении двух последовательных ударов с различной энергией.
В зарубежных конструкциях гидровинто-вых прессов для осевого движущего воздействия на винт применяют гидроцилиндр винтового движения, шток которого является непосредственным продолжением винта (рис. 5.5.6), а также отдельные гидроцилиндры винтового движения (винтовые гидромоторы). Например, конструкция винтовых прессов типа PFRH (Grimar, Франция) с номинальной силой 2,0... 18,0 МН выполнена по схеме на рис. 5.5.2, б. Станина прессов цельная, литая, имеет четыре диагональные направляющие с бронзовыми накладками. В средней поперечине 1 станины укреплена бронзовая гайка 2, через которую проходит винт 3, изготовленный из хромони-кель-ванадиевой стали. Верхняя часть винта переходит в шток с поршнем, нижняя часть с
КЛАССИФИКАЦИЯ, КОНСТРУКТИВНЫЕ СХЕМЫ И КОНСТРУКЦИИ
375
Рис. 5.5.6. Схема гидровинтового пресса Grimar
помощью упорного подшипника и подшипника качения, подобного показанному на рис. 5.2.5, соединяется с ползуном [28]. Приводной гидроцилиндр 4 двойного действия укреплен на верхней поперечине. Поршень и шток уплотняются притиркой бронзовых втулок 5-7, одна из которых запрессована на поршне, а другая -во фланце гидроцилиндра. Насосный безакку-муляторный привод обеспечивает скорость разгона ползуна около 0,6 м/с.
Предусмотрено бесступенчатое дозирование кинетической энергии пресса путем изменения давления жидкости в гидросистеме при неизменном ходе ползуна. Для этого на пульте управления пресса имеется вентиль и манометр со шкалой кинетической энергии ползуна. Независимая регулировка хода и кинетической энергии позволяет выполнять технологические операции с наибольшим ходом и минимальной энергией, что расширяет технологические возможности пресса.
Прессы с винтовыми гидромоторами. Для привода винта с маховиком, которые должны вращаться и перемещаться поступательно (совершать винтовое движение), в гидровинтовых прессах типа HSPR (Hasenclever, Германия) использованы специальные гидроцилиндры с винтовым движением штока (винтовые гидромоторы) (см. рис. 5.5.2, д).
При подаче жидкости из аккумулятора в поршневую полость гидромотора винтовое движение штока передается с помощью фрикционной однодисковой муфты маховику и рабочему винту, которые вращаются и движутся поступательно относительно закрепленной в станине гайки. Фрикционная муфта отключает гидромо
тор перед ударом, после того как будет достигнута заданная скорость ползуна 0,2...0,7 м/с (заданная кинетическая энергия).
В начале возвратного хода ползуна муфта снова включается и гидромотор под действием давления жидкости в штоковой полости возвращает ползун в исходную позицию. В конце хода ползуна вверх подача жидкости в штоковую полость гидромотора прекращается, а из поршневой жидкость вытесняется в аккумулятор, так как в этом случае гидромотор работает в режиме насоса. Кинетическая энергия рабочих частей рекуперируется в аккумуляторе, что увеличивает КПД пресса. Изготовлено несколько типоразмеров гидровинтовых прессов такой конструкции, и среди них крупный пресс типа HSPR 750 с номинальной силой 56,0 МН и наибольшей кинетической энергией 1,8 МДж. Прессы оборудованы программным управлением на два удара; с максимальной и уменьшенной в 2 раза энергией (некоторые модели - на три удара) и тензорезисторным силоизмерителем со световым табло, показывающим силу во время штамповки [1, 25].
Прессы с приводными гидроцилиндрами линейного движения. Воронежским ПО ТМП изготовлен самый крупный в России гидро-винтовой пресс силой 25 МН с разгруженной от динамического крутящего момента станиной [6, 7, 23]. Применен насосно-аккумуляторный гидропривод конструкции ЭНИКмаш.
Техническая характеристика гидровинтового пресса мод К04.020.044
Номинальная сила, МН............. 25
Кинетическая энергия, кДж.... 450
Наибольший ход, мм............... 610
Расстояние между направляющими, мм............ 1130
Размеры стола, мм............ 1500 х 1500
Рабочая жидкость привода..... Водная
эмульсия
Осевое воздействие на ползун осуществляется двумя поршневыми гидроцилиндрами силой 5 МН. Маховик посредством фрикционной предохранительной муфты соединен с винтом и посредством зубчатой передачи - с маховиком гайки. При движении ползуна вниз винт совершает винтовое движение и вызывает в гайке реактивный крутящий момент, заставляя ее вращаться в противоположную сторону. Благодаря равенству кинетических моментов
376
Глава 5 5. ГИДРОВИНТОВЫЕ ПРЕССЫ
=^2ю2 (где Л и /2 - осевые моменты инерции винта с маховиком и гайки с маховиком, со 1, со2 - угловые скорости винта и гайки с маховиками) динамический крутящий момент во время штамповки уравновешен и не передается на станину и фундамент.
В конструкциях типа PVM (Muller, Германия) осевое воздействие на винт осуществляется двумя поршневыми гидроцилиндрами через хомут с упорным подшипником качения по схеме на рис. 5.5.2, е. Такая схема используется для модернизации винтовых фрикционных прессов (рис. 5.5.7) [4, 15].
Гидровинтовые прессы типа LVH (ZDAS, Чехия) с номинальной силой 2,5...40,0 МН и кинетической энергией 20...700 кДж (рис. 5.5.8) [11] применяют в российской промышленности. Конструктивные схемы (см. рис. 5.5.2, и) отличаются расположением гидроиилиндров и привода. В прессах с силой менее 10 МН применяют один гидроцилиндр поршневого типа, который устанавливают в верхней части станины, а в прессах с большей силой - два гидроцилиндра и располагают их в боковых стойках нижней части станины. Насосно-аккумуляторный водно-эмульсионный гидропривод прессов силой до 10 МН устанавливают на верхней плите станины, а прессов с большей силой - на отдельном фундаменте.
Винт 2 с маховиком 1 (рис. 5.5.8, а) расположены ниже уровня пола. Резьба винта,
например, для пресса с силой 16 МН несамо-тормозящая четырехзаходная с наружным диаметром 400 мм и шагом 70 мм. Верхний конец винта опирается через роликовый подшипник на стол 5 и станину 7, а торец винта контактирует через бронзовый подпятник с поршнем 6 гидравлического предохранителя, размещенного в нижней полости стола. Маховик 7 со сменным ободом закреплен шлицами на нижнем конце винта.
Ползун 4 (рис. 5.5.8, б) выполнен в виде цельной замкнутой рамы из стального литья, наружные долевые поверхности которой служат направляющими. В нижней поперечине ползуна смонтирована бронзовая гайка 3. К верхней поперечине ползуна крепится верхняя половина штампа, а нижняя его половина устанавливается на столе 5, который имеет форму параллепипеда, проходящего в просвет рамы-ползуна и концами опирающегося на переднюю и заднюю стенки станины [11].
Станина 7 выполнена стальной, литой, составной, с разъемом по средней плоскости, параллельной фронту машины. В нижней части станины установлены два гидроцилиндра 8, штоки которых соединены с нижней поперечиной рамы-ползуна, например у пресса с номинальной силой 16 МН площадь поршневой полости каждого цилиндра 254 см2, а штоковой -100 см2, поэтому при давлении 16 МПа создается расчетная эффективная сила вниз 0,03 Рн,
Рис. 5.5.7. Схема конструкции и гидросистемы модернизированного гидровинтового пресса
КЛАССИФИКАЦИЯ, КОНСТРУКТИВНЫЕ СХЕМЫ И КОНСТРУКЦИИ
377
Рис. 5.5.8. Гидровинтовой пресс LVH: а - конструкция; б - ползун
Рис. 5.5.9. Схема гидросистемы пресса LVH:
А - привода; Б - управления; В - предохранения и смазывания; Г- фильтрации рабочей жидкости
378
Глава 5.5. ГИДРОВИНТОВЫЕ ПРЕССЫ
а вверх - 0,02 Рк . При работе пресса ползун-рама вместе с гайкой перемещается в направляющих под действием гидроцилиндров, вызывая вращение винта с маховиком.
Привод пресса - индивидуальный, насосноаккумуляторный (рис. 5.5.9). Рабочая жидкость в прессах силой 2,50...6,30 МН - минеральное масло, а в более крупных прессах - водная эмульсия или раствор хромпика в воде. Наибольшая линейная скорость ползуна к моменту деформирования с дополнительным маховиком
достигает 0,9 м/с, а без него - 1,3 м/с [2]. Чтобы максимальная сила при штамповке не превышала (1,1... 1,15) Рн , применен гидравлический клапанный предохранитель, установленный в нижней полости стола (рис. 5.5.10). Поскольку верхний торец винта 7 при штамповке опирается о поршень 2, то сила деформирования передается через объем (около 3000 см2 в прессе силой 16 МН) жидкости, заключенной в полости предохранителя. При давлении свыше 65 МПа жидкость из этой полости вытесняется
6)
Рис. 5.5.10. Гидравлический предохранитель пресса LVH: а - схема; б - конструкция клапана
КЛАССИФИКАЦИЯ, КОНСТРУКТИВНЫЕ СХЕМЫ И КОНСТРУКЦИИ
379
через четыре клапана 4 (рис. 5.5.10, б) в сливной бак, поглощая кинетическую энергию подвижных частей машины. Восстановление начального объема жидкости в полости 3 (рис. 5.5.10, а) предохранителя обеспечивает отдельный насос 5, который используют также для циркуляционной смазки винтового рабочего механизма.
Как показали исследования, затраты энергии на упругое сжатие жидкости в предохранителе при номинальной силе составляют до 1,3 % наибольшей кинетической энергии подвижных частей. Эта энергия частично возвращается при упругой разгрузке системы и отражении подвижных частей [2, 17].
В гидровинтовых прессах (Hilu-Schnellaufer, Германия) номинальной силой 1,25...3,25 МН с гидроцилиндрами, воздействующими на ползун с установленной в нем гайкой по схеме на рис. 5.5.2, к, вращающиеся массы приводятся двумя гидроцилиндрами, установленными в боковых стойках станины. Винт вращается в подшипниках верхней поперечины пресса и не имеет осевого перемещения. Гайка жестко скреплена с ползуном и перемещается вместе с ним поступательно.
Прессы с гидроцилиндрами и реечно-шестеренными передаточными механизмами. В некоторых конструкциях винтовых прессов гидроцилиндры используются для создания крутящих моментов с помощью реечно-шестеренных механизмов и вращения винтов. В конструкции фирмы Grimar (Франция) [21] на штоках двух горизонтальных гидро- или пневмоцилиндров закреплены рейки, зацепляющиеся с двух сторон с зубчатым колесом, которое смонтировано на винте (см. рис. 5.5.2, л). Крутящий момент, созданный этими механизмами, приводит во вращение винт с маховиком. Ползун с установленной на нем гайкой перемещается поступательно так же, как в прессе, схема которого приведена на рис. 5.5.2, к.
Схема винтового пресса фирмы Banning (Германия) характеризуется тем, что два гидроцилиндра воздействуют с двух сторон на одну рейку, закрепленную на штоке [22].
В конструкциях двухвинтовых прессов типа PSH номинальной силой 4 МН [26] (Zamech, ПНР) шток поршневого гидроцилиндра двойного действия соединен с двумя параллельными рейками, передающими крутящий момент на один из винтов (рис. 5.5.11).
Прессы с приводными гидромоторами вращательного движения. Привод винтовых прессов с помощью гидромоторов вращатель-
Рис. 5.5.11. Гидровинтовой пресс PSH 400
ного движения возможен по следующим вариантам: непосредственным воздействием крутящим моментом гидромотора на винт или посредством механической зубчатой передачи, вращением гайки непосредственно или посредством механической передачи. Гидромоторы вращательного движения используют для привода винтовых прессов с вращательным и с винтовым движением винта (см. рис. 5.5.3). Возможность использовать стандартные гидромоторы позволяет широко применять перечисленные варианты привода для винтовых прессов различных типоразмеров. На основе конструктивной схемы, представленной на рис. 5.5.3, е, построен самый крупный гидровинтовой пресс номинальной силой 63 МН.
Прессы с гидромоторами, воздействующими на маховик посредством зубчатой передачи. Пресс номинальной силой 40 МН, кинетической энергией 1,12 МДж (Hasenclever, Германия; рис. 5.5.12, а) имеет нижний привод, высота его над полом 3, 3 м, под полом -6 м; ход ползуна - сверху вниз (см. рис. 5.5.3, д). Ползун массой 85 т имеет вид замкнутой рамы.
380
Глава 5.5. ГИДРОВИНТОВЫЕ ПРЕССЫ
Рис. 5.5.12. Гидровинтовые прессы:
а - схема конструкции фирмы Hasenclever; б - характеристика приводного гидромотора; в - схема конструкции МВТУ пресса силой 10 МН
ОСНОВЫ ТЕОРИИ И РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ
381
В нижней поперечине ползуна установлена гайка, которая при вращении винта (четырех-заходный, диаметром 630 мм, массой 12 т) перемещает ползун вверх или вниз.
Привод пресса насосно-аккумуляторный. Четыре аксиально-плунжерных гидродвигателя (рис. 5.5.12, б), расположенные равномерно по окружности ступицы маховика, приводят винт через зубчатый венец на ступице маховика. Фрикционный предохранитель, встроенный в маховик, допускает длительную работу с силой 63 МН [24].
Привод гидромоторами применяется также для гидровинтовых прессов дойного действия (рис. 5.5.12, в). Винтовое движение винта с маховиком является наиболее эффективным, поэтому для крупных прессов с номинальной силой свыше 30 МН применяют схему, показанную на рис. 5.5.3, е. В конструкции гидро-винтового пресса типа HSPRZ 800 номинальной силой 63 МН (Hasenclever) маховик с винтом приводится несколькими гидромоторми вращательного движения посредством косозубых зубчатых передач (рис. 5.5.13). Малые шестерни
выполнены из пластмассы. Угол наклона зубьев примерно равен углу наклона резьбы рабочего винта. Высота зубчатого венца маховика должна быть больше полного хода ползуна на высоту малой шестерни. Маховик с винтом вращаются и перемещаются поступательно относительно неподвижно закрепленной в станине гайки. Зубья маховика скользят при этом по зубьям малых шестерен, установленных посредством фрикционных предохранителей на валах гидромоторов. Технические характеристики прессов приведены в табл. 5.5.2.
Все прессы оборудованы электрогидрав-лической системой дозирования и контроля кинетической энергии по скорости поступательного движения ползуна. Как только скорость достигнет заданного предела, соответствующего необходимой для штамповки кинетической энергии, напорный клапан закрывается, прекращая подачу жидкости под давлением к гидромоторам. Движение ползуна продолжается под действием силы тяжести рабочих частей с минимальным ускорением. Обе гидролинии гидромоторов соединяются со сливным баком. Гидромоторы работают в качестве насосов вхолостую, всасывая жидкость из бака и сливая ее обратно в бак.
Скорость ползуна от 0,1 до 0, 7 м/с и соответствующая ей кинетическая энергия могут быть заданы бесступенчато и выдерживаются постоянными. Для измерения силы, возникающей при штамповке на стойке станины, смонтирован прибор, усиленные сигналы которому передаются от тензодатчиков, смонтированных на стяжных шпильках.
5.5.2 ОСНОВЫ ТЕОРИИ И РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ
Проектный расчет. Гидровинтовые прессы с приводными гидроцилиндрами. Основные размеры винтов и гаек определяют по формулам, приведенным в гл. 5.1.
Кинетическая энергия подвижных частей гидровинтового пресса создается в результате работы гидро цилиндра с силой P\SX на пути разгона 5р:
о
5.5.2. Техническая характеристика прессов
Модель Сила, MH Диаметр винта и ход ползуна, мм Наибольшая кинетическая энергия, кДж Максимальная скорость ползуна, м/с Число ходов ползуна с наибольшей энергией, мин’1 Размеры стола, мм Закрытая высота, мм Мощность электродвигателя, кВт Сила тяжести пресса, кН
номинальная рабочая максимальная
HSPRZ 560 31,50 50,00 63,00 560 800 0,7 12 1270x1700 1120 350 -
HSPRZ 630 40,00 63,00 80,00 630 1120 0,7 10,5 1350x1900 1250 430 3150
HSPRZ 710 50,00 80,00 100,00 710 1600 0,7 9,5 1450x2120 1400 530 -
HSPRZ 750 56,00 90,00 112,00 750 1900 0,52* 7* 1450x2120 1500 434* -
HSPRZ 800 63,00 100,00 125,00 800 2360 0,7 8,5 1600x2360 1600 635 6100
HSPRZ 900 80,00 125,00 160,00 900 3150 0,7 7,5 1800x2650 1800 840 9200
HSPRZ 1000 100,00 160,00 200,00 1000 4500 0,7 6 2000x3000 2000 1050 -
HSPRZ 1120 125,00 200,00 250,00 1120 6300 0,7 6 2240x3350 2240 1550 17 800
Модификация основной модели, предназначенная для штамповки поковок из легких сплавов и стали.
Глава 5.5. ГИДРОВИНТОВЫЕ ПРЕССЫ
ОСНОВЫ ТЕОРИИ И РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ
383
Рис. 5.5.14. Расчетная схема гидровинтовых прессов с приводными гидроцилиндрами:
о-с непосредственным воздействием на винт, ползун, гайку; б - с промежуточной реечно-зубчатой передачей
Все принципиальные конструктивные’ схемы гидровинтовых прессов с приводными гидроцилиндрами (см. рис. 5.5.2) можно представить обобщенными расчетными схемами (рис. 5.5.14).
Эффективную площадь рабочего (отдельного или встроенного) цилиндра или нескольких цилиндров можно определить из (5.5.1) при p,(s)«pH и s = sp :
5. =7’,/(PhMp)’ <5-52)
где Г|р - КПД разгона, учитывающий механические и гидравлические потери энергии на трение при разгоне подвижных частей пресса (по опытным данным, Т]р = 0,6...0,7); рн -давление насоса; sp - ход разгона.
Для схем, приведенных на рис. 5.5.2, а-к, sp ~0,9sm (где sm - наибольший ход ползуна пресса), а для схемы, показанной на рис. 5.5.2, л -м,
Sp = 0,9sm ——, (5.5.3)
h
где т и z - модуль и число зубьев шестерни; h - ход винта.
Площадь возвратного цилиндра, или суммарная площадь нескольких цилиндров
S2=[M^7 + m8 + HR' + P« I/Рн. (5.5.4) \ at //
где М - приведенная масса рабочих частей dv' пресса;-----ускорение во время возвратного
dt
rfy* (у1 )2 ,
хода, ---~ —-— (где v' - наибольшая
Л 2$ш скорость ползуна во время возвратного хода, v'm = (1/2... 1/3) ; vm - скорость при разго-
не вниз; R' - сумма сил трения; Ри - сила возможного зажима пуансона в поковке.
384
Глава 5.5. ГИДРОВИНТОВЫЕ ПРЕССЫ
Гидровинтовые прессы с приводными гидромоторами. В таких конструкциях гидро-винтовых прессов кинетическая энергия подвижных частей создается в результате работы гидромоторов вращательного движения с номинальным моментом Л/о на угловом перемещении фр
(5.5.5)
где i - передаточное отношение зубчатой передачи; j - число параллельно работающих гидромоторов; фр = spf 2л/А; Т|р = 0,6...0,65.
Конструктивные схемы (см. рис. 5.5.3, а-ж) представлены обобщенными расчетными схемами (рис. 5.5.15). Для аксиально- и радиально-плунжерных (а также лопастных) гидромоторов эффективные площади рабочей и сливной полостей
S}=S2=fz/2, (5.5.6)
где f - площадь одного плунжера; z - число плунжеров.
Угловая частота вращения ротора гидромотора должна соответствовать требуемой наибольшей угловой или линейной скорости винта в конце разгона (например, при vm = = 0,5...0,7 м/с)
i2vm
rfctga h
(5.5.7)
Приведенный момент инерции подвиж
ных частей пресса
1,6 Гэ
(5.5.8)
Номинальный крутящий момент гидромотора
Т i/фрПр
(5.5.9)
Рис. 5.5.15. Расчетная схема гидровинтовых прессов с приводными гидромоторами: а - с непосредственным воздействием на винт; б и в - с промежуточной зубчатой передачей
РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ДВИЖЕНИЯ РАБОЧИХ ЧАСТЕЙ
385
Расчетное значение наибольшей угловой скорости винта получено из уравнения вращательного движения рабочих частей во время хода ползуна вниз [1]:
GV„, (5.5.10)
где MG - приведенный момент от силы тяжести рабочих частей пресса (при наличии урав-новешивателя MG = 0).
Расчетное время движения ползуна вниз
,н=^м=$60/и, (5.5.11)
где£ = 0,25...0,3.
Параметры привода пресса во время возвратного хода рассчитывают аналогично приведенному выше [1]. Следует учитывать приведенный момент от силы сопротивления инструмента в случае предназначения пресса для операций выдавливания, прессования, когда возможен зажим пуансона в матрице.
Крутящий момент гидромотора во время возвратного хода
(И. =-----------------------------+ MG
(5.5.12)
где совт - наибольшая угловая скорость винта во время возвратного хода ползуна, (0вт » «(0,8...0,9)от ; Т]в =0,6...0,65 - механический КПД возвратного хода; X = ZBp / ZB = 0,7.. .0,75 -отношение времени разгона к полному времени возвратного хода.
Гидромоторы следует выбирать по наибольшему значению момента из рассчитанных для хода разгона вниз и возвратного хода.
5.53. РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ДВИЖЕНИЯ РАБОЧИХ ЧАСТЕЙ
Основные допущения приняты для "жесткой сосредоточенной" модели гидросистемы (см. гл. 2.1) [1,5].
Гидровинтовые прессы с приводными гидроцилиндрами, воздействующими на винт (см. рис. 5.5.15, а). Расчет проводится аналогично рассмотренному (см. гл. 2.1) для гидропрессов с насосным и насосно-аккумуляторным при-* водом. Необходимо использовать приведенные значения масс и сил, отражающих особенности
винтового рабочего механизма гидровинтовых прессов [1]. Уравнение движения в проекциях сил на ось винта приведено к уравнению Рикка-ти неполному, решение которого следующее.
Время разгона до скорости линейного движения V
(5.5.13)
Скорость в функции времени
Перемещение в функции времени
а । , Jcb s =— Inch----t.
(5.5.15)
b
а
Скорость в функции перемещения
с ~Ь
v =
( 2b
1-ехр------s
V a J
(5.5.16)
В приведенных выражениях:
п h
a = M + pS}ki^ll+pS2k2'£jj; (5-5.17) 1 1
b = S,kf |(1 + Q) + S2kl |(1 + ?2); (5.5.18)
к У d
c = Sj p3 - S2 pt + mg - £ Я, - £ Mc —2-;
T 1 2tga
(5.5.19)
где М - приведенная масса рабочих частей пресса; р - плотность рабочей жидкости; iS\, S2 - площади поршневой и штоковой полостей цилиндра, или эффективные площади гидромотора; Л] = Sx/к2= S2/f2 - коэффициенты приведения площадей цилиндра и гидролиний; I,, lj - длины прямых участков гидролинии; , ^2 - приведенные коэффициенты гидравлического сопротивления гидролиний; р3, р^ - давление жидкости в аккумуляторе и
13-819
386
Глава 5.5. ГИДРОВИНТОВЫЕ ПРЕССЫ
сливном баке; т - масса рабочих частей пресса; Rh Мс - силы и моменты трения в узлах пресса.
Гидровинтовые прессы с приводными гидроцилиндрами и промежуточной реечнозубчатой передачей (рис. 5.5.14, б). Для расчета применяют выражения (5.5.13 - 5.5.16), в которых линейные параметры следует заменить на угловые (v = <o;s = (p), а значения коэффициентов принять следующие:
. n mz . Л,, n mz . Л., a = / + pS'1 — Ai^/i+pSj— k2^lj ;
(5.5.20)
b = $y-tf £(1 + Q + S2 ™kj£(1 + ^2);
(5.5.21)
„ mz _ mz dc
c=s^-P3-s2-P^^—-
(5.5.22)
где m, z - модуль и число зубьев шестерни;
mzSx mzS2 ..
Кх =-----, к2 =----— коэффициенты при-
2/1 2/2
ведения.
_ h
Параметры движения ползуна: 5 = —ф ;
2п
v = —со (где h - ход резьбы винта).
2л
Гидровинтовые прессы с приводными гидромоторами, воздействующими на винт (рис. 5.5.15, а).
Для расчетов параметров движения ползуна пресса используют выражения (5.5.13 -5.5.16), в которых линейные параметры следует заменить на угловые (v = со; $ = ф), а значения коэффициентов принять следующие:
п h
а = I + kxSxep^lt +k2S2ep^lj ; (5.5.23) 1 1
b = ^5,^(1 + + k22S2e^(\ + ^2);
(5.5.24)
с = p3S,e- p.S2e+mg—£— 2tga
£M°>- <5-525) 1 2tga Y
Здесь e - эксцентриситет ротора гидромотора; kx = q!2itfx, k2 = ql2nf2 - коэффициенты приведения; q - рабочий объем гидромотора (объем жидкости на один оборот ротора).
h
Параметры движения ползуна: 5 = —ф;
2л
v = —со (где h - ход резьбы винта).
2л
Гидровинтовые прессы с приводными гидромоторами и зубчатой передачей (рис. 5.5.15, б и в). Расчет параметров движения проводится аналогично рассмотренному выше [1].
Во время рабочего хода рабочая полость гидравлического двигателя сообщается со сливным баком и не влияет на движение рабочих частей, поэтому применимы приближенные уравнения [1].
Расчет параметров движения и давления жидкости в гидросистеме. Для расчета используют "упругую - сосредоточенную" модель гидросистемы [5] аналогично рассмотренному для гидравлических прессов (см. гл. 2.1) с учетом особенностей гидросистем гидровин-товых прессов [1].
Энергетические расчеты и КПД. Для гидровинтовых прессов применяют в основном насосно-аккумуляторный привод. Мощность насосов и электродвигателей определяют по средней мощности в течение технологического цикла. Мощность насосов для гидровинтового пресса с приводными гидроцилиндрами
= Роз 2к * Роз (f' • (5.5.26)
Vm+МЛо
где /м, tT - продолжительность машинного цикла и технологической паузы; Т|о - объемный КПД гидросистемы, Т|о « 0,95...0,98; Роз - Давление в аккумуляторе.
Мощность насосов для прессов с приводными гидродвигателями вращательного движения, воздействующими на винт,
*и=Роэй,«/>оз, =
2л(/м +/Т)т)о
РЮ +'т)По '
(5.5.27)
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
387
В случае применения зубчатых передач необходимо учитывать передаточные отношения [1].
КПД разгона рабочих частей. Передача энергии давления жидкости из аккумулятора в рабочий цилиндр или гидромотор происходит с потерями, обусловленными трением жидкости в гидролиниях и местными сопротивлениями. Кроме того, во время движения винта, ползуна происходят потери энергии на трение. КПД разгона рабочих частей
Т3 пР =—V" РОЗ
(5.5.28)
На основе испытаний гидровинтовых прессов [2,12] можно принимать Т]р « 0,6...0,7.
КПД рабочего хода (деформирования).
^AJ^+A^+Ag), (5.5.29)
где АИ - индикаторная работа жидкости во время деформирования
о
о
(5.5.30)
где Т], - индикаторный КПД во время деформирования; по опытным данным, T]z = 0,75...0,8.
КПД машинного иикла. КПД машинного цикла гидровинтового пресса без учета потерь энергии в электродвигателе и насосе определяется отношением полезной работы деформирования поковки к работе, затраченной аккумулятором в течение цикла:
1),=V4. (5.5.31)
по опытным данным, Т|м =0,5...0,6.
Эффективный КПД пресса
Лэ ~ / ^эд ® ЛмЛэдЛн» (5.5.32)
где Т|эд, Т]н - КПД электродвигателя и насоса. По опытным данным, Т]э = ^,4-• 0,45 [12].
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бочаров Ю.А. Винтовые прессы. М.: Машиностроение. 1976. 248 с.
2. Бочаров Ю.А., Морозов Ю.Д. Экспериментальное исследование гидровинтового пресса: Машины и технология обработки металлов давлением. М.: Машиностроение, 1973. (Труды МВТУ. Вып. 10. № 163).
3. Бочаров Ю.А., Морозов Ю.Д. О рациональном применении методик расчета параметров гидровинтовых машин с насосноаккумуляторным приводом. М.: Машиностроение. (Труды МВТУ. № 263).
4. Бочаров Ю.А., Морогов В.М., Сафонов А. В. Винтовой пресс с гидравлическим приводом: А.с. 174945,1965.
5. Бочаров Ю.А. Основы общей теории гидравлических кузнечно-штамповочных машин // Машины и технология обработки металлов давлением: Труды МВТУ. М.: МВТУ, 1980. №335. С. 12-40.
6. Бочаров Ю.А., Филькин И.Н., Яковенко И.Ф., Сафонов А.В. Тяжелый винтовой пресс новой конструкции // Кузнечно-прессовое машиностроение. НИИмаш. 1980. № 12.
7. Бочаров Ю.А., Филькин И.Н., Сафонов А.В. Яковенко И.Ф. Винтовой пресс: А.с. 558478 // Бюл. 1977. № 18.
8. Бочаров Ю.А. Экспериментальное исследование гидровинтового пресс-молота // Кузнечно-штамповочное производство. 1960. №7. С. 22-27.
9. Бочаров Ю.А. Разработка и исследование кузнечной машины нового типа - гидровинтового пресс-молота: Дис. ... канд. техн, наук. М.: МВТУ, 1961.200 с.
10. Денисюк А.К., Лузанова И.А., Бочаров Ю.А. Экспериментальное исследование упругих свойств водных эмульсий для гидросистем кузнечно-штамповочных машин // Известия вузов. Машиностроение. 1973. № 8. С. 133- 135.
11. Драпела И. Винтовые прессы серии LVH с новой системой гидравлического привода // Чехословацкая тяжелая промышленность. 1968. №5. С. 18-21.
12. Зимин Ю.А., Бочаров Ю.А. и др. Экспериментальное исследование гидровинтовых пресс-молотов // Кузнечно-штамповочное производство. 1974. № 6. С. 30-34.
13. Зимин А.И. Гидровинтовой пресс-молот: А.с. 115712. 1958.
14. Зимин А.И. Гидровинтовой пресс-молот // Машины и технология обработки металлов давлением: Труды МВТУ. М.: Машгиз, 1957. С. 5-10.
13*
388
Глава 5.6. РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ ДЕТАЛЕЙ ВИНТОВЫХ ПРЕССОВ
15. Морогов В.М., Бочаров Ю.А. Модернизация винтовых прессов. Куйбышев: Куйбыш. книжн. изд-во, 1980. С. 150.
16. Морогов В.М. Разработка и исследование гидровинтового пресс-молота с внутренней резьбой винтового цилиндра: Дис. ... канд. техн. наук. М.: МВТУ, 1969. 210 с.
17. Морозов Ю.Д. Исследование гидровинтового пресса с нижним приводом конструкции LVH: Дис. ... канд. техн. наук. М.: МВТУ, 1972. 150 с.
18. Фофлин Ю.А. Разработка новой конструкции гидровинтового пресса с встречным движением рабочих частей: Дис. ... канд. техн, наук. М.: МВТУ, 1978. 150 с.
19. Ларионов Н.М. Разработка и исследование новой конструкции гидровинтового пресс-молота с разгруженной от крутящего момента станиной: Дис. ... канд. техн. наук. М.: МВТУ, 1972. 250 с.
20. Нистратов А.Ф., Бочаров Ю.А. и др. Гидровинтовой пресс: А.с. 376269. 1973.
21. Патент 1416541. Франция. 1964.
22. Патент 3020833. США. 1962.
23. Яковенко И.Ф. Разработка и исследование головного промышленного образца гидровинтового пресса с номинальным усилием 2500 тс, с динамически уравновешенной от крутящего момента станиной: Дис. ... канд. техн. наук. М.: МВТУ, 1980. 256 с.
24. Bauer С. Spindelpressen mit hydrau-lischen Antrieb // Industrie - Anzeiger. 1966. H. 88. N92. Nov. S. 278-279.
25. Golf K. Vergleich groser exzenter-schmide - und spindelpressen // Industrie - Anzeiger. 1973. N 83. H 5. Oct. S. 217-221.
26. Poczobut J. Prasa dwusrubowa hydrau-liczna PSH 400 // Mechanik. 1968. N 9. S. 68 - 69.
27. Press a vis "Grimar" // La Machine modeme. 1962. 56. N 843. P. 97.
28. Press frappense hydraulique a vis // La Machine - outil Frances. 1970. 35. N 262. P. 79, 81,83.
Глава 5.6
РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ ДЕТАЛЕЙ ВИНТОВЫХ ПРЕССОВ
Основные параметры и размеры винтовых прессов установлены ГОСТ 713-88 [4], где указаны номинальная сила прессов Рн [см. (5.1.7)], по которой технологи выбирают
пресс, допускаемая сила Р « 1,6РН, с которой пресс может работать длительное время без опасности поломки его основных деталей. По допускаемой силе проводят прочностные расчеты деталей пресса, работающих при переменных нагрузках.
Если в конструкции пресса отсутствует предохранитель от перегрузки, то при соударении штампов без поковки вся кинематическая энергия рабочих частей расходуется на упругое деформирование деталей пресса, и в системе пресса возникает так называемая сила холодного удара Рт. Ее можно определить по формуле [1]
^=72cv,. (5-6.1)
где с - жесткость системы машина - штамп; Т]м -механический КПД во время деформирования, Т|м =0,8...0,85; Т3 - эффективная номинальная энергия рабочих частей пресса. В современных конструкциях винтовых прессов Рт =(2...3,5)РН.
В винтовых прессах обычно применяют несамотормозящий винтовой рабочий механизм (ВРМ) с углом подъема резьбы больше угла трения, состоящий из винта и гайки, которые могут совершать поступательное, вращательное или винтовое движение, либо закрепляться неподвижно.
Винтовой рабочий механизм является главным исполнительным механизмом винтовых прессов и, следовательно, определяет основные параметры машины.
Винт. Наружный диаметр резьбы (см) определяют по эмпирическим формулам в зависимости от Рн (кН) [1]:
для винтов прессов ЧПО КПО с вращательным движением
dK = (12...13)/^’ (5.6.2,а)
и для винтов прессов зарубежных конструкций с винтовым двигателем
= (5.6.2,6)
Винты изготавливают из стальных поковок (38ХНЗМФА, 40ХН, 40ХН2МА) и подвергают термообработке.
Угол подъема резьбы винтов принимают в пределах 12... 16°, что обеспечивает высокий
РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ ДЕТАЛЕЙ ВИНТОВЫХ ПРЕССОВ
389
КПД и необходимую энергоемкость движения [1]. В целях измельчения профиля витка резьбы применяют многозаходную резьбу с числом заходов / = 3...6.
Винты рассчитывают на прочность в опасных сечениях [1]. Напряжения сжатия в винте
ас=4Р„/(л</2)<[а], (5.6.3)
напряжения кручения
t = ^sAtg(a + p)
0,2d3 0,4d3
где [о] и [т] - допускаемые напряжения сжатия и кручения для материала винта; d - диаметр винта в опасном сечении; аир- угол подъема резьбы и угол трения в резьбе; р=arctg ц (ц - коэффициент трения).
Для прессов с вращательным движением винта эквивалентные напряжения
Оэк. = 7 °2 + 3x2 * М • (5.6.5)
Для оптимального угла подъема резьбы а = 12°30' и р = 3° средний диаметр резьбы винта пресса с винтовым движением винта
rfc«l,15/VM, (5.6.6, а)
а для пресса с вращательным движением винта
~ 1,46-7 /[ст]. (5.6.6, б)
что превышает диаметр, рассчитанный по формуле (5.6.6, а), приблизительно на 25.. .27 %.
Запасы прочности материала винта по пределам текучести и выносливости определяют по известным зависимостям с учетом масштабного и других факторов [1].
Необходима также проверка на единичную перегрузку от силы холодного удара Рт, определяемой по формуле (5.6.1), для прессов, не имеющих предохранителей. Для этого находят максимальные напряжения сжатия и кручения, возникающие от силы холодного удара, и эквивалентные напряжения
®эк.=7°»+3х» • (5.6.7)
Коэффициент запаса прочности по временному сопротивлению от перегрузки винта силой холодного удара
"ш=<*в/<Гэкв^5. (5.6.8)
При расчетах ВРМ и базовых деталей винтовых прессов методом конечных элементов все шире применяются ЭВМ, что позволяет повысить точность расчета и сократить сроки проектирования [8,9].
Гайка. В наиболее распространенных конструкциях винтовых прессов, выполненных по схеме с вращательным движением винта, биметаллическая гайка жестко закрепляется в ползуне по наружной цилиндрической поверхности. Внутренняя поверхность гайки, в которой выполнена ходовая резьба, изготавливается, например, из оловянистой бронзы Бр ОФ 10-1, наружный бандаж - из стали 45.
Винтовой рабочий механизм (ВРМ). Наибольшее распространение получили следующие профили резьбы ВРМ: прямоугольный, упорный (углы наклона 0 и 3°), трапецеидальный (углы наклона профиля 3...5° и 30°), последний из которых обеспечивает наиболее благоприятные условия работы винтовой пары [1].
При экспериментальном исследовании износа витков резьбы ВРМ установлено [5], что средний износ гайки для пары винт - сталь 40ХН2МА (280...320 НВ), гайка - бронза Бр ОФЮ-1 (70...80 НВ) при смазке маслом "Индустриальное 45" составляет (3... 4) • 10-6 мм/цикл. При этом износ витков винта меньше на два порядка износа витков гайки. Согласно рекомендациям [10] предельный зазор между витками можно определить
Апр =0,136Z, (5.6.9, а)
где t - шаг резьбы, мм.
Значения предельного отклонения ширины витков резьбы гайки и винта определяются по формуле
6пр =0,1366, (5.6.9, б)
где b - номинальная ширина витка резьбы гайки или винта. Средний коэффициент 0,136 в формулах (5.6.9, а) и (5.6.9, б) получен из условия сохранения прочности витков резьбы на изгиб.
Износ витков гайки за нормативный срок работы пресса до капитального ремонта (около 18 000 ч или 7• 106 циклов) составляет 5...6 мм.
В процессе технологического нагружения ВРМ подвергается значительным динамическим нагрузкам, что в сочетании с местной концентрацией напряжений в резьбовой части
390
Глава 5.6. РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ ДЕТАЛЕЙ ВИНТОВЫХ ПРЕССОВ
приводит к выкрашиванию и излому витков резьбы. При этом разрушение витков резьбы носит усталостный характер.
Увеличение зазора в ВРМ во время работы пресса более чем в 10 раз (с 0,35 мм по техническим условиям до 5 мм в результате износа гайки), несомненно, отрицательно сказывается на работе и долговечности BPM. С другой стороны, износ витков приводит к выравниванию распределения нагрузки по высоте ВРМ, но в начальный момент у нового пресса нагрузка распределена по высоте гайки крайне неравномерно.
ВРМ винтовых прессов, как правило, выполняется многозаходным с числом заходов 3...6. При этом шаги резьбы винта и гайки не должны различаться более чем на ± 0,05 мм, так как даже небольшая погрешность шага приводит к значительному перераспределению нагрузки по виткам резьбы, в результате чего концентрация нагрузки в отдельных витках может превысить допустимую. Расчеты, проведенные для ВРМ винтового пресса силой 25 МН [7], показывают, что нагрузка становится равномерной при работе пресса с номинальной силой за 4,8-105 циклов, что примерно составляет 1600 ч, т.е. менее 7 % срока службы пресса до капитального ремонта (рис. 5.6.1). Износ гайки к этому моменту составляет 1,4... 1,7 мм. Максимальное контактное давление в крайних витках новой гайки примерно в 3 раза больше, чем в приработанной (см. рис. 5.6.1). Расчеты, выполненные при тех же исходных данных, но с учетом погрешности изготовления резьбы показывают, что относительная погрешность хода резьбы АЛ/h = ±3 % (h - ход резьбы) приводит к значительному перераспределению нагрузки, делая наиболее нагруженным либо верхний, либо нижний виток (рис. 5.6.2), причем максимум контактного давления повышается в 1,43 раза при АЛ/h =-3 %.
Необходимо, следовательно, в технических условиях на пресс указывать время приработки ВРМ, в течение которого максимальная сила деформирования не должна превышать номинальную силу винтового пресса.
Оценку долговечности винтов винтовых прессов производят на основе вероятностных методов расчета на усталость, базирующихся на статистических закономерностях усталостного разрушения, теоретических и экспериментальных исследованиях [3, 11].
Рис. 5.6.1. Изменение распределения нагрузки в процессе износа по высоте гайки ВРМ: р - контактное давление; Нг - высота гайки; z - текущая высота гайки
Рис. 5.6.2. Влияние погрешности хода резьбы на распределение нагрузки по высоте гайки ВРМ: АЛ - погрешность хода резьбы; Л - ход резьбы
В работе [3] предложена ЭВМ-ориенти-рованная методика оценки долговечности винтов, на основе которой получены распределения долговечности винтов (рис. 5.6.3 и 5.6.4) винтовых прессов Ф1734 и Ф1734А с номинальной силой 2,5 МН и эффективной энергией соответственно 12,5 и 20 кДж. Программа нагружения включает в себя следующие технологические операции: 70 % - объемная штамповка; 29 % -чеканка; 1 % - холодный удар. Анализ результатов расчета, приведенный на рис. 5.6.3 и 5.6.4, показывает, что нормативная долговечность (примерно 5 лет при двухсменной работе) винтов прессов с повышенной энергоемкостью (Ф1734А) может быть достигнута только при резком ограничении (кчек < 10 %) относительного количества выполняемых чеканочных операций с номинальной энергией. В [11] указывается, что при полной ликвидации случай-
РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ ДЕТАЛЕЙ ВИНТОВЫХ ПРЕССОВ
391
Рис. 5.63. Распределение долговечности винтов:
L - долговечность; рраз - вероятность разрушения винта в опасных сечениях
Рис. 5.6.4. Взаимосвязь долговечности винта с характером технологической нагрузки:
L - медианная долговечность (при = 50 %);
«чек-относительное количество чеканочных операций
них холодных ударов и перегрузок свыше 1,6 номинальной силы при обеспечении точного дозирования энергии ударов долговечность винтов может быть повышена в 5 - 10 раз.
При проектировании винтовых прессов требуется согласовать эксцентриситет приложения нагрузки на элементах оборудования, несущих инструмент, с допустимой технологической силой [6].
На основе проведенных экспериментальных исследований [2] получена математическая модель распределения изгибающих напряжений в ВРМ винтового пресса Ф1730А (ЧПО КПО) в зависимости от точки приложения внецентренной нагрузки.
Для напряжений изгиба в винте (при нагружении пресса номинальной силой и зазоре в направляющих ползуна 0,1 мм)
сти (е ) = стсн (М3 + 0,85 е + 0,9 е 2 ), (5.6.10) где ё - относительный эксцентриситет приложения нагрузки; ё = е/ d3; е - эксцентриситет приложения нагрузки; с7в - диаметр резьбы винта; стсн - напряжения сжатия в винте при номинальной силе.
Обозначив выражение в скобках в формуле (5.6.10) как ф(ё), можно записать
®н(ё) = асиф(ё). (5.6.11)
Так как винт испытывает одновременно напряжения сжатия, кручения и изгиба, условие прочности можно представить аналогично (5.6.5) в виде
а, = 7(°н+®с)2+3т2 5(о]. (5-6.12)
где сти - напряжение изгиба в винте, сти = = рсти (ё), р = Р / Рн ; Р - сила нагружения.
Так как т = 2стс tg(a + р), а стс = стсн Р, то с учетом (5.6.11) выражение (5.6.12) можно преобразовать относительно р:
Р = Р / Р„ < М/СТС"
7(<p(e) + l)2+12tg2(a + p)
(5.6.13)
Величины [ст], стсн, а, р, входящие в выражение (5.6.13), постоянны для данной конструкции ВРМ. Используя эту зависимость, можно построить график допустимых сил при внецентренном нагружении в зависимости от эксцентриситета приложения нагрузки на ползуне. Эта зависимость для винтового пресса Ф1730А номинальной силой 1 МН представлена на рис. 5.6.5, где для сравнения приведены характеристики винтовых прессов зарубежных фирм [12].
Изгибающие нагрузки, возникающие при внецентренном нагружении винтовых прессов аналогичных конструкций, можно прогнозировать исходя из принципов конструктивного подобия (силового и геометрического) [10].
Факторы влияния иа точность поковок. На точность размеров изделий, получаемых на винтовых прессах, влияют геометрические погрешности и упругие деформации деталей пресса. При внецентренном приложении нагруз-
392
Глава 5.6. РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ ДЕТАЛЕЙ ВИНТОВЫХ ПРЕССОВ
Рис. 5.6.5. Диаграмма допускаемых сил при внецентренном нагружении
ки это приводит к перекосам, смещениям нижней и верхней частей штампа и, следовательно, погрешностям получения заданных размеров изделия. Эксперименты показывают, что отклонения штампа передаются на поковку в момент достижения максимальной силы деформирова
ния и сохраняются при разгрузке [13]. При этом долю геометрических дефектов в отклонениях штампа можно оценить с помощью отношения дефектов q, которое равно отношению свободного отклонения к отклонению под нагрузкой. Если отношение дефектов больше единицы, то отклонение находятся в пределах люфта нена-груженного пресса; если оно меньше единицы, то отклонения при внецентренной нагрузке больше геометрически возможных дефектов. Результаты, полученные при статических и динамических опытах, показаны на рис. 5.6.6.
Данные приведены для винтового пресса Р160 фирмы Weingarten номинальной силой 1,8 МН и эффективной энергией 8 кДж [13]. Расстояние между столом и ползуном составляло 300 мм. При максимальной силе деформирования 2,5 МН и эксцентриситете ее приложения 100 мм значения составляют: для не-параллельности qQ =0,24, для бокового смещения qx =0,57 (рис. 5.6.6). Таким образом, при максимальной нагрузке непараллельно-стью штампов вызвано 24 % геометрических дефектов поковки, а боковым смещением - 57 % (при этом Хтах = 0,5 мм; 0тах = 3 мм/мм).
Рис. 5.6.6. Отношение дефектов при внецентренном нагружении:
а - смещение; б - опрокидывание верхнего штампа;
Р - сила нагружения; - эксцентриситет приложения нагрузки; hw - выход верхнего штампа
за пределы ползуна, hw = 150 мм; = х/Хст > Яе = 0/0ст » Хет и ®ст “ отклонения инструмента при ненагруженном прессе; х и 0 - фактические отклонения под нагрузкой
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
393
5.6.1. Нормы жесткости винтовых прессов НПО "ЭНИКмаш"
Конструкция Жесткость, МН/м
при номинальной силе, МН
4 6,3 10 16 25 40 63 100
Пресс 900 1100 1400 1800 2200 2800 3600 4700
Станина 3000 3700 4700 6000 7500 93 000 12 000 15 000
Результаты показывают, что не следует искать существенные улучшения в устранении люфта в направляющих, а скорее необходимо улучшать жесткость станины и направляющих [2,13] или применять два типа направляющих ползуна - цилиндрические вверху и призматические в нижней части [12].
Жесткость конструкции. Наряду с прочностью винтовые прессы должны обладать достаточной жесткостью. От жесткости прессов зависят расход энергии на упругое деформирование деталей пресса, время контакта штампа с поковкой, погрешности размеров поковок. С повышением жесткости прессов уменьшаются погрешности штампуемых поковок и доля энергии, затрачиваемой на упругую деформацию пресса, но увеличивается металлоемкость конструкции, поэтому жесткость должна быть экономически обоснованной. Нормы жесткости винтовых прессов разработаны НПО "ЭНИКмаш" (табл. 5.6.1).
Жесткость винтовых прессов зарубежных фирм приблизительно в 2 раза больше [1].
В последнее время рядом зарубежных фирм освоен выпуск винтовых муфтовых прессов (см. гл. 5.3).
Рис. 5.6.7. Взаимосвязь силы и эффективной энергии винтовых прессов
Взаимосвязь силы и эффективной энергии винтовых прессов типовой конструкции RSSP фирмы Berrenberg и с муфтовым маховичным приводом NPS фирмы Siempelkamp приведены на рис. 5.6.7 [14]. Номинальная сила обоих прессов 12,5 МН.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бочаров Ю.А. Винтовые прессы. М.: Машиностроение, 1976. 247 с.
2. Бочаров Ю.А., Власов А.В., Проскуряков Н.Е. Экспериментальное исследование эксцентричного нагружения винтового пресса // Исследования в области инструментального производства и обработка металлов. Тула: ТЛИ, 1984. С. 152-156.
3. Власов А.В. Разработка методики проектирования винтовой пары электровинтового пресса по динамическим нагрузкам, возникающим в процессе штамповки: Дис. ... канд. техн. наук. М., 1983. 210 с.
4. ГОСТ 713-88 (СТ СЭВ 4488-84). Прессы винтовые. Параметры и размеры. Нормы точности. М.: Изд-во стандартов, 1981. 17 с.
5. Кульнев И.А., Лаптев В.Н., Салов B.IL Повышение долговечности пары шпиндель -гайка винтовых кузнечно-прессовых машин // Расчет и конструирование кузнечно-прессо-вых машин. Воронеж: ЭНИКмаш, 1976. С. 103-113.
6. Нормирование показателей надежности кузнечно-прессового оборудования: Методические указания. Воронеж: ЭНИКмаш, 1983. 31с.
7. Проскуряков Н.Е., Власов А.В. Оптимальное проектирование винтового рабочего механизма винтовых прессов с учетом погрешности изготовления и износа / Тул. политехи. ин-т. Тула, 1986. 14 с.
394
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
8. Расчет напряженно-деформированного состояния станин кузнечно-прессовых машин методом конечных элементов: Методические рекомендации. 2-е изд. Воронеж: "ЭНИКмаш", 1985. 76 с.
9. Расчет напряженно-деформированного состояния в деталях типа цилиндров, нагружа-телей с применением метода конечных элементов: Методические рекомендации. 2-е изд. Воронеж: "ЭНИКмаш”, 1985. 48 с.
10. Рекомендуемые нормы предельных износов основных деталей и соединений кузнечно-прессовых машин: Методические указания. Воронеж: ЭНИКмаш, 1975. 32 с.
11. Сравнительная оценка долговечности шпинделя винтового пресса при различных
режимах нагружения / И.В. Бовыкин, В.П. Вандышев, В.О. Перевозчиков и др. // Совершенствование методов расчета кузнечнопрессовых машин. Воронеж: ЭНИКмаш, 1977. С. 82-100.
12. Bothe W., Scholz G. Hochleistungs -Schmeidenpress NPS eine wirtschaftliche Altema-tiva der 80er Jahre // Draht. 1982. N 2. P. 64 - 66.
13. Watermann H.D. Die Arbeitsgenauig-keit von Hammem und Schwungradspindelpres-sen bein auBermittigen Schlag // Werkstatts-technik. 1963. V. 53, N 8. P. 413 - 421.
14. Estreicher M. Zukunftstrftchtiges Maschinen-Konzept // Industrie-Anzeiger. 1985. N20. P. 14-16.
Раздел 6
МОЛОТЫ
Глава 6.1
КЛАССИФИКАЦИЯ И РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ
Молотами называются технологические кузнечно-штамповочные машины ударного действия, в которых энергия привода перед ударом преобразуется в кинетическую энергию линейного движения рабочих масс с закрепленным на них инструментом, а во время удара - в полезную работу деформирования поковки. Для привода молотов используются пар, сжатый воздух или газ, жидкость под давлением, горючая смесь, взрывчатые вещества, электромагнитное и гравитационное поля (тепловой, упругостный, химический, электродинамический, гравистатический виды энергии).
Принцип действия молотов заключается в разгоне рабочих масс до скорости v с затратой работы привода А„ во время холостого хода по направлению к поковке в целях накопления кинетической энергии Т3 (которая называется эффективной энергией молота) и использования ее для полезной работы деформирования поковки Ал во время рабочего хода: Лп -> Т3 -> Ад , или
Л=7’э’1р=^д/(пРПд)- (6-1.1)
где Лр - КПД разгона; Т|д - КПД ударного деформирования.
Работа привода, переходящая в кинетическую энергию,
о
где sp - путь разгона; P(s) - разгоняющая сила.
Кинетическая энергия, переходящая в работу деформирования поковки
7’э=('”1у?+"»2*1У2 = Лд/т]д , (6.1.3)
где ту и т2 - рабочие массы; V] и v2 - скорости; Ал - работа деформирования поковки, которую требуется выполнить за один удар,
Ад = jPe(s)ds. (6.1.4)
О
По технологическому признаку молоты разделяют на ковочные (для свободной ковки), штамповочные (для объемной штамповки) и листоштамповочные (для штамповки из листовых материалов).
В качестве основного признака классификации принят тип энергоносителя. По этому признаку молоты подразделяют на пять конструктивных групп (рис. 6.1.1, а-ж) [1, 2].
К первой группе (рис. 6.1.1, а) относятся паровоздушные молоты, энергоносителями у которых являются пар или сжатый воздух. Пар поступает к рабочему цилиндру по трубопроводу от паровых котлов, сжатый воздух - от компрессорной станции. Передаточный механизм паровоздушного молота состоит из поршня и штока. Исполнительным механизмом является ударная масса - баба с бойками или штампом.
Ко второй группе относятся приводные пневматические молоты (рис. 6.1.1, б). Энергоносителем таких молотов является сжатый воздух, поступающий от компрессора. Компрессор с электродвигателем смонтированы непосредственно на молоте.
При движении поршня компрессора вследствие изменения объемов нижнего и верхнего полостей цилиндров в них происходит изменение давления воздуха, что вызывает движение рабочего поршня с верхним бойком или штампом. Функции передаточного и исполнительного механизма совмещены.
396
Глава 6.1. КЛАССИФИКАЦИЯ И РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ
ковочные
штамповочные (для объемной штанподки)
листоштамповочные и выколоточные
пневма-
паровоздушные тические
(a) (S)
(V
механические гидравлические (в.г.д) (е)
(е)
газовые высокоскоростные (ж)
Рис. 6.1.1. Классификация молотов: 1 - рабочие подвижные части; 2 - шабот
К третьей группе относятся механические молоты. Они приводятся от электродвигателя с помощью механических передаточных механизмов, состоящих из фрикционных, гибких и упругих связей (рис. 6.1.1, в, г, д). К молотам с фрикционными связями относятся фрикционные молоты с доской (рис. 6.1.1, в), к гибким - молоты с канатами, ремнем, цепью (рис. 6.1.1, г), к молотам с упругими связями -пружинно-рессорные молоты (рис. 6.1.1, д). В последнее время молоты третьей группы не производятся.
Четвертую группу представляют гидравлические молоты (рис. 6.1.1, е). Энергоносителем в них служит жидкость - минеральное или синтетическое масло, водные эмульсии. Жидкость под давлением воздействует на рабочий плунжер или поршень. Энергия давления жидкости переходит в кинетическую энергию подвижных частей.
К пятой группе относятся газовые высокоскоростные молоты (рис. 6.1.1, ж), энергоносителем в которых является газ - азот, нахо
дящийся под высоким давлением в специальной полости над рабочим поршнем. При рабочем движении подвижных частей внутренняя энергия газа переходит в кинетическую энергию движения масс. К этой же группе относятся газовые молоты, работающие по принципу некоторых двигателей внутреннего сгорания. Энергоносителем является смесь жидкого горючего с воздухом.
Молоты по принципу действия разделяются на две группы: простого действия и двойного действия.
У молотов простого действия движение вниз осуществляется силой тяжести падающих частей. Работа силы тяжести переходит в кинетическую энергию, используемую для деформирования поковки. Подъем подвижных частей осуществляется паром, воздухом, газом, электродвигателем.
У молотов двойного действия движение вниз осуществляется не только силой тяжести падающих частей, но и энергией пара, воздуха, газа, жидкости, силой упругости пружины.
КЛАССИФИКАЦИЯ И РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ
397
К молотам простого действия можно отнести большинство молотов третьей группы за исключением пружинно-рессорных. Остальные молоты - двойного действия.
Молоты могут быть также классифицированы по типу шабота: молоты с виброизоли-рованным шаботом и молоты со встречным движением ударных частей (бесшаботные молоты).
У молотов с неподвижным шаботом часть энергии передается на грунт, вызывая неблагоприятные вибрации. Виброизолиро-ванный шабот уменьшает энергию, передаваемую на грунт.
Эффективная энергия, основные размеры и параметры молотов регламентируются государственными стандартами. Например, для паровоздушных штамповочных молотов принят ГОСТ 7024-75, для ковочных - ГОСТ 9752-75.
За главный размерный параметр конструкций молотов с неподвижным шаботом принята масса рабочих подвижных частей, или ударная масса тх. Размерные ряды молотов составлены по геометрической прогрессии со знаменателем 1,6 (например, паровоздушные штамповочные молоты с ударной массой 630...25 ООО кг).
Эффективная кинетическая энергия Гэ, развиваемая рабочей массой перед ударом, является вторым основным параметром молотов с неподвижным шаботом. Например, предельные значения энергии для паровоздушных штамповочных молотов с неподвижным шаботом составляют 16... 630 кДж.
Скорость рабочих частей (рабочей массы) перед ударом является зависимым параметром, определяемым так:
. (6.1.5)
Для молотов с подвижным шаботом главным размерным параметром является эффективная кинетическая энергия Тэ. Предельные значения энергии 20...800 кДж. Вторым основным параметром является скорость каждой рабочей массы перед ударом. Обычно эта скорость V — V10 = 3,1...3,3 м/с. В этом случае масса каждой из двух рабочих масс становится зависимым параметром:
т=Т3/у1 = Тэ/10. (6.1.6)
Предельные значения массы (2... 80)-103 кг.
Для молотов с подвижным шаботом КПД
удара Г|у определяется из зависимости
<v,-va>3 а (в...7>
у т}+т2 2ТЭ
где Тэ - кинетическая энергия удара:
2 2
Гэ=щ_+^_. (6Л.8)
В выражениях (6.1.7) и (6.1.8)
, /и2 - массы подвижных частей;
V1 и v2 - скорости подвижных частей в момент удара;
К - коэффициент восстановления скорости.
При принятых на практике тх1т2 = 20 и К= 0,5 КПД удара составляет в среднем 0,7.
Для молотов с неподвижным шаботом
При тх/т2 = 20иХ'= 0,5/т|у =0,71.
Принято считать, что штамповочный молот с массой подвижных частей 1000 кг эквивалентен гидравлическому прессу с номинальной силой 10 МН.
Ковочный молот с массой подвижных частей 1000 кг эквивалентен по развиваемой силе гидравлическому прессу силой 7 МН.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Банкетов А.Н., Бочаров Ю.А., Доб-ринский Н.С. и др. Кузнечно-штамповочное оборудование. М.: Машиностроение, 1982. 574 с.
2. Живов Л.И., Овчинников А.Г. Кузнечно-штамповочное оборудование. Киев: Вища школа, 1985. 280 с.
3. Зимин А.И. Машины и автоматы кузнечно-штамповочного производства. Ч. 1: Молоты. М.: Машгиз, 1953. 460 с.
398
Глава 6.2. ПРИВОДНЫЕ ПНЕВМАТИЧЕСКИЕ МОЛОТЫ
Глава 6.2
ПРИВОДНЫЕ ПНЕВМАТИЧЕСКИЕ МОЛОТЫ
Приводные пневматические молоты предназначены для выполнения различных кузнечных работ методом свободной ковки в плоских и фасонных бойках - осадка, прошивка, протяжка, рубка, кузнечная сварка, гибка и др. Масса подвижных частей таких молотов не превышает 1000 кг.
Молоты работают за счет разряжения и сжатия воздуха, который находится между компрессорным и рабочим поршнями.
Различают пневматические молоты одностороннего действия и двустороннего действия (рис. 6.2.1,6.2.2).
В молотах одностороннего действия переменное давление имеет место только сверху поршня рабочего цилиндра (рис. 6.2.1). В молотах двухстороннего действия переменное давление реализуется как сверху, так и снизу поршня (рис. 6.2.2). В последнее время в основном производят молоты двухстороннего действия. Конструкция молота приведена на рис. 6.2.2.
Станина молотов - разъемная, коробчатой формы, литая из чугуна. В основании станины выполнено отверстие для установки шабота. В верхней части станины размещены два вертикальных цилиндра - рабочий и компрессорный, которые соединены между собой каналами с кранами управления.
Рис. 6.2.1. Принципиальная схема пневматического молота одностороннего действия:
1 - бандаж; 2 - поршень рабочего цилиндра; 3 - каналы; 4 - поршень компрессора;
5 - механизм привода; 6 - предохранительный клапан; 7 - отверстия для соединения с атмосферой
ПАРОВОЗДУШНЫЕ МОЛОТЫ
399
Редуктор привода молотов двухступенчатый. Возвратно-поступательное движение поршню компрессора сообщается кривошипно-шатунным механизмом, приводимым от электродвигателя через клиноременную и зубчатую передачи.
Подвижные части молота (поршень и шток) выполнены в виде цельнокованой детали. Для предотвращения ударов подвижных частей о верхнюю крышку рабочего цилиндра в конструкции предусмотрено буферное устройство (на рис. не показано). Шабот молота -цельный, литой из чугуна (иногда из стали).
Режим работы молотов: холостой ход, держание ударных частей на весу, автоматические удары, прижим поковки.
При работе молота энергия, потребляемая электродвигателем, преобразуется в индикаторную работу воздуха в цилиндре компрессора, индикаторную работу воздуха в рабочем цилиндре и эффективную энергию удара.
Методика расчета приводных пневматических молотов изложена в работах [1, 2, 3], моделирование рабочих процессов - в [4].
В табл. 6.2.1 приведены основные параметры выпускаемых приводных пневматических молотов.
6.2.1. Технические характеристики приводных пневматических молотов
Параметр Модель
М4134 М415А
Энергия удара, кДж 5,6 9,5
Номинальная масса па- 250 400
дающих частей, кг Число ударов бойка, мин-1 150 130
Наибольший ход бабы, мм — 700
Расстояние от оси бабы до 420 520
станины, мм Высота рабочей зоны в 450 530
свету, мм Размеры зеркала верхнего 210x80 265x100
бойка, мм Расстояние от зеркала 750 750
нижнего бойка до уровня пола, мм Электродвигатель: тип АО2-71-4 АО73-4
мощность, кВт 22 28
число оборотов, мин-1 1500 1460
Продолжение табл. 6.2.1
Параметр Модель
М4134 М415А
Габаритные размеры, мм: в плане 2165x1180 3105x1270
высота над уровнем пола 2400 2720
Масса молота без шабота, т 5,05 8,7
Масса шабота, т 2,8 4,8
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Банкетов А.Н., Бочаров Ю.А. и др. Кузнечно-штамповочное оборудование. М.: Машиностроение, 1982. 574 с.
2. Живов Л.И., Овчинников А.Г. Кузнечно-штамповочное оборудование. Киев: Вища школа, 1972. 280 с.
3. Зимин А.И. Машины и автоматы кузнечно-штамповочного производства. Ч. 1: Молоты. М.: Машгиз, 1953. 460 с.
Глава 6.3
ПАРОВОЗДУШНЫЕ МОЛОТЫ
Классификация. По технологическому назначению паровоздушные молоты классифицируют: на ковочные (для свободной ковки), штамповочные (для объемной штамповки), листоштамповочные (для штамповки из листовой заготовки), выколоточные (для локальной формовки листовой заготовки по шаблону серией ударов).
Паровоздушные молоты по конструкции станин подразделяют: на вертикальные и горизонтальные, одностоечные, двухстоечные, арочные и мостовые, а по схеме соударения рабочих масс на молоты: с неподвижным шаботом (шаботные), с нижним ударом (движением рабочей массы вниз) и с верхним ударом (с движением вверх); с подвижным шаботом (с встречным движением разных по величине ударных масс) и бесшаботные (с встречным движением одинаковых масс). Наибольшее распространение в промышленности получили шаботные паровоздушные штамповочные молоты с нижним ударом и с вертикальной двухстоечной станиной.
Конструкции паровоздушных молотов. Ковочные молоты для свободной ковки изго
400
Глава 6.3. ПАРОВОЗДУШНЫЕ МОЛОТЫ
тавливают одностоечными и двухстоечными. Масса ударных частей одностоечных молотов не превышает 10 000 кг. Бабу молота направляет толстый шток с продольными лысками, которые скользят по плоским направляющим планкам. Реже направляющие для бабы выполняют выносными. Максимальный ход бабы 900 мм.
Внутренний диаметр цилиндра 370 мм (для молота с массой ударных частей 10 000 кг).
Двухстоечные молоты предназначены для производства поковок методом свободной ковки. Изготавливают молоты арочного (рис. 6.3.1, табл. 6.3.1) и мостового типов (рис. 6.3.2, табл. 6.3.2).
Рис. 63.1. Паровоздушный ковочный молот двойного действия арочного типа с энергией удара 25 кДж
6.3.1. Основные технические характеристики ковочных молотов арочного типа
Параметр Модель 1 Параметр Модель
М1340 М1343 М1345 | М1340 М1343 М1345
Энергия удара, кДж 0,25 0,50 0,80 [Расстояние от зеркала нижнего штампа до уровня пола, мм 750 750 750
Номинальная масса ударных частей, кг 1000 2000 3150 [Давление пара, МПа: впуск выхлоп 0,7...0,9 0,7...0,9 0,7...0,9
0,02... 0,05
Наибольшее число ударов бойка в минуту 63 50 50 Давление воздуха, МПа: впуск выхлоп 0,6...0,8 0,6...0,8 0,6...0,8
0,02... 0,05
ПАРОВОЗДУШНЫЕ МОЛОТЫ
401
Продолжение табл. 6.3.1
Параметр Модель Параметр Модель
М1340 М1343 М1345 М1340 М1343 М1345
Наибольший ход бабы, мм 1200 1200 1250 Габаритные размеры, мм: в плане высота над уровнем пола 3910x1400 5145 4900x1930 5350 5100x2490 5895
Расстояние между направляющими в свету, мм 1800 2300 2700 Масса молота без шабота, кг 12 900 20 000 27 380
Высота рабочей зоны в свету, мм 450 530 630 Масса шабота, кг 15 000 30 000 47 250
Размеры зеркала бойка, мм 410x230 530x290 600x330
Рис. 63.2. Молот ковочный паровоздушный мостового типа с энергией удара 80 кДж
402
Глава 6.3. ПАРОВОЗДУШНЫЕ МОЛОТЫ
6.3.2. Основные технические характеристики ковочных молотов мостового типа
Параметр Модель
Ml 545 19КП
Энергия удара, кДж 80 180
Номинальная масса ударных частей, кг 3150 7250
Наибольшее число ударов бойка в минуту 50 0
Наибольший ход бабы, мм 1250 1900
Расстояние между колоннами моста в свету, мм 4000 4500
Высота рабочей зоны в свету, мм 630 850
Размеры зеркала бойка, мм 630x630 600x400
Расстояние от зеркала нижнего бойка до уровня пола, мм 750 750
Давление пара перед впуском, МПа 0,7...0,9 0,5...0,6
Давление воздуха перед впуском, МПа 0,6...0,8 0,5...0,6
Габаритные размеры, мм: в плане высота над уровнем пола 6850x2750 5900 7200x3200 8363
Масса молота без шабота, кг 35 100 77 870
Масса шабота, кг 47 250 166 475
Для управления молотами применяют золотниковые устройства. Золотник - цилиндрическое полое тело со впадиной в средней части (рис. 6.3.3). С помощью тяги он перемещается во втулке, имеющей три ряда окон. В средний ряд окон поступает свежий пар (воздух под давлением). Каналы А и С сообщаются соответственно с нижней и верхней частями рабочего цилиндра. Зазор между втулкой и золотником выполняется из расчета 0,1 мм на 100 мм диаметра золотника с последующей притиркой. Если впадина золотника сообщает
кольцевые каналы А и В между собой (рис. 6.3.3, а), то происходит впуск пара в нижнюю часть рабочего цилиндра, а из верхней части цилиндра выпускается отработавший пар (канал Д), при этом совершается подъем подвижных частей молота. При перемещении золотника вверх происходит отсечка пара в нижней части цилиндра (перекрыты окна каналов А и С). Впуск нижнего и выпуск верхнего пара прекращается. В нижней части цилиндра пар расширяется, а в верхней сжимается.
“)
Рис. 63.3. Цилиндрический золотник паровоздушных ковочных молотов
б)
ПАРОВОЗДУШНЫЕ МОЛОТЫ
403
При дальнейшем перемещении золотника открывается канал А на выпуск и сообщаются между собой каналы В и С (рис. 6.3.3, б). Осуществляется впуск свежего пара в верхнюю часть цилиндра и выпуск из нижней. Начинается движение ударных частей молота вниз.
При автоматическом управлении молотом перемещение золотника производится по
средством системы рычагов, связанных с бабой (рис. 6.3.4).
По первому варианту (6.3.4, а) баба молота, перемещаясь вверх, поворачивает закрепленный во втулке 6 рычаг 2 вокруг точки 3. Конец рычага 2, проходящий через втулку 4, опускается и тянет за собой тягу 7. Золотник поднимается. Рычаг 5 служит для ручного управления.
Рис. 63.4. Варианты управления паровоздушным ковочным молотом: а, б, в - соответственно первый, второй и третий варианты
Аналогично осуществляется управление золотником по второму и третьему вариантам. Парораспределительный механизм со смешан-
63.5. Схема смешанного управления паровоздушным молотом
ным управлением (рис. 6.3.5) позволяет управлять молотом по принципу как автоматического, так и ручного управления.
При автоматическом управлении в процессе работы молота саблеобразный рычаг ("сабля") 1 скользит по скосу бабы, поворачивается вокруг точки 2 и, воздействуя на тягу 5 плечом 4 с пружиной 6, перемещает золотник. В процессе автоматического управления энергию удара можно изменять поворотом рукоятки 3. При этом изменяется положение точки 2 подвеса "сабли". При поднятой рукоятке 3 получаются автоматические удары с максимально возможной энергией.
Ручное управление осуществляется от рукоятки 7, при нажатии на которую золотник поднимается, а саблеобразный рычаг отводится от бабы.
Штамповочные молоты предназначены для изготовления поковок методом горячей штамповки в открытых штампах. Основные параметры штамповочных молотов приведены в табл. 6.3.3. Общий вид и схема конструкции молота показаны на рис 6.3.6.
Рис. 63.6. Паровоздушный штамповочный молот:
а - общий вид; б - детали рабочих частей; в - рабочий цилиндр; г - станина; 1 - стойки станины; 2 - рабочий цилиндр; 3 - ударная масса (баба); 4 - шабот; 5 - клин; 6 - шток; 7 - поршень; 8 - поршневые кольца; 9 - втулка; 10 - прокладка; 11 - шпонка; 12 - штамп; 13 - буфер; 14 - втулка;
15- золотник; 16 - дроссель; 17 - выпускная труба; 18 - сальник; 19 - впускная труба; 20 - винт крепления стойки; 21 - клин; 22 - подштамповый блок;
23 - пружина; 24 - регулировочный клин; 25 - направляющая; 26 - левая стойка станины; 27 - подцилиндровая плита; 28- регулировочный винт;
29 — регулировочная гайка; 30 — правая стойка станины
404 Глава 6.3. ПАРОВОЗДУШНЫЕ МОЛОТЫ
Глава 6.3. ПАРОВОЗДУШНЫЕ МОЛОТЫ
405
6.3.3. Основные технические характеристики молотов штамповочных паровоздушных двойного действия
Параметр Модель
М210 М211 М212 М213
Энергия удара, кДж 15,50 25,00 50,00 80,00
Масса ударных частей, кг 630 1000 2000 3150
Наибольшее число ударов бойка в минуту 85 80 70 60
Набольший ход бабы, мм 1000 1200 1200 1250
Расстояние между направляющими в свету, мм 400 500 600 710
Наименьшая высота штампов без хвостовиков (верхнего и нижнего), мм 180 220 260 350
Размеры бабы (спереди назад), мм 380 450 670 800
Размеры штамподержателя (спереди назад), мм 600 660 900 1000
Расстояние от зеркала нижнего штампа до уровня пола, мм 840 840 840 840
Давление пара (воздуха), МПа: впуск выхлоп 0,6...0,8 0,02...0,05 0,6...0,8 0,02...0,05 0,6...0,8 0,02...0,05 0,6...0,8 0,02...0,05
Габаритные размеры, мм: в плане высота над уровнем пола 2000x1280 4380 2380x1390 5085 2960x1660 5310 3400x1900 5780
Масса молота без шабота, кг 7360 10 540 18310 25 790
Масса шабота, кг 12 600 20 000 40 000 63 000
Станина молотов - разъемная, состоит из двух стальных литых стоек двутаврового сечения, сверху стянутых подштамповой плитой. Стойки устанавливаются на шаботе и крепятся шпильками с амортизационными пружинами и клиньями. В стойках вмонтированы регулируемые направляющие.
Рабочий цилиндр, отлитый заодно с золотниковой коробкой, установлен на подцилиндровой плите. Внутри цилиндра под действием пара (воздуха) перемещается поршень.
Над рабочим цилиндром установлен паровоздушный предохранительный цилиндр с плунжером, предупреждающим жесткие удары поршня о крышку.
Ударные части молотов - баба, шток, поршень, верхняя половина штампа и клин. Баба - кованая из высококачественной стали. В нижний части имеется паз для крепления верхней половины штампа. Соединение штока
и бабы конусное, с помощью разъемной втулки и латунной или медной прокладки.
Шабот молотов представляет собой цельную стальную отливку. К нему клином крепится штамподержатель.
Управление молотами - педальное с автоматической отсечкой энергоносителя. Режимы работы молотов: качание, единичные удары, автоматические удары.
Парораспределительный механизм штамповочных молотов показан на рис. 6.3.7. Кинематическая связь между распределительным золотником и бабой осуществляется посредством "сабли" А. Золотник при работе совершает два движения: от бабы и педали.
Величина перемещения золотника при заданном перемещении бабы зависит от профиля рычага, угла а и длины рычагов а, в, с. Отношение хода золотника к ходу бабы остается постоянной на всем ходе бабы.
406
Глава 6.4. ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ И ГАЗОГИДРАВЛИЧЕСКИЕ МОЛОТЫ
Рис. 63.7. Парораспределительный механизм штамповочных молотов
Расчет паровоздушных молотов. Тео* рия и методики расчета паровоздушных молотов подробно изложены в работах [10,13,1,8,9].
Список литературы
1. Банкетов А.Н., Бочаров Ю.А. и др. Кузцечно-штамповочное оборудование. М.: Машиностроение, 1982. 574 с.
2. Бочаров Ю.А., Бабин Н.Б., Юданов Е.А. Особенности термодинамического расчета паровоздушного штамповочного молота с программным управлением // Известия вузов. Машиностроение. 1985. № 2. С. 116-118.
3. Бочаров Ю.А. Перспективы усовершенствования кузнечных машин ударного действия И Кузнечно-штамповочное производство. 1970. № 11.
4. Бочаров Ю.А., Бочаров А.А., Недолов Т.Я. и др. Штамповочные машины ударного действия. НИИМАШ, 1971. 82 с.
5. Бочаров Ю.А. Перспективы совершенствования кузнечно-штамповочных машин ударного действия // Кузнечно-штамповочное производство. 1981. № 8. С. 36 - 38.
6. Власов О.Г. Научные основы и методы расчета механической системы молота по технологическим нагрузкам при штамповке:
Дис. ... д-ра техн. наук. Ижевск - М.: МВТУ им. Н.Э. Баумана, 1980. 478 с.
7. Живов Л.И., Овчинников А.Г. Кузнечно-штамповочнее оборудование. Киев: Вища школа, 1972. 280 с.
8. Залесский В.М. Оборудование кузнечно-прессовых цехов. М.: Высшая школа, 1973.630 с.
9. Зимин А.И. Машины и автоматы кузнечно-штамповочного производства. Ч. 1: Молоты. М.: Машгиз, 1953. 460 с.
10. Кирдеев Ю.П. Корнилова А.В. Выбор диаметра штока молота И Кузнечноштамповочное производство. 1996. № 7. С. 28 - 29.
11. Кузнечно-прессовые машины: Каталог-справочник. Т. 4 / Под ред. Н.Т. Деор-диева. М., 1967. 244 с.
12. Марков П.П. Клапанное воздухо-распределение и новый рабочий процесс в цилиндре пневматического молота // Оборудование и процессы обработки давлением: М-лы Всероссийской юбилейной конференции "100 лет со дня рождения проф. А.И. Зимина". М., 1995.
13. Щеглов В.Ф. Совершенствование кузнечных машин ударного действия. М.: Машгиз, 1960. 160 с.
Глава 6.4
ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ И ГАЗОГИДРАВЛИЧЕСКИЕ МОЛОТЫ
Классификация штамповочных молотов. Гидравлическими называются штамповочные молоты (табл. 6.4.1), в приводе которых входная электрическая энергия преобразуется в энергию рабочей жидкости, используемую для разгона ударных частей и развития кинетической энергии или для преодоления сил тяжести, сжатия газа, жидкости и других сред.
В газогидравлических молотах для разгона ударных частей и развития кинетической энергии используется энергия сжатого газа, а энергия жидкости - для преодоления сил тяжести и сжатия газа [11].
Морфологическая (типологическая) классификация конструктивных схем и конструкций приведена в табл. 6.4.2 [8, 11].
Конструктивные схемы и конструкции. В гидравлических и газогидравлических штамповочных молотах (ГШМ) двойного действия предпочтительно применение газогцд-
ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ И ГАЗОГИДРАВЛИЧЕСКИЕ МОЛОТЫ
407
равлического (гидропневматического) рабочего цилиндра с подсоединенным к нему ресивером, заполненным сжатым газом (азотом или воздухом), насосно-аккумуляторного гидропривода с аккумулятором, способствующим снижению установочной мощности и равно-
мерной нагрузке насосного агрегата [7]. ГШМ двойного действия можно создавать путем модернизации широко используемых в кузнечно-штамповочном производстве, но малоэкономичных паровоздушных штамповочных и ковочных молотов [31].
6.4.1. Классификация штамповочных молотов
Конструктивные признаки
Тип штамповочного молота Тип привода Цилиндр привода Количество цилиндров
Насосный Насосно-аккумуляторный Гидравлический Газогидравлический 1 2
Гидравлический с неподвижным перед ударом шаботом 0 + + + 0
с подвижным перед ударом шаботом 0 + + +
Газогидравлический с неподвижным перед ударом шаботом + + + + 0
с подвижным перед ударом шаботом + + + +
Обозначения: *+" - признак имеется в конструкциях молотов; 0 - конструктивный признак нецелесообразен; - конструктивный признак невозможен.
6.4.2. Морфологическая классификация молотов
Смысловой делитель Свойства
Технологическое назначение -штамповка Скорость деформирования, м/с Соотношение скоростей перемещения нижней и верхней подвижных частей (v2/vi) Угол между векторами скорости и силы тяжести подвижных частей (vaG) Связь подвижных частей Объемная Низкая (0,002...0,3) Молот с неподвижным шаботом (v2/vi = 0) Вертикальный молот ( v|| G ) Гидравлическая замкнутая Калибровка и холодная правка Средняя (0,6...8) Молот с подвижным шаботом (v2/vi < 1) Наклонный молот (vaG) Гидравлическая разомкнутая Листовая Высокая (>8) Бесшабот-ный молот (v2/vi = 1) Горизонтальный молот (v±G) Гидравлическая регулируемая Одноручьевая Комбинированный молот (v||g и v±G) Механическая Многоручьевая Одноударная Многоударная
408
Глава 6.4. ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ И ГАЗОГИДРАВЛИЧЕСКИЕ МОЛОТЫ
Продолжение табл. 6.4.2
Смысловой делитель Свойства
Энергоноситель при разгоне Способ регулирования энергии удара Управление Поле земного тяготения Изменение величины хода Гидравлическое клапанное Сжатый газ Изменение параметров энергоносителя Гидравлическое золотниковое Жидкость при статическом давлении Дросселирование энергоносителя Гидромеханическое Гидравлический импульс Изменение величины гидравлического импульса Электро-гидравлическое Программное
Тип гидропривода Расположение гидроагрегата Насосный безак-кумуляторный постоянной подачи Верхнее Насосный безаккумуля-торный регулируемой подачи Нижнее Насосномаховичный На молоте Насосноаккумуляторный Вне молота Индивидуальный Групповой
Узлы гидропривода Рабочая жидкость Насосный агрегат Минеральное масло Аккумулятор Синтетическая жидкость Рабочий цилиндр Водная эмульсия Аппаратура очистительная Вода Аппаратура регулирующая Аппаратура распределительная
Конструктивные Станина Направляю- Ударная Выталки- Аморти- Узел Фунда-
узлы и детали молота щие масса ватели заторы смазки ментный блок
Обобщенные принципиальные схемы (рис. 6.4.1 и 6.4.2) составлены на основе анализа отечественных и зарубежных образцов конструкций газо гидравлических и гидравлических штамповочных молотов и их гидропри-
вода [И]. На станине 14 закреплены рабочий цилиндр 4 с поршнем 3 и штоком 5. Тонкий шток 5 соединен с ударной массой 12 с помощью амортизатора 13. Поршневая полость 2 цилиндра 4 постоянно сообщена с газовым
Рис. 6.4.1. Принципиальная схема газогидравлического молота
ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ И ГАЗОГИДРАВЛИЧЕСКИЕ МОЛОТЫ
409
Рис. 6.4.2. Принципиальная схема гидравлического молота
ресивером, а штоковая полость 6 может соединяться с насосным агрегатом 17 посредством управляемого напорного клапана 19, а со сливным баком - с помощью управляемого сливного клапана и через обратный клапан 7, регулируемый дроссель 8 и распределитель 10, управляемый электромагнитом ЭЗ. К насосному агрегату /7 подсоединен гидропневматический аккумулятор 18. Для уменьшения длительности контакта штампа с горячей поковкой и снижения амплитуды колебаний давления жидкости при работе молота штоковая полость 6 соединена с гидромеханическим компенсатором 20.
Шабот 75 выполняется отдельным, подвижным относительно станины 14, или целиком со станиной, подвижной относительно основания молота.
Управление молотом осуществляется с помощью распределителей 11 и 16, перемещаемых электромагнитами Э1 и Э2, которые получают сигналы от педали и конечных выключателей ВК1 и ВК2, взаимодействующих с бабой молота. Применяется также числовое (компьютерное) программное управление (ЧПУ) [4,13- 16].
В исходном верхнем положении ударной массы ВК1 включен, ВК2 выключен, электромагниты Э1 и Э2 обесточены, клапаны 9 и 19 закрыты. Насос нагнетает жидкость в аккумулятор 18. При включении Э1 перемещается распределитель 77, и жидкость под давлением поступает в управляющую полость сливного клапана 9, открывая его и сообщая штоковую полость 6 со сливным баком (рис. 6.4.1). Давление в штоковой полости падает до уровня,
близкого к давлению в сливном баке и под действием силы тяжести и давления газа на поршень рабочего цилиндра рабочие части молота разгоняются вниз, вытесняя жидкость из штоковой полости 6 в сливной бак. В начале хода вниз выключается, а в конце включается ВК2; Э1 обесточивается, распределитель 77 соединяет управляющую полость сливного клапана 9 с баком. Сливной клапан 9 закрывается. Закрытие клапана 9 происходит до начала или в процессе деформирования поковки, и жидкость из штоковой полости 6 вытесняется в полость гидромеханического компенсатора 20, так что после окончания деформирования поковки жидкость, поступающая в штоковую полость 6 из компенсатора 20 способствует быстрому отскоку ударной массы вверх и уменьшению длительности контакта верхней части штампа с поковкой. Вслед за выключением Э1 включается Э2. Распределитель 16 перемещается и обеспечивает подачу жидкости в управляющую полость напорного клапана 79, открывая его. Жидкость из аккумулятора 18 и от насосного агрегата 77 поступает в штоковую полость 6, поднимая рабочие части вверх.
При ходе вверх Э2 обесточивается, распределитель 16 возвращается в исходное положение соединяет управляющую полость клапана 79 со сливом, клапан 19 закрывается. Далее ударные части движутся вверх за счет накопленной ими кинетической энергии. При этом жидкость в штоковую полость 6 поступает из сливного бака через обратный клапан 7. Этот клапан позволяет также использовать
410
Глава 6.4. ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ И ГАЗОГИДРАВЛИЧЕСКИЕ МОЛОТЫ
энергию отскока ударной массы при правке и калибровке поковок и других операциях штамповки, при которых отскок при ударе значителен.
При наладочном режиме работы ход вверх совершается при включении ЭЗ кнопкой. Скорость хода вниз регулируется с помощью дросселя 8. Во время технологических пауз и хода рабочих частей вниз насос подает жидкость в аккумулятор 18.
Максимальная энергия ударов может быть задана установкой конечного выключателя ВК1 на определенной высоте. В пределах заданной величины энергию ударов можно изменять в процессе работы, изменяя высоту падения ударной массы нажатием на педаль управления.
В конструкции ГШМ типа КРН (Чехия) с неподвижной перед ударом станиной (табл. 6.4.3), привод молота - насосный безак-кумуляторный, гидроагрегат расположен в верхней части молота.
В конструкции ГШМ типа KJH (Чехия) применена подвижная перед ударом станина (рис. 6.4.3, табл. 6.4.4). Рядом с молотом, установленным на бетонный пол цеха, монтируется гидроагрегат, состоящий из: электродвигателя, насоса, гидравлического распределителя и воздушного охладителя масла. Управление молотом - электрогидравлическое от педали или кнопки.
В U-образной станине 3 помещена ударная масса 4, приводимая в движение поршнем и штоком. Станина установлена на плунжерах 1 подъемных цилиндров 2, полости которых соединены со штоковой полостью рабочего цилиндра 5 гидролинией 7, в которой установлены сливной 8 и обратный 9 клапаны. Полости подъемных цилиндров 2 подсоединены
гидролинией 75 к всасывающей гидролинии насоса 12 в точке между обратным клапаном 14 и насосом 12. При подаче жидкости от насоса 12 в штоковую полость цилиндра 5 ударная масса 4 движется вверх и, достигнув верхнего положения, управляющим воздействием открывает разгрузочный клапан 77; при этом насос 72 по гидролинии 10 перекачивает жидкость в бак 13. Рабочий ход ударной массы совершается при открытии сливного клапана 8, через который жидкость под действием ударной массы 4 и давления газа на поршень 6 вытесняется из рабочего цилиндра 5 по гидролинии 7 в подъемные цилиндры 2. Под действием давления газа на крышку цилиндра 5 и давления жидкости на плунжеры 7 станина 3 перемещается навстречу ударной массе 4. Площади плунжеров 7 подъемных цилиндров 2 подобраны таким образом, чтобы скорости движения станины 3 и ударной массы 4 были обратно пропорциональны их массам. При равенстве количеств движения соударяющихся масс ударное воздействие на основании отсутствует. Энергия отражения соударяющихся деталей экономично используется в начале возвратного хода, когда жидкость из цилиндров 2 вытесняется через обратный клапан 9 в штоковую полость рабочего цилиндра 5. После удара сливной 8 и разгрузочный 77 клапаны автоматически закрываются и происходит возвратный ход.
Фирма Lasco (ФРГ) с 1952 г. выпускает гидравлический привод в виде отдельного агрегата, предназначенный для замены фрикционного с доской паровоздушного привода штамповочных молотов модернизируемых конструкций, а также гидравлические молоты новых конструкций с неподвижным шаботом. Гидравлический привод (рис. 6.4.4, а) - насос-
6.4.3. Параметры молотов типа КРН
Тип молота Энергия удара, кДж Максимальный ход ударной массы, мм Число рабочих ходов в минуту Мощность электродвигателя, кВт Расстояние между направляющими, мм Рабочее давление жидкости, МПа Высота молота над уровнем пола, мм Размеры рабочей поверхности ударной массы, мм Масса, кг
ударной массы шабота молота с шаботом
КРН-500 9 700 25 10 400 16 3800 400x360 500 10 000 13 000
КРН-800 16 800 22 17 500 16 4000 500x400 800 16 000 20 000
КРН-1250 28 900 20 35 560 16 4500 560x480 1250 25 000 32 000
КРН-2000 50 1000 15 40 710 16 5000 710x600 2000 40 000 53 000
ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ И ГАЗОГИДРАВЛИЧЕСКИЕ МОЛОТЫ
411
Рис. 6.43. Принципиальная схема ГШМ типа KJH
ный безаккумуляторный. Бак 3, на котором расположены узлы гидропривода, упруго закрепляется на станине молота. Внутри бака 3
установлен корпус 2 с цилиндром 8 и направляющим устройством 5 для штока 4. В приливах корпуса 2 размещены насос 7, сливной клапан 7 и обратный клапан 6, соединенные внутренними каналами, благодаря чему повышена надежность гидропривода и уменьшены потери энергии. Насос постоянной подачи имеет КПД около 0,9 и рассчитан на длительную эксплуатацию без обслуживания.
Посадочные поверхности золотников и клапанов закалены и отхромированы. Жидкость постоянно очищается фильтром, причем степень его загрязненности контролируется. Автоматический термостат обеспечивает постоянную оптимальную температуру масла, увеличивая этим срок службы гидропривода и рабочей жидкости. При применении соответствующих уплотнений конструкция гидропривода позволяет использовать огнестойкие синтетические жидкости.
6.4.4. Параметры молотов типа KJH
Тип молота Максимальная энергия удара, кДж Ход ударной массы, мм Число ударов в минуту Ход станины, мм Суммарная потребляемая мощность, кВт Масса, кг
молота общая с гидроприводом
KJH-2 20 400 40... 120 25 22 10 000 12 000
KJH-4 40 500 40... 100 32 45 27 000 29 000
K.JH-8 80 600 40... 80 40 90 40 000 44 000
а)
Рис. 6.4.4. Конструктивная схема гидропривода ГШМ:
a- Lasco типа КН; б -МВТУ-1: / - гидроцилиндр; 2 - ресивер; 3 - демпфер; 4 - насосно-аккумуляторный привод; 5 - блок управления; б - пульт управления (или педаль управления); 7 - датчик
412
Глава 6.4. ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ И ГАЗОГИДРАВЛИЧЕСКИЕ МОЛОТЫ
При разгоне энергия ударной массы возрастает за счет расширения газа в полости цилиндра над поршнем. Система управления гидроприводом обеспечивает возвратный ход ударной массы сразу же после окончания деформирования. Шток выполнен тонким и имеет небольшую массу. Действующие на него при ударе и подъеме силы демпфируются амортизатором, расположенным в полости ударной массы. Поршень с поршневыми кольцами закреплен на верхнем конце штока. Удлиненные направляющие втулки штока сконструированы так, что установленные в них уплотнения легко заменимы. Шток может быть заменен без спуска масла из гидросистемы.
Для этого предусмотрен шарик, автоматически запирающий выходное отверстие и предотвращающий утечку жидкости.
Для получения экспериментальных данных о работе ГШМ в МВТУ им. Н.Э. Баумана на базе существующего штамповочного молота путем замены паровоздушного привода на гидравлический создан ГШМ двойного действия МВТУ-1 (рис. 6.4.4, б) со следующими основными характеристиками:
Номинальная масса рабочих частей, кг............................. 300
Максимальная энергия удара, кДж ... 6
Максимальная скорость ударной массы, м/с....................... 6
Наибольший ход ударной массы, м ... 0,6
Число ударов в минуту при наибольшем ходе ударной массы..... 60
Давление, МПа: газа......................... 4
жидкости................... 8.
Рабочие части перед ударом разгоняются с помощью сжатого в ресивере газа (азота, воздуха), а ход вверх и сжатие газа в ресивере с помощью жидкости (минеральное масло v = 15...20 сСт). Примененный насосно-аккумуляторный гидропривод позволяет снижать установочную мощность и выбирать ее в зависимости от технологического назначения и режима работы молота. В системе управления молотом предусмотрено управляющее воздействие для нанесения удара, а при необходимости и для остановки ударной массы молота в любой момент хода вверх. Возвратный ход ударной массы после удара - автоматический. Эксперименты показали, что гидромеханический КПД рабочего цилиндра для этапа разгона составляет 85 %; время срабатывания блока
управления 0,02...0,03 с; максимальное давление жидкости, возникающее в штоковой полости, в 1,4 раза выше давления в гидроаккумуляторе. За время удара тонкий шток совершает в амортизаторе два колебания с максимальной амплитудой 5 мм и периодом 0,01...0,02 с. При скорости соударения 5 м/с максимальные знакопеременные напряжения в штоке достигают 100 МПа при ударе с пластической деформацией поковки 2,3 мм.
Для типового ряда молотов КН, у которых повышение числа ударов в минуту (табл. 6.4.5) по сравнению с паровоздушным молотами достигается за счет уменьшения величины полного хода, применяют электро-гидравлическое управление, обеспечивающее два различных уровня энергии ударов, наносимых в любой последовательности. Тяжелая высокая ударная масса, которую стало возможно применить вследствие короткого хода, повысила точность направления. Ударная масса имеет длинные и широкие направляющие, расположенные под углом 40° к фронтальной плоскости молота. Стальные направляющие планки закалены, отшлифованы и закреплены в стойках без крепежных винтов. Автоматическая смазка уменьшает износ направляющих, а зазор легко регулируется и при нагреве ударной массы остается почти постоянным. В штамподержателе можно установить гидравлический выталкиватель, что позволяет выполнять на молотах штамповку в закрытых штампах.
Необходимость повышения производительности молотов, обусловленная требованием промышленности, привела к созданию молотов типа KGK (см. табл. 6.4.5) с возросшим на 20 % по сравнению с молотами КН числом ударов в минуту, уменьшенным ходом ударной массы и увеличенным давлением газа В молотах обоих типов применено электронное управление, которое при необходимости может быть переведено в программное, позволяющее выполнить шесть и более ударов с различной энергией. Программа отрабатывается автоматически при нажатии на педаль (при освобождении педали она прерывается) или кнопку управления. По программе может работать и гидравлический выталкиватель.
Фирма Eumuco (ФРГ) производит ГШМ типа HOG с неподвижным и типа GF с подвижным шаботом с энергией удара от 8 до 100 кДж.
ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ И ГАЗОГИДРАВЛИЧЕСКИЕ МОЛОТЫ
413
6.4.5. Параметры молотов типа КН и KGK
Тип ГШМ Энергия удара, кДж Ход ударной массы, мм Расстояние между направляющими, мм Мощность двигателей, кВт Масса, т Высота над полом, мм Общая высота молота, мм Максимальная сила выталкивания, кН Максимальный ход выталкивателя, мм Мощность двигателя, кВт
ударная шабота молота
КН-063 6,3 1000 420 15 0,63 8,0 19 4800 5100 125 100 7,5
КН-080 8 1000 420 15 0,8 9,5 21 4800 5250 125 100 7,5
КН-100 10 1000 450 15 1,0 11,7 27 5000 5600 125 100 7,5
КН-125 12,5 1000 500 22 1,25 14 30 5000 5700 125 100 7,5
КН-160 16 1000 550 22 1,6 17,5 34 5000 5850 125 100 7,5
КН-200 20 1100 625 27 1,8 21 43 5300 6150 125 100 7,5
КН-250 25 1100 700 40 2,3 27 55 5600 6570 250 200 15
КН-315 31,5 1100 700 40 2,9 34 64 5600 6820 250 200 15
КН-400 40 1200 750 50 3,35 43,5 78 6100 7350 250 200 15
КН-500 50 1200 750 60 4,2 54,7 88 6100 7650 250 200 15
КН-630 63 1300 825 75 4,85 7 НО 6300 8160 250 200 15
КН-8ОО 80 1300 900 ПО 61,5 88 130 6300 8160 250 200 15
КН-1ООО 100 1400 1000 2x60 7,2 105 170 7350 9030 250 200 15
KGK-1OO 10 700 450 20 0,8 П,7 28 4650 5250 125 100 7,5
KGK-125 12,5 700 500 27 1,0 14 30,5 4650 5350 125 100 7,5
KGK-160 16 700 550 27 1,3 17,5 35,5 4950 5800 125 100 7,5
KGK-2OO 20 700 625 40 1,6 21 44,5 5000 6000 125 100 7,5
KGK-25O 25 700 700 50 2,0 27 56 5300 6250 250 200 15
KGK-315 31,5 700 700 60 2,5 34 65 5300 6500 250 200 15
KGK-400 40 800 750 75 3,2 43,5 79 6000 7250 250 200 15
KGK-5OO 50 900 750 75 4,0 54,7 89 6000 7500 250 200 15
KGK-630 63 900 825 2x60 5,0 70 115 6000 8100 250 200 15
Гидравлическая схема молота типа HOG с неподвижным шаботом показана на рис. 6.4.5. Штоковая полость 1 под поршнем 2 свободно сообщена с заполненной жидкостью полостью 3, служащей гидроаккумулятором. Насос 77 постоянной подачи нагнетает жидкость в полость 3 по гидролинии 7 через обратный клапан 12. Гидролинией 73 насос соединен с баком 75 через разгрузочный клапан 14.
Полость 3 соединена с полостью 4 гидролинией 8 и управляющим клапаном и дополнительно через обратный клапан 5.
Управление молотом - электрогидравли-ческое, программное. Молот работает следующим образом. Насос 77 нагнетает жидкость в полость 3 при ходе ударной массы вверх и вниз, а при достижении в полости 3 заданного давления работает на слив. В верхнем положении ударной массы при заданном давлении в полости 3 срабатывает датчик давления б, клапан переключается, соединяя по
лости 3 и 4. Под давлением жидкости на верхнюю плоскость поршня и силы собственной тяжести ударная масса начинает двигаться
Рис. 6.4.5. Схема молота Eumuco типа HOG
414
Глава 6.4. ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ И ГАЗОГИДРАВЛИЧЕСКИЕ МОЛОТЫ
вниз. До тех пор пока скорость перемещения ударной массы не достигнет скорости, определяемой подачей насоса, давление жидкости в полости 3 будет возрастать, при дальнейшем же движении с нарастанием скорости оно уменьшится. Минимально необходимый объем полости 3, рассчитываемый по закону Гука для жидкости, должен быть таким, чтобы давление жидкости в нижнем положении ударной массы было достаточным для возвратного хода. При необходимости его корректируют с тем, чтобы период собственных колебаний колебательной системы, состоящей из ударной массы и жидкости в полости 3, превышал время двойного хода ударной массы
г=2я^> / V »
где/- суммарная площадь плоскостей поршня 2, находящихся под воздействием давления жидкости; W - объем жидкости в полости 3; т - ударная масса молота; ге - модуль объемной упругости рабочей жидкости.
Незадолго до окончания деформирования от датчика 77 срабатывает электрическая система, и клапан 9, переключаясь, разобщает полости 3 и 4. К этому моменту клапан 10 соединяет полость 4 с баком 75, и ударная масса начинает перемещаться вверх, при этом давление жидкости в полости 3 нарастает до тех пор, пока скорость ударной массы не будет соответствовать подаче насоса. В зависимости от заданной энергии следующего удара от датчиков 16 срабатывает электрическая система и клапан 10 закрывается. Дальше ударная масса движется по инерции, вытесняя жидкость из полости 4 через обратный клапан 5 в полость 3. Таким образом, энергия, накопленная ударной массой при ходе вверх, рекуперируется.
Схема молота типа GF с подвижным шаботом и насосно-аккумуляторным гидроприводом, подобным описанному выше, показана на рис. 6.4.6. В станине молота размещены подвижные ударные массы 2 и 3, соединенные штоками с поршнями рабочих цилиндров. Полости 5 и 6 соединены между собой и с акко-мулятором 7, который соединен через обратный клапан 8 с насосом постоянной подачи. В свою очередь, насос 9 через разгрузочный клапан 10 подключен к баку 77, а через двухпозиционный золотник 12 - к поршневой полости 4 верхнего рабочего цилиндра.
Рис. 6.4.6. Схема молота Eumuco типа GF
Фирма Massey (Англия) изготавливает ГШМ двойного действия "Hydrostamp" с неподвижным шаботом. Привод молота, насосно-аккумуляторный, с насосом постоянной подачи, обеспечивает 80... 100 уд./мин и КПД 0,9. В гидросистеме применена огнестойкая синтетическая рабочая жидкость. Тонкий шток выполнен из легированной стали, а поршень -из бронзы. Электрогидравлическое двухпедальное управление молотом обеспечивает легкие одиночные удары или удары с полной энергией при кратковременном нажатии и опускании первой или второй педали. Техническая характеристика молотов данного типа приведена в табл. 6.4.6.
Расчет основных параметров. Рабочий режим ГШМ характеризуется этапами времени технологического цикла. При штамповке поковок в течение нескольких последовательных ударов
я
/ц ~ ’ (6.4.1)
1
где /у - промежуток времени от нажатия педали (кнопки) управления до начала разгона рабочих частей вниз; i - номер удара; q - количество наносимых ударов; 7М/- длительность машинного цикла 7-го удара,
zm/ - hi + hi + hi + hi + hi + hi J (6-4-2)
/п - длительность технологической паузы.
Этапы машинного цикла ГШМ представлены в табл. 6.4.7.
ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ И ГАЗОГИДРАВЛИЧЕСКИЕ МОЛОТЫ
415
6.4.6. Параметры молотов фирмы Massey
Тип молота Энергия удара, кДж Энергия удара за 1 мин, кДж Число ударов в минуту Ход ударной массы, мм Мощность электродвигателя, кВт Расстояние между направляющими, мм Масса, кг
без шабота молота с шаботом
1,5 15 1229,98 80 762 30 447 15 240 30 480
2 20 1962,44 80 762 43 508 16 256 36 576
3 30 2459,96 80 762 52 559 17 272 47 752
4 40 3676,12 80 762 82 597 27 432 68 072
6 60 4917,16 80 762 104 635 30 480 91440
6.4.7. Этапы машинного цикла ГШМ "МВТУ-Г*
Номер этапа Наименование этапа цикла Обозначение Длительность этапа, с
1 Ход рабочих частей вниз Разгон h 0,20
2 Демпфирование t2 0,010
3 Деформирование заготовки (рабочий ход) h 0,002 0,008
4 Ход рабочих частей вверх Отскок U 0,007 0,02
Т” Разгон и/или установившееся движение is 0,50...0,55
~~6~ Торможение tb 0,06
Расчетная производительность молота, шт./мин.:
п = бо;//ц, (6.4.3)
где j - число поковок, штампуемых за один технологический цикл.
Силовой режим ГШМ характеризует динамические условия преобразования эффективной кинетической энергии в работу деформирования заготовки. Процесс удара состоит из двух этапов: нагрузочного и разгрузочного [20]. Наибольшие деформирующие силы возникают при штамповке поковок в окончательном ручье, когда работа деформирования поковки Ад мала, и могут появиться при штамповке в предварительных ручьях, если неправильно выбрана энергия ударов (Т3 » Ад). Максимальная сила при соударении рабочих частей молота (холодном ударе) при Ад = 0 и номинальной энергии удара Тн:
Рт=^кгсТя , (6.4.4)
где - коэффициент, учитывающий рассеяние энергии в процессе упругой деформации рабочих частей; с - коэффициент линейной жесткости системы молота.
Силовой режим ГШМ, как и других кузнечно-штамповочных машин, характеризуют зависимостью силы, возникающей в процессе деформирования поковки, от перемещения рабочих частей Р($д) или от времени P(t).
Если жесткость соударяющихся частей молота постоянна, то силовой режим зависит от типа и термомеханического режима выполняемых операций, степени соответствия назначенной кинетической энергии удара и энергии, требуемой для выполнения технологической операции, а также от опыта штамповщика. При использовании программного управления молотом влияние опыта штамповщика на силовой режим ГШМ исключается.
Диаграммы типовых технологических нагрузок для операций, выполняемых на молотах, приведены на рис. 6.4.7. Параметры диаграмм указаны в табл. 6.4.8.
Основные расчетные параметры ГШМ [11,13]:
Тн - эффективная кинетическая энергия (номинальная) при минимальной высоте штампов, величина которой назначается из ОСТ 2 КП12-1-87; т - номинальная масса рабочих частей; т§ - масса бабы (ударной массы) молота; М - масса шабота (цельной станины);
416
Глава 6.4. ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ И ГАЗОГИДРАВЛИЧЕСКИЕ МОЛОТЫ
6.4.8. Параметры диаграмм технологических нагрузок
Технологическая операция Параметр
Ро!?д>п 51/5д ф - (АД + Ay y/Pgjn 3Л
Рис. 6.4.7, а Осадка 0,4...0,6 0,7...0,8
Чеканка: - плоскостная 0,8...0,85 0,9
- рельефная 0 — — 0,5
Калибровка, правка 0,8...0,85 — — 0,9
Рис. 6.4.7, б Объемная штамповка - без элементов 0,05...0,08 0,12...0,2 0,9 0,15...0,8
выдавливания - с элементами 0,1 0,2... 0,25 0,7...0,75 0,75... 0,8
выдавливания Брикетирование 0 0,1...0,2 0,8 0,2
v0 - начальная скорость деформирования; sm - наибольший ход рабочих частей; п - число ударов в минуту с номинальной энергией; N3a - установочная мощность электродвигателя; Г|э у - эффективный КПД молотовой установки; QH, рн - подача и давление, развиваемые насосом; /?тах - максимальное давление жидкости в гидросистеме; Роь Рк1 “ начальное и конечное давление газа в ресивере рабочего цилиндра в верхнем и нижнем положениях рабочих частей; D\ - диаметр рабочего поршня; Fbi - объем газа в ресивере рабочего цилиндра в верхнем положении рабочих частей; КМ2 - маневровый объем гидрокомпенсатора; р03, ркз - начальное и конечное давление газа в гидропневматическом аккумуляторе
при верхнем и нижнем положениях поршня аккумулятора; Км3 - маневровый объем аккумулятора; Коз, ^кз - начальный и конечный объемы газа в ресивере аккумулятора при верхнем и нижнем положениях поршня.
Номинальная масса рабочих частей
т = т6+ ттр + тс = 2Т„ /v„ , (6.4.5)
где тИщт р = 0,1/и- расчетная масса верхней половины штампа [20]; тс = тш + тп = 0,02т -масса тонкого штока и поршня.
Зависимость силы деформирования Рд от времени на нагрузочном этапе 1Н (рис. 6.4.7, в)
Л ~ sm ’
а на разгрузочном этапе Zp
ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ И ГАЗОГИДРАВЛИЧЕСКИЕ МОЛОТЫ
417
^A=^COS^.
Работа, которую необходимо выполнить в процессе преодоления технологической нагрузки,
А = Лд+Лу = ф/’дд, 5д ,
где Ал - работа, затраченная на пластическое деформирование поковки; Ау - работа на упругую деформацию системы машина - штамп; 5Д- пластическая деформация поковки.
Учитывая тенденцию уменьшения начальной скорости деформирования в целях повышения долговечности деталей молота и снижения шума, рекомендуется v0 =5...6 м/с.
Масса бабы (ударной массы) тб = 0,88m.
Наибольшая масса рабочих частей с учетом увеличения массы верхней половины штампа до = 0,3m :
wmax = °>88w + 0,3m + 0,02m = 1,2m. (6.4.6)
Масса шабота
м = [к„ /(1 - к„ )]т, (6.4.7)
пе кт = Ml(m + М) (кт= 0,95...0,96длямо-логов с неподвижным шаботом, кт = 0,75... 0,8 для молотов с подвижным шаботом).
Величина хода рабочих частей. На основе отечественного и зарубежного опыта проектирования и эксплуатации штамповочных молотов рекомендуется наибольший ход бабы 5я = (0,7...1,4)м.
Большие значения относятся к более мощным молотам. Величина хода рабочих частей, при которой должна быть накоплена номинальная кинетическая энергия (рис. 6.4.8).
5н ~ sm ~ (^Лит.тах ~ ^Airr.min ) • (6.4.8)
Разность между максимальной и минимальной высотой штампов, м:
^шт.пих ~ ^Лит.пйп — (0,2...0,3)<Уж.
Ход разгона рабочих частей:
5p.max ~ sm ~ ^д.п.пйп ~ ®,9б5да ,
5p.min = 5р.н. =1Ун ” ^д.п.шах’
где 5ДП - величина хода деформирования рабочих частей, при котором жидкость вытесняется в гидрокомпенсатор:
Рис. 6.4.8. Схема параметров хода рабочих частей
15д.n.max ~ 0>45sm, $д п тц| — 0,09$т .
Вследствие значительного изменения хода разгона при ремонте штампов, следует предусмотреть регулировку энергии удара за счет изменения давления газа в ресивере рабочего цилиндра или изменения величины хода разгона.
Установочная мощность электродвигателя (кВт) уточняется по каталогу [3]:
Л'эд = Т’нЛЛэд**! /60Лэу • <6-4-9)
Т|эд - КПД электродвигателя; при проектировании на основе экспериментальных исследований рекомендуется Г|эд = 0,4...0,5; к = 1 -для универсальных молотов и для молотов, предназначенных для одноударной штамповки (для специализированных молотов к следует определять по диаграмме затрат энергии в течение технологического цикла); к\ - коэффициент, учитывающий переменную нагрузку электродвигателя в насосно-аккумуляторном приводе кузнечно-штамповочных машин ударного действия, к\ = 0,9.
14-819
Мощность насоса (кВт) подбирают по каталогу [18] исходя из расчетной величины установочной мощности и эффективного КПД (Пн):
^ну ~ ^эдПн ~ PhQh • (6.4.10)
Номинальное давление насоса (МПа) рекомендуется
рн=5...32.
Большие значения рн относятся к молотам большей мощности.
Подача насоса (м3/с)
Q,=N,.y/pe. (6.4.11)
Площадь рабочего поршня, на которую действует давление рабочей жидкости (из условия удержания рабочих частей в верхнем положении)
$2 -^Pq\s\ +6т)1к2Рн ’ (6.4.12)
где Gm - сила тяжести рабочих частей; к2 -коэффициент, учитывающий изменение давления жидкости, подаваемой от насосноаккумуляторной установки:
к2 = козЛ^оз + ^з)Г • (6-4.13)
Для кузнечно-штамповочных машин ударного действия с насосно-аккумуляторным приводом при Км3/К03 = 1/7... 1/5, к2 = = 0,85...0,75; с насосным безаккумуляторным приводом к2 = 1.
Учитывая, что работа расширения газа в поршневой полости рабочего цилиндра и силы тяжести рабочих частей при ходе вниз должна обеспечить накопление заданной кинетической энергии 1,05 Гн, начальная сила
pmSx = (l,05TH/np -G„sp.H)/aspH , (6.4.14) величина возвратной (штоковой) полости рабочего цилиндра
S2 =[1,05Аэ -np(l-a)]Gm/anpA2p„,
(6.4.15)
где Т|р - КПД хода разгона, Г|р = 0,85...0,95; к3 - коэффициент энергоемкости рабочих частей:
^=vo/2gip„;
a - коэффициент, учитывающий понижение давления газа в процессе расширения [6]:
(здесь eq = (0,8... 1) - опытный коэффициент, учитывающий отклонение действительной работы газа при расширении от расчетной); п - показатель адиабаты, п = 1,4 для воздуха, п = 1,56 для азота.
Площадь поперечного сечения штока определим приближенно:
‘S’m w ^2^зРн^2/а-1р ’ (6.4.16)
где к^ - опытный коэффициент, учитывающий повышение действующей на шток силы при рабочем ходе по сравнению с силой при разгоне, Л3 = 8... 10; (У_1р - предел выносливости для материала штока (40Х, 40ХН, 38ХМЮА и др.) при симметричном цикле нагружения "растяжение-сжатие".
Величину диаметра штока
Dm =^4Sm/n
следует принять в соответствии с размерами стандартных уплотнительных устройств и уточнить площадь штока.
Площадь рабочего поршня
«$1 ~ +^2 •
Величину диаметра поршня
A
следует принять в соответствии с размерами стандартных уплотнительных устройств и затем уточнить площадь поршня.
Начальное давление газа в ресивере рабочего цилиндра газогидравлического молота Р01 =(1»°57’н/Пр ~ ♦ (6.4.17)
Давление газа в ресивере в нижнем положении рабочих частей (давление запитки)
Pki ~ Pqi ki/(^oi + ^15р.н)]П • (6.4.18)
Величина маневрового объема жидкости в аккумуляторе зависит от технологического назначения молота и графика его загрузки по энергии и числу ударов. Минимальный маневровый объем универсального молота при наличии гидрокомпенсатора
К1з" = 2нПо('1 +'2 +'з + > (6.4.19)
ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ И ГАЗОГИДРАВЛИЧЕСКИЕ МОЛОТЫ
419
где Г]о - объемный КПД гидропривода, Т]о=0,8.. .0,9. Для специализированных молотов
’Т =йнЛо|2(/Ь +Z2, + t3i +'4/)-S'sl
(6.4.20)
Объем газа в аккумуляторе [6]
К03=(5...7)Гм3.
Начальное давление газа в аккумуляторе, заполненном жидкостью
РОЗ ““Л12ЛанРн 5
где Т|а н - КПД хода наполнения аккумулятора, Лан “ 0,98.
Давление начального заполнения аккумулятора газом (воздухом, азотом):
Ркз = Роз [V)з/(К)3 + ^мЗ)]” • (6.4.21)
Маневровый объем жидкости Км2 в гидрокомпенсаторе 0,045*2^ < ^м2 < $2sm •
Давление жидкости (МПа) в гидрокомпенсаторе р4 = (р03 4- 0,3).
Величины проходных сечений напорного и сливного клапанов, а также соединительных клапанов или трубопроводов назначаются исходя из скорости течения жидкости в них 7... 10 м/с.
Объем рабочей жидкости в баке равен двух-трехминутной подаче насоса. Мощность теплового потока, отводимого теплообменником Ny — (0,9 — Дэ.у)^эд •
На основе результатов расчета основных параметров следует разработать конструктивные варианты ГШМ, провести их сравнительную оценку с учетом конструктивных, технологических и эксплуатационных особенностей, выполнить технико-экономическое обоснование рекомендуемого для дальнейшей разработки варианта.
При проектировании элементов гидропривода должны выполняться требования, предъявляемые к сосудам, работающим под давлением [27].
Расчет параметров движения рабочих частей [31). Расчет позволяет также провести проверку соответствия ожидаемых основных параметров (Тн, v0, п, N3a ) и показателей (Т]эу) молота заданным, установить зависимости между параметрами, а также между параметрами и показателями.
Расчет параметров движения рабочих частей с достаточной для практики точностью можно вести, используя жесткую модель гидросистемы молота [7].
Обобщенная расчетная схема гидросистемы представлена на рис. 6.4.9. Влияние объема газа в ресивере и аккумуляторе на изменение давления в гидросистеме при движении рабочих частей учтено условными упругими элементами с коэффициентами жесткости к\ и
; жесткость пружины гидрокомпенсатора -^2. Влияние подачи насоса на изменение давления в гидросистеме во время хода рабочих частей вверх учтено возмущающей силой F(t), воздействующей на упругий элемент с жесткостью к3. Номера гидролиний соответствуют номерам этапов цикла (см. табл. 6.4.7), при которых гидро линия является рабочей. Уравнение движения рабочих частей при использовании "жесткой" модели гидросистемы:
m(dv/dt) = pxSx+ p2S2 + pa(St -S2)+
+G ± (k0 + kx + k2 ) - P3 - P6, (6.4.22) где - сила, действующая на рабочие части при деформировании заготовки; Р6 - сила действующая на шестом этапе при торможении рабочих частей демпфером; ра - атмосферное избыточное давление; G - сила тяжести рабочих частей.
Рис. 6.4.9. Расчетная схема ГШМ двойного действия
14*
420
Глава 6.4. ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ И ГАЗОГИДРАВЛИЧЕСКИЕ МОЛОТЫ
Энергетический расчет и КПД. Входная электрическая энергия (Евх ), потребляемая электродвигателем из сети, преобразуется в энергию рабочей жидкости ( Еж), нагнетаемой насосом гидропривода в гидравлическую полость рабочего цилиндра и/или аккумулятор в течение машинного цикла. Во время технологических пауз при верхнем положении рабочих частей и заполненном аккумуляторе насос работает на слив. При длительных паузах электродвигатель отключается. При ходе рабочих частей вверх энергия жидкости преобразуется в энергию сжатого в ресивере рабочего цилиндра газа (Ег) и потенциальную энергию рабочих частей (Еп) относительно зеркала нижней части штампа. При разгоне рабочих частей энергия сжатого газа и потенциальная энергия положения преобразуются в эффективную кинетическую энергию (Гэ), которая при рабочем ходе преобразуется в полезную работу деформирования поковки.
Преобразование энергии в ГШМ можно приближенно отобразить энергетической цепью
^вх —* Еп •
С учетом звена Еисп -> Евх , отражающего преобразование энергии первичного источника во входную электрическую энергию, энергетическая цепь примет вид
^исп —* Е*х. &ж —•
Эффективность преобразования энергии в отдельных звеньях энергетической цепи оценивают величинами следующих КПД:
КПД рабочего хода
По ~АЛ/Т,', (6.4.23)
эффективный КПД привода
л,п =TJEM-, (6.4.24)
эффективный КПД молотовой установки
Пэ.у = Л/£«; (6-4.25)
экономический КПД
Пж=Л/£ист- (6-4.26)
При разгоне рабочих частей вниз энергия сжатого газа и потенциальная энергия положения рабочих частей преобразуются в кинетическую энергию. При этом часть энергии расходуется на преодоление сил механического трения (в уплотнениях поршня и штока и в
направляющих) и гидравлического сопротивления гидролинии цилиндр - сливной бак.
КПД этапа разгона
т\1=ТлЦА,+взг), (6.4.27)
где Аи = S|0 J/>| (s)ds - индикаторная работа газа в поршневой полости цилиндра.
Г|1 = (2G - £1-sp)/(Poi‘S'i + G-kxsp).
Механический КПД этапа разгона
П1м=1-[0Л/(1 + 4<Л*р). (6.4.28)
Ввиду большой скорости рабочих частей значительную часть всех потерь могут составлять гидравлические потери, пропорциональные квадрату скорости, поэтому при создании ГШМ следует добиваться минимального сопротивления сливной гидролинии.
К расчету на прочность и жесткость основных деталей. Расчет на прочность выполняется для цилиндров, аккумулятора, гидрокомпенсатора, трубопроводов, станины (стоек) и бабы молота.
Тонкий шток молота рассчитывается на прочность и на устойчивость, а элементы его упругого соединения с бабой молота - на жесткость [28].
Для определения сил, возникающих в процессе деформирования поковки, и работы упругой деформации соударяющихся деталей необходимо рассчитывать на жесткость систему баба - штамп - шабот [17].
Расчет жесткого или виброизолированного фундамента (см. гл. 6.7) приведен в [5,22,32].
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Абрамов Е.И., Колесниченко К.А., Маслов В.Т. Элементы гидропривода: Справочник. Киев: Техшка, 1969.
2. Анисимов М.И., Кудинов О.В., Украинцев Б.П. Ремонт и монтаж кузнечнопрессового оборудования. М.: Машиностроение, 1973.
3. Асинхронные электродвигатели единой серии А2 и А02 мощностью от 0,6 до 100 кВт: Каталог-справочник. М., 1969.
4. Бабин Н.Б. Разработка методики проектирования гидравлических штамповочных молотов с системой программного управления: Дис. ... канд. техн. наук. М.: МВТУ им. Н.Э. Баумана, 1975. 158 с.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
421
5. Банкетов А.Н., Бочаров Ю.А., До-бринский Н.С. и др. Кузнечно-штамповочное оборудование. М.: Машиностроение, 1984.574 с.
6. Бочаров Ю.А. Анализ разгона рабочих частей машины ударного действия с учетом переменного давления в аккумуляторе И Машины и технология обработки металлов давлением: Сб. МВТУ им. Баумана. М.: Машиностроение, 1973.
7. Бочаров Ю.А. Гидросистемы кузнечно-штамповочных машин. М.: Машиностроение, 1972.
8. Бочаров Ю.А. Структурно-морфо-логическая классификация кузнечно-штамповочных машин и установок И Кузнечноштамповочное производство. 1974. № 11.
9. Бочаров Ю.А., Ларионов А.И. Влияние переменного давления в аккумуляторе на скорость рабочих частей машины ударного действия И Машины и технология обработки металлов давлением: Сб. МВТУ им. Баумана. М.: Машиностроение, 1973.
10. Бочаров Ю.А., Прокофьев В.Н. Гидропривод кузнечно-прессовых машин. М.: Высшая школа, 1969.
11. Бочаров Ю,А., Хорычев А.А. Гидравлические штамповочные молоты и пресс-молоты. М.: НИИмаш, 1974.
12. Бочаров Ю.А. Числовое программное управление процессами и машинами обработки давлением (состояние и перспективы) И Кузнечно-штамповочное производство. 2000. №7. С. 39-45.
13. Бочаров Ю.А., Герасимов А.В. Программное управление штамповочными молотами. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1995.80 с.
14. Бочаров Ю.А., Бабин Н.Б., Власов А.В. Программное управление процессом горячей объемной штамповки на молоте // Инженерные проблемы автоматизации и улучшения условий труда в кузнечно-штамповочном производстве: Тез. докл. всесоюз. конф. М., 1984. С. 27-28.
15. Бочаров Ю.А., Бабин Н.Б., Юдаков Е.А. Разработка алгоритма управления работой молота в составе гибкого производственного модуля И Кузнечно-штамповочное производство. 1986. № 6. С. 19-21.
16. Бочаров Ю.А., Бабин Н.Б. Классификация систем программного управления штамповочными молотами И Известия вузов. Машиностроение. 1983. № 11. С. 93-96.
17. Власов О.Г. и др. Методические рекомендации по прочностному расчету и элементам энергетического расчета штамповочных молотов. М.: НИИмаш, 1975.
18. Гидравлическое оборудование: Каталог. М.: НИИмаш, 1973.
19. Денисюк А.К., Лузанова И.А., Бочаров Ю.А. Экспериментальное исследование водных эмульсий для гидросистем кузнечноштамповочных машин И Известия вузов. Машиностроение. 1973. № 8.
20. Живов Л.И., Овчинников А.Г. Кузнечно-штамповочное оборудование. Молоты. Киев: Вища школа, 1972.
21. Зимин А.И. Периодическая система энерготипов кузнечно-прессовых машин И Машины и технология обработки металлов давлением: Сб. МВТУ им. Баумана. М.: Машиностроение, 1967.
22. Зимин А.И. Машины и автоматы кузнечно-штамповочного производства. Ч. 1: Молоты. М.: Машгиз, 1953.
23. Злотников С.Л., Казакевич П.И., Михайлова В.Л. Техника безопасности и промышленная санитария в кузнечно-прессо-вых цехах. М.: Машиностроение, 1974. 296 с.
24. Иванов М.Е., Матвеев И.Б. Новые гидроприводы технологических машин ударного действия. Киев: УкрНИИНТИ, 1971.
25. Макаров Г.В. Уплотнительные устройства. М.: Машиностроение, 1965.
26. Методика определения экономической эффективности новой техники в кузнечно-штамповочном производстве. Воронеж: ЭНИКМАШ, 1968.
27. Правила устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением. М.: Металлургия, 1974.
28. Расчеты на прочность в машиностроении. Т. 3 / Под ред. С.Д. Пономарева. М.: Машгиз, 1959.
29. Сторожев М.В., Добринский Н.С. Выбор давления рабочей жидкости для гидравлических прессов // Вестник машиностроения. 1972.
30. Харизоменов И.Р. Электрооборудование кузнечно-штамповочных машин. М.: Высшая школа, 1970.
31. Хорычев А.А. Разработка методики проектирования гидравлических штамповочных молотов: Дис. ... канд. техн. наук. М.: МВТУ им. Н.Э. Баумана, 1974. 70 с.
32. Щеглов В.Ф. Совершенствование кузнечного оборудования ударного действия. М.: Машиностроение, 1968.
33. Роганов Л Л., Соколов Л.Н., Тарасов А.Ф. Машины ударного действия с гидро-пружинным приводом И Обработка металлов давлением в машиностроении. Харьков: Вища школа, 1982. Вып. 18. С. 79 - 82.
422
Глава 6.5. БЕСШАБОТНЫЕ МОЛОТЫ
Глава 6.5
БЕСШАБОТНЫЕ МОЛОТЫ
При разгоне ударные массы (УМ, бабы) бесшаботного молота (БШМ) движутся навстречу друг другу. На сторонах УМ, обращенных друг к другу, установлены части штампа. Столкновение УМ сопровождается ударом. Сила удара замыкается внутри конструкции молота и только в виде незначительных по величине сил трения передается на фундамент. Поэтому фундамент БШМ в 8... 10 раз меньше [8] эквивалентного по энергии шаботного молота (ШМ), а его масса меньше массы эквивалентного пресса, или ШМ, примерно в 3 раза [7]. Классификация БШМ по конструктивным признакам дана в табл. 6.5.1 [5].
Различают вертикальные и горизонтальные БШМ. В вертикальных БШМ заготовку устанавливают в матрицу, расположенную на нижней ударной массе (НУМ). На верхней ударной массе (ВУМ) крепят пуансон.
В горизонтальных БШМ (импакторах) заготовку размешают в специальных захватах в плоскости соударения УМ [1].
Бесшаботным молотам соответствует энерготип ГЭУ [3], в котором используется кинетическая энергия линейного движения масс.
Структурная формула эффективной энергии молота
т - OTiv? 2 2
где /»1, m2, Vj, v2 - соответственно массы и скорости ударных масс (баб) молота.
Ударные силы, возникающие при жестких ударах молота, по ряду оценок для мощных молотов могут достигать величин 800... 1200 МН, что и создает условия для штамповки особо крупногабаритных изделий из труднодеформируемых материалов во всех отраслях машиностроения.
Применение принципа встречного удара имеет много преимуществ по сравнению с работой шаботных молотов: замыкание ударных сил внутри системы и, как следствие, существенное снижение массы молота, повышение эффективной энергии молота и его энергонасыщенности [3]. Масса нижней ударной массы (бабы) вертикального бесшаботного молота только на 5... 10 % больше массы верхней бабы. Для шаботного молота с энергией
удара 200...250 кДж его масса составляет 250...300 т. Масса бесшаботного молота с энергией удара 250 кДж составляет 120 т. КПД удара бесшаботного молота в среднем на 10 % выше, чем у шаботных молотов. Объем фундаментов вертикальных бесшаботных молотов составляет 0,25...0,12 объема фундаментов шаботных молотов.
БШМ строят с разными и равными по величине УМ. К первым относятся БШМ типа KJH (Чехия) [4] (рис. 6.5.1) и высокоскоростной молот "Сибирь" СКБ Сибирского отделения (СО РАН) [5] (рис. 6.5.2) с подвижной станиной 7, перемещение которой при разгоне кратно соотношению ее массы к массе другой УМ 2. Технические характеристики KJH и "Сибирь" даны в табл. 6.5.2.
Рис. 6.5.1. Бесшаботный молот с неравными ударными массами модели KJH (Чехия)
Рис. 6.5.2. Высокоскоростной бесшаботный молот модели ’’Сибирь" (СКБ СО РАН)
6.5.1. Морфологическая классификация бесшаботных молотов
Смысловой
Признаки
делитель 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Технологическое назначение штамповка Объемная Одноручьевая Многоручьевая Одноударная
Скорость удара, м/с Средняя (3—8) Высокая (8...30) Очень высокая (>50)
Узлы и детали Станина Цилиндр Направляющие Ударные массы Клапаны Штоки Выталкиватель Компенсатор Дозатор Штампы
Привод Пневматический Паровоздушный Газогидравлический
Гидропривод Насосноаккумуляторный Насосный Индивидуальный Групповой
Установка привода На полу Под полом Специальное помещение
Рабочая жидкость Масло Вода Эмульсия Синтетическая жидкость
Энергоноситель Пар Газ (воздух) Взрывчатое вещество Горючая смесь Твердое топливо Жидкость
Синхронизация ударных масс Пневматическая Механическая Замкнутая гидравлическая Незамкнутая гидравлическая
Дозирование энергии удара Ходом баб (УМ) Давлением энергоносителя Сопротивлением слива
Связь подвижных частей молота Линейноупругая Нелинейноупругая Жесткая разъемная Жесткая неразъемная
Система управления Электронная Электрическая Пневматическая Гидравлическая Ручная Автоматическая Программная Программноадаптивная
Режим работы Наладочный Одиночные удары Автоматический Программный
Системы и устройства Смазывание Клапаны Фильтрации Терморегуляторы Безопасности Снижения шума Уплотнения
Средства механизации и автоматизации Рольганги Роботы Механическая рука Манипуляторы
БЕСШАБОТНЫЕ МОЛОТЫ 423
424
Глава 6.5. БЕСШАБОТНЫЕ МОЛОТЫ
6.5.2. Технические характеристики молотов типа KJH и ’’Сибирь”
Параметр KJH16 "Сибирь"
Энергия удара максимальная, кДж 160 1600
Ход ударных масс, мм 850 650
Скорость удара максимальная, м/с 5...7 30
Число ударов в минуту 40...80 1...2
Энергоноситель Азот Азот, воздух
Давление энергоносителя, МПа До 30
Масса молота, кг 100 000 70 000
Вертикальные бесшаботные молоты с приблизительно равными массами за рубежом выпускаются в двух исполнениях: с ленточной связью баб - заводы Beche (Германия) и Dijep (Венгрия) и с гидравлической связью баб -фирма Beche (Германия) (табл. 6.5.3, рис. 6.5.3), Genrih Rau (Германия), (табл. 6.5.4), а также новые разработки завода Dijep. Гидравлическая связь баб - более перспективное техническое решение. Мощные бесшаботные молоты выполнены с гидросвязью баб.
Все упомянутые молоты имеют паровоздушный (паровой или пневматический) привод, цельную верхнюю бабу с толстым штоком, нижнюю бабу призматической формы. Управление (золотниковое) осуществляется с пульта оператора.
Бесшаботные молоты, изготовленные по схеме фирмы Beche с гидравлической связью баб (см. рис. 6.5.3), работают во Франции (энергия удара 800 кДж), в Австрии (630 кДж), Германии (200, 400, 630 кДж), в США эксплуатируется бесшаботный молот с энергией удара 1370 кДж.
В Германии некоторые бесшаботные молоты установлены на виброизоляции, оснащены системой управления, позволяющей гибко и в широких пределах регулировать параметры воздуха при разгоне баб. В комплексе с этими молотами работают гидравлические обрезные прессы, манипуляторы мостового типа. Во избежание перегрузок молотов, например, при штамповке коленчатых валов штамповка ведется с 3...6 промежуточными обрезками заусенцев и подогревами.
Рис. 6.53. Бесшаботный молот с гидравлическим механизмом связи фирмы Beche (Германия)
6.53. Технические характеристики бесшаботных молотов с гндросвязью баб фирмы Beche
Параметр Типоразмер молота
400 500 630 800 1000
Энергия удара, кДж 400 500 630 800 1000
Суммарный ход ударных масс, мм 1420 1500 1600 1700 1800
Наименьшая высота штампов, мм 500 550 550 600 600
Расстояние между направляющими, мм 1150 1220 1290 1360 1400
Число ударов в минуту 50 45 40 35 35
БЕСШАБОТНЫЕ МОЛОТЫ
425
6.5.4. Параметры бесшаботных молотов с гндросвязью баб фирмы Genrich Ran
Параметр Типоразмер молота
10 000 20 000 31 500 40 000
Энергия удара, кДж 100 200 315 400...630
Максимальный ход баб, мм 2x600 2x770 2x780 2x860
Максимальное число ходов 80 80 80 80
Расстояние между направляющими, мПа 790 1000 1120 1230
Масса молота, кг 63 000 115 000 200 000 234 000
Давление воздуха, МПа 0,7 0,7 0,7 0,7
НКМЗ и ВНИИметмашем для Чебар-кульского металлургического завода (ЧМЗ) создан бесшаботный молот с гидравлической связью баб, с энергией удара 1500 кДж, который является крупнейшим в мировой практике (рис. 6.5.3).
Техническая характеристика молота
Энергия удара, кДж ............... 1500
Полный ход баб, мм............... 2000
Длина бабы, мм................... До 3700
Максимальная масса пары штампов, кг.......................... 60 000
Максимально допустимый эксцентриситет приложения нагрузки, мм 200 Расстояние между направляющими в свету, мм................... 2200
Бесшаботный молот имеет: приводной цилиндр 7, верхнюю бабу 2, выполненную заодно с толстым штоком 3 диаметром 1500 мм; нижнюю бабу 4, выполненную в виде параллелепипеда; систему гидросвязи 5; широко разнесенные диагональные направляющие бабы; клапанное воздухораспределение с пневматическим дистанционным сервоприводом. Эксплуатация этого молота на Че-баркульском металлургическом заводе (ЧМЗ) показала, что он имеет широкие тех-нологичекие возможности при штамповке поковок балок и коленчатых валов длиной до 4 м и массой до 3 т, дисков диаметром до 1100 мм, которые невозможно с такой же точностью получать на гидропрессах, включая пресс силой 750 МН.
ВНИИметмашем и НКМЗ на основе практического опыта эксплуатации молота 1500 кДж, результатов комплекса НИР и ОКР, а также известного зарубежного опыта спроектирован второй мощный бесшаботный молот с энергией удара 1600 кДж. Конструктивная и
принципиальная его схемы повторяют в основном молот с энергией удара 1500 кДж.
Новый молот встраивается в автоматизированный технологический комплекс.
Перспективным является направление по созданию гидравлических бесшаботных молотов.
В СКБ СО РАН разработана гамма вертикальных пневмогидравлических бесшаботных молотов модели МП! (рис. 6.5.4, табл. 6.5.5).
Верхний рабочий пневматический цилиндр с давлением газа 7 до 8 МПа укреплен в верхней поперечине станины. Питание рабочего цилиндра газом высокого давления осуществлено путем его прямого подключения к пневмоаккумуляторам.
Молоты данного типа изготавливаются в составе механизированного и автоматизированного комплекса.
Молоты предназначены для малоотходной штамповки в закрытых штампах. Они оснащены выталкивателем 6 в нижней УМ. Штоки гидросвязи 5 и привода 3 выполнены отдельно от верхней 2 и нижней 4 ударных масс. Конструкция молота выдерживает жесткие удары штампа 7 о штамп 8 при максимальной энергии удара. Дозирование энергии удара осуществляется регулированием давления жидкости с помощью клапана управления 9. Полуавтоматическая система управления и гидравлический привод обеспечивают многоударную штамповку по заданной программе [2,9].
Бесшаботные молоты горизонтального исполнения получили название импакторов. В настоящее время одна фирма Chambersburg (США) разрабатывает и изготавливает импакторы (табл. 6.5.6). В России разработана опытная конструкция горизонтального бесшаботного молота [12].
426
Глава 6.5. БЕСШАБОТНЫЕ МОЛОТЫ
Рис. 63.4. Бесшаботный молот с гидравлическим механизмом связи модели МШ (СКБ СО РАН)
6.5.5. Технические характеристики молотов типа МШ
Параметр МШ-1А МШ-3 МШ-16 МШ-250
Энергия удара максимальная, кДж 4 6,3 16 250
Скорость соударения максимальная, м/с 10 10,6 15 10
Время цикла, с 3 4 3 15
Допустимый экцентриситет приложения нагрузки при максимальной энергии удара, мм 20 20 20 100
Размеры опорных поверхностей штампа, мм 220x300 250x270 270x345 900x1000
Высота штампового пространства, мм
открытая 450 250 270 1770
закрытая 220 270 345 770
Ход нижнего выталкивателя, мм 70 70 100 240
Сила выталкивателя, кН 40 40 80 500
Максимальное давление газа (воздуха), МПа 8 8 9 8
Максимальное давление жидкости, МПа 26 26 30 20
Мощность установленная, кВт 11 11 43 132
БЕСШАБОТНЫЕ МОЛОТЫ
427
Продолжение табл. 6.5.5
Параметр МШ-1А МШ-3 МШ-16 МШ-250
Габаритные размеры молота, м 1,2x1x2,5 1,2x1x2,6 1,5x1x2,9 4x2,7x8
Габаритные размеры гидропривода В молоте В молоте 2,8x2,4x4 5,2x6x4,7
Высота над уровнем пола, м 2,95 2,15 2,9 4,9
Масса, кг молота насосной станции 4350 4350 4000 3000 80 000 10 000
6.5.6. Параметры импакторов
Параметр Типоразмер модели "С"
3 8 15 25 40 70
Энергия удара максимальная, кДж 4 10,8 203 33,9 54,2 95
Номинальная сила, МН 9,5 19 27 40 50 64
Диаметр рабочего цилиндра, мм 330 460 560 620 810 1015
Ход при минимальной высоте штампов, мм 150 200 250 270 280 320
Минимальная площадь несущей поверхности штампа, см2 420 840 1300 1900 2600 3400
Высота над уровнем пола, мм 2820 2820 3250 3560 4110 4720
Принцип действия импакторов (рис. 6.5.5) заключается в соударении одинаковых по конструкции и массе баб, горизонтально перемещающихся в направляющих станины под воздействием воздуха с давлением Р| до 0,8 МПа в рабочих цилиндрах.
Синхронизация перемещения баб обеспечена системой гидравлической связи, а привод их - путем управления двухклапанными распределителями только поршневых полостей.
Рис. 6.5.5. Схема работы импактора:
о - разгон и удар; б - возвратный ход; рг, р0 -давление воздуха высокое, низкое, атмосферное;
1 - поршень; 2 - ударная масса (баба);
3 - направляющие; 4 - штамп; 5 - захват;
6 - заготовка
Штоковые полости постоянно связаны с воздушным ресивером с давлением р2. Импакторы предназначены для горячей многопереходной штамповки и работают с программным управлением в автоматическом режиме. Для осуществления такого режима работы импакторы оснащены порталом, который устанавливается в зоне соударения баб. В портале по программе перемещается каретка с захватами, в которой за клещевину удерживается заготовка. Импакторы работают в комплексе с индукторами фирмы Inductoheat (США). Недостаточно нагретая заготовка отбраковывается; при отсутствии заготовки автоматически отключается привод.
Расчет основных параметров приведен в работах [11 и 12].
1. При разработке конструкции БШМ задают в техническом задании параметры.
1.1. Эффективную кинетическую энергию удара молота максимальную Т3, кДж;
1.2. Скорость ударных масс при разгоне максимальную v0, м/с;
1.3. Открытую высоту штампового пространства (перемещение УМ при разгоне) Lq, м.
428
Глава 6.5. БЕСШАБОТНЫЕ МОЛОТЫ
2. Расчетом определяют следующие параметры БШМ:
2.1. Величину ударных масс для определения их габаритных размеров:
Л/0=2ТэМ,
где А/о - приведенная масса, А/о = МХМ2/(МХ + Л/2) , здесь Мх - масса нижней УМ (НУМ), М2 — масса верхней УМ (ВУМ). При кратности Мх/М2 = К имеем MQ=Mx/(K + \). Для молотов с равными УМ отношение К = 1, a MQ - Мх/1\
2.2. Перемещения УМ при разгоне Lq = Lx (К +1), где К = Lx/L2 - соответственно перемещения НУМ и ВУМ при разгоне;
2.3. Сила привода Fo, необходимая для достижения максимальной Тэ :
F^A/ovfcK+o/ZTiaMf,
где Т| - гидромеханический КПД молота, Т] =0,77...0,78; a - коэффициент, характеризующий расширение газа в газогидравлическом приводе, a = 0,9;
2.4. Силу удара при деформировании Рд на БШМ можно определить по формуле
Ря = O,5Fo + Cval4C(K+V)lM ,
где С - коэффициент приведенной жесткости ГМС;
2.5. Максимальная нагрузка /ф на фундамент возникает на стадии отскока УМ по завершению деформирования поковки. Максимального значения /ф достигает при жестких ударах штампа о штамп:
+ G- clPqSq ,
где рж - давление жидкости в ГМС; 5Н ~ площадь штока привода НУМ; G - сила тяжести станины молота; So - площадь поршня пневмопривода; р0 - давление сжатого воздуха (газа) в пневмоприводе. Для приближенных расчетов принимают
рж = O,65Cfovo,
где и Vo - время и скорость отскока УМ;
/0 = к^С/М .
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Борек Л. Кузнечно-прессовое обо* рудование для кузнечных цехов // Чехословацкая тяжелая промышленность. 1978. № 9. С. 10-19.
2. Бочаров Ю.А., Герасимов А.В. Программное управление штамповочными молотами. М.: МГТУ, 1995. 80 с.
3. Зимин А.И. Периодическая система энерготипов кузнечно-штамповочных машин // Кузнечно-штамповочное производство. 1965. №10.
4. Колотов Ю.В. Веснина И.С. Гидравлические бесшаботные молоты: Обзор СКБ ГИТ. Отчет № ГР81026085 НИР/СКБ ГИТ СО АН СССР. Н-Сибирск, 1981. 69 с.
5. Колотов Ю.Б. Разработка новой конструкции и методики проектирования бесшаботного молота с гидравлическим механизмом связи ударных масс: Дис. ... канд. техн, наук. М., 1984. 208 с.
6. Молот бесшаботный гидравлический с энергией удара 150 тм: ТЗ к эскизному проекту 638890 / Ю.А. Зимин и др. М.: ВНИИметмаш, 1981. 64 с.
7. Смирнов Р.В. Внедрение штамповки на бесшаботных молотах: Обзор. М.: ЦНИИТЭИ, 1968. 38 с.
8. Технологические особенности и основные направления развития тяжелых кузнечно-прессовых машин для горячей объемной штамповки / В.И. Власов и др. М.: ЦНИИТЭИ, 1968. 38 с. (Обзор НИИМАШ. Сер. С-3. Кузнечно-прессовое машиностроение).
9. Bocharov Yu., Babin N., Gerasimov A., Kolotov Yu. Control algorithm for counter-blow hammer II Advanced Technology of Plasticity. Tokyo, 1990. V. I. P. 301-6.
10. Банкетов A.H., Бочаров Ю.А., Доб-рннскнй Н.С. и др. Кузнечно-штамповочное производство. М.: Машиностроение, 1982.574 с.
11. Живов Л.И., Овчинников А.Г. Кузнечно-штамповочное оборудование. Киев: Вища школа, 1985. 280 с.
12. Конаныхин Ю.Ф., Лабузов В.В., Меньшов Ю.А. Горизонтальные бесшаботные агрегаты для производства уплотненных изделий // Кузнечно-штамповочное производство. 1998. №6. С. 32-34.
ВЫСОКОСКОРОСТНЫЕ молоты
429
Глава 6.6
ВЫСОКОСКОРОСТНЫЕ МОЛОТЫ
К высокоскоростным молотам относятся молоты, развивающие скорость подвижных частей к моменту удара 18 м/с и более. При таких скоростях происходит интенсивное местное течение поверхностных слоев металла и обеспечивается получение изделий с тонкими ребрами [1,4,11].
Принцип работы высокоскоростного молота (ВСМ) основан на действии расширяющегося газа высокого давления, заключенного в рабочем цилиндре.
Схема молота показана на рис. 6.6.1. Рабочий цилиндр / смонтирован в верхней части массивной рамы 2, выполняющей роль подвижных частей станины. Рама перемещается в направляющих неподвижной части станины -основания молота 3. Отверстия а и б служат для соединения цилиндра с баллонами высоко
го давления и атмосферой. На внутренней стороне крышки цилиндра смонтировано торцовое уплотнение 9.
Внутри рабочего цилиндра находится сплошной толстый шток 4 с поршнем. Для обеспечения свободного перетекания сжатого воздуха из одной полости цилиндра в другую между поршнем и цилиндром предусмотрен значительный зазор.
Нижний конец штока соединен с ударной массой 5 и вместе с ней и верхним поршнем составляет подвижные части молота.
Ударная масса перемещается в четырех угловых направляющих б, закрепленных на раме 2. В нижней части рамы установлен нижний штамп и размещены возвратные гидравлические цилиндры 7. Рама опирается на два пневматических амортизатора 8.
Привод молота состоит из аккумуляторов (баллонов) со сжатым азотом, электродвигателя и насоса. Привод смонтирован в отдельном агрегате и установлен вблизи молота.
Рис. 6.6.1. Схема высокоскоростного молота: а - общий вид; б - принципиальная схема
430
Глава 6.6. ВЫСОКОСКОРОСТНЫЕ МОЛОТЫ
Подвижные части давлением азота на нижнюю кольцевую площадь поршня удерживаются в верхнем положении. Штоки гидравлических цилиндров опускаются. Молот подготовлен к работе. Разгон подвижных частей осуществляется впуском небольшого количества сжатого азота в полость, заключенную внутри кольцевого торцового уплотнения. Поршень отрывается от уплотнения. Сжатый газ получает возможность действовать на всю площадь поршня. Подвижные части при этом разгоняются до скорости 18...20 м/с. Накопленная кинетическая энергия T3V расходуется на деформирование поковки.
Возвратный ход подвижных частей осуществляют гидравлические цилиндры. Рама с закрепленными на ней элементами молота после удара опускается на пневматические амортизаторы.
Высокоскоростной однокамерный молот конструкции ЭНИКмаш - ВПО КПО показан на рис. 6.6.2. Чтобы обеспечить требуемую прочность и жесткость, раму молота и ударную массу изготавливают цельноковаными из легированной стали 40ХНМА.
В исходном положении камера молота заполнена газом высокого давления. Полость сверху штока под крышкой цилиндра соедине
на с атмосферой, и давлением газа на кольцевую часть штока подвижные части удерживаются в крайнем верхнем положении. Ползуш-ки фиксаторов выдвинуты под ползун. Штоки подъемных цилиндров и выталкиватели опущены. Доступ к штампам открыт.
После укладки заготовки в полость штампа и нажатия кнопки ’’удар” пневматические цилиндры ограждения закрывают проем рамы и одновременно нажимают на конечный выключатель, управляющий воздухораспределителем фиксаторов. Фиксаторы освобождают путь рабочей массе (бабе) и нажимают на конечный выключатель системы управления рабочим клапаном.
Под давлением расширяющегося газа рабочие части ускоряются вниз и развивают кинетическую энергию, необходимую для деформирования поковки. Реакция давления воздействует на крышку цилиндра и ускоряет раму молота вверх.
В молоте мод. М7352А использованы шесть соединенных последовательно баллонов азота, сжатого до 15,0 МПа, вместимостью 0,04 м3 каждый. С помощью регулятора давление азота в камере молота снижается до расчетного ро = 11,0 МПа. Рабочее давление воздуха в пневмосистеме 0,4 МПа.
Рис. 6.6.2. Высокоскоростной однокамерный молот
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
431
Техническая характеристика молота: эф- 450 мм; закрытая высота штампового про-фективная энергия удара 160 кДж; максималь- странства490 мм; время цикла 16 с.
ная скорость встречного движения подвижных В табл. 6.6.1 приведены технические ха-частей и рамы 20 м/с; полный встречный ход рактеристики выпускаемых ВСМ.
6.6.1. Технические характеристики высокоскоростных молотов [1,2]
Параметр Модель
МКПА* М7344 М7348 М7352Б М7356 ИМ50 ВНС2 НЕ55
Энергия удара наибольшая, кДж 10,4 23,5 61,8 157 235 235 23,5 540
Скорость соударения, м/с 15,2 18,4 18,5 20 20 18,6 40 20
Ход суммарный, мм 229 (ход бабы) 265 315 450 500 500 — 345
Время цикла, с 1 5 6 8 9 10 11 8
Размеры опорных поверхностей, мм: под нижнюю половину штампа под верхнюю половину штампа 400x400 200x315 400x400 400x300 450x530 490x340 565x565 565x450 570x750 460x700 450x450 100 930x1100 720x800
Наименьшее расстояние между опорными поверхностями под верхнюю и нижнюю половины штампа, мм 340 420 530 655 540 465 735
Сила выталкивателя, кН 122,5 196 313,6 392 392 — 539
Ход выталкивателя, мм 120 150 150 200 200 — 150
Давление газа (баба вверху), Па 58,8 78,4 88,2 107,8 78,4 — 98
Давление жидкости, Па 107,8 196 196 196 — — —
Габаритные размеры, мм 4460х 3950 3940х 4980 3550х 6100 5000х 8000 3610х 4460 800х 1400 -
Высота над уровнем пола, мм 2825 3975 3400 4650 — 2650 —
Масса молота, кН 93,86 181,3 303,8 441 275,38 — 686 (установки)
* Petroforge (конструкция Бирмингемского университета).
Кроме описанного газомеханического привода строят молоты с пороховым приводом, пневматическим и пневмогидравлическим приводом и др. [8-11].
Расчет основных параметров приведен в работах [11,12].
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Воробьев В.М., Дроздова Н.Ю. Точность поковок сложной формы, изотавли-ваемых на высокоскоростных молотах It Кузнечно-штамповочное производство. 1985. № 5.
432
Глава 6.7. ВИБРОИЗОЛЯЦИЯ МОЛОТОВ
2. Высокоскоростное малоотходное деформирование металлов в штампах / В.Г. Кононенко, С.Г. Кушнаренко, В.В. Коллеров и др. Харьков: Вища школа, 1985.
3. Высокоскоростная объемная штамповка: Труды ЭНИКмаш. Вып. 21. М.: Машиностроение, 1969.
4. Колотов Ю.В. Технологические процессы и оборудование для высокоскоростной объемной штамповки // Кузнечно-штамповочное производство. 1984. № 10.
5. Кузнечно-прессовые машины. Качество, надежность и долговечность: Труды ЭНИКмаш. Вып. 17. М.: Машиностроение, 1967.
6. Научно-исследовательский институт информации по машиностроению (НИИ-маш), "Технология и оборудование высокоскоростной объемной штамповки" / Ю.П. Согри-шин, В.М. Новиков. М., 1968.
7. Попов А.К., Беляев Ю.В., Горфин-кель Х.М. Расчет и исследование скоростного бесшаботного молота 20 т.м. // Обработка металлов давлением: Труды Московского энергетического института, Института стали и сплавов, Всесоюзного научно-исследовательского института металлургического машиностроения. Вып. 5. М., 1969.
8. Согришин Ю.П., Гришин Л.Г., Воробьев В.М. Штамповка на высокоскоростных молотах. М.: Машиностроение, 1978.
9. Чечета И.А. Выбор основных параметров при проектировании высокоскоростного молота с тепловым приводом. М., 1978. 18 с. Депонент в НИИмаш. № 76 - 77.
10. Щеглов В.Ф. Совершенствование кузнечного оборудования ударного действия. М.: Машиностроение, 1968.
11. Банкетов А.Н., Бочаров Ю.А., Добринский Н.С. и др. Кузнечно-штамповочное оборудование. М.: Машиностроение, 1982.574 с.
12. Согришин Ю.П., Попов А.В., Ко-бяковский Н.Ф. Энергетический расчет высокоскоростных молотов // Кузнечно-штамповочное производство. 1969. № 10.
Глава 6.7
ВИБРОИЗОЛЯЦИЯ МОЛОТОВ
Штамповка на молотах возбуждает колебания весьма широкого спектра - от нескольких герц до средних звуковых частот [1]. Высокие частоты передаются, как правило, через воздух в виде шумов и через металлоконструкции, например ремонтные площадки, перекрытия фундамента или трубопроводы. Изолятором таких высокочастотных вибраций для фундамента служит обычная деревянная подушка, которая предотвращает разрушение подшаботного бетона. Эти колебания сравнительно быстро затухают в фундаменте и грунте, разрушая прежде всего подшаботную прокладку и бетон под ней. Колебания низкой частоты (10...30 Гц) проходят по грунту на значительные расстояния, слабее затухают и вызывают резонансные явления в различных объектах.
Характеристиками вибраций являются среднеквадратичные значения виброскорости (м/с) или ее логарифмические уровни (дБ) в октавных полосах частот. Логарифмические уровни виброскорости Ly (дБ) определяются по формуле
V
Lv=201g-------, (6.7.1)
5-Ю'8
где v - среднеквадратичное значение виброскорости, м/с; 5 • Ю"8 - опорная виброскорость, м/с.
Вибрация, воздействующая на человека, нормируется в каждой октавной полосе частот для помещений различного назначения (табл. 6.7.1).
6.7.1. Гигиенические нормы вибраций, воздействующих на человека в производственных условиях
Вид помещений, характер работы Среднеквадратичные значения виброскорости, 10*2 м/с, не более
Логарифмические уровни виброскорости, дБ, в октавных полосах со среднегеометрическими частотами, Гц
На постоянных рабочих местах в 1 2 4 8 16 31,5 63
производственных помещениях — L3 108 0.45 99 0.22 90 0.2 92 0.2 92 02 92
В служебных помещениях управ- — 0.71 0.25 0.13 0.11 0.11 0.11
ления и ведения документации 103 91 98 88 87 87
ВИБРОИЗОЛЯЦИЯ молотов
433
Продолжение табл. 6.7.1
Вид помещений, характер работы Среднеквадратичные значения виброскорости, 10'2 м/с, не более
Логарифмические уровни виброскорости, дБ, в октавных полосах со среднегеометрическими частотами, Гц
На складах, в столовых, бытовых, дежурных и других помещениях - 0.5 100 0.18 91 CL089 85 0.079 84 0.079 84 0.079 84
В помещениях умственного труда — 0.18 91 0.063 82 0.032 76 0.028 75 0.028 75 0.028 75
Амплитудами виброперемещений допускается пользоваться только при условии действия гармонических или полигармонических вибраций.
Подавляющее большинство кузнечно-прессовых машин является машинами импульсного вибрационного воздействия, и поэтому для них необходимо пользоваться либо скоростными характеристиками, либо рассчитывать закон изменения нагрузки по времени за цикл и величину импульсов [2, прил. 8]. Такие динамические расчеты обычно выполняют с помощью ЭВМ.
Средства измерений и контроля вибраций на рабочих местах регламентируются ГОСТ 12.4.012-83.
В шаботных молотах нижние части молота (шабот и станина) до удара неподвижны и во время удара получают некоторую долю энергии бабы в виде начальной скорости отскока после удара. Эта энергия должна быть погашена в основном за счет реакции фундамента и тех элементов, которые находятся меду *шабо-том и фундаментом.
В бесшаботных молотах энергию перед ударом получает не только баба, но и шабот. Этот разгон шабота происходит с существенным участием фундамента, и это меняет характер силового воздействия молота на фундамент на всех стадиях цикла. Соотношение соударяющихся масс может быть различным в широком диапазоне. Частным случаем являются бесшаботные молоты с примерно одинаковыми массами.
Баланс энергии при ударе молота имеет в общем случае следующий вид:
mlvOI . »»2v02 _ "llVl . «2V2 . j . j
+ —~ ~ ~2~ ~2~ д y"P ’
(6.7.2) где mx и m2 - соответственно массы верхних и нижних соударяющихся частей; v01 и v02 -скорости соударяющихся частей к моменту
удара (с учетом знака); Vj и v2 - соответствующие скорости частей молота к моменту завершения удара; ЛД - полезная работа пластического деформирования поковки; Zynp -энергия упругого деформирования деталей молота, инструмента и поковки.
Для получения исходных данных при расчетах фундаментов молотов введен коэффициент 8 восстановления удара, который представляет собой отношение относительной скорости соударяющихся масс в конце удара к относительной скорости их в начале удара (с учетом знака скорости):
V9 - V1 5
8 = ; 0<8< 1. (6.7.3)
v01 ” v02
Этот коэффициент может быть определен экспериментально и в значительной степени характеризует жесткость соударения. Если 8 = 0, то это означает "прилипающий" удар по поковке, для самого "сухого" удара он не превышает 0,55. Для расчетов фундаментов принимается 8= 0,5. После соударения отраженная энергия может быть оценена следующими выражениями соответственно для верхних и нижних масс:
( А2 ^1-^1 2 _
—;— voi -
тх + т2 )
х2 тх-т2е Т т\+т2 ) 3
(6.7.4)
т2тх 2
= тхт2
jnx + т2
(6.7.5)
где Т3 - кинетическая энергия удара молота.
434
Глава 6.7. ВИБРОИЗОЛЯЦИЯ МОЛОТОВ
Полная отраженная кинетическая энергия может быть найдена так:
= m1+m2e2 (6.7.6)
тх + т2
Соударяющиеся части после удара имеют скорости соответственно:
Vi = ' v01;
тх + т2
тх +т2
(6.7.7, 6.7.7)
От коэффициента восстановления удара очень сильно зависит распределение отраженной энергии между рабочими частями и шаботом. Так, при 8 = 0,05 в обычном молоте вся отраженная энергия сосредоточена в шаботе и составляет 5 % энергии удара. По мере ужесточения удара (8 0,5) шабот получает до
10 % энергии удара, и эту энергию нужно затем погасить. Начальная скорость шабота при отскоке для шаботных молотов при общепринятых соотношениях масс 1/20... 1/15 находится в пределах 0,3...0,5 м/с. Кинетическая энергия отражения нижних масс L2 на стадии отскока должна перейти в потенциальную энергию упругого сжатия подшаботной и фундаментной систем:
L2 = fpdz, (6.7.8)
где Р - динамическая результирующая сила, действующая на шабот в процессе послеударного торможения; z - путь торможения шабота.
Последующие колебательные движения системы определяются ее упругодемпфирую-щими свойствами. Конечный результат погашения послеударной энергии шабота может быть достигнут за счет различных соотношений Р и z и их характера, т.е. большой силой можно тормозить на малом пути и наоборот. Это определило способы монтажа молотов на фундаменты.
Наиболее распространенный способ установки молотов на массивный железобетонный фундамент - через деревянную подушку, которая делается из твердых пород дерева (дуб, бук и т.д.) и выполняет функции виброизолятора высоких частот, предотвращая разрушение подшаботного бетона. Практически всю отраженную энергию воспринимает шабот и поглощает железобетонный фундамент и окружающий его грунт. В выражении (6.7.8) основная часть вибросмещения z приходится на грунт. Абсолютная величина z не более одного миллиметра, а динамическая сила Р в несколько десятков раз больше силы тяжести молота. Частота возбуждаемых колебаний 10...40 Гц. Даже самые заниженные нормы вибраций в этом случае перекрываются в десятки раз. В настоящее время этот способ применяется лишь для самых маленьких молотов в исключительных случаях.
Широко распространен способ достаточно эффективной виброизоляции молотов с применением инерционных блоков.
Молот с его прежним фундаментом устанавливался на основание через относительно податливые упругодемпфирующие элементы. Чаще всего это блоки из витых пружин и резиновых кубиков. Применяют также вязкую демпфирующую массу.
Главной целью использования инерционного блока является уменьшение амплитуды колебаний молота при определенной расчетной частоте. Масса инерционного блока суммируется с массой шабота. Виброизолирующая подшаботная прокладка сохраняется.
Обзор конструкций и расчеты систем виброизоляции и их элементов представлены в [3,4 и др.].
Принципиальная расчетная схема виб-роизолированного молота с инерционным блоком в общем случае представляется в виде трехмассной системы (рис. 6.7.1), и движение ее описывается тремя дифференциальными уравнениями:
тк^к + Ук?к + ckzk сб(2б 2к) — 0’
тбЧ +?б(гб -zK)-cm(zm -z6)-9m(zm ~z6) = 0;
(6.7.9)
+ Яш (Z|u Zg) — 0,
где линия т, q, с - соответственно масса, коэффициент скоростного трения связывающей среды, жесткость связи и перемещение
элемента системы; индексы "ш", "б", "к" -соответственно означают, что параметр относится к шаботу, блоку и коробу фундамента.
ВИБРОИЗОЛЯЦИЯ молотов
435
Рис. 6.7.1. Расчетная схема трехмассной системы виброизоляции молотов
С достаточной степенью точности можно рассматривать одномассную колебательную систему, в которой массы молота и инерционного блока едины, а вся жесткость определяется жесткостью виброизоляторов, так как она значительно меньше жесткости грунта и под-шаботной прокладки. Демпфирующие свойства резины в этом случае малы. Это подтверждают экспериментальные исследования и частотный анализ [2,4, 3, и др.].
При указанных выше условиях предварительный расчет может быть достаточно простым. Динамическая сила Рф , действующая на основание:
/ф=^б- (6.7.10)
Величины, входящие в уравнение (6.7.10), определяются через частоту колебаний системы:
=(2я/)2 (тш + «в)=(2я/)2 тг; <6-7-11)
2itf (т} + т2 )2я/
Проведя ряд преобразований, с учетом (6.7.7) можно получить основные параметры фундамента:
Рф=2тсу2(1 + 8)т1/. (6.7.13)
Поскольку частота /непосредственно определяет силовую нагрузку на основание фундамента, ее выбор является главным вопросом. Рекомендуют [4] плошадь F (м2) короба брать по эмпирической формуле
F = 33у[т^. (6.7.14)
Сила сопротивления грунта под фундаментным коробом
Рф=6сгРгк, (6.7.15)
где с2 - коэффициент упругого (равномерного) сжатия грунта, зависящий от его свойств (значения с2 для слабого грунта принимают с2 = 25 МН/м3, для грунта средней прочности с2 = 45 МН/м3, для прочного гунта с2 = 80 МН/м3); 5 - коэффициент, учитывающий влияние масштабного фактора на упругие свойства фундамента молота. Для легких молотов 5=1,1, для тяжелых 5 = 1,7.
Общими конструктивными недостатками систем с инерционным блоком являются большие габариты и глубина залегания фундамента, длительный цикл сооружения, высокая стоимость, доходящая до половины стоимости молота. При эксплуатации возникают проблемы с гидроизоляцией и очисткой окалины с верхней поверхности блока и под ним. Для систем с такими большими массами и коротким ходом технически сложно создать оптимальное демпфирование. Послеударный колебательный процесс завершается обычно за 3...5 циклов, что в некоторых случаях достаточно для возникновения резонанса в других объектах.
В настоящее время практически во всем мире перешли на непосредственную подшабот-ную виброизоляцию (рис. 6.7.2) молотов [3].
Рис. 6.7.2. Непосредственная подшаботная виброизоляция молотов
436
Глава 6.8. КОНСТРУКЦИИ И РАСЧЕТ ДЕТАЛЕЙ МОЛОТОВ
Упругодемпфирующими элементами служат пружинно-резиновые блоки [1], пружинные и пневматические виброизоляторы с гидравлическими амортизаторами высокого и низкого давления ("вискодемпферы").
Теоретические основы расчета подша-ботной виброизоляции молотов аналогичны описанным выше, и во многих случаях принимается одномассная расчетная модель.
Весьма практичным является использование листовых рессор для непосредственной виброизоляции молотов (рис. 6.7.3) [3].
Обладая явно нелинейной гистерезисной характеристикой, рессоры совмещают в себе функции виброизолятора и виброгасителя в широком диапазоне частот. Силовое воздействие на фундамент происходит с затуханием за один цикл. Математическая модель рессоры представляется так:
р.
(6.7.16)
где Рр - сила, передаваемая через рессору;
Ро - сила на рессоре в начале ее деформиро
вания; z0 - абсолютный прогиб рессоры в
начале деформирования; zp - абсолютное
значение прогиба рессоры; b - конструктивный коэффициент рессоры, характеризующий переходные режимы; с - коэффициент жесткости рессоры, который определяется экспериментально для нагружения и разгружения и принимается в зависимости от этого в расчетной формуле (6.7.16). Нормируемый параметр виброскорости можно сразу получить дифференцированием выражения (6.7.15)
. dMdt dt bczF
(6.7.17)
77^^77777777777^^7%
Рис. 6.73. Рессорный виброизолирующий узел
Непосредственная подшаботная виброизоляция разработана и применяется для молотов любой мощности и различного технологического назначения: горячей и листовой штамповки, а также свободной ковки.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Виброизоляция действующих штамповочных молотов / А.Т. Храмой, О.Г. Власов, М.С. Коган и др. И Строительная механика и расчет сооружений. 1977. № 1. С. 68-70.
2. ГОСТ 12.1.012-90. Вибрационная безопасность. Общие требования. М.: Госстандарт, 1990.
3. Климов И.В., Кошелев В.П., Носов В.С. Виброизоляция штамповочных молотов. М.: Машиностроение, 1979.
4. Щеглов В.Ф. Совершенствование кузнечного оборудования ударного действия. М.: Машиностроение, 1968.
5. Direct spring sistem isolates hammer vibration // Precis. Metal. 1982. V. 40. № 6 (63).
Глава 6.8
КОНСТРУКЦИИ И РАСЧЕТ ДЕТАЛЕЙ МОЛОТОВ
Конструкции и расчеты основных деталей молотов приведены в работах [1, 2, 3]. Штоки молотов изготавливают из никелесодержащих сталей с содержанием углерода более 0,3 %, например из 40ХН, 40ХНМ. Штоки выполняются либо цельными вместе с поршнем, либо разъемными. В последнем случае применяется горячая посадка поршня на конус штока.
Штоки изготавливают ковкой с последующей термической обработкой в вертикальном положении на микроструктуру - сорбит.
После термической обработки штоки шлифуют и накатывают роликом. Эффективная глубина наклепанного слоя после накатки выбирается по зависимости
Л = 0,01£>ш(10/^£>ш (6.8.1)
где -диаметр накатываемой части штока.
Профильный радиус ролика и сила накатки Р рассчитываются по формулам:
г = аЛ2(1/Пш + 1/Ор), (6.8.2)
КОНСТРУКЦИИ И РАСЧЕТ ДЕТАЛЕЙ МОЛОТОВ
437
Р = РЛ2. (6.8.3)
В выражениях (6.8.2) и (6.8.3) а и 0 - коэффициенты, зависящие от марки стали (например, для стали 40ХН а= 1,068-10"2, Р= 13,2); Dp - диаметр накатного ролика.
Число циклов до разрушения N штока оценивается по зависимости
(6.8.4) CTmax/U
С, = -2(Kic — )/CKjCK^it, где KjC — вязкость разрушения в условиях плоского деформационного состояния; - предельное значение размаха коэффициента интенсивности напряжения при распространении трещины; С - константа, характеризующая материал; fik - поправочная функция, которая для применяемых на практике диаметров штоков зависит от длины первоначальной трещины. Например, для штока диаметром 0,03 м из стали 40 ХН при начальной длине трещины 0,003 м fxk - 0,96, а при длине трещины 0,007 м fxk =0,12; - максимальная ве-
личина напряжений в штоке:
атах
=v^Ep+
2 10~3Е</ш /
(6.8.5)
Первое слагаемое определяет волновые напряжения растяжения-сжатия, второе - напряжение от изгиба штока.
v - скорость бабы молота перед ударом;
Е - модуль упругости;
р - плотность материала;
dm - диаметр штока;
/ - длина штока; /н - длина направляющих;
Д - зазор между бабой и направляющими станины.
Более точно максимальное напряжение в штоках рассчитывается методом конечных элементов.
При проектировании молотов с ’’тонким" штоком производится оценка его устойчивости по формуле
(6.3.6)
где Р|ф - критическая сила, превышение которой приводит к потере устойчивости штока;
F- площадь поперечного сечения штока;
стт - предел текучести материала штока;
е - эксцентриситет продольной нагрузки по отношению к центральной оси поперечного сечения штока;
г - радиус штока;
i - радиус инерции;
Et - модуль сдвига;
/-длина штока.
Бабы для ковочных молотов изготавливают литыми, для штамповочных - коваными из того же материала, что и штоки.
Для обеспечения прочности бабы ее выполняют по возможности простой и симметричной относительно оси штока (рис. 6.8.1).
В верхней части бабы выполнено отверстие для соединения со штоком. Такое соединение осуществляется с помощью разъемной стальной или чугунной втулки, толщина стенки которой находится в пределах 10...20 мм (рис. 6.8.2, д). Втулка вставляется в цилиндрическое гнездо бабы. Твердость материала втулки ниже твердости бабы. Во внутреннюю конусную поверхность втулки вставляется шток с латунной прокладкой.
Рис. 6.8.1. Баба (ударная масса) паровоздушного штамповочного молота
438
Глава 6.8. КОНСТРУКЦИИ И РАСЧЕТ ДЕТАЛЕЙ МОЛОТОВ
Рис. 6.8.2. Схемы крепления штока с бабой: а - с помощью подпятника; б - конусное с клиновой регулировкой; в - сферическое; г - конусное; д - конусное с разрезной втулкой
В нижней части бабы имеются пазы для крепления верхнего бойка или штамподержа-теля верхней половины штампа. Последний крепится к бабе с помощью хвостовика, имеющего углубления клиновидной формы и клина (уклон клина 1:100).
На боковых поверхностях бабы имеются направляющие гребенки трапециевидной формы для увеличения контактной поверхности и снижения износа. При такой форме исключается защемление бабы при ее нагреве и расширении.
Напряжения в бабе имеют волновой характер и определяются методом конечных элементов, причем баба молота рассматривается совместно со штоком.
Поршни молотов изготавливают из стали 45 или 30. Диаметр поршня приближенно определяется из соотношения
D = (1,25...2,5)у[т/р,
где т - масса рабочих частей; р - минимальное давление свежего пара.
На поршни надевают разрезные кольца, препятствующие утечке пара.
Зазор между цилиндром и поршнем для ковочных молотов составляет 0,5... 1,5 мм, для штамповочных - 0,3 5... 0,9 мм.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Зимин А.И. Машины и автоматы кузнечно-штамповочного производства. Ч. 1: Молоты. М.: Машгиз, 1953.
2. Игнатов А.А. Штамповочные молоты. М.: Машгиз, 1950.
3. Щеглов В.Ф. Совершенствование кузнечного оборудования ударного действия. М.: Машиностроение, 1968.
Раздел 7
ВИБРАЦИОННЫЕ И ИМПУЛЬСНЫЕ МАШИНЫ
Глава 7.1
КЛАССИФИКАЦИЯ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ
Для интенсификации ряда технологических процессов обработки давлением применяются машины, обеспечивающие вибрационное и импульсное воздействие на объект обработки, характеризующееся: периодичностью (с заданными частотой и амплитудой) и скоростью нагружения; кратковременностью передачи объекту обработки значительных энергии; созданием дополнительных электромагнитных и тепловых полей. Эти особенности силового воздействия определили появление новых технологий и соответствующих машин обработки давлением - вибрационных [4], импульсных [11], гидроимпульсационных [18], жкгровысадочных [16], электромагнитных [1].
Вибрационные машины. Полезные вибрации в области обработки материалов давлением применяются для процессов: вибрационной осадки, вырубки [12], зачистки и доводки [14], пульсирующей вытяжки и штамповки, калибровки профилей [8, 7], вибрационного прессования порошковых металлических и неметаллических материалов [13, 5].
Преимущества вибрационной обработки: - снижение потребной силы на исполнительном звене машины при наложении на него вибрационной составляющей за счет уменьшения сил трения между матрицей, пуансоном и объектом обработки (операции вырубки, обжимной штамповки, калибровки, вытяжки, прессования металлопорошков);
- повышение качества обработанной поверхности деталей и геометрической точности размеров (операции зачистки, калибровки, доводки, штамповки);
- достижение заданной плотности заготовки для изделия из порошкового материала с минимальной неравноплотностью по объему при рабочих силах, амплитудное значение которых в десятки (и более) раз меньше аналогичной) статической силы (операции вибрационного и виброударного прессования неметаллических порошковых материалов, виброуп
лотнения металлопорошков). Промышленная апробация способов вибрационной обработки давлением осуществлялась на специальном оборудовании с различным типом приводов. Это оборудование по структурной схеме и способу воздействия на объект обработки наиболее полно охватывается общим понятием "вибрационные прессы", которое соответствует понятию "вибрационное оборудование для процессов обработки давлением" и входит в сформировавшуюся главным образом в течении последних десятилетий область вибрационной техники [2,4,6].
Наиболее показательным критерием оценки технологических возможностей существующих вибрационных прессов является тип привода главного движения. Классификация вибрационных прессов по типу главного привода с указанием возможности их применения для технологических процессов обработки давлением показана на рис. 7.1.1.
Среди вибрационных прессов с механическим приводом промышленное применение получил дебалансный привод с двухвальным вибровозбудителем на основе серийно выпускаемых унифицированных виброплощадок блочного типа различной грузоподъемности [4], обеспечивающих колебания испытательного звена пресса с частотой порядка 50 Гц и амплитудой (0,3...0,6) • 10-3 м при суммарной мощности приводных асинхронных двигателей, достигающей 100 кВт. Опытные образцы механических вибрационных прессов модели ВП [4] применяются при производстве огнеупоров сложной конфигурации и больших габаритов.
Вибрационные прессы с гидравлическим насосным приводом [8, 7] применяются для калибровки, шлихтовки, доводки. Обычно имеют традиционную схему гидропресса с П-образной или С-образной станиной. Расположение привода вибраций возможно верхнее и нижнее с возбудителем оригинальной конструкции в виде пульсатора [7] или'следящего золотника [4]. Промышленное применение имеет гамма вибрационных прессов с гидравлическим насосным приводом модели ППН [7] конструкции ЭНИКмаш. Известны опытные
i
Нижнее расположение приводи {JJ—Лрлнее ffj|- двустороннее
Глава 7.1. КЛАССИФИКАЦИЯ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ
Рис. 7.1.1. Классификация вибрационных прессов: а — по типу главного привода; б - по возможности их применения для технологических процессов обработки давлением
КЛАССИФИКАЦИЯ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ
441
образцы вибрационных доводочных прессов модели ГДП [4], но они широкого распространения не получили.
Для производства заготовок изделий из порошковых неметаллических материалов в порошковой металлургии разработана гамма вибрационных прессов модели ИВПМ [5]. В этих машинах используется новый тип привода, получивший название гидроимпульсно-го. Этот привод обеспечивает периодический импульсный характер воздействия на заготовку и в отличие от насосного позволяет за каждый рабочий ход машины передавать практически мгновенно энергию, накопленную в одноцикловом гццроаккумуляторе, причем передача этой энергии исполнительному звену машины осуществляется с помощью автоматического вибровозбудителя (клапана-пульсатора) с обратной связью по давлению.
Вибрационные прессы модели ИВПМ ввляются новым высокоэффективным оборудованием для получения заготовок изделий сложной конфигурации и больших габаритов из порошковых материалов с труднодеформи-руемыми частицами основы.
Инерционная схема нагружения заготовки, предусмотренная в конструкции ИВПМ, и импульсный характер силового периодического воздействия на нее со стороны исполнительного звена вибрационного пресса в совокупности определили новый способ виброудар-ного прессования порошковых заготовок [6].
Вибрационные прессы с электрическим приводом распространения не получили. Известны [2] попытки создания подобного оборудования на основе электромагнитных и электродинамических вибровозбудителей, однако из-за высокой стоимости, сложности изготовления и ограниченных технологических возможностей привода работоспособные промышленные образцы вибрационных машин с этим типом привода созданы не были.
Комбинированный гидромеханический привод для вибрационных прессов, содержащий замкнутую гидросистему с эксцентриковоплунжерной схемой возбуждения вибраций, при значительных рабочих силах становится неработоспособным из-за упругих деформаций гидросистемы, соизмеримых с допустимым ходом плунжеров.
Применение электрогидравлического привода для вибрационных прессов перспективно при условии создания электросистем меньших габаритов, дешевых и простых в об
служивании, обеспечивающих заданную частоту следования электрических разрядов с расчетной энергией.
Основы теории расчета и конструирования вибрационных машин обработки давлением в достаточном объеме разработаны только для гидравлических вибрационных прессов модели ЙВГШ [5]. Для остальных вибрационных машин при их создании используются известные положения теории соответствующих типов приводов. В основу теории ИВПМ заложены требования реализации условий резонансно-структурной теории виброударно-го прессования заготовок из непластичных (труднодеформируемых) порошковых материалов при инерционном нагружении [10]. Исходными данными для определения параметров этого нагружения под воздействием периодических импульсов внешних сил расчетной энергии являются физико-механические и геометрические параметры заготовки в начальный и конечный моменты прессования.
Импульсные машины. К импульсным машинам обработки давлением относятся "механические, гидромеханические, электромеханические и другие системы, в которых воздействие энергоносителя или передающей среды на обрабатываемый материал осуществляется со скоростью, зависящей от физических констант среды в течении короткого промежутка времени", меньшего чем полупериод свободных колебаний системы [9].
Основным источником энергии, которая посредством механического импульса передающей среды - жидкости, газа, твердого тела, сыпучей среды выполняет работу деформирования обрабатываемого материала, служат гидро- и газоаккумуляторы, генераторы ударных волн жидкости и газа, взрывные химические вещества и смеси, электрические разряды, электромагнитные и гравитационные поля. По классификации, предложенной Ю.А. Бочаровым, импульсные машины делятся по видам источников энергии на гидравлические, газовые, взрывные, электрогидравлические и магнитные [9].
Практическое применение импульсные машины нашли для операций штамповки (разделительных и формообразующих), осадки, выдавливания, чеканки [11, 17].
Среди гидравлических импульсных машин различают импульсные пресс-молоты и установки для листовой штамповки жидкостью, использующие импульс волны ударного
442
Глава 7.1. КЛАССИФИКАЦИЯ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ
давления жидкости [3] или ударного расширения жидкости, предварительно сжатой в замкнутом объеме аккумулятора расчетным давлением [15]. Импульсные машины, созданные по этому принципу, широкого распространения не получили из-за сложности создания быстродействующих импульсных клапанов и больших потерь энергии на дросселирование жидкости на их распределительных кромках.
На базе газового и газогидравлического импульсных приводов создано промышленное оборудование - высокоскоростные молоты, у которых скорость разгона в момент соударения рабочей массы может достигать более 100 м/с. Это сокращает время нагрузочной фазы удара, т.е. переднего фронта импульса (более подробно см. раздел "Молоты").
Взрывные импульсные машины реализованы в виде взрывных высокоскоростных молотов для резки сортового металла, брикетирования стружки и пробивки отверстий. Применение ограничено из-за необходимости использования взрывчатых веществ и отсутствия существенных технологических преимуществ по сравнению с газовыми и газогидравлическими молотами. Также к взрывным импульсным машинам относятся установки, в которых используется энергия взрыва детонирующего взрывчатого вещества или быстрого сгорания воспламеняющейся газовой смеси для образования взрывной ударной волны в передающей среде (газе, жидкости, сыпучем материале), непосредственно воздействующей на объект обработки [9]. Эти установки просты в конструктивном исполнении, сравнительно дешевы, позволяют реализовывать процесс штамповки деталей из любых пластичных материалов больших габаритов и сложной конфигурации. Применение ограничено соображениями техники безопасности.
Наиболее широко в промышленности применяются импульсные установки для элек-троимпульсной обработки (ЭИО) пластическим деформированием, которые включают в себя электрогидроимпульсную (ЭГИО) и магнитно-импульсную обработку (МИО), в том числе разновидность последней - магнитно-эластоимпульсную обработку (МЭИО) [11,17].
Принцип действия этих установок заключается в использовании высоковольтного электрического разряда в жидкости при ЭГИО и на индуктор МИО.
В качестве рабочих жидкостей при ЭГИО применяются: вода, углеводородные, кремний-
органические, полиэтилсилоксановые жидкости, глицерин, расплавы солей и другие жидкости со свойствами электролитов и диэлектриков. Свойства рабочих жидкостей оказывают существенное влияние на характеристики электрического разряда и гидравлический КПД процесса. МИО осуществляется без передаточной (рабочей) среды, за исключением МЭИО, где используется промежуточная среда в ваде диафрагмы или блока из резины или полиуретана.
Установки для ЭГИО с малой запасаемой энергией (до 45 кДж) более известны под названием электрогидроимпульсных прессов.
Основные разработки серийных прессов типа Т (Т1220, Т1223, Т1228, Т1229, Т1231) и ПЭГ (ПЭГ-25, ПЭГ-60С, ПЭГ-100Н, ПЭГ-150) выполнены ПКБ электрогидравлики АН УССР (г. Николаев). Аналогичные зарубежные импульсные машины выпускаются Японией (фирма Shimdzu), США (Rohr), Англией (Vickers) и поставляются на экспорт. Для штамповки и калибровки крупногабаритных изделий в ПКБ электрогидравлики разработаны электро-гидравлические установки типа "Удар", для развальцовки и сварки труб - типа "Молния" [11]. Зарубежные аналоги разработаны в США (Cincinnati Shaper Со) и Японии (Japax).
Установки для МИО подразделяются на группы: для обработки цветных металлов и сплавов, низкоуглеродистых сталей (I группа); для тех же целей, что и I группа, но для работы в автоматическом режиме с высокой производительностью (II группа); для деформирования тонколистовых материалов толщиной до 0,1 мм в автоматическом режиме при работе в линии (III группа). Разработан размерный ряд магнитно-импульсаых установок МИУ для МИО с запасаемой энергией до 240 кДж, предназначенных для штамповки заготовок с габаритными размерами от 100 до 1000 мм.
Основы теории расчета и конструирования импульсных машин с различными типами источников энергии изложены в соответствующих специальных справочных и научно-технических изданиях [5, 11, 17]. Расчет основных параметров импульсных машин заключается главным образом в определении: накопленной (запасенной) в источнике величины энергии; КПД машины в зависимости от физико-механических характеристик передающей среды; формы, длительности и амплитуды импульса нагрузочной фазы удара; частоты следования импульсов и скважности импульсного процесса.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
443
Электровысадочные машины. Электровысадочные машины предназначены для получения утолщений на заготовках из прутка или трубы при ее подаче в зону (очаг) деформации, подвергаемую электронагреву.
Согласно технологической классификации [16] электровысадкой получают поковки в виде деталей: стержневого типа с утолщениями на концах (I группа) и в середине (II группа) из углеродистых, конструкционных, жаропрочных сталей и сплавов; трубчатого типа с утолщениями на концах (III группа) из углеродистых, легированных и корозионно-стойких сталей, а также деталей стержневого типа с различными утолщениями на концах из конструкционных и легированных сталей (IV группа).
Электровысадочные машины отечественного производства подразделяются в зависимости от направления и типа привода подачи заготовки (вдоль оси) на горизонтальные с гидравлическим приводом и вертикальные с пневматическим приводом, а также на горизонтальные и вертикальные с пневматическим приводом, оснащенные тиристорным контактором. ЭНИКмашем и СКБКМ разработаны машины моделей В5116, В5124, В5120 и В5128 с номинальной силой соответственно 40,100,250 и 630 кН.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Баранов В.Н., Захаров Ю.Е. Элек-трогидравлические и гидравлические вибрационные машины. М.: Машиностроение, 1977. 326 с.
2. Вибрации в технике: Справочник: В 6 т. / Ред. совет: В.И. Челомей (пред.) и др. М.: Машиностроение, 1981. Т. 4: Вибрационные процессы и машины / Под ред. Э.Э. Ла-вендела. 1981. 509 с.
3. Зимин А.И., Кагарманов А.Ф., Ко-ннц И.Е. Новые быстродействующие штамповочные гидравлические импульсные машины и установки. М.: НИИмаш, 1978. 44 с.
4. Искович-Лотоцкий Р.Д., Матвеев КБ. Вибрационные прессы. М.: НИИмаш, 1979.50 с.
5. Искович-Лотоцкий Р.Д., Матвеев И.Б., Крат В.А. Машины вибрационного и виброударного действия. Киев: Техшка, 1982. 208 с.
6. Искович-Лотоцкий Р.Д. Пен-тюк Б.Н. Экспериментальное исследование рабочих режимов виброударного прессования // Кузнечно-штамповочное производство. 1982. №4. С. 33-35.
7. Кононов И.В., Масленников И.Е., Платонов В.Н. Прессы с пульсирующей нагрузкой // Кузнечно-штамповочное производство. 1974. №2. С. 35-36.
8. Кононов И.В. Новые гидравлические кузнечно-прессовые машины и гидроприводы // Кузнечно-штамповочное производство. 1970. №7. С. 26-28.
9. Кузнечно-штамповочное оборудование: Учебник для машиностроительных вузов / А.Н. Банкетов, Ю.А. Бочаров, Н.С. Доб-ринский и др.; Под ред. А.Н. Банкетова, Е.Н. Ланского. 2-е изд. перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1982. 576 с.
10. Моделирование систем, расчет элементов, формообразование поверхностей, защитные покрытия и новое оборудование в машиностроении / Э.И. Жуковский и др. Киев: Вища школа, 1989. 360 с.
11. Оборудование и технологические процессы с использованием электрогидравли-ческого эффекта / Г.А. Гулый, П.П. Малюшев-ский, Е.В. Кривицкий и др.; Под ред. Г.А. Гу-лого. М.: Машиностроение, 1977. 320 с.
12. Подураев В.Н., Миронюк А.Ф. Исследование процесса вырубки на гидравлических прессах с применением вибраций // Кузнечно-штамповочное производство. 1969. №11. С. 21-22.
13. Подураев В.Н., Миронюк А.Ф., Пендраковскнй Н.Н. Некоторые результаты исследования вибрационного уплотнения металлических порошков на вибропрессе // Порошковая металлургия. 1975. № 2. С. 23 - 27.
14. Прищепнонок Л.А., Мельник В.А., Рягузов А.Л. Исследование экспериментального образца пресса для вибрационной зачистки модели ИМ-61 // Кузнечно-штамповочное производство. 1972. № 9. С. 27 - 28.
15. Роганов Л.Л, Соколов Л.Н., Тарасов А.Ф. Импульсные машины ударного действия с гидропружинным приводом // Обработка металлов давлением в машиностроении. Харьков: Вища школа, 1982. Вып. 18. С. 79 - 82.
16. Сенькин И.Т., Подрабннник Л.И. Оборудование и технология для электровысадки: Обзор. М.: НИИмаш, 1982. 48 с.
17. Справочник по электрохимическим и электрофизическим методам обработки / Г.А. Амиган, И.А. Байсунов, Ю.М. Балон и др.; Под ред. В.А. Волосатова. Л.: Машиностроение, 1988.719 с.
18. Тярасов Г.П. Гидроимпульсные прессы // Кузнечно-штамповочное производство. 1996. №12. С. 30-32.
444
Глава 7.2. ГИДРОВИБРАЦИОННЫЕ И ГИДРОПУЛЬСАЦИОННЫЕ МАШИНЫ
Глава 7.2
ГИДРОВИБРАЦИОННЫЕ И ГИДРОПУЛЬС АЦИОННВ1Е МАШИНЫ
7.2.1. ГИДРОВИБРАЦИОННЫЕ ПРЕССЫ
В практике обработки давлением гидро-вибрационные машины получили применение в виде вибрационных прессов с гидравлическим приводом [3], созданных на базе традиционных одно- и двухстоечных прессов с верхним (рис. 7.2.1, а) или нижним (рис. 7.2.1, б) расположением рабочего звена 1 и обеспечивающих одностороннее периодическое нагружение заготовки 4. Известны [8] разработки подобного оборудования для двухстороннего прессования (рис. 7.2.1, в). Для всех вариантов конструкций вибропрессов колебания их рабочих звеньев 7 осуществляются непосредственно за счет периодического изменения давления в полости рабочего цилиндра 2, создаваемого гидравлическим вибровозбудителем 3. Использование в приводе рабочего звена различных типов гидравлических вибровозбудителей определило многообразие типов гидравлических вибропрессов, разработанных и созданных радом проектно-конструкторских и научно-исследовательских организаций [4]. Все типы гидравлических вибровозбудителей, которые в той или иной степени нашли применение или были апробированы в приводе вибрационных прессов, созданных на базе обычных гидропрессов, предложено [2] классифицировать как пульсаторные и автоколебательные (рис. 7.2.2).
Пульсаторные вибровозбудители по принципу создания периодического давления в рабочем гидроцилиндре подразделяются на насосные с замкнутой циркуляцией рабочей жидкости [11], золотниковые с принудительным осевым перемещением или вращением распределительного элемента от отдельного привода [1, 17]. Простота конструкций пульсаторных вибровозбудителей привлекала внимание проектировщиков вибропрессового оборудования, однако широкого распространения они не получили вследствие ряда существенных недостатков, проявляющихся в процессе эксплуатации. Для насосных вибровозбудителей это интенсивный нагрев рабочей жидкости в замкнутых гидросистемах, для золотниковых с принудительным механическим открытием -
значительные потери мощности на дросселирование жидкости в результате увеличения ее подачи в гидросистему при неизменной скорости перемещения или вращения распределительного элемента, разнородный привод и сложность регулировки величины энергии, подводимой для совершения одного рабочего хода.
Применение автоколебательных гидравлических вибровозбудителей с механической и гидравлической обратными связями в приводе вибрационных прессов позволило несколько расширить возможности последних при регулировке параметров нагружения и, следовательно, в процессе эксплуатации [1].
Первые конструкции гидромеханических автоколебательных вибровозбудителей с зазором в жесткой обратной связи по перемещению рабочего звена использованы в вибрационных прессах модели ГДП [3], которые содержат обычный насосный привод и вибровозбудитель, построенный на основе следящего однокаскадного копировального устройства. Вибрационные перемещения рабочего звена ГДП обеспечивает двухштоковый поршень, цилицдр которого закреплен на П-образной станине. Для обеспечения колебаний поршня предусмотрена гидромеханическая система
управления.
Рис. 72.1. Вибрационные прессы с гидравлическим приводом вибраций рабочего звена: а - верхним; б - нижним; в - двухсторонним
ГИДРОИНЕРЦИОННЫЕ ВИБРОПРЕССЫ
445
Рис. 122. Схемы гидравлических вибровозбудителей:
а - насосный; б - золотниковый; в - золотниково-втулочный; г - гидромеханический; д - пульсатор; е - клапан-пульсатор
Рис. 7.23. Схема пресса пульсирующего нагружения (ППН)
В вибрационных гидравлических процессах для обеспечения более широких возможностей регулировки рабочих режимов нагружения применяются автоколебательные вибровозбудители с зазором в механической обратной связи между распределительным элементом и сервоклапаном [5, 6] и с гидравлической обратной связью по перепаду давления [В, 4]. Соответственно эти вибровозбудители в специальной литературе известны также как "пульсаторы" и "клапаны-пульсаторы”. Пульсаторы нашли применение в вибропрессах модели ППН [5], а клапаны-пульсаторы впер
вые были использованы на опытных образцах гвдроинерционных прессов модели ГИП [8], разработанных ЭНИКмашем.
На рис. 7.2.3 показана схема пресса пульсирующего нагружения модели ППН [5]. В нижней части двухстоечной станины 1 размещен привод звена 2, которое воздействует на заготовку, размещенную в разъемном штампе 3. С помощью пульсатора 4 в полости рабочего гидроцилиндра создается периодически изменяющееся давление, которое вызывает вибрационные перемещения рабочего звена пресса.
Технические характеристики гаммы прессов модели ППН приведены в табл. 7.2.1 [7]. Прессы моделей ППН-100 (с верхним приводом) и ППН-315 (с нижним приводом) соответственно с рабочей силой 1000 и 3150 кН используются для калибровки труб и профилей алюминиевых сплавов.
7.2.2. ГИДРОИНЕРЦИОННЫЕ ВИБРОПРЕССЫ
Гцдроинерционные вибропрессы моделей ГИП и ИВПМ [3, 8, 4] по принципу действия существенно отличаются от гидровибра-ционных прессов способом формирования рабочей силы на заготовке.
446
Глава 7.2. ГИДРОВИБРАЦИОННЫЕ И ГИДРОПУЛЬСАЦИОННЫЕ МАШИНЫ
Техническая характеристика гаммы прессов ППН
Параметр Модель вибропресса
ППН 160 ППН315 ППН630 ППН 1250 ППН2500
Сила пресса, кН 1600 3150 6300 12 500 25 000
Амлитуда колебаний плунжера, мм 1 1 1 1 1
Частота нагружений, Гц 20 . 20 18 15 12
Рабочее давление жидкости, МПа 200 160(175) 200 200 200
Рабочая жидкость Водная эмульсия
Подача насосов, м3/с 6,6- 10‘3 13,2 • 10’3 23,3 • 10’3 33,3 • 10'3 45 • 10‘3
Рис. 7.2.4. Принципиальные схемы компоновки массы инерционного пригруза в вибропрессах моделей ГИП и ИВПМ
Основные режимы инерционного нагружения заготовок (способы формирования рабочего профиля) в процессе вибрационного прессования реализуются при верхнем или нижнем расположении относительно заготовки рабочего звена, совершающего периодические вынужденные возвратно-поступательные перемещения.
Принципиальные схемы компоновки массы инерционного пригруза при верхнем и нижнем расположении рабочего звена в вибрационных прессах ГИП и ИВПМ с гидроприводом показаны на рис. 7.2.4, а. При верхнем расположении рабочего звена 2 нагружение заготовки 1 в исходном состоянии осуществляется за счет сил тяжести рабочего звена 2 и
массы инерционного пригруза 3. В зависимости от способа генерирования периодически изменяющегося по величине давления в полости рабочего цилиндра А, выполненного в массе инерционного пригруза 3, нагружение заготовки 7 осуществляется сверху. Сила на заготовке возрастает в момент разгона массы инерционного пригруза и определяется скоростью набора давления. Скорость сброса давления определяет интенсивность разгрузки заготовки при встречном движении массы инерционного пригруза 3 и рабочего звена 2 под действием пружин упругого возврата 4, а момент удара массы инерционного пригруза о заплечики рабочего звена соответствует повторному ударному нагружению заготовки.
При нижнем расположении рабочего звена 2 (рис. 7.2.4, б) нагружение заготовки 1 происходит также в момент набора давления в полости рабочего гидроцилиндра Л, который в этой схеме располагается в станине машины. Нагружение заготовки 1 осуществляется снизу со стороны рабочего звена 2 и сверху со стороны массы инерционного пригруза 3, выполняющего роль опорной поверхности. Наличие упругих элементов 4 обеспечивает возврат в исходное положение рабочего звена 2 и создает условия для разгрузки (полной или частичной) заготовки 1 за счет свободного движения массы инерционного пригруза 3. В момент возврата рабочего звена 2 в исходное положение заготовка 1 подвергается дополнительному ударному нагружению снизу, которое определяется скоростью торможения, а затем ударному нагружению сверху при возвращении массы инерционного пригруза в исходное положение на поверхность заготовки.
ГИДРОИНЕРЦИОННЫЕ ВИБРОПРЕССЫ
447
б)
Рис. 7.2.5. Принципиальные схемы гидроимпульсного привода с вибровозбудителем "на входе" (а, а, г) и "на выходе" (б).
Гидроимпульсным приводом служит специальный насосно-аккумуляторный (с насосом постоянной подачи и цикловым аккумулятором) гидравлический привод, обеспечивающий периодическое генерирование импульсов давления жидкости в полости приводного гцд-роцилиндра рабочего звена гидроинерционных прессов ГИП и ИВГМ с помощью специального двухпозиционного гцдрораспределителя [4].
Гидрораспределитель этого привода в соответствии с принятой в настоящее время терминологией [2] получил название вибровозбудителя гидроимпульсного привода с обратной связью по давлению (вместо принятого ранее термина "клапан-пульсатор” [8]).
Принципиальные схемы гидроимпульсного привода, предназначенного для возбуждения вибраций рабочего звена гидроинерционных вибропрессов, показаны на рис. 7.2.5. Отличие этих схем состоит в способе подключения вибровозбудителя 2 гидроимпульсного привода к полости гцдроцилицдра 3 рабочего звена 4. Различают два способа подключения внбровозбудителя:
- "на входе”, когда вибровозбудитель 2 устанавливается в напорной линии между цикловым гидроаккумулятором 1 и полостью гид-роцилиндра 3;
- "на выходе”, когда вибровозбудитель 2 устанавливается между полостью гидроцилиндра 3, соединенной с напорной линией гидросистемы, и сливом.
В гидроимпульсных приводах обычно применяются двух- и трехходовые вибровозбудители [4]. В целях уменьшения энергоза
трат в период технологических пауз в гидро-импульсном приводе вибропрессов дополнительно можно использовать многоцикловый гидроаккумулятор с распределительно-дози-рующим устройством 5 (рис. 7.2.5, г).
В схемах гидроимпульсного привода с вибровозбудителем "на входе" обратную связь по давлению настройки вибровозбудителя можно рассматривать (при неизменных параметрах гидросистемы) как обратную связь по величине энергии Па, накопленной в цикловом гидроаккумуляторе 1 и передаваемой через вибровозбудитель 2 при открытии его запорного элемента в полость рабочего гидроцилиндра 3. С учетом подачи насоса QH и средней подачи гидроаккумулятора 2аср полная величина передаваемой энергии может быть определена зависимостью
па ~ (QH 4” £?а.ср) Рср^р»
где рср = 0,5(pmax + pmin) - среднее значение давления в гидросистеме при разрядке гидроаккумулятора от давления до Pmin за время тр.
Выбор способа подключения вибровозбудителя в гидроимпульсном приводе вибропрессо-вого оборудования определяется заданным режимом инерционного нагружения и требованиями, предъявляемыми к параметрам генерируемых импульсов давления жидкости. Для генерирования ударных (мгновенных) импульсов давления рекомендуется подключение вибровозбудителя "на входе". Подключать вибровозбудитель "на выходе" рекомендуется
448
Глава 7.2. ГИДРОВИБРАЦИОННЫЕ И ГИДРОПУЛЬСАЦИОННЫЕ МАШИНЫ
при верхнем расположении рабочего звена машины, когда силовое воздействие на заготовку определяет удар массы инерционного пригруза.
На базе гидроимпульсного привода с двухходовым двухпозиционным вибровозбудителем "на выходе” созданы опытные образцы инерционных вибропрессов моделей ГИЛ 100 и ГИП200[8].
На рис. 7.2.6 показана схема вибропресса модели ГИЛ [8], у которого плунжер 5 воздействует на заготовку б динамической силой, периодически создаваемой вибровозбудителем 4 в телескопическом трубопроводе 3 и полости рабочего цилиндра, корпусом которого служит подвижная относительно станины 1 инерционная масса 2.
Базовая конструктивная схема гаммы инерционных вибропресс-молотов модели ИВПМ, разработанных в Винницком политехническом институте [4], представлена на рис. 7.2.7. Вибропресс содержит нижний привод стола 2 с элементами упругого возврата и подвижную поперечину 3 с закрепленной на ней сменной инерционной массой 4, которая свободно перемещается по направляющим колоннам, образующим жесткую раму с верхней и нижней поперечинами станины 1. В гид-роимпульсном приводе 5 вибропрессов модели ИВПМ используется трехходовый двухпозиционный вибровозбудитель, подключенный "на входе".
Технические характеристики гаммы вибропрессов модели ИВПМ приведены в табл. 7.2.2.
Рис. 72.7. Инерционный вибропресс-молот (ИВПМ)
7.2.2. Техническая характеристика инерционных вибропресс-молотов ИВПМ
Параметр Модель вибропресса
ИВПМ-10* ИВПМ-16 ИВПМ-20* ИВПМ-25* ИВПМ-32
Максимальная сила на рабочем столе, кН 100 160 200 250 320
Пределы регулирования частоты рабочих ходов, Гц 5...30 25...50 20...30 5...40 15...30
Пределы регулирования амплитуды вибраций стола, мм 0,5...10 1...5 2...10 0,5...10 2...6
Максимальная энергия рабочего хода, Дж 350 400 800 500 1000
Рабочее давление жидкости в гидросистеме, МПа 12 12 36 16 32
Подача насоса основного привода, м3/с 0,6 • 10’ 10 • 10’ 0,6-10’3 10 • 10’3 12 • 10"3
Мощность приводного электродвигателя, кВт 7,5 18,5 18,5 18,5 37
ГИДРОПУЛЬСАЦИОННЫЕ ПРЕССЫ
449
Продолжение табл. 7.2.2
Параметр Модель вибропресса
ИВПМ-10ф ИВПМ-16 ИВПМ-20* ИВПМ-25* ИВПМ-32
Габариты прессуемых заготовок, м: в плане высота 0,30 х 0,4 0,3 0,5 х 0,5 0,3 0,7 х 0,8 0,4 0,7 х 1,0 0,4 0,8 х 1,0 0,6
* Модели ИВПМов, использованные при модернизации серийных гидропрессов.
7.2.3. ГИДРОПУЛЬСАЦИОННЫЕ ПРЕССЫ
В гидропульсационных прессах [15] применяются роторные гидропульсаторы объемного вытеснения [12], приводимые непосредственно электродвигателями [13] для создания пульсирующих нагрузок. Амплитуда давления до 32 МПа, частота 20... 50 Гц.
В конструкции гидропульсационного пресса (рис. 7.2.8) электродвигатель 1 приводит ротор гидропульсатора 2, который осуществляет пульсирующую подачу рабочей жидкости в рабочий цилиндр 3 с поршнем 5 и возвратной пружиной 4. Гидроцилиндр 6 с помощью
колено-рычажного механизма 7 осуществляет холостой ход приближения. Гидропульсатор включается во время рабочего хода, создавая наложенные пульсационные нагрузки на деформируемый материал.
В горизонтальной конструкции гидропульсационного пресса [14], устанавливаемого на столе-верстаке (рис. 7.2.9), гидропульсатор 1 приводится электродвигателем 3 с маховиком 2. Пульсирующая подача рабочей жидкости поступает через клапан 4, размещенный в крышке 5, и воздействует на поршень б, соединенный с ползуном 8. Пружины 7 служат для возвращения поршня в исходное состояние [16].
Рис. 7.2.8. Гидропульсационный пресс вертикальной компоновки
15-819
450
Глава 7.2. ГИДРОВИБРАЦИОННЫЕ И ГИДРОПУЛЬСАЦИОННЫЕ МАШИНЫ
7.2.9. Гидропульсационный пресс горизонтальной конструкции
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Баранов В.Н., Захаров Ю.Е. Элек-трогидравлические и гидравлические вибрационные машины. М.: Машиностроение, 1977. 326 с.
2. Вибрации в технике: Справочник: В 6 т. / Ред. совет: В.Н. Челомей (пред.) и др. М.: Машиностроение, 1981. Т. 4: Вибрационные прессы, и машины / Под ред. Э.Э. Лавен-дела. 1981. 509 с.
3. Искович-Лотоцкий Р.Д., Матвеев И.Б. Вибрационные прессы. М.: НИИмаш, 1979. 50 с.
4. Искович-Лотоцкий Р.Д., Матвеев И.Б., Крат В.А. Машины вибрационного и виброударного действия. Киев: Техшка, 1982. 208 с.
5. Кононов И.В., Масленников И.Е., Платонов В.Н. Прессы с пульсирующей нагрузкой И Кузнечно-штамповочное производство. 1974. № 2. С. 35-36.
6. Кононов И.В. Новые гидравлические кузнечно-прессовые машины и гидроприводы И Кузнечно-штамповочное производство. 1970. №7. С. 26-28.
7. Масленников И.Е. Разработка и исследование гидравлических прессов с пульсирующей нагрузкой для калибровки труб и профилей: Дис. ... канд. техн. наук. М., 1975. 25 с.
8. Матвеев И.Б. Гидропривод машин ударного и вибрационного действия. М.: Машиностроение, 1974. 184 с.
9. Пентюк Б.Н., Бочаров Ю.А. Гидравлический вибратор: А.с. 1121519 И Бюл. 1984. №40.
10. Пентюк Б.Н., Бочаров Ю.А. Генератор импульсов давления: А.с. 1116234 II Бюл. 1984. № 34.
11. Серенсен С.В., Гарф М.Э., Кузьменко В.А. Динамика машин для испытания на усталость. М.: Машиностроение, 1967.460 с.
12. Тярасов Г.П. Высокочастотный гидропульсатор: Пат. РФ 2037683.
13. Тярасов Г.П. Гидропульсационный пресс: Пат. РФ 2010658.
14. Тярасов Г.П. Гидропульсационный пресс шагового действия: Пат. РФ 2093296.
15. Тярасов Г.П. Гидропульсационные прессы И Кузнечно-штамповочное производство. 1996. № 12. С. 30-32
16. Тярасов Г.П. Гидропульсационные прессы, вибрационные и виброударные машины на базе гидропульсаторов И Тяжелое машиностроение. 1998. № 2. С. 22 - 23.
17. Файкнн В.И. Исследование процесса вибрационного формования пористых труб из порошковых материалов: Дис. ... канд. техн, наук. М., 1970. 21 с.
ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРЕСС-МОЛОТЫ
451
Глава 7.3
ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРЕСС-МОЛОТЫ
Схемы конструкции. Гидродинамические пресс-молоты - это гидравлические импульсные машины [5], на которых пластическое деформирование металлической заготовки осуществляется энергией, переносимой от источника до исполнительного устройства первой фазой продольной волны высокого давления в жидкости, заключенной в трубе [3, 1, 2]. Они предназначены для штамповки мелких изделий методами листовой и объемной штамповки. В импульсных машинах [6] используется энергия сжатой жидкости.
Пресс-молот (рис. 7.3.1) работает как в режиме импульса давления, так и по схеме обычного пресса. Для работы в импульсном режиме электромагниты У1 и У2 должны быть выключены. При выключении электромагнита УЗ правая управляющая полость сервоклапана соединяется со сливом, в результате чего управляющая полость импульсного клапана также соединяется со сливом. Импульсный клапан быстро (за тысячные доли секунды) открывается. Происходит гидравлический удар, формирующий первую фазу продольной ударной волны в трубопроводе, фронт которой при достижении исполнительного устройства воздействует на поршень. Происходит сложный процесс наложения обратной продольной волны, сопровождающийся удвоением давления
и разгоном подвижных частей машины с некоторым запаздыванием.
Одновременно некоторое время идет накопление энергии импульса и преобразование ее в кинетическую энергию машины. Процесс накопления длится до момента подхода фронта обратной волны к импульсному клапану.
Энергия импульса совершает работу пластического деформирования, преобразуясь в кинетическую энергию подвижных частей (как на молоте) или в кинетическую энергию и энергию давления (пресс-молотовый режим) или без преобразования. Число циклов пресс-молота в минуту регулируется с помощью реле времени.
На рис. 7.3.2 показано исполнительное устройство машины для формообразования детали непосредственным воздействием энергии импульса на заготовку 7. Устройство включает в себя: разветвление 2, матрицу 3, уплотнители 4. Принцип работы машины аналогичен предыдущему за тем исключением, что волна, распадаясь на две части в разветвлении, вновь складывается в полости деформируемой заготовки, деформируя ее.
Возникает гидравлический удар, распространяющийся со скоростью звука в данной среде в направлении исполнительного механизма, что сопровождается переносом энергии аккумулятора в направлении исполнительного механизма.
Конструкции и расчет гидроприводных прессов и молотов, использующих энергию сжатой жидкости, приведены в работе [6].
Рис. 73.1. Принципиальная схема конструкции гидравлического импульсного пресс-молота:
/-исполнительное устройство; 2 - фильтр грубой очистки; 3 - насосная установка; 4 - золотник управления сервоприводом импульсного клапана; 5 - сливной бак; 6 - пневмогидравлический аккумулятор;
7 и 3-вентили; 9 -импульсный клапан; 10- дроссель с регулятором и обратным клапаном (реле времени);
11 - сервоклапан импульсный; 12 - сливной клапан; 13 - распределительный клапан; 14 и 17 - манометры;
15 - предохранительный клапан; 16 - фильтр тонкой очистки
1?
452
Глава 7.3. ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ ПРЕСС-МОЛОТЫ
Рис. 73.2. Схема устройства для использования энергии импульса
J = 2EJv, (7.3.2, я)
J = у]2тЕ3, (7.3.2,5)
где Е3 - эффективная энергия машины.
Эта энергия может быть вычислена по работе пластического деформирования с учетом потерь.
При переходе на безразмерные величины соотношения (7.3.2) преобразуются к виду [4]
Элементы и номограмма расчета. Перенос энергии происходит в течение времени, равном 2/ус (здесь /т - длина трубопровода, м; с - скорость распространения волны (звука) в данной среде, м/с).
Для замкнутой механической системы импульс силы
J = mv, (1 ЗА)
где т - масса подвижных частей, кг; v - скорость подвижных частей, м/с. Это соотношение может быть преобразовало к видам
i = elv, (7.3.3, о)
/ = (еМ)1/2, (7.3.3,5)
J Е3 т v
где / =—; е-——; М = — ;v =—.
Л) ^Э.О WO ^0
Соотношениями (7.3.3) удобно пользоваться, если их представить в виде номограммы (рис. 7.3.3). Для расчетов приняты
Рис. 733. Номограмма для расчета конструктивных параметров гидроимпульсного пресс-молота
МАГНИТНО-ИМПУЛЬСНЫЕ МАШИНЫ (УСТАНОВКИ)
453
следующие соотношения:
v0 = 4,47 м/с; Ез о = 1000 Дж; т0 = 9 кг [5].
Задаваясь значениями одних параметров, можно легко вычислить другие, а по найденным параметрам рассчитать геометрические размеры машины по соотношению
£,=2рпр/т/иРа2, (7.3.4)
где 1т - длина трубопровода (без разветвлений), м; fm - площадь поперечного сечения трубопровода, м2; рл - давление жидкости в аккумуляторе, МПа; 0^ - приведенный коэффициент объемного сжатия, м2/МПа, 0пр = =75,31О"5м2/МПа.
Для обеспечения работы машины в режиме импульса необходимо, чтобы время срабатывания клапана было точно выдержано равным 2/от/с.
Расчет геометрических размеров разветвлений ведется с использованием формул (7.3.3) и закона сохранения массы.
Примечание к рис. 7.3.3. Исходная номограмма построена в прямоугольной системе координат с логарифмической сеткой в масштабе (10 х 10) мм. Поэтому копией номограммы на рис. 7.3.3 можно воспользоваться, если, используя цену деления, приведенную в верхнем левом углу номограммы, найти масштаб этой копии.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Банкетов А.Н., Бочаров Ю.А. и др. Кузнечно-штамповочное оборудование. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1982. С. 535 - 541.
2. Высокоскоростное деформирование металлов / Пер. с англ. И.Д. Миттельмана; Под ред. А.М. Шахназарова. М.: Машиностроение, 1966.175 с.
3. Зимин А.И., Кагарманов А.Ф., Кодин И.Е. Новые быстродействующие штамповочные гидравлические импульсные машины и установки. М.: НИИмаш, 1978. 44с.
4. Кагарманов А.Ф. Новое в энергетическом расчете кузнечно-штамповочного оборудования: Тез. докл. на науч.-техн. конф. Пенза, 1988.
5. Кагарманов А.Ф. Прогрессивные типы технологического оборудования: Учеб, пособие. М.: Информэлектро, 1982. 84 с.
6. Роганов Л.Л., Соколов Л.Н. Тарасов А.Ф. Импульсные машины ударного действия с гидропружинным приводом // Обработка металлов давлением в машиностроении. Харьков: Вища школа, 1982. Вып. 18. С. 79 - 82.
Глава 7.4
МАГНИТНО-ИМПУЛЬСНЫЕ МАШИНЫ (УСТАНОВКИ)
Функциональная схема и конструкции. Магнитно-импульсная обработка металлов давлением (МИОМ) осуществляется на магнитно-импульсных установках (МИУ). Все МИУ независимо от принятой схемы исполнения и технологического назначения состоят из технологического и энергетического модулей.
Энергетический модуль (рис. 7.4.1 [2]) содержит следующие основные части: блок емкостных накопителей С, зарядное устройство, включающее в себя повышающее устройство (высоковольтный трансформатор) ПУ и выпрямительное устройство ВУ; коммутирующее устройство (разрядник) Р; технологический блок (индуктор) И; пускорегулирующее устройство ПРУ; аппаратуру, составляющую блок поджигающего устройства БПУ; блок автоматики БА и задатчик уровня энергии 3; защитное устройство, состоящее из ко-роткозамыкателя КЗ, блокировки, и другие элементы; измерительную аппаратуру, содержащую делитель напряжения ДН.
Выбор того или иного компоновочного и конструктивного решения отдельных блоков и МИУ в целом обусловлен производительностью, потребляемой энергией, условиями работы и технологическим назначением МИУ.
Рис. 7.4.1. Функциональная схема магнитно-импульсной установки
454
Глава 7.4. МАГНИТНО-ИМПУЛЬСНЫЕ МАШИНЫ (УСТАНОВКИ)
Рис. 7.4.2. Схемные компоновки магнитно-импульсных установок различной энергоемкости
По технологическому назначению МИУ делятся на следующие группы: 1) для разделительных операций; 2) для формовочных операций; 3) для сборочных операций; 4) для сварки; 5) для прессования порошков; 6) комбинированные. Технологическое назначение обеспечивается конструкцией рабочего инструмента (индуктора), частотой процесса МИОМ и энергоемкостью МИУ.
В зависимости от величины энергии блока накопителей, схемного решения и назначения установки представленные на функциональной схеме (рис. 7.4.1) узлы МИУ целесообразно компоновать в одном блоке (моноблок) с технологическим оборудованием либо в отдельных конструктивно не связанных блоках и модулях. Принимая во внимание массу и габариты отдельных узлов МИУ, безопасность и удобство обслуживания для универсальных
МИУ, можно рекомендовать различные компоновки (рис. 7.4.2).
В соответствии с этим установки, например, фирмы "Магнеформ" (США) оформлены в виде моноблоков, установка МИУ-20/1 (ХПИ) - в виде двух блоков [1]. В последнее время в связи с увеличением энергоемкости и для удобства обслуживания широко применяются блочные и модульные компоновки [1,3].
Конструктивное расположение основных блоков и модулей МИУ при блочной компоновке возможно горизонтальное, вертикальное и комбинированное, что повышает безопасность обслуживания. При этом расстояние между блоками не должно превышать 3 м [2].
По энергоемкости МИУ можно разделить на три основные группы: с низкой (до 5 кДж), средней (6...50 кДж) и высокой (60...200 кДж) энергоемкостью.
МАГНИТНО-ИМПУЛЬСНЫЕ МАШИНЫ (УСТАНОВКИ)
455
Расчет и конструкция основных блоков. Выбор рабочего напряжения блока накопительной энергии. При известной энергии МИУ величина рабочего напряжения UH определяет частоту разрядного контура МИУ
/р=1/и/(2я^£), (7.4.1)
где L - суммарная индуктивность рабочего контура; W„ - энергия заряда МИУ.
В зависимости от рабочей частоты определяются изоляционные расстояния и конструктивные параметры элементов разрядного контура установки и индуктора, следовательно, при проектных расчетах в первую очередь необходимо определить рабочую частоту, а значение суммарной емкости разрядного контура находят по величинам WH и UH:
C = 1WUIU2. (7.4.2)
При выборе рациональной величины Un рекомендуется учитывать [2]: стоимость установки; величину давления магнитного поля в системе индуктор - заготовка; длительность импульса давления; затраты на изготовление индукторов; удобство эксплуатации и условия техники безопасности.
Выбор номинального напряжения UH емкостного накопителя при заданной энергии №п осуществляют из условий, обеспечивающих максимальное давление магнитного поля на обрабатываемую заготовку. Для "толстых" заготовок при а3 > 2Д3 в [2] рекомендуется UH = 4... 12 кВ, для "тонких" заготовок при а3 < Д3 предлагается Un = 10...30 кВ. Здесь а3 - толщина стенки заготовки, Дз - глубина проникновения магнитного поля в заготовку.
К конструкции емкостного накопителя предъявляются следующие требования: низкая собственная индуктивность; способность выдерживать большое количество импульсных разрядов; минимальные масса, габариты и стоимость.
Параметры емкостного накопителя в значительной мере определяют технико-экономические показатели МЙУ (срок службы, стоимость операции, габариты и массу).
При проектировании емкостного накопителя количество и тип конденсаторов можно определить по основным параметрам WH и UH. Количество конденсаторов п = WH / WKi WK -номинальная энергия одного конденсатора.
Конденсаторы могут включаться по параллельной схеме, последовательно и по смешанной схеме. Индуктивность блока конденсаторов будет минимальной при параллельном соединении.
При эксплуатации емкостного накопителя с напряжением меньше номинального срок службы блока накопителей увеличивается. То же наблюдается и с ростом индуктивности разрядного контура и уменьшением времени заряда.
Ошиновка блока накопителей. Из условий эффективной работы МИУ к ошиновке предъявляются следующие требования: прочность конструкции ошиновки в связи со значительными электродинамическими силами; минимальные индуктивность и активное сопротивление (менее 20 % от общих); высокая жесткость токопроводов ошиновки в процессе разряда; обеспечение рабочей температуры изоляции ошиновки при максимальной производительности не выше допустимой.
Ошиновка основных элементов разрядного контура МИУ выполняется чаще всего плоскими параллельными шинами или коаксиальным кабелем.
Высоковольтное зарядно-выпрямительное устройство. Как следует из функциональной схемы (рис. 7.4.1), заряд блока накопителей производится через повышающий трансторматор ПУ и высоковольтный выпрямитель ВУ от сети переменного тока. При этом к зарядному устройству предъявляются следующие требования: простота конструкции и высокая надежность; обеспечение заданного времени заряда; минимум обслуживания, массы и габаритов, а также низкая себестоимость.
Различают в зависимости от числа фаз первичной обмотки трансформатора выпрямители однофазного и трехфазного тока. При малой энергоемкости МНУ (до 20 кДж) целесообразно использовать полупроводниковые диоды, при большой - вентили, выбираемые по величинам выпрямленного напряжения и тока в нагрузке.
В последнее время применяются схемы зарядных устройств с тиристорными регуляторами.
Для повышения напряжения применяют трансформаторы, которые выбирают по мощности и номинальному напряжению, которое должно превышать рабочее в 1,2... 1,3 раза.
456
Глава 7.4. МАГНИТНО-ИМПУЛЬСНЫЕ МАШИНЫ (УСТАНОВКИ)
Схема заряда емкостного накопителя. Заряд конденсаторного блока можно производить по двум принципиально различным схемах:
- заряд от источника постоянного тока;
- заряд от источника постоянного напряжения. При заряде постоянным напряжением для ограничения тока заряда последовательно с емкостным накопителем обычно включают добавочное сопротивление, и КПД зарядного устройства для такой схемы не превосходит 0,5.
При заряде постоянным током отпадает необходимость установки токоограничивающего сопротивления в цепи заряда, а выпрямленное напряжение изменяется линейно от 0 до t/o. Время заряда
(7.4.3)
где Q - количество электричества; - сила тока.
Потеря энергии в контуре при заряде
ff'x = - 2ffoC«3ap / . (7.4.4)
где /tjap - активное сопротивление зарядной цепи.
Если время заряда значительно больше постоянной времени зарядного контура, т.е. /зар » 2 /?зар С, то потерями WR можно пренебречь и КПД заряда будет максимальным.
Коммутатор (разрядник). При разработке коммутирующего устройства необходимо обеспечить: минимальные индуктивность и активное сопротивление цепи электродов разрядника; надежность эксплуатации; возможность регулировки; способность коммутировать токи до 200 кА при частотах от 5 до 50 кГц.
. В МИУ широко применяют следующие разрядники: механический двухэлектродный; тиратронный; вакуумный тригатронный; воздушный тригатронный; игнитронный.
Так как промышленно выпускаемые разрядники рассчитаны на малые импульсные токи, а при разряде МИУ токи достигают 600...800 кА, для работы в таких условиях разрабатывают специальные разрядники различных конструкций.
Устройство поджига. Для включения разрядников применяются специальные поджигающие устройства. Импульс напряжения подается на электрод поджига и формируется специальными устройствами, которые по принципу действия делятся на следующие
группы: 1) с механическим запуском; 2) с электрическим запуском; 3) с независимой емкостью и автоматическим запуском; 4) с автомобильной бобиной; 5) с импульсным трансформатором; 6) с управляемым тиристором. Последние две схемы являются предпочтительными, так как имеют простую конструкцию и высокую надежность срабатывания.
Исполнение технологического модуля. По типу соединения индукторов технологического модуля различают одиночное, параллельное, последовательное и комбинированное. При последовательном соединении индукторов повышается КПД МИУ, при параллельном - увеличивается частота разрядного контура. В обоих случаях повышается производительность установки.
Предохранительные устройства МИУ. Комплекс защитных устройств МИУ должен обеспечить:
- отключение установки от сети и разряд накопителя при наличии доступа к высоковольтным цепям (открытие дверей, ограждения и т.п.);
- отключение установки от сети и шунтирование накопителя при подаче заготовки и удалении детали;
- защиту персонала при разрушении спирали индуктора и в аварийном режиме работы МИУ, а также пробое индуктора;
- защиту персонала от высокочастотного излучения технологического блока при разряде;
- защиту цепей низкого напряжения от коммутационных напряжений разряда.
При этом применяют контактные и бесконтактные предохранительные устройства, причем последние показали себя более надежными в эксплуатации.
Аналогично энергоемкости принято деление МИУ по величине собственной частоты на:
- низкочастотные - 2,5... 15 кГц; средней частоты - 20...50 кГц; высокочастотные -60...200 кГц.
Собственная частота МИУ определяется при замкнутом накоротко индукторе в режиме короткого замыкания.
При различных технологических операциях МИОМ возникает необходимость в изменении частоты разрядного контура. Это можно достигнуть различными способами: изменением емкости конденсаторной батареи; дополнительной обмоткой индуктора или последовательным (параллельным) соединением нескольких индукторов; внесением активного
МАГНИТНО-ИМПУЛЬСНЫЕ МАШИНЫ (УСТАНОВКИ)
457
Рис. 7.43. Кинематическая схема магнитно-импульсной установки МИУ-Т5:
1,11 - пневмоцилиндры; 2 - шток-рейка; 3 - зубчатый сектор; 4 - храповое колесо; 5 - собачка;
б - стакан; 7 - шпонка; 8 - вал; 9 - шток; 10 - деталь; 12 - подвижный контакт; 13 - неподвижный контакт; /-/-диск; 15 - фиксатор; 16 -токосъемник; 17- диэлектрическая прокладка; 18- индуктор; 19- оправки;
20 - копир; 21 - ролик
элемента в индуктор; применением концентратора И Т.Д.
В настоящее время применяются следующие варианты схемы управления и автоматики МИУ: 1) контактная; 2) бесконтактная; 3) контактная по схеме "кроубар"; 4) комбинированная.
Разряд по схеме "кроубар" позволяет повысить КПД процесса МИОМ и уменьшить необходимую энергию разряда.
В последнее время возникла потребность встраивания МИУ в гибкие автоматизированные линии (ГАЛ), робото-технологические комплексы (РТК) и участки, поэтому ввиду большого разнообразия технологических операций и сложной оснастки начали разрабатываться вопросы механизации и автоматизации процессов МИОМ. При этом применяют следующие варианты: 1) роторный; 2) карусельный; 3) рабочий стол с пневмо- (гидро-) зажимом; 4) поворотный стол с гидрозажимом; 5) подача с промышленным роботом.
В настоящее время все шире применяются первый и последний варианты.
Общий вид автоматической магнитноимпульсной установки роторного типа модели МИУ-Т5 [3] приведен на рис. 7.4.3.
Техническая характеристика МИУ-Т5'.
Производительность, шт./ч...... 240...300
Номинальная запасаемая энергия, кДж....................... 21,6
Номинальное напряжение заряда, кВ ........................ 6
Собственная частота разрядного контура, кГц................... 24
Суммарная емкость конденсаторов, мкФ......................... 1200
Напряжение питающей сети, В.... 220
Габаритные размеры, мм............ 1400х
х960х х2000
Масса, кг...................... 2000
Привод установки............... Пневмо
гидравлический
Установка предназначена для сборки неразъемных соединений, калибровки цилиндрических и конических деталей из меди, алюминиевых сплавов.
458
Глава 7.5. ЛАЗЕРНЫЕ И ПЛАЗМЕННЫЕ КООРДИНАТНО-ПРОБИВНЫЕ ПРЕССЫ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ершов В.И., Ковалев А.Д. Прогрессивное оборудование и инструмент для листоштамповочного производства: Учеб, пособие. М.: Высшая школа, 1989. 79 с.
2. Справочник по магнитно-импульсной обработке металлов / И.В. Белый, С.М. Фертик, Л.Т. Хименко. Харьков: Вища школа, 1977. 168 с.
3. Чибисов В.П. и др. Автоматическая магнитно-импульсная установка роторного типа многоцелевого назначения И Кузнечно-штамповочное производство. 1989. № 1. С. 27 - 29.
4. An electromagnetic forming process И Precision Metal. 1986. V. 44. № 10. P. 40 - 41.
Глава 7.5
ЛАЗЕРНЫЕ И ПЛАЗМЕННЫЕ КООРДИНАТНО-ПРОБИВНЫЕ ПРЕССЫ
Технологическое назначение. Лазерные и плазменные координатно-пробивные прессы (КПП) оснащены лазерными или плазменными технологическими установками и часто системами ЧПУ. Предназначены для изготовления деталей из листовых заготовок в единичном производстве или в случаях, когда детали имеют сложные наружные или внутренние контуры.
Обработке подлежат листовые материалы толщиной от 0,5 до 12 мм в зависимости от типоразмера применяемого оборудования.
Сортамент обрабатываемого листового материала: различные марки сталей, алюминиевые и медные сплавы; при использовании лазера (плазмы) дополнительно могут быть подвергнуты обработке неметаллические материалы: фанера, картон, оргстекло, стеклотекстолит, стекло и т.д.
Размеры обрабатываемых заготовок в плане от 250 х 250 до 160 х 4000 мм. На КПП могут изготавливаться различного типа детали: мелкие (шайбы и гайки); средние (лючки, прокладки, крышки); большие (двери электрошкафов, пульты, шасси, панели различных приборов и оборудования) с числом отверстий различных типоразмеров от нескольких штук до 1000 и более (рис. 7.5.1).
Использование на практике КПП позволяет в ряде случаев: заменить до 10...20 единиц различного вида оборудования (в том числе прессового), повысить на 10...25 % коэффициент использования металла, снизить процент брака, полностью выполнить технологические операции по изготовлению детали за одну установку на прессе.
Рис. 7.5.1. Пример типовой детали, изготавливаемой на КПП с ЧПУ
Возможно выполнение следующих технологических операций: поэлементная вырубка различных отверстий, контурная высечка, зачистка высеченных контуров фрезерованием, нарезание резьбы, отбортовка отверстий, пуклевка, неглубокая вытяжка, кернение, маркировка, изготовление жалюзей, лазерная или плазменная резка.
Для выполнения операций обработки давлением применяются, как правило, простой и дешевый инструмент в состав комплекта которого входят:
- пуансон, устанавливаемый в универсальный пуансонодержатель;
- матрица, устанавливаемая в универсальный матрицедержатель;
- прижим-съемник, устанавливаемый в универсальный прижим.
Время замены инструмента в револьверной головке (РГ) не превышает трех минут.
Рекомендуемый в общем случае двухсторонний зазор между пуансоном и матрицей составляет 15...20 % толщины обрабатываемого материала.
Шаг высечки при обработке стальных заготовок для достижения наибольшей стойкости инструмента рекомендуется делать равным толщине обрабатываемой заготовки.
Конструктивные особенности. Все прессы (КПП) оборудованы координатным столом со средствами крепления заготовки и автоматическим инструментальным магазином, которые обеспечивают высокую технологическую гибкость и малое время переналадки при изготовлении различных наименований деталей.
Координатный стол представляет собой прецизионный узел, состоящий из двух кареток, которые перемещаются по направляющим в горизонтальной плоскости в двух взаимноперпендикулярных направлениях (X и У). На одной из кареток устанавливаются два или более листодержателя, конструкция которых обеспечивает быстрый зажим и разжим заготовки. Заготовка поддерживается в горизонтальной плоскости поддерживающим столом.
ЛАЗЕРНЫЕ И ПЛАЗМЕННЫЕ КООРДИНАТНО-ПРОБИВНЫЕ ПРЕССЫ
459
На уровне поддерживающего стола размещается нижняя часть инструментального магазина с матрицей (матрицами).
Верхняя часть магазина с пуансонами расположена строго соосно с нижней над заготовкой. Как правило, зазор между нижней и верхней частями магазина обеспечивается равным 15...25 мм, что достаточно для перемещения заготовки между ними. Соизмеримо с данным зазором назначается и величина хода ползуна. Увеличение длины обрабатываемой заготовки вдоль оси X возможно с применением перехватов заготовки.
Листовая заготовка закрепляется автоматически либо оператором в листодержателях и перемещается в заданные координаты X и Y с последующей фиксацией. Одновременно с этим (или последовательно) производится выбор требуемого инструмента, который заключается в его установке соосно с ползуном (координата Z). При этом положения нижней и верхней частей магазина фиксируются специальными фиксаторами, после чего дается разрешение на одиночный ход ползуна и происходит вырубка соответствующего контура. Последующие вырубки происходят аналогично описанному.
КПП, оснащенные ЧПУ, являются одним из наиболее прогрессивных видов листоштам-. побочного оборудования. Их производят около 30 фирм за рубежом, освоивших около 130 моделей, и изготавливали два завода в СССР. Выпускаемое оборудование отличается следующими основными признаками [6].
1) По типу инструментального магазина:
- револьверная головка (прессы фирм Behrens, Германия; Strippit, США; Amada, Япония и др.);
- блок с прямолинейным расположением инструмента (фирмы Wiedemann, Великобритания; Salvagnini, Италия);
- однопозиционный блок, инструмент в котором меняется вручную или автоматически (фирмы Trumpf, Германия; Pullmatic, Швеция).
2) По типу привода ползуна: механический, гидравлический.
3) По типу привода кареток стола: передача винт-гайка качения, рейка-шестерня.
Наибольшее распространение получили прессы с револьверными головками, в которых на смену инструмента под ползуном затрачивается 2...4 с, а точность позиционирования соизмерима с другими вариантами размещения инструмента.
Гидравлический привод ползуна постепенно вытесняет механический, что объясняется более широкими технологическими возможностями.
Передача винт-гайка качения в приводе кареток стола применяется, как правило, при длине перемещения кареток до 1500 мм, а рейка-шестерня - при перемещениях, превышающих эту величину.
Существуют и другие отличия в конструкции различных прессов, например, по способу крепления инструмента, его предохранения от перегрузки и т.п. Однако такие отличия непринципиальны и не влияют на потребительские качества оборудования.
В современных системах ЧПУ предусмотрены: диагностика, диалоговый режим, дисплей для вычерчивания изготавливаемой детали, режим автоматического составления управляющей программы при вводе лишь координат отверстий, что значительно сокращает время запуска новой детали в производство и существенно облегчает труд оператора и программиста.
КПП с ЧПУ характеризуется шестью основными параметрами, приведенными в табл. 7.5.1.
7.5.1. Процентное распределение выпуска КПП с ЧПУ по основным параметрам
Параметр Величина параметра/ процентное отношение к общему количеству освоенных моделей
Номинальная сила, кН До 250/47 300... 400/46 500... 600/7
Толщина обрабатываемого материала, мм До 6/65 До 12/28 До 25/7
Размеры обрабатываемого листа, мм х мм До ЮООх 1000/38 До 1500х 2000/46 Св. 1500х 2000/16
Число позиций инструмента в инструментальном магазине До 34/84 До 80/14 Более 80/3
Точность позиционирования заготовки, мм ±0,05/4 ±0,1/35 ±0,15/61
Число пробивок при шаге между отверстиями 25 мм, мин'1 До 150/36 До 250/54 До 350/10
460
Глава 7.5. ЛАЗЕРНЫЕ И ПЛАЗМЕННЫЕ КООРДИНАТНО-ПРОБИВНЫЕ ПРЕССЫ
7.5.2. Техническая характеристика типовых представителей КПП с ЧПУ
Параметры Модель пресса
"Миниматик" (Trumpf, ФРГ) "Реда345К" (Amada, Япония) ОЦК0126Ф401 (ЧПОКПО, СССР) 1234 (Беренс, ФРГ)
Номинальная сила, кН 150 300 400 600
Тип привода Гидравлический Механический Механический Механический
Тип станины С-образный О-образный О-образный С-образный
Наибольший размер обрабатываемого листа, мм х мм 755x750 1000x1270 1600x2000 1650x2500
Наибольшая толщина обрабатываемого листа, мм 4 6,35 6,0 12,0
Наибольший диаметр инструмента в магазине, мм 38 114,3 90 140
Число позиций инструмента в магазине 9 58 28 34
Наибольшая скорость перемещения кареток стола, м/мин 40 50 64 50
Число ходов инструмента при высечке в минуту, мин-1 300 475 400 300
Число ходов в минуту при пробивке, мин-1 - 275 200 150
Точность позиционирования, мм ±0,1 ±0,15 - ±0,1
Точность координат пробиваемых отверстий, мм - - ±0,15 -
Установленная мощность электрооборудования, кВт - - 18,85 -
Расход энергии, кВ • А 12,0 18,0 — 30,0
Габаритные размеры слева направо, спереди назад, мм 3200x3700 2600x5400 5250x4500 7000x10000
Масса, кг 3500 10 500 12 700 25 000
В табл. 7.5.2. приведены технические характеристики КПП с ЧПУ различных фирм [2,3,4,5].
Практически любой КПП с ЧПУ описанных конструкций может быть оснащен лазерной или плазменной установкой для совмещения лазерной (плазменной) резки и пробивки с штамповкой. Такие конструкции называются лазер-прессами и плазма-прессами (табл. 7.5.3). Принципиальное отличие таких машин от комплексов, предназначенных только для раскроя листа лучом лазера или плазмой, заключается в
том, что на КПП с ЧПУ лазерный (плазменный) резак не перемещается в координатах Х-У, а перемещается только заготовка с помощью кареток стола. При этом тракт луча лазера имеет малую длину от излучателя до заготовки и не изменяется в процессе работы, а значит, не требует дорогостоящих средств защиты, имеет меньшее число преломлений луча. Фиксированное расположение резака позволяет также организовать простой по устройству, мощный и надежный отсос продуктов резки (газов и шлаков) из зоны реза. Производительность
КОНСТРУКЦИИ И РАСЧЕТ НЕКОТОРЫХ ОСНОВНЫХ ДЕТАЛЕЙ И АГРЕГАТОВ
461
7.5.3. Техническая характеристика лазер-пресса и плазма-пресса
Параметры Лазер-пресс Плазма-пресс
Выходная мощность лазера, Вт 500...2000 -
Длина волны, мкм 1,06; 10,6 -
Наибольшая толщина листа, мм 6...12 3...25
Скорость резания, м/мин До 10 До Ю
Ширина реза, мм 0,1...0,4 3...4
Потребляемая мощность, кВт 35...80 150
Расход газа, дм3/ч:
о2 500... 1500 -
СО2 10...15 -
Не 250...30
n2 60...80 7200
Расход воды, м3/ч 0,5... 1,0 0,2
лазер-прессов и плазма-прессов значительно выше чисто резательной КПП. Размеры обрабатываемых заготовок на лазер-прессах или плазма-прессах с ЧПУ ограничены параметрами, приведеными в табл. 7.5.1 и 7.5.2. До толщины заготовок 12 мм, как правило, используются лазер-прессы, а в диапазоне от 12 до 25 мм - плазма-прессы.
Комбинирование лазерной (плазменной) резки со штамповкой обладает следующими преимуществами [6]:
- сокращение затрат на закупку, изготовление, подготовку, уход и складирование инструмента;
- независимость от сроков изготовления специнструмента, что обеспечивает большую гибкость оборудования;
- сокращение времени переналадки на изготовление новой детали;
- простое программирование контуров;
- низкий уровень шума;
- полная обработка детали на одной машине;
- повышение скорости протекания процессов;
- лучшее качество поверхности кромок реза.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Точная обработка деталей из листового металла лазерным лучом - комбинированные машины штамповки с ЧПУ и резкой лазерным лучом: Докл. представителя фирмы Trumpf, 1988.
2. Каталог фирмы Trumpf, 1989.
3. Каталог фирмы Amada, 1989.
4. Каталог фирмы Behrens, 1989.
5. Проспект на гибкий производственный модуль модели М20ЦК0116Ф401.04 СССР.
6. CNC punch preess survey И Sheet metal industries. 1989. July.
Глава 7.6
КОНСТРУКЦИИ И РАСЧЕТ НЕКОТОРЫХ ОСНОВНЫХ ДЕТАЛЕЙ И АГРЕГАТОВ
Основными агрегатами вибрационных и импульсных машин для обработки материалов давлением являются вибровозбудители и генераторы единичных силовых импульсов.
В механических вибропрессах [5] возбуждение вибраций рабочего звена осуществляется дебалансными вибровозбудителями со встроенными (рис. 7.6.1, а) или вынесенными трехфазными асинхронными электродвигателями с короткозамкнутыми роторами. Обычно используются двухвальные дебалансные вибровозбудители (рис. 7.6.1, б) с направленной вынуждающей силой [4]. Их собирают в одном корпусе из двух одновальных дебалансных вибровозбудителей с противоположно направленным вращением дебалансов. Генерирование вынуждающей силы осуществляется при условии синхронизации вращения дебалансов, поскольку каждый электродвигатель вращается независимо от другого. Расчет дебалансных вибровозбудителей по заданным параметрам вибраций (амплитуде а, м, и угловой частоте со, с-1, вращения дебалансов) сводится к определению суммарного статического момента массы дебалансов и амплитуды вынуждающей силы [4].
Выбор дебалансных вибровозбудителей привода рабочего звена вибропресса со встроенными электродвигателями осуществляется из унифицированного ряда по вычисленному суммарному статическому моменту массы дебалансов.
Основными узлами, обеспечивающими эффективность и надежность вибрационных
462 Глава 7.6. КОНСТРУКЦИИ И РАСЧЕТ НЕКОТОРЫХ ОСНОВНЫХ ДЕТАЛЕЙ И АГРЕГАТОВ
Рис. 7.6.1. Дебалансный вибровозбудитель:
а - одновальный; б - двухвальный; / - корпус; 2 - статор электродвигателя; 3 - короткозамкнутый ротор;
4 - подшипниковый щит; 5 - подшипник; 6 - дебаланс; 7 - лапы крепления вибровозбудителя к рабочему эвену; 8 - крышка; 9 - рабочее звено вибропресса
машин с дебалансным приводом, являются упругие элементы и подшипники. В качестве упругих элементов наиболее широко применяют цилиндрические винтовые пружины витые и прорезные, реже используют тарельчатые пружины и торсионы. Расчет упругих элементов выполняется по общим правилам [2] с учетом собственных частот упругого элемента во избежание появления резонанса, уменьшающего выносливость упругого элемента и вызывающего повышенный шум. Наиболее опасны по резонансному воздействию собственные частоты низших номеров [4].
Для снижения влияния диссипативных сил в дебалансных вибровозбудителях преимущественно применяются подшипники качения с незначительным сопротивлением вращению вала. Это подшипники с монолитными сепараторами, опирающимися на наружное кольцо, и с повышенным радиальным зазором для компенсации уменьшения размеров наружного кольца, устанавливаемого по напряженной посадке. Подбор подшипников качения, прочностные расчеты валов, корпусных и синхронизирующих деталей дебалансных вибровозбудителей осуществляется по общепринятым методикам [2].
Вибровозбудителями гидравлических вибрационных машин обычно служат источники пульсирующего давления, вызывающего соответствующие перемещения исполнительного звена приводного гидродвигателя машины. Источниками пульсирующего давления являются вибровозбудители, известные также как пульсаторы и гидропульсаторы [И - 15], клапаны-пульсаторы, генераторы импульсов давления [4, 6]. Они обеспечивают управление потоком энергоносителя (рабочей жидкости) от насосной или насосно-аккумуляторной станции в полость приводного гидро-
Рис. 7.6.2. Конструкция исполнительного гидроцилиндра гидравлической вибрационной машины:
7 - монтажная плита станины; 2 - исполнительное звено (рабочий стол); 3 - сферический подпятник;
4 - запорное кольцо; 5 - пресс-масленка;
6 - плунжер гидроцилиндра; 7 - грязесъемник; 8,10- грундбуксы; 9 - фторопластовое уплотнение;
11 - фланец; 12 - гильза; 13 - уплотнения гильзы, 14 - стягивающие шпильки; 75 - стыковочная плита для установки генератора импульсов давления и другой управляющей гидроаппаратуры;
16 - пробка; 7 7 - дренажный штуцер двигателя. Гидродвигатели этих машин преимущественно выполняются в виде плунжерных гидроцилиндров (рис. 7.6.2) [6] с комбинированным уплотнением притиркой и манжетами (стандартными или оригинальной конструкции). Крепятся гцдроцилиндры либо на монтажной (верхней) плите станины вибромашины, либо на ее основании. Гильза и плунжер гидроцилиндра выполняются из цементируемых ста
КОНСТРУКЦИИ И РАСЧЕТ НЕКОТОРЫХ ОСНОВНЫХ ДЕТАЛЕЙ И АГРЕГАТОВ
463
лей, например стали 20Х (ГОСТ 4543-71). Рабочие поверхности гильзы и плунжера цементируются: h = 0,9... 1,5 мм; 56...62 НИСэ. Рабочая поверхность гильзы притирается по плунжеру с радиальным зазором 5...20 мкм в зависимости от диаметра плунжерной пары. В верхней части плунжер выполняется гладким и дополнительно уплотняется фторопластовым уплотнением. На нижней части плунжера выполняются разгрузочные канавки прямоугольного сечения глубиной 0,3...0,5 мм, шириной 0,3... 1,0 мм и шагом 0,8...3,0 мм [6, 1, 7]. Между заделкой гильзы во фланце 11 и расточкой места установки уплотнительного узла образуется дренажный канал для отвода возможных утечек через зазор в плунжерной паре. С дополнительным звеном вибромашины плунжер гидроцилиндра взаимодействует через сферический подпятник [2], что уменьшает боковые силы на плунжер.
Минимальную толщину стенки гильзы tonin, м) исполнительного гидроцилиндра рекомендуется определять по формуле [1]
= 0,5£>(^[ар]/[ар - 1,73р)-1), (7.6.1)
где D - внутренний диаметр цилиндра, м; [стр] = ст/и - допускаемое напряжение при растяжении материала гильзы (стт - предел текучести, МПа; п - коэффициент запаса прочности, МПа); р - рабочее давление жидкости, МПа.
Цикловые гидроаккумуляторы гидравлических вибрационных машин запасают энергию только на один цикл работы машины. Получили распространение цикловые гидроаккумуляторы жидкостные, накапливающие энергию за счет сжимаемости жидкости (рис. 7.6.3, а), и пружинные (рис. 7.6.3, б).
/ 2 3 9- 5 6 7 8 9 1011 12
а)
Рис. 7.63. Конструкция цикловых аккумуляторов:
а-цикловой гидроаккумулятор, накапливающий энергию за счет собственной сжимаемости жидкости:
1 - винт регулировки положения поршня 7; 2 - контргайка; 3 - фланец-гайка; 4 - корпус; 5, б - защитное кольцо и манжета уплотнения поршня 7; 8 - шпильки крепления гидроаккумулятора к стыковочной плите 10 исполнительного гидроцилиндра; 11 - фланец; 12 - уплотнение фланца 11;
б-цикловой пружинный гидроаккумулятор: / - гильза; 2 - корпус; 3 - неподвижные уплотнения гильзы;
4 -обратный клапан; 5 - шпильки крепления гидроаккумулятора к стыковочной плите 6\7- плунжер;
5-уплотнение плунжера (например, резиновое кольцо с защитной шайбой); 9 - грязесъемник;
10 - фланец; 11 - шарик; 12 - скалка; 13 - подвижная планка; 14- пружина; 15 - втулка;
16- неподвижная планка; 17- регулировочная гайка; 18 - контровочная гайка
464 Глава 7.6. КОНСТРУКЦИИ И РАСЧЕТ НЕКОТОРЫХ ОСНОВНЫХ ДЕТАЛЕЙ И АГРЕГАТОВ
Максимальная потенциальная энергия Пж, аккумулируемая в жидкостном аккумуляторе, определяется выражением [6, 7]
Пж =0>5И'аДр2/Л, (7.6.2)
где - объем гидроаккумулятора с учетом объема жидкости в напорной гидролинии от гидроаккумулятора до исполнительного гидроцилиндра, м3; Др ~ Р\ ~ Р2 ~ перепад давлений в гидросистеме, определяемый соответственно давлениями открытия р} и закрытия р2 вибровозбудителя, МПа; к - приведенный модуль объемной упругости жидкости, МПа. Регулирование величины энергии, накопленной в жидкостном аккумуляторе, выполняется изменением объема Wa или перепада давления Др.
При рабочих давлениях до 20 МПа целесообразно использовать пружинные гидроаккумуляторы меньших габаритов.
В пружинном гидроаккумуляторе за один рабочий цикл накапливается максимальная потенциальная энергия [6]
Пп =0,5И;аДр=0,5(М2 +ЛЯ (7.6.3)
где И/ва = f^h - объем жидкости, вытесняемой из гидроаккумулятора за один рабочий цикл, м3
(4 - площадь поперечного сечения плунжера,
п
м2; h - величина его хода, м); к% = к, -/=1
суммарная жесткость пружин гидроаккумулятора, Н/м; к, - жесткость f-й пружины, Н/м; п - количество пружин; к^ определяется из условия
> 47t2v2mnp - f2k/W^ (7.6.4)
где Ws - суммарный объем жидкости в напорной гидролинии от гидроаккумулятора (с учетом W3 а ) до исполнительного гидроцилиндра, м3, Wpp - приведенная масса плунжера пружинного гидроаккумулятора, кг; vH -заданная частота следования импульсов давления, Гц.
Толщина стенки корпуса гидроаккумулятора определяется по формуле (7.6.1). Прочностные расчеты крепежных элементов и параметров пружин выполняются по общепринятым методикам [2].
Вибровозбудители гидравлических вибрационных машин относятся к специальному виду гидроаппаратуры [5, 6]. На рис. 7.6.4 представлена конструктивная схема
11 12 13
8 9
6)
1
а)
Рис. 7.6.4. Двухкаскадный вибровозбудитель привода вибропресса: а - конструктивная схема: / - корпус основного каскада; 2 - золотник основного каскада; 3 - пружина возврата золотника 2\4- тормозной плунжер; 5 - корпус сервопривода; 6 - игольчатый дроссель; 7 - контргайка; 8- шариковый сервоклапан; 9... 14 - нажимной плунжер, стакан, пружина, опора пружины, винт и контргайка регулятора давления; 15 - пружина;
Р, Т, А - подвод потока, слив, исполнительный гидроцилиндр;
б, в - варианты подключения вибровозбудителя к полости исполнительного гидроцилиндра 5:1 - золотник; 2 - цикловой гидроаккумулятор;
3 - дроссель; 4 - сервоклапан
8)
КОНСТРУКЦИИ И РАСЧЕТ НЕКОТОРЫХ ОСНОВНЫХ ДЕТАЛЕЙ И АГРЕГАТОВ
465
двухкаскадного вибровозбудителя привода вибропресса и указаны возможные варианты его подключения к полости исполнительного гидроцилиндра.
Подача жидкости Qn, необходимая для переключения золотника основного каскада вибровозбудителя, определяется по формуле [4]
2n = vA/n
(7.6.5)
где h3 - полный ход золотника основного каскада, м; /п - подъемная площадь золотника основного каскада, м2; х - полная деформация пружины возврата золотника (х = Хо + Л3; х0 - предварительная деформация пружины возврата, м), м; R - силы сопротивления, Н; т3 - масса золотника, кг; к2 - жесткость пружины возврата золотника, Н/м.
Диаметр золотника d3 (м) расчитывается по мгновенному расходу жидкости 2МГН (м3/с), протекающей через проходное сечение золотника за время открытия:
^ = 2мгн/(^М), (7.6.6)
где [V] - допускаемая скорость течения жидко-с™, м/с [1,7]; емнг=а+еа; q„, а -соответственно подачи гидронасоса и гидроаккумулятора, м3/с; \2 - отрицательное перекрытие золотника, м.
Основные вопросы проектирования и расчета вибровозбудителей изложены в работе [6]. Детали вибровозбудителей изготавливаются из материалов, применяемых при производстве гидравлической контрольно-регулирую-щей аппаратуры, и к ним предъявляются аналогичные требования по термообработке, точности и шероховатости поверхностей [2,6,1,7].
В импульсных машинах, действие которых основано на электрогидравлическом эффекте, основной агрегат - разрядная камера совмещается с гидродвигателем (рис. 7.6.5, а) или объединяется с матрицей пресс-формы (рис. 7.6.5, б) [6, 8].
Разрядные камеры электрогидравли-ческих импульсных машин изготавливаются из стали 45 (ГОСТ 1050-88), а их рабочие поверхности термообрабатываются до получения поверхностной твердости 32...45 HRC. Изоляцию электродной системы изготавливают из стеклопластика, полиэтилена и вакуумной резины, а электродные насадки-из композиций
Рис. 7.6.5. Разрядные камеры электрогидроимпульсных установок: а - совмещенная с гидродвигателем: / - плунжер; 2 - корпус камеры гидроцилиндра; 3 - штуцер подвода воды; 4 - электрод-анод; 5 - изолятор; б - насадка электрода-анода; 7 - электрод-катод; б - объединенная с матрицей пресс-формы: / - корпусные детали разрядной камеры;
2 - электрод-анод; 3 - токопровод; 4 - зазор, заполненный водой и исключающий развитие разряда по поверхности изоляции; 5 - изоляторы; б - насадка электрода-анода; 7 - электрод-катод;
8 - матрица; 9 - листовая заготовка
медь - карбид, вольфрам - никель (МКВ70НЗ) и железоникелевых сплавов [3, 9].
Электрический разряд между электродами разрядной камеры происходит через разрядный промежуток между ними или через инициирующий проводник (тонкая проволочка), соединяющий электроды [8]. При проектировании разрядных камер оптимальную длину /опт (м) промежутка определяют по
формуле
/onT=l,14.10-3t/0VZc.
(7.6.7)
Развивающееся давление жидкости в разрядной камере при электрическом пробое
466 Глава 7.6. КОНСТРУКЦИИ И РАСЧЕТ НЕКОТОРЫХ ОСНОВНЫХ ДЕТАЛЕЙ И АГРЕГАТОВ
разрядного промежутка носит импульсный, а возникающие давление и деформации местный характер. В данном случае расчеты на прочность разрядных камер и связанных с ними матриц по энергетической теории прочности неприменимы. Толщину s (м) стенки камеры или матрицы сферической формы рекомендуется находить по формуле [8]
s^KEIW-^ + d2^}}, (7.6.8) где К - энергия, передаваемая камере (матрице), Дж; Е - модуль упругости материала камеры (матрицы); МПа; Ц - коэффициент Пуассона; Л, d - глубина и диаметр матрицы (камеры), м; [стр] -допускаемое напряжение растяжения, МПа.
Действие магнитно-импульсных машин основывается на преобразовании электрической энергии, накопленной в конденсаторной батарее, в энергию магнитного поля высокой напряженности и далее в работу пластической деформации. Основным агрегатом этих машин является индуктор - генератор силовых импульсов. Конструктивное исполнение индуктора магнитно-импульсных машин определяется видом выполняемой технологической операции и принципом работы, например индуктор для раздачи трубной заготовки (рис. 7.6.6.) [10].
Рабочие обмотки индукторов изготавливают из меди Ml, М2 (ГОСТ 859-78) и из бериллиевых бронз, а матрицы для формообразующих операций из стали 45 (ГОСТ 1050-88) и стали 30ХГСА (ГОСТ 10702-78). При выполнении комбинированных формообразующих и разделительных операций используются матрицы из сталей марок У8А, У10А (ГОСТ 1435-90). Материалы из сталей марок 45 и 30ХГСА защищаются от коррозии покрытиями и термообраба-тываются до 38...42 HRC, а из сталей У8А, У10А -до 50...55 HRC [10]. Наиболее полно вопросы расчета и проектирования индукторов для магнитно-импульсных машин рассмотрены в работе [3].
Основные агрегаты электровысадочных машин - это высадочный, упорный и радиальные гидроцилиндры, упорный и радиальный электроды и матрица [9]. Параметры гидроцилиндров рассчитываются по требуемой при электровысадке силе деформирования, методика определения которой известна [9]. Прочностные расчеты гидроцилиндров также выполняются по общепринятым методикам [1,7].
Матрицы, упорные и радиальные электроды электровысадочных машин очень разнообразны по конструктивному исполнению, что обусловлено конкретным технологическим процессом. На рис. 7.6.7 изображены типовые конструкции этих звеньев [9].
Корпус 1 упорного электрода (рис. 7.6.7, а) изготавливают из бериллиевых бронз типа НЕТ (ГОСТ 18136-78) твердостью 120...220 НВ, сплавов МЦ2, МЦЗ, МЦ5 (ГОСТ 18175-88) твердостью 170... 180 НВ и других подобных материалов. Насадку 2 этих электродов делают из сплавов на основе вольфрама, которую припаивают к корпусу медью или крепят винтами. Диаметр электрода d4 определяется из условия
4//(iu/4><10 А/мм2, (7.6.9) а размеры токосъемной поверхности должны удовлетворять неравенству
41 /[л(«/32-г/2)] <(5...7) А/мм2, (7.6.10) где I - ток нагрева, A; d2, d3, d4 - линейные размеры конструкции упорного электрода, мм [9].
Прочностной расчет конструкции выполняется по допускаемым напряжениям на сжатие осевой нагрузкой, равной максимальной для высаживаемой детали силе деформирования Р. Полость диаметром d^ служит для подвода охлаждающей жидкости.
Вставки 1 радиальных электродов (рис. 7.6.7, 6) изготавливают из тех же материалов, что и корпуса упорных электродов. Башмаки рекомендуется выполнять из высокотвердых бронз, а направляющие колонки - из немагнитных сплавов. При расчете длины контактирующих поверхностей руководствуются соотношениями:
J = I/(2nkd}LK) < 5...7; (7.6.11)
P = pl106/(2nfc/1£K), (7.6.12)
где j — плотность тока, А/мм2; pt - удельная сила сжатия радиального электрода, Па; dh LK-конструктивные размеры вставки, мм; к - коэффициент точности сопряжения поверхностей заготовки и вставки (для точных заготовок к « 0,9, в прочих случаях к « 0,7 [9]). Среднее значение удельной силы рх рекомендуется выбирать из диапазона 0,5...0,7 МПа [9]. Матрицы (рис. 7.6.7, в) для электровысадочных машин изготавливают из жаропрочных немагнитных сталей и сплавов и минералокерамики. Рабочие поверхности металлических матриц для повышения износостойкости азотируют на глубину 0,1...0,2 мм с твердостью азотированного слоя 44...48 HRC.
Наружный диаметр бандажа матрицы определяется из расчета на прочность, а остальные размеры по известной [9] методике увязываются с величиной тока нагрева.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
467
Рис. 7.6.6. Конструктивная схема индуктора магнитно-импульсной машины для раздачи трубной заготовки:
1 - матрица; 2 - заготовка; 3 - диэлектрический корпус индуктора; 4 - рабочая обмотка
____-
d) Б
Рис. 7.6.7. Конструкции типовых упорного и радиального электродов и матрицы электровысадочной машины: а - упорный электрод: 1 - корпус; 2 - насадка; /1-центрирующий хвостовик для контакта одного из выводов нагревательного трансформатора;
Б -токосъемная поверхность; б-радиальный электрод с направляющими колонками: 1 - вставка; 2,3 - верхний и нижний башмаки; направляющая колонка; В - пазы фиксации контакта одного из выводов нагревательного трансформатора; Ln- длина контактирующих поверхностей;
di = di + 2...5 мм; t/i = d+ (0,05... 1) мм (d-наружный диаметр заготовки); в - матрица: 1 - фланец; 2 - бандаж; 3 - керамическая втулка
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Абрамов Е.И., Колесниченко К.А., Маслов В.Г. Элементы гидропривода: Справочник. 2-е изд., перераб. и доп. Киев: Тех-шка, 1977. 320 с.
2. Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя: В 3-х т. 5-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1978.
3. Белый И.В., Фертик С.М., Химен ко Л.Т. Справочник по магнитно-импульсной обработке металлов. Харьков: Вища школа, 1977. 165 с.
4. Вибрации в технике: Справочник: В 6 т. / Ред. совет: В.Н. Челомей (пред.) и др. М.: Машиностроение, 1981. Т. 4: Вибрационные процессы и машины / Под ред. Э.Э. Ла-вендела. 1981.509 с.
5. Искович-Лотоцкий РД., Матвеев И.Б. Вибрационные прессы: Обзор. М.: НИИмаш, 1979.48 с.
6. Искович-Лотоцкий Р.Д., Матвеев И.Б., Крат В А. Машины вибрационного и виброударного действия. Киев: Технжа, 1982.208 с.
7. Машиностроительный гидропривод / Л.А. Кондакой, Г.А. Никитин, В.Н. Прокофьев и др.; Под ред. Н.В. Прокофьева. М.: Машиностроение, 1978. 495 с.
8. Оборудование и технологические процессы с использованием электрогидравли-ческого эффекта / Г.А. Гулый, П.П. Малюшев-ский, Е.В. Кривицкий и др.; Под ред. Г.А. Гу-лого. М.: Машиностроение, 1977. 320 с.
9. Сенькин И.Т., Подрабинник Л.И. Оборудование и технология для электровысадки: Обзор. М.: НИИмаш. 48 с.
10. Справочник по электрохимическим и электрофизическим методам обработки / Г.А. Амитан, И.А. Вайсупов, Ю.М. Барон и др.; Под общ. ред. В.А. Волосатова. Л.: Машиностроение, 1988. 719 с.
11. Тярасов Г.П. Гидропульсационные прессы И Кузнечно-штамповочное производство. 1996. №12. С. 30-32.
12. Тярасов Г.П. Высокочастотный гидропульсатор: Пат. РФ 2037683.
13. Тярасов Г.П. Гидропульсационный пресс: Пат. РФ 2010658.
14. Тярасов Г.П. Гидропульсационный пресс шагового действия: Пат. РФ 2093296.
15. Тярасов Г.П. Гидропульсационные прессы, вибрационные и виброударные машины на базе гцдропульсаров // Тяжелое машиностроение. 1998. №2. С. 22-23.
468
Глава 7.7. ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ
Глава 7.7
ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ
Гидровибрационные и гидропульсаци-онные прессы. Совершенствование существующих и создание новых высокоэффективных технологий обработки давлением возможно на основе развития перспективных видов оборудования - вибрационных [4], импульсных [8] и электровысадочных [9] машин. К таким технологиям относится пространственное вибропрессование [5] деталей особо сложной конфигурации из тугоплавких и жаропрочных порошковых материалов. Попытки реализации этого вида прессования определили развитие специальных вибрационных машин, в основу которых положен привод вибропрессов модели ИВПМ [4]. В настоящее время известны разработки специальных вибрационных машин [6] с двухсторонним, трехсторонним, возвратновинтовым и сложнопространственным периодическим нагружением, выполненные в Винницком политехническом институте.
В вибрационной машине с двухсторонним периодическим нагружением (рис. 7.7.1) вибрации пуансона и матрицы независимы между собой, что позволяет осуществить по-лигармоническое нагружение обрабатываемого объекта при расчетной осевой статической силе прессования. Применение таких машин целесообразно для вибропрессования длинномерных заготовок изделий из порошковых материалов.
Рис. 7.7.1. Конструктивная схема вибропресса с двухсторонним нагружением: / - верхняя подвижная поперечина привода вибраций; 2 - инерционная плита;
3 - гидроцилиндры верхнего привода вибраций;
4 - вибровозбудитель "на входе"
Трехкоординатное периодическое нагружение наиболее эффективно для прессования заготовок особо сложной конфигурации из огнеупорных масс, порошковых материалов, а также для получения литейных форм [6]. В конструктивном решении вибрационной машины (рис. 7.7.2) для трехкоординатного нагружения использован подвижный стол вибропресса модели ИВПМ, который оснащен двумя подвижными направляющими типа "ласточкин хвост" и двумя приводами вибраций. Такое решение позволяет обеспечить дополнительную подвижность материала заготовки в горизонтальной плоскости.
Наиболее совершенной и простой по конструктивному исполнению в настоящее время является разновидность вибрационных машин, обеспечивающих возвратно-винтовое периодическое нагружение обрабатываемого объекта Такое нагружение целесообразно использовать для вибропрессования заготовок изделий асимметричной формы из металлических и неметаллических порошков в специальных пресс-формах перед последующим спеканием, силицированием и т.п. [6]. На рис. 7.7.3 - 7.7.5 представлены конструктивные схемы вибраци-
Рис. 7.7.2. Конструктивная схема вибропресса для трехкоординатного нагружения:
1 - основной вибростол с приводом вертикальных вибраций; 2,3- подвижные плиты вибростола с направляющими типа "ласточкин хвост";
4 - пресс-форма с заготовкой; 5 - верхняя подвижная поперечина с инерционным пригрузом
ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ
469
Рис. 7.73. Конструктивная схема вибропресса с возвратно-винтовым движением рабочего стола: /-рабочий стол, 2- плунжерный гидроцилиндр;
3 - вибровозбудитель "на выходе";
4- тангенциальный поршневый гидроцилиндр
онных машин с возвратно-винтовым периодическим движением рабочего стола У, созданных в виде опытных образцов на базе вибропрессов модели ИВПМ. Отличительной особенностью гидроимпульсного привода этих машин является подключение вибровозбудителя 2 по схеме "на выходе".
Возвратно-винтовое движение рабочего стола 1 для вибрационных машин со значительными рабочими силами (свыше 250 кН) реализовалось (см. рис. 7.7.3) сочетанием его осевого вертикального перемещения с приводом от рабочего плунжерного гидроцилиндра и углового перемещения с приводом от тангенциального поршневого гидроцилиндра, шток которого посредством кривошипа соединен со столом /. Полости гидроцилиндра связаны с напорной линией системы гидроимпульсного привода. При срабатывании вибровозбудителя возврат рабочего стола в исходное положение обеспечивают элементы упругого возврата.
Для реализации ряда вибрационных технологий прессования, предварительного уплотнения и заполнения труднодоступных полостей пресс-формы порошковым материалом при незначительных амплитудных значениях угловых (до 10"1 рад) и осевых (до 10"3 м) колебаний рабочего стола с частотами свыше 50 Гц была создана вибрационная машина с симметрично расположенными наклонными рабочим гидроцилиндром привода стола и тягой элементов упругого возврата (см. рис. 7.7.4).
Рис. 7.7.4. Конструктивная схема вибропресса с наклонно расположенными рабочим гидроцилиндром и элементами упругого возврата:
I - поворотный рабочий вибростол; 2 - рабочий гидроцилиндр; 3 - блок элементов упругого возврата рабочего стола; 4 - шаровая самоуплотняющаяся пята
470
Глава 7.7. ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ
Рис. 7.7.5. Конструктивная схема вибропресса с винтовым рабочим гидроцилиндром: / - рабочий гидроцилиндр с винтовой парой (плунжер-винт; цилиндр-гайка); 2 - блок элементов упругого возврата; 3 - рабочий поворотный стол
Работоспособность такого конструктивного решения машины обеспечила шаровая самоуплотняющаяся пята, соединяющая подвижный корпус гидроцилиндра с напорной линией системы гидроимпульсного привода.
В опытной установке на базе ИВПМ для вибропрессования огнеупорных пластичных масс привод возвратно-винтовых перемещений стола выполнен по аналогии с винтовыми прессами (см. рис. 7.7.5) [1]. Использование гидроимпульсного привода с вибровозбудителем "на выходе" для создания периодически изменяющегося по величине давления в полости винтового плунжерного гцдроцилиндра (плунжер-винт; цилиндр-гайка) позволило в сочетании с элементами упругого возврата создать простой по конструкции и надежный в эксплуатации привод периодических возвратно-винтовых перемещений исполнительного звена машины [1].
Для сложнопространственного нагружения обрабатываемого объекта создана опытная установка [2], конструктивная схема которой представлена на рис. 7.7.6. Вибростолу 3 сообщаются вибрации от трех независимых
Рис. 7.7.6. Конструктивная схема вибропресса сложнопространственного нагружения:
1 - станина; 2 - пневмоцилиндр статического пригруза; 3 - вибростол; 4 - матрица; 5 - подвижная поперечина; 6 - инерционный пригруз; 7 - пуансон;
8 - тросовый упругий элемент; 9 - башмак;
10,12 - упоры; 11,13,14 - горизонтальные и вертикальный гидроцилиндры
приводов посредством двух горизонтальных 11, 13 и одного вертикального 14 гидроцилиндров. Инерционное нагружение осуществляется инерционным пригрузом 6 и тросовым упругим элементом 8. Обработка технологий по пространственному вибропрессованию порошковых заготовок, выполненных на этой установке, подтвердила возможность значительного расширения номенклатуры выпуска изделий сложного профиля из новых прогрессивных материалов, производство которых другими способами затруднено или практически невозможно.
Перспективным направлением дальнейшего развития вибрационных машин для обработки материалов давлением следует считать создание на их базе автоматических линий и установок [6], а также разработку систем дистанционного автоматизированного программного управления [3] этим оборудованием с учетом возможности его использования для вибропрессования токсичных и радиоактивных порошков в вакууме или в среде инертного газа.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
471
Применение вибрационных машин с гид-роимпульсным приводом перспективно и в смежных отраслях обработки, например в литейном производстве [7] для интенсификации процессов формовки, выбивки литейных форм, заливки и т.п. Эти машины обладают повышенной грузоподъемностью по сравнению с аналогичными по назначению пневматическими машинами.
Магнитно-импульсные и электрогид-равлические машины. Развитие электрогид-равлических, магнитно-импульсных машин для обработки материалов давлением последние десять лет осуществлялось главным образом по пути совершенствования их электрооборудования (электродных систем, преобразователей энергии, систем инициирования разряда) повышения надежности и обеспечения безопасной эксплуатации. Значительной доработке подвергалась технологическая оснастка этих машин применительно к типовым операциям ЭИО и ЭМИО [8, 10].
В таком же ключе осуществлялось развитие электровысадочных машин. Совершенствовались системы бесступенчатой регулировки и стабилизации тока нагрева, встроенных узлов нагрева инструмента и контроля температуры, разрабатывались конструкции радиального электрода для обеспечения равномерности контакта с заготовкой [9].
Перспективными направлениями развития импульсных машин являются разработки, связанные с созданием электрической вибрационной техники для обработки металлов давлением [4, 8]. В этом направлении выполнено много поисковых исследовательских работ, однако электро вибропривода, конкурентоспособного в условиях производства с механическими и гидравлическими вибрационными приводами, создано не было. Перспективны работы по созданию роторных гидропульсаторов объемного вытяжения жидкости [11,12].
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. А.с. 1301544, МКИ4 B21J 9/06. Инерционная гидроимпульсная вибромашина / Р.Р. Обертюх, Ю.А. Бочаров, Р.Д. Искович-Лотоцкий (СССР) и др. 3978739/25-27; Заявлено 22.11.85; Опубл. 07.04.87. Бюл. № 13.
2. А.с. 1323195 СССР, МКИ4 B21J 9/06. Гидроимпульсный вибропресс / Ю.А. Бочаров, Р.Р. Обертюх, Р.Д. Искович-Лотоцкий (СССР) и др. 4034778/31-27; Заявлено 06.03.86; Опубл. 15.07.87. Бюл. №26.
3. А.с. 13666271 СССР, МКИ4 B21J 7/46. Система программного управления инерционным вибропресс-молотом / Ю.А. Бочаров, Р.Д. Искович-Лотоцкий, А.П. Терещенко (СССР) и др. 4106676/31-27; Опубл. 1987. Бюл. № 28.
4. Искович-Лотоцкий Р.Д., Матвеев И.Б. Вибрационные прессы. М.: НИИмаш, 1979. 50 с.
5. Искович-Лотоцкий Р.Д. Новое оборудование для виброударного прессования заготовок из порошковых материалов // Моделирование систем, расчет элементов, формообразование поверхностей, защитные покрытия и новое оборудование в машиностроении: Сб. Киев: Вища школа, 1989. С. 131 - 1989. (Новое в науке и технике - студентам и учащимся. Вып. 1).
6. Искович-Лотоцкий Р.Д., Матвеев И.Б., Крат В.А. Машины вибрационного и виброударного действия. Киев: Техшка, 1982. 208 с.
7. Искович-Лотоцкий РД, Вирнык Н.Н. Гидропривод формовочной машины // Гидропривод и гидропневмоавтоматика: Респ. меж-вед. сб. Вып. 19 / МВ и ССО УССР. Киев: Техшка, 1983. С. 39-43.
8. Оборудование и технологические процессы с использованием электрогидравли-ческого эффекта / Г.А. Гулый, П.П. Малюшев-ский, И.В. Кривицкий и др.; Под ред. Г.А. Гу-лого. М.: Машиностроение, 1977. 320 с.
9. Сенькин И.Т., Подрабинник Л.И. Оборудование и технология электровысадки: Обзор. М.: НИИмаш, 1982. 48 с.
10. Справочник по электрохимическим и электрофизическим методам обработки / Г.Л. Амитан, И.А. Байсунов, Ю.М. Барон и др.; Под общ. ред. В.А. Волосатова. Л.: Машиностроение, 1988. 719 с.
11. Тярасов Г.П. Высокочастотный гидропульсатор: Пат. РФ 2037683.
12. Тярасов Г.П. Гидропульсационные прессы, вибрационные и виброударные машины на базе гидропульсаторов И Тяжелое машиностроение. 1998. № 2. С. 22-23.
Раздел 8
СРЕДСТВА АВТОМАТИЗАЦИИ ПРОЦЕССОВ, МОДУЛИ, КОМПЛЕКСЫ И ЛИНИИ
Глава 8.1
СРЕДСТВА АВТОМАТИЗАЦИИ ЛИСТОШТАМПОВОЧНОГО
ПРОИЗВОДСТВА
Средства автоматизации процессов. Современное листоштамповочное производство предусматривает переход от частичной автоматизации отдельных единиц оборудования к автоматизированным участкам и цехам, что способствует повышению рентабельности листоштамповочного производства, улучшению условий труда и безопасности работы.
Листоштамповочное производство ориентируется на штамповку мелких и средних деталей из рулонного и полосового материала, а крупноразмерных деталей - из штучной листовой заготовки.
Штамповка из рулонного (ленточного) материала предусматривает оснащение пресса правильно-разматывающим устройством, механизмом подачи материала на шаг, при необходимости, устройством резки отходов.
Различают разматывающие устройства: консольное однопозиционное (рис. 8.1.1); консольное двухпозиционное (поворотное); кон
сольное двухстороннее с удержанием рулона с двух сторон; кассетное.
Правильные устройства для правки лен* ты в зависимости от необходимого качества правки могут быть с различным количеством правильных валков [8, 10]. Правильное уст* ройство с приводными правйльными валками образует компенсационную петлю. Провис петли управляемый. Правйльное устройство с неприводными валками работает с подающим устройством, рассчитанным на протягивание ленты через валки без компенсационной петли.
Для подач на шаг рулонного (полосового) материала служат валковые и клещевые (цанговые) подающие устройства. Привод подающих валков подачи может осуществляться от привода пресса и от индивидуального привода (привод с ЧПУ). В зависимости от исходного материала подающие устройства могут быть одностороннего и двухстороннего исполнений. На рис. 8.1.2 показан пример оснащения пресса двухсторонней валковой подачей для штамповки из ленты (полосы) с устройством резки отходов.
Клещевые (цанговые) прецизионные подачи с отбором мощности от привода широко применяются для штамповки из ленточного материала (рис. 8.1.3). Каретка 10, на которой
Рис. 8.1.1. Правильно-разматывающее устройство:
1 - дорн; 2 - стол загрузочный; 3 - башмак зажимной; 4 - прижимной ролик; 5 - правильная клеть; 6 - узел ввода; 7 - валки подающие; 8 - механизм подъема верхних валков; 9 - узел образования компенсационной петли
СРЕДСТВА АВТОМАТИЗАЦИИ ЛИСТОШТАМПОВОЧНОГО ПРОИЗВОДСТВА
473
Рис. 8.1.2. Подача валковая двухсторонняя:
/ - устройство защиты от перегрузки; 2 - контрольное устройство для начального участка полосы (ленты);
3- система контроля конца полосы (ленты); 4 - подающие валки; 5 - направляющая ленты; 6 - устройство смазки распылением; 7 - ножницы для резки отходов
Рис. 8.13. Подача клещевая:
/ - шкив привода; 2 - кривошипный вал; 3 - винт регулировочный; 4 - кривошип; 5 - скалка; 6 - ролик; 7 - губка подвижная; 8 - губка неподвижная; 9 - рычаг; 10 - каретка; 11 - губка удерживающая;
/2- удерживатель; 13 - лента; 14 - компенсатор; 15 - эксцентрик; 16 - пружина зажимная; 17- шатун
крепятся подающие клещи, через систему передач осуществляет возвратно-поступательное движение. В корпусе подачи имеются неподвижные удерживающие клещи. Очередность срабатывания клещей по циклу осуществляется от копиров. Современные механические прецизионные цанговые подачи имеют устройство дистанционной автоматической настройки шага подачи, точность подачи ±0,01 мм (Raster, Weingarten, Haulick, ЗиЛ и др.).
Для ленточного (полосового) материала применяют также двухстороннюю клещевую (цанговую) подачу. Привод клещевых захватов может быть пневматический или гидравлический. Для питания пресса штучным заготовками широко применяют листоукладчик (рис. 8.1.4).
Применение электронных систем управления на базе микропроцессоров и ЭВМ, вспомогательных регулирующих устройств способствовало созданию листоштамповочного оборудования с высокой степенью автоматизации наладочных работ. Все операции выполняются с пульта управления: регулирование необходимого давления подушки и урав-новешивателя; регулировка штамповой высоты с точным надежным позиционированием; смена штампов; выбор частоты ходов ползуна; детектирование и контроль сил штамповки (обеспечивает стабильность процесса штамповки) в случае превышения допускаемой силы (уменьшения технологической силы) -происходит останов пресса; останов после штамповки необходимой партии.
474 Глава 8.1. СРЕДСТВА АВТОМАТИЗАЦИИ ЛИСТОШТАМПОВОЧНОГО ПРОИЗВОДСТВА
Рис. 8.1.4. Листозагрузчик:
1 - механизм транспортирования стопы; 2 - пневмозахваты с ленточным транспортером; 3 - магнитный распушитель листов; 4 - устройство контроля сдвоенных заготовок; 5 - вильчатый поддерживатель остатка стопы; 6 - устройство нанесения технологической смазки; 7 - устройство фиксации заготовки; 8 - устройство загрузки заготовки в рабочую зону
Робототехнологические комплексы (РТК). Постоянное совершенствование кузнечно-прессового оборудования и технологической оснастки, накопленный опыт эксплуатации манипуляторов, промышленных роботов (ПР) и других автоматических устройств создали условия для автоматизации и механизации штамповочного производства с помощью РТК [9, 10].
Простейшими являются РТК на базе двухстоечного открытого пресса, оснащенного одноруким ПР. РТК работает в автоматическом цикле, в котором выполняются все основные и вспомогательные операции: поддержание верхнего уровня стопы заготовок и ориентирование их, подача на позицию захвата ПР с помощью магазинного или другого устройства, укладка заготовки в штамп, штамповка изделия, захват и удаление из рабочей зоны
пресса готовой детали. Для надежной работы РТК необходимы блокирующие устройства, укладка заготовки в штамп, штамповка изделия, захват и удаление из рабочей зоны пресса готовой детали.
Для надежной работы РТК необходимы блокирующие устройства, предотвращающие включение пресса: при нахождении схватов ПР в штамповой зоне; неправильной укладке заготовки или ее отсутствии; если схваты не могут переместиться в рабочую зону; если ползун пресса не находится в верхней мертвой точке или не совершил рабочего хода; при захвате двух и более заготовок.
Комплекс для штамповки изделий из штучных листовых заготовок на базе двухкривошипного закрытого пресса (рис. 8.1.5) простого действия Рп = 1,6 ...8 МН (ПО КПО, Воронеж) предназначен для вырубки, пробив-
СРЕДСТВА АВТОМАТИЗАЦИИ ЛИСТОШТАМПОВОЧНОГО ПРОИЗВОДСТВА
475
Рис. 8.1.5. Автоматизированный комплекс АККБ 3534А-1 на базе двухкривошипного закрытого пресса простого действия:
1 - пресс; 2 - манипулятор; 3 - механизм выгрузки
ки отверстий, неглубокой вытяжки с автоматизированной подачей заготовок в штамп и удалением изделий из зоны штампа механизмом выгрузки. Максимальные размеры заготовок 1700x1000 мм, толщина 0,8...6 мм, число циклов 13... 18 в минуту, точность позиционирования ±0,5 мм.
Получили применение линии прессов, в которых транспортную операцию заготовок от пресса к прессу выполняют ПР через промежуточный стол. При компоновке РТК АККЕ 2130.31 на базе однокривошипного пресса КЕ 2130 силой 1 МН наибольшие размеры обрабатываемого изделия 500x500x6 мм, наибольшая масса заготовки 5 кг, продолжительность цикла 5... 8 с.
В системе управления РТК применяется принцип одновременного начала цикла всех ПР, т.е. после прохождения первой детали через комплекс все роботы переходят на режим синхронной работы.
Для изготовления большинства средних и крупных деталей из листового металла требуется несколько рабочих операций, которые выполняются на прессах, последовательно расположенных в линии типа "тандем". Подачу заготовок в пресс и удаление детали из пресса осуществляют специализированные манипуляторы.
Для транспортировки заготовок для прессовых линий "тандем" может быть применен однопозиционный манипулятор "Кобра" (Sahlin, США) (рис. 8.1.6). Система управления манипулятора имеет память на 12 наименований изделий, точность позиционирования ±1 мм, производительность 20 циклов/мин.
Вариант двухпозиционного манипулятора фирмы Schule (Германия) для транспортных операций внутри прессовой линии приведен на рис. 8.1.7. Манипуляторы просты в наладке (самообучающиеся) и широко применяются.
Для выполнения транспортных работ фирма Bilsing (Германия) разработала напольный двухплечий ПР, который может обслуживать прессы со скоростью транспортировки 4 м/с. Прессовая линия с расстояниями между прессами 6 м, оснащенная ПР "Bilsing", имеет производительность 850 шт./ч линия с межцентровым расстоянием 8,3 м имеет темповый цикл 6,2 с, размер заготовки 1000x2000 мм.
Одноплечий ПР " Bilsing" успешно применяется для стапелирования готовых изделий.
Гибкие производственные системы (ГПС). Внедрение ГПС в прессовые цехи позволяет значительно сократить количество производственных рабочих, повысить надежность работы прессовых линий, поднять произ-
476 Глава 8.1. СРЕДСТВА АВТОМАТИЗАЦИИ ЛИСТОШТАМПОВОЧНОГО ПРОИЗВОДСТВА
Рис. 8.1.6. Однопозиционный манипулятор "Кобра"
Рис. 8.1.7. Двухпозиционный манипулятор с ЧПУ:
/ - пневмозахваты; 2 - рельсовый путь; 3 - привод кареток; 4 - несущая траверса; 5 - пневмопривод коротких перемещений пневмосхватов; 6 - каретки; 7 - механизм вертикального подъема; 8 - механизм кантования
водительность труда и значительно экономить производственную площадь [6].
Подготовка штамповой оснастки вне линии предполагает автоматизированный склад штампов с краном-штабелером и устройством опрокидывания штампов (профилактические работы); работа внутри линии выполняется системой управления с ЧПУ и ЭВМ.
Современные прессы снабжены автоматическими устройствами, позволяющими все
наладочно-регулировочные операции выполнять с пульта управления. За счет этого автоматизированы все подготовительные операции.
Фирмой NKK (Япония) разработан вариант компоновки ГПС на базе прессовой линии, включающей в себя: прессовую линию из пресса двойного действия 6/4 МН и четырех прессов простого действия 5 МН; автоматизированный склад штампов; опрокидыватель штампов и кран-штабелер для штампов.
СРЕДСТВА АВТОМАТИЗАЦИИ ЛИСТОШТАМПОВОЧНОГО ПРОИЗВОДСТВА
477
Фирма NKK поставила ЗиЛу ГПС, включающую в себя два штамповочных модуля: штамповочный модуль на базе двухкривошипного пресса силой 2 МН для работы из рулонного материала и штамповочный модуль на базе двухкривошипного пресса 1,5 МН для работы из полосы. ГПС имеет единый автоматизированный склад штампов, склад рулонов и магазин для хранения полосового материала. Прессы для ГПС изготовила фирма "Ямада Добби" (Япония).
На рис. 8.1.8 показана компоновка гибкого производственного модуля (ГПМ) на базе пресса 2,5 МН для работы от штучных деталей [11], размер заготовки 400x400 мм, толщина 0,5...4 мм. Штампы оснащаются двухкоординатными грейферными линейками, число переходов (по выбору) 3, 4, 5. Время переналадки 5 мин. Управление построено на базе микро-ЭВМ, процесс диагностирования и обслуживающие функции осуществляются микрокомпьютером. Отличительной особенностью технологической ячейки от других ГПМ со
стоит в том, что носителем информации является сам штамп (кодовый носитель информации для настройки всех систем).
Фирма "Аида" (Япония) разработала серию ГПМ с применением компьютера для подачи материала и замены штампов. Грейферные линейки заменяются вместе со штампами, время подготовки составляет 3...6 мин, что позволяет эффективно использовать ГПМ в мелкосерийном производстве для большой номенклатуры изделий и для сокращения количества материала и изделий на складе.
Разработка ГПМ и ГПС способствует реализации автоматических листоштамповочных цехов без участия людей.
Линии листоштамповочного производства. Современное листоштамповочное производство ориентируется на рулонный материал толщиной до 6 мм (отечественное) и 12 мм (зарубежное). С применением рулонного материала создаются условия для * практически полной автоматизации работ с рациональной схемой раскроя рулона.
Рис. 8.1.8. Производственная ячейка ГПМ FC PEZZ 250/PCI:
/-электрические шкафы управления; 2 - механизм питания штучными заготовками; 3 - рольганг для подачи магазинов с заготовками в зону питания; 4 - магазин с заготовками; 5 - контроль сдвоенной заготовки;
6 - грейферный перекладчик; 7 - штамповый блок; 8 - пресс; 9 - механизм привода грейферных линеек; 10- узел пневматических захватов; 11 - защитный кожух; 12 - вал отбора мощности; 13 - портальный манипулятор с грейфером; 14 - сбрасыватель готовых изделий с транспортера; 15 - стол поворотный
4-позиционный; 16 - магазин штампов; /7- стол загрузки
478 Глава 8.1. СРЕДСТВА АВТОМАТИЗАЦИИ ЛИСТОШТАМПОВОЧНОГО ПРОИЗВОДСТВА
Заготовительный цех оснащают автоматизированными линиями различных модификаций и исполнений для продольной и поперечной резки рулона (ширина рулона до 2 м, масса до 20 т).
На линии поперечного раскроя рулонного материала при комплектовании клещевой подачей с гидравлическим приводом отсутствует зона компенсационной петли. В случае резки заготовки с шагом более 1 м резка выполняется за два хода подачи. В случае использования заготовок трапециевидной формы линия комплектуется ножницами с поворотной ножевой балкой (поворот автоматический, а » 40°), а фигурной формы - вырубным прессом (комплектуется поворотной ножевой балкой).
Для поперечной резки полос применяют линии с летучим резом, резка ведется без останова подачи материала (рис. 8.1.9).
В состав линии продольной резки рулонного материала входят: загрузочный стол; раз-матыватель, узел ввода конца рулона, правильная установка, ножницы для резки дефектного начала рулона, ножевая клеть (сменная), устройство компенсационной петли, натяжная станция, наматыватель, разгрузочный стол, станция обвязки. Продольная резка рулона сопровождается двумя дополнительными реза-ми боковых кромок рулона. Линии комплектуются наматывающими устройствами.
Структурная схема полностью автоматизированной линии раскроя из рулона или листа разработана фирмой "Фест-Альпине", ФРГ (рис. 8.1.10).
Микропроцессорное управление позволяет обеспечить оптимальный раскрой материала, оптимальное использование материала и уменьшение доли отходов также при резке малыми партиями.
Изготовление большинства средних и крупных деталей из листового металла, например, в автомобильной промышленности в
большинстве случаев осуществляется на прессовой технологической линии, в которую встраиваются 4...6 прессов. Как правило, самая крупная операция вытяжки производится на первом прессе, обычно двойного действия. Для выполнения всех последующих операций штамповки применяются прессы простого действия [8].
Для штамповки мелких и средних деталей применяются прессовые линии, состоящие из 4...6 двухстоечных открытых прессов силой, как правило, до 2,5 МН. Транспортировка изделия от пресса к прессу выполняется грейферным перекладчиком с индивидуальным приводом. Линия снабжается обычно двумя комплектами линеек. В случае производственной необходимости прессы могут работать как отдельные единицы оборудования.
В настоящее время вместо приведенных выше прессовых линий зарубежные фирмы (Германии, США и др.) предлагают использовать в качестве транспортирующих устройств питатели с ЧПУ типа "фидер".
Такие питатели с управлением по двум осям в сочетании с напольными устройствами между прессами, имеющими от 3 до 7 степеней свободы, образуют гибкую автоматизированную прессовую линию. Достоинством такой автоматизации является использование существующей штамповой оснастки.
Для оснащения листоштамповочных цехов широко применяются автоматические линии на базе многопозиционных прессов ("Ай-Чай", "Хитачи", "Зосен" и др.). Имеется вариант компоновки комбинированной линии (пресс двойного действия и многопозиционный пресс) с общим приводом для двух прессов. Транспортировка изделия осуществляется общими грейферными линейками. Линия предусматривает промежуточную кантовку изделия, которая осуществляется общими грейферными линейками. Линия предусматривает промежуточную кантовку изделия на 180°.
Рис. 8.1.9. Линия для резки полос из рулонного материала с летучим резом
СРЕДСТВА АВТОМАТИЗАЦИИ ЛИСТОШТАМПОВОЧНОГО ПРОИЗВОДСТВА
479
Рис. 8.1.10. Схема полностью автоматизированной линии раскроя рулонного и листового материала:
/ - разматыватель; 2 - тележка транспортная; 3 - стол загрузочный; 4 - правильная установка с позиционированием подачи; 5 - ножницы поперечной резки; 6 - клещевой механизм подачи с поворотным устройством; 7 - транспортное устройство с пневмозахватами; 8 - приемный стол пакета листов; 9 - ножницы продольной резки; 10- штабелирующее устройство; 11 - клещевой механизм подачи; 12 - ножницы поперечной резки; 13 - штабелирующее устройство; 14,15 - пульты управления
На этих линиях сохраняется обычная схема вытяжки, а пропускная способность ограничивается скоростью кантователя. Ряд зарубежных фирм компонует линию прессами двойного действия с движением внутреннего ползуна при вытяжке снизу вверх (рис. 8.1.11). В таком случае изделие не надо поворачивать.
Фирма "Шулер" разработала гидравлическую подушку, которая позволяет выполнить вытяжку аналогично принципу пресса двойного действия. Гидравлическая подушка имеет четыре отдельно действующих напорных цилиндра, позволяет избежать вибраций во время вытяжки, обеспечивает постоянный или управляемый прижим листа и управляемый возврат после окончания вытяжки.
Фирма "Ай-Чай" разработала гидропнев-иагическую подушку с ЧПУ (рис. 8.1.12), которая в процессе перемещения ползуна имеет возможность изменять давление по заданной
Рис. 8.1.11. Пресс двойного действия с нижним движением вытяжного ползуна: 1 - ползун прижимной; 2 - прижимное кольцо;
3 - ползун вытяжной
480
Глава 8.2. СРЕДСТВА АВТОМАТИЗАЦИИ ОБЪЕМНОЙ ШТАМПОВКИ И КОВКИ
Рис. 8.1.12. Схема подушки с ЧПУ: РТ - датчик давления
программе. Кроме того, подушка начинает перемещаться вниз перед соприкосновением верхней части штампа с нижней, что значительно уменьшает ударную нагрузку.
Разработка прессовых линий на базе многофункционального многопозиционного пресса создает предпосылки для листоштамповочного производства без обслуживающего персонала с высокой степенью гибкости.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Автоматизация загрузки прессов штучными заготовками / Под общ. ред. В.Ф. Прейса. М.: Машиностроение, 1975. 279 с.
2. Бочаров Ю.А., Зиновьев И.Б., Бабин Н.Б. Гибкие автоматизированные системы в кузнечно-штамповочном производстве. М.: ВИНИТИ АН СССР, 1987.
3. Бочаров Ю.А. Комплексная технология автоматизированного производства. М.: ВНИИТЭМР, 1991.
4. Бочаров Ю.А. Получение машиностроительных заготовок в гибком автоматизированном производстве. М.: ВНИИТЭМР, 1995.
5. Бочаров Ю.А., Ющенко А.С. Промышленные роботы в технологии современного машиностроительного производства. М.: НИИмаш, 1984.
6. Гибкие производственные системы в штамповочном производстве: Материалы семинара. М.: Дом научно-технической пропаганды, 1988. 177 с.
7. Норицин И.А., Власов В.И. Автоматизация и механизация технологических процессов ковки и штамповки. М.: Машиностроение, 1967. 387 с.
8. Розен Г.М., Убрятов А.А., Петин А.А. Механизация и автоматизация листо
вой штамповки в автомобилестроении. М.: Машиностроение, 1983. 326 с.
9. Семенов Е.И., Кравченко Н.Ф. Робототехнические комплексы для листовой штамповки мелких деталей. М.: Машиностроение, 1989. 288 с.
10. Хвощевский Г.И. и др. Опыт создания автоматизированного участка штамповки деталей с применением промышленных роботов // Кузнечно-штамповочное производство. 1989. №8. С. 21-24.
11. Хеннинг В., Мерч И., Эрш Р. Гибкое автоматизированное производство трехмерных листовых деталей на технологической ячейке FC PEZZ250 / PCI И Кузнечно-штамповочное производство. 1989. № 12. С. 20-22.
Глава 8.2
СРЕДСТВА АВТОМАТИЗАЦИИ ОБЪЕМНОЙ ШТАМПОВКИ И
КОВКИ
8.2.1. СРЕДСТВА АВТОМАТИЗАЦИИ ШТАМПОВКИ НА КГШП
Наиболее распространенными средствами автоматизации КГШП являются роботы и грейферные перекладчики. Кузнечное производство с высокой температурой транспортируемых объектов, наличием окалины и продуктов сгорания технологической смазки, значительной вибрацией требует применения специальных роботов, обладающих повышенной работоспособностью и надежностью.
Роботы грузоподъемностью 160...300 кг получили применение при штамповке коленчатых валов и балок передней оси на КГШП силой свыше 100 МН. Для передачи заготовок более чем на две позиции наиболее эффективны многозахватные роботы (рис. 8.2.1).
На рис. 8.2.2 представлена классификация факторов, обусловливающих выбор средств автоматизации КГШП, и отмечена совокупность факторов, определяющих применения грейферного перекладчика. В остальных случаях целесообразно применение роботов или простейших манипуляторов.
Существует два вида КГШП, на которых межоперационное транспортирование поковок осуществляется грейферными перекладчиками. Это специальные прессы-автоматы,
СРЕДСТВА АВТОМАТИЗАЦИИ ШТАМПОВКИ НА КГШП
481
Рис. 8.2.2. Классификация факторов, влияющих иа выбор средств автоматизации
16-819
482
Глава 8.2 СРЕДСТВА АВТОМАТИЗАЦИИ ОБЪЕМНОЙ ШТАМПОВКИ И КОВКИ
работающие в автоматическом режиме и совмещенном цикле с перекладчиком при несколько сниженной быстроходности (числе ходов ползуна в минуту), что позволяет осуществлять привод перекладчика от пресса, и специализированные прессы, работающие в комбинированном цикле с перекладчиком, имеющим независимый привод. Ограничение быстроходности прессов-автоматов из-за меньшего числа ходов в минуту перекладчика отрицательно сказывается на стойкости штампов. Прессы-автоматы, несмотря на высокую производительность, изготавливаются единично, так как область их применения строго ограничена. Высокие капиталовложения, необходимые для приобретения и внедрения прессов-автоматов, целесообразны только при массовом характере производства.
Быстроходность ползуна у КГШП с грейферным перекладчиком, имеющим независимый от пресса привод, не ограничена числом ходов в минуту перекладчика, что позволяет увеличить стойкость штампов. Число ходов в минуту перекладчика может варьироваться в зависимости от технологического процесса, обеспечивая достаточно высокую универсальность оборудования. Эти особенности грейферных перекладчиков с независимым приводом определили возрастающую тенденцию их применения для получения широкой номенклатуры поковок.
Грейферные перекладчики для автоматизации штамповки на КГШП можно классифицировать:
1) по типу привода (пневматический, гидравлический, электрический);
2) по типу передаточного механизма (кривошипно-рычажный; кулачково-рычажный; плунжерный с силовыми цилиндрами);
3) по типу подвески грейферных линеек (консольная, двухсторонняя).
Применение пневмопривода объясняется его простотой, однако выполнение пространственной траектории движений от пневмоцилиндров усложняет пневмосхему и делает работу перекладчика ненадежной в условиях кузнечных цехов. Перекладчики с гидроприводом применяются редко из-за сложности обслуживания. Они используются в основном для получения тяжелых поковок с небольшим темпом штамповки.
Электрический привод обеспечивает более высокую надежность, быстродействие и стабильность работы. Преобладающим является использование электродвигателя с вариатором скорости и регулируемого привода постоянного тока, которые сообщают линейкам перекладчика посредством кривошипнорычажного или кулачково-рычажного механизма пространственную траекторию движения.
Перекладчики с консольной подвеской линеек (рис. 8.2.3) отличаются разной для каждой пары захватов величиной хода подъема-опускания и раскрытия-закрытия, что усложняет наладку и обслуживание.
Рис. 8.23. Кинематическая схема перекладчика с консольной подвеской грейферных линеек и кулачково-рычажным приводом
СРЕДСТВА АВТОМАТИЗАЦИИ ШТАМПОВКИ НА КГШП
483
Консольно подвешенные грейферные линейки более подвержены вибрации, чем линейки с двухсторонней подвеской. Поэтому консольную конструкцию применяют для КГШП силой до 40 МН, перекладчики которых обладают относительно небольшими ускоренно перемещающимися массами звеньев. При замене штамповых вставок грейферные линейки легко снимаются или выводятся из штамповой зоны, так как перекладчик может откатываться по рельсам.
Перекладчик с двухсторонней подвеской линеек и кривошипно-рычажным приводом отличается от других конструкций верхним расположением привода в зоне, не загрязнен
ной окалиной и технологической смазкой. Вращение кривошипам сообщается от электродвигателя через клиноременную передачу, муфту-тормоз и червячный редуктор. Основной недостаток этого перекладчика состоит в том, что во всех видах движения одновременно участвует большое количество массивных звеньев, что создает значительные инерционные нагрузки и, как следствие, ограничивает производительность и снижает точность позиционирования.
Фирма Sumitomo (Япония) применяет перекладчик, конструктивная схема которого показана на рис. 8.2.4, а.
Рис. 8.2.4. Перекладчик фирмы Sumitomo (Япония):
а - схема конструкции; б - схема генератора движений; в - устройство д ля кантовки и переноса заготовок
16*
484
Глава 8.2. СРЕДСТВА АВТОМАТИЗАЦИИ ОБЪЕМНОЙ ШТАМПОВКИ И КОВКИ
Каждая балка перекладчика имеет двухстороннюю плунжерную подвеску на подвижной каретке. Каретки попарно установлены на кронштейнах с возможностью поперечного перемещения относительно фронта пресса. Кронштейны размещены в окнах стоек пресса и перемещаются в продольном направлении посредством двух гидроцилиндров. Поперечное перемещение каждой каретки осуществляется соответствующим гидроцилиндром. Подъем и опускание балок происходит за счет работы четырех гидроцилиндров, размещенных по одному в каждой каретке. Каретки и кронштейны перемещаются в роликовых направляющих.
Движение балок по каждой из трех координат обеспечивается соответствующим кулачком генератора движений, установленного рядом с прессом (рис. 8.2.4, б). Каждый из трех кулачков приводится в движение через редуктор от электродвигателя и сообщает посредством рычага возвратно-поступательное движение плунжеру цилиндра. Масло из цилиндра вытесняется и по трубопроводу подается к соответствующим цилиндрам перекладчика. Обратный ход осуществляется посредством пневмогидравлического усилителя. На рис. 8.2.4, в представлено устрой
ство для кантовки поковки на 90° при ее переносе из ручья в ручей.
Автоматизация КГШП в условиях мелкосерийного и серийного производства поковок требует максимальной гибкости и универсальности. Оборудование должно обеспечивать линейные и цикловые перемещения по любой из заданных программ с возможностью корректировки всех параметров (скорость, ускорение, путь). В данном случае обычно используются роботы, но могут применяться и грейферные перекладчики при условии автоматизированной замены линеек с захватами вместе со штамповым блоком или кассетами штамповых вставок во время переналадки на другую поковку (рис. 8.2.5). Такой перекладчик обычно оснащается программируемым электроприводом по каждой координате перемещения грейферных линеек. Это позволяет быстро менять величины ходов переноса, смыкания и подъема захватов, обеспечивать при необходимости остановку перекладчика между отдельными позициями штамповки, например, для охлаждения, смазки, очистки и т.п. Возможно в данном случае и изменение направления перемещения поковки по позициям во время штамповки.
8.2.2. УСТРОЙСТВА ДЛЯ СМЕНЫ ШТАМПОВОГО ИНСТРУМЕНТА
Повышение производительности КГШП и других КШМ в значительной мере зависит от сокращения времени на вспомогательные операции смены штампового инструмента и
штамповых блоков. Особенно важно механизировать эти операции в условиях автоматизированной штамповки в целях сокращения простоя высокопроизводительного оборудования. Классификация наиболее часто применяющихся устройств приведена на рис. 8.2.6.
УСТРОЙСТВА ДЛЯ СМЕНЫ ШТАМПОВОГО ИНСТРУМЕНТА
485
Рис. 8.2.6. Классификация устройств для смены штампового инструмента на КГШП
Операцию смены штампового инструмента проводят как непосредственно в штамповой зоне, так и вне ее. Первый способ обычно применяется для КГШП силой до 40 МН. Смена штампового инструмента на более крупных прессах осуществляется при выведенном из пресса штамповом блоке. Второй способ требует наличия кантователя, обеспечивающего разделение и кантовку верхней и нижней половин штампового блока. В обоих
случаях обязательным условием является быстрое удаление рабочих звеньев средств автоматизации из штамповой зоны пресса.
Смена отдельных штампов осуществляется посредством механических рук различной конфигурации с приводом от электротали, либо от гидроцилиндра. В целях сокращения потерь времени на крепление и раскрепление штампового инструмента применяется установка штампов в обоймах. Для этого прессы оснащаются устройством в виде подвижной тележки, которая по рельсам подкатывается к прессу и фиксируется в заданном положении. Штоки гидроцилиндров вводятся в гнезда обойм штампов и крепятся штифтами. Затем обратным ходом гидроцилиндров верхний и нижний пакеты штампов перемещаются на площадки устройства, где производят их смену или ремонт. Монтаж штампов в пресс осуществляется аналогичным образом.
Фирма Sumitomo использует для смены обойм со штамповым инструментом откидную площадку с гидроцилиндром (рис. 8.2.7). Для смены штампов вне рабочей зоны на более крупных КГШП применяют устройства в виде стола, который находится на уровне пола цеха. Колеса, которыми оснащен штамповый блок, поднимаются специальными гидроцилиндрами на уровень подштамповой плиты пресса. Затем штамповый блок соединяется с цепным транспортером на столе, который, перемещаясь, выдвигает блок из пресса и ставит на его место другой, подготовленный к работе.
Рис. 8.2.7. Откидная площадка для смены штампового инструмента
486
Глава 8.2. СРЕДСТВА АВТОМАТИЗАЦИИ ОБЪЕМНОЙ ШТАМПОВКИ И КОВКИ
Если уровень подштамповой плиты пресса выше уровня пола, для смены штамповых блоков применяются самоходные платформы (см. рис. 8.2.6). Штамповый инструмент нагревают вне пресса, что позволяет существенно снизить время переналадки.
Для исключения потребности в мостовом кране используют стационарный кантователь штамповых блоков, в функции которого входит съем с направляющих колонок и кантовка на 180° верхней половины блока. Это создает условия для удобной и быстрой смены инструмента с помощью кран-балки, после чего на кантователе осуществляют сборку блока. Там же возможна предварительная наладка инструмента.
8.2.3. СРЕДСТВА АВТОМАТИЗАЦИИ КОВКИ
В области свободной ковки задачи повышения качества, снижения металлоемкости поковок и одновременного повышения производительности труда наиболее полно решаются при выполнении свободной ковки автоматизированными и роботизированными ковочными комплексами с одновременным решением задачи обеспечения высокой и стабильной точности поковок.
Ковочные робототехнические комплексы в своем составе имеют: ковочный пресс, манипулятор (один или два), тележки с поворотным столом (или подъемно-поворотные столы) и автоматизированную систему управления от ЭВМ.
Автоматизированные ковочные комплексы с управлением от ЭВМ могут выполняться как на базе прессов с индивидуальным насосным приводом, так и на базе прессов с насосно-аккумуляторным приводом. В качестве рабочей жидкости в насосном приводе используется, как правило, минеральное масло, в насосно-аккумуляторном - водная эмульсия.
Возвратно-поступательное движение бойка при индивидуальном насосном приводе может управляться в релейном режиме. Насосноаккумуляторный привод требует управления скоростью бойка с программируемым ее изменением для предотвращения гидравлического удара в моменты переключения.
Манипуляторы для работы в составе комплексов должны иметь дистанционное управление, повышенные ускорения вращения хобота и его подач, чтобы соответствовать
быстроходности пресса. Наибольшее влияние на производительность работы комплекса оказывают затраты времени на вращение и продольную подачу поковки.
Контроль за основными движениями пресса и манипулятора осуществляется датчиками с дискретностью, позволяющей измерять перемещение бойка не грубее 0,5 мм, перемещение хобота манипулятора не грубее 1 мм и его вращение не грубее 0,25°.
Система компьютерного управления комплексом решает следующие задачи:
- повышение точности ковки за счет останова бойка пресса в пределах ± (1...2) мм с автоматической коррекцией отклонения от заданного, что обеспечивает экономию массы металла поковки путем уменьшения допуска на поковку в среднем около 10 % общей массы объема производства поковок из углеродистых сталей. Этим же обеспечивается высокое качество поковок из труднодеформируемых сталей и сплавов вследствие реализации заданной степени деформации, превышение которой может привести к трещинам поковки;
- стабилизация качества поковок посредством стабилизации процесса ковки, уменьшающей влияние факторов, зависящих от профессиональной подготовки операторов-кузнецов. Это создает возможность проводить ковку по оптимальной технологии по критериям затрат времени или обеспечения качества поковок;
- осуществление управления всеми элементами робототехнического комплекса с одного пульта;
- улучшение условий труда операторов-кузнецов, сокращения бригады кузнецов до 3-4 человек;
- обеспечение возможности вести регистрацию технологических параметров операций ковки, а также времени, затраченного на эти операции с регистрацией простоев и их причин, что позволяет проводить анализ работы за прошедший период и планировать работу последующих периодов с учетом реальных затрат времени на конкретные поковки;
- ведение автоматической или программной ковки: по предварительно разработанной программе; по программе, записанной во время работы высококвалифицированного кузнеца в автоматическом режиме; по программе, разрабатываемой ЭВМ в реальном масштабе времени с учетом изменяющихся технологических условий во время ковки;
КОМПЛЕКС ДЛЯ КОВКИ ТРУ ДНО ДЕФОРМИРУЕМЫХ СПЛАВОВ
487
использование диагностики работы оборудования с указанием адресов отклонений и их отображением на экране: предупреждающая или блокирующая неисправность. Производится регистрация этих неисправностей и вывод их на печать;
осуществление регистрации технико-экономических показателей, включая код поковки, массу поковки и слитка, материал, время начала и конца ковки, простоев.
Робототехнический комплекс может работать: в ручном, полуавтоматическом и программном режимах работы.
В ручном режиме движения поперечины пресса и манипуляторов выполняются от рукояток управления с визуальным контролем, но при этом автоматизируются движения: синхронное с прессом проседание хобота манипулятора во время жима пресса, взаимное движение двух манипуляторов.
В полуавтоматическом режиме пресс управляется от рукоятки с ограничением рабочего движения бойка пресса заданным размером поковки; манипулятор может управляться как от рукоятки, так и автоматически с визуальным контролем величины хода или по параметрам, задаваемым с пульта временнбй зависимостью или по координатам в цифровом виде. Возможно выполнение этого режима путем ручного управления манипулятором при автоматизированном управлении возвратно-поступательным движением бойка.
Автоматический режим может выполняться с временнбй зависимостью работы манипулятора от перемещения бойка и работой манипулятора по заданному положению хобота.
Во временнбм режиме задаются только параметры перемещения бойка пресса (размер поковки и величина хода бойка); параметры работы манипулятора (шаг перемещения и угол поворота хобота) подбираются визуально с помощью временных задержек. В автоматическом режиме с управлением по координате, кроме параметров положения бойка пресса, тоже в числовом виде задаются параметры координат хобота манипулятора, а также шаг подачи, угол поворота, величина перемещения. Этот режим имеет следующие варианты: ковка с вращением, ковка кольцами, ковка кольцами с серией поворотов на неравные углы, ковка шагами с прерывистым движением тележки манипулятора, ковка шагами с непрерывным движением тележки манипулятора, ковка по винту. Кроме согласованной работы, манипулятор может перемещаться в заданную коор
динату, на заданный шаг, поворачивать хобот на заданный угол.
Программный режим представляет собой совокупность автоматических проходов по заранее подготовленной программе или по программе откорректированной системой управления непосредственно во время ковки с учетом реальных условий (температурных, силовых). Программный режим может выполняться покадрово - с ручным управлением между автоматическими проходами и в непрерывном режиме. Программа работы может записываться как по приемам работы оператора в автоматическом режиме, так и рассчитываться технологом-программистом на отдельной ЭВМ по специальной программе.
Существенную роль в функционировании робототехнического комплекса играют другие средства механизации, входящие в состав комплекса. Тележки с поворотным столом обеспечивают передачу слитка (поковки) от нагревательных устройств в рабочую зону, перехват поковки манипулятором в процессе ковки, поддержание свободного конца поковки.
В состав робототехнического комплекса могут включаться дополнительные средства для маркировки поковок, для нарезки на мерные длины, а также устройства для передачи слитков и поковок от нагревательных устройств к тележкам и обратно.
Дальнейшим развитием процесса автоматизации является включение в единую систему управления робототехническим комплексом также нагревательных печей. Их включение в общую систему управления позволяет рационализировать работу печей, обеспечивая экономию топлива за счет прогнозирования времени подачи слитка к прессу на основе расчетных или статистических данных.
8.2.4. КОМПЛЕКС ДЛЯ КОВКИ
ТРУ ДНО ДЕФОРМИРУЕМЫХ СПЛАВОВ
Примером состава комплекса может служить установленный на ЗАО "Ступинская металлургическая компания" ковочный комплекс, включающий в себя: ковочный гидравлический пресс силой 17,5 МН; два манипулятора грузоподъемностью 1,25 и 2,5 т; три электрических и одну двухкамерную газовую печь; загрузочно-разгрузочную машину грузоподъемностью 3,5 т.
На нем осуществляется свободная ковка поковок массой до 2,2 т из различных высоколегированных жаропрочных никелевых сплавов:
488
Глава 8.3. КОМПЛЕКСЫ И ЛИНИИ ДЛЯ ПРЕССОВАНИЯ ЛЕГКИХ СПЛАВОВ
ЭИ698-ВД ЭИ437Б(БУ)-ВД ЭП648-ВИ, ВЖ159-ИД ЭИ893-ВИ, ЭП718-ИД ЭП708-ВД и др.
Состав комплекса:
- ковочный манипулятор МК-2,5;
- ковочный манипулятор МК-1,25;
- двухкамерная газовая печь с загрузочно-разгрузочной машиной слитков (разработка института "Стальпроект");
- поворотный стол.
Реконструкция производства изделий из различных высоколегированных жаропрочных сплавов на предприятии и освоение производства крупноразмерных полуфабрикатов (масса до 2,2 т) диктуется условиями хозяйственной деятельности последних лет и имеющимся многолетним опытом в этой области.
Наличие в комплексе трех электрических камерных печей (мощность 250 кВт, размер пода 2550 х 2655 мм, высота загрузочного окна 520 мм) дает возможность обеспечить нагрев заготовок малых размеров, а также изделий из титановых сплавов.
Для обслуживания печей используется рельсовая загрузочно-разгрузочная машина со следующими основными техническими дан-
ными: масса садки, т................ 3,5
диаметр заготовок, мм......... 100...450
длина заготовок, мм........... 800... 2500
ход тележки, мм............... до 3800
ход поворотного стола, мм..... до 3300
скорость перемещения тележки, м/с........................... до 0,71
скорость перемещения стола, м/с до 1,46
Крупные заготовки (массой более 0,5 т) нагревают в двухкамерной газовой печи с размером пода каждой камеры 3500 х 3500 мм и высотой загрузочных окон 1470 мм.
Максимальная температура в камере -1200 °C. В каждой камере установлены по четыре горелки типа ГР-250. Максимальный расход газа 175 м3/ч. Отвод продуктов сгорания газа обеспечивается системой газоудале-ния, общей для двух камер. Печь оборудована системой автоматики безопасности.
Глава 8.3
КОМПЛЕКСЫ И ЛИНИИ ДЛЯ ПРЕССОВАНИЯ ЛЕГКИХ СПЛАВОВ
К концу XX века в мире эксплуатировалось не менее 2600 комплексов и линий для
прессования профилей и труб из алюминиевых, магниевых и титановых сплавов с сортаментом до 40 000 типоразмеров, что характеризует масштаб этого сектора промышленности.
Структура комплексов и линий. В общем случае схема автоматизированного прессования содержит позиции технологического оборудования со следующими функциями, представленными на рис. 8.3.1 [4].
Дополнительно в производстве пресс-изделий применяется оборудование для предварительной термообработки (например, установки для гомогенизации), обрезки дефектных концов слитков (дисковые пилы) и их порезки или обработки на мерные заготовки (пилы или станки), а также линии для химических и покрасочных процессов, упаковки готовой продукции [17, 29].
Оборудование автоматизированного комплекса базируется на позициях 1, 2, 4...8. Между комплексом и остальным оборудованием технологического цикла нет поточной связи.
Напротив, автоматизированная поточная линия обычно включает в себя все 12 позиций. В результате комплексы и линии оборудования отвечают соответственно партионному и поточному принципам движения обрабатываемого металла [17]. При этом комплексы более целесообразны для производства пресс-изделий повышенной прочности, а линии - для пресс-изделий из легкодеформируемых алюминиевых сплавов с тенденцией к расширению сортамента за счет более прочных сплавов [29,5].
Классификация комплексов и линий.
Комплексы с гидропрессом для:
а) прямого прессования алюминиевых и магниевых сплавов (без смазочного материала - за редким исключением);
б) прямого прессования титановых сплавов со смазочным материалом;
в) обратного и активно-обратного прессования алюминиевых и магниевых сплавов без смазочного материала;
г) гидропрессования (гидроэкструзии) алюминиевых и титановых сплавов.
Линии с гидропрессом для:
а) прямого прессования легкодеформируемых алюминиевых сплавов без смазочного материала;
б) обратного и активно-обратного прессования алюминиевых сплавов средней и высокой прочности без смазочного материала.
КОМПЛЕКСЫ И ЛИНИИ ДЛЯ ПРЕССОВАНИЯ ЛЕГКИХ СПЛАВОВ
489
Рис. 83.1. Комплексная блок-схема автоматизированного производства пресс-изделий на базе одного пресса для прессования: 1 - штабелирование и загрузка слитков; 2 - нагрев слитков; 3 - поточная резка слитков на заготовки; 4-прессование профилей и/или труб; 5 - управление прессом и другим оборудованием; 6 - нагрев пресс-инструмента; 7 - натягивание, закаливание и отрезка прессуемого полуфабриката;
8- транспортирование, охлаждение и накопление полуфабрикатов; 9 - правка полуфабрикатов;
10-резка их на коммерческие длины с контролем качества и размеров; / / - штабелирование пресс-изделий в контейнеры для искусственного старения; 12 - штабелирование в транспортную тару
Комплексы и линии имеют различия по составу оборудования и их конструкции при производстве профилей, труб или крупногабаритных панелей постоянного и переменного по длине сечения. При этом в комплексах нередко применяются универсальные прессы, совмещающие прямое и обратное прессование [29, 21,18, 19, 20] или активно-обратное и обратное прессование.
Различия оборудования и оснастки, определяемые способом прессования, сплавами и видом пресс-изделий, рассматриваются, например, в работах: в случае прямого прессования [29, 5, 21, 18, 19, 20, 28], обратного прессования [29, 5, 21, 18, 19, 20, 28], активнообратного прессования [9, 28] и гидроэкструзии [29, 12]. Высокоскоростное активнообратное прессование - основа для развития поточного производства пресс-изделий из прочных алюминиевых и магниевых сплавов.
Технологическое оборудование в комплексах и линиях. Эффективность комплексов и линий обеспечивается прежде всего оптимальностью выбора оборудования и систем управления по технологическим и экономическим критериям и задачам [4, 17].
Оборудование для прессования алюминиевых и магниевых сплавов. Установки для нагрева слитков (см. поз. / и 2, рис. 8.3.1).
В них включаются индукционные, газовые или комбинированные печи. В поточных линиях чаще применяются газовые печи, близкие к индукционным по КПД (0,4...0,55), но значительно экономичнее в изготовлении и эксплуатации, более скоростные. Индукционные и комбинированные печи, обеспечивая градиентный нагрев заготовок, входят обычно в состав комплексов и некоторых линий для производства прочных пресс-изделий [4, 17,29, 5].
Для комплексов используются мерные заготовки, для линий - слитки длиной от 3 до 7 м, что также влияет на конструкции печей, стеллажей и подающих механизмов.
Исходная информация приводится в работах [4, 17, 29, 5, 20, 28, 22, 13], а также в публикациях ведущих фирм-изготовителей: Junker и Elhaus (Германия), Seco/Warwick, Granco-Clark и OMAV (США), Turla и Cometal Engineering (Италия).
Установки для резки слитков. Слитки разрезают на заготовки для прессования на механическом оборудовании литейных цехов (для комплексов) и на специальных пресс-ножницах для резки сдвигом (в составе линии, см. поз. 3, рис. 8.3.1). Гидравлические пресс-ножницы силой 0,5... 18 МН (рис. 8.3.2) успешно применяются в линиях с прессами силой 8,35 МН преимущественно для производства профилей из легкодеформируемых алюминиевых сплавов [4, 5].
Ножницы снабжаются двумя парами втулочных ножей, цельных, с пассивным зажатием слитка или, что гораздо лучше, разрезных, с активным его обжимом (с помощью цилиндра силой до 20 % номинальной силы ножниц) [5, 24]. Циклы печи и ножниц автоматически связаны. После отрезки заготовки дозированной длины ножи раскрываются, слиток толкателем возвращается в печь.
Базовая информация приводится в работах [5, 20, 28, 13, 24] и в публикациях ведущих фирм-изготовителей; Clecim (Франция), SMS Eumuco (Германия), Belco (США).
Рис. 83.2. Схема и характеристики пресс-ножниц для горячей резки сдвигом слитков-столбов на мерные заготовки: / - от печи; 2 - к прессу
490
Глава 8.3. КОМПЛЕКСЫ И ЛИНИИ ДЛЯ ПРЕССОВАНИЯ ЛЕГКИХ СПЛАВОВ
Гидропрессы для прессования (см. поз. 4 и 6, рис. 8.3.1) разделяются на традиционные (см. гл. 2.5) [29, 21, 18, 19, 20, 28, 13] и специальные - для активно-обратного [8, 28, 3] и гидростатического прессования [29, 12].
Вместе с поточными линиями преимущественное распространение получили традиционные прессы для прямого прессования - до 75...80 % парка. Следует иметь в виду, что эти прессы в линиях отличаются от аналогичных прессов в комплексах меньшими силами контейнера (отсутствует операция отрыва пресс-остатка) и ножа для отрезки пресс-остатка (не используются заготовки из прочных сплавов), некоторыми вспомогательными механизмами, операционным циклом и системой управления [4,28].
Наиболее известные прессостроительные заводы и фирмы: УЗТМ, Екатеринбург (прессы от 14 до 200 МН); КЗТС, Коломна (16... 50 МН) и НЗТСГ, Новосибирск (5...25 МН); SMS Sutton и SMS Demag, Германия (до 140 МН); SMS Sutton, США (до 55 МН); Fielding Platt, Англия (до 28 МН); Daniele-Breda, Италия (до 50 МН); UBE (до 100 МН) и Kobe Steel, Япония (4...60 МН); Clecim, Франция (8...50 МН); АСЕА, Швеция (до 45 МН).
Первые промышленные варианты гидропрессов для активно-обратного (А) и гидростатического прессования (Б) разработаны соответственно КЗТС и НЗТСГ (А) [3] и Kobe Steel и АСЕА (Б) [29, 12].
Автоматическая система управления оборудованием (см. поз. 5, рис. 8.3.1). Система управления с программируемой памятью и ЭВМ объединяют технологическое оборудование в комплексы или линии. Например, применительно к линии система обеспечивает по-операционно-следящий режим с оптимизацией процессов и диагностикой неисправностей и ошибок, составлением протоколов и фиксированием данных производства. В память системы можно ввести до 25 заказов со следующей информацией: номера матрицы и сплава, диаметр и температура контейнера, количество заготовок, их длина и температура, количество каналов матрицы, коэффициент вытяжки, скорости распрессовки и прессования, толщина пресс-остатка, сила натяжения и выходная температура профиля, его масса и длина [4,29,5].
Данные систем управления в линиях приводятся, например, в работах [28, 13], а также в публикациях ведущих прессостроительных и специализированных фирм:
Kelly Control Systems и Oildear (США), Extrusion Press Services (Англия).
Послепрессовое (адьюстажное) оборудование наиболее полно представлено в поточной линии: установками натяжения (пулле-ром) и пресс-закалки профилей и передвигаемой отрезной пилой 7 (см. рис. 8.3.1), поперечным транспортером-столом с системой охлаждающих вентиляторов 8, правильнорастяжной машиной 9, установкой с дисковой пилой для мерной резки профилей и отрезки образцов 10, системой штабелирования пресс-изделий 11 и печью для искусственного старения 12.
Пуллер [29, 5, 20, 28, 13] предназначен для захвата концов выпрессовываемых профилей и их "вытягивания" (без остаточной пластической деформации). Каретка с узлом зажима профилей перемещается вдоль стола пресса по рельсам с помощью троса или цепной передачи.
Пуллер может быть спаренным (с двумя тележками), что увеличивает диапазон его функций (до 7 программ) и безопасность работы. Сила натягивания задается и регулируется в зависимости от площади сечения и марки сплава профиля (-лей). Типовой ряд соотношений сила пресса/сила пуллера (МН/кН): 8... 10/0,8... 1,2; 15...18/1,2...2,2; 20...22/2,0...3,0; 25...30/3,5...7,0.
Применение пуллера позволяет автоматизировать взаимосвязанную работу оборудования на позициях 1 - 8 (см. рис. 8.3.1), выровнять профили с сохранением качества их поверхности, увеличить на 10 - 15 % производительность.
Установка пресс-закалки [4, 17, 29, 5, 28, 13] предназначена для закалки прессуемых полуфабрикатов из алюминиевых сплавов системы Al-Mg-Si и некоторых других. Закалочные среды - воздух или вода, подаваемые под давлением. Установка для закалки располагается сразу за прессом, над его столом (рольгангом).
Варианты их исполнения и тактикотехнические данные приводятся в работах [28, 13, 6] и публикациях фирм, выпускающих поточные линии, например: SMS Eumuco (Германия), Cometal Engineering и Turla (Италия), Granco-Clark и OMAV (США), UBE (Япония), Clecim (Франция), Edwards (Англия).
Полуфабрикаты (профили и трубы) из прочных алюминиевых сплавов, сложные и крупные профили и панели, произведенные на комплексах, термообрабатываются в верти
КОМПЛЕКСЫ И ЛИНИИ ДЛЯ ПРЕССОВАНИЯ ЛЕГКИХ СПЛАВОВ
491
кально-закалочных печах, затем правятся на специализированном оборудовании [17, 29, 20, 11,9,16, 10].
Адьюстажное оборудование (см. поз. 8 -/2 рис. 8.3.1) для завершения механической и термической обработки профилей на линии представлено, например, в работах [4, 17, 29, 5, 20, 28, 3] и публикациях фирм, выпускающих прессы и линии.
Оборудование для прессования титановых сплавов. Это оборудование, включаемое в комплексы, существенно отличается по своим характеристикам от оборудования для обработки алюминиевых сплавов благодаря применению более высоких скоростей (до 80 мм/с) и температур (до 1200 °C) прессования, специальных матриц и стеклосмазок, условий приема полуфабрикатов.
Установка пресс-закалки не используется; вместо пуллера - направляющая проводка, вместо стола-транспортера введен копильник. Адьюстажное оборудование обладает более широкими возможностями в способах правки, калибровки, волочения.
Система управления технологическими процессами сравнительно проще, поскольку отсутствуют средства контроля и регулирования выходных температурно-скоростных параметров прессования. Продукция - сплошные и пустотелые профили постоянного и переменного сечения, трубы и панели.
Исходная информация содержится в работах [29,21, 20, 12, 11,9, 15, 14].
Типовые примеры комплекса и поточных линий. Высокая эффективность эксплуатации комплексов и линий достигается при оптимальном выборе состава и компоновочной схемы оборудования с обеспечением необходимого уровня механизации и автоматизации операций.
Одним из позитивных примеров является автоматизированный комплекс для прессования прочных алюминиевых сплавов фирмы SMS Demag [13] (рис. 8.3.3). Индукционная печь осуществляет нагрев мерных заготовок для прессования - равномерно или с градиентом температуры по длине. В систему управления прессом введен программируемый логический командоаппарат (промышленная ЭВМ на базе микропроцессоров), обеспечивающий прямую и обратную связь по схеме "руководство - процесс". Пресс снабжен маслонасосным приводом, работа которого оптимизируется данной системой управления.
Автоматизированная поточная линия с прессом для прямого прессования профилей из легкодеформируемых алюминиевых сплавов (изготовитель - та же фирма), приведенная на рис. 8.3.4 [13, 31], является примером рационального подхода к обеспечению высокой эффективности. Программируемая система контроля и управления позволяет полностью вести производственный процесс, снизить потери времени на простои оборудования и обеспечить требуемый уровень качественных показателей.
Рис. 833. Схема компоновки оборудования в комплексе для партионного производства пресс-изделий из алюминиевых сплавов:
1- пресс; 2 - стеллаж и механизм загрузки; 3 - нагревательная печь; 4 - выходной стол; 5 - передатчик пресс-шайб; 6 - устройство для разделения пресс-шайбы и пресс-остатка; 7 - бункер для пресс-остатков; 8-устройство для смены матриц; 9 - пульт управления; 10- печь подогрева матриц; 11 - приемный стол;
12 - податчик заготовок; 13 - толкатель пресс-шайбы
492
Глава 8.3. КОМПЛЕКСЫ И ЛИНИИ ДЛЯ ПРЕССОВАНИЯ ЛЕГКИХ СПЛАВОВ
Рис. 8.3.4. Схема поточной линии производства конструкционных профилей из алюминиевых сплавов:
1 - штабелер и механизм загрузки слитков; 2 - газовая печь нагрева слитков; 3 - насосное отделение; 4 - пресс силой 20 МН и инструментальная печь; 5 - пресс-ножницы для горячей резки; 6 - пульт управления;
7 - правильно-растяжная машина; 8 - устройство удаления пресс-остатка; 9 - ножницы для горячей отрезки профилей; 10-устройство натяжения профилей; 77 - транспортируемые короба; 72-дисковая пила;
73 - сталкиватель отхода; 14 - стол для комплектования профилей; 75 - установка для штабелирования профилей; 16- дозатор промежуточный; 77 - газовая печь старения; 18- поперечно-отводной транспортер с системой охлаждения профилей
Представление об устойчивых технических характеристиках оборудования, входящего в наиболее распространенные линии с прессами силой 16...35 МН, дает табл. 8.3.1.
Развитие поточного производства пресс-изделий из прочных алюминиевых сплавов сдерживается проблемами, связанными с механической обработкой мерных заготовок, совершенствованием пресс-закалки, расшире-
нием сортамента и недостаточным темпом обратного прессования [4, 29, 5, 13]. Новая тенденция - переход к активно-обратному прессованию (скоростному прессованию с активно действующим трением, СПАТ) [8,3,23], что позволяет вдвое увеличить темп работы пресса, многократно расширить сортамент пресс-изделий и поднять уровень их качества, избежать механической обработки поверхности заготовки.
8.3.1. Техническая характеристика технологического оборудования линий
Параметр Для работы в линиях с прессом, МН
16/17,4 18/20 35/38
Гооизонтальный гидпоппесс для поямого поессования
Диаметр контейнера, мм: минимальный максимальный 150...160 200...220 170... 180 220...240 250...260 320...360
Длина контейнера, мм 750...850 850...950 1150... 1300
Максимальный габаритный диаметр профиля, мм 160... 190 190...220 280...310
Максимальная ширина профиля, мм, (для специального контейнера) 240...250 260...280 350...370
Максимальная скорость прессования, мм/с 24... 30
Максимальная температура контейнера, °C 475...500
Вспомогательное время, с 12 1 13 1 15
Газовая печь для нагрева слитков-столбов
Длина круглых слитков-столбов, мм: минимальная 3000
максимальная 6000 7000
Диаметр слитков, мм 145...210 160...230 | 240...350
Количество зон нагрева, шт. 3...4
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
493
Продолжение табл. 8.3.1
Параметр Для работы в линиях с прессом, МН
16/17,4 18/20 35/38
Вертикальные пресс-ножницы для горя Сила резки сдвигом, кН чей резки слитков 900... 1100 | 1200... 1600 I 2000...2600
Минимальная температура слитков-столбов при резке, °C 390
Длина заготовок для прессования, мм 350...800 | | 350...900 | | 350... 1200
Скорость резки, мм/с 50
Печь электрическая для нагрева матриц
Температура нагрева, °C |330...500
Оборудование системы выхода-приемки профилей
Максимальная длина прессованного профиля на рольганге, мм 51000
Регулируемая сила пуллера, Н 200...1500 | 200... 1800 400...7000
Ширина зажима профилей пуллером, мм 400 450
Максимальная высота профиля, мм 150...160 | | 180...200 240...250
Правильно-растяжная мал Сила растяжения (max), кН иина 250...300 400...600 700... 1200
Степень деформации профилей, % 0,5...3 0,5...3,5 0,5...4
Максимальная длина профиля для правки, мм 51000
Максимальная ширина захвата, мм До 508
Установка для резки проф Коммерческие длины профилей (ориентировочно), мм илей 1500 | | 4000 | | 6000...7000
Протяженность резки профилей, мм До 1250
Газовая печь искусственного старе Максимальная длина профилей, мм ния профилей 6000... 7000
Время нагрева, ч 2...2,5 | | 2,5...3
Диапазон рабочих температур, °C 150...200
Для этого направления позитивным примером компоновки оборудования является поточная линия, созданная фирмой Kobe Steel для фирмы Furucawa (Япония) [4, 13]. Линия составлена из 16 единиц оборудования, имея некоторые отличия от линии на рис. 8.3.4 содержит: скальпир-пресс для обработки заготовок и пресс для брикетирования стружки (не требуются при СПАТ) [8, 23], пресс для обратного прессования (заменяется на пресс для СПАТ) [23, 25], устройство для подачи пресс-шайбы (при СПАТ пресс-шайба не применяется) [8,23], специализированную установку для пресс-закалки (при СПАТ изменяется режим) [8, 16]. Это направление описано в работах [8,3,25,1,2,7].
Общий прогресс в прессовании пресс-изделий обеспечивается адекватно требованиям мирового рынка не только высоким уровнем технологических разработок, но и всей разветвленной структурой предприятий обо
рудования и систем управления и их достижениями [17, 29, 12, 6, 10, 25, 1, 2, 7, 30, 27, 26].
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Агапов Ю.А., Арановский В.А., Бережной В.Л., Морозов К.П. Развитие конструкций гидравлических прессов малой мощности на основе совершенствования технологий прессования И Кузнечно-шптамповочное производство. 1994. № 2. С. 13-16.
2. Бережной ВЛ., Валовой В.Г., Ширяев Е.П. Комплексный подход к организационно-техническому проектированию нового автоматизированного производства прессованных изделий из труднодеформируемых алюминиевых сплавов И Технология легких сплавов. 1990. № 2. С. 60 - 64.
3. Бережной В.Л. Реализация процессов прессования с активным действием сил трения (Обзор литературы за 1965 - 1995 гг.) // Технология легких сплавов. 1995. № 4. С. 58 - 74.
494
Глава 8.3. КОМПЛЕКСЫ И ЛИНИИ ДЛЯ ПРЕССОВАНИЯ ЛЕГКИХ СПЛАВОВ
4. Бережной В.Л. Создание автоматизированных прессовых комплексов и поточных линий // Технология легких сплавов. 1987. №12. С. 73-94.
5. Бережной В.Л. Технология и оборудование автоматизированного производства прессованных профилей И Обз. инф. Сер. Об-раб. цв. мет. и сплавов / ЦНИИ экон, и инф. цв. металлургии. 1990. № 1. 76 с.
6. Бережной В.Л. Технологические принципы максимизации прочности пресс-изделий из Al-Mg-Si сплавов для условий поточного производства // Металловедение и технология легких сплавов: Сб. ст.: М.: ВИЛС, 2001. С. 204-214.
7. Бережной В.Л. Условия представления и проектирования технологии прессования с активнодействующим трением И Кузнечно-штамповочное производство. 2001. № 7.
8. Бережной ВЛ., Щерба В.Н., Батурин А.И. Прессование с активным действием сил трения. М.: Металлургия, 1988. 296 с.
9. Головин И.Н., Кузнецов А.Н. Механизация и автоматизация при прокатке и прессовании за рубежом. М.: ЦНИИ экон, и инф. цв. металлургии, 1976. 52 с.
10. Ерманок М.З. Прессование панелей из алюминиевых сплавов. М.: Металлургия, 1974.231 с.
11. Жолобов В.В., Зверев Г.И. Оборудование гидропрессовых цехов. М.: Металлургия, 1974. 271 с.
12. Колпашников А.И., Вялов В.А. Гидропрессование металлов. М.: Металлургия, 1973.296 с.
13. Ловцова Е.И., Бережной В.Л. Механизация и автоматизация прессового производства (Отечественная и иностранная книжная, журнальная и патентная литература за 1981 - 1987 гг.) // Технология легких сплавов. 1987. №12. С. 95-100.
14. Полуфабрикаты из титановых сплавов / В.С. Александров, Н.Ф. Аношкин, А.П. Белозеров и др. М.: ВИЛС, 1996. 581 с.
15. Прессование титановых сплавов / М.З. Ерманок, Ю.П. Соболев, А.А. Гельман и др. М.: Металлургия, 1979. 264 с.
16. Прессование труб из алюминиевых сплавов / М.З. Ерманок, Л.С. Каган, М.Ф. Головинов. М.: Металлургия, 1976. 248 с.
17. Райтбарг Л.Х. Производство прессованных профилей. М.: Металлургия, 1984. 264 с.
18. Розанов Б.В. Трубопрофильные прессы. М.: Машгиз, 1959. 428 с.
19. Сомов Б.С. Трубопрофильные прессы. М.: Машиностроение, 1972. 232 с.
20. Шур И.А. Технологическое оборудование для прессования металлов. М.: Металлургия, 1983. 160 с.
21. Мюллер, Эрнест. Гидравлические прессы и их приводы. Прессы для прессования легких и цветных металлов: Пер. с нем. М.: Машгиз, 1962. 264 с.
22. Электротермическое оборудование: Справочник / Под ред. А.П. Альтгаузена. М.: Энергия, 1980. 416 с.
23. Berezhnoy, V.L. Friction-assisted extrusion as an alternative to indivect and direct extrusion of hard aluminum alloys I I Light Metal Age. 1997. M. 55. № 3 - 4. P. 8 - 13.
24. Bessey, Guy. Resent technology of hot log shearing // Proc. 4 Int. Alum. Extr. Technol. Seminar. Chicago, 1988. Vol. 1. P. 349-351.
25. Berezhnoy, V.L. Multipurpose friction-assisted indirect extrusion (FATE) technology // The Proc. 7th Al. Extr. Technol. Seminar. Chicago, 2000. Vol. l.P. 177-196.
26. Directory of aluminum extrusion equipment manufacturers and suppliers // Light Metal Age. 2000. N 5 - 6. P. 86 - 113.
27. Fielding, R.A.P. Aluminum extrusion presstechnology // Light Metal Age. 2000. N 7, 8. P.40-55.
28. Kennedy, J.A. Extrusion press and related equipment. Maintenance manual. 2nd ed. // Light Metal Age. 2000.
29. Laue, K. and Stenger, H.. Extrusion: Processes. Machinery. Tooling. ASM, 1987.457 p.
30. Nissbaum, A.I. Extrusion technology. The state of the art // Light Metal Age. 1992. N3,4. P. 8-65.
31. Steinmetz, A. // Aluminum. 1983. Bd. 59. №10. P. 756-761.
Раздел 9
ПРОГРАММНОЕ УПРАВЛЕНИЕ И ДИАГНОСТИКА КУЗНЕЧНО-ШТАМПОВОЧНЫХ МАШИН
Глава 9.1
КЛАССИФИКАЦИЯ И ОБЩИЕ ОСНОВЫ
Классификация систем управления КШМ. Современные системы компьютерного числового программного управления (ЧПУ) применяются для управления отдельными кузнечно-штамповочными машинами (КШМ), модулями, обрабатывающими центрами, комплексами, линиями [4]. Теоретические аспекты систем оптимального и субоптимального управления изложены в работах [10, 20].
В зависимости от алгоритма работы системы выделены следующие типы программного управления КШМ (табл. 9.1.1).
Логическое управление осуществляет на основе логистики цикла синхронизацию работы различных узлов механизма, обеспечивает последовательное и своевременное включе
ние/выключение механизмов. Синхронизирующее управление обязательно для обеспечения работоспособности пресса.
Параметрическое внутрицикловое управление применяется в дополнение к логическому. В его задачи входит улучшение качества управления за счет обратных связей с параметрами механизмов, изделий и технологического процесса в ходе каждого цикла работы КШМ.
Параметрическое упреждающее внецик-ловое управление. В задачи упреждающего внециклового управления входит обеспечение оптимизации работы механизма за счет статистического анализа параметров работы системы от цикла к циклу. В зависимости от алгоритма, предлагающего различные решения задач, выделены следующие типы систем управления [4, 23].
Жесткое управление. Этот алгоритм без обратных связей, обычно применяется при решении задач логического синхронизирующего управления. В этом случае управление КШМ реализуется с помощью жестких меха
9.1.1. Классификация типов программного управления КШМ
Тип управления Класс кузнечно-штамповочной машины
ГП КП РМ ВП м и
Логическое + + + + + +
Параметрическое внутрицикловое + - + - - -
Параметрическое упреждающее + + + + + +
Жесткое + + - + + -
Программное + - + + + +
Адаптивное + + - + + -
Координатное + - + - - -
Силовое + - - - - +
Энергетическое - - - + + -
Временное + + - - + -
Обозначения: ГП - гидропрессы, КП - кривошипные прессы, РМ - ротационные машины, ВП - винтовые прессы, М - молоты, И - импульсные машины; "+" - применяется,- не применяется.
496
Глава 9.1. КЛАССИФИКАЦИЯ И ОБЩИЕ ОСНОВЫ
нических связей различных узлов пресса, например посредством рычажных систем, конечных выключателей. При применении жесткого программного управления практически не учитывается несоответствие реального изменения рабочих параметров механизма расчетному (теоретическому).
Программное управление. Алгоритмы этого класса часто применяются при решении задач параметрического внутрициклового управления с системой обратных связей. Поток информации от датчиков анализируется, и в зависимости от его характера поступает команда на управляющий привод. При формировании управляющего воздействия алгоритмом программного управления учитывается информация, получаемая в ходе одного цикла работы. Влияние неконтролируемых воздействий не учитывается.
Адаптивное управление. Данный алгоритм часто применяется при решении задач упреждающего межциклового параметрического управления. Программно-адаптивное управление основывается на статистической информации накопленного опыта и оперативной информации о влиянии неконтролируемых параметров. Такое управление наиболее целесообразно применять в масштабах партии штампуемых деталей.
По методу реализации управляющих воздействий рассматриваются следующие типы управления КШМ (см. табл. 9.1.1):
Координатное управление решает задачи программного изменения координат перемещения рабочего звена машины (ползуна гидропресса) или вспомогательного механизма (координатного стола пресса).
Силовое управление осуществляет программное изменение величин силы, давления, напряжения (например, деформирующей силы гидропресса, давление жидкости в камере пресса при гидроштамповке).
Энергетическое управление решает задачи изменения по программе и оптимизации величины кинетической энергии машин ударного действия (винтовых прессов, молотов). Имеются алгоритмы управления, предлагающие различные решения выше перечисленных задач [23, 6, 11, 7, 1, 18, 19, 8, 2, 15, 24, 22, 25]. Наилучших результатов можно добиться, комбинируя алгоритмы управления. Поэтому наиболее эффективно использование комплексной системы программного управления (СПУ).
Временное управление решает задачи управления путем изменения времени включения и выключения исполнительных устройств, золотников, клапанов.
По архитектуре системы управления подразделяются на одноуровневые и двухуровневые. Для управления отдельными КШМ и ОЦ, не охваченными системой автоматизированного управления (САУ) участка (цеха, завода), в основном применяются одноуровневые системы, а для КШМ, модулей, комплексов и линий автоматизированного производства - двухуровневые. Первый уровень обеспечивает управление КШМ или ОЦ, а второй -информационную связь с централизованной системой управления.
Системы диагностики КШМ классифицируют по характеру измерений:
е диничная - контроль превышения допустимых значений параметров работы КШМ;
ц икловая - контроль изменения параметра^) в течение цикла и заключение о работоспособности механизмов и ответственных деталей;
межцикловая - исследование динамики изменения параметров КШМ от цикла к циклу.
Цикловую и межцикловую диагностику по методам обработки информации можно разделить на:
- диагностику положения характерных точек циклограммы (проводится анализ смещения этих точек путем сравнения взаимного расположения участков исследуемой циклограммы и эталонной). Например, диагностика по циклограммам ведущих и ведомых частей муфты кривошипного пресса;
- диагностику по форме ("портрету") циклограммы или зависимости силы деформирования от времени (портрет циклограммы или силы сравнивается с эталонными портретами и вычисляется коэффициент корреляции). Высокий показатель корреляции сигнализирует о схожести реального поведения системы с эталонным;
- диагностику по частотному спектру сигнала, при котором задача диагностики решается с использованием методов теории сигналов [21]. Исследуется спектральный состав сигнала. Заключение о состоянии системы может быть сделано в результате анализа гармоник, несущих информацию о работе системы. Например, определение температуры по спектру излучения нагретой заготовки; диагностика состояния инструмента по акустиче
КЛАССИФИКАЦИЯ И ОБЩИЕ ОСНОВЫ
497
скому "портрету" в пресс-ножницах. СПУ отдельными видами отечественных кузнечноштамповочных машин на основе задания программ в кодированном виде с помощью командоаппаратов, перфолент, перфокарт и магнитных носителей применялись в 1970-х -начале 80-х годов. С применением промышленных логических программируемых контроллеров (ПЛК) типа "Festo 401-407", "Simens" и отечественных типа ПЛК-256,
"Электроника НЦ-31" и других до начала 1990-х годов разрабатывались (ЭНИКмаш, ЦБКМ, заводы КПО) и внедрялись системы компьютерных ЧПУ отдельными прессами, обрабатывающими центрами (ОЦ), гибкими производственными модулями (ГПМ), комплексами и линиями с использованием программируемых контроллеров и другой микропроцессорной техники [4]. В табл. 9.1.2 приведены некоторые примеры.
9.1.2. Машины и оборудование с ЧПУ
Оборудование с ЧПУ, разработанное до начала 1990-х годов в СССР для обработки:
Листовых материалов Объемных материалов | Неметаллических материалов
Гидропрессы отбортовочные: П3236Ф1 П3239Ф1 П3242Ф1 (Днепропетровский завод ТП) Гидропрессы листогибочные: ИА1430АП ИА1432АП ИА1434АП ИА1436АП (Азовский завод КПО) Профилегибочные машины: И3843П (ЭНИКмаш) Отдельные машины Прессы правильные: П6118Ф2 П6122П П6126Ф2 К12.322.01 (Оренбургский завод "Гидропресс") Радиально-обжимные машины: В4032Ц1 В4434П В4036Ц (Рязанский завод ТКПО) Гидропрессы для изотермической штамповки: К20.812 К20.813 К20.601 Машины для литья термопластичных материалов (ТПМ): ДВ3127-63Ф ДП3332.Ф1 ДП3334.Ф1 (Одесское ПО "Прессмаш")
Для штамповки плоских деталей: ОЦК0126Ф4 (Чимкентский завод ПА) Обрабатывающие центры
Для резки листа Для листовой штамповки из штучных заготовок: К2128М1Ф3.01 (Сальский завод КПО) МД2130Б (Воронежский завод КПО) Для многооперационной штамповки: М1К324.Ф3.01 (Таганрогский завод "Прессмаш") Для вырубки-пробивки на базе координатно-револьверного пресса: М20ЦК0126.Ф4.01-04 (Чимкентский завод ПА) ГПМ Для резки заготовок из проката Для литья ТПМ под давлением: М1ДЕ3327.Ц1.01 ДЕ3127-63Ф1 ДЕ3130-125Ф1 (Хмельницкий завод "Термо-пласт-автомат")
Разделительные линии для раскроя рулонов: ЛП8иЛ 128 Комплексы и линии Ковочные комплексы АКП и АКПА на базе гидравлических прессов силой 5...31,5 МН Линия для горячей штамповки колец и шестерен диаметром до 80 мм: Л324.41
498
Глава 9.1. КЛАССИФИКАЦИЯ И ОБЩИЕ ОСНОВЫ
В зарубежной практике компьютерное числовое программное управление (ЧПУ) широко применяется с 1990-х гг. для циклового управления кривошипными прессами в технологии листовой штамповки в массовом и мелкосерийном производстве [25, 27 - 31], гидропрессами, винтовыми прессами и молотами в технологии ковки и объемной штамповки. Во всех приведенных примерах основное внимание уделяется удовлетворению требований качества изготовления поковок и изделий методами пластического деформирования в соответствии со стандартом ISO 9000 [4].
Гидропрессы с насосными и насосноаккумуляторными системами привода относятся к машинам с высокой управляемостью (табл. 9.1.3). Применяется стратегия управления машиной (табл. 9.1.4). Координатные и силовые системы ЧПУ применяются для ковочных комплексов на базе гидропрессов [20], для гидравлических правильных прессов.
Экспериментальные образцы систем ЧПУ и программного дозирования кинетической энергии приводных пневматических молотов [8, 19], винтовых прессов [3, 15 - 18], паровоздушных [2, 24] и пневмо-гидравлических штамповочных шаботных [1] и бесша-ботных [11] молотов разрабатывались в МГТУ им. Н.Э. Баумана; ЭНИКмаш разработаны плазменно-лазерные штамповочные обрабатывающие центры с ЧПУ для многономенклатурного производства листовых штампованных заготовок и изделий [23]. В ЗАО "Тяжмехпресс" применяют системы ЧПУ компонентами горячештамповочных комплексов на базе КГШП [13].
Система обработки давлением. Дискретная система обработки давлением (ОМД) (рис. 9.1.1) является устойчивой, замкнутой и управляемой по принципу прямых, обратных и комбинированных связей между входными и выходными параметрами [4, 5]. На входе системы - параметры заготовки: материал, сопротивление деформированию, предельная пластичность, геометрическая форма и размеры, объем, температура. На выходе системы - изделие (поковка), удовлетворяющее требованиям к качеству.
Характеристики компонентов системы ОМД. В процессе выполнения операций обработки давлением все компоненты системы изменяют свои характеристики во времени, находясь в динамическом взаимодействии.
Рис. 9.1.1. Структура системы обработки материалов давлением
1 - ст, Е, 6, Ми (материал):
Ст - предел текучести материала; Е - предельная степень деформации; 8 - пластичность; Ми - микроструктура материала. Модель: жестко-пластическая, упруго-пластическая, с линейным упрочнением, с нелинейным упрочнением.
2 - Г, |1, Rz, К, Т (заготовка):
Г - геометрия формы заготовки; Ц - смазочный материал; Rz - микрогеометрия поверхности (шероховатость); V - объем; Т - температура.
3 - Су, [с], 8, Е, , 8Г (штамп):
Су - распределение напряжений; - распределение температуры; [с] - допускаемое напряжение; 8 - упругая деформация; 5,-тепловая деформация; Е - модуль упругости материала штампа.
4~ а,р tip ttp Уп (процесс):
Су - распределение напряжений; Еу- распределение деформаций; Еу - распределение скоростей деформации; Уп - управляемость процесса.
5- 3(0, v(0, />,, Тэ, и'1, п„, пл, У, (машина): s(t) - закон перемещения ползуна (рабочей массы); v(t) - закон изменения скорости ползуна; - наибольшая деформирующая сила; Гэ - наибольшая эффективная энергия; и-1 - время машинного цикла; пт - наибольшее число ходов в минуту; пл -число рабочих (деформирующих) ходов в минуту; Ум - управляемость машины.
КЛАССИФИКАЦИЯ И ОБЩИЕ ОСНОВЫ
499
6 - ЧПУ, ОС КЧПУ, ПЧПУ (система управления):
ЧПУ (NC) - числовое программное управление (по программе, заданной в кодированном виде, алфавитно-цифровом или унитарном коде); ОСЧ (HNC) - оперативная система ЧПУ с ручным заданием программы на пульте управления; КЧПУ (CNC) - компьютерное числовое программное управление (система управления с ЭВМ или микропроцессором и программной реализацией алгоритмов); ПЧПУ (DNC) - прямое числовое программное управление группой машин от общей ЭВМ, осуществляющей хранение программ и распределение их по запросам от устройств управления машинами.
7-Q,YI, Д (человек-оператор):
Q - квалификация; П - психологическая устойчивость; Д - духовность.
8 - Г, Д, Rz, Ми, Ma, £>0 (продукт):
Г - точность геометрии формы; Д - точность размеров; Rz - микрогеометрия (шероховатость) поверхностей; Ма - макроструктура; Ми - микроструктура; DQ - отсутствие дефектов (зажимов, сколов, утяжин, складок, трещин).
9 - С, Э, t, Вл, К, Ш (окружающая среда):
С - освещенность; Э - экологичность окружающей среды цеха, участка; t - температура; Вл - влажность; V - уровень вибраций; Ш-шум:
10 - средство автоматизации (робот-манипулятор).
Требования к качеству продуктов системы ОМД. С переходом промышленности к автоматизированным гибким процессам с компьютерным программным управлением возрастают требования к стабильному качеству продукции систем ОМД.
В листовой штамповке требования следующие:
- точность формы и размеров (отсутствие пружинения, пригодность для сборки без операций подгонки);
- топография поверхности (гладкая, не требующая обработки);
- отсутствие заусенцев (или минимальная их величина);
- минимальная или допустимая разно-толщинность.
В холодной объемной штамповке '.
- точность формы и размеров (не требующие или требующие минимальной механической обработки шлифованием, резанием);
- отсутствие угловых и в плане смещений половин штампа;
- отсутствие облоя;
- топография поверхности (гладкая, не требующая обработки);
- макроструктура (следование волокон контуру поверхности);
- механические характеристики (твердость, предел прочности, относительное удлинение, ударная вязкость).
В заготовительных разделительных процессах листовой штамповки (вырубка, пробивка, обрезка по контуру):
- точность контура;
- размерная точность;
- отсутствие заусенцев;
- равномерное (или требуемое) распределение смазочных материалов.
В заготовительных разделительных процессах объемной штамповки:
- размерная точность (по длине);
- точность объема или массы (коррекция по длине);
- перпендикулярность торцов;
- точность температуры нагрева (для полугорячей и горячей штамповки),
С помощью регрессионных моделей можно установить характеристики, в наибольшей степени влияющие на качество продукта ОМД.
Управляемость и стратегии управления кузнечно-штамповочными машинами. Под управляемостью кузнечно-штамповочной машины понимают возможность изменять кинематические, энергетические, силовые параметры, продолжительность и частоту циклов рабочего звена исполнительного механизма, синхронизацию движения механизмов машины в соответствие с требованиями процессов ОМД. Управляемость кузнечно-штамповочных машин зависит от принципиальных особенностей конструкции. Так, машины с "жесткими" кинематическими связями (кривошипные, эксцентриковые, кривошипно-коленные прессы) обладают очень низкой управляемостью (табл. 9.1.3). В то же время машины со "свободной" кинематикой (гидравлические, гидроколенные и винтовые прессы, молоты) обладают средней или высокой управляемостью [4, 5].
500
Глава 9.1. КЛАССИФИКАЦИЯ И ОБЩИЕ ОСНОВЫ
9.13. Управляемость кузнечно-штамповочных машин
Типы КШМ Управляющие параметры Управляемость
*Д Va F‘ т, (д /м /
Прессы и машины с жесткой кинематикой*
Кривошипные — — — — — — + 1/7 низкая
Кривошипно-коленные — — — — — — + 1/7 низкая
Эксцентриковые — — — — — — + 1/7 низкая
Ротационные машины — — — — — — — Неуправляемые
Машины с нежесткой кинематикой”
Молоты — + — + — — + 3/7 средняя
Винтовые прессы (фрикционные и электровинто-вые) — + — + — + + 4/7 средняя
Гидровинтовые прессы — + — + — + + 4/7 средняя
Винтовые муфтовые прессы — — + + — + + 4/7 средняя
Гидропрессы”’ с НАЛ + — — + — + + 4/7 средняя
Гидропрессы с НП + + + — + + + 6/7 высокая
Гидроколенные прессы с НП + + + + + + + 1П высокая
Примечания: ,
* Машины с ограниченным ходом.
** Машины с ограниченной эффективной энергией.
*** Машины с ограниченной деформирующей силой.
НАЛ - насосно-аккумуляторный привод; НП - насосный привод; sa- рабочий ход (деформирование); vA - скорость деформирования; Fa - деформирующая сила; Т3 - эффективная энергия; /д - время деформирования; /м - время машинного цикла; / -время технологического цикла.
Стратегия компьютерного числового программного управления в системе ОМД состоит в определении объекта, цели, способа и задачи управляющих воздействий, необходимых для стабилизации процесса и получения качественной поковки (изделия). Требования к качеству поковок и изделий можно удовлетво-
рить соответствующим выбором стратегии управления. На основе анализа свойств системы ОМД и управляемости процессов и машин можно предложить следующие моностратегии: управление заготовкой, управление процессом, управление инструментом, управление машиной и управление изделием (табл. 9.1.4).
9.1.4. Стратегия ЧПУ в обработке давлением
Стратегия Состав Архитектура системы управления
1 2 3 4 5
Моно Заготовка Инструмент Процесс Машина Изделие (полуфабрикат) Одноуровневая. Централизованная двухуровневая, трехуровневая
Бинарная 12 13 14 15 23 Распределенная
24 25 34 35 45
Тройная 123 124 125 134 135
145 234 235 345
Четверная 1234 1235 2345
Пятерная 12345
КЛАССИФИКАЦИЯ И ОБЩИЕ ОСНОВЫ
501
Сочетания двух, трех, четырех, пяти моностратегий дают банк комплексных стратегий: десять бинарных, девять тройных и т.п. Моно- и бинарные стратегии возможно осуществить, применяя современную трехуровневую структуру системы ЧПУ [24], в то время как более сложные стратегии потребуют применения перспективных интеллектных программных модулей (ИПМ) [31]. Хотя только несколько из возможных стратегий, кратко рассмотренных ниже, осуществлено в настоящее время, не возникает сомнений, что с возрастанием требований качества к поковкам и изделиям технологии ОМД возможности применения комплексных стратегий увеличатся.
Стратегия управления заготовкой. Эта стратегия ЧПУ (1, табл. 9.1.4), используется для листовой, холодной, полугорячей и горячей объемной штамповки на КГШП и кривошипно-коленных прессах и комплексах на их основе. Управляемость этих процессов и машин низкая. Управление объемом и температурой заготовки для горячей и полугорячей объемной штамповки дает возможность повысить точность высотных размеров поковки, стабилизировать процесс штамповки и избежать перегрузок прессов [9].
Стратегия управления инструментом. Стратегия управления инструментом (2, табл. 9.1.4) применяется в процессах листовой штамповки-формовки, в экспериментальных штампах с изменяемой по программе геометрией формы пуансона и/или матрицы [27].
Эта же стратегия полезна в дискретных процессах ротационного выдавливания, сферодвижной штамповки, а также листовой штамповки-формовки жидкостью, упругими средами.
Стратегия управления процессом. Эта стратегия (3, табл. 9.1.4) используется в листовой штамповке-вытяжке без утонения стенки на кривошипных листоштамповочных прессах.
Управляемость процесса средняя, машины -низкая. Управление величиной и распределением силы прижима листовой заготовки обеспечивает стабилизацию процесса и требуемое качество изделий в автомобильной промышленности [25,27, 30].
Стратегия управления машиной. Стратегия управления машиной (4, табл. 9.1.4) получила наибольшее применение для выполнения разделительных и формоизменяющих процессов листовой и объемной штамповки на машинах с нежесткой кинематикой благодаря освоению производителями выпуска прессов и молотов с программным управлением (см. гл. 9.2).
Стратегия управления изделием. Стратегия управления изделием требует применения дорогостоящих устройств измерения формы и размеров готовой поковки и преобразования результатов в числовую форму. Эта стратегия применяется в экспериментальном масштабе в листовой штамповке [27] и пока не получила промышленного применения.
Отвечая тенденциям развития гибкости производства, перспективные системы ЧПУ в недалеком будущем, по-видимому, будут состоять из автономных интеллектных программных модулей (ИПМ), управляющих всеми компонентами системы ОМД, информационно связанных, диагностирующих и принимающих решения в условиях неопределенности, обладающих знаниями в узком диапазоне специализации [31].
Объекты и параметры управления. В соответствии со стратегией необходимо назначить объекты и параметры управления для листовой (табл. 9.1.5) и объемной (табл. 9.1.6) штамповки. Поскольку возможно применение значительного числа вариантов, особенно для комплексных стратегий, здесь приводятся данные в качестве примера только для моностратегий (табл. 9.1.4).
9.1.5. Объекты и параметры управления в листовой штамповке
Стратегия управления Объект управления Параметры управления Датчики прямой связи Объект обратной связи Датчики обратной связи
(1) Заготовкой Контур. Смазывание Трение Давление Процесс Сила - перемещение
(2) Инструментом Прижим. Форма Сила. Координата Сила. Координата Процесс. Изделие Сила - перемещение. Координата
502
Глава 9.1. КЛАССИФИКАЦИЯ И ОБЩИЕ ОСНОВЫ
Продолжение табл. 9.1.5
Стратегия управления Объект управления Параметры управления Датчики прямой связи Объект обратной связи Датчики обратной связи
(3) Процессом Процесс Сила. Координата Сила. Координата Машина. Изделие Сила - перемещение. Координата
(4) Машиной Привод Перемещение. Скорость. Сила. Время Координата. Скорость. Давление Инструмент Сила - перемещение. Скорость
(5) Изделием Изделие Форма - размер. Микрогеометрия поверхности Геометрия заготовки Машина Координатноизмерительная установка
9.1.6. Объекты и параметры управления объемной штамповкой
Стратегия управления Объект управления Параметры управления Датчики прямой связи Объект обратной связи Датчики обратной связи
(1) Заготовкой Объем. Температура. Смазывание Длина. Температура. Трение Координата. Температура. Давление Машина. Изделие. Процесс Сила - перемещение. Высота поковки
(2 )Инструмен-том Контрпуансон. Оправка Сила. Перемещение Сила. Перемещение Процесс. Изделие Сила - перемещение. Координатная измерительная установка
(3) Процессом Материал Давление течения Перемещение Машина Сила - перемещение
(4) Машиной Привод Перемещение. Скорость. Сила. Энергия. Время Координата. Давление. Время Машина. Изделие Сила - перемещение. Высота поковки
(5) Изделием Машина Объем заготовки. Температура Длина заготовки. Температура Изделие Координатноизмерительная установка
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Антимонов В.А. Разработка методики проектирования пневмогидравлического молота с устройством программно-адаптивного управления циклом штамповки: Дис. ... канд. техн. наук. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1997. 16 с.
2. Бабин Н.Б. Программное управление паро-воздушным штамповочным молотом: Дис. ... канд. техн. наук. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1984. 16 с.
3. Бовыкин И.В. Исследование винтового пресса с новой системой дозирования кинетической энергии: Дис. ... канд. техн, наук. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1977.16 с.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
503
4. Бочаров Ю.А. Числовое программное управление процессами и машинами обработки давлением (состояние и перспективы) // Кузнечно-штамповочное производство. 2000. №7. С. 39-45.
5. Бочаров Ю.А. Методология разработки систем программного управления в обработке материалов давлением И Технологические процессы и оборудование кузнечно-штамповочного производства: Сб. М., 1996. С. 116-122.
6. Бочаров Ю.А., Антимонов В.А., Гладков Ю.А. Управление процессами и машинами обработки металлов давлением. М.: ПСУ, 1997. 87 с.
7. Бочаров Ю.А., Герасимов А.В. Программное управление штамповочными молотами. М.: МГТУ, 1995. 80 с.
8. Бороздин В.А. Автоматизированный ковочный комплекс на базе приводного пневматического молота: Дис. ... канд. техн, наук. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1988. 16 с.
9. Бочаров Ю.А, Гладков Ю.А., Хво-стенко А.В. Имитационная модель адаптивного ЧПУ горячештамповочным комплексом на базе КГШП // Кузнечно-штамповочное производство. 2001. № 8.
10. Васильев В.Н., Гуров И.П. Компьютерная обработка сигналов в приложении к интерферометрическим системам. СПб.: БХВ-Санкт-Петербург, 1998.
11. Герасимов А.В. Разработка методики проектирования бесшаботных молотов с системами числового программного управления, предназначенных для объемной штамповки поковок в автоматизированных комплексах: Дис. ... канд. техн. наук. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1991. 16 с.
12. Гладков Ю.А. Система программного управления горячештамповочным комплексом на базе кривошипного горячештамповочного пресса (Бриг): Св. "Роспатента" № 970247 И Инф. бюл. офиц. регистр. Программы для ЭВМ. Базы данных. Топология интегральных микросхем. М.: Изд-во "РосАПО" Российского агентства по патентам и товарным знакам, 1997. Вып. 2 (20). С. 55 - 56.
13. Крук А.Т., Федоркевич В.Ф. К выбору концепции тяжелых кривошипных горячештамповочных прессов И Кузнечно-штамповочное производство. 1999. № 27. С. 36 - 39.
14. Мансуров И.З., Подрабинник И.М. Специальные кузнечно-штамповочные машины и автоматизированные комплексы кузнечно-штамповочного производства: Справочник. М.: Машиностроение, 1990. 344 с.
15. Маркушин М.Е. Программное управление винтовым муфтовым прессом: Дис. ... канд. техн, наук, 1978. 16 с.
16. Пашин В.Е. Разработка методики проектирования адаптивной системы управления энергией удара специализированного винтового пресса: Дис. ... канд. техн. наук. М.: МВТУ им. Н.Э. Баумана, 1979. 242 с.
17. Перевертов В.П., Бочаров Ю.А., Маркушин М.Е. Управление кузнечными машинами в ГПС. Куйбышев: Книжн. изд-во, 1987. 158 с.
18. Перевертов В.П. Система управления гидровинтового пресса двойного действия с адаптацией по температуре заготовки: Дис. ... канд. техн. наук. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1979. 16 с.
19. Петросян Л.С. Система программного управления для приводного пневматического ковочного молота: Дис. ... канд. техн, наук. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1984. 16 с.
20. Прозоров Л.В. Задачи в области автоматизации ковки на гидравлических прессах // Кузнечно-штамповочное производство. 1974. №10. С. 26-27.
21. Терещенко А.П. Гидроимпульсный пресс с программным управлением: Дис. ... канд. техн. наук. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1989. 16 с.
22. Фролов А.Б. Модели и методы технической диагностики. М.: Знание, 1990.
23. Челищев С.Б. Кузнечно-прессовое оборудование в начале нового века // Кузнечноштамповочное производство. 1998. № 2. С. 4 - 9.
24. Юданов Е.А. Программное управление паровоздушным штамповочным молотом с адаптацией по параметрам: Дис. ... канд. техн. наук. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1988. 16 с.
25. Adamson A.M. Closed-Loop Dimensional Control in Sheet Metal Forming via the Blank Restraining Force: Dissertation. University of Michigan, 1995. 108 p.
26. Bocharov Yu. CNC Strategy in Technology of Plasticity // Advanced Technology of Plasticity 1999: Proceedings of the 6 ITCP. Nuremberg, 1999. Vol. 1. P. 195-200.
504 Глава 9.2. ПРОГРАММНОЕ УПРАВЛЕНИЕ КУЗНЕЧНО-ШТАМПОВОЧНЫМИ МАШИНАМИ
27. Doege Е., Hutte Н., Kroff A., Sru-che W. Der Simulirte und Geregelte Prozes // Blech Rohre Profile. 1998. N 7/8. P. 40-45.
28. Hardt D.E., Fenn R.C. Real-Time Control of Sheet Stability During Forming // Journal of Enigineering for Industry. 1993. Aug. P. 299-308.
29. Kurz E., Grable A., Dambacher B., Zabel A. Pressen System zur Steuerung, Oberwa-chung und Diagnose Produktionstechnischer Anlagen//Blech Rohre Profile. 1994. V. 41. N 10. P. 659-663.
30. Mandrulkar S. Manufacturing Process Monitoring for Stamping Press Lines // Metal Forming. 1995. Apr. P. 45 - 47.
31. Rzhevsky G. Engineering Design for the Next Millennium: The Challenge of Artificial Intelligence Forming // The 86th Tomas Hawksley Memorial Lecture. ImechE. 1998. 9 Dec. P. 9.
Глава 9.2
ПРОГРАММНОЕ УПРАВЛЕНИЕ КУЗНЕЧНО-ШТАМПОВОЧНЫМИ МАШИНАМИ
УДАРНОГО ДЕЙСТВИЯ
Стратегия и структура управления. Все типы КШМ ударного действия (винтовых прессов и молотов) обладают средней управляемостью (см. табл. 9.1.3) [10]. Для программного дозирования кинетической энергии рабочих частей применяют программное логическое, программно-адаптивное, энергетическое управление с обратными связями по скорости и высотному размеру поковки (недо-штамповки). Системы дозирования эффективной энергии обеспечивают отключение привода по достижении рабочими частями заданного значения управляющего параметра. Для винтовых прессов и гидравлических молотов применяется способ дозирования энергии по скорости [11, 8, 20, 1], а для паровоздушных молотов - по времени задержки распределительного золотника на периоде впуска свежего пара или воздуха [7, 25]. С помощью ЧПУ осуществляется синхронизирующее управление логистикой цикла, частотой циклов в режиме реального времени, кинетической (эффективной) энергией рабочих частей с большой точностью [1, 2]. Применяется стратегия управления машиной с обратной связью по скорости рабочих частей и по высоте поковки при многоударной штамповке на гидравличе
ских молотах [1, 23, 24]. Необходимая величина энергии каждого удара вычисляется на основе информации о текущей высоте поковки и величине расстояния между штампами в нижнем положении рабочих частей. Энергия завершающего удара должна быть достаточной для получения высотного размера поковки в пределах допуска, не вызывая соударения штампов. Подобные задачи управления "в большом" состоят не только в реализации программы, стабилизации требуемых параметров движения, силы и осуществления логистики процесса в режиме реального времени, но и в получении предварительной информации об объектах управления. Для проектирования надежной системы ЧПУ требуется анализ динамических и математических моделей процесса и машины [1, 7, 25, 12,17, 22].
Программное дозирование энергии и управление винтовыми прессами. Система дозирования кинетической энергии рабочих частей электровинтового пресса с обратной связью по скорости ползуна приведена в работе [8]. Программное дозирование кинетической энергии и управление винтовыми прессами изложено в работе [19], а муфтовым винтовым прессом - в работе [22].
Особенности способа дозирования энергии с коррекцией по температуре заготовки представлены на рис. 9.2.1 блок-схемой системы управления ВП [4, 5].
Работа системы управления ВП осуществляется следующим образом. В начальный момент времени на задающем устройстве 4 устанавливается величина напряжения иоп, соответствующая скорости ползуна, необходимой для деформирования заготовки при минимально возможной температуре заготовки.
В штамп укладывается заготовка, при этом датчик температуры 2 вырабатывает сигнал ut, который поступает на вход суммирующего устройства 3. Подается команда на ход ползуна. При движении ползуна вниз датчик скорости 1 вырабатывает напряжение Mv, которое также поступает на вход 3. Суммарное напряжение wv + ut с выхода 3 поступает на вход блока сравнения 5, на другой вход которого поступает напряжение с выхода 4. При равенстве этих напряжений с выхода блока 5 подается сигнал через усилитель 6 на запирание электронного ключа 7, который отключает исполнительный орган 8 пресса. После удара подается команда на возвратный ход, и ползун возвращается в исходное верхнее положение.
ПРОГРАММНОЕ УПРАВЛЕНИЕ КУЗНЕЧНО-ШТАМПОВОЧНЫМИ МАШИНАМИ
505
Рис. 9.2.1. Схема системы дозирования энергии винтового пресса с коррекцией по температуре поковки
На основе рассмотренного способа дозирования энергии для пресса ПМГ-2 [6] разработана блок-схема системы управления с дозированием энергии удара с учетом температуры заготовки и автоматическим управлением нагревательным устройством (рис. 9.2.2).
Для устранения брака поковок, вызванного нарушением температурного диапазона штамповки, исключения "холодных ударов" с помощью задающего устройства 14, расположенного на пульте, устанавливается опорный сигнал ut min , соответствующий требуемому нижнему температурному диапазону штамповки, который для различных материалов имеет свое значение. С помощью переключателя за-
дающего устройства, находящегося на пульте 20 устройства [5], устанавливается опорный сигнал ut max, соответствующий верхней границе температурного диапазона штамповки. При нагреве заготовок 22 до температуры верхней границы штамповочного диапазона датчик контроля температуры нагрева заготовок 3, установленный над бариевой ванной 23, подает сигнал в устройство ИРТ-1 о нарушении установленного режима нагрева. В этом случае устройство 20 автоматически подает команду источнику нагрева 21 бариевой ванны 23 о снижении режима нагрева. Температура нагрева заготовок 22 в ванне снижается.
Рис. 9.2.2. Схема программного управления гидровинтовым прессом ПМГ-2
506 Глава 9.2. ПРОГРАММНОЕ УПРАВЛЕНИЕ КУЗНЕЧНО-ШТАМПОВОЧНЫМИ МАШИНАМИ
С помощью рукоятки переключателя устройства 5, связанного с цифровой индикацией прибора 6, устанавливается опорный сигнал ноп, соответствующий скорости рабочих частей пресса при минимально возможной температуре штамповки для данной поковки. Привод пресса отключается, когда датчик скорости 1 вырабатывает сигнал uv = иоп - ut.
Работа винтового пресса совместно с устройством дозирования энергии удара с учетом температуры заготовки осуществляется следующим образом.
После того как под действием гидроцилиндров 24 произведено смыкание инструментальных плит 29 из бариевой ванны 23, нагретая заготовка 22 укладывается в контейнер матричного блока 30. При установке в контейнер матричного блока заготовки 28 с температурой ниже допустимой или при отсутствии заготовки в блоке полуматрицы датчик температуры 2 подает сигнал в устройство дозирования энергии, которое, в свою очередь, через блоки сравнения 15, усиления 16 подает команду на отключение привода 19 пресса. Если температура заготовки 28 соответствует температурному диапазону штамповки, происходит включение привода 19 пресса. Жидкость высокого давления через распределители поступает в гидроцилиндры 26, которые с ускорением перемещают подвижные части пресса. При этом маховиками 25 накапливается энергия вращательного движения 7^, а ползунами 27 - энергия поступательного движения Тэу. При движении ползунов 27 датчик скорости 1, связанный через вал 31 с маховиком 25, приводится во вращение и вырабатывается напряжение wv, пропорциональное скорости рабочих частей. Напряжение uv поступает на вход суммирующего устройства 13, где оно суммируется с напряжением и(, поступающим от датчика температуры 2. Сигнал с датчика температуры 2 поступает в блок запоминания 11. В момент, когда происходит заталкивание пуансонами заготовки 28 в блок полуматриц 29, происходит запоминание сигнала, поступающего от датчиков температуры 2 в блоке запоминания 11. Суммирование сигналов wv + ut уже происходит через блок запоминания //.В момент, когда суммарный сигнал,
поступающий от датчика температуры 2 и датчика скорости 1, достигнет заданного опорного значения uv + ut > uon, блок сравнения 4 выдает сигнал через усилитель 7 на запирание электронного ключа 8 (тиристора), т.е. на отключение исполнительного органа пресса 10, в качестве которого служит клапан высокого давления. После выдачи команды на отключение привода пресса 10 загорается контрольная лампочка 9 "Удар", расположенная на пульте управления. В этот же момент от электронного ключа 8 также подается команда на блок форсированного разряда 12 запоминающего устройства, которое приводит блок запоминания 11 в исходное положение.
После завершения хода деформирования подается команда от конечных выключателей и рабочие части ВП возвращаются в исходное положение.
Основной особенностью схемы является автоматическая корректировка энергии удара в зависимости от колебаний температуры заготовки.
Программное дозирование энергии и управление молотами. Теория программного управления штамповочными молотами изложена в работе [И]. Программное дозирование и управление паровоздушными штамповочными молотами по времени включения золотника приведено в работе [7] и с учетом нестабильности давления энергоносителя - в работе [25]. Системы программного управления приводными пневматическими молотами и комплексами изложены в работах [21, 9], гидравлическими и пневмогидравлическими молотами - в работах [1, 11, 17].
Программно-адаптивное управление газогидравлическим молотом с обратной связью по высоте поковки. В процессе объемной штамповки на молотах необходимо обеспечить высотный размер поковки в пределах допуска и избежать соударения штампов. Для решения этой проблемы в МГТУ им. Н.Э. Баумана разработана компьютерная система программно-адаптивного управления циклами многоударной штамповки на газогидравлическом молоте (рис. 9.2.3) [1,3, 13]. Автоматически обеспечивается коррекция программ и необходимая работа деформирования. Управление формируется внутри каждого цикла штамповки на основе обратной связи по информации о текущих значениях высоты поковки [23, 24]. При этом управляющий алгоритм позволя-
ПРОГРАММНОЕ УПРАВЛЕНИЕ КУЗНЕЧНО-ШТАМПОВОЧНЫМИ МАШИНАМИ
507
Рис. 9.23. Функциональная схема системы программно-адаптивного управления газогидравлическим молотом
ст косвенно учесть комплексное влияние всех дестабилизирующих факторов технологического цикла.
Функциональная схема содержит две взаимодействующие подсистемы: 1) управления циклом штамповки и 2) управления приводом молота.
Подсистема управления циклом штамповки решает задачи определения управляющих воздействий (расчет величины кинетической энергии и количества ударов) и измерения высоты поковки. Подсистема управления приводом молота является подчиненной по отношению к первой подсистеме и включена в ее контур. Управляющее воздействие, сформированное на выходе первой подсистемы в виде заданного значения энергии удара, поступает на вход второй подсистемы, задачей которой является точное дозирование кинетической энергии ударной массы молота. При каждом ударе поковка деформируется с соответствующим изменением высоты. Измеренное значение высоты поковки поступает на вход подсистемы управления циклом штамповки. Функционирование подсистем основано на анализе взаимодействия динамических моделей молота и формоизменения поковки [11].
Анализ динамических и кинематических параметров молота во временной области, расчет графиков дозирования энергии и проектирование подсистемы программного управления приводом проведены на основе разработанной двухмассовой динамической и упрощенной математической моделях пневмогидравлического молота, подходящих для целей управления (рис. 9.2.4) [11].
Переходный процесс в системе молота во время рабочего хода и деформирования поковки описывается системой дифференциальных уравнений
Рис. 9.2.4. Расчетная модель молота с пневмогидравлическим приводом
«2У2 = "2g -Р12+ р34 - р36 “ ^Sign^);
«1Я = "ig + Рп + рт “ ^sign^i).
(9.2.1) где
sign (Я) =
+1 при у} > 0;
-1 при < 0;
signto) =
+1 при у2 > 0;
-1 при у2 < 0«
Сила давления газа при расширении в ре
сивере
^34 = /2Р03 fl +1 • (9-2.2)
\ гоз )
508 Глава 9.2. ПРОГРАММНОЕ УПРАВЛЕНИЕ КУЗНЕЧНО-ШТАМПОВОЧНЫМИ МАШИНАМИ
Сила F36 приложена к поршню со стороны штока. Она определяется на основе допущений для жесткой модели гидросистемы [14] при открытом сливном клапане (у2 > 0):
/=зб=/з ;
I «1 Д/lJ 2 /,
(9.2.3)
и при открытом напорном клапане (у2 < 0):
F - f п I ^2 Y Л 1 У 2 .
^36 - /3 Роб Ь2 I р— +
I "1 АЛ; 2
(9.2.4)
+ J'2P/2V-J\
где ?! - текущая координата ударной массы;
у2 - текущая координата поршня со штоком; тх - ударная масса; т2 - масса поршня со штоком; р03, И03 - начальное давление и объем газа в ресивере; /2, ^2» ^2 “ длина, местное сопротивление и сопротивление по длине нагнетательной гидролинии; Ц, , Aq -аналогичные параметры сливной гидролинии;
- давление жидкости в аккумуляторе; f2 - площадь поршня; - площадь поршня со стороны штока; р - плотность рабочей жидкости; - диаметр трубы гидролинии; f\ - площадь сечения труб гидролинии.
Сила технологического сопротивления представлена следующей зависимостью при •У1 > Утах ~ :
г» /I 1 Нл 2ц I D Dq
Р- = мп|ку_/1 In—- + —-----------
т т I Н 9 {Н HQ
,(9.2.5)
где Ута* - максимальное расстояние между штампами; w - скоростной коэффициент (для штамповки на молотах - 2,5); vp - масштабный коэффициент; ат - предел текучести материала поковки; f - площадь проекции поковки; ц - коэффициент трения деформируемого металла о поверхности штампов; Hq и Н, Dq и D - начальные и текущие значения высоты и диаметра заготовки.
Модель молота реализована в виде программы для ПЭВМ IBM PC. Программа допускает многовариантные расчеты с учетом 26 параметров молота на всех этапах машинного цикла. Переменной интегрирования является координата закрытия сливного и открытия напорного клапанов. На модели рассчитан график дозирования энергии удара по времени разгона ударной массы tp = с интер-
валом 0,1 Тн в табличной форме для задания в памяти микроконтроллера.
Цикл штамповки обеспечивается необходимым количеством ударов и регулированием кинетической энергии каждого удара. В автоматическом режиме эту функцию выполняет система программно-адаптивного управления в соответствии с алгоритмом управления циклом штамповки, который обеспечивает реализацию заданной программы штамповки и адаптацию к изменяющимся условиям протекания процесса.
Структурная схема устройства управления штамповочными молотами содержит: микроконтроллер, с которым связаны пульт управления, блок сопряжения с исполнительными элементами управления приводом молота и датчики контроля параметров поковки и оборудования (рис. 9.2.5).
Система программирования цикла штамповки инвариантна, пригодна для штамповочных молотов с различными типами приводов и энергиями ударов. Ударный цикл пневмогидравлического молота обеспечивается управлением временем включения и выключения сливного и напорного клапанов по заданной программе (рис. 9.2.6). Закрытое состояние сливного и напорного клапанов обозначено и vv2, открытое состояние клапанов - символом инверсии ivj и w2. Машинный цикл молота рассматривается как синхронизированный процесс смены состояний механической системы молота согласно циклограмме: I -ударная масса вверху; II - разгон вниз; III -торможение на ходе вниз; IV - деформирование поковки; V - разгон вверх; VI - торможение на ходе вверх; VII - ударная масса внизу.
Моделью функционирования механической системы молота с микропроцессорным устройством управления за один машинный цикл будет граф, вершинам которого приписаны комбинации состояний механической системы и клапанов, а дугам - условия переходов, синхронизированные с подачей управляющих команд на переключение клапанов и сигнала-
ПРОГРАММНОЕ УПРАВЛЕНИЕ КУЗНЕЧНО-ШТАМПОВОЧНЫМИ МАШИНАМИ
509
Рис. 9.2.5. Структурная схема системы управления:
/ - блок вывода дискретных сигналов переменного тока 110 В; 2 - параллельный программируемый интерфейс; 3 - оперативное запоминающее устройство; 4 - таймерные каналы; 5 - контроллер прерываний;
6- постоянное запоминающее устройство; 7 - последовательный программируемый интерфейс;
8- микропроцессор; 9,11 - параллельные программируемые интерфейсы; 10- пульт управления микропроцессорной системой; 12 - пульт управления молотом; I, II - датчики верхнего и нижнего положений ударной массы; III - дискретный датчик деформации поковки по высоте; IV и V - педали ручного управления
Рис. 9.2.6. Граф состояний системы молот - устройство управления
ми прерываний от таймера и датчиков положения ударной массы [16]. Переходы из состояния в состояние согласованы с определенными событиями, которые обозначены как условия переходов: Ю - включение таймера Т1 на отсчет заданного интервала времени между ударами в серии; rl - сигнал на включение сливного клапана и включение таймера Т1 на отсчет времени разгона; г2 - команда на выключение сливного клапана и включение напорного; гЗ - передний фронт сигнала с датчика нижнего положения ударной массы; г4 -задний фронт сигнала с датчика нижнего положения ударной массы; г5 - команда на выключение напорного клапана; гб - сигнал с датчика верхнего положения ударной массы; г7-команда на включение напорного клапана; г8- медленный ход вниз при наладке.
В состав программного обеспечения устройством управления циклом штамповки вхо
дят программы: монитор реального времени, тестирования аппаратной части контроллера, а также библиотека арифметических программ с плавающей запятой и функциональные модули специального программного обеспечения.
Качество управления в значительной степени определятся надежностью измерительных преобразователей. Для измерения деформации поковки принят косвенный способ контроля деформации с использованием информации о линейном перемещении ударной массы [2, 3]. Следуя этому принципу, разработана бесконтактная схема измерения, которая положена в основу конструкции дискретного электромагнитного датчика и фотоэлектрического растрового накапливающего преобразователя [13]. Обе конструкции предполагают установку малоинерционных элементов датчиков на ударной массе.
По надежности эксплуатационные характеристики выше у фотоэлектрического датчи-
510 Глава 9.2. ПРОГРАММНОЕ УПРАВЛЕНИЕ КУЗНЕЧНО-ШТАМПОВОЧНЫМИ МАШИНАМИ
ка. Основным требованием для использования этого датчика является точная регулировка зазора в направляющих молота, так как амплитуда колебаний ударной массы в плоскости, перпендикулярной оси молота, не должна превышать шага измерительной решетки датчика (1 мм). Поэтому для более надежной работы фотоэлектрический датчик рекомендуется применять для штамповки поковок с полем допуска по высотному размеру более ±1,5 мм на молотах с энергией удара до 15 кДж и с U-образной конструкцией станины, где можно достичь минимальной величины зазора.
Сравнение результатов адаптивно-программного управления циклом штамповки и жесткого управления показали, что при управлении 60 циклами штамповки по жестко заданной программе (6 ударов в каждом цикле) получали 57 % годных поковок и 43 % - брак по недоштамповке, причем в 23 % циклов наблюдалось недопустимое соударение штампов. При управлении циклами штамповки по про-граммно-адаптивному алгоритму во всем объеме выборки получено без соударений штампов 100 % годных поковок с величиной высотного размера в поле допуска [16].
Программно-адаптивное управление газогидравлическим бесшаботным молотом в составе штамповочного комплекса. На основе конструктивной схемы молота (рис. 9.2.7) представлена динамическая модель (рис. 9.2.8), исследованием которой установле-
Рис. 9.2.7. Конструктивная схема газогидравлического бесшаботного молота МШ-4А: 1 - верхняя ударная масса; 2 - нижняя ударная масса; 3 - сливной клапан; 4 - центральный шток; 5 - поршень гидроцилиндра; 6 - поршень пневмокомпенсатора; 7 - боковые штоки; 8 - ресивер с газом (азотом); 9 - плунжер; 10 - станина
Рис. 9.2.8. Динамическая модель газогидравлического бесшаботного молота: Mi, М2 - верхняя и нижняя ударные массы; М3 - масса бокового штока; Мд - масса центрального штока; М5 - масса поршня пневмогидрокомпенсатора; Мб - масса плунжера пневмоцилиндра; хь. хв-перемещения масс; b2...b6- коэффициенты демпфирования; Ri...Re-силы сопротивления движению масс; Ко, bo - коэффициенты жесткости и демпфирования гидросвязи ударных масс; Кп,Кп-коэффициенты жесткости бокового и центрального штоков; A^6i - коэффициент жесткости плунжера пневмоцилиндра; Кх, К2 - коэффициенты жесткости верхнего и нижнего штампов (принимаем К\ = Кг), Jij'i - передаточные отношения от боковых штоков к центральному и от боковых штоков к поршню пневмогидрокомпенсатора; Ги(/, х5, х6) - функция энергоносителя; Ф - функциональный преобразователь абсолютного перемещения поршня пневмогидрокомпенсатора в функцию энергоносителя
ны следующие способы дозирования кинетической энергии: изменением объема энергоносителя (азота) посредством отключения реси-
ПРОГРАММНОЕ УПРАВЛЕНИЕ КУЗНЕЧНО-ШТАМПОВОЧНЫМИ МАШИНАМИ
511
воров приводного пневмоцилиндра; изменением давления энергоносителя (азота); изменением гидравлического сопротивления сливной гидролинии. Для управления молотом используется третий способ дозирования энергии с помощью дросселя, оснащенного электродвигателем постоянного тока [11]. Для ЧПУ горячештамповочным комплексом (ГШК) на основе этого молота принята стратегия управления машиной (молотом) (см. табл. 9.1.4) с адаптацией по измеряемым параметрам заготовки: массой (объемом) и температурой [14, 17].
На рис. 9.2.9 приведена схема ГШК на базе молота МШ-4А с системой ЧПУ. В состав комплекса входят: бесшаботный молот 1 типа МШ-4А с выталкивателем; индуктор 2 (вместимостью не менее двух заготовок) с управляемым электромагнитным отсекателем 3 и пневмоцилиндром 4 для выталкивания заготовки из индуктора; загрузочное устройство с пневмоцилиндром 5; устройство 6 сдува окалины и смазки штампов в автоматическом режиме; бункер 7 для приема готовых поковок. В подсистему контроля системы ЧПУ входят: конечные выключатели 8, 9, датчики 10 температуры нагрева заготовки в индукторе и массы
заготовки 15, датчик перегрузки молота 11, датчик недоштамповки 12, датчики исходного положения ударных масс и окончания рабочего хода.
Система ЧПУ включает в себя блоки контроллера Фесто FPC-404 (блок АЦП, три блока 16Е, два блока входов/выходов, карманный прибор индикации, центральный блок 73), а также нестандартное табло индикации 14 хода технологического процесса.
На рис. 9.2.10 представлена блок-схема алгоритма управления молотом в составе горячештамповочного комплекса. Алгоритм управления реализован на процессорах У0-УЗ. На процессоре 7 У0 в начальный момент времени (до начала штамповки) находится стартовая программа ПО, используемая перед каждой новой партией поковок. Программа ПО включает в себя процедуру подготовки к управлению молотом (ее блок-схема 2 приведена в левом нижнем углу рис. 9.2.10). Сущность процедуры подготовки к управлению молотом заключается в том, чтобы на основе данных о параметрах выполняемого технологического процесса (полученных, например, по интерфейсу с АСУ ТП), используя модели
Рис. 9.2.9. Схема системы ЧПУ газогидравлического бесшаботного молота в составе горячештамповочного комплекса
Рис. 9.2.10. Схема алгоритмов ЧПУ газогидравлического бесшаботного молота
512 Глава 9.2. ПРОГРАММНОЕ УПРАВЛЕНИЕ КУЗНЕЧНО-ШТАМПОВОЧНЫМИ
ПРОГРАММНОЕ УПРАВЛЕНИЕ КУЗНЕЧНО-ШТАМПОВОЧНЫМИ МАШИНАМИ
513
технологического процесса горячей объемной штамповки и молота, построить таблицу управлений 3 (табл. U на рис. 9.2.10), содержащую различные допустимые комбинации значений параметров заготовки (масса и температура) и рассчитанные для них значения потребной работы деформирования.
После отработки процедуры подготовки на процессоре У1 (4), запускается на счет программа управления горячештамповочным комплексом П1 (эта программа реализует жесткий алгоритм управления горячештамповочным комплексом на основе концевых выключателей и содержит обращение к программе, реализующей адаптивное программное управление). После запуска программы П1 на процессоре У0 активизируется процедура адаптации таблицы управления (табл. U, рис. 9.2.10), сущность которой заключается в анализе результатов разгона ударных масс молота и рабочего хода с соответствующей коррекцией содержимого табл. U на рис. 9.2.10. На процессоре У1 программа П1 осуществляет также управление оборудованием линии (индукционным нагревателем, толкателем с приводным пневмоцилиндром, загрузочным устройством, устройством сдува окалины и смазки штампов, выталкивателем).
Процедура программного управления комплексом строится на основе анализа сигналов от концевых выключателей и выдаче сигналов управления на исполнительные механизмы (электромагниты, гидрораспределители и пр.). Процедура считается отработавшей, если в очищенном от окалины и смазанном нижнем штампе находится нагретая до заданной температуры заготовка и загрузочное устройство выведено из штампового пространства. При условии отработки процедуры управления комплексом на процессоре У2 (5) запус-1 кается программа управления молотом П2, при этом программа П1 на У1 переходит в пассивное состояние. Программа П2 работает следующим образом:
- вводятся значения массы и температуры заготовки;
- по табл. U на рис. 9.2.10 методом интерполяции определяется величина /и (время включения силового клапана), подается сигнал "пуск", по которому сливная полость центрального цилиндра 16 на рис. 9.2.9 соединяется с гидробаком и, как следствие, начинается встречное движение ударных масс, затем
активизируется таймер Г, и, как только текущее значение слова таймера совпадет с рассчитанным значением /и , будет выдан управляющий сигнал на исполнительное устройство; начиная с этого момента программа П2 будет считывать и анализировать сигнал от датчика окончания рабочего хода (датчика о.р.х. 7 7 на рис. 9.2.9), по получению сигнала окончания рабочего хода будут выданы сигнал инициализации исполнительного устройства и сигнал развода ударных масс, после чего считывается сигнал от датчика величины несмы-кания штампов. Если величина недоштампов-ки, соответствующая измеренной величине несмыкания штампов, находится в поле допуска, то запускается программа П1 на процессоре У1 (4), программа П2 переходит в пассивное состояние. Если величина недоштамповки больше предельно допускаемого для данной партии поковок значения, то при условии, что недоштамповка данной поковки получена также на предыдущем ударе, активизируется процедура адаптации процесса устранения недоштамповки (ПУН), затем вне зависимости от того, впервые ли получена недоштамповка, производится расчет энергии удара, необходимой для устранения недоштамповки, затем методом интерполяции по табл. U на рис. 9.2.10 определяется соответствующее рассчитанной энергии удара значение управляющего параметра времени /и . После чего выдается сигнал "пуск" при условии, что ударные массы разведены, это фиксируется датчиками исходного положения ударных масс 8 и 9 (рис. 9.2.9); далее процесс идет, как описано выше. В случае получения на предыдущем ударе недоштамповки после выдачи управляющего сигнала на исполнительное устройство на процессоре УЗ (б) запускается программа адаптации по перегрузкам ПЗ.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Аитимоиов В.А. Разработка методики проектирования пневмогидравлического молота с устройством программно-адаптивного управления циклом штамповки: дис. ... канд. техн. наук. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1997. 16 с.
2. А.с. 1082536 СССР, МКИ В 21j 7/46. Система управления молотом / Н.Б. Бабин, Ю.А. Бочаров, В.А. Антимонов и др. (СССР). № 3543332/25-27; Заявлено 19.01.83; Опубл. 30.03.84//Открытия. Изобретения. 1984. № 12.
17-819
514 Глава 9.2. ПРОГРАММНОЕ УПРАВЛЕНИЕ КУЗНЕЧНО-ШТАМПОВОЧНЫМИ МАШИНАМИ
3. А.с. 1532174 СССР, МКИ В 2lj 7/28-46. Система управления газогидравлическим молотом / Н.Б. Бабин, Ю.А. Бочаров, В.А. Антимонов, и др. (СССР). № 4242143/25-27; Заявлено 06.07.87; Опубл. 30.12.89 // Открытия. Изобретения. 1989. №48.
4. А.с. 703362 СССР. Система управления прессом / В.П. Перевертов, Ю.А. Бочаров, А.В. Сафонов и др. // БИ. 1979. № 46.
5. А.с. 801931 СССР. Устройство контроля температуры заготовок перед штамповкой / В.П. Перевертов, В.А. Поникаров, В.С. Цыганов и др. И БИ. 1981. № 5.
6. А.С. 294411 СССР. Гидровинтовой пресс-молот / А.С. Григоренко, Ю.А. Мороз, Л.И Кортусов // БИ. 1971. № 6.
7. Бабин Н.Б. Программное управление паровоздушным штамповочным молотом: дис. ... канд. техн. наук. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1984. 16 с.
8. Бовыкин И.В. Исследование винтового пресса с новой системой дозирования кинетической энергии: дис. ... канд. техн, наук. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1977. 16 с.
9. Бороздин В.А. Автоматизированный ковочный комплекс на базе приводного пневматического молота: дис. ... канд. техн, наук. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1988. 16 с.
10. Бочаров Ю.А. Числовое программное управление процессами и машинами обработки давлением (состояние и перспективы) // Кузнечно-штамповочное производство. 2000. №7. С. 39-45.
11. Бочаров Ю.А., Герасимов А.В. Программное управление штамповочными молотами. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1995. 80 с.
12. Бочаров Ю.А. Методология разработки систем программного управления в обработке материалов давлением // Технологические процессы и оборудование кузнечноштамповочного производства: Сб. М., 1996. С. 116-122.
13. Бочаров Ю.А., Бабин Н.Б., Антимонов В.А. Адаптивно-программное управление штамповочным молотом на основе обратной связи по высоте поковки И Прогрессивные процессы и оборудование листовой и объемной штамповки: Тез. докл. Всесоюз. науч.-техн. конф. Барнаул, 1986. С. 19-21.
14. Бочаров Ю.А. Основы общей теории гидравлических кузнечно-штамповочных машин И Труды МВТУ. № 335: Машины и технология обработки металлов давлением. М.: МВТУ, 1980. С. 12-40.
15. Бочаров Ю.А., Антимонов В.А., Гладков Ю.А. Управление процессами и машинами обработки металлов давлением. М.: ПСУ, 1997. 87 с.
16. Бочаров Ю.А., Антимонов В.А. Числовое программное управление циклом штамповки на пневмогидравлическом молоте И Кузнечно-штамповочное производство. 2001. №2. С. 29-34.
17. Герасимов А.В. Разработка методики проектирования бесшаботных молотов с системами числового программного управления, предназначенных для объемной штамповки поковок в автоматизированных комплексах: дис.... канд. техн. наук. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1991. 16 с.
18. Пашин В.Е. Разработка методики проектирования адаптивной системы управления энергией удара специализированного винтового пресса: дис. ... канд. техн, наук М.: МВТУ им. Н.Э. Баумана, 1979. 242 с.
19. Перевертов В.П., Бочаров Ю.А., Маркушин М.Е. Управление кузнечными машинами в ГПС. Куйбышев: Книжн. изд-во, 1987. 158 с.
20. Перевертов В.П. Система управления гидровинтового пресса двойного действия с адаптацией по температуре заготовки: дис. ... канд. техн. наук. М.: МВТУ им. Н.Э. Баумана, 1979. 16 с.
21. Петросян Л.С. Система программного управления для приводного пневматического ковочного молота: дис. ... канд. техн, наук. М.: МВТУ им. Н.Э. Баумана, 1984. 16 с.
22. Маркушин М.Е. Программное управление винтовым муфтовым прессом: дис. ... канд. техн. наук. М.: МВТУ им. Н.Э. Баумана, 1990. 16 с.
23. Устройство измерения высоты поковок / Ю.А. Бочаров, Н.Б. Бабин, В.А. Антимонов и др. // Технология, оборудование и экономика машиностроительного производства: Экспресс-информация: Отечественный опыт / ВНИИТЭМР. 1986. Вып. 3. С. 4 - 7.
24. Цифровое устройство контроля высоты поковок / Ю.А. Бочаров, Н.Б. Бабин, В.А. Антимонов, Е.А. Юданов // Машины, приборы, стенды: Каталог МВТУ им. Н.Э. Баумана. М., 1986. 12 с.
25. Юданов Е.А. Программное управление паровоздушным штамповочным молотом с адаптацией по параметрам энергоносителя: дис. ... канд. техн. наук. М.: МВТУ им. Н.Э. Баумана, 1988. 16 с.
ЧПУ КРИВОШИПНЫМИ ГОРЯЧЕШТАМПОВОЧНЫМИ ПРЕССАМИ
515
Глава 9.3
ЧПУ КРИВОШИПНЫМИ ГОРЯЧЕШТАМПОВОЧНЫМИ ПРЕССАМИ И КОМПЛЕКСАМИ НА ИХ ОСНОВЕ
Стратегия и структура управления. Горячештамповочиые комплексы. Горячештамповочные комплексы на базе кривошипных прессов установлены на некоторых заводах России и ближнего зарубежья. Техническая база этих комплексов во многих случаях устарела за время нестабильности экономики. В этих случаях целесообразно сохранить дорогостоящее кузнечно-штамповочное оборудование и проводить модернизацию за счет оснащения его новыми системами управления, выполненными по современным стандартам. Применение таких систем при изготовлении новых штамповочных комплексов на заводах кузнечно-прессового машиностроения будет способствовать повышению конкурентоспособности отечественного кузнечно-штамповочного оборудования на международном рынке.
Проверка алгоритмов, отладка программ и тестирование эффективности работы комплексов с системами ЧПУ на реальном обору
довании очень трудоемки, требуют больших финансовых затрат и во многих случаях невозможны в производственных условиях.
Разработка достоверных компьютерных имитационных моделей комплексов с ЧПУ дает возможность избежать этих трудностей и проводить отладку систем ЧПУ в процессе проектирования и монтажа на оборудовании, а в операционном режиме осуществлять мониторинг технологического процесса и работы оборудования. В перспективе на основе таких моделей фирмы-изготовители могут осуществлять дистанционную диагностику и мониторинг работы комплексов и линий у потребителей.
Горячештамповочный комплекс конструкции АО ТМП (Воронеж) (рис. 9.3.1) предназначен для штамповки поковок с вытянутой осью типа шатуна (отрезка заготовок от штанги, подогретой до 450...500 °C на пресс-ножницах, нагрев в индукторе до 1230... 1260 °C, протяжка на ковочных вальцах, предварительная штамповка, окончательная штамповка, пробивка отверстий и обрезка облоя), а также поковок типа шестерни в четыре перехода: осадка, предварительная штамповка, окончательная штамповка, пробивка отверстия и обрезка облоя.
Рис. 93.1. Схема горячештамповочного комплекса с ЧПУ на базе КГШП:
1 - пресс-ножницы; 2 - индуктор; 3 - ковочные вальцы; 4 - КГШП; 5 - грейферная подача; 6 - устройство съема готовой поковки
17*
516
Глава 9.3. ЧПУ КРИВОШИПНЫМИ ГОРЯЧЕШТАМПОВОЧНЫМИ ПРЕССАМИ
Система ЧПУ обеспечивает логическое управление всеми компонентами комплекса и адаптацию алгоритма управления к случайным изменениям технологических параметров.
Одним из основных требований к готовым поковкам является требование стабильной точности размера поковок по высоте. Это требование может быть обеспечено стабилизацией величины упругой деформации системы пресса, т.е. максимального значения деформирующей силы. Этому препятствуют отклонения величин объема (массы), температуры заготовки в штампе и случайные факторы, такие как смазываемость и износ штампа, температура окружающей среды и т.п.
Стратегия ЧПУ. Поскольку процесс объемной штамповки и конструкция КГШП обладают низкой управляемостью, целесообразно применить стратегию управления заготовкой (см. табл. 9.1.4). Температура и объем заготовки являются одними из определяющих параметров технологического процесса горячей объемной штамповки. Изменения этих параметров приводят к существенному изменению деформирующей силы и, следовательно, величины упругой деформации пресса.
Перспективно взаимозависимое адаптивное управление резкой сортового проката и устройством нагрева заготовок. Во время технологического цикла случайным образом изменяется температура заготовки и в меньшей степени объем (из-за угара металла). В имитационной модели следует отразить эти неконтролируемые воздействия как случайные величины, имеющие нормальный закон распределения.
Отклонение высотного размера поковок также зависит от отклонения закрытой высоты пресса и в меньшей степени от износа гравюры штампа. Перспективно автоматическое управление закрытой высотой. В ходе штамповки система по результатам контроля закрытой высоты периодически с помощью механизма регулировки (см. гл. 3.8) шаговым электродвигателем производит ее регулировку.
В процессе формирования сигналов управления участвуют следующие устройства:
- устройство разделки заготовок (пресс-ножницы) и индуктор - объекты управления, реализующие управляющее воздействие;
- система регулировки закрытой высоты пресса (см. гл. 3.8);
- передающие и другие промежуточные устройства (ковочные вальцы) на пути от индуктора до первой позиции штампа - определяют инерционность системы;
- датчики контроля величин объема (массы) и температуры заготовки - устройства предоставления информации о реакции объектов управления для реализации обратной связи;
- датчик контроля величины деформирующей силы (тензодатчик) - устройство предоставления информации о реакции взаимосвязи результатов измерения объема (массы) и температуры для реализации обратной связи;
- датчик закрытой высоты - контроль минимального расстояния между верхней и нижней половинами штампа.
Наличие передающих и других промежуточных устройств вызывает задержку реакции алгоритма на внешние воздействия. Учет этой задержки осуществляется понижающим коэффициентом, численное значение которого вычисляется по программе.
Системы ЧПУ КГШП и комплексами основаны на стратегии управления заготовкой и машиной [3, 4, 13]. На рис. 9.3.2 изображена схема информационно-управляющей системы комплекса как мехатронной системы. Мониторинг, диагностика и адаптивное управление заготовкой (температурой и объемом) и закрытой высотой пресса отнесены к верхнему уровню, обозначенному как информационно-управляющая система. Эта система имеет возможность подключения удаленных информационных терминалов. Это дает возможность с помощью имитационной модели оценивать работу оборудования для целей контроля, диагностики, проектирования технологических процессов и подготовки производства.
Информационно-управляющая система состоит из программного обеспечения, промышленной ЭВМ и интерфейсной системы взаимодействия с системой логического управления. Система логического управления и комплекс должны иметь комплект датчиков и приводов управления и интерфейсный выход для подключения информационно-управляющей системы. Допустимо использование режима работы горячештамповочного комплекса с отключенной информационно-управляющей системой. В этом случае будут недоступны функции адаптивного управления, диагностики и интерфейса с информационными терминалами.
ЧПУ КРИВОШИПНЫМИ ГОРЯЧЕШТАМПОВОЧНЫМИ ПРЕССАМИ
517
В структуре системы управления (СУ) выделено три уровня управления и диагностики (рис. 9.3.3): сбор данных, поступающих от датчиков, реализация управляющих сигналов и жесткого логического управления - уровень
жесткой логики; уровень программного логического управления (реализуется программируемым логическим контроллером, далее -ПЛК); уровень интерфейса с оператором [6]. Схема потока данных приведена на рис 9.3.4.
Рис. 93.2. Схема горячештамповочного комплекса как мехатронной системы
Рис. 933. Структура системы управления
518
Глава 9.3. ЧПУ КРИВОШИПНЫМИ ГОРЯЧЕШТАМПОВОЧНЫМИ ПРЕССАМИ
Рис. 93.4. Схема потоков данных системы управления
Задачи, решаемые информационной системой, представлены в табл. 9.3.1.
Они поделены на три блока: управление приводами и узлами комплекса; учет движения продукции и временных затрат; диагностика. Задачи, решаемые подсистемой диагностики [6):
1) контроль выхода за пределы допустимых значений, критических для работы комплекса параметров, и останов механизмов при обнаружении превышения значения;
2) контроль динамики работы основных узлов механизма в целях определения наличия предаварийной ситуации (работа в предельном режиме одного из контролируемых механизмов);
3) определение состояния узлов для планирования и оценки сроков планово-предупредительного ремонта.
Решение первой группы задач осуществляется средствами ПЛК по жесткой программе.
Для решения второй группы задач необходима реализация вычислительных алгоритмов. Если выход за пределы допустимых значений критического параметра маловероятен, то контроль этого параметра необходимо осуществлять с помощью ПЛК.
Группа задач 1 и 2 имеют общую цель -определить наступление аварийной ситуации и произвести останов агрегатов или блокировать их включение. Поэтому в них для реализации управляющего воздействия используется устройство останова или блокировки.
Группа задач 3 служит для выдачи информации. Устройства реализации управляющего воздействия для нее нет, вместо него при
сутствует устройство вывода информации -терминал на пульте оператора. Предварительную информацию от датчиков обрабатывают по специальным алгоритмам подпрограммы ПЛК. Выход этих подпрограмм связан с входом подпрограммы подсистемы подготовки информации и интерфейса с оператором, а подсистема посредством терминала в обработанном виде выдает информацию оператору.
Адаптивный алгоритм управления комплексом. Реальный начальный объем (масса) заготовки в блоке сравнения сравнивается с расчетным и отклонения объема (массы) поступают на блок сравнения процессора нагрева, где эти отклонения компенсируются изменением температуры нагрева заготовки. По системе обратной связи в течение каждого цикла поступает информация о диаграмме РД(5Д), которая в свою очередь сравнивается с эталонной (расчетной).
Система управления решает следующие задачи:
1) компенсация отклонения объема (массы) заготовки от расчетного значения.
Д/. +dM; (9.3.1)
Это осуществляется в контуре управления отрезкой заготовки. Определяется среднее отклонение в выборке п:
п
п (9.3.2)
\к=1
и сравнивается с расчетной величиной
ЧПУ КРИВОШИПНЫМИ ГОРЯЧЕШТАМПОВОЧНЫМИ ПРЕССАМИ
519
9.3.1. Задачи СУ горячештамповочным комплексом
Управление приводами и узлами комплекса Протоколирование работы, учет движения продукции, времени работы комплекса и персонала Диагностика
Диагностика реального времени Дистанционная диагностика
1 Управление циклом ТП 1 Учет выпуска поковок 1 Контроль выхода за допустимые пределы критических параметров и останов механизмов. Организация блокировок 1 Дистанционное получение информации о работе комплекса
2 Оптимальное управление параметрами заготовки: темпера-турой и объемом 2 Учет технологического брака
3 Учет времени работы оборудования и простоев по причинам 2 Автоматическая диагностика экспертной системой
3 Управление закрытой высотой пресса 4 Табельный учет 2 Контроль изменения параметров работы основных узлов в целях определения наличия предава-рийной ситуации
5 Учет расхода технологической оснастки
6 Учет запасов заготовок и технологической оснастки на участке
7 Учет времени работы основных исполнительных механизмов 3 Определение состояния узлов для планирования и оценки сроков планово-предупредительного ремонта
8 Учет времени работы обслуживающего персонала
9 Ведение базы данных информации о работе комплекса
dM ={М0 - Мср)К, (9.3.3)
где К - понижающий коэффициент, рассчитываемый по имитационной модели при условии минимизации времени перерегулировки;
2) компенсация отклонения температуры нагрева заготовки в индукторе в контуре управления нагревом
7} = + dT;
dT^T0-T^
(9.3.4)
( п
U=1
и;
3) дополнительная коррекция температурой нагрева неточности массы каждой заго-
т
7 ср
520
Глава 9.3. ЧПУ КРИВОШИПНЫМИ ГОРЯЧЕШТАМПОВОЧНЫМИ ПРЕССАМИ
товки (по времени нахождения заготовки в индукторе)
7] = 7]., + dTm,. (9.3.5)
Поправка dTm рассчитывается по зависимости (9.3.7) с учетом коэффициентов адаптивной модели;
4) периодическая регулировка закрытой высоты.
Разработаны алгоритмы независимого (задачи первая и вторая) и взаимозависимого (все три задачи) программного управления массой или/и температурой заготовок [5, 7].
Целью работы алгоритма взаимозависимого управления массой и температурой является стабилизация деформирующей силы при штамповке. В отличие от независимого программного управления, когда вычисляемые управляющие воздействия на температуру и массу не зависят друг от друга, в алгоритме взаимозависимого управления учитывается качество отработки системой первого управляющего воздействия — воздействия на отклонения массы заготовки. Для этого к системе независимого управления (рис. 9.3.5, а) добавляются блоки 8, определяющие связь системы программного управления нагревом с системой программного управления отрезки заготовок от прутка (штанги) (рис. 9.3.5, б).
Для нахождения связи между текущими значениями массы и температуры заготовки 7] и М{ используется функция линейной регрессии, отражающая влияние температуры и массы (объема) заготовки на максимальную деформирующую силу
/> = Ро + КХМ> -Мо- К2^ - Го), (9.3.6) где Ро, А/о, То - оптимальные расчетные значения деформирующей силы, массы и температуры заготовки; А/,, 7] - текущие значения массы и температуры поковки; Кх и К2 -коэффициенты уровня влияния массы и температуры (вычисляются).
Для учета влияния отклонения массы заготовки на деформирующую силу необходима поправка, полученная из (9.3.6) при Р,\ = Ро :
dT„, =(Tt-To) = (KjK2)(Mui-Mo),
(9.3.7) где MHi - масса/-й отрезанной заготовки.
Рис. 93.5. Блок-схема адаптивного управления по массе и температуре заготовки:
а - независимого; б - взаимозависимого;
7 - пресс-ножницы; 2 - индуктор; 3 - КГШП;
4 - блок 1-го уровня подсистемы управления массой заготовки; 5 - блок 1-го уровня подсистемы управления температурой заготовки; 6 - блок 2-го уровня подсистемы управления массой заготовки,
7 - блок 2-го уровня подсистемы управления температурой заготовки; 8 - блок расчета коэффициентов адаптивной модели и связи подсистем управления массой и температурой
заготовки
Поправка в этом случае вычисляется из (9.3.4) при
1 п / \
(93-8)
п к^\
vjifi п - количество поковок в выборке; Тк -действительное значение температуры к-й поковки в штампе; dTmk - температурная поправка для компенсации отклонения массы А-й заготовки.
Алгоритм взаимозависимого адаптивного управления реализован в программе "РС-Swage Master" [7].
Алгоритм расчета адаптивной модели. Адаптивной частью алгоритма взаимозависимого управления является функция нахождения коэффициентов регрессии Кх и К2 [10]. Так как в функцию регрессии (9.3.6) входят только контролируемые параметры (Т, М и
ЧПУ КРИВОШИПНЫМИ ГОРЯЧЕШТАМПОВОЧНЫМИ ПРЕССАМИ
521
Р), то для учета изменения неконтролируемых параметров необходима периодическая адаптация регрессионной функции, т.е. периодический расчет К}, К2.
Исходными данными для расчета коэффициентов являются взаимно-однозначные множества значений массы, температуры и максимальной деформирующей силы для выборки заготовок. Расчет осуществляется варьированием коэффициентов К\ и К2. Для каждой пары их значений по зависимости (9.3.6) рассчитывается величина максимальной деформирующей силы по массе и соответствующей температуре из заданных множеств. Целью расчета является нахождение таких Кх и К2, при которых сумма принятых по модулю разностей рассчитанных значений деформирующей силы и соответствующих ее значений из множества будет минимальной.
Имитационная модель и алгоритмы. Компьютерная имитационная модель технологического процесса горячей и полугорячей объемной штамповки [1, 2, 6] основана на программе [7], включающей в себя следующие функциональные блоки: блок управления и расчета взаимовлияния основных параметров технологического процесса; ядро имитационной модели процесса; интерфейс оператора; интерфейс блока удаленного управления.
Блок управления и расчета взаимовлияния основных параметров технологического процесса непосредственно реализует задачу повышения качества управления. В его задачи входит вычисление регрессионной зависимости, отражающей влияние температуры и массы на величину максимальной деформирующей силы, и реализация адаптивного управления параметрами заготовки.
Ядро имитационной модели (ИМ) процесса, реализованное в программе, представляет собой симулятор технологического процесса. В задачи ИМ входит: 1) отладка управляющей программы на этапе проектирования оборудования и технологического процесса; 2) использование ИМ для реализации адаптивного управления и работы информационных терминалов; 3) резервирование потока данных от датчиков в операционном режиме работы программы. Третья функция ИМ может быть задействована для восполнения данных, утерянных из-за возможности временного отсутствия синхронизации приема информации с
датчика. Это возможно из-за особенностей операционной системы.
Принципы моделирования и построения систем автоматического управления изложены в [9 - 11]. Модель движения заготовок по устройствам горячештамповочного комплекса в программе реализована с помощью очереди. Каждый элемент очереди описывает параметры одной заготовки. Таким образом, очередь имитирует (или дублирует в случае реального процесса штамповки) процессы, происходящие на конвейере горячештамповочного комплекса, т.е. создание элемента в конце очереди соответствует входу заготовки на конвейер, далее в соответствии с изменением параметров заготовки изменяются и значения параметров в элементе очереди, описывающем эту заготовку. Так, в процессе штамповки каждая заготовка имеет свой паспорт. После завершения цикла штамповки заготовки или удаления ее с помощью механизма отбраковки, соответствующий элемент из очереди удаляется.
В паспорте заготовки хранятся следующие параметры: номер текущей заготовки (/), температура нагрева в индукторе (7]), масса заготовки (Mj), температура на позиции окончательной штамповки (Тш1), масса на позиции загрузки в штамп (Мш/), максимальная деформирующая сила для текущей заготовки (Pi).
Модуль связи с информационным терминалом. Основным назначением этого модуля является подготовка пакета информации с полным набором сведений для анализа работы оборудования. Пакет информации должен содержать протокол работы системы в течение заданного периода времени и конфигурацию системы, в том числе параметры технологического процесса, параметры системы управления и другие.
В дальнейшем подготовленный пакет отправляется на удаленный терминал, где он может быть использован для детального исследования технологического процесса. Для этого применяется режим воспроизведения программы "PC-Swage Master" [7]. Информационный терминал может использоваться в следующих случаях:
- при контроле технологических процессов отделом технолога;
- при контроле работы оборудования отделом механика;
522
Глава 9 3. ЧПУ КРИВОШИПНЫМИ ГОРЯЧЕШТАМПОВОЧНЫМИ ПРЕССАМИ
- при контроле и обслуживании оборудования заводом-изготовителем;
- при разработке новых технологических процессов.
Основой пакета информации является файл протокола. Этот файл программа непрерывно формирует в процессе управления. Он содержит следующую информацию: заголовок файла с информацией о настройках программы, технологического процесса и параметрах алгоритмов управления; данные процесса, в которые для каждой заготовки записывается информация из ее паспорта (номер, масса отрезки, температура нагрева в индукторе, масса и температура в прессе, величина максимальной деформирующей силы) и коэффициенты адаптивной модели.
Интерфейс программы. В интерфейс заложены: возможности настройки главного окна программы, изменения параметров технологического процесса и имитационной модели, отслеживание критических и нестандартных ситуаций и другое. Основным элементом интерфейса программы является главное окно (рис. 9.3.6), состоящее из области кнопок управления 1 и рабочей области.
Рабочая область окна программы делится на четыре части: "звезда"- 2, окно сообщений -3, два окна графиков 4. В левом верхнем окне все данные выводятся на "звезду". Каждый луч "звезды" выводит состояние одного параметра
в виде точки между концами луча, обозначающими максимальное и минимальное значения. Окраска области луча красным, желтым или зеленым цветами показывает состояние соответствующего параметра - недопустимое, критическое или нормальное.
В правом верхнем окне сообщений 3 вся информация выводится в виде текста. Это точные числовые значения параметров процесса и предупреждение о нарушении режима нагрева и отрезки (соответствующий параметр подсвечивается желтым или красным цветом).
Два одинаковых окна графиков 4 служат для вывода зависимостей параметров технологического процесса от времени. На фоне этих окон также красными и желтыми линиями отмечены области недопустимых и критических значений. Зеленой линией обозначен оптимальный уровень значения параметра. Предусмотрены возможности выбора параметра для вывода в виде графика и настройки толщины линий, шага по абсциссе, соединения точек линиями. В процессе работы программа анализирует работу комплекса и при необходимости сообщает оператору о выходе параметров за критический и допустимый уровни.
Предусмотрены следующие режимы работы: операционный режим, режим отладки комплекса на имитационной модели, режим анализа.работы алгоритмов управления, режим воспроизведения.
File View Properties Calculations and analysis Interface
tn
(5)
-
Deformation force
чши ft—~ — ....................,
About
f Heat temperature 1255.742 :Temp.mcha; 1105.704
i Average mass. 3337.743
t Cut mass. 3457 087
iMassmdar 334 3 912
i Deformation force: 10222 381
i Average def force: 10415.019
§ Billet No: 804
i Average temper. 1097.726
| Heat temperature- 1235.447
i Temp.tndat: 1101.032
i Average mass’ 3338.509
i Cut mass 3449 555
I Mass in da- 3353 457
i Deformation force 10600 134
i Average def force: 10419.065
Average def force
3
11120
la-iac
W
NH
Scissors | Inductor
J Rejecter |
Press | Selection
Рис. 93.6. Главное окно интерфейса:
/ - кнопки управления; 2 - текстовое окно; 3 - звезда параметров; 4 - изменение деформирующей силы (или любого другого параметра); 5 - среднее значение параметра
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
523
В программе заложены функции расчета оптимальных параметров работы алгоритмов, таких как понижающего коэффициента и других. Программа написана под операционную систему MS Windows 95 на языке Borland С++ версии 5.02/7/.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Аксенов Л.Б. Системное проектирование процессов штамповки. Л.: Машиностроение, 1990. 240 с.
2. Балаганский В.И., Бочаров Ю.А., Гладков Ю.А. Система программно-адаптивного управления горячештамповочным комплексом И Кузнечно-штамповочное производство. 2001. № 6. С. 26-30.
3. Бочаров Ю.А. Стратегия программного управления в обработке давлением // Сб. тез. докл. Всерос. науч-техн. конф. "Машиностроительные технологии". Москва, 8 - 10 декабря 1998 г. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1998. С. 121-122.
4. Бочаров Ю.А. Числовое программное управление процессами и машинами обработки давлением // Кузнечно-штамповочное производство. 2000. № 7. С. 39 - 46.
5. Гладков Ю.А. Система программного управления горячештамповочным комплексом на базе кривошипного горячештамповочного пресса (Бриг): Св. "Роспатента" № 970247 И Инф. бюл. офиц. регистр. Программы для ЭВМ. Базы данных. Топология интегральных микросхем. М.: Изд-во РосАПО Российского агентства по патентам и товарным знакам, 1997. Вып. 2 (20). С. 55 - 56.
6. Гладков Ю.А., Шамшурина Д.А. Программная имитационная модель подсистемы диагностики цикличных процессов: Св. "Роспатента" № 990099 ПП // Государственный реестр программ и баз данных, 1999.
7. Гладков Ю.А., Хвостенко А.В. Интерфейсный модуль системы управления горячештамповочным комплексом (PC-Swage Master): Св. "Роспатента" № 990746, ПП для ЭВМ // Государственный реестр программ и баз данных, 1999.
8. Головин А.А., Гладков Ю.А. Некоторые принципы проектирования мехатронных систем в кузнечно-штамповочном производстве // Сб. тез. докл. Всерос. науч.-техн. конф. "Машиностроительные технологии". Москва, 8-10 декабря 1998 г. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1998. С. 133 - 134.
9. Зимодро А.Ф. Основы автоматики. Л.: Энергоатомиздат, 1984. 112 с.
10. Каханер Д. Моулер К., Нэш С. Численные методы и программное обеспечение: Пер. с англ. М.: Мир, 1998. 575 с.
11. Солодовников В.В., Плотников В.Н., Яковлев А.В. Теория автоматического управления техническими системами. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1993.492 с.
12. Филькин И.Н., Макшанов Л.Я. Основные направления развития технологии точной объемной штамповки на КГШП // Кузнечно-штамповочное производство. 1979. № 9. С. 4.
13. Bocharov Yu. CNC Strategy in Technology of Plasticity // Advanced Technology of Plasticity. 1999. 6 ICTP. 1999. V. L. P. 195 -200.
Часть II
МАШИНЫ И ОБОРУДОВАНИЕ ЛИТЕЙНОГО ПРОИЗВОДСТВА
Раздел 1
ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И АНАЛИЗА ЛИТЕЙНОГО ОБОРУДОВАНИЯ
Глава 1.1
КЛАССИФИКАЦИЯ, ТЕРМИНОЛОГИЯ И МАРКИРОВКА
МАШИН И ОБОРУДОВАНИЯ ЛИТЕЙНОГО ПРОИЗВОДСТВА
Изготовление отливок осуществляется на основе большого разнообразия технологических процессов, при выполнении которых используется широкая номенклатура материалов и веществ в твердом, жидком и газообразном состояниях. Операции расчленены во времени от нескольких микросекунд до многих часов и в пространстве - от нескольких миллиметров до сотен метров. Температурные режимы литейных процессов изменяются в диапазоне от минусовых температур до температур свыше 1000 °C. Это определяет широкую номенклатуру и разнообразие по видам и конструктивным решениям оборудования, применяемого для механизации и автоматизации литейного производства. При производстве отливок используется специфическое технологическое оборудование для литейного производства (ТОЛП), а также транспортное, дробильно-размольное, печное, сушильное, электроплавильное, электротермическое оборудование, универсальные и специализированные станки и инструменты для обрубки и зачистки отливок и др.
Технологическое оборудование для литейного производства разделяется на следующие основные группы [1-4]:
1. Оборудование для изготовления отливок в разовых песчаных формах:
- для подготовки формовочных материалов и приготовления смесей;
- для изготовления литейных форм и стержней;
- для выбивки литейных форм и стержней.
2. Оборудование для специальных способов литья:
- для изготовления отливок в оболочковых формах;
- для литья по выплавляемым и выжигаемым моделям;
- для литья под давлением;
- для литья в металлические формы (ко-кили), для литья под низким давлением и с противодавлением;
- для центробежного литья;
- для непрерывного литья;
- для изготовления профильных литых заготовок;
- электрошлаковое литье.
3. Оборудование для выбивки форм, удаления стержней и очистки отливок.
4. Оборудование для ваграночной плавки, модифицирования чугуна, плавки и заливки черных и цветных сплавов.
Оборудование для осуществления специфических литейных процессов, имеющих сравнительно небольшое распространение, таких как электролитический переплав, непрерывное литье изделий профильных сечений и листа, литье вакуумным всасыванием и некоторые другие, а также специальные роботы и манипуляторы, входящие в комплексы по изготовлению отливок, относят к литейному оборудованию.
К ТОЛП традиционно относят лабораторное оборудование, приборы и приспособления для контроля свойств формовочных материалов, смесей, форм и стержней для литейного производства. Приведенная классифи
КЛАССИФИКАЦИЯ, ТЕРМИНОЛОГИЯ И МАРКИРОВКА МАШИН И ОБОРУДОВАНИЯ 525
кация периодически изменяется по мере развития того или иного вида производства и появления новых способов изготовления отливок. Так, например, оборудование для изготовления оболочковых стержней, ранее входившее в группу оболочковое литье, в настоящее время входит в состав группы оборудования для изготовления форм и стержней. В то же время в группу оборудования для литья в кокиль включены машины для литья в облицованные кокили. Классификация носит условный характер, так как трудно охватить все многообразие способов изготовления отливок и совмещение в процессе их изготовления различных технологических приемов. Например, в практике литья под давлением находит применение большое количество технологических процессов (рис. 1.1.1), в то же время каждый из этих процессов может быть выполнен на машинах с разнообразными конструкторскими решениями. Подробная классификация оборудования приведена в приложении.
По уровню механизации и автоматизации, по общим конструктивным признакам ТОЛП классифицируется по следующим категориям:
- тяжелое и уникальное оборудование;
- оборудование, приспособленное для встраивания в автоматические линии;
- оборудование с цикловым программным управлением;
- автоматы и полуавтоматы;
- автоматические и механизированные линии;
- комплексы технологического оборудования (системы);
- типовое оборудование.
Линии и комплексы могут включать набор оборудования, позволяющий объединять различные технологические процессы вплоть до полного изготовления отливки. Например, комплексная линия приготовления смеси, формовки, заливки и выбивки или линия очистки и обрубки.
В промышленности эксплуатируются литейные машины и линии, имеющие номера моделей на основе различных систем индексации [6]. Первые отечественные машины, разработанные ЦКБ ЛО в 30 - 40 гг., имеют буквенно
цифровые наименования моделей. Буквенные обозначения указывают на тип машины, цифровой код - порядковый номер разработки. Например, модель ВФ-2 обозначает воздушноформовочную машину 2-го выпуска. Такая маркировка несет минимальную информацию о технических характеристиках машины.
Для внесения большей информации в маркировку оборудования в 50-60 гг. была введена трехзначная цифровая система индексации, где первая цифра обозначает технологическую группу оборудования, вторая - тип и третья - типоразмер. Дальнейшее развитие отечественного типажа литейного оборудования не позволяло укладываться в эту систему. В настоящее время действует пятизначная система маркировки моделей оборудования. В этой системе цифры в порядке номера модели определяют следующие признаки машины: первая цифра - технологическую группу, вторая - тип оборудования, третья - конструктивный тип, а две последние цифры - типоразмер и модификацию оборудования.
Например, номер модели 22111 следует расшифровывать следующим образом: первая цифра (2) характеризует принадлежность машины к группе формовочного и стержневого оборудования; вторая цифра (2) указывает на принадлежность к типу формовочных машин с уплотнением формы встряхиванием с допрессовкой; третья цифра (1) обозначает конструктивный тип машины без поворота полуформы; и, наконец, последние две цифры (11) указывают на принадлежность к определенной гамме и на возможность использования на машине опок с размерами в свету до 500 х 400 мм.
Другой пример индексации машины для литья под давлением - модель 71112: первая цифра (7) - машина для литья под давлением; вторая цифра (1) - машина с горизонтальной холодной камерой прессования; третья цифра (1) - характеризует конкретную конструктивную гамму; четвертая и пятая (12) - указывает на типоразмер с силой запирания 10 МН. В табл. 1.1.1 и 1.1.2 приведены примеры маркировки моделей некоторых видов оборудования.
526 Глава 1.1. КЛАССИФИКАЦИЯ, ТЕРМИНОЛОГИЯ И МАРКИРОВКА МАШИН И ОБОРУДОВАНИЯ
Рис. 1.1.1. Технологические процессы литья с применением давления
КЛАССИФИКАЦИЯ, ТЕРМИНОЛОГИЯ И МАРКИРОВКА МАШИН И ОБОРУДОВАНИЯ 527
1.1.1. Примеры маркировки моделей литейного оборудования
Группа 1. Оборудование для подготовки формовочных материалов и приготовления смесей
Модель Тип оборудования Модель Тип оборудования
113... Охладители смешивающие 154... Смесители для приготовления плакированных смесей центробежные
122... Размалывающее оборудование 159... Смесители лопастные двухвальные
123... Дробилки вибрационные 161... Аэраторы
131... Сита барабанные 194... Установки приготовления жидких самотвердеющих смесей (ЖСС)
135... Сита плоские инерционные 195... Установки приготовления пластичных самотвердеющих смесей (ПСС)
148... Машины оттирочные 196... Смесители с горизонтальной камерой для приготовления химически твердеющих смесей (ХТС)
151... Смесители чашечные периодического действия 198... Смесители с вертикальной камерой для приготовления химически твердеющих смесей (ХТС)
152... Смесители чашечные сдвоенные непрерывного действия
Группа 2. Оборудование для изготовления литейных форм и стержней
Модель Тип оборудования Модель Тип оборудования
221... Машины формовочные встряхи-вающе-прессовые без поворота полуформы 240... Машины безопочной формовки, пескодувно-прессовые с парной сборкой
222... Машины формовочные встряхи-вающе-прессовые с поворотом полуформы 241... Пескометы формовочные мостовые
205... Машины формовочные импульсно-прессовые без поворота полуформы 244... Столы вибрационные с неприводными рольгангами
225... Машины формовочные встряхивающие с перекидным столом 245... Столы вибрационные с приводными рольгангами
230... Машины для изготовления стержней с продувкой SO2 с вертикальным разъемом 291... Машины для изготовления оболочковых стержней
231... Машины для изготовления стержней с продувкой SO2 с горизонтальным разъемом оснастки 517... Машины для изготовления оболочковых полуформ
528 Глава 1.1. КЛАССИФИКАЦИЯ, ТЕРМИНОЛОГИЯ И МАРКИРОВКА МАШИН И ОБОРУДОВАНИЯ
Группа 3. Оборудование для выбивки форм и стержней
Модель Тип оборудования Модель Тип оборудования
312... Решетки выбивные инерционные 361... Установки электрогидравлические тупиковые
313... Решетки выбивные инерционно-ударные 362... Установки электрогидравлические проходные
Группа 4. Оборудование для очистки отливок
Модель Тип оборудования Модель Тип оборудования
411... Барабаны галтовочные периодического действия 426... Камеры дробеметно-дробеструйные периодического действия с тележками
412... Барабаны галтовочные непрерывного действия 427... Камеры дробеметные непрерывного действия с подвесками
422... Барабаны дробеметные периодического действия 428... Камеры дробеметные периодического действия с подвесками
423... Барабаны дробеметные непрерывного действия 441... Аппараты дробеструйные
431... Машины очистные вибрационные
1.1.2. Пример перспективных норм показателей технического уровня литейного оборудования
Тип оборудования Главный параметр Основные параметры
1. Смесители литейные чашечные периодического действия Объем замеса, м3, 0,3...3,7 Производительность, м3/ч 9,0... 110,0 Удельная масса, кг-ч/м3 155,0...270,0 Удельный расход энергии, кВтч/м3 1,4...1,1
2. Сита барабанные полигональные Производительность, м3/ч, 12,5...30,0 Удельная масса, кг • ч/м3 3,5... 40,0 Удельный расход энергии, кВт ч/м3 0,09...0,12
3. Машины формовочные встряхивающие без поворота полуформы Размер опок в свету, мм, 500 х 400... 1000 х 800 Цикловая производительность по машинному времени, цикл/ч ... 90,0... 150,0 Удельная масса, кг-ч/м3 210,0...275,0 Удельный расход энергии, кВтч/м3 1,9...3,6
4. Машины формовочные встряхивающие с поворотом полуформы Размер опок в свету, мм, 500 х 400...800 х 700 Цикловая производительность по машинному времени, цикл/ч ... 80,0... 100,0 Удельная масса, кг-ч/м3 450,0...670,0 Удельный расход энергии, кВт-ч/м3 2,8... 4,0
КЛАССИФИКАЦИЯ, ТЕРМИНОЛОГИЯ И МАРКИРОВКА МАШИН И ОБОРУДОВАНИЯ 529
Продолжение табл. 1.1.2
Тип оборудования Главный параметр Основные параметры
5. Машины стержневые пескодувные однопозиционные с отвердением стержней в нагреваемой оснастке Наибольшая масса стержня, кг, 6,0... 100,0 Цикловая производительность по машинному времени, цикл/ч 100... 150 Удельная масса, кг- ч/м3 2,0...3,0 Удельный расход энергии, кВтч/м3 0,02...0,04
6. Решетки выбивные инерционные Грузоподъемность, т, 1,0...40,0 Условная производительность, т/ч 70...700 Удельная масса, кг-ч/м3 15,0...55,0 Удельный расход энергии, кВт-ч/м3 0,03...0,3
7. Барабаны дробементные конвейерные периодического действия для очистки отливок Объем загрузки, м3, 0,3...2,0 Условная производительность, т/ч 3,2... 15,0 Удельная масса, кг-ч/м3 320...400 Удельный расход энергии, кВт ч/м3 7,0...8,0
8. Машины для литья под давлением (гамма малых машин) Усилие запирания, кН, 1000...4000 Удельная производительность, (кг/ч)/кВт 35,0...38,5 Удельная масса, кг-ч/м3 10,0... 15,0 Удельный расход энергии, кВт ч/м3 0,026...0,03
Основными показателями, определяющими потребительское назначение и технический уровень конкретной модели литейного оборудования, являются ее главный и основные параметры [7, 8]. Численное значение параметров может изменяться по мере совершенствования оборудования [9]. Общие технические требования к литейным машинам определяются ГОСТом [10].
Для обозначения поточных и автоматических линий принято буквенное или буквенно-цифровое обозначение перед цифровым индексом, характеризующим основной технологический тип линии. Например, линия автоматическая для изготовления отливок в опоках размером 800 х 630 мм обозначается Л22853. Иногда заводы вносят в буквенные индексы добавления, определяющие особенности линии и завод-изготовитель. Например, ИФЛ22411 - линия автоматическая для опок
размером 1200 х 1000 мм, выпускаемая Ивано-Франковским заводом.
Общие технические требования к литейным машинам определяются с 1963 г. государственным стандартом, который периодически пересматривается. Стандарт устанавливает требования к качеству литейных машин [11].
Единая международная терминология для литейного оборудования была впервые установлена Международным комитетом технических ассоциаций литейщиков и издана на французском, немецком, английском, испанском, нидерландском, норвежском и шведском языках [12]. В дальнейшем эта терминология была рассмотрена Терминологическим комитетом польского объединения литейщиков с участием российских, чешских и немецких специалистов и дополнена терминами на русском, польском и чешском языках [13]. В целях придания русской терминологии обяза
530 Глава 1.2. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПОКАЗАТЕЛИ МАШИН И ОБОРУДОВАНИЯ
тельного единого статуса ВНИИлитмаш был разработан и утвержден Госстандартом соответствующий ГОСТ 18111-93 [14].
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Технологическое оборудование для литейного производства на 1991 - 1995 гг. Типаж. М.: ВНИИТЭМР, 1990.
2. Лабораторное оборудование, приборы и приспособления для контроля свойств формовочных материалов, смесей, форм и стержней для литейного производства на 1991 -1995 гг. Типаж. М.: ВНИИТЭМР, 1990.
3. Зайгеров И.Б. Оборудование литейных цехов. Минск: Вышейшая школа, 1980.
4. Матвеенко И.В., Тарский В.Л. Оборудование литейных цехов. М.: Машиностроение, 1985.
5. Борисов Г.П. Давление в управлении литейными процессами. Киев: Наукова думка, 1988.
6. Ambos Е. Urform technic metallicher Werkstaffe Leipzig. VEB Deutscher Verlag fur Grundstoffindustrue. 1982.
7. Тарский В.Л. Система индексации и маркировки технологического оборудования для литейного производства // Литейное производство. 1975. № 9.
8. ГОСТ 27884-93. Оборудование литейное. Ряды главных параметров. М.: Изд-во стандартов. 1989.
9. ГОСТ 4.90-83*. Оборудование технологическое для литейного производства. Номенклатура показателей. М.: Изд-во стандартов, 1987.
10. РД2.ЛОО-19-88. Оборудование технологическое для литейного производства. Перспективные нормы показателей технического уровня по технологическим группам и типам. М.: ВНИИЛИТМАШ, 1989.
11. ГОСТ 10580-74. Машины литейные. Общие технические требования. М.: Изд-во стандартов, 1974.
12. Dictionnaire international defonderie. Paris. Dunod. 1962.
13. Сборник терминов по литейному производству. Warszawa. Wydawnictwa nayko-vo-techniczne. 1963.
14. ГОСТ 18111-93. Машины литейные. Термины и определения. М.: Изд-во стандартов, 1993.
Глава 1.2
ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПОКАЗАТЕЛИ
МАШИН И ОБОРУДОВАНИЯ ЛИТЕЙНОГО ПРОИЗВОДСТВА
Номенклатура показателей. Технический уровень литейного оборудования оценивают следующими показателями: назначения, надежности, использования материалов, топлива, энергии, эргономическими, технологичности, патентно-правовыми и экологическими [1,2].
Показатели назначения характеризуют свойства оборудования, определяющие основные функции, для выполнения которых оно предназначено или обусловливает область его применения. Ими могут служить (в зависимости от вида оборудования): производительность, объем дозы смеси в чаше, внутренние размеры опок, грузоподъемность, масса загрузки, сила запирания и т.п. Важнейшим показателем назначения является производительность, представляющая собой способность выпускать определенное количество продукции в единицу времени или на единицу потребляемой энергии (мощности). В зависимости от вида, типа и назначения оборудования производительность может быть определена как номинальная, цикловая, условная и удельная.
Фактическая производительность литейного оборудования в значительной мере зависит от его надежности [3]. Надежность - это свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, ремонтов, хранения и транспортирования. Надежность является сложным свойством, которое в зависимости от назначения объекта и условий его применения состоит из сочетаний нескольких свойств: безотказности, долговечности, ремонтопригодности и сохраняемости.
Безотказность - свойство объекта непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение некоторого времени или некоторой наработки. Долговечность - свойство объекта сохранять работоспособность до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонта. Ремонтопригодность - свойство объекта, заключающееся в приспособленности
ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПОКАЗАТЕЛИ МАШИН И ОБОРУДОВАНИЯ
531
к предупреждению и обнаружению причин возникновения отказов, повреждений и обнаружению причин возникновения отказов, повреждений и поддержанию и восстановлению работоспособности состояния путем проведения технического обслуживания и ремонта. Сохраняемость - это свойство объекта сохранять значения безотказности, долговечности и ремонтопригодности в течение и после хранения и транспортирования.
Технический уровень литейного оборудования - относительная характеристика качества продукции, основанная на сопоставлении значений показателей, характеризующих техническое совершенство оцениваемых изделий с соответствующими базовыми значениями [4, 11].
Экономическая эффективность литейного оборудования определяется сопоставлением показателей вновь разрабатываемых машин с показателями базового оборудования того же назначения. При этом основными факторами, определяющими эффектность, являются: повышение производительности; удлинение срока службы; улучшение качества получаемых изделий или полуфабрикатов; снижение эксплуатационных затрат; лучшее использование производственных площадей; улучшение труда и экологической обстановки и др.
Показатели безопасности конструкций технологического оборудования для литейного производства [5] регламентируют общие и специальные требования безопасности по видам литейного оборудования и устанавливают методы контроля выполнения этих требований.
Требования технической эстетики [10] регламентируют информативность и рациональность литейного оборудования, организацию его внешнего строения, рациональные зоны обслуживания при выполнении работ сидя и стоя, определяют рациональное рабочее пространство для проведения ремонтных работ, устанавливают рациональное сочетание цветов информативных элементов и панелей пультов управления, цвета приводных элементов кнопок управления, цвета сигнальной аппаратуры и др.
Эргономическая оценка литейного оборудования проводится по балльной системе [8]. При этом учитываются антропометрические характеристики, физиологические и психофизиологические характеристики, физические возможности при обслуживании и ремонте, санитарно-гигиенические характеристики. Дается балльная оценка каждого эргономиче
ского фактора по степени его соответствия требованиям действующих нормативных документов, приводятся коэффициенты весомости по каждому эргономическому показателю и группе показателей и приводится формула для расчета обобщенного эргономического показателя.
Показатели производительности. Для оборудования, выдающего продукцию периодически, в качестве показателя принята цикловая производительность - количество годной продукции, вырабатываемой в единицу времени при бесперебойной работе оборудования и без каких-либо простоев. В общем случае цикловая производительность Qu (шт./ч) определяется по формуле: Qu = 3600 / Гц, Тц - время цикла, приходящееся на одну единицу изделия, (с/шт.) - промежуток времени между двумя последовательными выдачами объектов производства (форм, стержней и т.п.).
В случае, когда время цикла состоит из времени машинных переходов и не совмещенного с ним времени выполнения технологических операций (например, времени кристаллизации отливок - в машинах для литья под давлением, времени отверждения стержня - в стержневых машинах и т.п.), в типаже указана производительность оборудования без учета не совмещенного времени выполнения технологических операций и определена числом холостых циклов в час или временем машинных переходов в цикле. Цикловая производительность оборудования в этом случае определяется по формуле Qu = 3600 / (Гм + Гт), где Гм -время машинных переходов в цикле, приходящееся на одно изделие, c/шт.; Тт - не совмещенное технологическое время в цикле, приходящееся на одно изделие, с/шт.
В качестве показателя производительности оборудования, которое выдает продукцию непрерывно, принята номинальная производительность QH - количество годной продукции, вырабатываемое в единицу времени при непрерывной работе: QH = 3600 q, где QH - м3/ч; л/ч; кг/ч; q - количество продукции, изготавливаемое в секунду, м3/с; л/с; кг/с.
При определении показателей производительности конкретных видов оборудования в продолжительности цикла работы машины следует учитывать время, затрачиваемое на выполнение не совмещенных по времени последовательных машинных операций. Так, у формовочных машин, особенно для крупных
532 Глава 1.2. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПОКАЗАТЕЛИ МАШИН И ОБОРУДОВАНИЯ
полуформ, доля времени, отводимого на ручные операции, в общем времени изготовления полуформ составляет значительную величину. Для определения времени изготовления полуформ и соответственно цикловой производительности необходимо к времени работы машины (продолжительность цикла) прибавить время, затрачиваемое на транспортные и технологические операции, не осуществляемые машиной и не зависящие от ее конструкции (установка, съем, кантовка опок и полуформ, засыпка формовочной смеси, простановка каркасов, холодильников, отделка формы и др.). Для определения цикловой производительности стержневых машин необходимо к времени цикла прибавить время отверждения стержня, зависящее от свойств смеси, габаритов, массы и других характеристик стержня.
Для определения цикловой производительности кокильных машин и машин для литья под давлением необходимо к времени холостого цикла прибавить время, затрачиваемое на ручные операции по подготовке пресс-форм и кокилей (обдувка, смазка или окраска), съем отливок, а также время кристаллизации отливки. Последнее зависит от конфигурации отливки, ее массы и габаритов.
С целью аналитического сопоставления различных видов оборудования применяются показатели: удельная производительность и условная производительность. Удельная производительность q - производительность, приходящаяся на единицу потребляемой мощности: q = QIN, где Q - соответствующая производительность (Q„, 0ц); N - средняя потребляемая мощность, кВт.
Условная производительность Qy - количество условной продукции, вырабатываемой в единицу времени без учета не совмещенного времени технологических и вспомогательных операций. В качестве Qy принимается определяющий параметр В [2], имеющий размерность м3/ч, кг/ч, т/ч и т.п. Например, Qy для формовочных машин может определяться как формуемый объем: В = 3600LOBOHOI Тц, м3/ч, где Lq, Во - размеры опоки в свету или формы в плане, м; Но - высота опоки или полуформы, м; Гц - время, с.
Для стержневых машин: В = 3,6 Кст/ Тц, м3/ч, или В = 3600Л/ст/ Гц, кг/ч, где Кст - объем стержня, дм3; AfCT - масса стержня, кг; Тц -время, с.
Для машин литья под давлением: В = = бхц> кг/ч, Мм - масса заливаемой порции металла, кг; - число холостых циклов в час при непрерывной работе оборудования.
На стадии проектирования расчетом определяется проектная производительность, исходя из цикловой (номинальной) производительности, нормируемых значений всех видов простоев и с учетом потерь на брак. На стадии испытаний или эксплуатации фактическая производительность определяется по результатам замеров фактической длительности цикла и реальных значений всех видов простоев.
При проектировании автоматической линии (АЛ) производительность (цикловая, номинальная) рассчитывается исходя из заданной годовой программы выпуска продукции (Вг) и эффективного годового фонда времени (Фэ), Фэ = Кгм. Ф» Фн _ номинальный годовой фонд времени, А^т и - коэффициент технического
использования, регламентирующий неизбежные потери времени в работе оборудования на устранение неисправностей при случайных отказах, на плановый и неплановый ремонты и техническое обслуживание [11]. Номинальный фонд времени, процент потерь времени на ремонт и техническое обслуживание и эффективный фонд времени зависят от вида оборудования и сменности его работы и нормируются [9].
Потери времени в работе оборудования, когда оно исправно, но не работает из-за ремонта смежного (не входящего в данный комплект) оборудования, по технологическим и другим внешним причинам, учитывается введением в расчет коэффициента использования К„. Значения Ки = 0,6...0,8 регламентированы [12]. Цикловая производительность АЛ с периодической выдачей продукции определяется по формуле Qu = Вг/ (Ки Кги Фп), шт./ч, форм/ч и т.п.; Вг - выпуск продукции на годовую программу (с учетом нормированного брака), шт., форм; нормативные значения Кт и и Фи приведены в [9]; Ки - в [12]. По Qu рассчитывается Тц, разрабатывается циклограмма работы механизмов и производится проектирование АЛ с периодической выдачей.
Номинальная производительность линии с непрерывной выдачей продукции определяется по формуле QH = В 1(КИ Кхм. Фэ), м3/ч, л/ч и т.п.; В - выпуск продукции на годовую программу (с учетом нормативного брака), м3, л и т.п.
ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПОКАЗАТЕЛИ МАШИН И ОБОРУДОВАНИЯ
533
Показатели надежности. Надежность литейного оборудования принято оценивать следующими показателями:
средняя наработка на отказ (наработка на отказ)............То
коэффициент готовности..........Кт
гамма-процентный ресурс.........у*
Показатель То является единичным показателем безотказности; показатель Кг - комплексным показателем безотказности и ремонтопригодности; показатель Тру - единичным показателем долговечности. Для оценки надежности и долговечности машин рекомендуется использовать То и Гру; для автоматических линий и комплексов - Кг и Тру.
Средняя наработка на отказ (наработка на отказ) представляет собой отношение суммарной наработки восстанавливаемого объекта t к математическому ожиданию числа его отказов в течение этой наработки T0 = tl
Показатель определяется и проверяется в условиях двухсменного режима работы. Статистическую оценку средней наработки на отказ выполняют по формуле Г0 = //г(/), где г(/)-число отказов, фактически происшедших за суммарную наработку t.
Коэффициент готовности Кг - это вероятность того, что объект окажется в работоспособном состоянии в произвольный момент времени, кроме планируемых периодов, в течение которых применение объекта по назначению не предусматривается. Коэффициент Кг характеризует готовность объекта к применению по назначению только в отношении его работоспособности в произвольный момент времени. Коэффициент Кг (при условии, что оборудование работает в установившемся режиме) определяется как Л”г= ТО/(ГО+ГВ), Го - средняя наработка на отказ; Тв - среднее время восстановления.
Для расчета на стадии проектирования коэффициента Кг для АЛ или комплекса производится их расчленение на отдельные элементы (механизмы, узлы, агрегаты), для которых на основании опытных данных имеются значения коэффициентов Кг:
Кг =--------- 1
г п
1
-L-!
*г,
Данная формула справедлива для любого периода времени и при любом числе элементов, если время работы и время восстановления каждого элемента подчиняются экспоненциальному закону распределения, что обычно имеет место на практике.
Гамма-процентный ресурс Тру - это средняя наработка, в течение которой объект не достигнет предельного состояния с вероятностью у, выраженной в процентах (для литейного оборудования (ЛО) принято у = 90 %). Для расчета ресурса Тру нового изделия необходимо привлечь данные наблюдений о среднем ресурсе Тр изделий, аналогичных проектируемому по назначению и конструкции. Как показывает практика, ресурс до капитального ремонта подчиняется нормальному закону распределения случайных величин. Поэтому Тру с вероятностью у = 0,9 может быть определен по среднему ресурсу Тр по формуле: Тру = = 0,625 Тр.
Основным методом определения показателей надежности в условиях эксплуатации являются хронометражные наблюдения за работой оборудования с фиксацией интервалов времени работы и простоев, дифференциацией простоев в соответствии с установленными критериями отказов. При определении показателей безотказной работы изделия к критериям отказов относят:
- прекращение (полное или частичное) по вине изделия выполнения оборудованием заданных функций или отклонение его технических параметров за пределы норм, установленных технической документацией, в частности, не достижение заданной производительности;
- отклонение заданных параметров качества продукции, производимой на данном оборудовании, за пределы установленных норм.
При определении показателей безотказности не следует учитывать остановки работы изделия в следующих случаях:
- для устранения неисправностей, возникших в результате нарушения условий эксплуатации, предусмотренных техническими условиями и руководством по эксплуатации, или из-за некачественного ремонта;
- для проведения регламентных работ, предусмотренных руководством по эксплуатации или программой и методикой испытаний;
- при отказе отдельных элементов, устраняемых без остановки оборудования;
534 Глава 1.2. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПОКАЗАТЕЛИ МАШИН И ОБОРУДОВАНИЯ
- остановки в случаях, когда изделие работоспособно, но отсутствуют внешние условия для его работы.
Контроль показателя Тр производят по данным промышленной эксплуатации или отзывам заводов-потребителей. Коэффициент готовности Кг устанавливают, определяют и контролируют только для АЛ и комплексов. При работе оборудования в установленном режиме коэффициент готовности рассчитывают ПО формуле КГ—ТО1(ТО+ Т9) — /раб / (/раб + /рем), То = /раб / Г', Тв = /рем / г, /раб - суммарная наработка за время наблюдения, ч; /рем - суммарное время ремонтов в рабочее время для устранения отказов, ч; г - число отказов за время наблюдения.
Показатели эргономики, технической эстетики и охраны труда. Требования безопасности к ЛО регламентируются государственным стандартом [5], устанавливающим требования безопасности к конструкции серийно выпускаемого, модернизируемого и проектируемого оборудования. Дополнительные требования к безопасности ЛО, учитывающие специфические особенности его конструкции и условия эксплуатации, указываются в стандартах и ТУ на конкретные модели оборудования.
Для эргономической оценки ЛО принимается обобщенный эргономический показатель Хэрг, характеризующий совокупность всех эргономических свойств оборудования, т.е. степень соответствия оборудования эргономическим требованиям. Обобщенный эргономический показатель определяется на основе следующих групповых показателей:
КуД - показатель соответствия оборудования требованиям, определяемым антропометрическими характеристиками человека;
Хупр - показатель соответствия органов управления требованиям, определяемым физиологическими и психофизиологическими возможностями человека;
£обс - показатель соответствия оборудования при его обслуживании и ремонте требованиям, определяемым физическими возможностями человека;
Кф - показатель уровней вредных производственных факторов, создаваемых оборудованием.
Групповые эргономические показатели определяются на основе следующих единичных показателей:
К\ - показатель расстояния от пола до стола формовочной машины;
Ку - показатель расстояния от наиболее удаленного органа управления до базы отсчета по высоте (расстояние от пола до органов управления при работе стоя или сидя);
Кз - показатель расстояния от базы отсчета до органов управления по ширине (расстояние от средней линии плоскости тела до наиболее удаленного органа управления);
К4 - показатель расстояния от базы отсчета по глубине до органов управления (расстояние от плоскости тела до наиболее удаленного органа управления в направлении вытянутой руки);
К5 - показатель оснащения оборудования средствами информации о работе узлов и механизмов, не находящихся в поле зрения оператора (сигнальные лампы, звуковой сигнал и т.д.);
К6 - показатель величины сопротивления органов управления перемещению;
Ку - показатель доступности элементов оборудования для обслуживания и ремонта (рабочее пространство, необходимое для проведения обслуживания и ремонта механизмов и узлов в положении "стоя", "сидя", "сидя с упором на одно колено", "лежа на спине");
К%, Кд - соответственно показатели уровня звука и виброскорости на рабочем месте.
Выбор номенклатуры единичных эргономических показателей проводится на основе анализа нормативно-технической документации, условий эксплуатации оборудования и содержания выполняемых работ. Установлены следующие эргономические показатели для литейного оборудования:
- уровень звука или эквивалентный уровень звука на рабочем месте, дБ(А);
- уровень виброскорости на рабочем месте на базовой частоте предельного спектра 63 Гц, дБ;
- уровень виброскорости на рычагах управления на базовой частоте предельного спектра 125 Гц, дБ;
- коэффициент автоматизации и механизации.
Для ТОЛП с вредными выбросами регламентируется экологический показатель: содержание вредных веществ, выбрасываемых в окружающую среду, мг/м3, (%).
ОСНОВЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ МАШИН И ОБОРУДОВАНИЯ
535
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. ГОСТ 15467-79*. Управление качеством. М.: Изд-во стандартов, 1980 (1982).
2. ГОСТ 4.90-83*. Оборудование технологическое для литейного производства. Номенклатура показателей. М.: Изд-во стандартов, 1987.
3. ГОСТ 27.002-89. Надежность в технике. Термины и определения. М.: Изд-во стандартов, 1984.
4 ГОСТ 2.116-84* ЕСКД. Карта технического уровня и качества продукции. М.: Изд-во стандартов, 1987.
5. ГОСТ 12.2.0460-90. Оборудование для литейного производства. Требования безопасности. М.: Изд-во стандартов, 1990.
6. Методические рекомендации по комплексной оценке эффективности мероприятий, направленных на ускорение научно-технического прогресса. М.: ГКНТ СССР, Академия наук СССР (постановление от 3 марта 1988 г. № 60/52).
7. ОСТ2 Н89-17-83 ССБТ. Оборудование для литейного производства. Эргономическая оценка. М.: ВНИИлитмаш, переиздание с изменением, 1988.
8. ОНТП 15-86. Общесоюзные нормы технологического проектирования предприятий машиностроения, приборостроения и металлообработки. Фонды времени работы оборудования и рабочих. М.: НИИмаш, 1986.
9. РД2 ЛО1-1-87. Методические указания. Обеспечение требований эстетики и эргономики в конструкции оборудования для литейного производства. М.: ВНИИлитмаш, 1987.
10. РД2 Л02-1-87. Оборудование технологическое для литейного производства. Оценка технического уровня. М.: ВНИИ-ТЭМР, 1988.
11. РТМ2 ЛО9-2-85. Расчет производительности автоматических линий на стадии проектирования. М.: ВНИИлитмаш, 1985.
12. РТМ2 Н83-56-84. Реконструкция литейных цехов. Выбор материалов, технологических процессов и литейного технологического оборудования. М.: ВНИИТЭМР, 1985.
13. Управление качеством промышленной продукции. Терминология. М.: Информ-электро, 1986.
Глава 1.3
ОСНОВЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ МАШИН И ОБОРУДОВАНИЯ ЛИТЕЙНОГО ПРОИЗВОДСТВА
Особенности оборудования литейного производства, необходимость моделирования. Машины и оборудование литейного производства (ЛП) чрезвычайно разнообразны, что связано с большим числом разнохарактерных технологических процессов, используемых для производства фасонных отливок. Теория машин ЛП базируется на достижениях фундаментальных и прикладных наук и развивается в рамках общей теории рабочих технологических машин, используемых в различных отраслях промышленности. По мере развития и обособления технической науки - литейной технологии, теория литейных машин (ЛМ) все более приобретает специфические особенности, связанные со спецификой реализуемых технологических процессов. В ЛП технологические процессы обычно имеют сложный характер: помимо механического воздействия на предмет труда может накладываться какой-либо типовой процесс литейной технологии -нагрев или охлаждение, изменение агрегатного (фазового) состояния вещества, межфазный массообмен, химическое превращение и т.д. Другая характерная особенность ЛМ заключается в том, что технологические процессы в них могут происходить при высоких давлениях и температурах, а перерабатываемые материалы могут быть абразивными порошками, токсичными и коррозионно-активными расплавами, жидкостями и газами. Это предопределяет необходимость при проектировании ЛМ принятия ряда специфических конструктивных решений, обеспечивающих эффективность и долговечность оборудования при условии безопасной его эксплуатации.
Технологическое оборудование реализует на машинах и установках различные процессы литейной технологии с нужными параметрами и эффективностью. Постоянный рост требований к качеству отливок и эффективности их производства приводит к тому, что применяемое технологическое оборудование становится все более сложным, мощным, быстроходным и совершенным. Требования к машинам многочислены и противоречивы, удовлетворить им можно только при использовании эффективных технологических про-
536
Глава 1.3. ОСНОВЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ МАШИН И ОБОРУДОВАНИЯ
цессов, новых технических решений и современных методов проектирования. Усложнение оборудования и рост требований к нему заставляет использовать при проектировании все более сложные расчетные методики. По мере совершенствования и усложнения расчетных методик усложняется и применяемый для их построения математический аппарат: от простых алгебраических формул к системам алгебраических уравнений, а от них - к системам дифференциальных уравнений. Это значит, что каждому виду расчета соответствует своя математическая модель. Именно математическая модель является тем инструментом, с помощью которого можно получить необходимую информацию для принятия обоснованного технического решения по машине в целом, по отдельным узлам и механизмам, по согласованию характеристик этих узлов между собой. Сложность изучаемых и проектируемых машин и систем приводит к необходимости создания специальной, качественно новой техники исследования, использующей идеи и аппарат имитации - воспроизведения на ЭВМ функционирования проектируемого или изучаемого объекта с помощью специально организованных систем математических моделей.
Источники моделей и связь с теорией. Построение и изучение математической модели машины (процесс моделирования) предполагает формализацию реализуемых машиной процессов и требует детального изучения ее конструкции и работы. Процесс моделирования опирается на опытный материал, накопленный в процессе создания и эксплуатации машины, ее прототипов и аналогов, т.е. имеет феноменологическую основу. Однако часто приходится учитывать и изучать процессы и явления, на которые раньше не обращали внимания,, хотя именно в них могут быть заложены резервы совершенствования машин и агрегатов. В этом случае модели приходится строить на основе асимптотических моделей, описывающих более общие явления [7]. Новый экспериментальный материал и результаты исследования созданной модели могут привести к более совершенной модели, и тогда ранее известная модель сделается асимптотической. Появление большого числа асимптотических моделей говорит о зрелости научной дисциплины, в рамках созданных моделей или системы моделей возникает теория и ведется ее дальнейшая разработка. Можно утверждать, что развитие теории литейных машин в на
стоящее время обязательно предполагает моделирование процессов и явлений, реализуемых машинами.
Общий порядок построения моделей и моделирующих систем. Для построения математического описания различных машин проводится теоретический анализ физических процессов, протекающих в узлах и механизмах машины и в перерабатываемом материале. Однако многообразие и разнохарактерность процессов и ограниченные возможности исследователя и применяемой техники заставляют в каждом случае сужать число одновременно исследуемых процессов. Приходится выделять самые важные процессы и явления, решающим образом влияющие на работу и эффективность машины. При этом отборе используются фундаментальные законы сохранения вещества, импульса и энергии, кинетические закономерности процессов переноса, реологические характеристики материалов и т.д. Выбираются основные (фазовые) переменные, с помощью которых записываются физические законы. Формулируются всякого рода ограничения - граничные и начальные условия и др. Сложность и разнохарактерность исследуемых процессов и технологических машин предопределяет сложность используемых моделей и большую трудоемкость их построения. Эта работа окупается только при эффективном использовании моделей путем решения задач оптимизации процессов и конструкций.
Для оптимизации структуры и параметров технологических машин нужно построить доброкачественные модели, отображающие (имитирующие) основные черты реализуемых процессов с необходимой точностью и позволяющие оценить степень "управляемости" и предельные возможности процессов. Оптимизация структуры и параметров машин осуществляется обычно на основе вариантных расчетов, для чего организовывается многократно повторенный машинный эксперимент с моделью. Для эффективного проведения машинных экспериментов необходим определенный сервис: система моделей должна быть открытой для совершенствования, анализ варианта должен проходить достаточно быстро, нужна эффективная система визуализации результатов (цифровая и графическая). Предусматривается возможность быстрого ввода новой информации, перехода к новому варианту и т.д. Возникает "имитационная система" - совокупность моделей, имитирующих протекание изучаемо
ОСНОВЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ МАШИН И ОБОРУДОВАНИЯ
537
го процесса, объединенная со специальной системой вспомогательных программ и информационной базой, позволяющих достаточно просто и оперативно реализовать вариантные расчеты. Имитационные системы позволяют не только проверить и сравнить различные варианты процессов и машин, но и создавать новые технические решения. При этом анализ основывается на последовательном сжатии множества вариантов, на отбраковке заведомо неконкурентоспособных процессов и конструкций.
Существует и другой метод выбора структуры и параметров машины - путем построения эталонных (идеальных) моделей с использованием методов теории оптимального управления [1]. При этом возможность выбора структурной схемы основана на переходе от пространства структур в пространство управлений и на анализе математической модели объекта. Эталонной моделью называется такая математическая модель, в которой управление является оптимальным в смысле принятых критериев оптимальности при установленных ограничениях. Оценка эффективности создаваемой машины проводится на основе ее сопоставления не с предыдущим, в определенной мере случайным, образцом, а с эталонной моделью, показывающей предельные возможности процесса и машины. Идеальные модели и структурные схемы машин и механизмов синтезируются на основе идеальных законов движения рабочих органов и оптимальных управлений. Для синтеза идеальных законов и оптимальных управлений используются метод динамического программирования Р. Веллмана, принцип максимума Л.С. Понтрягина, метод вариационного исчисления и др. Несмотря на перспективность и привлекательность этого метода оптимизации, его применение пока ограничено решением задач на максимальное быстродействие [3]. Решение более содержательных оптимизационных задач при синтезе ЛМ сдерживается сложностью математического аппарата и недостатком информации. Преимущественное применение имеет пока метод вариантных расчетов.
Важнейшее значение для эффективности моделирования имеет тщательная идентификация параметров модели с тем, чтобы обеспечить приемлемый уровень адекватности моделей реальным процессам и машинам.
Особенности построения динамических моделей. Большое разнообразие процессов, используемых в ЛП, и широчайшая но
менклатура применяемых машин, агрегатов и механизмов затрудняют в настоящее время детальную формулировку теории и единых основ моделирования всех типов машин. Наиболее широко при исследовании и проектировании машин используются математические модели, которые принято называть динамическими моделями или динамическими системами. Динамическая система есть математическая модель физической системы, описывающая изменение ее состояния во времени. ЛМ, их узлы и механизмы работают при переменной скорости движения рабочих органов, элементов привода и передачи и элементов самого перерабатываемого материала. Статические положения и периоды установившегося движения являются лишь частными случаями динамического поведения таких систем.
Моделирование развивается путем построения комплексных моделей, охватывающих не только процессы в перерабатываемом материале, но и динамические процессы в узлах и механизмах машины и ее приводе, передачу нагрузок на фундамент и подстилающий грунт. Для формовочных и выбивных машин созданы комплексные модели системы "привод- рабочие органы - оснастка - смесь", названные
"моделями технологических машин". Эти модели значительно сложнее, чем модели отдельных процессов, однако их эффективность оправдывает трудозатраты. Можно сравнительно быстро провести анализ известных конструкций машин, оценить предлагаемые новые варианты, осознанно выбрать структуру машины и провести параметрическую оптимизацию. Установлено, что динамические модели обладают эвристическими свойствами и позволяют не только разобраться в работе машины и ее приводов и обоснованно назначить их параметры, но и уточнить характер процессов, реализуемых машиной, и генерировать новые технические решения. В конце концов этот путь оказывается намного короче, чем многоэтапная разработка и исследование частных моделей: технологического процесса, привода, передач, несущей конструкции, фундамента и других элементов машины. Эффективность же комплексных моделей несравненно выше, чем частных, так как удается не только исследовать различные процессы, но и проследить взаимосвязи процессов, явлений, механизмов, узлов, машин.
При построении динамических моделей механических систем необходимо учитывают инерционные, упругие, пластические и дисси
538
Глава 1.3. ОСНОВЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ МАШИН И ОБОРУДОВАНИЯ
пативные свойства элементов системы и их стыков. Моделирование начинается с выявления структуры объекта, которая представляется для механических систем в виде расчетной схемы. При расчленении объекта нужно учитывать динамические свойства и эффекты. Структура системы часто существенно отличается от набора конструктивных элементов и является набором функциональных элементов динамической системы. Для облегчения анализа структуру системы обоснованно упрощают, используя процедуру приведения масс, жесткостей, коэффициентов рассеивания энергии, сил и моментов сил. Расчетная схема машины обычно представляет собой последовательно или параллельно установленные инерционные элементы, взаимодействующие посредством невесомых упруговязких связей. Для моделирования поведения формовочных смесей, обладающих упругими, пластическими и диссипативными свойствами, используются сложные упруговязкопластические реологические модели. При уплотнении смеси принято весь объем смеси расчленять на вертикальные столбы и горизонтальные слои, размеры которых выбираются с учетом конфигурации формовочной камеры. При анализе процесса заполнения формовочной камеры смесью анализируют движение и торможение потоков и объемов смеси.
Построение модели прессовой формовочной машины. Процесс прессования так же, как и другие процессы уплотнения смесей, является динамическим, так как происходит при переменных скоростях рабочих органов машины, оснастки и элементов смеси (слоев, столбов, объемов и т.д.). Даже при выдержке смеси под максимальным давлением в конце прессования продолжаются переукладка песчинок и уплотнение, потому что время выдержки значительно меньше периода релаксации напряжений.
Рассмотрим построение динамической модели на примере однопозиционной формовочной машины (ФМ) линии мод. 7502. На рис. 1.3.1 представлена расчетная схема ФМ, включающей гидравлический пресс, пневматический встряхиватель, оснастку и уплотняемую формовочную смесь. Мощный гидропресс ФМ содержит прессовый цилиндр диаметром 355 мм, расположенный вверху и удерживаемый в верхнем положении двумя вспомогательными цилиндрами диаметрами 120 мм. На штоке пресса закреплена подвижная траверса, несущая гидравлическую пассивную (компенсирующую) многоплунжерную головку с 80 колодками, из
которых 24 центральных имеют плунжеры диаметрами 70 мм и размеры колодок в плане 162x146 мм, а 56 периферийных - плунжеры диаметрами 56 мм и колодки 146 х 104 мм. Размеры опоки 1,5 х 1,1 х 0,4 м. На модельной плите размещены две громоздкие модели верха тормозного барабана грузового автомобиля. Гидростанция прессования снабжена насосом переменной производительности, максимальная производительность 2шах = П л/с, максимальное давление Ртах = 20 МПа, мощность электродвигателя 160 кВт, эти параметры учитываются в модели как ограничения. Используется упругая сосредоточенная модель гидропривода [2], однако приведение массы движущейся жидкости к поршню показало, что приведенная масса жидкости больше не только массы поршня с траверсой и прессовой головкой, но и массы всей ФМ. Причем наибольший вклад в приведенную массу рабочей жидкости вносит длинный трубопровод с внутренним диаметром 50 мм для подвода жидкости от насоса к прессу, а также трубопроводы слива жидкости в бак. Более рациональной является схема приведения, при которой масса жидкости в нагнетательной гидролинии принимается сосредоточенной на выходе из насоса в сливной магистрали - на входе в бак. Все цилиндры прессовой головки соединены между собой, работа головки по схеме "пассивной компенсирующей" обеспечивается сливом жидкости в бак при давлении, большем или равном р^. Массу движущейся жидкости в гидроцилиндрах головки и относительно коротком трубопроводе слива допустимо приводить к плунжерам головки по формулам:
М5 — П\\ Л/пл1 + ^21 Мпл2 + МкпЬ
М6 = П\2 Мм1 + п22 Мм2 + Мкп2> (1.3.1)
где «ц и «21 - число центральных и периферийных плунжеров, расположенных над модельной плитой; П\2 и «22 - число центральных и периферийных плунжеров, расположенных над моделями; Мм1 и Мм2 “ масса плунжеров с прессовыми колодками; Мкп ~ приведенная масса жидкости в цилиндрах и трубопроводах, Мкп! ~ Рж (^*пл1 ^11 + ^*пл2 «21) (/ц + ZT (Fjjjji Пц + + ^Гпл2 «21)/Л-))> Рж “ ПЛОТНОСТЬ ЖИДКОСТИ, Лм1 и - эффективная площадь центральных и периферийных плунжеров, /ц - высота столба жидкости в цилиндрах над плунжерами, /т - длина сливного трубопровода сечением FT.
ОСНОВЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ МАШИН И ОБОРУДОВАНИЯ
539
Рис. 1.3.1. Расчетная схема формовочной машины линии мод. 7502:
/ - верхняя (основная) камера пневмопружины; 2 - нижняя камера пневмопружины; 3 - камера внутреннего ресивера; 4 - камера; 5 - камера для отработавшего воздуха
ФМ представляет собой систему смешанной физической природы, включающую в себя механическую, гидравлическую и пневматическую части с преобладанием механиче
ской части, которая непосредственно несет рабочие органы и оснастку и воздействует на формовочную смесь. Сложность механической части машины заставляет рассматривать саму
540
Глава 1.3. ОСНОВЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ МАШИН И ОБОРУДОВАНИЯ
эту часть как сложную систему и при построении структуры тщательно анализировать генерирующие и фильтрующие свойства отдельных элементов. Широко используемые в ФМ прокладки из неметаллических материалов (резины, полиуретана, текстолита, фибры, дерева и т.д.), а также металлические или полиуретановые пружины имеют значительно (в 102... 109 раз) меньшую жесткость, чем основные детали машины и элементы оснастки, изготовленные из стали или чугуна. Тела, установленные на такие прокладки и пружины, образуют низкочастотные звенья относительно тех звеньев, которые образованы телами, установленными на металлические поверхности непосредственно. Поэтому вклад отдельных звеньев в результирующие колебания, влияющие на работу машины и ход технологического процесса, неодинаков. Звенья с существенно более низкими собственными частотами обладают ярко выраженными фильтрующими свойствами, вследствие чего существенными для анализа динамических процессов в агрегате оказываются низшие собственные частоты. Однако при наличии ударов и высокочастотные звенья часто оказывают существенное влияние не только на движение тел, но и на работоспособность и эффективность машины.
Приведение инерционных характеристик (масс и моментов инерции) выполняется из условия равенства кинетических энергий реального звена и добавки к массе или моменту инерции звена приведения. Это приведение сводится к простому суммированию, если связанные между собой или установленные одно на другом тела движутся совместно и с одной и той же скоростью. При "чистом" прессовании стульная плита с модельными вставками и опока прижимаются к столу, последний опускается до упора на величину зазора, сжимая полиуретановые пружины. Так как опока, стульная плита и стол в процессе прессования движутся совместно, то их можно объединить в один инерционный элемент - массу М= М\ + + М2 + Му При анализе процессов уплотнения смеси встряхиванием и прессованием с вибрацией приходится рассматривать движение опоки и даже стульной плиты как самостоятельных тел, свободно установленных на столе. Упругое взаимодействие опоки М\ со стульной плитой М2 и стульной плиты со столом Л/з при жестких соударениях стола с ударником М4 может приводить к раскрытию стыков и самостоятельным движениям элементов оснастки.
Инерционные элементы механической системы взаимодействуют между собой и с несущей конструкцией посредством невесомых упруговязких реологических элементов Кельвина-Фохта. Следует отметить, что модель упруговязкой системы не соответствует физической природе процессов рассеяния энергии в конструкционных материалах, деталях и сочленениях. Реальное рассеяние связано с процессами внутреннего трения и пропорционально амплитуде деформации [8]. Однако в механике разработан более простой и удобный аппарат анализа систем с вязким сопротивлением, в которых рассеяние энергии пропорционально скорости деформации. Приведение систем с внутренним трением к системам с вязким сопротивлением выполняется из условия равенства энергий, рассеиваемых при деформации элементов. При моделировании поведения прокладок из пластмасс и эластомеров их коэффициенты жесткости и вязкости принимаются переменными и зависимыми от величин деформации. Поглощающие свойства конструкций, составленных из стержней, балок, плит, определяли суммированием энергии, рассеиваемой в элементарных объемах деформируемых тел и в их стыках.
С целью получения состоятельных качественных (относительных) оценок технологической эффективности вариантов узлов и машин нужно моделировать поведение смеси в конкретных формовочных камерах. Самая простая конфигурация камеры - опока без модели, здесь достаточно расчленить объем уплотняемой смеси на несколько (я) слоев (обычно одинаковых по массе, Msi = Ms/ п) и перейти к дискретной модели с сосредоточенными параметрами. В качестве инерционных элементов используются точечные массы, расположенные в центрах масс соответствующих слоев. Нижняя масса опирается на подмодельную плиту посредством реомеханической модели смеси с возможностью отрыва. Под действием собственной силы тяжести и силы инерции деформируется только часть слоя, расположенная ниже инерционного элемента (AiM0 = hi0/2). Для второго и последующих слоев высота подстилающего соответствующий инерционный элемент слоя смеси складывается из полувысоты нижележащего слоя и полувысоты второго слоя, Л12о = А1о / 2 + h2o/ 2. При этом последовательно расположенные реомеханические модели могут быть- заменены одной моделью с усреднением
ОСНОВЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ МАШИН И ОБОРУДОВАНИЯ
541
плотности слоев (р12о = (Pio + Р2о)/2). При уплотнении под действием инерционных сил (гравитационное уплотнение, встряхивание и т.п.) слой смеси, расположенный выше верхнего инерционного элемента (высотой Л2о/2), не нагружается инерционными силами и его уплотнение не моделируется. Для способов уплотнения с силовым воздействием на смесь со стороны контрлада верхний полуслой уплотняется под действием этого силового воздействия и включается в модель смеси. Поэтому при одинаковом расчленении объема смеси при моделировании, например, встряхивания и прессования, число деформируемых слоев смеси при прессовании на один больше, чем при встряхивании. Каждый слой смеси при осадке (уплотнении) испытывает тормозящее действие трения об опоку.
Гораздо сложнее расчленение объема смеси для формовочной камеры с моделями, имеющей сложные для заполнения смесью уплотнения и вытяжки, объемы и участки. Для моделей с развитыми горизонтальными площадками условия уплотнения надмодельных и околомодельных объемов настолько различаются, что приходится увеличивать дискретность расчленения и в каждом слое отдельно рассматривать указанные объемы смеси. При более точных расчетах учитывается также рост плотности в узких зазорах за счет бокового перетекания смеси. Деление столбов смеси на отдельные слои производится по-разному: на элементы с постоянной массой (Msi = const), но изменяющимися по ходу осадки объема условиями внешнего трения, или же на элементы с переменной массой, но постоянным объемом и неизменными условиями внешнего трения.
Весь объем уплотняемой смеси в нашем примере разделен на столбы над моделями и над остальной поверхностью подмодельной плиты (околомодельные промежутки). Столб смеси над моделями представлен в расчетной схеме одним массивным элементом М$з и двумя деформируемыми слоями - верхним и нижним, а высокий объем над плитой разделен на две соосные массы MS\ и М& и три слоя. Для моделирования поведения смеси используется 4-элементная упруговязкопластическая реологическая модель, полученная усечением известной 5-элементной модели [4, 5], пренебрегая чисто упругим элементом Е\. Установлено, что разница в параметрах нагружения и деформирования при этом меньше 4 %, но для
4-элементной модели реологические уравнения проще и имеют вид
с'= 8"^! + е'£2, если ст < ст*, (1.3.2) О' = (е"п 1Пг + 6' £2112 - (с - </)Е2) / (п i + т|2), если ст > ст ,
где ст и ст' - вертикальные сжимающие напряжения и скорость их изменения; ст* - предел текучести; Е2 - модуль упругости пружины; Т| j и Т|2 - коэффициенты вязкости верхнего и нижнего демпферов; е' и е" - скорость деформации и скорость ее изменения.
Боковое давление и внешнее трение смеси моделируется с использованием результатов и зависимостей, представленных в работах [6, 9].
Таким образом, механическая система машины представляется в виде установленных друг над другом массивных тел, имеющих возможность вертикального перемещения. В эту систему включена и уплотняемая формовочная смесь, взаимодействующая с прессовой головкой и оснасткой и оказывающая существенное влияние на их движение. Движение групп плунжеров Ms и Л/6, а также столбов смеси происходит параллельно. При этом плунжеры обеих групп сжимают общий объем рабочей жидкости, а столбы смеси взаимодействуют между собой посредством трения. Расчетная схема механической системы сводится к рядным линейным схемам, представляющим собой разветвленную цепочку взаимодействующих колебательных звеньев.
Пневматическая система представлена в расчетной схеме (рис. 1.3.1) рабочими камерами встряхивателя и каналами, сообщающими камеры между собой, с магистралью и атмосферой. Данный поршневой привод имеет две рабочие камеры: верхнюю 7 (основную) и нижнюю 2 - камеру пневмопружины, однако в модели учитываются пять камер, кроме указанных это камеры внутреннего ресивера 3, камера 4, емкость которой равна суммарному объему трубопроводов от редуктора давления до камеры 2, а также камеру 5, расположенную внутри колонны, в которую попадает отработавший воздух из камеры 7. Термодинамические процессы моделируют на основе уравнения состояния идеального газа, процессы в камерах обычно принимают адиабатическими. На основе уравнения состояния выводятся дифференциальные уравнения, описывающие изменение давления в рабочих камерах. Например, для
542
Глава 1.3. ОСНОВЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ МАШИН И ОБОРУДОВАНИЯ
рабочей камеры 1 уравнение, связывающее скорость изменения давления с изменением количества воздуха в камере и перемещениями стола и ударника, имеет вид
р{ = (kRT0 (Gi - G2) +
+ *P1 (x'c -Ху)/(Ио-Лц(Хс-Ху)),
(1.3.3)
где к - показатель адиабаты, к = 1,4; R - универсальная газовая постоянная, R = 287 Дж/(кг-К); То - температура воздуха, То = 293 К; G\ и G2 - массовые расходы воздуха из камеры 3 в камеру 7 и из камеры 7 в камеру 5 соответственно; FBU - эффективная площадь встряхивающего цилиндра; хс и ху - перемещения стола и ударника; И1о - начальный (вредный) объем рабочей камеры.
Для газодинамических процессов наполнения и опорожнения камер учитываются надкритический и подкритический режимы истечения. Коэффициенты расхода каналов в зависимости от их протяженности и конфигурации принимаются в диапазоне 0,08...0,5; для каналов воздухораспределения камер встряхивателя, сечение которых изменяется при движении стола и ударника, сечения каналов и коэффициенты расхода - переменные величины.
Уравнения движения всех тел записываются единообразно на основе 2-го закона динамики с учетом законов независимости действия сил и равенства сил действия и противодействия и имеют вид
и xf = М g + ^Pj + ^Qk + ST?/, (1.3.4) где Xj - перемещение 7-го тела; g = 9,81 м/с2; ЕР, - сумма всех сил, действующих на тело со стороны пневмо- или гидропривода; Е2* -сумма всех контактных сил, действующих в стыках тела с другими телами; ЕР/ - сумма сил трения, возникающих при движении поверхностей тела, контактирующих с поверхностями других тел. Например, для рабочего стола (А/3) составляющие уравнения можно записать в виде SP, — (/?1 — р2) FBU; Е2* = 2м/с - (2с/ст— Qdyt где 2м/с, 2с/ст И Q^ty - контактные силы взаимодействия огульной плиты со столом и стола со станиной И ударником, 2м/с = См/с (Z0M/c + XM-Xc) + + 5м/с« -хс) ’ См/с и Вм/С - коэффициенты приведенной жесткости и вязкости стыка стульной плиты со столом, z0M/c - начальная
деформация стыка; ЕВ/ = R^ + Вс/ст + 7?с/у, Вм/с, Rc/ct и Rc/y ~ силы трения в направляющих элементах стульной плиты и стола, стола и станины, стола и ударника.
Начальные условия записываются для исходного состояния конструкции при t = 0: для всех тел х' = 0; во всех камерах пневмопривода давление равно атмосферному, р} =р^ в изолированных от гидросистемы нижних (штоковых) камерах вспомогательных гидроцилиндров давление соответствует силам тяжести поршня, штока, траверсы и головки; начальные деформации стыков z0 определяются действием только сил тяжести.
Общая математическая модель ФМ имеет вид системы из 27 нелинейных дифференциальных уравнений, она описывает нарастание давлений в пневматических и гидравлических камерах, формирование контактных сил и сил трения, движение и деформирование слоев смеси и деталей машины. Используются ~ 180 параметров машины, оснастки и смеси. Имитационная система включает блоки ввода исходных данных и предварительных вычислений, блоки пошаговых вычислений и интегрирования дифференциальных уравнений, блоки обработки и вывода информации о ходе процессов и эффективности агрегата.
Исследование ФМ на математической модели. Уплотнение формовочной смеси на ФМ мод. 7502 обычно выполняется в две стадии - предварительное и окончательное. Для предварительного уплотнения используются встря-хиватели (ударные вибраторы) оригинальной конструкции (типа SPO), коренным образом отличающиеся от всех известных встряхивате-лей не только геометрической компоновкой, но и схемой и параметрами привода и ви-броударной системы. Эффективность этих вибраторов относительно низкая, после 24 ударов (время включения 4 с) плотность смеси в верхнем и нижнем слоях возрастает от начальной 1000/1012 кг/м3 всего лишь до 1029/1113 кг/м3. Такие или даже более высокие плотности смеси достигаются на машинах типа Herman такого же размера за один удар. Указанные плотности смеси используются как исходные при окончательном уплотнении прессованием.
Рассмотрим рабочий процесс пресса и его технологическую эффективность при разной настройке прессовой головки (рис. 1.3.2 и 1.3.3). В исходном (верхнем) положении пресса цилиндры многоплунжерной головки заполнены маслом из бака под давлением, равным давлению
ОСНОВЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ МАШИН И ОБОРУДОВАНИЯ
543
Рис. 1.3.2. Рабочий процесс и технологическая эффективность гидропресса ФМ АЛЛ мод. 7502. £>пп = 11 л/с; рпга = 20 МПа; рм = 0,6 МПа. Пассивная ДМГ,рпл = 0,6/6 МПа. М, = 990 кг.
2 модели верха тормозных барабанов
воздуха в магистрали рт\ = рм = 0,6 МПа, и плунжеры с колодками опущены вниз до упора. Работа пресса начинается сообщением его верхней рабочей камеры с напорной магистралью при 1=О, подача воздуха в вибратор включается через 0,9 с и выключается через 2,6 с от начала цикла, камеры пресса переключаются на подъем через2,8с.Обозначим: рпвц, рпнц ирт-давления в верхней и нижней (штоковой) рабочих камерах пресса и в цилиндрах прессовой головки; vn> vsi, Vs и Vj3 - скорости поршня пресса с подвижной траверсой и 3-точечных масс, к которым приведены объемы смеси; хп, Xnni, Хщй» хс и ху - перемещения поршня пресса, групп
плунжеров над моделями и над карманами полуформы, рабочего стола машины и ударника вибратора; и р, - вертикальные напряжения и плотность слоев смеси. На участке ускоренного подвода прессовой головки к смеси реализуется схема дифференциального включения гидроцилиндра, сообщение штоковой полости со сливом осуществляется при достижении в верхней камере давления рпвц =ртах. - 0,5 МПа, при этом резко уменьшается сопротивление движению поршня и давление рпвц понижается, а затем плавно нарастает по мере поступления рабочей жидкости от насоса.
544
Глава 1.3. ОСНОВЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ МАШИН И ОБОРУДОВАНИЯ
Рис. 1.3.3. Технологическая эффективность гидропресса ФМ АЛЛ мод. 7502 при = 0,6/40 МПа, другие параметры по рис. 1.3.2
Прессующие колодки соударяются со свободной поверхностью смеси на скорости 0,6 м/с и реализуется этап скоростного инерционного прессования [9], когда уплотнение происходит за счет торможения прессовой головки, т.е. за счет использования кинетической энергии, накопленной при разгоне головки. При этом слои смеси разгоняются по направлению к модельной плите и приобретают большую скорость: максимальные скорости элементов Ms\ и Мх2 составляют 0,55 и 0,38 м/с, - 0,4 м/с. Характерным для скоростного прессования является то обстоятельство, что независимо от настройки гидросистемы головки на разное давление сброса жидкости скорости элементов смеси и вертикальные давления в столбах смеси на этом этапе практически одинаковы. Скорости слоев смеси и давления в столбах смеси определяются кинетической энергией головки, которая не изменяется для двух вариантов. Прессование многоплунжерной головкой не дает существенных преимуществ на данном этапе по сравнению с жесткой колодкой.
Однако дальнейшее нагружение и уплотнение верхнего и нижнего слоев смеси над моделями и над карманами происходит по-разному при разных значениях /?пл2- В конце инерционного прессования происходит снижение сжимающих напряжений, а затем плавное их нарастание по мере роста давления в верх
ней камере прессового цилиндра. Для головки с высоким давлением слива = 40 МПа (рис. 1.3.3) это давление в гидроцилиндрах так и не достигается, прессовые колодки над моделями и их плунжеры поднимаются относительно корпуса головки только на величину, соответствующую сжимаемости рабочей жидкости. Здесь почти всю силу пресса воспринимает столб смеси над моделями, вертикальные давления достигают 4 МПа, смесь в столбе чрезмерно переуплотняется. В то же время нагружение нижнего слоя над модельной плитой совершенно недостаточное - напряжения достигают всего 0,025 МПа, прирост плотности слоя достигается в основном за счет работы вибратора. Разница в плотностях нижних слоев смеси в столбе над моделями и в кармане превышает 500 кг/м3.
При настройке клапана на давление = = 6 МПа слив жидкости ограничивает давление на смесь, плунжеры и колодки, расположенные над моделями, поднимаются относительно корпуса головки на 92 мм, а плунжеры над карма? нами - на 18 мм (рис. 1.3.2). Давление на столбы и слои смеси существенно выравнивается, соответственно выравнивается и плотность отдельных объемов смеси. При движении групп колодок и столбов смеси друг относительно друга наблюдается увеличение давления в нижнем слое над моделью относительно давления в верхнем слое примерно в 1,5 раза, и этот уро
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
545
вень давления удерживается движением соседних столбов смеси во все время роста усилия пресса. И только после реализации максимальной силы пресса нижний слой смеси над моделями разгружается от избыточного давления, и давление во всех слоях и столбах стабилизируется на уровнях, соответствующих традиционному распределению при прессовании.
При переключении гидросистемы на обратный ход верхняя камера пресса сообщается со сливом и давление в ней в силу упругости жидкости снимается почти мгновенно, поэтому разгрузка смеси на гидропрессе происходит более резко, чем на пневматических прессах. Исследование показывает недостаточность представления прессования как статического сжатия смеси. Уплотнение смеси при скоростном инерционном нагружении составляет по приросту плотности для столба смеси над моделью свыше 75 % от общего уплотнения, для столба нац модельной плитой - свыше 55 %, т.е. больше половины общего уплотнения прессованием реализуется уже на первом этапе. И это характерно не только для такого мощного пресса, как пресс ФМ линии мод. 7502, но и для других прессовых ФМ.
Выводы и обобщения. Динамическая модель прессовой ФМ обладает эвристическими свойствами и позволяет не только разобраться в работе механической, пневматической и гидравлической систем машины и обоснованно назначить их параметры, но и уточнить механизм процесса уплотнения смеси, который отличается существенной динамичностью.
Хотя принятые допущения (грубое расчленение объема смеси в формовочной камере, пренебрежение перетеканием смеси из надмодельных столбов в околомодельные, идеализация прессовой головки, состоящая в представлении, что каждая группа колодок располагается исключительно над своим столбом смеси, мгновенное срабатывание клапанов и т.д.) снижают точность полученных результатов, такой точности достаточно для сравнительной оценки эффективности вариантов конструкций узлов и систем управления.
Использование ЭВМ в проектировании ЛМ тормозится хроническим отставанием развития теории от развития техники, особенно теории технологических процессов, реализуемых машинами. В связи с этим расчеты машин на ЭВМ часто не сопровождаются состоятельными оценками их технологической эффективности. Кроме этого, имеет распространение анализ различных аспектов устройства и функционирования машин
18-819
и узлов автономно, без учета взаимных воздействий и влияний. Как показало моделирование, даже в лучших машинах возможности процессов уплотнения формовочных смесей и выбивки и очистки отливок из-за неполного технологического соответствия и энергетического и конструктивного несовершенства оборудования используются всего лишь на 10.. .40 %.
Использование динамических моделей при анализе десятков отечественных и иностранных формовочных машин показало, что ни в одной из них конструктивные параметры не соответствуют оптимальным значениям, на основе расчетов многократно и успешно проводили модернизацию машин самых известных фирм. Имеется несколько примеров, когда применение компьютерного моделирования и комплексного анализа вариантов технических решений позволило создать новые машины, которые эффективнее и надежнее существующих в 5... 10 и более раз.
Развитие теории литейных машин будет происходить преимущественно путем построения и исследования математических моделей этих машин как технологических, энергетических, виброакустических систем. При этом экспериментальные исследования незаменимы при определении физических свойств материалов и веществ, характеристик протекания процессов (например, коэффициентов: трения, бокового давления, диффузии и т.д.), но должны дополняться средствами и системами автоматизированной обработки информации по заложенным программам.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ашавский А.М. Силовые импульсные системы (аналитическое проектирование). М.: Машиностроение, 1978. 200 с.
2. Васильев К.И. Математические модели гидравлического привода прессов // Кузнечно-штамповочное производство. 1991. № 2. С. 12-15.
3. Вербицкий В.И. Вопросы оптимального проектирования формовочных машин. Труды МВТУ № 370 "Синтез литейных машин". М.: МВТУ, 1981. С. 7 - 43.
4. Вербицкий В.И. Построение и исследование динамической модели прессовой формовочной машины // Литейное производство. 2000. № 8. С. 35-39.
5. Коротченко А.Ю. и др. Реологическая модель динамического уплотнения формовочной смеси // Литейное производство. 1989. №8. С. 25-27.
546 Глава 1 4 АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ МАШИН И ОБОРУДОВАНИЯ
6 Матвеенко И.В. и др. Исследование влияния внешнего трения на процесс уплотнения формы // Литейное производство. 1978. №6. С. 24-25.
7 Моисеев Н.Н. Математические задачи системного анализа. М.: Наука, 1981. 488 с.
8 Пановко Я.Г. Внутреннее трение при колебаниях упругих систем. М.: Гос. изд-во физ.-мат. лит., 1960. 194 с.
9 Орлов Г.М. Автоматизация и механизация процесса изготовления литейных форм. М.: Машиностроение, 1988. 264 с.
Глава 1.4
АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ
МАШИН И ОБОРУДОВАНИЯ ЛИТЕЙНОГО ПРОИЗВОДСТВА
Автоматизированное проектирование определяется как разработка, анализ и документация физических компонентов разрабатываемых технических изделий. Концепция и точная форма названия "автоматизированное проектирование" (CAD) обязаны своим появлением работе Кунса в начале 1958 г. Методы автоматизированного проектирования эффективно применяются в машиностроении, автомобилестроении, авиастроении, проектировании аэрокосмических аппаратов и других отраслях. Проектирование литейного оборудования и литейной оснастки, которые обеспечивают производство литых заготовок - отливок, является частью этих крупных производственных систем.
Процесс проектирования включает много графических работ и работ по сбору информации, что требует использовать средства интерактивной машинной графики. Системы автоматизированного проектирования (САПР) должны разрабатываться как информационные системы для эффективной поддержки операций поиска информации. Хотя расчеты составляют небольшую часть всех проектных работ, они чрезвычайно важны, так как определяют качество проектных решений. Применение моделирования и автоматизированных численных методов на этапах расчета приводит обычно к увеличению затрат на проектирование, но получить новые результаты без их применения практически невозможно. Глубокий анализ проектируемого объекта численными методами может резко сократить продолжительность этапа натурных испытаний, что скомпенсирует произведенные затраты и сократит общий цикл проектных ра
бот. Исключение ошибок в рабочих чертежах, полученных с использованием средств интерактивной графики, приводит к значительному сокращению расходов на этапе производства
Роль автоматизированной поддержки проектирования в производственном цикле. Литейные машины и оборудование являются изделиями большой машиностроительной системы. Проектирование и производство изделий машиностроения образуют производственный цикл, лежащий в основе деятельности производственных предприятий и фирм. Этапы обобщенного цикла схематически показаны на рис. 1.4.1. Производственный цикл активизируется различными способами. Эту функцию может выполнять заказчик - потребитель. В других случаях - концепция нового изделия определяется самой производственной фирмой. Первоначальная концепция нового изделия прорабатывается, уточняется в деталях, анализируется, совершенствуется и воплощается в конструкторскую документацию на этапах эскизного и рабочего проектирования. Следующим видом деятельности становится изготовление изделия. Оно начинается с планирования производства и разработки технологических процессов изготовления деталей, оснастки, специального инструмента. После того как производство подготовлено и сформированы планы -графики производства всех деталей, они запускаются в производство и проходят через цеховой контроль качества. Все виды деятельности в рамках производственного цикла инициируются и управляются средой предприятия. Вид деятельности предполагает выполнение определенной работы, которая возлагается на подразделение предприятия. Функции среды предприятия состоят в следующем:
- определять запросы на выполнение работ по проектированию и изготовлению изделия;
- согласовать способы представления технических заданий и результатов работы, определять способы создания, управления и завершения работ;
- создавать и координировать задания;
- управлять ресурсами с целью их распределения для заданий;
- предупреждать конфликты при распределении ресурсов и повышать эффективность их использования;
- управлять накоплением и хранением производственной информации.
Влияние автоматизированной поддержки распространяется на все виды деятельности производственного цикла, что видно из рис. 1.4.2.
АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ МАШИН И ОБОРУДОВАНИЯ
547
Рис. 1.4.1. Производственный цикл изделия
Рис. 1.4.2. Производственный цикл при наличии системы CAD/CAM/CAE
18*
548 Глава 1.4. АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ МАШИН И ОБОРУДОВАНИЯ
В настоящее время это влияние стало определяющим. Системы автоматизированного проектирования (CAD) поддерживают выработку концепции нового изделия, конструирование изделия и разработку чертежей. Системы автоматизации производственных процессов (САМ) поддерживают автоматизированное планирование технологических процессов, машинную разработку технологических процессов и оснастки, составление программ обработки заготовок на станках с ЧПУ, осуществляют планирование материальных потребностей. Системы производственного управления и контроля (САЕ) обеспечивают текущий контроль и управление автоматизированным оборудованием, станками и роботами непосредственно от ЭВМ. В операциях проектирования и производства изделий системы CAD/CAM/CAE в современных фирмах стали всепроникающим, высокополезным и неотъемлемым от производственного процесса инструментальным средством.
Системы CAD, САМ и САЕ и их части могут использоваться в производственном цикле как самостоятельные подсистемы, но наибольший эффект получается, когда они интегрированы в одну CAD/CAM/CAE систему. Системы CAD предназначены для решения задач инженерного анализа и верификации проектных решений. Обычно они включают различные системы математического моделирования технических объектов на распределенном и сосредоточенном уровне. В основном задачи интеграции CAD, САМ и САЕ систем, а также задачи управления проектной документацией решаются системами PDM (Project Data Management).
Основные выгоды от внедрения этих систем определяются целым рядом основополагающих факторов, к числу которых относят:
- повышение производительности труда разработчиков;
- улучшение качества проектов;
- совершенствование средств информационного общения разработчиков между собой, с производственным персоналом и руководителями различных уровней;
- формирование базы данных для подготовки и управления производством.
Структура процесса проектирования.
На рис. 1.4.3. дана схема процесса проектирования. Процесс верхнего уровня формирует и передает задание процессу проектирования. В техническом задании (ТЗ) должны содержаться только предложения, касающиеся вопроса "что сделать?", но не вопроса "как сде
лать?". Проблемы реализации должны оставаться за проектировщиком. Проектирование изделия (машины, агрегата, узла, детали) является итеративным и имеет четыре четко различимые части:
- синтез проектного решения;
- эвристический или аналитический инженерный анализ;
- оценка проектного решения;
- представление результатов проектирования.
В большинстве случаев выпускаемые изделия служат прообразами новых изделий, и сравнительно реже требуется разрабатывать принципиально новые конструкции. Синтез является такой попыткой создания или такого изменения конструкции, которое привело бы к удовлетворительному результату. Поскольку эти действия совершаются с учетом неполных знаний об их влиянии на достижение конечной цели, то удачность или неудачность попыток можно установить только проверкой на соответствие ТЗ. В результате возврата (обращения) периодически к ТЗ можно говорить о существовании внутреннего цикла. По ходу проектирования требуется оформлять промежуточные результаты и представлять их на верхний уровень. Здесь происходят оценка проекта и выработка корректирующих мер для улучшения проекта.
Сам процесс проектирования нельзя рассматривать как простую цепочку действий, которая регулярно повторяется. Все части процесса проектирования, указанные на рис. 1.4.3, представляют собой сложные цепочки действий. В процессе проектирования принято выделять следующие виды действий проектировщика: осмысление, создание, изменение, выбор, расчеты, оформление, работу с архивом (базой данных), смысл этих действий понятен каждому разработчику, и поэтому он не требует пояснений.
Опытные разработчики, имеющие высокую квалификацию и знающие методологию проектирования, переходят от одних действий к другим в произвольном порядке.
Продолжительность каждого действия не регламентирована; они более продолжительны в начале каждой разработки, в ходе проектирования продолжительность действий может сокращаться, наибольшее ускорение процесса проектирования имеет место на стадии оформления конструкторской документации.
АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ МАШИН И ОБОРУДОВАНИЯ
549
Рис. 1.4.3. Схема процесса проектирования
Таким образом, не только сам процесс проектирования, но и отдельные его части имеют сложную структуру. Поэтому автоматизированная поддержка строится так, чтобы
потенциальный пользователь сам имел возможность создавать цепочки действий и чтобы результаты предыдущих могли быть использованы при выполнении следующих действий.
550 Глава 1.4. АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ МАШИН И ОБОРУДОВАНИЯ
В процессе проектирования при выполнении каждого действия происходит порождение информации. Она представлена на рис. 1.4.3 интуитивной концептуальной моделью изделия, промежуточными результатами и отчетными документами. Концептуальная модель порождается этапом синтеза и затем проверяется на соответствие на этапах анализа и оценки. На ее основе происходит создание чертежей, и она остается важнейшей для всех последующих этапов производственного цикла. Вся информация, которая порождается в процессе проектирования, хранится в базе данных проекта.
Основную часть концептуальной модели составляют геометрические данные как способ задания геометрии изделия. В концептуальной модели преимущественно используется трехмерное твердотельное представление изделия (3 D-моделирование), а при создании чертежей -плоское 2О-моделирование. Переход от плоского к трехмерному твердотельному моделированию дает следующие преимущества:
- увязка всех деталей в узле и проверка их на взаимное пересечение;
- визуальная 3D-оценка узла и каждой детали в отдельности;
- автоматическое определение инерционно-массовых и других характеристик и параметров деталей и узлов в сборе;
- проверка взаимодействия подвижных частей во всем диапазоне работы механизма;
- задание нагрузок и получение картины деформаций, напряжений в деталях узла, оценка законов прочности;
- оптимизация конструкции (снижение массы, увеличение жесткости, подбор материалов и т.п.);
- создание чертежей в автоматизированном режиме с использованием 3D-моделей;
- быстрое обновление или внесение изменений в 3D-модель и автоматическое отслеживание их в выходной конструкторской документации;
- формирование производственной базы данных для разработки технологических процессов, проектирование инструмента и оснастки, подготовка программ для станков с ЧПУ, календарного планирования производства.
Способ геометрического моделирования определяет платформу для проектирования машин и оборудования и технологию выполнения работ и непосредственно влияет на производительность труда проектировщика. До
полнительные ограничения будут накладываться средой проектирования, основной частью которой является сам компьютер (рабочая частота процессора, память (RAM), диск (Hard Disk), графическая карта, графический дисплей). Еще один вид ограничений, связанных с ЭВМ, также является существенным:
- неспособность ЭВМ (или ее программ) "распознавать ситуации";
- неспособность работать с правилами, алгоритмическая форма которых еще не найдена.
Влияние этих недостатков можно уменьшить частично за счет новой прогрессивной адаптивной технологии (New Innovation Adaptive Technology Design). В адаптивной технологии используются интеллектуальные объекты, которые проектировщик создает естественным для себя способом, именно так, как он привык думать и представлять. Естественным способом для проектировщика служит использование набросков. Набросок (рисунок) полезен при создании начальной концепции перед построением сложной твердотельной 3 D-модели и особенно для решения сложных компоновочных проблем в сборках. Набросок содержит основной набор функциональных особенностей изделия. Принимая его в качестве адаптивной структуры детали или сборки, проектировщик получает возможность доопределять форму и положение деталей. Структуру наброска можно редактировать и переопределять на любой стадии разработки. При создании деталей и их частей в контексте адаптивной сборки размеры детали будут напрямую зависеть от размеров соседних деталей. Преимущество адаптивных систем перед параметрическими 3D-системами в том, что не требуется заранее создавать форму объекта перед назначением параметров (задание геометрических размеров, положения, диапазона перемещений и др.) Поэтому при использовании адаптивной технологии сами сборки получаются более гибкими, проще собираются и, как следствие, сокращается цикл проектирования. Адаптивная система твердотельного моделирования на базе ПК повышенной производительности удовлетворяет разработчика сложных конструкций, состоящих из нескольких тысяч деталей. При работе с такими крупными сборками адаптивные системы на базе ПК по производительности приближаются к системам верхнего уровня.
АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ МАШИН И ОБОРУДОВАНИЯ
551
Соответствие между характеристиками процесса проектирования, техническими средствами и программными продуктами. Вопрос заключается в том, какую CAD/CAM/CAE систему выбрать. При этом надо исходить из того, что проектировщик (человек), технические средства (ЭВМ), программные продукты и тип проектной задачи являются главными компонентами всех систем автоматизированного проектирования. Тип задачи является той характеристикой процесса проектирования, которая ставится процессом проектирования более высокого уровня. Объекты проектирования могут быть простыми (деталь, механизм, узел из нескольких деталей) и масштабными, рассчитанными на длительное время разработки. Простые объекты могут являться частями масштабных проектов.
Разработка автоматизированных комплексов и автоматических линий (АЛ) получения отливок, их очистки и предварительной обработки требует больших затрат и длительного времени. Автоматизированные комплексы состоят из десятков узлов, а в составе АЛ их число может составлять сотни и тысячи от самых простых до очень сложных. Степень сложности проекта можно оценивать грубо по количеству входящих узлов и деталей, потому что при увеличении количества входящих деталей скорость работы с любой CAD/CAM/CAE системой замедляется. При решении вопросов комплектации рабочих мест кроме сложности проекта необходимо учитывать сложность освоения проектировщиками новой системы, стоимость технических средств и программных продуктов.
Общий подход состоит в следующем. Для организаций, разрабатывающих крупные проекты (АЛ и комплексы), рационально иметь несколько рабочих мест верхнего уровня (например, Pro/ENGINEER, CADS-5 или CATIA) -для ведения проекта, большое количество рабочих мест среднего уровня (например, SoligWorks, Autodesk Mechanical Desktop) -для разработки узлов и агрегатов, и достаточное количество рабочих мест нижнего уровня для деталировки, оформления чертежей и сопроводительной документации (например, AutoCAD Mechanical 2000, AutoCAD LT 2000). Конструкторское бюро, разрабатывающее отдельные агрегаты и комплексы (литейные машины, роботизированные технологические комплексы) может отказаться от приобретения дорогостоящих систем верхнего уровня и
строить проектирование на базе программных продуктов среднего уровня. При таком подходе соотношение "вложенные средства - производительность" будет наилучшим.
Системы автоматизированного проектирования. Системы верхнего уровня — это CAD/CAM/CAE/PDM системы, наиболее полно отвечающие требованиям, предъявляемым к ним в проектных и производственных машиностроительных организациях. Это системы, объединяющие большое число специализированных программных модулей (более 100), что позволяет на их базе комплектовать мощные рабочие места различного назначения, способные решать практически весь спектр проектных задач при создании машин и оборудования. Как правило, подобные системы обеспечивают наибольший набор средств проектирования, но при этом их стоимость также существенно выше по сравнению с системами среднего уровня. В настоящее время к системам верхнего уровня можно отнести всего четыре CAD/CAM/CAE/PDM системы:
- Pro/ENGINEER фирмы Parametric Technology Corp. (РТС); базовый набор модулей под названием Pro/ ENGINEER-Foundation обеспечивает решение достаточно широкого круга проектных задач. Фирма РТС последние годы является лидером на рынке CAD/CAM/CAE/PDM систем;
- CATIA фирм IBM/Dassault Systems, распространенная в авиационной и космической промышленности и имеющая наибольший выбор функциональных модулей;
- Unigraphics фирмы Unigraphics Solutions, входящей в группу General Motors, широко используется в автомобильной промышленности;
- I-DEAS Master Series фирмы SDRC, имеющая мощный набор средств инженерного анализа.
Все перечисленные системы могут работать как на рабочих станциях с операционной системой Unix, так и на персональных ЭВМ с Windows NT.
Системы среднего уровня. Система SolidWorks разработана американской компанией SolidWorks С. специально для использования на ПК. Проектирование с помощью SolidWorks является интуитивно простым, удобным и полностью соответствует привычным навыкам и способам работы конструктора. Пользовательский интерфейс системы отличается максимальной продуманностью, удобством
552 Глава 1.4. АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ МАШИН И ОБОРУДОВАНИЯ
и доступностью для понимания. SolidWorks имеет уникальный набор мощных и в то же время простых для использования средств твердотельного параметрического моделирования на базе ядра ParaSolid, что позволяет разрабатывать сложные детали и сборки из сотен элементов. Сервис системы обеспечивает широкие возможности визуализации построенной геометрической модели. Использование стандарта OpenGL позволяет без установки дополнительных графических плат динамически вращать или собирать узлы в режиме реального времени с получением высококачественного тонированного изображения. Минимальные требования к компьютеру: процессор Pentium; оперативная память не менее 64 Мб и желательно 128 Мб для удобной и эффективной работы со сборками; желательна видеокарта с аппаратной поддержкой OpenGL; свободное место на диске не менее 100 Мб; операционная система Windows 95/98/NT.
Система Mechanical Desktop R4 - один из самых эффективных программных продуктов компании Autodesk и предназначена для машиностроительного проектирования. Конструктор имеет возможность создавать трехмерную параметрическую модель проектируемого изделия и ассоциативно связанные с ней вады, разрезы и сечения. Поставляется в двух вариантах:
Mechanical Desktop R4 - система параметрического моделирования;
Mechanical Desktop R4 Power Pack - система с включенными в нее 2D и 3D библиотеками стандартных деталей - более 800 000 деталей в 18 стандартах (включая ГОСТ), инженерные расчеты, создание типовых узлов и соединений на основе "интеллектуальных" зависимостей (подбор подшипников, расчет и подбор крепежных изделий, расчет пружин, проектирование тел вращения, проектирование и оптимизация ременных и зубчатых передач и т.п.). Этот вариант ускоряет выпуск чертежно-конструкторской документации. Требования к компьютеру: процессор Pentium II; оперативная память 128 Мб при моделировании деталей и 256 Мб при работе со сборками; рекомендуется поддержка OpenGL; свободное дисковое пространство 350 Мб и еще 256 Мб для временных файлов; операционная система Windows 95/98/NT 4.0.
Система Autodesk Inventor представляет собой новую мощную 3-мерную систему твердотельного моделирования, ориентированную на разработку сложных конструкций, состоя
щих из 10 000 и более деталей. Она обладает всеми возможностями системы Mechanical Desktop R4 и изначально спроектирована на работу с интеллектуальными объектами, что позволяет говорить о создании принципиально новой платформы для машиностроительного проектирования. Тестирование Autodesk Inventor совместно с другими системами, включая системы верхнего уровня, при работе с большими сборками показала, что она не уступает по производительности, а в ряде случаев показывает более мощные результаты (в 2-10 раз). Для работы Autodesk Inventor требуется: процессор Pentium III Хеоп или эквивалент 450 MHz min, оперативная память 512 Мб min; диск UW SCS; графическая карта, поддерживающая стандарт OpenGL аппаратно, с 8 Мб RAM или больше; операционная система Windows 98 или 4.0.
Система инженерного анализа Design Space VS. 0 и Dynamic Designer Motion.
Программный продукт DesignSpace V5.0 разработан компанией DesignSpace - отделением фирмы ANSYS, inc. Он предназначен для проведения прочностного и термического анализа конструкции методом конечных элементов. При этом проектировщику не требуется подробных сведений по теории конечных элементов и связанных с ней математических моделей. Проектировщик, назначив свойства материалов и температурные силовые нагрузки, получает протокол по каждой детали узла со следующими результатами:
- записи прочности по любой из четырех теорий прочности (эквивалентным напряжениям, главным напряжениям, касательным напряжениям и деформациям);
- поле напряжений и деформаций;
- поле температур и термические напряжения;
- собственные частоты колебаний (все гармоники).
Этой информации достаточно, чтобы проектировщик оценил прочность всего узла целиком, установил, какие детали в конструкции будут ограничивать ресурс работы узла, и скорректировал геометрию для получения равнопрочной конструкции. DesignSpace V5.0 паспортизирует трехмерные параметрические модели, созданные в системах среднего уровня SolidWorks, SolidEdge, Autodesk Mechanical Desktop. Для работы DesignSpace V5.0 требуется: процессор Intel, 32 Мб RAM min (рекомендуется 64 Мб и более), 50 Мб на жестком диске, 100 Мб min свободного места на диске
АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ МАШИН И ОБОРУДОВАНИЯ
553
для временных файлов в процессе вычислений, 200 Мб min для файла подкачки, операционная система Windows NT/95/98.
Dynamic Designer Motion — семейство программных продуктов, разработанное австрийской фирмой Design Technologies International, которая является подразделением фирмы Mechanical Dynamics Inc - производителя мощной системы для кинематического анализа ADAMS. Dynamic Designer Motion обеспечивает полный кинематический и динамический анализ механизма. К геометрической модели механизма, разработанной в среде Mechanical Desktop или SolidWorks, добавляются связи между деталями, инерционные характеристики, пружины, демпферы, внешние силы и моменты, приводы, передачи, траектории отдельных элементов механизма. Для любого типа взаимодействия деталей, включая удары, сложения траекторий, можно задавать свой закон изменения параметров во времени. Результатами расчета служат траектории движения, линии контакта, линейные и угловые перемещения, скорости и ускорения, силы и моменты для всех деталей механизма. Доступно "оживление" механизма и проверка на "пересечение" его деталей во всем диапазоне работы. Системные требования: процессор Pentium, 32 Мб RAM min (рекомендуется 64 Мб и более), 40 Мб на жестком диске, 100 Мб min свободного места на диске для временных файлов в процессе вычислений, 200 Мб min в файле подкачки, Windows NT/95/98.
Системы иижнего уровня. Основное назначение систем нижнего уровня - создание и оформление плоских машиностроительных чертежей. Наибольшее распространение среди них получили программные продукты фирмы Autodesk. Это семейство программных продуктов AutoCAD, новейшими из которых является AutoCAD LT 2000, AutoCAD 2000 и AutoCAD Mechanical 2000. Все они обеспечивают одновременную работу с несколькими чертежами, создание в пространстве листа любого числа видов, разрезов, выносок, с настройками на вывод на различные печатные устройства, вставку блоков по принципу "drag and drop", просмотр истории построения и управления командами отказа "Undo/Redo" при помощи стека, неограниченное количество шагов восстановления отмененных команд. AutoCAD 2000 по сравнению с AutoCAD LT 2000 имеет расширенный набор команд для работы с ЗО-объектами и мощное средство (3D Orbit) для визуализации создавае
мых трехмерных объектов. В AutoCAD Mechanical 2000 объединены возможности программных продуктов Mechanical R14.5 и Genius 14. Может использоваться отдельно или совместно с Mechanical Desktop R4 Power Pack в плане ускорения чертежно-конструкторской документации. Поставляется он в двух вариантах: AutoCAD Mechanical 2000 - базовый программный продукт, AutoCAD Mechanical 2000 Power Pack - тот же программный продукт, дополненный 2D библиотеками стандартных деталей (более 800 000 деталей) в 18 стандартах (включая ГОСТ) и типовыми расчетами наиболее часто встречающихся узлов и соединений (подшипники, крепежные изделия, кулачки, пружины, зубчатые передачи и т.п.). При работе со сложной конструкторской документацией желательно иметь видеокарту и монитор, имеющие разрешение 1024x768.
Технический документооборот. В среде проектирования для организации работы проектных групп возникает потребность в управлении технической документацией. На сложность документооборота решающее влияние оказывают следующие параметры:
- количество проектов, которые должны быть представлены;
- количество отношений между частями внутри проекта и количество отношений между схемами проекта.
В настоящее время используют две принципиально различные тенденции. При одном подходе формируется глобальное представление, а затем из него выводятся частные представления; при другом - сначала создаются отдельные представления и затем уже они объединяются в глобальное представление. По причине того, что производительность ПК ограничена, второй подход используют для документооборота в среде проектирования на базе систем нижнего и среднего уровней. Эти системы выполняют следующие основные функции:
- надежное хранение документов;
- связь с бумажными архивами;
- классификация документов;
- быстрый поиск;
- просмотр документов;
- рассылка документов пользователем;
- контроль изменения документов.
Motiva DesignGroup 2.0- продукт компании Motiva Software С. предназначен для удовлетворения потребностей средних и крупных заказчиков с большим количеством проектных групп и обеспечивает интеграцию с офисными
554
Глава 1.5. МЕТОДЫ ИСПЫТАНИЙ МАШИН И ОБОРУДОВАНИЯ
приложениями из комплекта MS Office, доступ к данным на любой платформе из сторонних организаций с помощью Internet, высокий уровень защиты информации, соответствие стандарту ISO 9000. Работу сервера Motiva обеспечивает ПК со следующими характеристиками: процессор Pentium, 128 Мб RAM, 300 Мб min свободного диска плюс дополнительное пространство для базы данных и хранилища документов. Модульная структура DesignGroup позволяет наращивать возможности системы, добавляя необходимые серверы и создавая распределяемые мульти-серверные конфигурации с хранилищами файлов. Клиентскую часть Motiva DesignGroup обеспечивают: Explorer -поиск, просмотр и печать; WorkGroup - возможности Explorer плюс создание, редактирование и участие в рабочих процессах; Designer возможности WorkGroup плюс администрирование и конфигурирование типов документов, отдельных пользователей и групп пользователей. Для связи с Motiva DesignGroup пользователь должен иметь 10 Мб свободного пространства на жестком диске и дополнительное пространство для данных.
Глава 1.5
МЕТОДЫ ИСПЫТАНИЙ МАШИН И ОБОРУДОВАНИЯ ЛИТЕЙНОГО ПРОИЗВОДСТВА
Проведение испытаний, выявляющих характеристики изделия, является одним из факторов эффективного воздействия на качество продукции на всех стадиях ее жизненного цикла, начиная с этапов разработки (позволяя сделать выводы о совершенстве конструкции и направлениях ее изменения) и вплоть до эксплуатации изделия (позволяя определить ее фактические показатели надежности и установить рекомендуемую категорию качества). В литейном машиностроении в зависимости от вида оборудования и его назначения испытаниям подвергаются как единичные изделия (например, формовочные и стержневые машины, выбивные решетки, автоматические литейные линии (АЛЛ) и комплексы - далее "объекты испытаний"), так и партии изделий, подвергаемые сплошному или выборочному контролю.
Партия продукции - это совокупность однородных единиц продукции, изготовленных за ограниченный период времени по од
ной и той же технологической и конструкторской документации, одновременно предъявляемых на испытания (приемку). Испытания -это экспериментальное определение количественных и (или) качественных характеристик объектов испытаний. Испытания проводятся путем измерений, анализов, диагностирования, путем регистрации определенных событий (интервалов продолжительности безотказной работы, числа отказов, времени восстановления и т.п.). Если задачей испытаний является получение числовых значений характеристик объекта, то испытания называются определительными. Если задачей испытаний является только установление соответствия характеристик объекта заданным требованиям, то испытания называются контрольными.
Важнейшим признаком любых испытаний является принятие на основе их результатов определенных решений по объекту испытаний - о его годности или выбраковке, о возможности предъявления на следующее испытание, о возможности серийного выпуска и др.
1.5.1. КЛАССИФИКАЦИЯ ВИДОВ ИСПЫТАНИЙ ЛИТЕЙНОГО ОБОРУДОВАНИЯ
Виды испытаний литейного оборудования (ЛО) могут быть классифицированы по следующим признакам: по назначению, по уровню, продолжительности и условиям проведения (рис. 1.5.1). По назначению различают испытания опытных образцов и серийной продукции.
Испытания опытных образцов.
Опытный образец - это образец продукции, изготовленный по вновь разработанной конструкторской документации для проверки путем испытаний соответствия его заданным техническим требованиям (ТТ) с целью принятия решения о возможности постановки его на производство для использования по назначению. Производятся следующие виды испытания опытных образцов ЛО.
Исследовательские испытания - испытания для изучения определенных характеристик изделия. Проводятся разработчиком продукции. Целями исследовательских испытаний могут быть:
- определение или оценка показателей качества функционирования испытуемого изделия в определенных условиях его применения;
- выбор наилучших режимов применения изделия;
КЛАССИФИКАЦИЯ ВИДОВ ИСПЫТАНИЙ ЛИТЕЙНОГО ОБОРУДОВАНИЯ
555
Рис. 1.5.1. Классификация видов испытаний литейного оборудования
- сравнение вариантов опытных образцов, различающихся по конструкции;
- отбор существенных факторов, влияющих на показатели качества функционирования образца.
Доводочные испытания - исследовательские испытания, проводимые при разработке продукции с целью оценки влияния вносимых в нее изменений для достижения заданных значений показателей ее качества. Проводятся разработчиком совместно с изготовителем.
Определительные испытания - испытания для первоначального определения значений характеристик опытного образца. Проводятся разработчиком.
Сравнительные испытания - испытания аналогичных по характеристикам или одинаковых объектов, проводимые в идентичных условиях для сравнения характеристик их свойств. Проводятся разработчиком изделия.
Предварительные испытания - контрольные испытания опытных образцов (опытных партий) с целью определения соответствия продукции техническому заданию (ТЗ), требованиям стандартов и технической документации и решения вопроса о возможности предъявления ее на приемочные испытания. Проводятся изготовителем совместно с разработчиком.
Предъявительские испытания - контрольные испытания продукции, проводимые службой технического контроля предприятия-изготовителя перед предъявлением ее для приемки представителем заказчика, потребителя или других органов приемки.
Приемочные испытания — контрольные испытания опытных образцов (опытных партий) продукции, проводимые с целью определения соответствия продукции ТЗ, требованиям стандартов и технической документации, оценки технического уровня и решения вопроса о целесообразности постановки продукции на производство. Приемочные испытания изделий единичного производства проводятся для решения вопроса о целесообразности непосредственной передачи этих изделий в эксплуатацию. Приемочные испытания проводятся приемочными комиссиями (государственными, межведомственными, ведомственными) при участии базовых испытательных подразделений (БИП) и в необходимых случаях -головных организаций по государственным испытаниям (ГОГИ).
Квалификационные испытания - контрольные испытания установочной серии или первой промышленной партии, проводимые с целью оценки готовности предприятия к серийному выпуску продукции данного типа в заданном объеме, причем как продукции,
556
Глава 1.5. МЕТОДЫ ИСПЫТАНИЙ МАШИН И ОБОРУДОВАНИЯ
впервые поставленной на производство, так и ранее освоенной на других предприятиях. Проводятся изготовителем при участии разработчика с приглашением при необходимости заказчика (потребителя). Квалификационные испытания важнейших видов продукции проводят, как правило, головные организации по государственным испытаниям.
Испытания серийной продукции.
Приемо-сдаточные испытания - это контрольные испытания продукции серийного или единичного производства при приемочном контроле с целью ее проверки на соответствие требованиям стандартов и технических условий. Проводятся отделом технического контроля (ОТК) завода-изготовителя, а в установленных случаях организациями Государственной приемки в присутствии представителя ОТК.
Периодические испытания - контрольные испытания выпускаемой продукции, проводимые в объемах и в сроки, установленные нормативно-технической документацией, с целью контроля и стабильности показателей качества, подтверждающих присвоенную категорию качества продукции, и для определения возможности продолжения ее выпуска. Проводятся изготовителем при участии и под контролем Государственной приемки с привлечением при необходимости головной организации по государственным испытаниям, представителей разработчика и основного потребителя.
Аттестационные испытания - это испытания для оценки уровня и качества продукции при ее аттестации по категориям качества. Проводятся аттестационной комиссией, назначаемой в установленном порядке. Аттестационные испытания могут проводиться специально или по данным приемочных, приемосдаточных, периодических испытаний и подконтрольной эксплуатации, определенным не ранее чем за один год до аттестации. Аттестация продукции единичного производства проводится по результатам приемо-сдаточных испытаний с учетом последующей эксплуатации.
Сертификационные испытания - контрольные испытания продукции с целью установления соответствия характеристик ее свойств международным (для экспортируемой) или национальным (для импортируемой продукции) нормативно-техническим требованиям. Порядок и условия проведения сертификационных испытаний устанавливаются в документации по сертификации.
Инспекционные испытания — контрольные испытания установленных видов выпускаемой продукции, проводимые в выборочном порядке с целью контроля стабильности качества продукции. Могут проводится головной организацией по государственным испытаниям по поручению органов Государства при осуществлении ими госнадзора за соблюдением стандартов и ТУ, а также для Госгортехнадзора, Госарбитража или других контролирующих организаций или для следственных органов.
Испытания на надежность — испытания, проводимые для получения статистических данных, необходимых для оценки надежности изделия. Информация, на основе которой рассчитываются показатели надежности, может быть получена при специальных или совмещенных испытаниях, а также при подконтрольной эксплуатации. Специальными называются испытания, организуемые специально с целью определения или контроля показателей надежности. Совмещенными называются испытания, при которых определение или контроль показателей надежности совмещаются с экспериментальным исследованием других параметров изделия.
Специальные испытания ЛО на надежность, как правило, организуются для изделий, выпускаемых в достаточно большом количестве. Для сложных систем, например для АЛЛ, проводить специальные испытания на надежность часто не представляется возможным, так как выпуск линий обычно ограничен единицами экземпляров. Поэтому показатели надежности таких изделий оценивают по результатам совмещенных испытаний или наблюдений при эксплуатации.
По уровню проведения различают испытания государственные, межведомственные и ведомственные. Государственные испытания - испытания установленных видов продукции, проводимые головной организацией по государственным испытаниям, или приемочные испытания, проводимые государственной комиссией или испытательной организацией, которой предоставлено право их проведения. Организации и предприятия, проводящие государственные испытания, применяемое испытательное оборудование и приборы, а также программа и методика испытаний должны быть аттестованы в установленном порядке. Согласование программы и методики государственных испытаний с заказчиком (основным потребителем) обязательно. В систему государственных испытаний входят испыта
МЕТОДЫ ПРОВЕДЕНИЯ ИСПЫТАНИЙ
557
ния: приемочные, квалификационные, аттестационные, сертификационные и инспекционные.
Межведомственные испытания — испытания продукции, проводимые комиссией из представителей нескольких заинтересованных министерств или ведомств, или приемочные испытания установленных видов продукции для приемки составных частей объекта, разрабатываемого совместно несколькими ведомствами.
Ведомственные испытания - испытания, проводимые комиссией из представителей заинтересованного министерства или ведомства.
По продолжительности проведения различают испытания нормальные, ускоренные и сокращенные. Нормальные испытания - испытания, методы и условия проведения которых обеспечивают получение необходимого объема информации о характеристиках объекта в такой же интервал времени, как и в предусмотренных условиях эксплуатации.
Ускоренные испытания - испытания, методы и условия проведения которых обеспечивают получение необходимой информации о характеристиках объекта в более краткий срок, чем при нормальных испытаниях. По назначению ускоренные испытания могут быть исследовательскими, определительными и сравнительными.
Сокращенные испытания - испытания, проводимые по сокращенной программе.
По условиям проведения различают испытания лабораторные, стендовые, эксплуатационные и испытания особо сложных изделий. Лабораторные испытания - испытания, проводимые в лабораторных условиях. Стендовые испытания - испытания с использованием специально спроектированного и изготовленного оборудования, с помощью которого воспроизводятся условия функционирования и нагружения реального объекта (стенд для испытания выбивных решеток, стенд для испытания АЛЛ на заводе-изготовителе с замкнутым циклом прохождения опок в автоматическом режиме и др.).
Эксплуатационные испытания - испытания, проводимые при эксплуатации с целью получения фактической информации об эксплуатационных характеристиках оборудования. Эксплуатационные испытания проводят без нарушения производственного процесса. Различают подконтрольную эксплуатацию и промышленные наблюдения.
Подконтрольная эксплуатация серийно выпускаемой продукции - это естественная эксплуатация продукции на предприятиях-
потребителях. Проводится специально назначенным и подготовленным персоналом (дополнительным или штатным), руководствующимся документацией, разработанной для сбора, учета и первичной обработки информации. Организуется службами завода-изготовителя и завода-потребителя с привлечением при необходимости организации-разработчика.
Промышленные наблюдения - это сбор эксплуатационных данных по отчетности завода-потребителя о фактическом ресурсе работы серийного оборудования от ввода в эксплуатацию и до первого капитального ремонта и о фактической трудоемкости технических обслу-живаний и всех видов ремонта оборудования за время ремонтного цикла по системе ППР.
Испытания особо сложных изделий. В литейном машиностроении испытания ЛО производят, как правило, на заводе-изготовителе. Однако, для особо сложных изделий единичного и мелкосерийного производства, окончательная сборка, наладка, испытания и доводка которых могут быть проведены только на месте эксплуатации в составе конкретного производственного объекта (например, АЛЛ и комплексов, высокопроизводительных смесителей непрерывного действия и др.), установлен другой порядок приемки и сдачи в эксплуатацию. На заводе-изготовителе проводятся приемосдаточные испытания только составных частей изделия. Монтаж, наладка и доводка всего изделия осуществляется у заказчика. Приемочная комиссия с участием заказчика, изготовителя и разработчика проводит приемочные испытания изделия для определения фактических значений показателей и подготовки рекомендаций по совершенствованию изделия и правильной его эксплуатации.
1.5.2. МЕТОДЫ ПРОВЕДЕНИЯ ИСПЫТАНИЙ
Для объективной оценки результатов испытаний всех видов необходимо эксплуатационные свойства испытуемого изделия характеризовать количественно с тем, чтобы обеспечить прямую возможность проверки соответствия фактических значений параметров изделия требованиям технических условий и действующих стандартов. В зависимости от способа получения результатов испытаний методы определения искомых показателей подразделяют на экспериментальные и экспериментально-расчетные.
558
Глава 1 5. МЕТОДЫ ИСПЫТАНИЙ МАШИН И ОБОРУДОВАНИЯ
1.5.1. Параметры литейного оборудования, измеряемые экспериментальными методами
Параметры Средства измерения
Характеристики точности изготовления и сборки Мерительные инструменты: индикаторы, микрометры, щупы, линейки и др.
Время машинных переходов в цикле, время перемещения механизмов на длину хода, время выполнения технологических операций (проверка циклограммы) Секундомеры, самописцы
Мощность привода Ваттметры
Давление сжатого воздуха в магистральной сети и в технологических объектах (ресиверах, газгольдерах), давление рабочей жидкости в гидросистеме Манометры
Расход газа и жидкости Расходомеры, ротаметры, дифманометры
Показатели вибрации Виброметры, вибрографы
Характеристики шума Шумомеры
Температура нагрева технологических объектов Термометры технические, термопары, пирометры
Температура масла в гидросистемах, в редукторах, температура подшипниковых опор Термометры технические
Примечание. Класс применяемых при испытании литейных машин и оборудования измерительных средств зависит от требуемой точности измерения.
К экспериментальным относят методы, по которым числовые значения искомых показателей определяются непосредственным измерением. При использовании экспериментально-расчетных методов экспериментально определяются только исходные данные, служащие для последующего теоретического расчета искомых показателей.
Перечень некоторых параметров ЛО, измеряемых экспериментальными методами, приведен в табл. 1.5.1.
Методы экспериментального определения конкретных значений искомых параметров зависят от назначения и особенностей конструкции испытываемого литейного оборудования и указываются в технических условиях и руководстве по эксплуатации образца.
Пример 1. Методика проверки отклонения от параллельности исполнительных поверхностей встряхивающего стола и прессовой плиты формовочной машины (рис. 1.5.2): на поверхность стола 1 устанавливают деревянный брус 3 с высотой, равной сумме высот модельной плиты и опоки. Индикатор 4 устанавливают на поверочной линейке 2 так, чтобы его измерительный наконечник касался рабо
чей поверхности поверочной линейки 5, укрепленной на поверхности 6. Отклонение определяют как разность показания индикатора при перемещении по периметру поверхности 6 в двух положениях прессового поршня - исходном (а) и в положении прессования (б).
Норма точности: при рабочей длине стола до 800 мм предельное отклонение в исходном положении - 1,6 мм, в положении прессования - 2,5 мм.
Рис. 1.5.2. Пример методики проверки норм точности базовых поверхностей формовочных машин
МЕТОДЫ ПРОВЕДЕНИЯ ИСПЫТАНИЙ
559
Рис. 1.53. Пример методики проверки норм точности машин литья под давлением
Пример 2. Методика проверки отклонения от соосности оси штока циливдра прессования с осью отверстия для камеры прессования в неподвижной плите машин для литья под давлением (рис. 1.5.3): в отверстие для камеры прессования в неподвижной плите 1 вставляется контрольная оправка 2. Шток 4 цилиндра прессования 5 выдвигается на длину А, равную 2/3 хода штока. К образующей контрольной оправке прикладывается поверочная линейка 3. Щупом проверяется просвет между рабочей гранью поверочной линейки и образующей штока.
Допуск соосности для машин с силой запирания прессформы до 4 МН - 0,5 мм на длине А.
Аналогичные методы применяют для экспериментальной проверки точности базовых поверхностей при испытаниях других вадов ЛО [1,2, 3].
К параметрам ЛО, определяемым экспериментально-расчетными методами, относятся:
- производительность оборудования;
- силы привода, развиваемые пневмо- и гидроцилиндрами;
- силы зажима, развиваемые системами механизмов запирания;
- показатели надежности оборудования и др.
Методы расчета искомых параметров по данным, полученным экспериментально, зависят от вида определяемых показателей.
1. Производительность оборудования.
В зависимости от вида оборудования и периодичности выдачи продукции определяют 2ц или Qw При испытаниях оборудования ведут хронометраж времени его работы и простоев, классифицируя их на технические простои I™ (из-за потери работоспособности объекта испытаний по случайным отказам) и организационные ^орг (оборудование исправно, но отсутствуют внешние условия для его работы). По
результатам испытаний определяют техническую производительность - характеристику конструктивного совершенства оборудования:
£?тех “ ^т.и Qu ИЛИ Qtcx. ~ ^т.и. Qn>
где А^ти - коэффициент технического использования, -^т.и. /сум / (/сум /тсх)> ^сум Суммарная наработка, вычисленная путем исключения из времени наблюдения /набл времени всех простоев /сум — /набл — /тех — /орг-
Фактическая производительность характеризует как само оборудование, так и достигнутый организационный уровень его эксплуатации в конкретных условиях производства и определяется по формулам
£?Ф = ^и£?ц или £?ф = £и£?н, где К„ - коэффициент использования, показывающий долю времени работы оборудования за время наблюдения, К„ = /сум / + /тех + /орг).
Для ЛО нормативное значение коэффициента использования КИ = 0,6.. .0,8.
Если во время испытания хронометраж не проводится, то фактическую производительность Q$, шт./ч, определяют по количеству продукции Q, изготовленной за время наблюдения: 2ф = QI /набл-
2. Силы привода, развиваемые пневмо- и гидроцилиндрами.
Статическая сила пневмоцилиндра в конце хода с учетом потерь на трение в уплотнениях поршня и штока рассчитывается на основании экспериментально измеренного давления сжатого воздуха в магистральной сети ри для толкающего и тянущего пневмоцилиндров соответственно по формулам
Рст “Рм^п О — ^тр) и
Рст ~Рм (Fп — Ршт) О ~ ^rp)j
где Fn = TiD214; Ршт = 7Г<У2/4; D и d- диаметры поршня и штока; - коэффициент потерь на трение в уплотнениях поршня и штока, А^р = 0,125.
Полезная сила, развиваемая пневмоци-ЛИНДрОМ ПрИ ДВИЖеНИИ ПОрШНЯ, Рт = ЛпнРст» Л пн - коэффициент относительной нагрузки, Л™ = 0,5...0,6.
Силы Рг для толкающего и тянущего гидроциливдров при движении поршня рассчитываются по формулам
560 Глава 1.6. ПАРК ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ ЛИТЕЙНОГО ПРОИЗВОДСТВА
Рг (Рраб п “Рсл (Fn - Fшт)) (1 “ ^тр) И
Рг ~ (Рраб (Fn “ Fшт) ~Рсл Fn) (1 “ ^тр)>
где Рраб - давление в рабочей полости гидроцилиндра, которое, в зависимости от скорости поршня и внутренних утечек между полостями, меньше экспериментально измеренного давления масла, подаваемого насосом, на 0,1 ...0,15 МПа;рсл - давление в сливной полости, которое в зависимости от настройки подпорного клапана или регулировки дросселя, установленного на сливной линии для повышения плавности хода или изменения скорости движения, может составлять 0,15...0,3 МПа.
3. Силы запирания пресс-форм машин литья под давлением.
Силы механизмов запирания зависят от конструкции рычажной системы, а определяются по натяжению колонн. Например, для машин с 4-колонной конструкцией экспериментально измеряют удлинение колонн при запирании пресс-формы с помощью индикатора, встроенного в одну из колонн, а затем определяют силу запирания по формуле: Р^п = = 4 А/ Е Г / /, где А/ - удлинение одной колонны по показанию индикатора; / - база измерения удлинения колонны; Е - модуль упругости материала колонны; F - площадь поперечного сечения колонны.
4. Показатели надежности оборудования.
При испытаниях литейного оборудования на надежность установлено определять или контролировать следующие показатели надежности:
для литейных машин - То и /у;
для АЛЛ и комплексов - Кт и tr
Средняя наработка на отказ То (среднее время безотказной работы) рассчитывается по данным хронометража по формуле То = /сум / г, где /сум ~ суммарная наработка за время наблюдения, ч; г - число отказов за это же время.
При этом в ТУ на изделие должны быть указаны критерии отказов. Для ЛО обычно принимают у = 90 %. Критерии предельного состояния, при которых необходимо прекратить эксплуатацию изделия и вывести его в капитальный ремонт, должны быть указаны в технических условиях.
При работе оборудования в установившемся режиме после окончания периода приработки стационарное значение коэффициента
готовности, определенное по данным хронометража, рассчитывают по формуле Кг = — То/ (То + Гв) — То/ (tcyn + /тех), где Тв — среднее время восстановления; /тех - суммарное время ремонтов в рабочее время по техническим причинам.
При проведении испытаний ЛО на надежность, особенно автоматически действующего оборудования, в том числе АЛЛ и комплексов, следует внедрять систему автоматизации хронометражных наблюдений [2].
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Горский А.И. Расчет машин и механизмов автоматических линий литейного производства. М.: Машиностроение, 1978. 551 с.
2. Горский А.И. Надежность литейного оборудования. М.: Машиностроение, 1995.272 с.
3. Иванов В.Н., Киян Э.Ф. Наладка формовочных и стержневых машин. М.: Высшая школа, 1988. 264 с.
Глава 1.6
ПАРК ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ
ЛИТЕЙНОГО ПРОИЗВОДСТВА
Эффективность и конкурентоспособность литейного производства на современном этапе развития зависит от технической вооруженности, структуры, технического уровня и использования оборудования в парке. Важная роль принадлежит тенденции ускорения меха- 1 низации и автоматизации, вплоть до мелкосе- | рийного производства, а также роботизации и 1 компьютеризации для управления и контроля, улучшений условий труда, обеспечения защиты окружающей среды.
Формирование парка технологического оборудования для литейного производства (ТОЛП) даже в условиях отдельного литейного цеха является сложной задачей. Ее решение требует тщательной увязки различных по технологическим процессам, перерабатываемым материалам и изделиям видов оборудования, объектами обработки которого являются твердые, жидкие и газообразные материалы в виде сыпучих и кусковых тел в широком диапазоне температур. В ходе процесса стыкуются переделы: смесеприготовление, формовка и изготовление стержней, сборка форм, плавка и заливка металла, охлаждение формы, выбивка форм и стержней, очистка, термообработка и др.
ПАРК ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ ЛИТЕЙНОГО ПРОИЗВОДСТВА
561
Литейный процесс осуществляется в технологических потоках большой протяженности. Экологическая ситуация при длительных процессах выдвигает требования к защите от запыленности, снижению шума и температуры до допустимого уровня.
При формировании парка следует учитывать средний нормативный срок и ремонтоспособность оборудования, так как выпадение из непрерывного технологического потока любой единицы оборудования приводит к срыву производства. Желательным является также учет технологической гибкости оборудования, то есть возможность перестройки его на различные технологические процессы.
В формировании парка ТОЛП России можно выделить несколько характерных этапов. В период становления литейного производства России до Великой Отечественной войны наиболее значительные литейные цехи для автомобильной промышленности, тракторного и сельскохозяйственного машиностроения в основном оснащались зарубежным литейным оборудованием. С тридцатых годов ряд моделей ТОЛП начал выпускать первый отечественный завод литейного машиностроения "Красная Пресня”.
В период после Великой Отечественной войны до конца двадцатого века характер формирования парка ТОЛП изменился в связи с созданием отрасли литейного машиностроения в СССР, широкой специализации и кооперации поставок ТОЛП в рамках СЭВ, с возможностями СССР закупок оборудования в США, ФРГ, Италии, Дании и других странах.
Формирование парка ТОЛП различных отраслей промышленности велось различными путями. Так, литейные цехи новостроящихся гигантов автостроения (ВАЗ, КАМАЗ) были оснащены лучшими иностранными образцами литейного оборудования. На КАМАЗ было поставлено восемь комплектов, а на ВАЗ четыре комплекта линий фирмы CE-Cast (США). Чебоксарский завод промышленных тракторов был оснащен линиями американской фирмы Herman, было приобретено шесть линий швейцарской фирмы George Fischer и др.
Для действующих автомобильных и тракторных заводов широко закупались линии фирм ФРГ Kilnkel - Wagner и Heinrich Wagner, более 60 автоматических линий безопочной формовки, лучших в мире по тому времени, были закуплены у датской фирмы DISA. Ряду литейных цехов России были поставлены в соответствии со специализацией СЭВ 25 формовочных автоматических линий предприятия
Gisag (ГДР). Закупка автоматических линий производилась и в Японии.
В этот же период росла мощность, повышалось качество продукции на отечественных заводах литейного машиностроения. С 1963 г. заводы "Красная Пресня”, "Сиблитмаш", Павлоградский "Литмаш”, Пинский "Кузлитмаш", Ивано-франковский завод литейного оборудования и Тираспольский завод им. Кирова поставили литейным цехам России более 700 автоматических линий. В последние годы отечественные заводы практически полностью обеспечили литейные цехи России оборудованием для литья по выплавляемым моделям, для литья под давлением, для литья в кокиль и центробежного литья. Прекратились закупки по импорту очистного оборудования [1].
В период, предшествующий кризису литейного производства в России, в девяностых годах, количественный рост парка ТОЛП составлял 3...4 % в год, 15...20 % за десятилетие. Развитие парка по группам оборудования происходило неоднородно из-за изменения доли изготовления тех или иных видов отливок, внедрения новых технологий и широкой автоматизации литейного производства. Количественная доля машин для специальных способов литья возросла в период с шестидесятых до девяностых годов с 9 до 26 % всего оборудования, доля машин для литья под давлением возросла в 3 раза, а для литья по выплавляемым моделям почти в 10 раз. Ввиду широкого внедрения автоматических линий доля формовочных и стержневых машин в парке снизилась с 30 до 20 %.
Действующий парк литейного оборудования в составе литейных машин и автоматических линий позволяет получать в условиях механизированного производства около 80 % отливок, в том числе на формовочных машинах, пескометах и линиях около 60 %, на машинах и линиях для специальных способов литья примерно 20 %. Около половины всех производственных отливок заливается на конвейере. Причем доля залитых на конвейере отливок в 1,5... 1,7 раза выше на предприятиях с массовым и крупносерийным производством (в автомобильной промышленности, тракторном и сельскохозяйственном машиностроении) и, наоборот, в 2...2,5 раза ниже достигнутого среднего уровня на предприятиях единичного и мелкосерийного производства (тяжелое, энергетическое и химическое машиностроение).
В парке литейного оборудования преобладают литейные машины и линии для изготовления отливок в разовые песчано-глинистые фор
562 Глава 1.6. ПАРК ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ ЛИТЕЙНОГО ПРОИЗВОДСТВА
мы (74 % машин и 87 % линий). Машины для подготовки и приготовления формовочных материалов и смесей составляют 25 % в парке литейных машин, машины для изготовления форм и стержней - 22 %, машины выбивные и очистные - 27 %. На долю оборудования для специальных способов литья по выплавляемым моделям и в металлические формы литьем под давлением, в кокиль и центробежным способом приходится 21 % литейных машин и 13 % линий. Доля оборудования для плавки и заливки составляет около 5 % в парке литейных машин, преимущественно вагранок (без дуговых и индукционных электропечей для плавки черных и цветных сплавов, не включенных переписями в состав литейного оборудования), и установок механизированной и автоматизированной заливки черных и цветных сплавов.
Одновременно снизилась доля выбивного и очистного оборудования на 11,9 пунктов, машин для изготовления форм и стержней на 0,7 пункта.
В период до кризиса литейного производства имели место качественные изменения в парке литейных машин каждой технологической группы за счет поступления прогрессивных видов оборудования, в том числе высокопроизводительных бегунов, смесителей для приготовления холодно-твердеющих (ХТС) и плакированных смесей, установок для охлаждения отработанных формовочных смесей, для регенерации песков, сиг для грубой и тонкой очистки, вибростолов, стержневых машин с отверждением стержней в нагреваемой и не нагреваемой оснастке, электрогидравлических установок, автоматизированных комплексов
литья под давлением и в кокиль, установок для литья под низким давлением, автоматизированных заливочных установок, безопочных автоматических линий формовки-заливки-выбивки.
Изменение технологической структуры парка литейных машин за период 40 лет от переписи 1962 г. носит следующий характер: повышение требований к формовочным материалам и внедрение новых технологий с вовлечением различных химических связующих привели к увеличению машин в группе на 8,3 тыс. единиц и ввиду существенного повышения производительности несущественное изменение их доли в общем парке.
В связи с прекращением обновления парка около 80 % литейного оборудования в парке превышает средний нормативный срок службы (10 лет), а доля новых машин (срок службы менее 5 лет) упала с половины до 7 %.
Изменение возрастной структуры парка за 40 лет приведено в табл. 1.6.1.
С целью сравнительного анализа парка ТОЛП России и передового зарубежного уровня в табл. 1.6.2 представлены сравнительные данные по количественному и качественному составу парка в СССР (по переписям оборудования 1972 г. и 1983 г.) и США (11-я и 13-я переписи за 1973 г. и 1983 г.) по ограниченной номенклатуре переписей металлообрабатывающего оборудования США, в которую по литейному оборудованию включены только четыре вида: машины для приготовления формовочных материалов; машины выбивные (решетки); машины очистные (барабаны галтовочные, машины дробе- и пескоструйные); машины литья под давлением.
1.6.1. Изменения возрастной структуры парка литейных машин России за период с 1962 по 2003 г.
Парк литейных машин На 1.01.1962 На 1.01.1972 На 1.12.1983 На 1.01.1990 На 1.01.2000 На 1.01.2003
тыс. шт. % тыс. шт. % тыс. шт. % тыс. шт. % тыс. шт. % тыс. шт. %
Всего 56 100 75 100 85 100 92 100 85 100 100 100
В том числе в возрасте: до 5 лет 28,4 50,7 29,8 35,7 24,6 28,9 24,2 26,3 8,5 10 7 7
От 5 до 10 лет 12,3 22,1 18,3 24,4 24,9 29,3 24,3 26,4 25,5 30 11 11
От 10 до 20 лет 11,5 19,2 21'б 28,8 24,3 28,6 27 29,3 27,2 28 20 20
От 20 лет и старше 3,8 8 5,3 11,1 11,2 18,1 16,5 18 23,8 28 62 62
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
563
1.6.2. Технологическая структура сопоставимого парка обеих стран в 1983 г., %
Машины СССР США
Для приготовления формовочных материалов 40 31
Выбивные 12 23
Очистные 32 35
Для литья под давлением 16 11
Удельный вес этих четырех видов составлял 61,5 % в парке литейного оборудования. Парк сопоставимых четырех видов оборудования в 1983 г. составил в СССР - 74 тыс. штук, в США - 76 тыс. штук (табл. 1.6.2).
По сравнению с США в сопоставимом парке СССР больший удельный вес приходился на долю машин для приготовления формовочных материалов и подготовки смесей и машин литья под давлением, меньший - на долю выбивных и очистных машин.
За период 1973 - 1983 гг. парк машин для приготовления формовочных материалов и подготовки смесей в СССР возрос на 20 %, в США сократился на 23 %.
Рост парка этих машин в СССР был обусловлен более низкой производительностью смесеприготовительного оборудования, недостаточной его оснащенностью средствами загрузки, вы-1рузки и транспортирования материалов, некомплектностью оборудования по технологическому циклу изготовления смесей, различным качественным составом используемых в литейном производстве формовочных материалов и смесей.
Парк машин для литья под давлением в СССР возрос в 2,5 раза, в США сократился на 28 %, что обусловлено поступлением в этот период в парк США автоматизированных комплексов литья под давлением, оснащенных средствами околомашинной механизации и автоматизации, системами управления и контроля, имеющих более высокую производительность. В парке машин литья под давлением в СССР удельный вес комплексов, оснащенных манипуляторами, составлял около 6 %.
Литейное оборудование, поступившее в парк страны более десяти лет назад, не соответствует сегодня современному техническому уровню по многим параметрам, особенно по эксплуатационной надежности и оснащенности средствами околомашинной автоматизации и механизации. Доля автоматизированных комплексов, оснащенных промышленными мани
пуляторами и роботами, в парке машин очень мала и не превышает 1 %.
Концепцией развития парка на ближайшие 10... 15 лет предусматривается:
- некоторое снижение количественного размера парка литейных машин и увеличение парка линий различного технологического назначения в 1,8...2 раза;
- рост парка автоматических и полуавтоматических машин в 1,6...2 раза и их удельного веса в парке машин до 70...80 %;
- рост парка автоматизированных комплексов, оснащенных промышленными манипуляторами и роботами на многих технологических переделах литейного производства, и повышение их удельного веса в парке до 10... 12 %.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Тарский В.А. История становления литейного машиностроения // Литейное производство. 2000. № 6.
2. Гришенков Ю.А., Тарский В.Л. Оборудование для реконструкции и техперевооружения литейных цехов России // Литейное производство. 1993. № 11.
3. Гришенков Ю.А., Тарский В.Л. Проблемы обеспечения литейного производства технологическим оборудованием // Литейное производство. 1997. № 5.
4. Гришенков Ю.А., Тарский В.Л. Состояние и особенности обеспечения литейного производства России технологическим оборудованием с учетом сотрудничества со странами СНГ // Тезисы докладов IV съезда литейщиков России. М.: Радуница, 1999.
5. Гришенков Ю.А., Тарский В.Л. Обеспечение литейных цехов оборудованием. Состояние и перспективы // Литейщик России. 2002. № 3.
6. Дроздов О.Т., Тарский В.Л. 50 лет литейного машиностроения // Литейное производство. 1967. № 11.
7. Ракогон В.Г., Прусс В.М. Основные направления по формированию прогрессивной структуры парка литейного оборудования // Механизация и автоматизация производства. 1987. №3.
8. Тарский В.Л., Козлов Л.Я. Состояние и перспективы литейного производства России // Вестник машиностроения. 1999. № 10.
9. Гришенков Ю.А., Тарский ВЛ. Технологическое оборудование для литейных цехов России // Литейное производство. 2003. № 4.
Раздел 2
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОТЛИВОК В ПЕСЧАНЫХ ФОРМАХ
Глава 2.1
КЛАССИФИКАЦИЯ, ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ, РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ МАШИН
Классификация оборудования для изготовления отливок в песчаных формах. В настоящее время в мире большую часть литых деталей производят в песчаных литейных формах (до 80%). Повышение сложности и точности литых деталей, вместе с требованием минимизации трудовых затрат и эффективной защиты окружающей среды от загрязнения производственными отходами, значительно влияют на развитие технологии формовки отливок. Разовая высокопрочная песчаная форма, получаемая на оборудовании с применением новейших процессов, остается преобладающей в ближайшей перспективе.
В настоящее время в практике литейного производства достаточно широкое применение получили новые способы уплотнения сырых песчаных форм: воздушно-импульсный низкого давления с высоким градиентом давления (60... 120 МПа/с), без наличия вент в оснастке и допрессовки; воздушно-импульсный низкого давления с низким градиентом давления (8... 20 МПа/с) с вентами в оснастке и последующей допрессовкой относительно низким давлениям (р =0,8... 1,0 МПа); усовершенствованный пескострельно-прессовый. Кроме этих, относительно новых способов уплотнения, в практике литейного производства имеют место и традиционные.
На рис. 2.1.1 представлена классификация оборудования для изготовления разовых песчаных форм, а на рис. 2.1.2 и 2.1.3 - оборудование для выбивки и очистки отливок.
Технологические требования к оборудованию для производства песчано-глинистых форм. Основное технологическое требование к оборудованию для подготовки формовочных материалов и приготовлению формовочных смесей - обеспечение высокого
качества приготовления исходных материалов и самих формовочных смесей в соответствии с требованиями технологических условий и сертификата качества по технологическим, физико-механическим и реологическим свойствам. Основными технологическими свойствами сырой песчано-глинистой смеси являются: уплотняемость, формуемость, газопроницаемость. Основными физическими и реологическими свойствами формовочной смеси являются: сырая прочность на сжатие, растяжение, плотность, влажность, вязкость и упругость.
Основное технологическое требование к формовочной машине - обеспечить заданную технологическими требованиями необходимую плотность формы в любом ее микрообье-ме как по высоте, так и в зазорах оснастки.
Таким образом, основным параметром при расчете технологического процесса уплотнения формы является ее плотность. На практике при контроле уплотненной формы часто измеряют не плотность, а твердость поверхности отпечатка формы, которая коррелирует в достаточной степени с плотностью.
Расчет и выбор параметров встряхивающих механизмов [11].
1. Критерий оценки эффективности встряхивающих механизмов, Н:
A/Av ео=-—>
где М - суммарная масса стола с поршнем, включая массу модельной оснастки и смеси, кг; Av - разность скоростей стола до и после удара, Av = (v1+-v’2); А/ц - время цикла ' продолжительностью от удара до удара, с.
При сравнительной оценке двух встряхивающих механизмов при условии, что в обоих случаях М = const, критерий оценки, будет иметь вид
2. Площадь поршня 5 определяется ю соотношения
КЛАССИФИКАЦИЯ, ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ, РАСЧЕТ
565
Рис. 2.1.1. Классификация оборудования для изготовления отливок в разовых песчаных формах
Т1 =----= 0,65...0,75,
P.S
где Р - сила тяжести, оснастки и смеси; рм -давление воздуха в магистрали; к - коэффициент, учитывающий потери на трение движущегося стола, к = 1,2... 1,25.
3. Время цикла (от удара до удара), с:
,Ц=Ъм5’
где h - ход встряхивания, м; М - масса подвижной части.
4. Максимальная скорость к моменту удара стола, м/с:
566
Глава 2.1. КЛАССИФИКАЦИЯ, ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ, РАСЧЕТ
V| =yj2gh,
где у - коэффициент потерь энергии.
5. Суммарная жесткость упругих прокладок стола, Н/м:
н
где К„ - модуль упругости материала прокладок, Па; S, Н - соответственно площадь и высота упругой прокладки.
6. Максимальная сила удара, Н:
7. Максимальная деформация прокладок, м:
Гм
Хтах £ *
КЛАССИФИКАЦИЯ, ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ, РАСЧЕТ
567
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ОЧИСТКИ ОТЛИВОК
Галтовочные барабаны
Барабаны периодического действия
Барабаны непрерывного действия
* Дробеструйные барабаны
* Дробеструйные камеры
Дробеметные барабаны
периодического действия
Дробеочистные машины
Дробеметные барабаны непрерывного действия
Дробеметные столы периодического действия
Дробеметные столы непрерывного действия
Дробеметные камеры периодического действия
Дробеметные камеры непрерывного действия Специализированные очистные машины
Линии дробеметной очистки
Вибрационные машины
Установки электрохимической очистки
+ ЭГ-очистные установки
Машины с прямолинейной рабочей камерой
Машины с тороидально-винтовой камерой
Специальные вибрационные машины
Установки ультразвуковой очистки
Оборудование термической очистки
Рис. 2.13. Классификация оборудования для очистки отливок
Математическая модель рабочего процесса, включающая уравнение теплового баланса и уравнение движения с решением, описана ниже.
Расчеты конструктивно-технологи чес-ких параметров воздушно-импульсных установок низкого давления. При расчете им
пульсной установки задаются исходными данными.
1. Размер опоки А х В х Н выбирается в соответствии с ГОСТом.
2. Давление сжатого воздуха принимают согласно ГОСТ 7020-75* рм = 0,6 МПа и атмосферного - рй = 0,1 МПа.
568
Глава 2.1. КЛАССИФИКАЦИЯ, ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ, РАСЧЕТ
3. Параметры смеси: 50 - начальная плотность, 50 = 750... 1000 кг/м3; начальный модуль упругости К„. = (0,5... 2,0) МПа.
“о
Меньшее значение Ки> для плотности “о
50 = 750 кг/м3 и большее - для 50 > 1000 кг/м3.
Для более точных расчетов величину К необходимо определить на приборах для “о
реологических испытаний смеси.
4. Расчет высоты наполнительной рамки Яр проводится по формуле
Яр=Яо|т"1 ’
k°0 J
где 5 -конечная плотность; Яо - высота опоки.
5. Объем ресивера сжатого воздуха задается:
Гр=(3...5)КСм,
где Ксм - объем уплотняемой смеси (опока с наполнительной рамкой или часть большой опоки, приходящаяся на один клапан или установку).
Нижнее значение Кр принимается в тех случаях, когда габариты ресивера не позволяют размещению установки в цехе, например, при модернизации встряхивающей формовочной машины. Значение объема Ир > 5 Ксм не рационально.
6. Объем подклапанной полости ("вредный" объем) должен сводиться к минимуму или нулю. Объем должен быть не более V= (0,1...0,15) Ир при условии, что Кр =
7. Выбирается конструкция импульсного клапана.
Основные требования к клапану:
- быстродействие привода при открытии выпускных окон fjynjp = 0,01... 0,002 с;
- максимальная площадь выпускных окон 1$ок, м2, должна быть
где 1$оп - площадь опоки, обслуживаемой одним клапаном. Форма выпускных отверстий круглая либо щелевая. Чем меньше диаметр выпускного отверстия или ширина щелей, тем будет меньше ход клапана на открытие, а значит и время его открытия. Для круглого сечения = d/4, где d - диаметр одного отверстия (перфорированный клапан).
8. Количество клапанов пт при многоклапанной установке (два и более) выбирается из условия пт = ^оп (4...5)^^°к •
Пример.
Рассчитать оптимальный градиент давления dp/dt импульсной установки низкого воздушного давления, если известны параметры смеси:
50 - начальная плотность, 50 = 800 кг/м3;
5 - конечная плотность смеси, 5 = 1500 кг/м3;
Кн* - начальный модуль упругости,
= 1,5 МПа (1500 000 Па);
ры - давление сжатого воздуха в магистрали, рм = 0,6 МПа (6-Ю5 Па);
|$оп - площадь опоки, 50П = 0,48 м2;
А х В х Яоп - размер опоки, А = 600 мм, В = 800 мм, Но„ = 250 мм;
Яр - высота наполнительной рамки, Яр = #оП(5/80-1); Яр = 0,25(1500/800-1)= = 0,218 м;
Н- высота столба уплотняемой смеси,
Н = Яоп + Яр ; Я= 0,25 + 0,218 = 0,468м;
М— масса уплотняемой смеси, М= (А х В х Я) 50 = (0,6x0,8x0,468)800 = = 179,7 кг.
dt n N МН
2 0,6 1500000 0,48
----— J-----------•— = 35,4 МПа/с.
3,14 V 179,7 0,468
Применение задач механики сплои* ных сред (МСС) для моделирования процессов литейного производства. Особенное» деформирования песчаных сред в том, что от являются существенно сжимаемыми с непре
КЛАССИФИКАЦИЯ, ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ, РАСЧЕТ
569
рывно изменяющимися физико-механическими свойствами, от сыпучих до твердых, а их реологические модули зависят от плотности среды. Вследствие этого ни одна простейшая модель сплошной среды в чистом виде неприменима. Формовочная смесь - это сложное упруговязкопластическое тело, непрерывно изменяющее свою вязкость, упругость, пластичность в процессе деформирования. Для решения задачи деформирования такой среды следует использовать комбинации моделей простейших сред.
В самом общем виде система исходных уравнений, которая полностью описывает движение и состояние деформируемых сред с учетом их физико-механических свойств имеет следующий вид:
—+ 8V,v'=0; (2.1.1)
dt
&^i- = Fl+'7JaJi-, (2.1.2)
dt
5^. = (2.1.3)
^=7(v<v>+v/v<); <21-5)
^=а(/е9,ё#,Т). (2.1.7)
Система уравнений, выражающая законы сохранение массы (2.1.1), импульса (2.1.2), энергии (2.1.3), кинематические соотношения (2.1.4) и (2.1.5) и геометрические соотношения (2.1.6), являются общими для всех сплошных сред. Индивидуальные особенности рассматриваемой деформируемой среды учитываются физическими соотношениями (2.1.7), обязательно включаемыми в систему исходных уравнений (уравнений состояния).
Необходимым условием для единственного решения задачи является замкнутость системы исходных уравнений.
Важнейшим элементом любой задачи подобного рода является формулировка начальных и граничных условий.
Уравнение состояния как правило определяется на основе экспериментов. Для стати
ческой сжимаемости твердых тел уравнение состояния (2.1.7) может быть представлено как:
ст = 3£е, (2.1.8)
где ст, е - напряжение и относительная деформация при объемном сжатии; К - модуль объемного деформирования (модуль упругости).
При уплотнении песчаных смесей зависимость ст(е) принимает другой вид, например, степенной, дробно-линейный и др.
Модель вязкой среды. Формовочную смесь можно с определенными допущениями рассматривать как вязкую изотропно-сжимае-мую среду, сдвиговое и объемное сопротивление которой зависит от скоростей деформации. Такая среда реагирует на изменение объема и на скорость его изменения, т.е. девиатор напряжений определяется только скоростным фактором. В этом случае уравнения, определяющие физическое и механическое поведение среды для модели вязкой жидкости имеет вид:
ст = -р(5,Г) + ЗХе; (Ро) = 2ц(Р6), (2.1.9)
где X и ц - динамические коэффициенты объемной и сдвиговой вязкости; ё - средняя скорость деформаций.
Из уравнений (2.1.9) следует закон На-вье-Стокса:
а» =-р(5,7Х +(ЗХ+2ц)ё,7 + 2цё,? ,
(2.1.10)
где р - давление; Т - температура; qtJ - метрические коэффициенты основного базиса системы координат qy = r/j.
Для описания вязких сред, имеющих высокую скорость деформирования, необходимо использовать полный закон Навье-Стокса. Вязкая среда отличается от идеальной наличием внутреннего трения, приводящего к появлению внутренней тепловой энергии.
Модель упругой среды. В модели упругой смеси сдвиговые и объемные сопротивления линейно зависят от деформации (плотности), уравнение состояния которой определяется из эксперимента. В частности, уравнение состояния выражается зависимостью:
<5y-2G?> ey +
И
M^-lU . (2.1.11) 2G(8) J 1
где К, G - модули упругости на сжатие и сдвиг, зависящие от плотности смеси.
570
Глава 2.1. КЛАССИФИКАЦИЯ, ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ, РАСЧЕТ
Модули упругости К и G можно также выразить через модуль Юнга Е и коэффициент Пуассона v как:
F F
К =-----------, G = . (2.1.12)
3(1-2v) 2(1+ v)
Можно получить запись физических соотношений для упругой среды в форме:
’ (ПТ)р + Т357е<7«]' (2-'•13)
1 + V ( 3v ]
z» “ Т~ ’ (2 1 14)
J Е 1 + v )
где Е = \^KG/(6K + 2G) - модуль Юнга.
Коэффициент Пуассона для формовочных смесей (сжимаемая среда) имеет значения v = 0,2...0,4.
Для одноосного напряженного состояния имеют место соотношения:
стп
811 е22 --v8lb
Ь (2.1.15)
р = -с; 0 = 3е = -^-, А
здесь К - модуль объемного сжатия; G - касательное напряжение; Е - продольные деформации; v - соотношение продольной и поперечной деформации.
Модель упругопластической среды и теория пластического течения. Модель упругопластической среды соответствует телам, которые при нагружении (либо в начальном или в промежуточном состоянии) работают упруго, пока не выполняется некоторое предельное условие, называемое пределом текучести, а при дальнейшем нагружении такой среды в ней развиваются не только упругие, но и пластические деформации, причем за пределом текучести развивается участок нелинейной упругости, то есть происходит процесс упругого деформирования с упрочнением. При больших деформациях для описания поведения упруго пластических сред более предпочтительна теория пластического течения.
Определяющие уравнения модели упругопластической среды по теории пластического течения предполагают, что приращение тензора деформации detJ складывается из упругих и пластических составляющих:
detJ = dtf + de.(p, (2.1.16)
где
cfeff = — tfo.. + f -1
J 2G\_ J \3 К J J d^=dkDOiji
(2.1.17)
(2.1.18)
где dk - малый скалярный множитель.
Из уравнений (2.1.16), (2.1.17), (2.1.18) следуют физические соотношения для упругопластической среды по теории пластического течения (в приращениях):
1 Г. (2G Л. ---- +---------1 асгя., 2G[ *j \ЗК )
+ dkDn
(2.1.19)
Моделирование импульсного процесса уплотнения формовочной смеси. Процесс импульсного уплотнения заключается в воздействии потока сжатого воздуха на смесь. Этот процесс дает эффективный результат лишь в том случае, когда газодинамические свойства формовочной машины и реологические свойства формовочной смеси будут рассматриваться неразрывно самым тесным образом.
Формовочную смесь можно моделировать в допредельном состоянии (при 5 < 1,25... 1,35 г/см3) вязкоупругой моделью с параллельным соединением реологических тел Гука и Ньютона, а в запредельном - упруговязкопластической моделью.
Процесс формирования смеси в этом случае можно описать известным дифференциальным уравнением механики:
м d2x(t) , v dy{$) , v at at
= F(Osin(®r 4- cp), (2.1.20)
где и Kc - соответственно коэффициент
вязкого сопротивления и коэффициент упругого восстановления; MQ - масса уплотняемой смеси; F(t) - возбуждающая сила, равная:
aO = son
(2.1.21)
yv2
где рст - статическое давление; ~--дина-
мическая составляющая воздушного потока, у - плотность воздуха; v - скорость истечения воздуха из ресивера.
КЛАССИФИКАЦИЯ, ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ, РАСЧЕТ
571
Процесс деформирования, т.е. зависимость напряжений от деформаций, подчиняется реологическому уравнению уплотнения формовочной смеси при сжатии для динамических методов уплотнения:
de Кн 1 db
dt 3K„ dt
1 (Кя+К*} +--- —------ I ст.
\ Кн )
(2.1.22)
Коэффициенты вязкости и упругости зависят от плотности и определяются экспериментально.
После снятия внешней нагрузки уравнения релаксации определяются зависимостями:
о=о0ехр-----—
L
(2.1.23)
где Г3 - время запаздывания деформации.
Напряжение в формовочной смеси от действия внешней нагрузки является суммой напряжений, воспринимаемых вязким и упругим элементом, а также напряжением, создаваемым внешней нагрузкой. После снятия внешней нагрузки напряжения в смеси будут определяться напряжением, рассчитанным по уравнениям (2.1.23).
Уравнение движения клапана импульсной головки имеет вид:
d^x
at
(2.1.24) Термодинамический процесс изменения давления воздуха в полости над смесью рх можно представить зависимостью:
(2.1.25) dt Fi
Термодинамический процесс изменения давления воздуха в ресивере р2 имеет вид:
dp2 kRTG2 ~dt~~
(2.1.26)
Расход воздуха из ресивера:
2k
<21-27>
у —1)1\1
где е - отношение давления над смесью к давлению в ресивере; ф(е) = 0,258 для 0 < е < 0,53 и ф(е) = л1е2^к -ьк1к*х для 0,53 < е < 1; ръ р2, р3 - давление воздуха соответственно над смесью, в ресивере и в рабочей полости цилиндра пневмопривода клапана; Vx, V2 - объем полости над смесью и соответственно ресивера; R,T- газовая постоянная воздуха и его температура; а - коэффициент расхода воздуха; fx (х) - площадь проходного сечения клапана; к - коэффициент адиабаты, к = 1,4.
Коэффициенты, определяющие вязкие (Н с/м) и упругие (Н/м) свойства формовочной смеси, входящие в уравнение (2.1.20), можно представить в виде зависимостей:
/Гт(5) = К150П7ад5, АГс(5)=К”(8)5°", (21'28)
но
где Х'нСб) - модуль упругости формовочной смеси, Па; HQ - высота уплотняемого столба, м; 5 - плотность смеси, кг/м3; Кх - коэффициент, определяемый из эксперимента.
Значение переменного модуля упругости (объемного сжатия) определяется экспериментально.
Текущее давление воздуха в рабочем цилиндре должно определяться в зависимости от текущего давления клапана р3, хода клапана х. Они должны иметь определенную связь, определяемую экспериментально:
где р”ач- начальное давление в приводе импульсного клапана; - максимальное значение величины хода клапана.
Моделирование процессов уплотнения литейных форм.
Зависимость плотности формовочной смеси от величины и характера приложения уплотняющего воздействия (уравнения уплотнения). Уравнения уплотнения форм прессованием можно разделить на эмпирические и аналитические.
Все известные уравнения уплотнения смеси "статическим" прессованием (и эмпири
572
Глава 2.1. КЛАССИФИКАЦИЯ, ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ, РАСЧЕТ
ческие, и аналитические) объединяет общая черта - наличие эмпирических коэффициентов, зависящих от характеристик уплотняемой смеси. Поэтому, при соответствующем выборе указанных коэффициентов, зависимости плотности смеси от действующих напряжений, рассчитанные по разным уравнениям прессования, весьма близки в используемых на практике диапазонах давлений прессования.
Выбор точной зависимости плотности смеси от величины и скорости ее деформации является крайне сложной задачей, требующей большого числа специальных исследований.
С практической точки зрения интересен подход, заключающийся в том, чтобы, не претендуя на точное и скурпулезное описание физических процессов, протекающих при динамическом уплотнении, попытаться оценить зависимость плотности формовочной смеси от действующих в ней напряжений путем введения в уравнение прессования соответствующего поправочного коэффициента, учитывающего кратковременность действия напряжений [1, 2].
В первом приближении, достаточном для инженерных расчетов, кривые 5(а,...) для прессового и импульсного уплотнения, а также для уплотнения смеси на лабораторном копре могут быть описаны зависимостью Орлова-Баландина:
5 = 8'(с/а')и, (2.1.29)
где 8' - известная плотность смеси, находящейся под действием напряжения с'; ц -коэффициент уплотняемости, зависящий от насыпного веса смеси и ее уплотняемости. Для высокопрочной смеси (асж = 0,15...0,2 МПа), на которой проводились испытания:
о' =0,4...0,5 МПа, 8'= 1400...1500кг/м3, ц = 0,05...0,12.
Приведем и обоснуем метод определения коэффициентов уравнения (2.1.29) уплотнения формовочной смеси прессованием.
Пусть, например, образец смеси уплотняется на лабораторном копре по стандартной методике испытаний. Перепишем (2.1.29) в виде 8/8' = (а/а')и.
Здесь 8' - плотность смеси, свободно насыпанной в гильзу перед определением уп
лотняемости. Обозначим высоту засыпки 5 - плотность полученного образца высотой 1 = Г -Y; Y - уплотняемость смеси, выраженная в единицах длины (мм). Тогда можно записать:
8/8'= /'/(/'-У),
из чего следует, что
р. = (in Г - 1п(/' - К))/(1п а - In а')
или Г = Г(1-(ст/стУ),
где а' - параметр, зависящий от насыпного веса смеси. Если пренебречь силой трения засыпанной смеси о стенки гильзы и неравномерностью распределения ее плотности по высоте засыпки, то можно считать, что а' равно насыпному весу смеси, поделенному на площадь торцевой поверхности образца; о -величина напряжения, возникающего в смеси при уплотнении. По экспериментальным данным напряжения при третьем ударе лабораторного копра составляют около 0,4 МПа (4 кгс/см2) [3].
Таким образом, в ходе стандартного испытания формовочной смеси - определения уплотняемости, по полученным данным (величине уплотняемости и значению насыпного веса) можно оценить коэффициенты, входящие в уравнение уплотнения (2.1.29).
Физическая модель уплотнения формовочной смеси при пневмоимпульсном и Сейатсу-процессах. Под воздействием перепада давлений воздуха по высоте столба смеси, последний, сжимаясь, приходит в движение по направлению к модельной плите. При торможении смеси о плиту и модельную оснастку инерционные силы складываются с силами, являющимися результатом перепада давления воздуха по высоте столба, вызывая окончательное уплотнение.
Рассмотрим подробнее названные про- | цессы. !
При повышении давления воздуха над смесью, воздух начинает проходить в поры , смеси. В работе [3] данный процесс назван фильтрацией.
Очевидно, что при пневмоимпульсном процессе давление воздуха в порах смеси распределяется неравномерно как по высоте, так и по горизонтальному сечению формы.
При пневмоимпульсном процессе давление воздуха убывает по высоте столба смеси. Это вызвано или наличием вент в модельной плите и оснастке, что характерно для продувки
КЛАССИФИКАЦИЯ, ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ, РАСЧЕТ
573
смеси воздухом по способу Сейатсу, или высокой скоростью нарастания давления воздуха над смесью, что характерно при жестком импульсном уплотнении в машинах конструкций Краматорского института (НПО "Донмет-Импульс"), фирмы G. Fischer или сочетанием названных причин.
Возникающий перепад давлений воздуха по высоте столба смеси вызывает в ней напряжения. Под действием этих напряжений столб смеси начинает уплотняться, сжимаясь в вертикальном направлении с определенной скоростью.
В случае быстрого подъема давления над смесью перепад давлений в ней, а следовательно, и обусловленные им напряжения возникают в течение короткого промежутка времени (0,005...0,05 с). Тогда скорость сжатия столба смеси высока, и при торможении его о модельную плиту и оснастку в смеси возникают напряжения, вызванные действием сил инерции, которые по своей величине могут быть в несколько раз выше, чем напряжения, являющиеся результатом перепадов давлений воздуха.
Таким образом, причиной разгона слоев столба смеси служат напряжения, вызванные разницей давлений воздуха по высоте смеси. От того, насколько они велики и насколько быстро они возникают, зависят скорость сжатия столба смеси (скорость перемещения слоев смеси) и ускорение торможения смеси о модельную плиту. В случае большого ускорения торможения в смеси возникают дополнительные напряжения, вызванные действием сил инерции, складывающиеся с напряжениями от перепадов давлений воздуха.
В случае плавного нарастания давления над смесью, при котором смесь незначительно ускоряется при движении к модельной плите, основное уплотняющее воздействие оказывают сила перепада давлений и вызванные им напряжения. Очевидно, что именно таков механизм уплотнения смеси на стадии продувки ос сжатым воздухом (Сейатсу-процесс).
К причинам, вызывающим неравномерность распределения давления воздуха в порах смеси по горизонтальным сечениям формы, относятся следующие:
- наличие литейных моделей, особенно если они имеют развитую лобовую поверхность;
- неравномерность распределения вент по модельной плите;
- различие скорости нарастания давления над разными участками контрлада формы;
- неодинаковость газопроницаемости соседних участков горизонтальных слоев смеси.
Перепады давлений воздуха в горизонтальном направлении вызывают силы, вектор-но суммирующиеся с силами, созданными разницей давлений по высоте столба смеси.
В этом случае смесь, уплотняясь, перемещается как в вертикальном, так и в горизонтальном направлениях. Траектории движения частиц смеси приобретают сложный криволинейный характер, тем больше отклоняясь от вертикали, чем больше горизонтальные составляющие суммарных сил.
Математическое и компьютерное моделирование рабочего процесса импульсных клапанов формовочных машин и механизмов встряхивающих машин.
Моделирование импульсного клапана, как и моделирование встряхивающего механизма, обычно имеет смысл и проводится, когда известны параметры формовочной машины, на которой он установлен. К ним относятся: объемы полостей, через которые протекает сжатый воздух, размеры формовочной камеры, площади проходных сечений вентиляционных отверстий и ряд других данных, зависящих от конкретных конструктивных особенностей машины.
Существует множество различных по конструкции и принципу действия импульсных и встряхивающих формовочных машин, однако рабочий цикл большинства из них может быть смоделирован в основном при использовании двух групп зависимостей. Это уравнения, описывающие процессы перетекания (истечения) воздуха из полости в полость и уравнения перемещения подвижных частей клапана (уравнения движения).
При помощи уравнений истечения определяются термодинамические характеристики воздуха, находящегося в каждой из полостей формовочной машины на данный момент времени. Это дает возможность найти силы, действующие на подвижные части механизма. По уравнениям движения определяется текущее положение подвижных частей машины, что
574
Глава 2.1. КЛАССИФИКАЦИЯ, ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ, РАСЧЕТ
позволяет найти новые значения проходного сечения отверстий и, если требуется, изменившиеся объемы некоторых полостей. Далее описанная последовательность действий повторяется для следующего момента времени.
Рассмотрим систему трех соединяющихся полостей А-В-С. Пусть происходит истечение воздуха из полости А в В и далее в С (рА > Рв > Рс) • Тогда расход воздуха, проходящего из А в В можно выразить следующим образом [2,4]:
&ав ~ У^ав^Ра/>1(^а) >
где р. - коэффициент расхода отверстия, ведущего из полости А в полость В и имеющего площадь проходного сечения SAB). Обозначим р= рв/рА . Тогда <|/= 0,6864, если ₽<Ро. Ро =2/(A + DW(*-1)); k = cf/cv -отношение теплоемкостей газа, равное для воздуха приблизительно 1,41; р0 «0,528),
V = 2,687(Р2/‘ -P(i+l)/‘) , если 1 > Р S Ро.
Приращение давления в полости В за время dt:
dp = k(RTaGab -RTbGbc -PsdVB)/VB ,
где VB - объем полости В.
Изменение температуры в этой полости:
Д’= *(7^-7^)/^-
-Tb(Gab-Gbc)/Mb-(k-\)TBdVB/VB ,
где Мв- масса воздуха в полости В:
MB = pByB/(RTB).
Поскольку при моделировании процесс разбивается на малые промежутки времени и считается, что в течение каждого такого промежутка подвижные части клапана движутся равноускоренно, то можно пользоваться следующими зависимостями.
При условии равноускоренного движения тела в интервале времени А/:
х = х0 + v0A/ 4- 0,5аА/2; v = v0 + aAt, где х, v — путь и скорость на данном промежутке времени; х и v0- то же на предыдущем промежутке времени; а - ускорение.
Одномерная модель процесса пневмо-импульсного уплотнения.
Рассмотрим случай пневмоимпульсного уплотнения, когда давление воздуха в порах смеси по горизонтальным сечениям формы распределено равномерно в каждый момент времени. Предположим, что деформация смеси происходит только в направлении модельной плиты, а деформация в направлении стенок опоки настолько мала, что ею можно пренебречь.
Мысленно разделим столб смеси в опоке на горизонтальные слои. При нарастании давления над смесью через поры слоя смеси организуется поток воздуха, на протекание которого затрачивается какая-то доля давления dp. В результате на слой сверху действует давление р, а снизу p-dp .
При высокой скорости нарастания давления воздуха над смесью давление на верхней границе каждого слоя выше, чем на нижней границе. Эта разница давлений вызывает силу, с которой вышележащий слой действует на нижележащий. Указанные силы суммируются по высоте столба смеси, в результате чего каждый нижележащий слой нагружен больше, чем вышележащий. Вся масса смеси приходит в движение по направлению к модельной плите.
Поскольку скорость нарастания давления воздуха велика, слои смеси движутся и деформируются в вертикальном направлении также с большой скоростью. При торможении смеси о модельную плиту или модель в слоях смеси развиваются инерционные силы, направленные по ходу движения. Они складываются с силами, вызванными перепадами давлений, и окончательно уплотняют смесь.
Таким образом, чем ближе слой смеси i модельной плите, тем большие сжимающие силы в нем возникают и тем интенсивнее он уплотняется.
Дифференциальные уравнения уплотнения формы и фильтрации воздуха (одномерная модель).
Получив физическую модель процессу перейдем к ее математическому описанию В форме выделим горизонтальный слой толщиной dy (рис. 2.1.4).
КЛАССИФИКАЦИЯ, ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ, РАСЧЕТ
575
/у {отце/г гауоу
Рис. 2.1.4. Схема к расчету уравнения уплотнения
У
При уплотнении на него действуют следующие силы:
силы взаимодействия данного слоя с выше и нижележащими;
сила, с которой фильтрующийся воздух действует на слой;
- сила трения слоя о стенки опоки (модели), условно распределенная на весь слой;
сила тяжести.
По закону Ньютона, сумма этих сил равна произведению массы слоя на ускорение его движения.
В силу незначительной массы фильтрующегося воздуха по сравнению с массой смеси примем, что сила инерции воздуха равна нулю.
Заметим, что при достаточно малом dy выражения dpldy и da/dy означают производные давления воздуха и напряжений по у соответственно ру и а у\
%=-Ру -<3y+bg-^аП f/F,
откуда
О, = -Ру -{j-g^-У(n/F)G, (2.1.30) где П - периметр опоки; f - коэффициент внешнего трения; F - площадь опоки; £, - коэффициент бокового давления; ст - напряжение сжатия в смеси.
Уравнение (2.1.30) является дифференциальным уравнением импульсного уплотнения , ФС для одномерной модели процесса. Первое слагаемое в правой части (2.1.30) описывает влияние распределения давления воздуха по высоте смеси, второе - инерционных сил и силы тяжести, третье - силы трения смеси о стенки опоки, отнесенной ко всему слою смеси.
Уравнение (2.1.30) фактически является общим для таких методов уплотнения, как импульсное, Сейатсу-процесс, встряхивание, прессование, ударное прессование, гравитационное уплотнение. Пренебрегая первым слагаемым в правой его части, получим уравнение для уплотнения смеси встряхиванием:
cx=-0-g)S-^(n/F)a.
Исключив далее ускорение движения слоя смеси и пренебрегая действием силы тяжести, получим уравнение прессования:
a^=-^(n/F)a.
Чтобы построить математическую модель пневмоимпульсного процесса, кроме уравнения уплотнения необходимо знать еще ряд зависимостей, среди которых одной из наиболее важных является уравнение фильтрации, так как оно дает возможность определить давление воздуха в слоях смеси.
В работе [3] предложено уравнение фильтрации:
р, = -р/т (Uy+PyU/p-З, /Зск ), где р - плотность газа; р, - скорость изменения плотности газа; и - скорость газа относительно смеси; иу - изменение скорости газа по высоте dy слоя смеси; 8СК - плотность "скелета” смеси; 8, - скорость изменения плотности смеси.
Для политропного процесса
р/р“=Ро/ро.
где р0 - плотность газа при давлении р$,а-показатель политропы. Следовательно, уравнение фильтрации можно записать следующим образом:
Р, = -ар/т(иу +PyU/(pd)-b,/8СК).
Скорость изменения давления воздуха в порах слоя pt зависит от распределения давления ру и скоростей фильтрации воздуха по высоте формы иу, скорости изменения плотности слоя 8,, а также давления в слое, его пористости и плотности "скелета" смеси.
576
Глава 2.1. КЛАССИФИКАЦИЯ, ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ, РАСЧЕТ
Для практического использования уравнения фильтрации при моделировании процесса импульсного уплотнения необходимо знать скорость и прохождения воздушного потока через смесь. При малой толщине слоя dy можно принять, что и пропорциональна перепаду давлений dp на границах рассматриваемого слоя:
и = к dp/dy ,
где к [м2/(Па с)] - коэффициент газопроницаемости смеси: к = Г/(6-107); Г = 0,17-КГ6 м4/(Н с) -газопроницаемость образца смеси, измеренная на стандартном приборе.
В процессе уплотнения смеси изменяется ее плотность и, следовательно, газопроницаемость. Зависимость газопроницаемости смеси от ее плотности можно удовлетворительно аппроксимировать кривой, предложенной П.П. Бергом:
л=л1(в1/5у.
Для определения газопроницаемости к смеси плотности 5 требуется знать координаты какой-либо точки (£}, 8j) на кривой к(Ь) и эмпирический коэффициент - степень z.
Очевидно, что значения 8j и коэффициент z будут разные для разных смесей.
Двухосная математическая и компьютерная модели процесса прессования литейных форм. Основная предпосылка получения решения - представление формовочной смеси (ФС) как нелинейно деформируемого тела и распространение на нее соответствующих зависимостей теории нелинейной упругости. Разумеется, они применимы только на этапе нагружения смеси, при снятии же нагрузки или ее уменьшении смесь имеет весьма незначительную обратную упругую деформацию .
Уравнения, определяющие зависимость вектора деформаций {е} от напряжений {а} будут иметь вад
{а}=[о]{е}, (2.1.31)
в которых [D] - матрица свойств материала. В случае плоского деформированного состояния [9, 10]:
[р] = х
1 (1+ЦХ1-2Ц)
1 хр/(1-ц) 0
р/(1-Ц) О
1 о
0 (1-2ц)/2(1-р)
где ц - коэффициент Пуассона; Е - переменный модуль деформирования ФС, сильно изменяющийся при ее уплотнении, что определено экспериментально [7]. Также зависимость Е от плотности ФС может быть найдена путем сопоставления уравнений Гука с одним из уравнений прессования (например, Орлова-Баландина).
Объединение (2.1.31) и (2.1.29) приводит к системе уравнений, решение которой осуществляется одним из численных методов. Это может быть, например, метод конечных разностей или метод конечных элементов (МКЭ).
В результате проведения стандартных процедур МКЭ, приходим к следующей системе уравнений:
[К]{Л}={Г},
где {А} - вектор узловых перемещений, искомая величина; {F} - вектор нагрузки, характеризует силы, действующие в элементах; [К] -матрица жесткости (МЖ) системы, зависит от координат и свойств элементов, модуля Е. Она собирается из матриц жесткости элементов:
и-ж
Для треугольного КЭ площадью А и толщиной t Н=[вГ№^.
Матрица [В] определяется координатами узлов элемента (xt,, у,, i = 1... 3 - номер узла):
[в] =1/(2 Л)
о Уз~У1 0 yt~y2 0
х3-х2 ° 0 х2
*з-*2 У2-Уз *1-*з Уз-У1 *2-*1 У1-У2
[Вр - транспонированная матрица [В].
Двухосная математическая и компьютерная модели процесса прохождения воз
духа через ФС (фильтрации) при пневмо-импульсном уплотнении литейных форм. Под воздействием перепада давлений, возникающего в результате запаздывания проховде-
КЛАССИФИКАЦИЯ, ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ТРЕБОВАНИЯ, РАСЧЕТ
577
ния воздуха через столб смеси, последний приходит в движение по направлению к модельной плите и при торможении об нее уплотняется. Инерционные силы, являющиеся функцией усилий, вызванных разницей давления воздуха по высоте смеси, складываются с этими силами, вызывая окончательное уплотнение.
Поэтому для составления модели пневмо-импульсного уплотнения необходима возможность моделирования процесса фильтрации.
Дифференциальное уравнение стационарной фильтрации воздуха через пористую среду имеет вид
р2 =о
1 XX и-
Очевидно, что реальный процесс прохождения воздуха через формовочную смесь при импульсном процессе не является стационарным.
МКЭ позволяет решать нестационарные задачи [5, 8]. В этом случае изменение давления воздуха во времени может быть учтено введением матрицы демпфирования [Dempf], тогда [8]:
[K]{F} = {2}+[Dempf]{F}.
Но ввиду сложности нахождения и учета матрицы демпфирования при решении методом КЭ нестационарной задачи фильтрации воздуха для каждого момента времени t давление (функция Р) можно аппроксимировать зависимостью Ра = F и решение проводить относительно F. Степень а необходимо выбирать при сопоставлении решения одномерной, задачи и двумерной без литейной модели.
Двухосная математическая и компьютерная модели процессов встряхивания и пневмоимпульсного уплотнения литейных форм. При импульсном процессе и уплотнении встряхиванием в смеси действуют силы инерции, поэтому в уравнениях присутствует произведение матрицы масс [М] на вектор ускорений {а}:
(К]{А}+[М]{а) = {F}- (2.1.32)
Матрица жесткости - та же, что и при исследовании процесса статического прессования.
Глобальная матрица масс складывается из локальных по тем же правилам, что и матрица жесткости.
Матрицы массы элементов [т] вычисляем следующим образом:
[т]= J[N]T3[NHvol],
[N] - функция формы.
В случае, если толщина элемента t постоянна, то, обозначив вес элемента W = б£4,
получим
0,5 0 0,25 0 0,25 0
0 0,5 0 0,25 0 0,25
г л „,м0>25 0 0,5 0 0,25 0
L J ' 0 0,25 0 0,5 0 0,25
0,25 0 0,25 0 0,5 0
0 0,25 0 0,25 0 0,5
А если масса прилагается к узлам тремя равными частями, матрица массы элемента будет иметь вид [m] = W/3[E], где [Е] - диагональная единичная матрица (6 х 6).
Система (2.1.32) представляет, таким образом, систему дифференциальных уравнений движения, дальнейшее решение которой проводится одним из известных численных методов. Простейшая последовательность действий для нахождения {X} заключается в следующем. Совместное моделирование процесса фильтрации дает значения вектора нагрузки {F} на текущем промежутке времени А/. Для ранее найденных [К] и {X} определяются ускорения {а}, откуда по уравнениям движения находятся новые перемещения {X} и, следовательно, изменение координат и плотности КЭ. Далее итерационный процесс расчета повторяется для следующего t = t + А/ .
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Аксенов П.Н. Оборудование литейных цехов. М.: Машиностроение, 1977. 510 с.
2. Маскин А.А. Развитие представлений о механизмах уплотнения форм и разработка методов моделирования и расчетов рабочих процессов формовочных машин и технологии получения форм с использованием импульса сжатого воздуха. Дис.... к.т.н. М., 2000.
3. Орлов Г.М. Автоматизация и механизация процесса изготовления литейных форм. М.: Машиностроение, 1988.
4. Фадеев А.Б. Метод конечных элементов в геомеханике. М., 1987.
5. Секулович М. Метод конечных элементов. М.: Стройиздат, 1993. 664 с.
6. Курков С.В. Метод конечных элементов в задачах динамики механизмов и приводов. СПб.: Политехника, 1991. 224 с.
19-819
578
Глава 2.2. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ СМЕСЕЙ
7. Шалимова МА. Компьютерное моделирование высокоскоростных процессов уплотнения литейных форм. Дис.... к.т.н. М., 1998.
8. Зенкевич О., Чанг И. Метод конечных элементов в теории сооружений и в механике сплошных сред. М.: Недра, 1974. 239 с.
9. Бабкин А.В., Селиванов В.В. Прикладная механика сплошных сред / Под ред. В.В. Селиванова. М.: Изд-во МГТУ им. Баумана, 1998. 367 с.
10. Зубков В.Г., Ляховский В.А. и др. Курс высшей математики. Ч. 2 / Под ред. В.Б. Миносцева. М.: Изд-во МГТУ им. Баумана, 2000. 510 с.
11. Алгоритм и программы решения задач анализа и синтеза машин и механизмов. ИМАШ ОНТИ. М. 1977.
Глава 2.2
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ФОРМОВОЧНЫХ И СТЕРЖНЕВЫХ СМЕСЕЙ
Общие сведения. Формовочные и стержневые смеси представляют собой сложную дисперсную систему, свойства которой определяются составом, физико-механическими и химическими свойствами исходных компонентов смеси, а также технологией их приготовления.
Особенностью приготовления формовочных смесей является их частичное или полное повторное использование в технологических процессах смесеприготовления. Это существенно усложняет технологию их приготовления из-за значительных колебаний состава и физико-механических свойств оборотных (отработанных) смесей.
В связи с этим для приготовления формовочных смесей применяют, как правило, системы смесеприготовления, включающие в свой состав комплекс технологического, транспортного оборудования и бункера.
Основным элементом такой системы по-прежнему остается смеситель, однако тщательной подготовке отработанных смесей придается исключительно важное значение.
Большое разнообразие методов формообразования, автоматизация их процессов выдвигают различные требования к качеству приготавливаемых смесей и работе смесеприготовительного оборудования.
В общем виде требования к формовочным смесям сводятся к следующим положени
ям: формовочная смесь должна обладать высокой текучестью, уплотняемостью, иметь достаточную прочность в сыром состоянии на сжатие, иметь высокую газопроницаемость и сопротивляемость разрыву форм жидким металлом, а также хорошо отделяться от отливки при выбивке.
Выполнение этих требований достигается путем рационального выбора технологического оборудования, подбора рецептуры смесей, тщательной подготовкой исходных компонентов, в частности отработанной смеси, а также контролем за технологией ее приготовления с применением современных средств вычислительной техники.
Оборудование для приготовления формовочных песчано-глинистых смесей.
Для приготовления и подготовки формовочных смесей в литейном производстве применяются следующие основные виды технологического оборудования: смесители; аэраторы; сита; охладители; магнитные сепараторы.
Для приготовления формовочных смесей предназначены смесители, а остальные виды оборудования используются для подготовки отработанных или доведения готовых смесей до требуемого состояния.
Подготовка отработанных смесей заключается в удалении из нее металлических включений, крупных комьев, кусков стержней, охлаждении до температуры не выше 50 °C, гомогенизации и предварительном увлажнении до 2...2,5 %. В ряде случаев при подготовке отработанных смесей осуществляют ввод в нее различных добавок.
Смесители. Смесители являются основным технологическим агрегатом, предназначенным для приготовления смесей с требуемыми технологическими свойствами.
Основная задача смесителей для приготовления формовочных песчано-глинистых смесей заключается в распределении компонентов по всему ее объему (усреднение состава) и обволакивании кварцевых зерен пленкой связующего.
При смешивании формовочных материалов в смесителе происходит взаимное стохастическое перемещение отдельных частиц или конгломератов друг относительно друга, в результате чего и достигаются требуемые свойства смеси.
Эффективность работы смесителей зависит как от их конструкции, так и от состава смеси, свойств и способов ввода в смеситель ее компонентов, требований к физикомеханическим свойствам готовой смеси.
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ СМЕСЕЙ
579
Оценка эффективности работы смесителей представляет в связи с этим сложную задачу, чем и объясняется большое разнообразие их конструкций, применяемых в литейном производстве.
Исходя из конструктивных особенностей они могут быть распределены на основные типы в соответствии с рис. 2.2.1.
Смесители катковые с неподвижной цилиндрической чашей. Смесители литейные чашечные периодического действия с верти-кально-вращающимися катками состоят из цилиндрической чаши, в которой устовлен вертикальный вал с траверсой (рис. 2.2.2). На траверсе расположены смешивающие рабочие органы: катки и плужки. На торцевой поверхности катков расположены аэрирующие штыри. Вращение вертикального вала со смешивающими рабочими органами осуществляется от электропривода с клиноременной передачей и редуктором.
В катковых смесителях наряду с катками могут быть установлены смешивающие устройства в виде мешалок. Мешалки устанавливаются дополнительно или вместо одного из катков.
На базе смесителей периодического действия с вертикально-вращающимися катками выпускаются смесители непрерывного действия, представляющие собой две чаши, соединенные между собой проемом (рис. 2.2.3). Вращение вертикальных валов осуществляется от одного привода с помощью вала-синхронизатора.
Особенностью их конструкции является наличие пневмомуфты, что позволяет осуществлять остановку и запуск смесителя под нагрузкой. Производительность таких смесите
лей существенно выше производительности смесителей периодического действия.
В смесителях непрерывного действия время пребывания частиц смеси является величиной случайной и изменяется в широких пределах. Такие смесители обеспечивают высокую стабильность физико-механических свойств смеси, хотя наличие в смеси доли частиц с недостаточным временем перемешивания приводит к снижению некоторых показателей качества приготавливаемой смеси.
Смесители периодического действия с го-ризонгально-вращающимися катками (рис. 2.2.4) содержат в чаше два или три катка. За счет высокой скорости вращения рабочих органов время цикла приготовления в них смеси меньше по сравнению со смесителями с вертикально-вращающимися катками.
Обечайка смесителей облицована резиной. С целью частичного охлаждения смеси используется продувка ее воздухом, подаваемым через днище чаши, однако в современных конструкциях смесителей применение нагнетательной вентиляции для ее подачи в полость смесителя не предусматривается. Разгрузка смеси осуществляется через разгрузочное устройство, расположенное в обечайке смесителя.
На базе смесителей периодического действия с горизонгально-вращающимися катками разработаны смесители непрерывного действия.
Смесители бескатковые с неподвижной чашей. В бескатковых смесителях основным смешивающим органом являются плужки, закрепленные на траверсе вертикального вала. Наряду с ними в чаше могут быть установлены дополнительные быстровращающиеся от отдельного привода мешалки.
Катки и плужки
Катки с горизонталь -ной осью вращения
Катки с вертикальной осью вращения
Катки, плужки, мешалки
Плужки, мешалки, турбины
барабанный
Рис. 2.2.1. Основные типы смесителей
19*
580
Глава 2.2. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ СМЕСЕЙ
Рис. 2.22. Кинематическая схема нормальных смешивающих бегунов:
1 - электродвигатель; 2 - редуктор; 3 - конические шестерни; 4 - катки; 5 и 6 - плужки; 7 - кривошип; 8 - кронштейн кривошипа; 9 - регулирующий винт; 10- разгрузочные дверки днища чаши
Рис. 2.23. Сдвоенные бегуны-восьмерка:
1 - чаша первая; 2 - чаша вторая; 3 и 4 - катковые агрегаты; 5 и 7 - наружные скребки; 6 и 8 - внутренние скребки; 9- непрерывная загрузка материалов; 10- место загрузки; 11 - непрерывная выдача смеси;
12 - электродвигатель для привода обоих агрегатов
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ СМЕСЕЙ
581
Рис. 2.2.4. Принцип работы маятникового смесителя:
1 - ротор; 2 - катки; 3 - плужок; 4 - резиновая обкладка борта чаши; 5 - воздух от вентилятора; 6-отсос
Смесители литейные с вращающейся чашей. Катковые смесители с вращающейся чашей обычно содержат плужки и широкие катки, перекатывающие практически всю площадь чаши. Смесители могут использоваться как в периодическом, так и в непрерывном режимах. Разгрузка смеси осуществляется через центр чаши. В настоящее время эти смесители вытеснены "бескатковыми конструкциями смесителей с вращающейся чашей, в которых смесь интенсивно подвергается воздействию смешивающих рабочих органов в виде быстровращающихся мешалок (турбин) и плужков. Направление вращения смешивающих органов может совпадать с направлением вращения чаши или иметь противоположное направление. Конструкция смесителей характеризуется высокой энергонасыщенностью.
Барабанные смесители. Барабанные смесители не нашли широкого применения в литейном производстве. Конструкция смесителя, как правило, состоит из вращающегося от привода барабана, внутри которого расположен по всей длине шнековый разрыхлитель и валковый каток.
Исходные компоненты смеси загружаются в один конец барабана и с помощью смешивающих элементов одновременно с перемешиванием их между собой перемещаются к разгрузочному устройству, размещенному на другом конце барабана.
Аэраторы для разрыхления формовочных смесей. Аэраторы предназначены для разрыхления отработанной или готовой формовочной смеси. Аэраторы выпускаются в основном двух типов: проходные и надленточные.
В аэраторах проходного типа формовочная смесь из загрузочной воронки поступает на
быстровращающийся ротор с лопатками, с помощью которых она отбрасывается на цепную завесу, при этом происходит разрыхление комков смеси.
В аэраторах надленточного типа (рис. 2.2.5) вал с билами (зубьями) вращается над лентой конвейера с формовочной смесью. Зубья подхватывают с ленты формовочную смесь и перебрасывают ее по ходу движения конвейерной ленты.
Аэраторы имеют кожух с вентиляционным патрубком для отвода пыли. Внутренняя полость кожуха защищена от налипания смеси резиновой облицовкой.
Сита. Сита предназначены для удаления крупных комьев смеси, кусков стержней и других различных включений из формовочных материалов и смесей.
Наибольшее распространение в литейном производстве получили барабанные и плоские вибрационные сита.
Барабанные сита выпускаются, как правило, полигональными с шестью или восемью гранями.
При вращении барабана вокруг горизонтальной или слегка наклонной оси происходит перемещение материала из одного конца барабана, в котором происходит загрузка, к другому. Частицы с диаметром, меньшим размера ячеек, проваливаются через просеивающую поверхность, а крупные куски (комья смеси, стержни и т.д.) выходят из него через край барабана.
Вибрационные сита представляют собой плоскую вибрирующую поверхность, совершающую колебания под действием вибраторов, преимущественно инерционных.
В литейном производстве конструкция этих сит получила несколько меньшее распространение, чем барабанных.
Охладители. Охлаждение отработанных формовочных смесей является необходимым элементом для ее качественной подготовки, особенно если соотношение смесь:металл ниже, чем 10:1. Установлено, что при температуре оборотной смеси свыше 50 °C приготовить смесь практически невозможно.
Охлаждение формовочной смеси достигается в основном за счет испарения влаги, дополнительно вводимой в охладитель, при этом 1 % испарившейся воды снижает температуру смеси примерно на 27 °C.
Наиболее эффективное охлаждение достигается при температуре оборотной смеси свыше 100 °C. При более низких температурах
1215
6^
цепей
Глава 2.2. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ СМЕСЕЙ
Рис. 2.2.5. Аэратор надленточного типа:
/ - ротор для метания смеси; 2 - подвесные цепочки; 3 - отсос горячих газов; 4 - заслонка; 5 - пылесборник; 6 - отсасывающий патрубок для пыли; 7,8,9- люки;
10— ременная передача; И - электродвигатель
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ СМЕСЕЙ
583
смеси эффективность охлаждения резко снижается из-за низкой теплопроводности частиц смеси.
Для повышения эффективности охлаждения оборотной смеси в этом диапазоне температур необходимо обеспечить хороший контакт частиц смеси с подаваемым в охладитель воздухом за счет ее аэрации смешивающими органами или путем приведения ее в псевдо-сжиженное состояние, а также обеспечить эффективный отсос паровоздушной смеси.
Охладитель смешивающего типа, представляет собой агрегат непрерывного действия и состоит из двух чаш, соединенных между собой проемом. Чаши снабжены камерой для подвода воздуха от нагнетательного вентилятора к их полостям через отверстия в стенках камеры.
Разгрузка смеси осуществляется через боковое разгрузочное устройство, открытие и закрытие которого осуществляется в зависимости от количества смеси, пребывающей в полости охладителя, контролируемой по мощности электропривода.
Перемешивание смеси осуществляется с помощью плужков, установленных в каждой чаше.
Мелкие частицы смеси и содержащие значительный процент активного связующего, захваченные при отсосе, осаждаются в циклонах и могут быть вновь возвращены в систему смесеприготовления.
Совмещение транспортных и технологических операций осуществляется в охладительных барабанах.
Охладительный барабан представляет собой обычно цилиндр, слегка наклоненный к горизонту. Часть барабана на конце, противоположном от загрузки, выполнена с перфорацией.
Комья смеси вместе с отливками перемещаются вдоль барабана, при этом комья смеси разрушаются и проходят через перфорированные отверстия, расположенные на конце барабана, а отливки, неразрушенные комья смеси и куски стержней переваливаются через его край и отводятся транспортером.
Охлаждение смеси и отливок производится с помощью подачи воды или воды с дополнительной продувкой воздухом и отсосом паровоздушной смеси.
Существуют также другие конструкции барабанов, в частности, состоящие из внутренней и наружной обечаек, причем просев смеси осуществляется по всей длине барабана через отверстия, расположенные на внутренней его обечайке, а установленная между внутренней и наружной обечайками многозаходная спираль обеспечивает удаление смеси из барабана.
Охлаждение формовочной смеси путем ее приведения в псевдосжиженное состояние с последующей продувкой воздухом осуществляется в виброохладителях (рис. 2.2.6).
Рис. 2.2.6. Виброохладитель:
/ - бункер для обработанной смеси; 2 - уровнемер верхнего уровня; 3 - уровнемер нижнего уровня;
4-ленточный питатель; 5 - передаточный конвейер; 6 - вентилятор высокого давления; 7 - перфорированная плита для продувки воздухом; 8 - желобчатый конвейер охлажденной смеси; 9 - сигнализатор наличия движущегося потока смеси; 10 - трубопровод частичного отбора горячих газов,
11 - коллектор отсоса паров и газов
584
Глава 2.3. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ФОРМ
Помимо охлаждения смеси с помощью специальных агрегатов и установок в литейном производстве применяют способ, при котором часть готовой смеси перепускают в поток отработанной смеси, при этом соотношение смесь:металл может достигать до 20:1 и большего значения.
Магнитные сепараторы. Магнитные сепараторы предназначены для удаления магнитных включений из отработанной формовочной смеси. В литейном производстве выпускаются магнитные сепараторы следующих типов:
шкивные железоотделители, которые устанавливаются вместо приводных или неприводных барабанов ленточных конвейеров;
- подвесные и подвесные саморазгру-жающиеся железоотделители.
Магнитные сепараторы не оказывают какого-либо влияния на производительность смесеприготовительных систем, однако с целью обеспечения высокой эффективности их работы скорость транспортирования смеси не должна превышать 1 м/с, а толщина слоя смеси на ленте должна быть, по возможности, небольшой и равномерной по высоте.
На рис. 2.2.7 приведем одну из типовых схем системы смесеприготовления, на которой показано расположение технологического оборудования в общей схеме процесса приготовления формовочных смесей для литейного производства.
Рис. 2.2.7. Схема смесеприготовительного комплекса:
1 - лента просыпей; 2,29,36 - формирование уровня смеси; 3 - скребок; 4 - лента выбивной решетки;
5 - выбивная решетка; 6 - поддон; 7,35 - желоба; 8 - сброс металлических отходов; 9,19- железоотделители, 10- разрыхлитель, 77 - кинетический датчик массы; 12,20- элеваторы; 13 - гомогенизационный барабан, 14 - труба отсева; 15,18,21,27,33, 37 - ленты передачи; 16,26,32, 38 - бункеры; 7 7 - охладитель, 22 - бункер оборотной смеси; 23,44 - питатели; 24 - бункер-дозатор; 25 - смеситель; 28 - аэратор; 30 - лента готовой смеси; 31 - плуг; 34 - формовочная машина HWS; 35 - бункер свежего песка; 39 - вибропитатель;
40,41 - система подачи воды; 42 - автоматическая лаборатория HARTLEY; 43 - система добавок воды; 45 - пневмотранспорт; 46 - бункер связующего; 47 - бункер угля; 48 - вода; 49 - бункер отходов;
50 - платформа; 57 - трубопровод; 52 - воздуходувка
Глава 2.3
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ФОРМ ИЗ ПЕСЧАНО-ГЛИНИСТЫХ СМЕСЕЙ
2.3.1. ПРЕССОВЫЕ ФОРМОВОЧНЫЕ МАШИНЫ
Процесс уплотнения формовочной смеси при прессовании согласно концепции, предложенной проф., д.т.н. Аксеновым П.Н. [1] и
развитой проф., д.т.н. Орловым Г.М. [4J, происходит под действием приложенной внешней нагрузки, которая вызывает в ней возникновение сжимающих напряжений. Формовочная смесь по своему составу и свойствам близка к грунтам, поэтому можно воспользоваться некоторыми закономерностями, характеризующими поведение грунтов под нагрузкой. Возьмем образец уплотненного материала и приложим к нему вертикальную сжимающую силу W (рис. 2.3.1). В любом горизонтальном сечении образца возникают вертикальные сжимающие
ПРЕССОВЫЕ ФОРМОВОЧНЫЕ МАШИНЫ
585
1Л/
Tn
Рис. 23.1. Зависимость предельных касательных напряжений т связносыпучего тела от нормальных напряжений а
напряжения о . При приложении горизонтальных сдвигающих сил в образце возникают горизонтальные напряжения, которые по достижении ими значений, равных прочности смеси на срез, производят сдвиг в горизонтальной плоскости. Многочисленные эксперименты показали, что у грунтов предельные касательные напряжения т, действующие в горизонтальной плоскости среза, линейно зависят от величины нормальных к поверхности среза напряжений. Эта зависимость, полученная эмпирически, называется законом Кулона и имеет вид
T = otg(p + £, (2.3.1)
где (р - угол внутреннего трения; к - удельная сила сцепления.
В реологии тело, подчиняющееся закону Кулона, называют связносыпучим. При к = О связносыпучее тело превращается в идеальносыпучее, а при (р = 0 - в идеальносвязное.
Уплотнение смеси при прессовании происходит в замкнутом пространстве, ограниченном модельной и прессовой плитами и стенками опоки или камеры прессования при безопочной формовке. При воздействии на смесь прессовой плитой она перемещается вертикально, и любой слой толщиной dz, расположенный на глубине z от поверхности плиты, испытывает на себе действие сжимающих напряжений Oj и в свою очередь передает на нижележащий слой напряжение О) + скзх. Одновременно под действием этих сжимающих напряжений и возникают напряжения аг, аналогичные напряжению т, которые воздействуют на опоку (камеру), а реакция опоки воздействует на смесь. Это воздействие приводит к возникновению в смеси двухосного
сжатия и силы внешнего трения (рис. 2.3.2). Процесс уплотнения формовочной смеси можно разделить на два этапа. На первом этапе происходит уничтожение пор в рыхлой засыпке. На втором этапе уплотнения происходит процесс движения зерен песка с внедрением одних зерен между другими, и поскольку песчинки, составляющие основу смеси, далеки от идеальных шаров, в процессе уплотнения они не только скользят друг относительно друга, но и поворачиваются относительно мгновенных точек контакта с соседними песчинками, упаковываясь в объеме более компактно. Одновременно происходят деформация и разрушение пленок связующего, сцепляющего зерна песка между собой. Первая стадия уплотнения происходит при сравнительно малых нагрузках. На второй стадии нагрузки, необходимые для переупаковки зерен, значительно возрастают.
Если в смеси выделить параллелепипед, то на его вертикальных гранях будут действовать горизонтальные сжимающие напряжения (равные боковому давлению), а на горизонтальных - сжимающие напряжения от внешней прилагаемой нагрузки. Такое состояние объема смеси называется плосконапряженным (рис. 2.3.3) и соответствующим состоянию грунтов при их нагружении внешней силой (например, нижней плоскостью фундамента здания). При таком характере нагружения сдвиги в смеси возможны только по площадкам, расположенным под углом к направлению действия больших главных напряжений Oj, и происходят они в условиях предельно напряженного состояния. Ясно, что срез одной части объема смеси относительно другой произойдет по той площадке (т - п), расположенной под углом (р к направлению действия напряжений О), где разность между действующими касательными напряжениями ту и прочностью на
Рис. 23.2. Нагружение смеси в замкнутом объеме:
1 - модельная плита; 2 - опока; 3 - прессовая плита
586
Глава 2.3. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ФОРМ
срез будет минимальной. При этом, переходя к форме, следует отметить, что сдвиги по площадкам, где наблюдается явление, отмеченное выше, произойдет одновременно во всем объеме уплотняемой смеси. Поскольку смесь находится в опоке (камере), прошедшая деформация будет сопровождаться только перемещением прессующего элемента вдоль вертикальной оси.
Поскольку в каждый момент времени сумма сил, действующих вдоль осей X и Y (см. рис. 2.3.3) равна 0, то можно найти, используя известный круг напряжении Мора, зависимости между Gb о2, ау> ту :
Рис. 2.33. Напряжения в элементарном
(2.3.2)
(2.3.3)
(2.3.4)
(2.3.5)
объеме
ст2 = attg2 (45° - ф/2) - 2 Atg (45° - ф/2);
а, = a2tg2 (45° + ф/2) + 2 Atg (45° + ф/2);
стт = Ст| sin2 у + ст2 cos2 у;
ту =811127(0! -о2)/2,
где о>! - главное большее сжимающее напряжение; о 2 ~ главное меньшее сжимающее напряжение; - нормальное напряжение на площадке т - п; ту - сдвиговое напряжение на площадке т-п; у - угол наклона площадки т - п к направлению действия главных сжимающих напряжений.
Пользуясь уравнением (2.3.1) и уравнениями (2.3.4) и (2.3.5), можно определить, под каким углом происходит сдвиг в материале формы, т.е. определить для каждого момента времени прессования положения плоскостей, по которым происходит сдвиг.
Следует обратить внимание на следующую особенность связносыпучего тела: если данный объем тела находится в условиях предельного равновесия, то при увеличении меньшего главного напряжения а2 система переходит в допредельное состояние и сдвиговые деформации (если они были) прекращаются. Объем переходит в новое состояние предельного равновесия в том случае, если напряжения Oj увеличатся.
Горизонтальная деформация образца может произойти только в том случае, когда ст2 станет больше Oj. В этом случае главными большими сжимающими напряжениями станут
о2 (по данным Орлова Г.М. это может произойти, если о2 увеличится в 115,1 раза).
Указанные зависимости применяются на практике при расчете фундаментов, подпорных стенок, для которых наступление состояния предельного равновесия соответствует допустимому пределу нагружений.
При изготовлении формы процесс уплотнения только начинается с установления состояния предельного равновесия, сдвиги в смеси приводят к увеличению меньшего главного сжимающего напряжения о2 , и для поддержания состояния предельного равновесия и продолжения уплотнения необходимо все время, пока идет уплотнение, увеличивать первые главные сжимающие напряжения Oj, переводя смесь в новое состояние предельного равновесия.
Процесс уплотнения в этом случае может продолжаться до достижения предельной плотности, значение которой зависит от состава и свойств смеси.
Конкретные значения плотности смеси зависят от сжимающих напряжений, действующих в данной точке формы.
Поскольку определяющими напряженное состояние смеси при уплотнении являются большие главные сжимающие напряжения и на их величину можно оказывать влияние, то в уравнения, связывающие сжимающие напряжения с плотностью, достаточно ввести только
ПРЕССОВЫЕ ФОРМОВОЧНЫЕ МАШИНЫ
587
главные большие сжимающие напряжения, равные на плоскости контакта с прессующим элементом давлению прессования (= рпр).
Многими исследователями было предложено около полутора десятков эмпирических уравнений, связывающих среднюю плотность смеси со средним давлением на прессующем элементе. Найденная средняя плотность смеси зависела в действительности не только от давления прессования и сопротивления смеси уплотнению, но и от сил взаимодействия смеси с опокой. При изменении размеров опок, материала стенок изменялась и плотность смеси при одних и тех значениях рпр . Вместе с тем, во всех уравнениях, за исключением уравнения (2.3.6), предложенного Н.П. Аксеновым, отсутствуют коэффициенты, характеризующие влияние упомянутых параметров:
8= 1000+ С(рпр)0'25, (2.3.6)
где 5 - плотность смеси, кг/м; рпр - давление прессования, Н/м2; С = 22...34 - коэффициент, зависящий от высоты смеси в опоке до прессования.
Из аналитических уравнений наиболее точным является уравнение прессования, предложенное Г.Ф. Баландиным:
dcsx=A^de, (2.3.7)
где Aq - модуль, характеризующий сопротивление смеси сжатию; 8 - натуральная (полная) относительная деформация смеси при уплотнении.
Можно показать, что de = <Z8/8 , где 8 -плотность смеси.
Тогда, приняв Ао = А((УХ )z, где А и z -коэффициенты, характеризующие свойства данной смеси, получим
d<sx = А(ах У d&/$. (2.3.8)
После интегрирования уравнения и подстановки граничных условий (при Cij —>оо, §-> 5тах) получим
8/8 щах = («01 /Smax У • (2-3.9) где s = l/^j)1"2; 801 - плотность смеси при 0)= 0,1 МПа; 8тах - плотность смеси при
О1 = 10 МПа. (Такое значение Oj целесообразно принять, так как при больших значениях начинается интенсивное дробление зерен смеси).
В частном случае, когда z = 1, из уравнения (2.3.7) получим
S = Smax («1 /«max У- <2.3.10)
где ц= 1/А- коэффициент уплотняемости.
В тех случаях, когда уравнение (2.3.7) применяют для определения плотности смеси по известному давлению прессования, коэффициент z определяют при уплотнении смеси в гильзе.
Коэффициент z - 1 получается при уплотнении в стабилометре, что соответствует уплотнению элементарного объема в условиях отсутствия внешнего трения, то есть зонам формы, удаленным от стенок. Поэтому в качестве уравнения прессования можно использовать уравнение (2.3.10).
На основании вышеизложенного представления о механизме уплотнения прессованием Г.М. Орловым и его учениками [2] создана методика, алгоритм и программа для расчета напряженного состояния литейной формы и распределения плотностей в сечениях формы при прессовании с помощью ЭВМ. Однако эта методика позволяет провести решения для форм без моделей или для форм, содержащих одну модель простой конфигурации, методом конечных разностей и по отдельным частям с введением различных граничных условий для эти^с частей. При этом распределение плотностей формы определялось только по высоте столба смеси. В последнее время, благодаря развитию и совершенствованию компьютерной техники и вычислительных технологий, появилась возможность решить задачу распределения плотности по сечению формы с моделями любой конфигурации не только для вертикальной плоскости сечения, но и для горизонтальных плоскостей сечения формы. Основная предпосылка получения решения -представление формовочной смеси (ФС) как нелинейно деформируемого тела и распространение на нее положений соответствующих теорий упругости, пластичности, ползучести и др. Теорию нелинейной упругости используют только на этапе нагружения смеси, поскольку при снятии нагрузки или ее уменьшении ФС имеет незначительную обратную упругую деформацию.
588
Глава 2.3. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ФОРМ
При составлении математических моделей использовали уравнения, определяющие зависимость вектора деформаций е от напряжений о применительно к плоскому деформированному состоянию ФС. Зависимость Е (переменного модуля деформирования ФС) от плотности ФС найдена сопоставлением уравнений Гука с одним из уравнений прессования, а именно, уравнением Г.Ф. Баландина. Объединение этих уравнений позволило получить систему уравнений, которая решалась методом конечных элементов (МКЭ). Необходимо отметить, что МКЭ обладает следующими достоинствами: свойства материалов смежных элементов могут быть разными, что позволяет применять метод к телам, составленным из нескольких материалов; криволинейная область может быть аппроксимирована с помощью прямолинейных элементов, что полезно при исследовании расчетным путем форм с моделями, имеющими сложные контуры, уклоны, радиусы закруглений; размеры элементов могут быть переменными, что позволяет укрупнить или уменьшить сетку разбивки области на элементы, если возникает такая необходимость; с помощью МКЭ легко рассмотреть граничные условия с разрывной поверхностной нагрузкой, а также смешанные граничные условия.
В результате проведения стандартных процедур МКЭ приходят к следующей системе уравнений:
где {X} - вектор угловых перемещений (искомая величина); [К] - матрица жесткости системы, зависит от координат и свойств элементов модуля Е; {F} - вектор нагрузки, характеризует силы, действующие в элементах.
Этим методом может быть решена задача о прессовании с любыми граничными условиями (конфигурацией моделей, характером и направлением приложения нагрузки). Он позволяет рассчитать оптимальное давление прессования для конкретных моделей, расположение моделей на модельной плите, выбрать плоскость разъема формы. МКЭ может быть использован в системах САПР при проектировании техпроцесса изготовления форм (программы находятся в АО ’’Литаформ").
Разновидности прессования. Очевидно, что масса смеси в объеме уплотненной формы должна быть равна массе смеси, поданной из
дозатора перед прессованием, а объем ее должен быть больше объема смеси, уплотненной в опоке (камере). Поэтому на опоку устанавливают наполнительную рамку, которая по внутренним размерам в плане соответствует опоке, а по высоте зависит от высоты опоки и объема моделей, располагаемых в ней. Поскольку масса смеси до прессования и после него остается постоянной, можно составить уравнение
WCM = 8кГопЯОп = 8оЛ,п(Яоп + й) - .
(2.3.11)
Отсюда, после преобразования, получим:
Л = (Яоп-Им/ЯопХбк/8о-0. (23.12)
где h - высота наполнительной рамки; Ноп -высота опоки; Им /Еоп - приведенный объем моделей; 5К и 60 - конечная и начальная плотность смеси.
При уплотнении прессующий элемент машины проходит через наполнительную рамку и впрессовывает смесь из рамки в опоку.
В зависимости от того, с какой стороны относительно опоки расположена наполнительная рамка, различают три вида прессования (рис. 2.3.4): верхнее (а), нижнее (б) и двухстороннее (в).
При любом виде прессования сжимающие напряжения в смеси по мере удаления от поверхности прессующего элемента уменьшаются за счет действия сил внешнего трения (рис. 2.3.5, а). Можно показать, что это уменьшение протекает по экспоненциальному закону:
(2.3.13)
а = е/Е-, (2.3.14)
^ОП
где pz - давление прессования в смеси на удалении z, мм, от прессующего элемента; рк -давление прессования на границе "прессующий элемент - смесь"; 8 - коэффициент бокового давления; е - основание натуральных логарифмов; U - периметр опоки; f - коэффициент внешнего трения; Fon - площадь опоки.
Однако этот закон полностью проявляется только в средней части объема уплотняемой смеси. Вблизи же прессующего элемента и модельной плиты, как показал А. А. Волкомич, этот закон нарушается из-за проявления торцевого трения смеси о прессующий элемент и модельную плиту, что приводит к некоторому
ПРЕССОВЫЕ ФОРМОВОЧНЫЕ МАШИНЫ
589
Рис. 23.4. Схема верхнего (а), нижнего (б) и двустороннего (в) прессования:
/ - прессовая плита; 2 - наполнительная рамка; 3 - опока; 4 - модельная плита; 5 - профильная плита
0} ff)
Рис. 2.3.5. Схема к расчету сжимающих напряжений в форме с учетом трения: а - бокового; б - бокового и торцевого
снижению силы бокового давления на опоку и образованию в форме так называемых пирамид деформации (пунктир на рис. 2.3.5, б). По мере удаления рассматриваемого слоя смеси от прессующего элемента влияние торцевого трения на величину р2 уменьшается. Это явление можно учесть введением в расчетную формулу для определения р2 поправочного коэффициента, который изменяется по какому-то закону на высоте формы, равной высоте пирамиды деформации. Изложенное позволяет понять, почему плотность формы убывает по мере удаления от прессующего элемента. При достаточно большой высоте опоки сжимающие напряжения могут оказаться настолько малыми, что смесь будет слабо или совсем не уплотнена. Отсюда следует, что прессование может применяться для форм сравнительно малой высоты.
При верхнем прессовании, когда наполнительная рамка расположена со стороны контрлада, сжимающие напряжения в зоне расположения модельной плиты ниже, чем при
нижнем, когда прессующим элементом является сама модельная плита, и можно ожидать, что плотность формы в зоне отпечатков моделей будет больше. Кроме того, следует отметить, что смесь в узком кармане между стенкой опоки и моделью испытывает на себе влияние трения смеси о модель, что при верхнем прессовании усиливает падение сжимающих напряжений в смеси, а при нижнем, наоборот, увлекает смесь при движении модели с собой, чем компенсируется влияние трения об опоку. Однако такое улучшение уплотнения может происходить только при наличии в форме одной крупной модели, так как в промежутках между моделями и в полостях, для получения выступающих частей формы, силы внешнего трения препятствуют уплотнению смеси вне зависимости от вида прессования.
Следует отметить также, что применение нижнего прессования создает сложности при дозировании смеси. При верхнем прессовании допускается дозирование смеси с отклонением в большую сторону, что компенсирует также
590
Глава 2.3. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ФОРМ
колебание свойств смеси. Излишек смеси выступает за границы опоки после прессования, и его обычно срезают. При нижнем прессовании смесь выступает из опоки со стороны лада и срезать ее нельзя, сборка проводится по смеси, что может привести к разрушению формы. При прочих равных условиях при нижнем прессовании получается меньшая точность формы, так как опока сопрягается с рамкой, расположенной на столе машины, а модельная плита - с подвижными относительно этого стола частями прессового механизма. Поэтому нижнее прессование можно рекомендовать в специализированных машинах, обеспечивающих в конце процесса уплотнения выход модельной плиты на лад опоки, что достигается выдавливанием всего объема смеси через опоку в сторону прессующего контрлад элемента, а также если отливка размещается в одной полуформе, или когда процесс позволяет получать какой-то новый дополнительный эффект. При двустороннем прессовании, которое можно осуществлять одновременно и последовательно, получается более равномерное распределение плотности по высоте формы. Зона наименьшей плотности располагается у стенки опоки примерно на половине ее высоты. При одновременном двустороннем прессовании внешняя сила трения, действующая в верхней половине опоки, уравновешивается внешней силой трения, действующей в нижней половине опоки и поэтому, теоретически, опока не давит на стол машины. Однако работа сил остается без изменения. При двустороннем прессовании невозможно обеспечить точное положение уплотненной смеси относительно опоки даже при синхронном движении модельных плит. Поэтому двустороннее прессование целесообразно применять в том случае, когда необходимо обеспечить плотность одинаковую с обеих сторон формы и когда положение лада и контрлада формы относительно
опоки не оказывает влияния на последующие операции, что наблюдается только при без-опочной формовке, а опока является камерой прессования.
При прессовании формы с моделями плоской колодкой возникает сильное перенапряжение и переуплотнение объема смеси над моделью (особенно, если велика горизонтальная поверхность модели) и недостаточные напряжения и недоуплотненность смеси в объемах вокруг моделей. Причиной этого, очевидно, являются геометрические соотношения высот объемов смеси над моделью и вокруг нее до прессования и после него. Это явление - основной дефект метода уплотнения прессованием.
Для ликвидации указанного недостатка в литейном производстве предложено несколько способов, основными из которых являются следующие:
Прессование профильной прессовой колодкой (рис. 2.3.6, а). При этом способе на прессовой колодке против карманов в оснастке и по периферии опоки делаются выступы, которые входят в контакт со смесью раньше, чем части колодки, расположенные над высокими частями моделей, и таким образом в конце прессования выравнивают относительные деформации столбов смеси в карманах и над выступающими частями смеси. Высота выступа на колодке рассчитывается в зависимости от высоты модели под ним:
х = Ям(1-80/8), (2.3.15)
где х - высота выступа; Ни - высота выступающего элемента модели; 60 и 5 - плотность смеси до и после уплотнения.
На практике при сложных моделях применяют колодки, имеющие несколько выступов разной высоты.
Рис. 2.3.6. Прессование фасонной колодкой (а) и профильной плитой (б):
/ - фасонная колодка; 2 - наполнительная рамка; 3 - опока; 4 - модельная плита; 5 - профильная плита
ПРЕССОВЫЕ ФОРМОВОЧНЫЕ МАШИНЫ
591
Разновидностью профильной прессовой колодки является контурная прессовая плита (рйс. 2.3.6, б). При ее использовании выступы входят в соответствующие промежутки между моделями и стенками опоки, смесь уплотняется непосредственно в этих промежутках. При движении выступа смесь отжимается к стенке модели, чему способствуют закругления на углах выступов и уклоны боковых стенок. Ширина выступа b = (0,25...0,33)^ ; утолщение выступа 61 = (0,25...0,33)6; общая высота выступа хв =(1...1,2)ЯМ, а части выступа х^=60...75 мм, z = 35...50 мм. При Ям < 100 мм 61 = 0. При использовании контурных плит возникают дополнительные операции: засыпка смеси в образовавшиеся углубления и последующая допрессовка формы. Однако профильная плита дает хорошее выравнивание плотности формы в случаях узких карманов в оснастке.
Прессование с предварительным профилированием смеси по контрладу формы. Прессование проводится плоской плитой, а на контрладе над выступающими частями моделей удаляется часть смеси. Для профилирования можно применять шаблоны, перемещаемые по контуру опоки. Глубина профилировки предварительно рассчитывается по уравнению
д> = Ям(8/80-1), (2.3.16)
где у - высота объема удаляемой смеси (глубина профилированной выемки); Нм - высота модели; 80, 8 - плотность смеси до и после прессования соответственно.
Для сложных моделей высоты как выступов на колодке, так и углублений смеси рассчитывают отдельно для каждого элемента модели. Однако следует отметить, что опреде
ление величины х или у проводится из чисто геометрических соотношений и не учитывает неравномерности степени уплотнения по высоте в отдельных столбах смеси в форме; появляется необходимость изготовления дополнительных элементов оснастки (фасонная колодка, шаблон и копиры), которые надо менять при смене модельных плит.
Прессование гибкой диафрагмой. Активная диафрагменная головка. При этом методе гибкая диафрагма, смонтированная на головке машины, к которой снизу прижимается опока со смесью, при впуске в головку воздуха (рис. 2.3.7, а) деформирует формовочную смесь в опоке больше всего в тех местах, где она меньше уплотнена и участок формы более податлив. При диафрагменном прессовании давление на смесь равно давлению воздуха в головке машины. Диафрагменное прессование дает практически равномерное уплотнение форм с моделями только при достаточно большом расстоянии между моделями (минимальное расстояние между моделями 40...50 мм). При диафрагменном прессовании давление на опоку в верхних частях формы оказывается максимальным, так как торцевое трение не мешает смеси у поверхности диафрагмы двигаться к стенкам опоки, а диафрагма, внедряясь в смесь, передает давление через смесь на опоку.
Пассивная диафрагменная головка. Кроме разобранной выше активной диафрагменной головки применяют и пассивные (рис. 2.3.7, б). В этом случае эластичный элемент сплошной, и его изготавливают из пластичного материала: технической или вакуумной резины, гидропласта. В этих головках напряжения, возникающие в смеси в зоне контакта головки с диафрагмой, зависят от величины деформации эластичного элемента и его свойств. Эластичный элемент деформируется таким образом, что напряжения
Рис. 2.3.7. Активная (а) и пассивная (б) диафрагменные прессовые головки:
/ - диафрагма; 2 - корпус головки; 3 - рабочее тело; 4 - опока; 5 - модельная плита
592
Глава 2.3. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ФОРМ
на контактной поверхности элемент-смесь практически выравниваются. Контрлад формы при диафрагменном прессовании повторяет (приблизительно) конфигурацию модельной оснастки. Следует отметить, что применение активной головки возможно только при верхнем прессовании. Пассивная головка может применяться как при верхнем, так и при нижнем прессовании.
Прессование многоплунжерной головкой. Этот вид прессования является наиболее распространенным. Прессование контр лада осуществляется с помощью башмаков, установленных на штоках гидроцилиндров (число башмаков от 30 до 100 и более), объединенных в корпусе головки. Головки бывают активные и пассивные. В случае активной головки (рис. 2.3.8) жидкость от генератора давления поступает в цилиндры и каждый из башмаков автономно уплотняет смесь под собой. Возможно управление воздействием на смесь за счет программирования очередности впуска жидкости в цилиндры головки, что, например, может уменьшить переуплотнение над моделью за счет сдвига (перетекания) излишней смеси из этого объема в неуплотненный соседний объем над карманом в оснастке. Возврат плунжеров в первоначальное состояние может осуществляться подачей жидкости в нижнюю полость цилиндра или пружинами.
Пассивные головки (рис. 2.3.9) не нуждаются в подаче жидкости от генератора давления. Рабочие полости цилиндров, заполненные жидкостью, соединяются между собой, и поэтому когда при прессовании в зонах смеси с повышенным сопротивлением происходит торможение башмаков головки, жидкость из цилиндров, связанных с этими башмаками, перетекает в соседние цилиндры, продвигая управляемые ими башмаки в форму. Процесс уплотнения прекращается при выравнивании
Рис. 23.9. Пассивная многоплунжерная головка
сопротивления на пути движения всех башмаков. Вместо жидкости в пассивных головках в рабочих полостях цилиндров могут быть установлены пружины. Пассивные головки являются как бы самонастраивающимися фасонными колодками.
По действию на форму многоплунжерные головки аналогичны диафрагменным. Разница только в том, что диафрагма дает плавный непрерывный контур контрлада формы, а многоплунжерная головка - дискретный, ломаный с площадками, равными площади башмаков (обычно размер башмаков 200x200 мм). Активные головки могут применяться только для верхнего прессования, пассивные - и для верхнего и для нижнего.
Прессование решеткой. Обычно решетка состоит из ряда параллельных пластин-ребер, соединенных рамкой (рис. 2.3.10). При прессовании формы решеткой в зонах над моделями (переуплотненных) возникают большие напряжения. В этих зонах смесь начинает выдавливаться через зазоры между пластинами. В результате плотность под решеткой выравнивается по всему горизонтальному сечению формы. При необходимости смесь можно выдавливать через решетку до тех пор, пока не будет получена форма заданной высоты. Решетка может состоять из взаимно перпендикулярных
Рис. 23.8. Активная многоплунжерная головка
Рис. 23.10. Прессование решеткой: 1 - решетка; 2 - модель
ПРЕССОВЫЕ ФОРМОВОЧНЫЕ МАШИНЫ
593
ребер. Плоская перфорированная плита с отверстиями и плита с вертикальными стержнями, имеющими плоские торцы, также может рассматриваться как решетка. Решетку можно применять как при верхнем, так и при нижнем прессовании. Этим способом можно получить нижним прессованием полуформу, лад которой совпадает с ладом опоки.
Прессование под высоким давлением. Все приведенные выше способы воздействия на смесь не снимали явления убывания сжимающих напряжений по высоте опоки, что не позволяло достичь нужной плотности смеси на удалении от прессующего элемента, особенно в случаях применения высокопрочных смесей, поэтому формы, уплотняемые прессованием, обычно имели малую высоту (150...200 мм). После применения диафрагменных головок, где давление прессования увеличилось до 0,5 МПа, развитие прессования пошло по линии повышения давления прессования. Давления прессования 1,5... 2,0 МПа и даже 4...5 МПа привели к возможности увеличения высоты опок и некоторому выравниванию плотности над и вокруг моделей даже при применении плоской жесткой колодки. Однако применение высоких и сверхвысоких давлений прессования приводят к деформации моделей и опок, упругим деформациям зерен смеси и защемлению отдельных частей формы в модели, обрыву болванов смеси при съеме форм, а также обратной упругой деформации полости отпечатка модели, что может привести к уменьшению точности литья. Для уменьшения указанных явлений давление прессования ограничивают значениями 1..1,5 МПа.
Прессование лопастным рабочим органом. В этом методе процесс заполнения формы и ее уплотнение совмещены. Лопастная головка состоит из бункера, внутри которого расположены вертикальные валы с двумя лопастями на нижнем конце (рис. 2.3.11). Каждый лопастной орган подает смесь в свой направляющий цилиндр, расположенный в устье бункера. Диаметр внешней кромки лопастей 150... 350 мм, поэтому число рабочих органов зависит от размера формы. Лопасть имеет винтовую поверхность, между лопастями существует зазор. В бункер засыпают смесь. К плите головки прижимают опоку, стоящую на модельной плите. При вращении валов лопасти захватывают формовочную смесь и подают ее в опоку. После заполнения опоки смесь продолжает поступать в опоку - начинается процесс
Рис. 23.11. Лопастная прессующая головка:
1 - бункер; 2 - вал; 3 - разрыхлители;
4 - направляющий цилиндр; 5 - плита; 6 - опока;
7 - модельная плита
уплотнения. (Известны также головки, у которых вместо лопастей используются конические катки, катящиеся по смеси). Для того, чтобы смесь не зависала в бункере, на валах смонтированы разрыхлители. Время изготовления формы 8... 10 с. Для повышения производительности под головку можно подавать предварительно заполненную опоку. Существуют также головки, позволяющие проводить послойное уплотнение. В этом случае лопастные элементы перед началом уплотнения через направляющие цилиндры входят в полость опоки и по мере уплотнения смеси под ними перемещаются от модельной плиты к контрладу полуформы. Лопастное уплотнение может быть использовано для форм любых размеров, в том числе и с крестовинами. Недостатками являются сложность головки, износ рабочих органов и возможное, при сложных моделях, появление "теневых зон" около вертикальных стенок моделей на обратных, по отношению к направлению вращения лопастного органа, сторонах.
Прессование роторной головкой. Роторная головка имеет несколько прессующих валков (рис. 2.3.12), под которыми перемещается полуформа.
Рис. 23.12. Роторная прессовая головка: 1 - валок; 2 - опока
594
Глава 2.3. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ФОРМ
Валок прижимается к смеси силой N, и вращается обычно в сторону, противоположную движению от специального привода. Каждый валок уплотняет смесь на определенную глубину hh и из-под последнего валка полуформа выходит полностью уплотненной. Если подшипники валка могут перемещаться в вертикальном направлении, то уплотнение происходит с профилированием формы в вертикальной плоскости, совпадающей с направлением движения формы. Для лучшего профилирования смеси в плоскости, перпендикулярной направлению движения, применяют валки, состоящие из нескольких упругих дисков, которые связаны с валом через торцевые фрикционные подпружиненные элементы. Известны также головки, состоящие из большого количества узких валков, каждый из которых закреплен на штоке поршневого привода. Катки расположены в шахматном порядке, ширина катков каждого последующего ряда увеличивается. Индивидуальный поршневой привод позволяет изменять силу прижима катка к смеси. Применяют также эластичные валки, представляющие собой оболочку, заполненную газом, жидкостью или пенистым веществом. По данным П.Н. Аксенова, диаметр валка D следует выбирать в зависимости от высоты слоя смеси Л„ впрессовываемого валком, и угла захвата, то есть угла, обеспечивающего накатывание валка на смесь без сдвига ее перед валком. Угол захвата примерно равен половине угла внешнего трения материала катка о смесь. Рассмотренный метод обеспечивает высокую производительность и непрерывное движение полуформ через машину. Однако, учитывая то, что зона контакта между валком и смесью невелика, а зона, в которой действуют самые большие сжимающие напряжения, представляет собой линию, следует отметить, что напряжения в смеси по мере удаления от этой линии быстро рассеиваются в не ограниченном стенками пространстве. Даже при уплотнении тремя эластичными валками разброс твердости по высоте формы получается большим (особенно мала твердость в углу опоки), поэтому данный метод рекомендуется применять только для уплотнения низких форм.
Текучесть смеси. Для расширения области применения прессования рекомендуется использовать текучие смеси. Под термином '’текучесть” при прессовании следует понимать способность смеси обеспечивать получение форм постоянной (по сечению) плотности.
Равномерность уплотнения определяется коэффициентами внешнего и внутреннего трения, уплотняемости, начальной и предельной плотностью смеси. Первый параметр зависит от состава смеси и от свойств материала оснастки, качества обработки ее поверхности, остальные - от состава смеси. Текучесть смеси определяется по технологической пробе Г.М. Орлова (рис. 2.3.13) - по соотношению твердостей в точках А и В. У высокотекучих смесей текучесть достигает 90...95 %, а у низкотекучих - 50 %. Эксперименты А.А. Волко-мича показали, что текучесть смеси зависит в основном от коэффициента внешнего трения и практически не зависит от внутреннего трения и прочности смеси на сжатие. Коэффициент внешнего трения можно уменьшить тремя способами: изменяя состав смеси, материал рабочей части модели или применяя антифрикционные разделительные материалы для покрытия моделей перед засыпкой смеси.
Наиболее перспективным и эффективным является способ применения антифрикционных смазок-разделителей, так как изменить материал моделей нельзя из-за нагрузок при уплотнении, а поверхность модели подвергается абразивному износу.
Конструкции прессовых машин. Прессовая машина состоит из рамы, прессового механизма, прессовой плиты (решетки) или заменяющей ее прессовой головки (диафрагменной, многоплунжерной). В случае применения активных головок прессовый механизм выполняет задачу прижимного, в его функцию будет входить только прижим полуформы к головке. Рама машины состоит из верхней и нижней траверс, соединенных между собой стойками. Рамы машин для опок малого размера обычно выполняются открытыми (рис. 2.3.14 а, б, в), в этом случае прессовый элемент, как правило, удаляется из положения "над опокой" поворотом траверсы или по ней откатывается
Рис. 23.13. Проба Г.М. Орлова
ПРЕССОВЫЕ ФОРМОВОЧНЫЕ МАШИНЫ
595
Рис. 23.14. Схемы прессовых машин:
7 - нижняя траверса; 2 - прессовый механизм; 3 - стол; 4 - прессовая плита; 5 - верхняя траверса, 6 - стойка (колонна), 7 - разгружающая штанга; 8 - замок; 9 - каретка перемещения плиты (головки), 10 - цилиндр перемещения
назад с тем, чтобы они не мешали установке опок, засыпке смеси и удалению полуформ. Открытая одностоечная рама при больших нагрузках испытывает изгиб стойки, что может привести к значительному отклонению прессующего элемента и непараллельности лада и контрлада формы. Для форм средних и крупных размеров, особенно в случаях применения высоких давлений прессования, используются рамы замкнутого типа (рис. 2.3.14 г, д, е). Рама на схеме г обладает разгружающей штангой, которая после поворота траверсы в рабочее положение соединяет замком верхнюю и нижнюю половины и на время прессования создает замкнутую раму. Однако рамы типа д и е предпочтительнее, так как имеют большую жесткость, хотя и создают сложность при установке опок, засыпке смеси и удалении полуформ и часто приводят к разделению переходов операции получения полуформ по месту установки, засыпки и удаления их.
Силовые механизмы прессовых машин -пневматические или гидравлические цилиндры, которые могут устанавливаться как внизу, под формой, так и наверху, над формой. Расположение цилиндра не влияет на характер прессования. Машины с расположением прессового цилиндра на верхней траверсе делают реже, так как при значительных размерах опок прессовый цилиндр, особенно пневматический, имеет большие размеры и массу (рис. 2.3.15). Поэтому эта схема чаще применяется для машин с гидравлическим приводом. Особенно
стью конструкции прессового пневматического цилиндра следует считать применение на поршне колец прямоугольного сечения из маслостойкой резины, в канавку под которые подводится сжатый воздух из рабочей полости цилиндра. Таким образом, кольцо интенсивно прижимается к стенке только при рабочем ходе, а при возвратном движении, за счет упругости резины, это усилие резко снижается, что значительно уменьшает износ колец. Поршни большого диаметра целесообразно делать "плавающими", не имеющими жесткого соединения со штоком или стаканом прессового стола. Такая конструкция допускает уменьшение точности обработки цилиндра, не требуя строгой соосности зеркала цилиндра и направляющих поверхностей для скольжения стакана стола. Поскольку при высоком давлении прессования тре-
Рис. 2.3.15. Пневматический прессовый механизм с верхним расположением цилиндра: 1 - прессовый цилиндр; 2 - многоплунжерная головка; 3 - стол машины
596
Глава 2.3. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ФОРМ
буются большие размеры рабочих цилиндров, а само давление достигает существенных величин к концу процесса уплотнения, то для уменьшения размеров рабочего поршня механизма и возможности использования сжатого воздуха цеховой сети или гидростанций, обеспечивающих высокий расход жидкости при сравнительно низком давлении (2,5 МПа), применяются пневмо-гвдроусилители (рис. 2.3.16), мультипликаторы давления (рис. 2.3.17) и рычажные усилители с рычагами Эйлера (рис. 2.3.18), которые дают
возможность получать характеристику нарастания усилий на прессующем элементе близкой к кривой нарастания сопротивления в смеси при деформации.
В случае использования пневмогидроусилителя или мультипликатора первая часть хода прессового поршня (2/3 хода) осуществляется за счет подачи воздуха по сети или
Рис. 23.16. Схема прессового механизма с пневмогидроусилителем:
1 - воздушная полость усилителя;
2 - пневматический поршень; 3 - прессовый поршень; 4 - плунжер; 5 - бак;
6 - прессовый цилиндр
Рис. 23.17. Схема гндромультипликатора:
1 - прессовый цилиндр; 2 - прессовый поршень; 3 - поршень мультипликатора; А - подвод жидкости на первой стадии уплотнения; В - подвод жидкости на второй стадии уплотнения
жидкости от гидростанции непосредственно в рабочую полость прессового цилиндра, а вторая (1/3) - за счет подачи жидкости от усилителя или мультипликатора.
Расчет прессового механизма. Расчет прессового механизма сводится к определению площади поршня этого механизма. Расчет проводится для момента конца процесса прессования в условиях, когда все силы в системе максимальны, а движение поршня закончено. В качестве расчетного используется уравнение движения при условии, когда ускорение равно нулю, что превращает его в уравнение силового равновесия. Расчет хода поршня - это расчет высоты наполнительной рамки. К расчетной высоте добавляется 20...25 % на обеспечение предварительного зазора между смесью и прессующим элементом в начале прессования.
Рис. 23.18. Схема работы рычажного механизма:
а - до прессования; б - после прессования; в - схема рычажного механизма; г - схема синхронизирующего параллелограмма, обеспечивающего плоскопараллельное движение прессовой плиты; / - прессовый цилиндр, 2 - рычажный механизм; 3 - прессовая плита; 4 - полуформа
ВСТРЯХИВАЮЩЕ-ПРЕССОВЫЕ ФОРМОВОЧНЫЕ МАШИНЫ
597
Для расчета прессовых механизмов с мультипликаторами и пневмогидроусилителями следует, задавшись размерами рабочего цилиндра машины, из уравнения силового равновесия системы определить давление жидкости в рабочем цилиндре машины, которое должно быть достигнуто для обеспечения уплотнения. Далее, задавшись площадью плунжера мультипликатора (усилителя), рассчитывается площадь поршня этого цилиндра. Ход поршня мультипликатора рассчитывают, исходя из объема жидкости, который должен поступить из мультипликатора в рабочий цилиндр машины, и объема, который вытесняется плунжером мультипликатора из его рабочей полости.
Расчет цилиндров для работы рычагами Эйлера заключается в пересчете необходимого усилия прессования с помощью коэффициента усиления рычажного усилителя на усилие на штоке рабочего цилиндра. После чего проводится обычный расчет параметров рабочего цилиндра.
Остальные расчеты элементов конструкций прессовых машин являются прочностными. Для проведения этих расчетов, не являющихся специфическими, можно рекомендовать методики А.И. Горского [3].
2.3.2. ВСТРЯХИВАЮЩЕ-ПРЕССОВЫЕ ФОРМОВОЧНЫЕ МАШИНЫ
Формовочные машины (ФМ) - машины для изготовления разовых литейных полуформ и форм из дисперсных формовочных материалов с помощью модельно-опочной оснастки. Наиболее дешевые и повсеместно применяемые дисперсные материалы - песчано-глинистые смеси - подвергают уплотнению с помощью различных механических воздействий. Преимущественное применение имеют два способа уплотнения - встряхивание и прессование. Прессование является самым простым способом уплотнения и реализуется сжатием уплотняемого объема смеси в формовочной камере между модельной плитой и прессовой колодкой. Встряхивание связано с движением объекта, собственно "встряхивание сыпучей среды" происходит при резком изменении направления и скорости движения формовочной камеры, в ФМ встряхивание реализуется при ударном торможении падающего стола и установленных на нем модельной плиты и опоки, заполненной смесью.
Совершенствование процесса прессования и создание эффективных формовочных прессов осуществлялось по нескольким направлениям. Путем повышения давления прессования до 1,0...4,0 МПа перешли к прессованию под высоким давлением, которое обеспечивает высокую плотность, более четкие контуры и качество поверхности форм и высокую производительность. Однако при .этом пришлось резко повысить жесткость и массу ФМ и модельно-опочной оснастки, кроме того, наблюдаются значительная упругая деформация опоки и смеси и искажение геометрии полуформы после вытяжки модели. Другой путь - выравнивание давления на уплотняемые столбы смеси по всей площади опоки реализуется усложнением прессовой колодки и трансформацией ее в сложную прессовую головку -эластичную или многоплунжерную. Однако ни применение прессовых головок, ни повышение давления прессования не устраняют известного недостатка процесса - неравномерности уплотнения, особенно при изготовлении высоких и сложных полуформ с узкими зазорами. Единственный путь устранения этого недостатка - предварительное (перед прессованием) уплотнение нижних и средних слоев формовочной смеси - наиболее эффективно достигается встряхиванием. Поэтому преобладающее распространение получили ФМ, которые снабжены наряду с прессами также встряхива-телями и которые названы встряхивающе-прессовыми формовочными машинами (ВПФМ). Здесь говорят о "комбинированном уплотнении" формовочной смеси, которое достигается комбинацией встряхивания и прессования в различных сочетаниях.
Часто режим прессования с ударной вибрацией, возникающей при ударах ударника по столу, прижатому прессовым поршнем через уплотняемую формовочную смесь к прессовой колодке, называют "встряхиванием с одновременным прессованием", что не является терминологически правильным. Встряхивание связано с движением объекта; движение стола вверх в результате удара для прессов и вибраторов разной мощности изменяется по ходу уплотнения от 3,0 до 0,5 мм для мощных вибраторов и от 1,0 до 0,1 мм для небольших высокочастотных вибраторов. Такое незначительное движение не может встряхнуть весь объем смеси, защемленный мощным прессом между модельной плитой и прессовой колодкой. Вибратору удается встряхнуть только
ж
модельную плиту и опоку и прилегающие к ним слои смеси, для остальных слоев и объемов реализуется лишь импульсное повышение сжимающих напряжений выше давления прессования в 1,1... 1,6 раза. Происходит ударновибрационное нагружение смеси, наложенное на сжатие смеси прессованием, а машины, реализующие эти процессы, правильнее называть вибропрессовыми.
Широкое применение ВПФМ связано не только с универсальностью, но и с большими технологическими резервами используемых процессов уплотнения формовочных смесей. Для более полного использования этих резервов встряхивающие и прессовые механизмы непрерывно совершенствовались. Созданы тысячи разнообразных конструкций встряхи-вателей, прессов и вибраторов, сотни из них серийно изготавливались и работают в промышленности. Известное разнообразие конструкций можно классифицировать по многим признакам.
ВПФМ могут быть одно-, двух- и многопозиционными, универсальными и специализированными (например, в линиях блоков цилиндров). В многопозиционных ФМ уплотнение формовочной смеси реализуется на одной или на двух позициях, в последнем случае на первой из этих позиций производится предварительное уплотнение встряхиванием, а на второй - окончательное уплотнение прессованием или прессованием с вибрацией. В состав функциональных узлов и механизмов простейших ВПФМ входят несущая (силовая) конструкция, пресс, встряхиватель и механизм вытяжки. Более сложные и совершенные машины снабжаются дозаторами формовочной смеси и двумя ударными механизмами - собственно встряхивателем и специальным ударным вибратором, используемым при прессовании. По расположению узлов и механизмов различают ВПФМ с нижним и верхним расположением пресса, встряхиватели и вибраторы практически всегда располагают внизу, чтобы встряхивать и вибрировать модельную оснастку и уплотняемую смесь, так как эффективность вибрации прессовой колодки несравненно ниже. Все известные встряхиватели имеют пневматический привод, который прост и надежен. Привод прессов может быть как пневматическим, так и гидравлическим, иногда в прессах применяются механические (рычажные) усилительные устройства и устройства механического замыкания (опорные устройст
ва). В ВПФМ используются самые разнообразные прессовые головки - от плоских колодок до сложных многоплунжерных головок. В машинах с нижним расположением пневматических прессов часто встряхиватели и вибраторы встраивают в прессы, размещая их в прессовом плунжере (совмещенная компоновка).
В ВПФМ применяются встряхиватели всех известных типов: с ударом стола по станине, установленной на фундаменте, с ударом по шаботу, вывешенному на воздушной подушке, с встречным ударом стола и ударника. До сих пор широко используется совершенно неадекватная и ошибочная классификация встряхивателей по так называемой "степени полноты амортизации ударов" [5]. Неадекватность классификационного признака состоит не только в том, что встряхиватели относятся к известному в механике классу "виброударных систем", движение которых сопровождается повторяющимися ударными взаимодействиями тел, и полностью амортизированный (полностью смягченный) удар так же невозможен, как прессование без сжатия, но и в том, что по этому признаку классифицируют встряхиватели не по степени смягчения самого удара стола по неподвижному или движущемуся ему навстречу телу, а по степени изоляции фундамента от ударных воздействий. Ошибочность классификации состоит в том, что физически невозможно создать встряхиватели как "без амортизации ударов" - в которых удар стола по станине "целиком передается на фундамент машины", так и "механизмы с полной амортизацией ударов" - в которых на фундамент машины никаких динамических нагрузок не передается. Всегда возможна лишь частичная амортизация передачи ударов на фундамент.
Во всех современных ВПФМ встряхивающие цилиндры реализуют энергетически выгодный рабочий процесс с отсечкой и расширением сжатого воздуха. Однако легкие встряхиватели с встречным ударом для повышения быстроходности часто выполняют с минимальным ходом расширения (0...3 мм). Для легких встряхивателей применяют в основном поршневое воздухораспределение, для средних и тяжелых - клапанное или золотниковое. При этом клапаны или золотники могут быть встроены непосредственно во встряхивающую пару (цилиндр или поршень) или же вынесены за пределы встряхивающей пары (обычно устанавливаются на станине).
ВСТРЯХИВАЮЩЕ-ПРЕССОВЫЕ ФОРМОВОЧНЫЕ МАШИНЫ
599
Применяемые в ВПФМ встряхиватели и ударные вибраторы обычно рассматриваются как одномерные виброударные механические системы, в которых скорости соударяющихся тел направлены перпендикулярно к их контактирующим поверхностям в точке контакта [6]. Однако проблемы так называемых внецен-тренных ударов, связанных с нежелательным, но неизбежным эффектом, обусловленным реальным конструктивным оформлением соударяющихся поверхностей в виде плоскостей, строгую параллельность которых невозможно обеспечить, заставляет изучать плоское движение и переходить к двумерным виброударным системам. По характеру движения соударяющихся тел перед ударом встряхиватели можно разделить на 3 типа: 1 - встряхиватели, в которых стол соударяется с неподвижным перед ударом массивным телом; 2 - встряхиватели с встречным ударом, в которых стол соударяется с движущимся ему навстречу ударником; 3 - ударник наносит удар по неподвижному столу, разгоняя его вверх, затем стол падает и соударяется со станиной. Встряхиватели 3-го типа можно назвать механизмами двух ударного действия - в каждом рабочем цикле встряхивающего цилиндра реализуются последовательные соударения стола с двумя разными телами.
На всех известных ВПФМ реализуется процесс верхнего прессования, ФМ нижнего прессования не оснащаются встряхивателями и вибраторами из-за опасности нарушения взаимного положения элементов оснастки и даже разрушения их при ударах и вибрациях. Пневматические прессы, имеющие большие габариты, чаще всего располагают внизу, встраивая их в станину или устанавливая на нижнюю траверсу ФМ. Пневмопривод прост, надежен, обеспечивает высокие скорости движения, сжатый воздух в прессовом цилиндре хорошо амортизирует удары и колебания, возникающие при вибропрессовании. Гвдропрес-1 сы имеют меньшие габариты и часто устанавливаются на верхнюю траверсу. При нижнем монтаже гидропресса и ударного вибратора необходимо использовать специальные устройства, предотвращающие возникновение и разрушительное распространение гвдроударов в прессовом гидроцилиндре и в подводящей гидросистеме, возникающих при резких движениях стола и пресс-поршня после ударов. Верхний гидроцилиндр воспринимает при ударах менее интенсивные динамические на
грузки, так как резкие колебания стола и оснастки значительно демпфируются уплотняемой формовочной смесью. С точки зрения уплотнения смеси преимущества дает верхнее расположение пресса, так как более рационально используется инерционность пресс-поршня и прессовой головки.
Как правило, прессы содержат один прессовый цилиндр, но довольно часто для повышения силы прессования без чрезмерного увеличения диаметра цилиндра используют прессы с двумя и даже тремя цилиндрами. При этом громоздкие пневмоцилиндры устанавливаются один над другим, образуя так называемый "прессовый тандем", а более "изящные" гидроцилиндры устанавливают параллельно. Для разгрузки поршней и штоков гвдроцилин-дров от внецентренных нагрузок и предотвращения перекосов гидропрессы снабжают жесткими направляющими, чаще всего в виде цилиндрических скалок.
На ВПФМ используются различные типы прессовых головок: плоские и профильные жесткие плиты, эластичные прессовые колодки и многоплунжерные головки. Пневматические и гидравлические диафрагменные прессовые головки в последние годы практически не используются из-за низкой стойкости резиновых диафрагм. Эластичные колодки вследствие низкой долговечности эластичного наполнителя применяются относительно редко. Самые сложные прессовые головки - многоплунжерные - выполняют преимущественно гидравлическими, но они часто не дают положительного эффекта из-за несовершенства конструкции и нерационального использования. Пассивные (компенсирующие) головки вследствие перекосов плунжеров, повышенного трения о смесь и неправильной настройки гидросистемы часто работают как плоские плиты. Наибольший эффект прессования пассивными головками дает использование не только разных давлений жидкости, действующей на плунжеры над разновысокими столбами смеси, но и предварительного профилирования поверхности прессования в соответствии с конфигурацией модельной плиты. Рациональное использование активных головок предполагает правильную очередность прессования разновысоких столбов смеси прессовыми башмаками.
В ВПФМ практически используются только ударные вибраторы с пневмоприводом. Безударные электромеханические центробеж-
600
Глава 2.3. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ФОРМ
ные вибраторы эффективны лишь для уплотнения смесей на жидких связующих. Ударные вибраторы можно разделить на две большие группы: "универсальные", которые можно использовать для уплотнения смеси как при встряхивании, так и в сочетании с прессованием, и "специализированные", используемые только для активизации прессования. Вибраторы первой группы - это обычные встряхива-тели с встречным ударом с не очень тяжелыми ударниками. Их параметры назначаются компромиссными для ведения предварительного встряхивания и работы при прессовании. Преимуществами вибраторов второго типа является возможность оптимизации параметров и конструкции, направленной на эффективное ведение процесса уплотнения прессованием. Во встряхивателях с встречным ударом пневмопривод выполняется по схеме обратного действия, причем для аккумулирования энергии при подготовительном ходе используются механические или, реже, пневматические пружины. "Специализированные" вибраторы чаще выполняют по схеме прямого действия, когда воздух из магистрали подается в рабочую камеру и совершается рабочий ход ударника с нанесением в конце хода удара по столу или пресс-поршню. При этом можно более эффективно управлять энергией ударов подводом сжатого воздуха, меньше потери на трение, подготовительный ход (вниз) ударник совершает за счет энергии отражения при ударе и действия силы тяжести. Для повышения частоты ударов используется привод двойного действия, когда движение ударника вниз дополнительно ускоряется воздухом, подаваемым в верхнюю рабочую камеру.
По частоте ударов вибраторы можно разделить на низко-, средне- и высокочастотные (соответственно, частота ударов /уд < 10 Гц, /уд = 10...50 Гц и /уД > 50 Гц). Время вибрирования смеси при прессовании составляет 0,7...4,0 с.
Теория ВПФМ развивается в рамках общей теории рабочих технологических машин, используемых для изготовления изделий из различных дисперсных материалов. Специфические особенности этой теории связаны с особенностями материала - песчано-глинистой формовочной смеси и реализуемых процессов заполнения формовочной камеры смесью, уплотнения смеси и отделения полуформы от модели. Современная теория ВПФМ включает прежде всего теорию уплотнения формовоч
ных смесей встряхиванием и прессованием, затем теорию рабочих процессов узлов и механизмов, теорию компоновки машины и ее узлов и конструктивного оформления деталей и подузлов, теорию виброакустики и виброизоляции ФМ. Наилучшим и быстрым способом использования теоретических результатов является математическое моделирование процессов и явлений, которое, с другой стороны, помогает развитию теории. Усложнение ФМ и рост требований к ним заставляет использовать при проектировании все более сложные расчетные методики. По мере совершенствования расчетных методик усложняется и применяемый математический аппарат, в настоящее время эффективная методика проектирования базируется на анализе динамических математических моделей в виде систем дифференциальных уравнений.
Долгое время господствовало положение, что формовочная смесь как деформируемый материал может быть представлена как связносыпучее тело, уплотнение которого происходит под действием внешней нагрузки при достижении состояния предельного равновесия путем сдвига по косым площадкам разрушения. Это положение было заимствовано из механики грунтов, однако быстро была замечена и со временем все более выявлялась ограниченность этого представления для понимания механизма уплотнения смеси разными способами и малая его продуктивность при расчетах ФМ. Было установлено, что деформация смеси при нагружении зависит не только от величины сжимающих напряжений, но и от времени их действия, а также от скорости приложения нагрузки. Было также показано, что даже прессование нельзя рассматривать как статическое сжатие смеси. Более перспективным оказалось реологическое представление формовочной смеси как твердой сплошной среды, обладающей всеми тремя фундаментальными свойствами - упругостью, вязкостью и пластичностью. Было предложено несколько механических моделей смесей, в которые в различных сочетаниях входили в качестве элементов модели тел, определяющих три фундаментальных свойства (тело Гука, тело Ньютона и тело Сен-Венана). В данном разделе при исследовании ВПФМ используется четырехэлементная упруго вязкопластическая реологическая модель, два режима деформирования которой различаются только уровнем (величиной) сжимающих напряжений и не связаны с ее кинематическим поведением
ВСТРЯХИВАЮЩЕ-ПРЕССОВЫЕ ФОРМОВОЧНЫЕ МАШИНЫ
601
(ростом или уменьшением деформации, скоростью деформации). Скорость деформации влияет на параметры элементов модели и внешнее трение.
Комплексные модели ФМ отражают разнообразные процессы в пневмо- и гидродвигателях, движение различных тел, воздействие рабочих органов машины и оснастки на формовочную смесь, поведение самой смеси при различных процессах формообразования, воздействие машины на фундамент и виброаку-стическую активность. Всесторонняя оценка работоспособности и эффективности ВПФМ и их основных узлов производится по различным критериям и показателям. ФМ и их встряхиватели, прессы и вибраторы сравнивают прежде всего по степени и равномерности уплотнения смеси при изготовлении полуформ различной сложности, по быстроте и энергетической экономичности достижения результата, по уровню динамических нагрузок на фундамент и т.д.
ВПФМ мод 22111. Широко представлена в литературе [7, 9, 10] общая компоновка машин и конструкция основных узлов гаммы универсальных ВПФМ для изготовления полуформ в опоках с размерами от 0,5x0,4x0,2 м до 1,0x0,8x0,35 м на поточно-механизированных линиях.
Для примера на рис. 2.3.19 представлена конструкция встряхивающе-прессового узла ВПФМ мод. 22111. Здесь рабочий стол 1 снабжен длинным хвостовиком 2 в виде трубы (юбки), ступенчатой по внутренней поверхности. Хвостовик 2 опирается своим уступом через прокладку 3 на массивный ударник 4, который в свою очередь установлен на дно прессового поршня-плунжера 7 посредством спиральной пружины 6. В станине 5 телескопически установлены прессовый и встряхивающий механизмы, и их совмещенная компоновка формирует довольно компактный встряхивающе-прессовый узел. На станине 5 смонтирован пневмогидравлический механизм вытяжки с двумя цилиндрами 8. Поворот стола 1 вокруг вертикальной оси узла предотвращается скалками 9.
Предварительное уплотнение смеси встряхиванием начинается подключением канала 10 к сети сжатого воздуха. Воздух по системе каналов перетекает в рабочую камеру 11 встряхивающего цилиндра D = 150 мм и заставляет двигаться стол 1 и ударник 4 в противоположных направлениях: стол с полезной нагрузкой движется вверх, преодолевая силу
тяжести, а ударник опускается вниз, сжимая пружину 6. При относительном перемещении хвостовика 2 и ударника 4 перекрываются впускные каналы, и подача воздуха в камеру 11 прекращается, затем открываются выхлопные окна, и происходит опорожнение камеры 77 во внутреннюю камеру 72, из последней воздух спокойно выходит в атмосферу по каналам 13. Стол и ударник проходят еще некоторые расстояния по инерции, а затем меняют направления движения и совершают рабочий (встречный) ход: стол с полезной нагрузкой падает под действием сил тяжести, а ударник разгоняется вверх пружиной б, сжатой на подготовительном ходе. В представляемом встря-хивателе, как и во всех других механизмах с встречным ударом, наблюдается переходный процесс, при котором сила ударов и координата соударений изменяются от удара к удару, затем работа стабилизируется, причем координаты всех соударений расположены выше положения статического равновесия.
Рассмотрим рабочий процесс встряхива-теля и ход нагружения и уплотнения формовочной смеси (рис. 2.3.20). Обозначим: рвц -избыточное давление воздуха в рабочей камере встряхивающего цилиндра; vc и vy - скорости стола и ударника; хс и ху - перемещения стола и ударника; бу/ст - сила, действующая со стороны ударника на дно прессового поршня и станину ФМ; и р5 - вертикальные сжимающие напряжения и плотность соответствующего слоя смеси. Весь объем смеси в опоке с размерами 0,5x0,4x0,2 м и массой 57 кг разделен на 2 слоя равной массы, установленные друг над другом и взаимодействующие с оснасткой. Координата устойчивых соударений уменьшается с повышением нагрузки на стол, в данном случае полезная нагрузка А/пол = 128 кг относительно небольшая (грузоподъемность встряхивающего стола 200 кг) и координата соударений на 17,5 мм выше статического положения плоскости удара. Для встряхивателей с встречным ударом силы со стороны пневмопривода, действующие на стол с полезной нагрузкой и ударник при подготовительном ходе, одинаковы, но из-за разницы в массах указанных тел значения потенциальной энергии, запасаемые столом и ударником, существенно различны. Поэтому в конце рабочего хода (перед ударом) кинетическая энергия ударника
602
Глава 2.3. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ФОРМ
Рис. 23.20. Рабочий процесс и технологическая эффективность встряхиватели ВПФ мод. 22111: = 0,6 МПа; Мпм = 128 кг; Му = 100 кг; Dm = 150 мм. Опока 0,5x0,4x0,2 м.
Прямоугольная модель 0,3x0,2x0,1 м. Ms = 57 кг
ВСТРЯХИВАЮЩЕ-ПРЕССОВЫЕ ФОРМОВОЧНЫЕ МАШИНЫ
603
значительно больше энергии падающего стола с полезной нагрузкой. Примерно равны только количества движения тел перед ударом, AfjVco =A/yVyo, Мх =МС + Л/оп + Ммп + +MS, Мх = 270 кг, Л/у = 100 кг. В результате лобового центрального частично упругого соударения тела приобретают скорости отражения ¥«, причем скорость отражения стола будет больше, чем была бы скорость отражения того же стола, соударяющегося с неподвижным телом через такую же амортизирующую прокладку. Иными словами, ударник передает столу часть своей энергии, однако из-за больших потерь энергии при ударе эта энергия не будет большой. По экспериментальным данным коэффициент восстановления скорости стола на ФМ мод. 22111 при использовании прокладок из текстолита и фторопласта изменяется в диапазоне kvc~ 0,3...0,75 и уменьшается при повышении скорости удара. В рассматриваемом узле используется прокладка из ударопрочного текстолита и кус = 0,37.. .0,66. Известно, что за меру уплотняющего воздействия при встряхивании принимают удельную работу встряхивания, а при единичном ударе удельную энергию удара и отражения е0 + Cq [5]. Для всех типов встряхивателей можно принять в качестве этой энергии только энергию удара и отражения встряхивающего стола, eo+ej= , так как из-
менение именно этой энергии инициирует инерционные силы в уплотняемой смеси. Хотя дальнейшие исследования показали, что наряду с энергией удара решающее значение для уплотнения смеси имеют также результаты реализации кинетической энергии движущихся тел при ударном процессе, а именно параметры ударного импульса (амплитуда, длительность, крутизна фронта и спада и др.), тем не менее, энергетический анализ по-прежнему полезен и продуктивен. При работе встряхива-теля ФМ мод. 22111 реализуются очень низкие значения энергий - в устойчивом режиме е0+ео=0,036 Дж/кг, при самом сильном ударе eo+ej= 0,119 Дж/кг. Для сравнения, на ФМ мод. 271, изготавливающей полуформы такого же размера и снабженной встряхивате-лем с ударом стола по станине, установленной на фундаменте, энергия удара значительно больше, = 0,2...0,25 Дж/кг. Слабые
удары во встряхивателе с встречным ударом трансформируются в слабые импульсы вертикальных сжимающих напряжений в уплотняемой смеси. За 2 с (к 20 удару) амплитудное значение напряжений в нижнем слое, прилегающем к модельной плите, достигает только 35 кПа, а в верхнем слое всего лишь 9 кПа. Импульсы напряжений к тому же имеют очень малую длительность - т5 = 0,0075 с. Остальная часть импульса напряжений с величиной 7...9 кПа в нижнем слое и 3...4 кПа - в верхнем создается при разгоне стола вверх сжатым воздухом, технологический эффект этого воздействия заметен только для рыхлой смеси при первом ударе. Результаты уплотнения соответствуют интенсивности нагружения: за 2 с встряхивания плотность нижнего слоя смеси возрастает с 1012 до 1313 кг/м3, а верхнего - с 1000 до ИЗО кг/м3, результат уплотнения смеси при изготовлении более сложных полуформ будет еще хуже. КПД преобразований энергии в узле, определяемый как отношение работы сжатого воздуха в камере встряхивающего цилиндра к полезной работе, т.е. работе уплотнения формовочной смеси, здесь относительно невысок: Т|= 2,6 %. Самым простым способом повышения технологической эффективности встряхивателей с встречным ударом является увеличение массы ударника. Существуют встряхиватели, в которых Му = Мх, например, известная в РФ машина мод. SRW-7,5 (BMD, ФРГ), однако такие ФМ обычно выполняются как чисто встряхивающие. При встряхивании на ФМ мод. 22111 на станину и фундамент передается весьма небольшая переменная нагрузка: в устойчивом режиме изменение силы 2уст в одном цикле около 4 кН, а самое большое изменение - 6,5 кН.
Значительно больше динамические нагрузки на фундамент, возникающие при работе ФМ в режиме прессования с вибрацией. Работа пресса и вибратора и ход нагружения и уплотнения смеси представлены на рис. 2.3.21 (обозначено: рПц - избыточное давление воздуха в рабочей камере прессового цилиндра; уу1 - и - скорости верхнего и нижнего слоев смеси над подмодельной плитой; хп - перемещение поршня пресса; (2ст/ф - контактная сила в стыке станина-фундамент; остальные обозначения аналогичны ранее принятым). Уплотняемая смесь разделена на столбы над моделью и над подмодельной плитой, в свою очередь столбы разделены на слои: два - над моделью и три -
604
Глава 2.3. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ФОРМ
Рис. 23.21. Рабочий процесс и технологическая эффективность пневмопресса и вибратора ВПФМ мод. 22111:
Пресс: Dm = 360 мм. Вибратор: Му = 100 кг,/уд = 10 Гц. Остальные параметры по рис. 2.3.20
над подмодельной плитой. При подаче воздуха в рабочую камеру прессового цилиндра РПц = 360 мм поршень начинает двигаться вверх, соприкасается с нижней кромкой хвостовика стола и разгоняет стол, оснастку и смесь вверх. Взаимодействие свободной поверхности смеси с прессовой колодкой начинается при высокой скорости v0 > 1 м/с и низком давлении рпц. Верхние слои смеси рыхлые и оказывают столь малое сопротивление в начале уплотнения, что стол и нижний слой смеси над подмодельной плитой продолжают ускоряться вверх, когда верхние слои уже прессуются. Затем реализуется скоростное инерционное прессование всех слоев и объемов смеси, уплотнение происходит за счет торможения движения смеси прессовой колодкой и
сжатия ее модельной плитой, столом и пресс-поршнем, т.е. за счет использования кинетической энергии, накопленной при разгоне. Сжимающие напряжения в слоях смеси быстро нарастают и спадают, при этом интенсивность сжатия столбов над моделью значительно выше, чем более высоких столбов над подмодельной плитой (соответственно, амплитуда напряжений в верхних слоях 0,72 и 0,115 МПа, в нижних-0,72 и 0,063 МПа). В столбе смеси над моделью на этапе скоростного прессования реализуется 94 % от общего уплотнения верхнего и 88 % - нижнего слоев; для высокого столба смеси - в верхнем слое - 82 %, а в нижнем уплотнение практически не происходит, так как кратковременный импульс затухает в смеси. Дальнейшее уплотнение смеси происходит
ВСТРЯХИВАЮЩЕ-ПРЕССОВЫЕ ФОРМОВОЧНЫЕ МАШИНЫ
605
по мере нарастания давления в прессовом цилиндре, пресс быстроходный и полная сила прессования реализуется через 0,47 с от момента включения. Однако рост напряжений происходит в основном в столбе смеси над моделью, где смесь сильно уплотнилась уже на этапе динамического прессования. В высоком столбе смеси напряжения растут незначительно, а плотность практически не увеличивается.
Прессование активизируется только при включении вибратора, удается несколько растрясти столб смеси над моделью и перераспределить напряжения в пользу высокого околомодельного столба смеси. Однако, несмотря на довольно сильные удары (eov = £yo/Wc + А^пол ) = 0,335, Дж/кг;
£уо = Му Vy0/2), исправить положение не уда-ется, и окончательная плотность слоев в высоком столбе смеси оказывается ниже, чем над моделью, на 160... 165 кг/м3. После отключения вибратора производится выдержка смеси под давлением, затем рабочая камера пресса сообщаются с атмосферой, давление снижается и прессовый поршень, стол и оснастка опускаются в исходное положение. Таким образом, даже при прессовании с вибрацией не удается выровнять уплотнение разновысоких столбов смеси при изготовлении полуформы с
громоздкой моделью с развитыми горизонтальными поверхностями. Для уплотнения смеси в узких зазорах и высоких карманах основное значение имеет предварительное уплотнение смеси встряхиванием.
4-позициоиная ВПФМ карусельного типа. ФМ содержит поворотный стол-карусель, на кронштейнах которого устанавливаются два модельных комплекта (4 модельные плиты), передаваемые с позиции на позицию при периодическом повороте карусели на 90°. Вокруг карусели стационарно в технологической последовательности установлены рабочие агрегаты и механизмы. На поз. I (рис. 2.3.22) производятся установка опоки на модельную плиту, заполнение опоки смесью из челюстного дозатора и предварительное уплотнение смеси. На поз. II формовочная смесь окончательно уплотняется прессованием многоплунжерной головкой (МПГ) и наложенной вибрацией. Поз. III снабжена кантовально-протяжным устройством для отделения полуформы от модельной плиты, на поз. IV производится обдув и опрыскивание моделей, а также в случае необходимости смена модельного комплекта. ФМ используется на АЛЛ мод. 22853 конструкции ВНИИлитмаш. Размеры опоки 0,8x0,7x0,3/0,3 м, производительность 90 ф/ч, привод - пневматический. Конструкции ос
Рис. 2.3.22. Поворотный стол-карусель
606
Глава 2.3. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ФОРМ
новных узлов, в том числе встряхивателя, пресса и вибратора, были разработаны с широким использованием математического моделирования.
Конструкция ФМ представлена на рис. 2.3.22 и 2.3.23. Тумба 1 монтируется на основании 72, в тумбе 7 крепится колонна 2, устанавливаемая с зазором относительно центральной колонны 73 ФМ. На колонне 2 установлены на подшипниках два поворотных корпуса - верхний 5, к которому прикреплены кронштейны 8, несущие модельную оснастку, и нижний 3, связанный с механизмами поворота карусели. На верхнем корпусе 5 установлено четыре штыря 7, поочередно охватываемые захватом, обеспечивающим сцепление корпусов 3 и 5 при повороте карусели цилиндром 4. Механизм фиксации карусели установлен на подъемном столе 75 и включает кронштейны с роликами, взаимодействующими при подъеме стола 75 с планками, установленными на внутренних поверхностях всех четырех кронштейнов 8. Смена модельной оснастки производится в цикле работы ФМ, подготовленные для замены плиты устанавливаются на тележки 19 и 77. Заменяемая огульная плита с моделью верха поднимается столом 75 и сцепляется с тележкой 18, которая выкатывается цилиндром 9 посредством рычага 6 на свободное место тележки 19. Тележка 19 перемещается цилиндром 10 на шаг, и тележкой 18 плита с новой моделью верха перемещается на поз. IV, освобождая место на тележке 19. Стол 75 опускает стульную плиту на кронштейны карусели, а в следующем цикле поднимает стульную плиту с моделью низа, которую передают на свободное место на тележке 19. Новую плиту низа подает на смену тележка 77, перемещаемая цилиндром 14.
Модельные плиты на поз. IV подготавливаются к формовке, для чего в каждом цикле производится подъем оснастки столом 75. Затем цилиндром 16 опускается камера 77 обдува и опрыскивания, которая останав-ливается, не доходя 3...5 мм до подмодельной плиты. Включается на 2...3 с обдув, а затем производится опрыскивание модели. После окончания опрыскивания камера 7 7 вентилируется и поднимается вверх, а стульная плита с моделью устанавливается на кронштейны карусели. При следующем повороте оснастка передается на поз. I, где производится заполнение опоки смесью и уплотнение встряхиванием.
Конструкция встряхивателя с подъемным поршнем, используемого на поз. I, представлена на рис. 2.3.24. Здесь рабочий стол 7 выполнен заодно с хвостовиком 2, центрирующемся во встряхивающем цилиндре D = 320 мм, расположенном в верхней части массивного шабота 3. Шабот 3 выполнен заодно с подъемным поршнем 4 и центрируется в цилиндре 5, установленном на основании 6. Цилиндр 5 прижат к основанию 6 болтами через набор тарельчатых пружин 7. Поворот шабота 3 вокруг вертикальной оси узла предотвращается двумя цилиндрическими роликами 8, взаимодействующими с шаботом по плоским лыскам, стол 7 от поворота удерживается двумя парами роликов 9, установленных на шаботе и взаимодействующих со скалками 10. Встряхива-тель имеет три пневмокамеры: камеру 11 подъемного цилиндра, ресивер 72 и рабочую камеру 13 встряхивающего цилиндра. Механизм экранирован от пыли кожухом 14.
Для подготовки к работе воздух подается в камеру 77, и подъемный поршень 4 с шаботом 3 поднимаются вверх до упора. При ходе вверх стол соприкасается со стульной плитой и снимает оснастку с карусели, а затем снимает опоку с рольганга механизма подачи опок. После заполнения опоки смесью включается встряхивание подачей воздуха в ресивер 72, из которого воздух перетекает в камеру 73. Рабочий процесс встряхивателя и ход нагружения и уплотнения смеси представлены на рис. 2.3.25 (обозначения: уш и хш - скорость и перемещение шабота; остальные обозначения аналогичны предыдущим примерам). Встряхиватель включается всего лишь на 1 с, реализуются только 4 удара, но это и есть штатный режим предварительного уплотнения смеси на данной ФМ. По мере нарастания давления в камере 13 хвостовик со столом начинают двигаться вверх, шабот при этом остается неподвижным, удерживаемый поршнем. При движении хвостовика вверх перекрываются впускные каналы, а затем открываются выхлопные окна, и воздух из камеры выходит в атмосферу. Стол проходит еще некоторое расстояние вверх по инерции, а затем меняет направление движения и разгоняется силами тяжести вниз. Происходит соударение стола с шаботом на скорости 1,075 м/с через текстолитовую прокладку, под действием силы удара шабот с подъемным поршнем разгоняются вниз (Ушк > 1 м/с). Стол при ударе полностью тормозится, но отскока стола не происходит, наоборот, стол под действием движущейся вниз и уплотняющейся
ВСТРЯХИВАЮЩЕ-ПРЕССОВЫЕ ФОРМОВОЧНЫЕ МАШИНЫ
607
1950
Рис. 23.23. Конструкция 4-позиционной ВПФМ карусельного типа
608
Глава 2.3. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ФОРМ
Рис. 2.3.25. Рабочий процесс и технологическая эффективность встряхивателя на воздушной подушке ФМ АФЛ мод. 22853:
рм = 0,5 МПа; Мпм = 1031 кг; Мт = 1430 кг; Dw = 320 мм. Опока 0,8x0,7x0,3 м.
Четыре прямоугольные модели 0,3x0,25x0,15 м
ВСТРЯХИВАЮЩЕ-ПРЕССОВЫЕ ФОРМОВОЧНЫЕ МАШИНЫ
609
смеси вновь начинает движение вниз, хотя и с меньшей скоростью. В это время шабот с поршнем быстро тормозятся сжатым воздухом в камере, и опустившись на 6,0.. .6,5 мм, шабот меняет направление движения и разгоняется подъемным поршнем вверх. Происходит встречное соударение стола с шаботом, и поскольку кинетическая энергия шабота примерно в 5 раз больше энергии стола с полезной нагрузкой, то в результате этого повторного удара стол приобретает большую скорость движения вверх, vCK = 0,67 м/с, и формовочная смесь повторно уплотняется.
Удельная энергия удара и отражения несоизмеримо больше, чем на ФМ мод. 2211, для последних трех ударов е0 + ej > 0,8 Дж/кг. Соответственно более интенсивно идет нагружение и уплотнение смеси, уже при четвертом ударе амплитуда напряжений составляет в нижнем слое 140 кПа, а в верхнем - 32 кПа, то есть примерно в 4 раза больше, чем при 20-м ударе на ФМ мод. 22111. Значительно увеличивается также время действия сжимающих напряжений на смесь, для первых трех ударов т5 = 0,055/0,044/0,035 с. Причем в двух первых циклах напряжения в смеси не успевают понизиться ниже предела текучести в интервале между двумя соударениями стола и шабота, то есть происходит непрерывное деформирование смеси. В результате за 4 цикла встряхивания достигается высокая плотность смеси -1486 кг/м3 в нижнем слое и 1315 кг/м3 в верхнем. КПД преобразований энергии во встряхи-вателе в полезную работу достаточно высокий (т]= 17%), однако с учетом работы сжатого воздуха на подъем поршня и шабота- Т| «11 %.
Недостатком представленной конструкции встряхивателя с подъемным поршнем является большая величина динамической силы Росф, действующей на фундамент. Причем наибольшие значения этой силы наблюдаются уже после окончания ударных взаимодействий стола с шаботом, т.е. после выполнения механизмом полезной работы. После повторного ударного взаимодействия со столом шабот снова разгоняется вверх подъемным поршнем и наносит удар по внутреннему уступу цилиндра. Цилиндр подпрыгивает и приподнимает основание, разгружая стык основания и фундамента. Затем основание и цилиндр вновь движутся вниз и изменение силы за период составляет до 800 кН, далее наблюдается
виброударный процесс, когда интенсивность соударений шабота с цилиндром и последнего с основанием постепенно снижается. Снижение силы 2осф достигается амортизацией стыков шабот - цилиндр, цилиндр - основание и основание - фундамент, но самый значительный эффект дает отделение шабота от подъемного поршня с амортизацией их стыка, а также ограничение хода подъемного поршня вверх упором в цилиндр не шабота, а самого поршня [10]. В этом случае удается реализовать в каждом цикле встряхивания не только два соударения стола с шаботом, а три-четыре и более полно использовать энергию на уплотнение смеси.
Установленный на поз. II пресс (рис. 2.3.26) содержит нижнюю 1 и верхнюю 2 траверсы, соединенные тремя колоннами 5, прессовый тандем с двумя цилиндрами 4 и 5 (D - 800 мм) и гидравлическую многоплунжерную головку (МПГ) 6 с 30 сообщающимися между собой цилиндрами и плунжерами (D = 50 мм). По внешнему контуру 18 прессовых колодок имеют размеры 110x105 мм, а внутренние 12 колодок - 140x130 мм. В полости верхнего прессового поршня 7 располагается пневматический вибратор с ударником 8 и рабочей камерой 9 привода. Верхняя камера 10 между столом 11 и ударником 8 постоянно сообщается с атмосферой. Перед началом работы пресса стульная плита установлена на четырех цилиндрических штифтах карусели 12 на 70 мм выше верхней плоскости стола. Модельная плита закреплена на стульной плите, и в расчетной схеме они объединены в один инерционный элемент - массу Мх. Опока же может отрываться от модельной плиты при резком торможении смеси прессовой головкой, поэтому опока представлена отдельной массой Л/2- В качестве отдельных массивных тел приняты также стол с хвостовиком - масса М3, поршни прессовых цилиндров - Л/4 и М5, а также ударник вибратора - масса М6. При прессовании используется громоздкая прямоугольная модель с размерами 560x450x160 мм. Гидравлическая МПГ работает по пассивно-активной схеме, вначале плунжеры опущены вниз до упора, приведенная масса плунжеров над подмодельной плитой Л/7, над моделью - Л/8. Пополнение объема жидкости в головке осуществляется из бака под давлением рпл1 = рм , сброс жидко-
20-819
610 Глава 2.3. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ФОРМ
Рис. 23.26. Прессовый агрегат ФМ АЛЛ 22853 и его расчетная схема
ВСТРЯХИВАЮЩЕ-ПРЕССОВЫЕ ФОРМОВОЧНЫЕ МАШИНЫ
611
сти происходит при давлении через напорный клапан, высокое давление р^з создается пневмогидравлическим мультипликатором. Уплотняемая смесь разделена на столбы над моделью и над подмодельной плитой, в свою очередь, столбы разделены на слои - два над моделью и три над подмодельной плитой. Математическая модель системы содержит 27 дифференциальных уравнений.
Исследование на математической модели процесса уплотнения смеси прессованием представлено на рис. 2.3.27 (обозначения: рт -давление жидкости в МПГ; vM, vsl и vs2 -скорости модельной плиты и верхнего и нижнего слоев смеси над подмодельной плитой;
хм, *пл 1 и Хпл2 - перемещения модельной оснастки и плунжеров МПГ над подмодельной плитой и над моделью; остальное - аналогично
выбора зазора стол соприкасается со стульной плитой, снимает оснастку с карусели и разгоняет ее вверх. Взаимодействие свободной поверхности смеси с прессовыми колодками происходит при скорости v0 > 1 м/с и низком давлении рпц =0,19 МПа. Реализуется скоростное инерционное прессование, интенсивность сжатия столбов над моделью значительно выше, чем более высоких околомодельных столбов (соответственно, амплитуда напряжений в верхних слоях 0,4 и 0,24 МПа, в нижних - 0,38 и 0,21 МПа). В столбе смеси над моделью на этапе скоростного прессования реализуется 75 % от общего уплотнения верхнего слоя и 65 % - нижнего, для высокого
столба смеси результат значительно меньше -в верхнем слое - около 60 %, а в нижнем уплотнение практически не происходит. Движе-
предыдущим графикам). Высокая скорость
ние опоки при резком торможении слоев смеси
Рис. 2.3.27. Рабочий процесс и технологическая эффективность пневмопресса с многоплунжерной головкой ФМ АЛЛ мод. 22853: рм = 0,5 МПа. Вибратор: Му - 408 кг, fya - 14 Гц.
Прямоугольная модель 560x450x160 мм. МПГ: рт = 0,6/4/9 МПа
20*
612
Глава 2.3. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ФОРМ
плите уплотняющейся смесью. Дальнейшее нагружение и уплотнение смеси происходит относительно спокойно, сила пресса соответствует силам торможения и по мере роста сил сопротивления движение поршней замедляется. Но в спокойное течение процесса вносят полезные возмущения МПГ и вибратор. Сначала МПТ ограничивает давление на надмодельный столб смеси, так как при давлении Рпл2 = 4 МПа начинается сброс жидкости из головки, при этом колодки и плунжеры, расположенные над моделью, поднимаются (всплывают) на 42 мм, а остальные - на 18 мм. Через 1 с включается мультипликатор и давление в МПГ быстро нарастает до р^з = 9 МПа, плунжеры перестают двигаться вверх и немного опускаются. Через 1,2 с на 0,8 с включается вибратор и на сжатие смеси прессом накладываются сильные сотрясения оснастки и смеси (удельная энергия ударов eov = 0,401 Дж/кг, мощность NQV = е0У/уд = 5,62 Вт/кг. За это время за счет импульсного повышения давления, снижения бокового давления и трения смеси об оснастку, а также периодического сброса жидкости из МПГ происходит выравнивание напряжений в объемах смеси. После отключения вибратора производится выдержка смеси под давлением, затем камеры прессового цилиндра сообщаются с атмосферой, давление снижается и прессовые поршни движутся вниз и устанавливают оснастку и полуформу на карусельный стол. За счет вибрации оснаст
ки и смеси и рационального управления МПГ даже для громоздкой модели достигается равномерное уплотнение объемов смеси, разброс плотности менее 5 %, это соответствует практическим результатам, полученным при эксплуатации линии на различных заводах.
ВПФМ автоматизированной линии Уралвагонзавода. Линию использовали для изготовления стальных отливок в опоках с размерами 1,6x1,0x0,45 м. Металлоемкость формы до 700 кг, производительность 12 ф/ч (24 пф). На участке циркулируют 6 модельных плит (три комплекта) и последовательно установлены автономные агрегаты для заполнения опоки смесью и предварительного уплотнения смеси, гидравлический пресс с МПГ, кантователь полуформ с механизмом протяжки. Для предварительного уплотнения смеси сначала использовали встряхиватель известной ФМ мод. 234М, полуформы изготавливаются из облицовочной (меньше 20 % общего объема) и наполнительной смесей. Рассмотрено изготовление довольно сложной полуформы по модельной плите с шестью моделями низа корпуса буксы. Для заполнения опоки смесью используется объемный дозатор (рис. 2.3.28), смонтированный на сварной раме У, на верхних продольных балках 2 которой установлена площадка 3 с бункерами 4 - облицовочной и 5 - наполнительной смеси. На поперечных балках среднего пояса рамы закреплены рельсы б, по которым электроприводом 7 с помощью тросов перемещается дозатор 8 облицо-
Рис. 2.3.28. Схема объемного дозатора
ВСТРЯХИВАЮЩЕ-ПРЕССОВЫЕ ФОРМОВОЧНЫЕ МАШИНЫ
613
войной смеси. Объемный дозатор 9 наполнительной смеси установлен неподвижно под бункером 5. В нижней части ФМ расположен-приводной роликовый конвейер 10, который можно перемещать двумя гидроцилиндрами 11 посредством системы тросов, тяг, блоков и синхронизирующего вала. В самом низу расположен встряхиватель 12. Заполнение дозатора 8 осуществляется при его перемещении вправо, а дозирование - при обратном ходе, когда высота слоя облицовочной смеси может быть изменена в интервале 100...200 мм с помощью шибера 13. После установки дозатора 8 в исходное положение специальным механизмом устанавливается доза наполнительной смеси, раскрывается затвор 14 и в дозаторы 8 и 9 насыпается наполнительная смесь на слой облицовочной смеси. Комплект оснастки "опока - модельная плита" подается роликовым конвейером 10 и опускается цилиндрами 11 на стол встряхивателя. Этим же приводом на опоку опускается наполнительная рамка 15. Срабатывает привод фиксатора 16, который освобождает створки дозатора 8, и формовочная смесь заполняет опоку. Перемешивание облицовочной и наполнительной смеси при дозировании отсутствует, а при заполнении -минимальное.
На рис. 2.3.29 представлены экспериментальные графики изменения давления смеси на подмодельную плиту в широком и узком зазорах на этапах заполнения опоки, предварительного и окончательного уплотнения смеси. При засыпке смесь падает из дозатора через жалюзийный затвор с высоты примерно 1 м, максимальное давление смеси (р = 0,018 МПа) практически не зависит от параметров зазоров, остаточное давление - 0,011 МПа. При встря-
Рис. 23.29. Экспериментальные графики изменения давления смеси на подмодельную плиту:
/-В= 180 мм; Н = 40 мм; 2-В = 65 мм; Н= 180 мм
хивании (высота подъема стола 57...62 мм, /уд = 1,81 Гц) наблюдается нарастание амплитудных значений давления от удара к удару, к концу уплотнения (на 22 с) давление составляет 0,223 МПа в широком зазоре и 0,167 МПа - в узком зазоре, а остаточные напряжения относительно небольшие и не зависят от параметров зазора. После уплотнения встряхиванием роликовый конвейер 10 поднимает оснастку с полуформой до уровня транспортирования, при этом наполнительная рамка поднимается в большей степени и устанавливается над опокой с зазором 120 мм. Оснастка и полуформа по приводному рольгангу подаются на следующую позицию для окончательного уплотнения. Для прессования используется смонтированный на нижней траверсе пресс с двумя гидроцилиндрами D = 280 мм, установленными параллельно, сила прессования - 600 кН. Расположенная на верхней траверсе многоплунжерная головка содержит 20 прессовых башмаков с плунжерами, поджатыми сверху пружинами. Разное давление на смесь под разными башмаками обеспечивается за счет разного начального поджатия этих пружин, среднее давление на контрлад составляет 0,375 МПа. В связи с большими потерями на трение об опоку и модели давление смеси на подмодельную плиту значительно ниже и составляет 0,245 МПа в широком зазоре и 0,12 МПа - в узком. Соотношение давлений в широком и узком зазорах наглядно показывает трудности равномерного уплотнения смеси "чистым" прессованием, в уплотнении узких промежутков основную роль играет встряхивание. Отметим также высокий уровень остаточных напряжений после прессования, затруднение вытяжки из-за сильного сжатия моделей, низкие остаточные напряжения после вибропрессования.
Для интенсификации встряхивания и более равномерного уплотнения смеси был создан встряхиватель двухударного действия, конструкция которого представлена на рис. 2.3.30. Здесь традиционные для встряхивателей типа Herman технические решения дополнены рядом усовершенствований и новых элементов, придавших узлу новые качества. Хвостовик 2 стола 1 выполнен полым и в этой полости расположен ударник 3, опирающийся в исходном положении посредством амортизатора на дно встряхивающего цилиндра 4. Цилиндр 4 выполнен заодно с массивной литой станиной 5, на
614
Глава 2.3. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ФОРМ
Рис. 2.3.30. Конструкция встряхивателя двухударного действия
верхней плоскости которой в отверстиях, расположенных по узловым точкам стола, установлены 16 корпусов автономных амортизаторов 6, содержащих полиуретановые вставки-буферы и цилиндрические бойки, на которые опирается стол 1. Станина 5 установлена посредством амортизирующей подушки 7 на инерционном блоке (виброизолированном фундаменте) 8 массой 68 т, подвешенном в бетонном коробе на пружинных виброизоляторах 9 и резиновых виброгасителях 10. Станина 5 прикреплена к инерционному блоку 8 подпружиненными болтами /Да чрезмерный ход стола 1 вверх ограничивается болтами /2 и пружинами. Поворот стола вокруг вертикальной оси предотвращается планками 13, установленными по углам на щеках стола и взаимодействующими со стенками короба станины. Наполнение и опорожнение воздухом встряхивающего цилиндра обеспечиваются двухседельным перекидным клапаном 14, управляемым золотником 15. Конструкция и параметры встряхивателя были выбраны из множества вариантов путем оценки их с помощью компьютерного моделирования.
Работа встряхивателя иллюстрируется рис. 2.3.31, где приняты те же обозначения, что и в ранее приведенных примерах, а также хст и Хф - перемещения станины и фундамента (инерционного блока), 2ф/г - сила воздействия фундамента на фундаментный короб.
Работа узла начинается с подачи воздуха из внешнего ресивера большого объема в клапан 14, при этом воздух поднимает клапан и наполняет встряхивающий цилиндр, а плунжер золотника 15 прижимается к столу. В рабочей камере 16 встряхивающего цилиндра давление растет, и воздух приподнимает ударник над амортизаторами и разгоняет его вверх. При этом воздух в камере 17 над ударником не препятствует разгону последнего, так как эта камера сообщается с атмосферой через обратный клапан. Первый удар ударник наносит по торцу неподвижного хвостовика стола (скорость vy01 = 1,15 м/с), стол разгоняется до vCK = 0,23 м/с и движется вверх. Формовочная смесь, ускоряясь модельной плитой, уплотняется под действием инерционных сил и вибраций оснастки. Ударник же в результате удара отскакивает и движется вниз, но быстро затормаживается нарастающим давлением рВЦ) вновь разгоняется вверх и наносит второй удар по столу, это менее сильный и попутный удар (vy02= °’75 м/с’ vc02 = ОД7 м/с). Далее ударник непрерывно контактирует с хвостовиком стола, подталкивая его вверх. В результате двух ударов по столу и разгона стола вверх воздухом (т.е. уже на подготовительном ходе стола) плотность нижнего слоя смеси возрастает на 125 кг/м3, но верхний слой почти не уплотняется. Когда стол совершает вверх ход,
ВСТРЯХИВАЮЩЕ-ПРЕССОВЫЕ ФОРМОВОЧНЫЕ МАШИНЫ
615
Рис. 2331. Рабочий процесс и технологическая эффективность встряхиватели двухударного действия:
= 0,6 МПа; Мюл = 3043 кг; Му = 600 кг; = 500 мм; Dy = 320 мм. Опока 1,6x1,0x0,45 м.
Шесть моделей низа корпуса буксы Ms = 1043 кг
равный ходу впуска, плунжер управляющего золотника, движущийся вместе со столом, сообщает камеру управляющего цилиндра клапана с магистралью. Клапан переключается на выхлоп, и отработавший воздух из камеры 16 выходит в атмосферу. Стол с ударником проходят еще некоторое расстояние вверх по инерции, затем меняют направление движения и падают вниз, разгоняясь силами тяжести. Из-за меньших сил трения, препятствующих движению ударника, последний падает несколько быстрее, чем стол, при этом ударник помогает разгону стола не только силами трения, но и разряжением, создаваемым в камере 17. Переключение клапана на впуск происходит в координате, расположенной ниже хода впуска, это осуществляется, когда плунжер золотника сообщает камеру цилиндра клапана с атмосферой. В результате хвостовик стола при падении испытывает минимальное торможение воздухом в камере 16 и достигается очень высокое значение коэффициента использования потенциальной энергии поднятого стола - 0,92.
В конце хода вниз стол касается бойков амортизаторов и происходит ударное взаимодействие (Ьола со станиной. Станина разгоняется вниз, но быстро тормозится массивным фундаментом и движется вверх, вновь соударяясь с медленно движущимся вниз столом, и стол начинает движение вверх. Станина же вновь движется вниз, но уже вместе с фундаментом, совершая в дальнейшем затухающие колебания вместе с ним. Энергия отскока стола от станины гасится уплотняющейся смесью, стол движется медленно или останавливается и ждет, когда падающий ударник затормозится воздухом в рабочей камере 16 (не доходя до дна встряхивающего цилиндра), вновь разгонится вверх и на скорости 1,6 м/с ударяет по торцу хвостовика стола. Ударник передает столу свою энергию, отскакивает и затем догоняет движущийся вверх стол, нанося по нему попутный удар и подталкивая стол вверх, цикл повторяется. При первом ударе стола по станине плотность смеси увеличивается значительно: на 130 кг/м3 в нижнем слое и на 96 кг/м3 - в верх-
616
Глава 2.3. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ФОРМ
нем. В установившемся режиме удельная энергия удара и отражения за цикл встряхивания составляет е0 + > 0,77 Дж/кг. За 3 с совер-
шается семь циклов встряхивания, пиковые значения сжимающих напряжений для седьмого цикла составляют 150 кПа в нижнем слое и 42 кПа в верхнем, а плотность достигает 1514,5 кг/м3 в нижнем слое и 1347,2 кг/м3 в верхнем. По сравнению с известной ФМ мод. 234М темп уплотнения смеси возрастает более чем в 2 раза, КПД составляет свыше 15 %.
В ФМ используется сравнительно мягкая подвеска инерционного блока и переменная составляющая силы воздействия инерционного блока на фундаментный короб 2ф/г изменяется медленно и достигает величины 280 кН, что в 2,5 раза меньше силы статического давления. На подобных встряхивателях, установленных посредством деревянной подушки или пробковой плиты на обычный фундамент, сила воздействия фундамента на грунт больше в 10 и более раз. Экспериментально подтверждено, что применением инерционного блока полностью решается проблема виброизоляции тяжелого встряхивателя, вибрации пола и конструкций агрегатов линии вблизи ФМ не ощущаются.
ВПФМ АФЛ мод. АС5442. К встряхива-телям, в которых ударник наносит удар по неподвижному столу, разгоняя его вверх, затем стол падает и соударяется со станиной, относятся также механизмы, применяемые на ФМ АФЛ типа SPO и мод. АС5442. Однако указанные встряхиватели столь маломощные, что правильнее их называть вибраторами, они не столько встряхивают смесь, сколько вибрируют оснастку. ФМ АФЛ мод. АС5442 -4-позиционная проходного типа, но все операции формовки сосредоточены на одной позиции. Размеры опоки 0,7x0,65x0,25 м.
На рис. 2.3.32 приведены расчетные схемы вибратора с полуформой низа, а также подъемного механизма, вибратора и пресса с полуформой верха гильзы цилиндров. Здесь рабочий стол 1 установлен и закреплен на поршне 2 пневматического подъемного механизма (D = 350 мм, ход - 300 мм), установленном в полости второго поршня 3 (D = 450 мм, ход - 65 мм), центрирующегося в станине 4. В полости поршня 2 размещен ступенчатый цилиндрический ударник 5 вибратора. Вибратор содержит две пневмокамеры привода -нижнюю 6 (основную) и верхнюю 7 (вспомо
гательную). Работа начинается с подачи воздуха в камеру 8 внутреннего подъемного цилиндра, поршень 2 поднимает стол 1 с модельной плитой, по ходу вверх модельная плита соединяется с опокой и поднимает последнюю до соприкосновения с наполнительной рамкой. Открывается жалюзийный затвор дозатора и формовочная смесь заполняет опоку. При предварительном уплотнении в механической системе машины выделено всего два инерционных элемента: стол 1 с подъемным поршнем 2 и модельной оснасткой - Мх и ударник -М2. Опока и наполнительная рамка также представлены как отдельные массы М3 и Л/4, взаимодействующие со столом и смесью. Смесь для довольно сложной полуформы гильзы разделена на четыре объема - два столба по два слоя, причем одним из этих объемов являются объемы смеси в высоких болванах.
На рис. 2.3.33 представлена работа и эффективность вибратора при предварительном уплотнении смеси вибрацией (обозначено хопм- перемещение опоки относительно модельной плиты, остальные обозначения соответствуют принятым на рис. 2.3.32). Вибратор включается подачей воздуха из магистрали в верхнюю камеру 7, из которой воздух перетекает в нижнюю камеру б, разгоняя ударник 5 вверх, время включения вибратора 1,7 с. Вибратор практически с первого цикла выходит на устойчивый режим, ударник движется с большой амплитудой и приобретает при рабочем ходе очень высокую скорость (VyQ = 3,2 м/с). Удары вызывают сильные сотрясения стола и нижних слоев смеси, но перемещения тяжелого стола вверх после удара не превышают 0,5 мм. В то же время наблюдаются сильные подскоки опоки с наполнительной рамкой, для предотвращения которых требуется прижим опоки к модельной плите, например, с помощью пружинной подвески наполнительной рамки. Расчеты показали, что уже при силе прижима опоки к столу в 5 кН зазор между опокой и подмодельной плитой, периодически возникающий при вибрации, не превышает допустимого уровня в 1 мм.
Несмотря на малую массу ударника (Му = 26 кг), предельно интенсивное его движение и сильные удары приводят существенному уплотнению нижних слоев смеси. Удельная энергия ударов eOv = 0,117 Дж/кг, мощ-
ВСТРЯХИВАЮЩЕ-ПРЕССОВЫЕ ФОРМОВОЧНЫЕ МАШИНЫ
617
Рис. 2332. Расчетные схемы агрегатов ФМ мод. 5442 с полуформами гильзы цилиндров: а - вибратора с полуформой низа; б - пневмопресса, МПГ и вибратора с полуформой верха
1кгс35 мм
ЗИТГПТТУУVV’V VIIй ] IIV IIV II V !SE
UAJ
iBnVl^m 4^Hr Illi tWMIBi
О. 1кп:7 кПа
Рис. 2333. Работа и эффективность вибратора ФМ АЛЛ мод. АС5442 при предварительном уплотнении смеси:
рм = 0,6 МПа; Му « 26 кг; Dy « 130/120 мм; М„м = 612 кг; Мг = 162 кг. Четыре модели низа гильзы с подрезкой на 80 мм
618
Глава 2.3. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ФОРМ
ность Nov = 2,8 Вт/кг. Плотность нижнего слоя столба, опирающегося на подмодельную плиту, в результате вибрационного воздействия в течение 1,7 с возрастает с 1012 до 1196 кг/м3, а плотность смеси в болванах с 950 до 1187 кг/м3. Однако верхние слои смеси практически не уплотняются, т.к. удары очень жесткие и кратковременные, и возникающие вибрации затухают в нижних слоях смеси.
Прессовый тандем установлен вверху и содержит сдвоенный пневмоцилиндр 9 D = 620 м с двумя поршнями 10 и 77, причем нижний поршень 11 снабжен четырьмя штоками 72, на которых закреплен сварной корпус гидравлической МПГ 13. Все плунжеры МПГ выполнены D = 60 мм, все колодки имеют размеры 150x132 мм, плунжеры опираются на пружины, занимая среднее по высоте положение в корпусе с возможностью перемещения как вверх, так и вниз. Поршни прессовых ци
линдров и корпус МПГ удерживаются в верхнем положении сжатым воздухом, подаваемым в штоковую камеру цилиндра 9 под поршень 77. Для режима вибропрессования структура механической системы изменена, учитывая, что движения опоки и наполнительной рамки относительно модельной плиты и стола незначительны, эти тела объединены в один элемент Мх. В прессе поршни рассматриваются как отдельные массы М5 и А/6, в МПГ выделяются две группы колодок - расположенные над выступающими элементами (болванами) -четыре колодки А/3 и остальные М2.
На рис. 2.3.34 представлена работа и эффективность пресса с вибратором (обозначено Рпц1 и Рпц2 Давления воздуха в верхних (нештоковых) камерах цилиндра и штоковой камере нижнего цилиндра, - перемещение
Рис. 2334. Рабочий процесс и технологическая эффективность пневмопресса, МПГ и вибратора ФМ АЛЛ мод. АС5442.
Пассивная головкарм = 0,1/6 МПа. Остальные параметры по рис. 2.3.33
ВСТРЯХИВАЮЩЕ-ПРЕССОВЫЕ ФОРМОВОЧНЫЕ МАШИНЫ
619
плунжеров относительно поршня //, остальные обозначения не отличаются от принятых ранее). Перед прессованием производится второй подъем стола цилиндром D = 450 мм, затем запирание стола в верхнем положении двумя опорными скобами 14. Верхние камеры прессовых цилиндров подключаются к магистрали, а штоковая камера нижнего цилиндра сообщается с атмосферой, прессовые поршни вместе с МПГ движутся вниз, уплотняя колодками формовочную смесь. При этом наблюдаются колебания давления в прессовых цилиндрах и скорости движения головки, что связано со сжимаемостью воздуха. В течение 1 с производится "чистое” прессование, распределение давлений в слоях смеси обычное - с удалением от прессовой головки давление на смесь значительно понижается, причем давление в болванах ниже, чем давление под прессовыми башмаками в 2,8 раза. Наложение на сжатие смеси прессом ударной вибрации резко улучшает распределение напряжений и эффективность прессования. Интенсивная вибрация оснастки уменьшает внешнее трение смеси, напряжения в нижнем слое и болванах быстро возрастают, достигается равномерное уплотнение смеси для всей полуформы.
Сравнивая работу и эффективность ВПФМ различных типов и размеров можно сделать следующие выводы:
1. Хороших результатов по уплотнению смеси и виброизоляции ФМ можно достигнуть на разных типах машин, осознанно применяя эффективные технические решения.
2. Физические возможности эффективного уплотнения смеси на ВПФМ еще далеко не исчерпаны, но нужно тщательно прорабатывать конструкции и выбирать параметры, с тем чтобы максимум энергии превратить в полезную работу.
3. В связи с усложнением ФМ и ростом требований к качеству полуформ состоятельная оценка вариантов конструкций и правильный выбор параметров возможен только при использовании современной методики проектирования, основанной на компьютерном моделировании процессов формообразования с использованием комплексных динамических моделей.
Снижение шума и виброизоляция ВПФМ. Все ВПФМ являются виброактивны-ми, однако имеется достаточно способов и средств для снижения их воздействий на фундаменты и соседние машины до допустимого
уровня. Установлено, что даже наименее виб-роактивные ФМ со встряхивателями с встречным ударом при прессовании с вибрацией создают довольно значительные динамические нагрузки на фундамент, и никак нельзя их называть машинами с полной амортизацией передачи ударов на фундамент. В то же время комбинацией инерционных, упругих и демпфирующих элементов и устройством рациональной схемы виброизоляции с инерционным блоком можно исключить вибрации пола цеха и машин и агрегатов АЛЛ даже при работе тяжелого встряхивателя, используемого на этой линии.
Второе негативное последствие виброактивности ВПФМ - интенсивные вибрации модельно-опочной оснастки, приводящие к повышенному ее износу. Способы уменьшения интенсивности вибраций и износа оснастки известны - это установка демпфирующих прокладок между элементами оснастки и прижим опоки и модельной плиты к столу ФМ. К сожалению, на практике эти способы используются относительно редко.
Не является неразрешимой задачей и снижение шума при работе ВПФМ [И]. Основными источниками шума являются, во-первых, место удара, где происходит схлопывание воздуха в зазоре между поверхностями, контактирующими при ударе, и затем интенсивное деформирование прокладок и взаимодействующих с ними тел. Другим источником шума являются открытые поверхности деталей машины и элементов оснастки, интенсивно вибрирующие при ударах, и воздух, периодически удаляемый из рабочих камер встряхивателя, вибратора и пресса и вытекающий в атмосферу с большой скоростью. Снижение шума достигается при экранировании места удара другими деталями встряхивающе-прессового узла, как это сделано в ФМ мод. 22111 и встряхивателе и вибраторе ФМ линии мод. 22853, конструкции которых были рассмотрены раньше. В этих же машинах почти полностью ликвидирован шум от воздуха, так как воздух, удаляемый из рабочих камер встряхивающих цилиндров, попадает во внутренние камеры узлов, имеющие большой объем, расширяется в них, а затем уже спокойно выходит в атмосферу. Шум, генерируемый при интенсивных вибрациях поверхностей рабочего стола, модельной плиты, опоки, станины, поршней, несущей конструкции можно снизить путем уменьшения интенсивности их вибра
620
Глава 2.3. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ФОРМ
ций за счет использования в стыках демпфирующих прокладок, в полостях - вибропоглощающих наполнителей, на поверхности - вибропоглощающих покрытий (например, хромирование поверхностей), а также уменьшением площади вибрирующих поверхностей и установкой над наиболее излучающими поверхностями поглотителей шума (абсорберов). Кардинальным способом снижения шума является уменьшение числа ударов при встряхивании и вибрации, при этом технологический эффект сохраняется путем повышения результативности каждого удара.
2.3.3. ПЕСКОСТРЕЛЬНО-ПРЕССОВЫЕ ФОРМОВОЧНЫЕ МАШИНЫ
Пескострельный процесс уплотнения формовочных и стержневых смесей обладает преимуществами перед другими процессами тем, что формовочная (стержневая) смесь предварительно аэрируется сжатым воздухом в пескострельной головке, а затем этим же воздухом подается в технологическую емкость. Совмещение двух технологических операций -наполнение смесью технологической емкости и ее одновременное уплотнение - важнейшая особенность пескострельного процесса.
Пескострельный процесс получил два направления своего развития:
1. Получение стержней путем предварительного наполнения и уплотнения стержневых смесей с последующим химическим или тепловым отверждением в оснастке;
2. Предварительное уплотнение песчано-глинистой смеси при изготовлении безопоч-ных форм с последующим прессованием.
В обоих случаях к пескострельному процессу, независимо от вида этих двух направлений, предъявляются такие требования, как равномерное заполнение всего объема технологической емкости и достаточно высокое начальное уплотнение (без рыхлот), особенно в глубоких карманах оснастки. Наличие рыхлот (раковин) в предварительно уплотненной форме не устраняется на окончательном этапе упрочнения (уплотнение прессованием, химическое или тепловое отверждение) и приводит к искажению геометрии отливки, пригару и другим видам брака. Особенно важны эти требования в процессе пескострельного уплотнения высокопрочной песчано-бентонитной смеси для изготовления разовых безопочных форм
пескострельно-прессовым способом. В связи с этим технологический процесс и формовочное оборудование имеют свои особенности и отличия от пескострельных (пескодувных) стержневых машин.
Общее описание и анализ пескострельного и пескострельно-прессового процесса. Для того чтобы лучше понять сущность пескострельно-прессового процесса уплотнения формовочной смеси, рассмотрим одновременно схемы пескодувной (рис. 2.3.35, а), пескострельной (рис. 2.3.35, б) и пескострельно-прессовой головкок (рис. 2.3.35, в).
На стол пескодувной стержневой машины устанавливается стержневой ящик 4, который поджимается к надувной плите 3 головки У. Внутри головки резервуара имеется цилиндрическая гильза 6. Между корпусом головки 1 и гильзой имеется зазор, по которому сжатый воздух давлением 0,5...0,6 МПа из сети поступает внутрь корпуса головки. Предварительно в пескодувную головку засыпается стержневая смесь и закрывается шибером из бункера.
Воздух при подаче в головку проникает внутрь резервуара У, захватывает с собою смесь и через отверстия в надувной плите 3 подает ее в оснастку. Песчано-воздушная смесь за 1...2 с заполняет опоку и предварительно уплотняется. Сжатый воздух, поступивший в стержневой ящик за время заполнения и уплотнения, удаляется из стержневого ящика через вентиляционные отверстия (вен-ты) 5, установленные в надувной плите 3.
Пескострельная головка (рис. 2.3.35, б) отличается от пескодувной наличием гильзы 6 значительно большей высоты. Это обеспечивает лучшее аэрирование всего объема смеси в головке, а не части его, как это имеет место в пескодувной головке. Во-вторых, головка снабжена встроенным ресивером У/, пескодувным клапаном 10 большого сечения с пневмоприводом. В нижней части пескострельной головки встроена насадка УЗ с одним достаточно большим по площади коническим надувным отверстием.
Пескострельно-прессовая головка (рис. 2.3.35, в) для надува формовочной смеси не имеет щелей в гильзе, а сама гильза 23 имеет относительно большую высоту и малый диаметр по сравнению с гильзой у пескострельной головки (рис. 2.3.35, б) и, как правило, имеет надувную плиту с сужающимся коническим отверстием.
ПЕСКОСТРЕЛЬНО-ПРЕССОВЫЕ ФОРМОВОЧНЫЕ МАШИНЫ
621
Рис. 2335. Схемы пескодувной (а), пескострелыюй (6) и пескострельно-прессовой (в) головок:
1 - резервуар; 2 - мешалка: 3 - надувная плита; 4 - стержневой ящик; 5 - венты; 6 - гильза; 7 - бункер; 8 - горизонтальные прорези; 9 - шибер; 10 - клапан дутья; 11 - ресивер; 12 - вертикальные прорези; 13 - насадка; 14 - технологическая емкость; 75,25 - прессовые колодки; 76,26 - модельная оснастка;
17- надувная плита; 18 - бункер: 19 - шибер; 20 - ресивер; 27 - отверстия для подвода воздуха;
22 -клапан; 23 - гильза; 24 - штуцер для подвода сжатого воздуха в ресивер; 27- венты
Головка (рис. 2.3.35, в) также снабжена ресивером 20 и пескодувным клапаном 22 еще большего сечения и быстродействия, чем пескост-рельная головка для стержней (рис. 2.3.35, б).
При поступлении сжатого воздуха в пес-кострельный резервуар (рис. 2.3.35, в) через гильзу со смесью происходит его фильтрация, интенсивное разрушение конгломератов смеси и образование однородной песчано-воздушной смеси. Воздух, преодолевая сопротивление,
интенсивно фильтруется через смесь и увлекает ее через отверстия вдувной плиты. Смесь, вышедшая из вдувного отверстия, подхватывается воздушным потоком и движется в направлении вент 27. По мере движения скорость смеси увеличивается. При прямом ударе песчано-воздушной струи о дно формовочной камеры 14 первые слои смеси уплотняются за счет кинетической энергии песчинок. Однако уплотненный объем смеси разрушается после
622
Глава 2.3. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ФОРМ
дующими порциями смеси: под вдувным отверстием остается уплотненный конус смеси, удерживаемый на месте силами трения, а остальная смесь соскальзывает с поверхности конуса, разрыхляется и постепенно заполняет оснастку. По мере заполнения оснастки смесью сопротивление движению воздуха растет, возникает перепад давления в верхнем и нижнем слоях смеси. Одновременно продолжается процесс фильтрации воздуха через смесь в венты. Вследствие этих двух факторов в смеси возникают сжимающие напряжения, достигающие 0,10...0,15 МПа, и происходит предварительное уплотнение смеси: в нижних слоях наибольшее, в верхних слоях смесь остается менее плотной.
После полного заполнения оснастки смесью процесс фильтрации еще некоторое время продолжается. Вдавливание некоторой порции смеси (кома) из вдувного отверстия в заполненную смесью оснастку доуплотняет верхние слои смеси. По мере полного заполнения смесью технологической емкости и повышения ее плотности давление в технологической емкости и в пескострельном резервуаре повышается. Одновременно с повышением давления воздуха повышаются и силы фильтрации в смеси, за счет чего происходит ее дальнейшее уплотнение. Стабилизация процесса наступает в тот момент, пока внутренние силы фильтрации, внешнего трения и сжимающих напряжений в смеси не уравновесятся внешней силой давления воздуха в системе "ресивер - песко-стрельный резервуар - технологическая емкость - атмосфера". После стабилизации процесса вдувной клапан закрывается.
Заполнение технологической емкости смесью в начальный момент происходит за счет кинетической энергии движения песчинок. Силы инерции движения смеси в технологической емкости несущественны, и их обычно не принимают во внимание при расчетах.
Таким образом, при пескострельном процессе уплотнение смеси происходит под влиянием трех основных факторов: перепада давления воздуха, сил фильтрации и давления кома, образующегося на конечном этапе в устье вдувных отверстий. Сила фильтрации воздуха через смесь вносит существенный вклад в процесс пескострельного уплотнения на всех этапах. Уже первые порции и слои смеси, закрывшие "карманы" оснастки, в которых находятся венты, уплотняются фильтрацией, характеризующейся перепадом давления
Др = Pi - р2 , где Р\ - давление в отверстии вдувной плиты; р2 - давление в вентах. Особенно существенное влияние на уплотнение оказывает фильтрация на конечном этапе формирования стержня (кома); перепад давления повы-шается (р{ = (0,9...0,5)р0, рх = (ОД..О,3)роХ и силы фильтрации в этот момент также увеличиваются. Следует отметить, что на этом этапе давления воздуха в пескострельном резервуаре и в верхней части технологической емкости практически выравниваются. Силы фильтрации регулируются площадью вент и местом их расположения. В современных пес-кострельных машинах площадь фильтрационных отверстий составляет 2,5...3 % от площади оснастки.
Рабочий процесс пескострельной машины. Рабочий процесс пескострельной машины характеризуется трехступенчатым движением сжатого воздуха (рис. 2.3.36).
1. Ступень а —> b: истечение сжатого воздуха из ресивера а в пескострельный резервуар машины b;
2. Ступень b —> с : истечение песчановоздушной смеси через вдувные отверстия из пескострельного резервуара в стержневой ящик или опоку с одновременным наполнением ящика (опоки) и ее уплотнением;
3. Ступень с —> d : истечение воздуха из стержневого ящика с или опоки в окружающую атмосферу d.
В современных стержневых автоматах обычно применяют нижнюю вентиляцию. Поэтому при пескострельном уплотнении будем учитывать силы фильтрации как один из важнейших факторов уплотнения.
Ъ
вдувные отверстия
Венты
Vg.Cg
Рис. 2 J J6. Структурная схема рабочего процесса пескострельной машины
ПЕСКОСТРЕЛЬНО-ПРЕССОВЫЕ ФОРМОВОЧНЫЕ МАШИНЫ
623
Основываясь на известных положениях газодинамики и ряда работ [1, 12, 14], в том числе и по рассмотрению пескострельного
процесса, примем, что давление воздуха по времени в пескострельном резервуаре изменяется по закону
dt - уь Рь Ho/oVoJ ’ (23Л7>
\ V Г a r a 7
а в технологической емкости
^=kPbvVbp*~'lk ’ (2-3-,8)
c ’ b yPb y
где pai Рь, Pc->Va>Vb ~ абсолютные давления (Па) и удельные объемы воздуха (м3/кг); к - коэффициент адиабаты (для воздуха к- 1,4); /0, /1, /2- проходные сечения соответственно вдувного клапана, вдувных отверстий и вент; \р0, \|/j, \р2- величины, характеризующие области истечения сжатого воздуха из ресивера, резервуара и вент.
2gk (рУ*
*"1 kP.J
1|/ =
z х к+\/к — = var,
Ip.)
(2.3.19)
где рн - абсолютное давление воздуха в объ
еме (Па), куда происходит истечение; ръ-абсолютное давление воздуха в объеме (Па), откуда происходит истечение, g - ускорение силы тяжести.
Для надкритической области истечения 'ГЧ'шах =2,15.
Критическое отношение давлений, разделяющее упомянутые две области истечения, Ркр = (Рв/Рн)кр = 1’894, а обратная величина
1/Ркр = 0,528.
При ръ/рн< Ркр имеет место подкритическое истечение, при рв/рн > Ркр “ над_ критическое истечение.
По уравнению (2.3.17) можно рассчитать кривую изменения давлений рь по времени (рис. 2.3.37) на первом этапе (этап уплотнения и предварительного уплотнения смеси в технологической емкости). На этом этапе формовочная смесь, находящаяся в технологической емкости, хорошо аэрирована (псевдоожижена) и почти мгновенно перетекает в нее под действием волны давления. Поскольку площадь вдувных отверстий намного больше площади поперечного отверстия вдувного клапана, то объемы пескострельного резервуара и технологической емкости можно рассматривать с некоторым приближением как один объем, как одну полость, в которой имеются отверстие для подачи сжатого воздуха из ресивера и суммарная площадь вентиляционных отверстий для выхода воздуха в атмосферу.
Рис. 2.3.37. Изменение давления в пескострельном резервуаре (а) и в технологической емкости (0) по времени
В этом случае изменение давления в суммарной полости Ьс можно записать
/ ____________ \
dPbc _ кр'акУд _*-!/* „ f... [pj Н2/2У2 СТА
л - vbc ’ (2320)
\ у r'bc Ьс у
где УЬс - суммарный объем полостей бис; - удельные объемы воздуха, м3/кг.
При проведении расчетов необходимо учитывать, что из полости b в полость с истекает не только воздух, но и песчано-воздушная
624
Глава 2.3. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ФОРМ
смесь (твердая масса), которая уменьшает проходное сечение /j (/ж1 =(1...0,7)/1 в начале процесса и около 0,4 /j - в конце).
Оценим влияние твердой массы на процесс истечения. Поскольку f\ « (0,3...0,4)F, то при
/ж! = М/1 имеем fx = (0,12...0,16) F. Например, при площади стержневого ящика 800x600 получим эквивалентный диаметр проходного сечения вдувных отверстий соответственно dx = 293 мм, что намного превосходит диаметр вдувного клапана (для данного размера типовой стержневой машины 2583 - « 50 мм).
Следовательно, на процесс истечения воздуха из полости b в полость с наличие твердой массы в воздухе пескострельного резервуара не оказывает существенного влияния. Объем технологической емкости Vc - величина переменная, поскольку поступающая из емкости Ъ смесь уменьшает ее объем, но в то же время на такую же величину уменьшается объем емкости Ь. Иными словами, в суммарном объеме Ьс произошло перемещение стержневой смеси из одного положения в другое без изменения объема Ьс. Таким образом, процесс роста давления воздуха в пескострельном резервуаре и технологической емкости на первом этапе описывается нарастающей кривой (рис. 2.3.37, а), рассчитываемой по уравнению (2.3.20). Предельный уровень давления р"£ед найдем из
уравнения (2.3.20), положив dpbc/dt =0:
РьГ
Мо/оУо
2к/к+1
(2.3.21)
Из выражения (2.3.21) следует, что величина р£?ед определяется отношением /0 / /2 ,
то есть площадью проходного отверстия вдувного клапана и площадью проходного сечения вент. Параметры ц0 и ц2 (коэффициенты расхода) зависят от конструктивных особенностей клапана и вент, а также от возрастающего сопротивления фильтрации формируемого стержня. Параметры \р0 и \р2 зависят от перепада давления и также переменны. Если предположить, что уровень смеси в момент надува опустился до нижнего предела (например, до вдувной плиты), а стержневой ящик заполнен полностью смесью, то на этом пер
вый этап процесса закончился. Воздух же из ресивера еще некоторое время поступает до полной стабилизации процесса. На этом - втором - этапе продолжается некоторое время незначительный рост давления, продолжается фильтрация воздуха и доуплотнение смеси до полного отключения ресивера.
На втором этапе поступающий из ресивера воздух, фильтруясь, будет уходить в атмосферу через весь слой смеси и через венты (рис. 2.3.37, б). Вследствие фильтрации давление будет изменяться от величины (0,3...0,35)р0 на уровне контрлада технологической емкости до величины приблизительно 0,2 ро на уровне вент в модельной плите.
Исходя из анализа представления о механизме пескострельного процесса можно сделать выводы:
1. Давление в ресивере в пескострельном процессе не должно падать более 0,03... 0,05 МПа. Это условие должно обеспечить ресивер определенного объема и его быстродействие.
2. Площадь проходного сечения клапана и его быстродействие должны быть такими, чтобы обеспечить поступление за короткое время воздуха с минимальными потерями давления.
3. Площадь вдувных отверстий должна быть по возможности максимальной - с тем чтобы за минимально короткое время обеспечить равномерное перетекание смеси из резервуара в технологическую оснастку.
4. Площадь вент должна быть такой, чтобы создать оптимальную скорость потока фильтрующегося воздуха, обеспечивающую максимальную силу фильтрации и минимальный расход воздуха. На практике площадь вент составляет 3,0...3,5 % от площади технологической емкости. Среднее давление воздуха в технологической оснастке в конце второго этапа достигает (0,5... 0,55) pQ ; после закрытия клапана давление падает до атмосферного.
Конструктивно-технологические параметры пескострельных машин [1, 3, 12, 14]. В практике литейного производства получили наибольшее развитие два конструктивных решения пескострельных машин: машины для изготовления безопочных форм из высокопрочной песчано-бентонитовой смеси (рис. 2.3.35, в); машины для изготовления стержней для холоднотвердеющих смесей
ПЕСКОСТРЕЛЬНО-ПРЕССОВЫЕ ФОРМОВОЧНЫЕ МАШИНЫ
625
(рис. 2.3.35, б). Пескострельная головка этих двух конструкций отличается в основном вдувной насадкой, гильзой и размером клапана. В обоих конструкциях пескострельный резервуар имеет развитую по высоте гильзу, встроенный или отдельно стоящий ресивер большого объема; пескострельный резервуар и ресивер соединены коротким трубопроводом большого сечения с клапанами дутья. В более поздних конструкциях клапан имеет относительно большую площадь проходного сечения и быстродействия, т.е. он приближается по этим двум параметрам к клапанам импульсных формовочных машин. Насадки пескострель-ных машин этих двух конструктивных решений принципиально отличаются друг от друга. Так, насадка для пескострельных машин, работающих по ХТС, имеет расширение книзу, переходя от круглого сечения пескострельного резервуара к прямоугольному для примыкания к стержневому ящику. Отверстий в верхней части насадки для выхода воздуха из стержневого ящика (верхняя вентиляция) нет. Вдувная плита имеет отверстия диаметром 25...30 мм, число которых определяется общей площадью вдувной плиты. Площадь вдувных отверстий составляет 30...35 % площади стержневого ящика. Основная цель вдувной плиты такой конструкции - равномерная и достаточно быстрая подача (заполнение) стержневого ящика смесью. Уплотнение смеси будет обеспечиваться фильтрацией на втором этапе. Полное же упрочнение стержня будет осуществлено последующей продувкой газом-отвердителем.
Вдувные отверстия могут иметь площадь и более 30 мм. В таких случаях вдувное отверстие снабжено резиновой конической насадкой, обеспечивающей задержание просыпки смеси после надува и свободное расширение ее при последующем цикле.
Насадка (вдувная плита) для пескострельной машины, работающая на высокопрочной песчано-бентонитовой смеси (стсж = = 1,1...2,2 МПа) (рис. 2.3.35, в), предназначенная для изготовления безопочных форм, имеет сужение книзу. Выходное (вдувное) отверстие чаще всего круглое. Диаметр выходного (вдувного) отверстия достигает 0,2.. .0,3 диаметра гильзы. Рекомендуемый диаметр гильзы и других параметров рабочего резервуара пескострельной машины как для стержней, так и для форм, по опытным данным, D = (90... 100) G^3, где G - масса изготавливаемого стержня (кг). Суммарная
площадь живого сечения вент составляет 3,0...3,5 % от общей площади оснастки. Объем ресивера
= (3...4)х
х( [in 1/ф(1.032 + 0,3D)P 7 + Гт 0 ),
Кт 0 - объем технологической оснастки.
Пескострельио-прессовая машина для изготовления безопочных форм. Широкую известность получили формовочные машины комбинированного (пескострельно-прессово-го) уплотнения: предварительное уплотнение пескострельным способом, которое одновременно сопровождается и заполнением формы смесью, и окончательное уплотнение прессованием. Такой метод уплотнения нашел широкое применение в практике изготовления безопочных форм как с вертикальным, так и с горизонтальным разъемом [1].
Наибольшее распространение в современной практике получила пескострельно-прессовая безопочная автоматическая машина "Disamatic" с вертикальным разъемом блоков (форм). На рис. 2.3.38 показаны фазы процесса получения формы на этом автомате. В положении а производится пескострельный процесс наполнения рабочей камеры 3 (опоки) машины из пескострельного резервуара 7 и предварительное уплотнение смеси. В положении б происходит прессование смеси плунжером 5 путем передачи в камеру 9 масла под давлением, передающего на смесь давление около 2,0 МПа. Давление масла в камере 9 передается также на плунжер б, который, двигаясь вправо, производит прессование смеси в рабочей камере 3. Таким образом, в этой установке имеет место двустороннее прессование. В положении в левая стенка рабочей камеры отодвигается влево (протяжка левой модели), для чего масло под давлением впускается в кольцевое пространство заднего плунжера подвижной рамы 7 машины. В это время масло из камеры 9 вытесняется кверху, в цилиндр аккумулятора 8. Одновременно с отходом подвижной рамы 7 машины влево поворачивается на шарнире в горизонтальное положение левая стенка камеры с моделью. В это же время идет наполнение пескодувного резервуара формовочной смесью. В положении г уплотненный ком (блок) перемещается влево от машины и присоединяется к стопке безопочных блоков, одновременно этим движением передвигается
626
Глава 2.3. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ФОРМ
д) е)
Рис. 2.3.38. Последовательные фазы цикла пескодувно-прессовой машины "Disamatic" для горизонтально-стопочной безопочной формовки:
а - надув формы (блока), б - прессование блока, в - отвод передней стенки камеры с ее поворотом кверху, г - выталкивание заформованного блока из камеры; д - возвращение задней стенки камеры, е - возвращение передней стенки камеры, 1 - пескодувный резервуар, 2 - ресивер, 3 - камера машины, 4 - гидроцилиндр прессования, 5 - основной плунжер (прессования), 6 - задний плунжер (рамы), 7 - подвижная рама;
8 - аккумулятор, 9 - камера для масла
и вся горизонтальная стопка на толщину одного блока. Такое движение основного плунжера 5 происходит за счет перемещения верхнего вспомогательного плунжера влево и перетекания масла из верхней части полости 9 в нижнюю. В положении д задняя (правая) стенка камеры возвращается в крайнее правое (рабочее) положение движением верхнего вспомогательного плунжера и перетекания масла в верхнюю часть полости 9. В положении е передняя (левая) стенка рабочей камеры, двигаясь вправо, возвращается в исходное положение. Это осуществляет верхний вспомогательный плунжер, передавая усилие на масло, находящееся в полости 9. Давление прессования достигает (1,5... 2,0) МПа.
2.3.4. ВОЗДУШНО-ИМПУЛЬСНЫЕ ФОРМОВОЧНЫЕ МАШИНЫ
Классификация импульсных формовочных машин. По сравнению с широко известным встряхивающе-прессовым методом импульсное уплотнение обеспечивает получение чрезвычайно сложных форм, в том числе с глубокими карманами в оснастке, минимальными расстояниями между моделями, а также
между моделями и стенками опоки. Это позволяет не только улучшить геометрическую точность отливок, но и существенно снизить припуски на механическую обработку.
В литейных цехах, использующих импульсную формовку, экономия металла достигает 3...12%, а трудоемкость очистных и зачистных работ сокращается до 20 % по сравнению с методом уплотнения встряхиванием с допрессовкой. Импульсный метод обеспечивает высокую производительность формовочных машин, экономичен, вызывает меньший износ оснастки; импульсные формовочные машины не требуют массивных фундаментов, проще в эксплуатации вследствие отсутствия подвижных механизмов. Преимущества этого процесса не только в производстве отливок высокого качества, надежности, универсальности, но также и в вопросах улучшения условий труда формовщика, вследствие снижения шума и вибрации.
Импульсные способы уплотнения имеют чрезвычайно широкое разнообразие (рис. 2.3.39). В газо-импульсных и воздушно-импульсных установках на формовочную смесь воздействуют сжатый воздух или продукты сгорания горючих газов (метан, пропан и др.) в среде атмосферного воздуха.
ВОЗДУШНО-ИМПУЛЬСНЫЕ ФОРМОВОЧНЫЕ МАШИНЫ
627
Рис. 2J.39. Импульсные способы уплотнения
В настоящее время в промышленности применяются, в основном, воздушно-импульсные (ВИФ) и реже газо-импульсные формовочные установки (ГИФ). Воздушно-импульсные (ВИФ) подразделяются на два типа: ВИФ - высокого давления (5...8) МПа и ВИФ - низкого давления (0,5...0,6) МПа.
Воздушно-импульсные формовочные установки высокого давления широкого распространения не получили по ряду причин, в частности:
эти установки требуют специального компрессора высокого давления;
уровень шума выше допустимых норм;
наличие вент в модельной оснастке.
Характер уплотняющего воздействия импульса сжатого воздуха на формовочную смесь. На рис. 2.3.33 показана схема воздуш-но-импульсной установки низкого давления ВИФ/НД. Принцип воздушно-импульсного процесса уплотнения литейных форм заключается в том, что при открытии клапана 2 поток сжатого воздуха из ресивера 1 через отверстие 5, подклапанную полость 4 мгновенно воздействует на смесь 5, находящуюся в наполнительной рамке 6 и опоке 7, разгоняет ее по направлению к модели 8 и модельной плите 9, где она резко тормозится и под действием сил инерции уплотняется. Отработанный сжатый воздух через специальный клапан сброса давления или через венты, находящиеся в модель
ной оснастке, а частично через неплотности соединений оснастки и машины, уходит в атмосферу. За время импульса (/и = 0,01.. .0,02 с) смесь уплотняется до технологически необходимых плотности (6= 1,45... 1,65 г/см3) и твердости (7'= 80...90 ед.).
Объем ресивера 1 больше объема уплотняемой смеси в 3...4 раза, а давление воздуха в ресивере составляет 0,5...0,6 МПа. Воздушноимпульсная установка высокого давления ВИФ/ВД по самой сути не отличается от установок низкого давления. Но объем ресивера у последних меньше или равен объему уплотняемой смеси, а давление, как уже отмечалось выше, составляет 5...8 МПа.
За счет быстродействия привода клапана длительность импульса в установках ВИФ/НД /и = 0,01...0,02 с, а в установках ВИФ/ВД -/и = 0,05...0,1 с. Поскольку в установках ВИФ/ВД давление очень высокое, то при открытии клапана в смеси от воздействия потока воздуха образуется кратер. С целью избежать этого над смесью устанавливают рассекатель (плита с множеством перфорированных отверстий).
Эпюра распределения плотности по высоте опоки показана на рис. 2.3.40; внизу по ладу - максимальная плотность, верхний слой -неуплотненный; обычно этот слой (А = 20...50 мм) либо срезают, либо допрессо-вывают.
628
Глава 2.3. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ФОРМ
3 8
Рис. 23.40. Схема воздушно-импульсной установки низкого давления:
1 - ресивер; 2 - клапан; 3 - выпускное отверстие;
4 - подклапанная полость; 5 - смесь;
6 - наполнительная рамка; 7 - опока; 8 - модель;
9 - модельная плита
Распределение плотности по объему формы также неравномерное: в карманах оснастки плотность ниже, чем в надмодельной области. Однако эта неравномерность существенно ниже при импульсном уплотнении, чем при других способах формовки.
Как средняя плотность, так и неравномерность плотности по объему формы зависят от величины градиента давления dpldt, воздействующего на смесь.
В общем случае при импульсном воздействии на формовочную смесь потоком воздуха в ней возникают напряжения. Изменение этих напряжений по высоте слоя зависит от следующих сил: перепада давления, воздействующего на смесь воздуха (статическая и динамическая составляющие); силы вязкого и упругого взаимодействия смеси и фильтрующегося через ее поры воздуха; сил инерции смеси; сил внешнего трения.
Зависимость напряжений от этих сил в элементарном слое dy выражается уравнением
da dy
(2.3.22)
Л>
где ст - сжимающее напряжение в смеси; ув -плотность воздуха; рс - статическая составляющая давления сжатого воздуха; V& - скорость воздушного потока; Кс - коэффициент упругого восстановления, Н/м; Кт- коэффициент вязкого сопротивления, (Н-с)/м; vCM-скорость движения слоя смеси при уплотне
нии; g - ускорение силы тяжести; 8 -текущее значение плотности смеси; f - коэффициент внешнего трения; % - коэффициент бокового давления; П0К0 - периметр и площадь опоки соответственно.
Градиент роста давления над смесью или скорость нарастания давления dpldt в импульсных машинах является определяющим параметром, так как чем больше dpldt, тем выше скорость и ускорение движения смеси, тем выше сила инерции и плотность смеси.
Значение этого параметра в современных импульсных установках низкого воздушного давления колеблется в пределах (60... 100) МПа/с.
Длительность импульса /и сокращают по-разному. Первый путь - повышение быстродействия привода клапана, второй - увеличение суммарной площади впускных отверстий, либо применение этих двух способов вместе. Чем больше площадь впускных отверстий и меньше время срабатывания привода клапана, тем /и меньше и эффективность процесса уплотнения выше.
Параметр dpldt зависит, таким образом, от конструктивных параметров машины и давления воздуха в ресивере.
Сила инерции смеси - основной фактор уплотняющего воздействия - прямо пропорциональна величине градиента давления dpldt. Градиент давления является результирующим параметром, поскольку на его величину влияют многие конструктивные параметры, а именно: объем ресивера, давление сжатого воздуха в ресивере, объем подклапанной полости (полость, находящаяся между смесью и днищем ресивера), площадь впускного отверстия клапана и время его открытия.
Из рис. 2.3.41 видно, что увеличение длительности импульса всего лишь с 0,005 с (кривая /) до 0,01 с (кривая 2) уменьшает градиент давления более чем в 2 раза.
Физическая, реологическая и математическая модель формовочной смеси при импульсном уплотнении.
Механизм импульсного уплотнения. В импульсных установках благодаря мощной воздушной волне происходит в начальный момент рабочего процесса разрушение когезионных связей между частицами смеси, образующих объемную вязкость. Смесь на некоторое мгновение переходит в псевдоожиженное
ВОЗДУШНО-ИМПУЛЬСНЫЕ ФОРМОВОЧНЫЕ МАШИНЫ
629
Рис. 23.41. Изменение градиента давления по времени
состояние. В этот момент в смеси, подобно жидкости, повышается боковое давление (коэффициент бокового давления (3= 0,5...0,6) и она хорошо заполняет узкие карманы оснастки.
Сопротивление уплотнению смеси оказывает лишь кулоново трение. По окончании процесса активного трения когезионные связи частиц смеси снова восстанавливаются, причем гораздо интенсивнее, чем до уплотнения, за счет более плотной укладки частиц в объеме. Перемещающиеся частицы смеси испытывают сопротивление движению под действием трения о вертикальные стенки опоки и наполнительной рамки, но внутреннее кулоново трение движущихся частиц выше, чем внешнее трение о стенки. Это и заставляет приграничный слой частиц двигаться вдоль стенок.
Исходя из физических представлений об уплотнении формовочной смеси, как упруговязкого реологического тела, всякое воздействие на нее внешней динамической нагрузкой должно сопровождаться гармоническими затухающими колебаниями, уравнение которых описывается дифференциальными уравнениями вида:
М^+К, ^- +Ксу = C0S(e>r+<р), dt dt
(2.3.23)
- внешняя возбуж-
дающая сила.
Если уравнение (2.3.23) разделить на площадь опоки Fq, и полученные значения напряжений отнести к высоте элементарного слоя смеси, то можно видеть, что оно полностью совпадает с уравнением (2.3.22) (без учета сил тяжести и внешнего трения).
Коэффициенты Кг(д) и Кс(8) , зависят от плотности смеси и определяются из эксперимента. Они могут иметь вид:
Кт=0,5КОП5/^7(8)8,
(2.3.24)
*„-8Fon
Величина модуля упругости смеси при объемном сжатии К *(6) определяется так-но
же экспериментально в зависимости от плотности.
Аналитическая связь напряжения от плотности - уравнение состояния среды - определяется обычно из эксперимента. Например, известные уравнения П.Н. Аксенова (2.3.6) или Г.Ф. Баландина (2.3.10).
Реологическое уравнение, характеризующее зависимость плотности смеси от напряжений:
где Н- высота элементарного слоя смеси; /и -длительность импульса.
Это уравнение показывает, что напряжение зависит не только от свойств смеси, но и от уплотняемого объема и от длительности импульсного воздействия.
При низком воздушном импульсе силы инерции, действующие в смеси, на порядок выше, чем в установках высокого давления; это обеспечивается значительно большей суммарной площадью проходных сечений клапана и чрезвычайно коротким временем его открытия. Силы фильтрации в установках этого типа выполняют существенно малую роль, даже
Рис. 23.42. Реологическая модель импульсного процесса уплотнения:
Мо - масса; Яо - упругое тело Гука; No - вязкое тело Ньютона
630
Глава 2.3. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ФОРМ
при наличии вент, что объясняется быстротой протекания процесса низкоимпульсного уплотнения. По этой причине венты в данном процессе не устанавливают вообще.
Выбор оптимального режима импульсной установки. Режим импульсной установки определяется ее градиентом давления над смесью.
Выбор оптимального градиента давления теоретически основан на следующих предпосылках. Формовочная смесь при импульсном уплотнении представляет собой колебательную систему, имеющую период собственных колебаний, равный [21]
T = , (2.3.24)
Ис
где К - жесткость смеси, Н/м.
В этом случае воздействие волны давления сжатого воздуха на формовочную смесь для получения максимального эффекта уплотнения должно быть по длительности таким, чтобы возбудить в ней, как колебательной системе, собственные колебания.
Поскольку движение слоев смеси при импульсном воздействии на нее волны давления происходит по синусоидальному закону и занимает всего четверть полного периода колебаний, то и взаимодействие со стороны волны давления должно совпадать по времени с одной четвертой периода собственных колебаний уплотняемого объема смеси ("явление резонанса").
Исходя из указанных теоретических представлений, оптимальное значение градиента давления dpldt от максимума давления волны р, используя зависимость (2.3.24), можно получить как
^ = -£- = — f—'I • (2.3.25)
dt Г/4 л^Л/0/70
Выражение (2.3.25) показывает, что градиент давления dpldt должен иметь определенное значение, зависящее от реологических параметров смеси, характеризуемых модулем упругости К, вязкости Кс от габаритов “о
оснастки5и Hq.
В настоящее время все выпускаемые импульсные формовочные машины, как правило, нерегулируемые, т.е. работают не в оптимальном режиме, согласуемом со смесью и оснаст
кой. Зависимость (2.3.25) позволяет производить регулирование режимов работы воздушно-импульсной установки, т.е. регулирование величины dpldt.
Анализ формулы (2.3.25) показывает, что регулирование величины dpldt возможно только двумя параметрами: давлением сжатого воздуха р в ресивере и высотой уплотняемого столба смеси Hq (опока плюс наполнительная рамка).
Поскольку давление воздуха в цеховой магистрали находится в пределахр = 0,5...0,6 МПа, то, естественно, изменять градиент давления можно только в сторону понижения. Для увеличения давления в большую сторону необходимо встраивать дополнительные устройства, повышающие это давление, например мультипликатор, или в ресивер подавать некоторое количество жидкости или газа для уменьшения его объема. Расчеты показывают, что такой способ вполне возможен при небольшой дополнительно затраченной энергии.
Для автоматизации регулирования режимов с дозатором бункера для формовочной смеси устанавливается прибор для определения реологических критериев К и 80. Та-«0 ким образом, для получения качественной формы кроме автоматизации контроля свойств смеси можно также автоматически изменять режим машины в течение всего времени изготовления каждой полуформы в соответствии со свойствами смеси, поступающей в опоку формовочной машины.
Влияние конструктивно-технологических параметров на градиент давления при импульсном уплотнении.
Влияние давления сжатого воздуха площади впуска и времени открытия клапана. Из самого понятия dpldt видно, что чем больше давление при постоянном значении времени импульса /и, тем больше градиент давления.
Выше было отмечено, что для достижения технологической плотности смеси в реально действующих импульсных установках необходимо иметь dpldt = 60... 100 МПа/с.
Для достижения этой величины в воздушно-импульсных установках высокого давления были вынуждены использовать высокое давление сжатого воздуха р = 8,0... 10 МПа, поскольку применяемые конструкции импульсных клапанов обеспечивали время им
ВОЗДУШНО-ИМПУЛЬСНЫЕ ФОРМОВОЧНЫЕ МАШИНЫ
631
пульса только в пределах 0,08...0,1 с, по сравнению с современными клапанами, где /и = 0,01... 0,005с.
ГОСТом принято, что давление в магистральных цеховых сетях должно составлять 0,6 МПа. Повышение давления более 0,6 МПа требует дополнительных значительных затрат на создание специальной сети и компрессорной станции и на их обслуживание.
Поэтому для увеличения dpldt сокращают длительность времени импульса, повышая площадь впуска.
Площадь впуска S обеспечивается либо одним отверстием большого проходного сечения, либо несколькими: 4...8 отверстий или множеством мелких отверстий диаметром 10...20 мм (перфорированный клапан).
Обычно перфорированная площадь впуска составляет 20...25 % площади опоки при диаметре одного отверстия 10...25 мм. Его ход в этом случае составляет 3...6 мм. Для заданного круглого сечения отверстия впуска диаметром Djm ход клапана при открытии и соблюдении условия равенства расхода определяется уравнением:
nD2
Sm=—^ = nDmHm-, (2.3.26) 4
Яцл = /4- для круглого сечения впуска, а
для прямоугольного - = ab/2(a + Ь) ; где
а, b -стороны прямоугольника.
Для множества мелких отверстий в клапане диаметром d ход клапана определяется аналогично: =d/b. Обычно отверстия
малых размеров с подвижной и неподвижной частями клапана располагаются в шахматном порядке.
Все параметры клапана: время, скорость и ускорение определяются из уравнения движения:
d2x
М-Г = (рм- p^Fu - , (2.3.27)
dt
где М- масса подвижной части клапана; рм, Рпр “ давление газа в рабочей полости привода и противодавление соответственно;
- сила трения; Fu - площадь поршня силового цилиндра.
Длительность времени t открытия клапана определяется из соотношения
t = (2.3.28)
Из (2.3.28) видно, что время t не зависит от площади впуска S, а только от величины хода и ускорения клапана, его массы, площади поршня и давления в нем.
Используя (2.3.26) и (2.3.27) и подставляя их в (2.3.28) получим
t = | 2ДГкп^ (2.3.29)
У (Рм ~ Рщ> )^*Ц ~ ^*тр
Из (2.3.29) видно, что чем больше Др = рм - рПр, Л; и меньше ход клапана и масса клапана, тем длительность времени открытия меньше, а градиент давления - больше.
Используя эти зависимости, после несложных преобразований получим связь основных конструктивных параметров импульсного клапана:
(2.3.30) где п - число впускных отверстий в клапане.
Величина площади впуска S зависит от квадрата времени и пропорциональна постоянной А, характерной для данного клапана.
Величина А характеризует эффективность клапана: чем больше Я, тем больше градиент давления, а следовательно, больше мощность импульсной установки при заданном давлении воздуха.
Влияние величины объема ресивера и подклапанной полости на потери давления. Решением математической модели рабочего процесса на ЭВМ установлено [20], что с увеличением объема ресивера величина dpldt повышается сначала существенно, а затем более медленно и при значительном увеличении объема практически остается неизменной.
Установлено, что наиболее оптимальной величиной объема ресивера является соотно-шение Крес=(4...5)Ксм.
При работе импульсной установки не вся энергия сжатого воздуха, находящегося в ресивере, идет на совершение полезной работы, а только часть ее. Энергия сжатого воздуха,
632
Глава 2.3. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ФОРМ
находящаяся в объеме подклапанной полости
, идет только на его расширение, не совершая при этом полезной работы. Поэтому справедливо считать эту энергию потерянной, а объем Pj - вредным объемом.
При уплотнении смеси воздушным импульсом к объему подклапанной полости следует добавить объем пор в смеси, находящейся в наполнительной рамке и опоке.
Тогда потеря давления Др в ресивере определится выражением:
АР = Ро-Рк = Ро
l/p+H+^op
(2.3.31)
где рк - конечное давление в ресивере; к -коэффициент адиабаты; Кр - объем ресивера.
Анализ формулы (2.3.31) показывает, что чем больше величины и Кпор, тем больше потери энергии при уплотнении.
Потеря давления Др уменьшается с ростом отношения Ир/Ксм для любых значений подклапанной полости причем интенсивность падения потерь давления существенна только для значений Кр/Исм < 4... 5.
Потери давления увеличиваются с ростом объема подклапанной полости ¥[, и чем больше значение тем интенсивнее этот рост. Следовательно, объем подклапанной полости при конструировании импульсной установки следует сводить к минимуму.
Технологические требования к формовочной смеси и модельно-опочной оснастке при импульсном уплотнении. При импульсных процессах уплотнения литейных форм используются как правило песчано-бентонитные смеси с сырой прочностью на сжатие осж = 1,6...2,2 МПа. Предпочтительнее смеси с более высоким значением прочности.
Вместе с тем на практике используют формовочные смеси и с более низкой прочностью, например осж = 0,1...0,12 МПа. Это обычно имеет место в неавтоматизированном производстве, где меньше динамические нагрузки на форму при движении и кантовке полуформ.
Специальными требованиями к формовочным смесям, характерным и для импульсного уплотнения, являются: высокая начальная степень разрыхления смеси (30 = 0,75...0,85 г/см3), уплотняемость в пределах 40...45 %, влажность в пределах W = 3,0...3,2 %. Смеси, имеющие более низкие значения влажности, например W = 2,8 %, уплотняются хуже, но в этом случае улучшаются некоторые технологические свойства смеси. Низкая насыпная плотность обеспечивается ее аэрированием (разрыхлением) перед подачей из приемного бункера в опоку. Требования импульсных способов к свойствам смеси обусловливают повышенное внимание к системе смесеприготов-ления и смесеподачи. Наилучшими агрегатами для приготовления формовочной смеси импульсного уплотнения являются турбинные смесители, где смесь получается в высшей степени аэрированной. Для успешного применения импульсных способов уплотнения важен также и выбор модельно-опочной оснастки. Оптимальной высотой опоки считается Яоп = 200...400 мм, а высота наполнительной рамки Нр должна быть больше 2/3 Ноп. Однако указанные рекомендации относительны, так как все зависит от эффективности импульсного клапана. В случае применения клапана с градиентом давления dp/dt > 100 МПа и площади опоки 0,30...0,35 м2 высокую степень уплотнения получили и в опоках высотой 50... 100 мм [13,24].
При импульсном уплотнении низким воздушным импульсом давление смеси на модельную плиту достигает 2 МПа, а на стенки опоки приблизительно 0,8... 1,0 МПа [13]. Это предъявляет повышенные требования к жесткости опоки по сравнению с традиционным встряхивающе-прессовым способом: необходима опока повышенной жесткости и чистоты поверхности (не ниже 5-го класса точности, Rz = 2,5) для обеспечения плотного контакта между наполнительной рамкой и импульсной головкой. Сила прижатия опочной оснастки к импульсной головке зависит от площади опок. Расчет требуемой силы прижима ведется, как для динамических процессов, с необходимым для динамики запасом.
Применение импульсных процессов требует также и большей жесткости модельной оснастки по сравнению с встряхивающе-прессовым способом, хотя при единичном
ВОЗДУШНО-ИМПУЛЬСНЫЕ ФОРМОВОЧНЫЕ МАШИНЫ
633
изготовлении форм возможно применение деревянных моделей. Для обеспечения качественной вытяжки формы рекомендуется устанавливать венты в узких зазорах моделей при отношении высоты болвана к его ширине меньше 1:1. При импульсном уплотнении размещение моделей на плите также требует внимания. Величина зазора между моделью и стенкой опоки обычно составляет 40.. .80 мм.
Математическое описание рабочего процесса импульсных установок. Воздушный или газо-воздушный импульс представляет собой поток сжатого газа (воздуха), истекающий с переменной скоростью из некоторой рабочей камеры постоянного объема в переменный (надопочное пространство) до момента выравнивания давлений. Будем считать, что воздух - идеальная сжимаемая жидкость. Рабочий процесс истечения такой среды из ресивера в надопочное пространство описывается классическими законами [2].
Вместе с тем, импульсный процесс истечения имеет свои особенности. Главная особенность состоит в том, что площадь проходного сечения впуска, как это показано выше, -величина переменная по времени S = f(t) и определяется величиной хода подвижной части клапана Л, так что S = /(Л, t). В работе [14] предложена система уравнений рабочего процесса:
Фр [я ,v.
<Ьн dt
ун Vp
7
кРн *УН .
Ун Л ’
5 = /(Л,г);
<Р(Г)-
(2.3.32)
Mk^- = FK-FItf-F.,
где FM - полезная сила давления пневмо- или гидроклапана; Fnp - сила противодавления; Fc - сила трения; ф(У) - функция расхода, определяющая режим истечения: подкритический с переменным расходом при ф(У) > 0,528 и надкритический с постоянным расходом ф(Г) = 0,2588 при ф(У) = 0,528.
Уравнение S = /(Л, t) системы (2.3.32) может быть определено по зависимости (2.3.30), если известны входящие в нее параметры импульсной установки.
Систему уравнений (2.3.32) можно упростить, если ввести функцию расхода воздуха Gx2 из ресивера в технологическое пространство
61>2=Ка/Дх)рн>рХЦ/(Г).
V К/
Тогда после несложных преобразований (2.3.32) получим
kRTGx _ dPx . -kRTG2 = dP2
Vx ~ dt' V2 " dt ’
где R - газовая постоянная воздуха; Т - температура в ресивере; а- коэффициент расхода воздуха; площадь проходного сечения
импульсного клапана; , V2 - объем подклапанной полости и ресивера соответственно; рн р - давление воздуха над смесью и в ресивере соответсвенно.
Классификация импульсных клапанов. Импульсные клапаны воздушного давления разнообразны по своим конструктивным особенностям. Классификация импульсных клапанов низкого давления представлена на рис. 2.3.43.
Как уже отмечалось выше, воздушноимпульсные клапаны и головки высокого давления не нашли широкого развития и отличаются они от клапанов низкого давления только относительно низким быстродействием привода, высоким давлением воздуха и наличием вент в оснастке.
Воздушно-импульсные установки низкого давления принципиально отличаются друг от друга только конструкцией импульсного клапана и его расположением в ресивере.
На рис. 2.3.44 представлены некоторые конструкции импульсных клапанов. Важнейшими характеристиками любого импульсного клапана являются:
а) быстродействие клапана, т.е. длительность времени его полного открытия, которая существенно зависит от величины хода клапана при открытии;
б) суммарная площадь выпускных отверстий клапана.
Длительность времени полного открытия выпускных отверстий клапана должна быть
634
Глава 2.3. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ФОРМ
Рис. 2.3.43. Классификация импульсных клапанов
Рис. 2.3.44. Схема импульсных клапанов: а): 1 - клапан; 2 - корпус; б): 1 - корпус подвижной части клапана; 2 - корпус неподвижной части клапана; 3 - клапан; в): 1 - клапан; 2 - корпус клапана;
3 - выпускное отверстие; г): 1 - клапан; 2 - корпус клапана; 3 - гидроцилиндр; 4 - шток; 5 - пружина; ж): 1 - нижняя неподвижная плита; 2 - ролики; з): 1 - подвижная часть клапана; 2 - неподвижная часть клапана;
3 - шток; 4 - горизонтальный двухплечий рычаг; 5 - вертикальный рычаг;
6 - пневмоцилиндр
минимальной: чем время открытия отверстий короче, тем импульсный клапан эффективнее.
Площадь выпускных отверстий - вторая важнейшая характеристика клапана - должна быть по возможности максимальной. Для увеличения ускорения простейшего клапана (рис. 2.3.44, а) применяется ударник 4 в клапа
не, изображенном на рис. 2.3.44, б. При сбросе воздуха из наклапанной полости В ударник 4 начинает двигаться вверх, разгоняется и уда* ряет по клапану 1. Это способствует повышению ускорения клапана и снижает длительность впуска. С этой же целью применяют клапан с хвостовиком (рис. 2.3.44, в).
ВОЗДУШНО-ИМПУЛЬСНЫЕ ФОРМОВОЧНЫЕ МАШИНЫ
635
В начале движения выпускное отверстие перекрыто хвостовиком 2 и воздух не поступает в пространство В над смесью. Только после того как клапан пройдет путь, равный длине хвостовика /, и приобретет достаточную скорость, открывается впускное отверстие 3.
Пружинный клапан с гидроприводом (рис. 2.3.44, г) работает следующим образом. При подаче жидкости под давлением в гидроцилиндр 3 шток 4 поднимается вверх, сжимая пружину 5. Пружина передает усилие на клапан 1. Когда это усилие превысит давление сжатого воздуха, находящегося в полости А ресивера и прижимающего клапан 1 к седлу 2, клапан откроется под действием упругой силы пружины и будет двигаться с ускорением как под действием сил упругости пружины, так и под действием движущегося из ресивера сжатого воздуха.
На рис. 2.3.44, д изображен клапан из двух перфорированных плит с отверстиями или щелями, взаимно перекрывающимися при их совмещении в исходном положении. Наружные размеры такого клапана обычно близки к размерам опоки, что позволяет равномерно подавать сжатый воздух на всю поверхность смеси без рассекателя, а его эффективная площадь проходного сечения составляет 20...25 % общей площади опоки или ее части, обслуживаемой клапаном. Ход клапана незначительный. Подвижной может быть верхняя или нижняя плита. В первом случае она перемещается внутрь импульсной головки и для ее открытия нужен более мощный привод. Во втором случае клапан открывается вниз с меньшей затратой энергии, но это требует увеличения ’’вредного” пространства над смесью.
На рис. 2.3.44, е изображена схема шиберного клапана, состоящего из двух перфорированных плит. Открытие или закрытие клапана может осуществляться перемещением одной или сразу двух плит в разных направлениях. Разновидностью шиберных клапанов может служить клапан, представленный на рис. 2.3.44, ж. У этого клапана верхняя подвижная плита заменена рамкой, в которую вмонтированы ролики с резиновой облицовкой, служащие запорным элементом клапана. Шиберные клапаны пока еще не получили распространения.
На рис. 2.3.44, з представлен тарельчатый клапан с пневморычажным приводом, который открывается в направлении движения воздуха. При подаче воздуха в пневмоцилиндр 6, шток
ударяет по верхней части вертикального рычага 5, который отклоняется влево вокруг своей оси. Правое плечо рычага 4 поднимается вверх, а левое вместе с подвижной тарелкой 1 опускается вниз, открывая отверстия для выхода воздуха из ресивера 2.
Представленные клапаны, как и в целом их классификация, не может дать исчерпывающий ответ об эффективности того или иного клапана, поскольку не дает хотя бы косвенный ответ о быстродействии привода клапана и площади выпускных отверстий. В качестве примера рассмотрим несколько конструкций импульсных головок, где не только видна конструкция клапана, но и особенности его привода, а также конструкция выпускных окон.
Конструктивные типы воздушно-импульсных установок.
Воздушно-импульсная установка высокого давления. Принципиальная схема воздушно-импульсной установки высокого давления показана на рис. 2.3.45.
На пустотелую модельную плиту 1 с моделью 2 устанавливают опоку с наполнительной рамкой 4, в которую засыпается формовочная смесь (как низкопрочная, так и высокопрочная). С помощью гидросилового привода (на схеме не показано) модельно-опочная оснастка со смесью поджимается к воздушноимпульсной головке таким образом, чтобы обеспечить полную герметизацию и невозможность выброса смеси через неплотности соединения в период рабочего процесса.
Импульсная головка состоит из стального корпуса 6 (ресивера), в котором размещается
Рис. 23.45. Воздушно-импульсная установка высокого давления:
1 - модельная плита; 2 - модель; 3 - опока;
4 - наполнительная рамка; 5 - рассекатель;
6 - корпус головки; 7 - золотниковый распределитель; 8 - крышка; 9 - пружина; 10 — импульсный клапан; 11 - рассекатель; 12 - клапан сброса давления; 13 - венты
636
Глава 2.3. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ФОРМ
запорный импульсный клапан 10. Внутри клапана 10 размещается возвратная пружина 9, упирающаяся своими торцами в днище клапана и в крышку 8. Нижняя часть головки через рассекатель 5 плотно прижимается к наполнительной рамке 4. Рассекатель 5 служит для равномерного распределения потока сжатого воздуха, выходящего из выпускного отверстия импульсной головки (ресивера), равномерно по всей площади наполнительной рамки. В центральной части рассекателя 11 размещается отражатель, значение которого состоит в том, чтобы выходящий из пускового отверстия поток сжатого воздуха достаточно высокого давления направить к периферии. Отсутствие отражателя образует в формовочной смеси кратер в центре опоки.
Выход отработанного воздуха из оснастки обеспечивается вентами 13 и специальным выхлопным клапаном 12. Работа воздушноимпульсной установки высокого давления состоит в следующем. Сжатый воздух давлением 5...8 МПа поступает из ресивера Р, который питается специальным компрессором высокого давления (около р = 10 МПа ), в полость А импульсной головки 6.
Пуск установки осуществляется изменением положения золотника 7, при котором сжатый воздух из ресивера подается в поршневую полость Б. Преодолевая усилие пружины 9, импульсный клапан 70, двигаясь вверх, в течение долей секунды открывает впускное
отверстие, и воздух попадает сначала в подклапанное пространство В, а затем через отверстия в рассекателе воздействует на смесь, разгоняет ее по направлению к модели и модельной плите, где она резко тормозится и уплотняется. С другой стороны, вследствие перепада давления над смесью и в районе вент, где оно близко к атмосферному, образуются фильтрационные потоки. Сила сопротивления фильтрации равна силе перепада давления. В результате действия фильтрационных сил смесь дополнительно перемещается в направлении вент и уплотняется.
Импульсная установка низкого давления с пневматическим клапаном типа "летающая тарелка". Импульсная головка [15] (рис. 2.3.46) имеет ресивер 3 сжатого воздуха давлением (0,5...0,6) МПа, рабочий запорный орган 8 тарельчатого типа, установленный с возможностью вертикального перемещения в клапанной коробке 7, смонтированной в ресивере импульсной головки. В положении закрытия клапана рабочий запорный орган 8 перекрывает выпускное отверстие 9, которое при открытии клапана сообщает ресивер 3 с формообразующей емкостью, направляя в нее воздушный импульс. Управление рабочим запорным органом 8 производится через трубопровод 2 с клапаном 1. Давление в ресивере 3 создается подачей сжатого воздуха через патрубок 5 с клапаном 4. При снятии давления в полости 6 запорный орган отрывается от
Рис. 23.46. Импульсная установка низкого давления с пневмогидравлическим приводом клапана:
1 - клапан сброса давления; 2 - выхлопной трубопровод; 3 - ресивер; 4 - клапан управления; 5 - патрубок подачи воздуха в надклапанную полость; 6, 7 - клапанная коробка; 8 - запорный орган;
9 - выпускное отверстие
ВОЗДУШНО-ИМПУЛЬСНЫЕ ФОРМОВОЧНЫЕ МАШИНЫ
637
седла выпускного отверстия 9 и ускоренно поднимается до упора в днище клапанной коробки 7 под давлением в ресивере 3, воздействующим на всю площадь нижней поверхности запорного органа. В результате из ресивера через выпускное отверстие в формообразующую емкость, включающую наполнительную рамку, опоку и модельную оснастку, поступает воздушная волна для импульсного уплотнения смеси.
Для улучшения скольжения рабочего запорного органа 8 по клапанной коробке 7 его боковую поверхность профилируют, придавая ей выпуклость.
Эффективность рассмотренного клапана относительно невысокая. Хотя площадь выпускного отверстия и составляет приблизительно 0,5 Fon, но ход клапана при открытии достаточно большой. Вторым недостатком является тот факт, что противодавление снижает величину основной силы давления на клапан снизу и, как следствие, уменьшается величина ускорения, скорости и удлиняется время открытия.
Несмотря на указанные недостатки, клапан работоспособен, достаточно прост и надежен.
Импульсная установка низкого давления с пневмогидравлическим клапаном 116]. Импульсная установка (рис. 2.3.47), клапан которой работает по схеме (2.3.44, д), имеет плиту 5 и запорный орган 10, отверстия 11
которого смещены относительно отверстий 12 неподвижной клапанной плиты 5 и не совпадают с ней при закрытии клапана. Штоковая полость 14 приводного цилиндра 8 соединена с пневмоаккумулятором 23, а поршневая полость 20 - с гидронасосом 17. При ударном открытии рабочего клапана под давлением сжатого газа на поршень 7 в полости 14 слив рабочей жидкости из полости 20 по трубопроводу происходит со скоростью 20...30 м/с. Рабочий объем полости 20 составляет 500 см3, а давление рабочей жидкости, создаваемое гидронасосом 17, - 30,0 МПа, давление газа в полостях 14 и 22 (в положении закрытия рабочего клапана) - 3,0 МПа, а при его открытии возрастает до 30... 50 МПа.
Отношение объемов полостей 14 и 20 составляет примерно 10:1, а полостей 14 и 22 -1:12. Непосредственно вслед за отрывом запорного органа 10 от клапанной плиты 5 его подъем ускоряется воздействием на его нижнюю плоскость давления сжатого воздуха в ресивере 9. В положение открытия запорного органа 10 сжатый воздух из ресивера через отверстия 11 в запорном органе 10, зазор по его периферии и отверстия 12 в неподвижной плите устремляется в формообразующую емкость, ограниченную модельным комплектом 1, 2, опокой 3 и наполнительной рамкой 4, уплотняя находящуюся в ней смесь 13.
Расположение запорного органа 10 над клапанной плитой 5 ухудшает условия его от
Рис. 23.47. Импульсная установка низкого давления с пневмогидравлическим клапаном: /-модельная плита; 2 - модель; 3 - опока; 4 - наполнительная рамка; 5 - клапанная плита: 6 - клапан подачи воздуха в ресивер; 7 - поршень; 8 - приводной цилиндр; 9 - ресивер; 10 - запорный орган; 11 - отверстия в запорном органе; 12 - отверстия в неподвижной клапанной плите; 73 - формовочная смесь; 14 - рабочая полость; 15 - обратный клапан; 16 - переключатель; 7 7 - гидронасос; 18-19- распределители; 20 - полость для масла пневмоаккумулятора; 27 - клапан управления гидросистемой; 22 - газовая полость пневмоаккумулятора; 23 - пневмоаккумулятор; 24 - силовой трубопровод
638
Глава 2.3. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ФОРМ
крытия, но вместе с тем уменьшает практически до нуля "мертвую" зону - пространство между плитой 5 и смесью, что повышает эффективность уплотнения.
Для подачи давления в ресивер служит клапан 6. Быстродействие рабочего органа клапана, согласно данным фирмы, 0,01... 0,005 с, срок его службы - сотни тысяч циклов.
Импульсная установка низкого давления с пневморычажиым клапаном. На рис. 2.3.48 показана импульсная головка, работающая с пневморычажиым клапаном, схема которого представлена на рис. 2.3.48 [24].
Головка имеет ресивер 7 сжатого воздуха, рассекатель 2 и конусный перфорированный рабочий клапан, образованный верхним неподвижным конусом 3 и нижним подвижным 16, приводимым в движение на открытие двумя рычагами и пневмоцилиндром 9. Подвижный усеченный конус 16 закреплен на штоке 75, связанным с пневмоприводом 5 горизонтальным двуплечим рычагом 8. Пневмопривод 9 и два двуплечих рычага 6 и 13 образуют механизм быстрого сброса усилия взаимного прижима частей клапана. Двуплечий рычаг 6 установлен горизонтально, одно плечо которого взаимодействует со штоком 75, а на другом плече закреплен ролик 14. Другой двуплечий рычаг 13 установлен вертикально с возможностью взаимодействия с роликом 14 нижним плечом, а на другом плече закреплен штифт 72, размещенный в пазу 77 штока 10 привода 9, расположенного горизонтально. Подвижная часть конусного клапана гуммирована резиной для уплотнения.
Для получения исходного положения сжатый воздух подается в штоковые полости приводов 5 и 9, при этом двуплечий рычаг 8 поворачивается по часовой стрелке, прижимает подвижную часть 16 клапана к неподвижной части 5, а двуплечий рычаг 73, поворачиваясь по часовой стрелке, фиксирует верхнее положение штока 75 при помощи двуплечего рычага 6. Далее подают сжатый воздух в ресивер 7. После достижения необходимого давления в ресивере подача сжатого воздуха прекращается. Давление в штоковых полостях приводов сбрасывается и одновременно подается в поршневые. Шток 10 привода 9, перемещаясь влево, ударяет по штифту 72. Рычаг 73, поворачиваясь против часовой стрелки, освобождает рычаг б, и подвижная часть 16 клапана, быстро опускаясь, движется вниз, а сжатый воздух устремляется через окна в клапане и рассекателе к формовочной смеси и уплотняет ее.
// Ю
Рис. 23.48. Импульсная установка низкого давления с пневморычажиым клапаном:
1 - плита; 2 - рассекатель; 3 - неподвижный корпус;
4 - стойка; 5 - пневмопривод подъема;
6 - двуплечий рычаг подъема; 7 - ресивер;
8 - двуплечий рычаг сброса; 9 - пневмопривод сброса; 10 - шток; 77 - серьга; 72 - штифт;
73 - рычаг вертикальный; 14 - ролик; 75 - шток;
16 - подвижный конус; 7 7 - опустошитель
Эффективность работы клапана импульсной установки, представленной на рис. 2.3.48, обеспечивается:
а) быстродействием пневморычажного привода открытия выпускных окон, не имеющего полости противодавления, как это имеет место в пневматических и пневмогидравлических приводах;
б) относительно высокой площадью выпускных окон (площадь выпускных окон составляет около 20 % от площади опоки);
в) воздействием силы давления сжатого воздуха, находящегося в ресивере, на подвижную часть клапана до начала момента открытия окон;
г) силой тяжести подвижного конуса и штока.
Скорость и ускорение движения клапана определяются как величиной давления воздуха в ресивере, так и суммарной площадью выпускных окон и площадью днища подвижного конуса (полость В), которая соединена с ресивером отверстием А.
ФОРМОВОЧНЫЕ МАШИНЫ ДЛЯ УПЛОТНЕНИЯ ФОРМ
639
Вместе с тем подвижный конус клапана имеет возможность получать необходимое ускорение в момент пуска, если в полость В подавать более высокое давление (более 6 МПа) от внешнего источника, например от мультипликатора давления или от баллонного газа.
В заключение отметим, что число достаточно хорошо работающих в производстве импульсных клапанов значительно выше, чем описано выше.
2.3.5. ФОРМОВОЧНЫЕ МАШИНЫ ДЛЯ УПЛОТНЕНИЯ ФОРМ ВОЗДУШНЫМ потоком и
ДОПРЕССОВКОЙ
Метод уплотнения воздушным потоком (УВП) с последующим прессованием - метод Сейатцу - получил свое развитие в конце восьмидесятых годов. Он разработан совместно двумя фирмами: германской Heinrich Wagner и японской Sintokogio. В настоящее время этот метод находит все большее распространение благодаря ряду преимуществ: достаточно высокое и равномерное распределение плотности смеси по всей форме, в том числе и в карманах оснастки, минимальные уклоны модельной оснастки, что обеспечивает достаточно высокую размерную и весовую точность отливок, и др. Метод Сейатцу приобрел особенно большое значение для изготовления форм для ребристых цилиндров - корпусов электродвигателей и других форм с высокой степенью сложности. Этот метод используется как в АФЛ массового производства, так и при конвейерном производстве отливок средней массы.
Анализ метода уплотнения форм воздушным потоком с допрессовкой. Рассматриваемый процесс уплотнения (рис. 2.3.49) -комбинированный: предварительное уплотнение фильтрацией потока сжатого воздуха (кратковременная продувка) через смесь и венты, расположенные по контуру модельной плиты и в узких карманах оснастки, и последующее уплотнение плоской, многоплунжер-ной или другого вида прессовой колодкой. Формовочный узел машины состоит из двух основных узлов: узла подачи сжатого воздуха и прессового узла. В состав узла подачи воздуха входит ресивер сжатого воздуха (на рисунке не показан), объем которого составляет 1.. .2 м3, а в отдельных случаях и более, трубопровод 1 большого сечения и ограниченной длины и
Воздух из ресивера
Рис. 23.49. Схема процесса уплотнения потоком сжатого воздуха (Сейатцу-процесс).
Предварительное уплотнение фильтраций потока воздуха:
1 - воздуховодный трубопровод; 2 - впускной клапан; 3 - прессовый гидроцилиндр; 4 - прессовая колодка; 5 - корпус прессовой колодки;
6 - наполнительная рамка; 7 - опока;
8 - формовочная смесь; 9 - модель; 10 - венты; 11 - модельная плита
выпускной быстродействующий клапан 2 с электромагнитным приводом. Прессовой узел состоит из двух гидроцилиндров 3 и плоской жесткой прессовой колодки 4. Применяются также прессовые колодки других конструкций (рис. 2.3.50). Отличительная особенность модельной оснастки для данного метода - наличие в
Рис. 23.50. Конструкции прессовых колодок: а - плоская; б - гидропластмассовая
640
Глава 2.3. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ФОРМ
оснастке большого количества вент. Вторая особенность состоит в том, что во время процесса уплотнения все элементы оснастки с корпусом воздушной головки должны быть надежно герметизированы. Следовательно, формовочная машина должна иметь гидропривод для герметизации опоки, наполнительной рамки и корпуса головки, а плоскости соединения должны быть хорошо обработаны и иметь герметизирующие элементы (жгуты, прокладки и др.). После установки опоки с наполнительной рамкой и засыпкой смеси производится поджим оснастки к головке, то есть полная и надежная герметизация, исключающая выброс воздуха и частичек смеси из оснастки. Затем открытием клапана в течение 0,02...0,03 с, производится выпуск сжатого воздуха из ресивера в полость над смесью. Воздух, фильтруясь через смесь, уходит через венты в атмосферу. В результате сил фильтрации смесь двигается в направлении вент и уплотняется: чем ближе к модельной плите, тем плотнее смесь. После ухода воздуха в атмосферу производится допрессовка смеси. Распределение плотности смеси по высоте опоки показано на рис. 2.3.51. Кривая 1 характеризует распределение плотности смеси по высоте опоки при воздействии потока сжатого воздуха на формовочную смесь; кривая 2 характеризует распределение плотности смеси по высоте опоки при чистом прессовании. Как видно из графиков, на первом этапе уплотнения наибольшая плотность по ладу и неуплотненный контрал.
Последующая допрессовка (кривая 3) выравнивает плотность смеси до технологически необходимой по всей высоте опоки. Для сравнения на кривой 2 показана плотность смеси при чистом прессовании.
Рис. 23.51. Распределение плотности смеси при различных процессах уплотнения:
1 - Сейатцу-процесс; 2 - прессование;
3 - Сейатцу-процесс + допрессовка
Механизм уплотнения, воздушным потоком. Поток сжатого воздуха, протекая через смесь по направлению к вентам, за счет трения увлекает ее частицы на своем пути. Создается направленный песчано-воздушный поток, обладающий значительной энергией. Встречая на своем пути оснастку, воздух уходит через венты, а твердая основа потока тормозится и уплотняется. Время действия сил фильтрации составляет 0,2...0,3 с. Давление сжатого воздуха в ресивере, расположенном рядом с машиной, равно давлению цеховой магистрали -0,6 МПа. В результате действия силового воздушного потока на смесь форма уплотняется только частично. Для полной и технологически необходимой степени уплотнения смесь допрессовывается, давление допрессовки составляет 0,6...0,8 МПа. Такая комбинация силовых воздействий на смесь дает равномерное и качественное уплотнение формы.
Экспериментально определялись параметры воздействия потока воздуха на смесь. По высоте опоки устанавливались датчики давления (рис. 2.3.52, а). В смесь в течение 0,3... 1 с подавалась порция воздуха давлением 0,5...0,6 МПа. Кривые изменения давления записывались на осциллографе. Градиент давления изменялся от 0,2 до 1,5 МПа/с. После подъема давления от минимума до максимальной величины воздух еще в течение 1,0...2,0с фильтровался через смесь. На рис. 2.3.52, б показано изменение давления р и потери давления q в каждом слое. Как видно из рис. 2.3.52, б, давление падает от слоя к слою по параболическому закону, но величина потерь остается постоянной.
В каждом слое смеси, независимо от его положения, происходит потеря давления А^. Однако, суммируясь, эти потери увеличиваются с приближением к модельной плите, а давление падает в соответствии с равенством
Pws* = Pi + S 4i»
где рисх - исходное давление над смесью; Pt - давление в /-м слое полуформы; -суммарные потери давления в /-м слое полуформы.
Потеря давления в вентах по высоте модельной плиты выше, чем при прохождении воздуха через смесь, и будет зависеть прежде всего от сопротивления вент, высоты и диаметра отверстия для вент в модельной плите.
ФОРМОВОЧНЫЕ МАШИНЫ ДЛЯ УПЛОТНЕНИЯ ФОРМ
641
Рис. 2.3.52. Схема экспериментального определения параметров воздействия потока сжатого воздуха на смесь:
а - схема расположения датчиков давления; б - изменение давления по высоте опоки и потери давления
На выходе из вент на нижнем уровне модельной плиты давление воздуха будет равно атмосферному.
Поскольку чем выше перепад давления (Р\ ~ Р2 )’ тем выше эффективность уплотнения. Этого можно достигнуть, снижая сопротивление вент. Если бы сопротивление вент в модельной плите было равно нулю, то можно было бы записать
&Р = (Р\ -р1гм),
где /?1 - давление воздуха над смесью; ратм -атмосферное давление.
Так, на рис 2.3.53 представлены зависимости, характеризующие изменение давления сжатого воздуха в смеси на различной высоте полуформы по времени за один цикл. Из рисунка видно, что кривые p(t) независимо от высоты идентичны и состоят из трех участков.
Участок О А соответствует отрезку времени впуска воздуха от начала открытия клапана в точке О до начала его закрытия в точке А. Длительность участка впуска составляет от 0,3...0,4 с до 1 с (в отдельных случаях).
Участок АВ - участок незначительного падения давления воздуха в полуформе и полного закрытия клапана. Длительность участка
Рис. 23.53. Кривые изменения давления по высоте опоки и по времени
21-819
642
Глава 2.3. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ФОРМ
АВ в пределах 0,10...0,15 с характеризует быстродействие клапана при закрытии. Быстродействие электромагнитного привода клапана при впуске, вероятно, такое же и составляет 0,10...0,15 с.
Градиент давления сжатого воздуха при впуске dp/dt разный как на различных участках отдельно взятой кривой, так и на кривых каждого слоя, и зависит от максимальной величины давления в ресивере. Так, максимальный градиент давления dp/dt кривой px(t) составляет 2...3 МПа/с, а максимальный градиент давления кривой р5 (t) составляет всего лишь 0,6... 0,7 МПа/с.
При таких градиентах давления в смеси возникают ускорения сил инерции не более 5... 10 g, которые не могут создать в ней напряжения, обеспечивающие технологически необходимую плотность смеси.
При закрытии клапана давление в течение некоторого времени (0,10...0,15 с) остается почти постоянным, поскольку воздух не успел еще уйти через венты, но уже имеет место постепенный все уменьшающийся расход воздуха и некоторое падение давления в смеси (участок АВ). Если бы не произошло закрытия клапана в точке А, то кривая О А, достигнув давления 0,58 МПа (при давлении в ресивере 0,6 МПа) имела бы горизонтальный участок, соответствующий постоянному давлению воздуха.
Длительность участка ВС составляет 2... 3 с. На этом участке градиент давления для всех уровней по высоте полуформы характеризуется медленным убыванием и понижением перепада давления.
Установлено, что увеличение площади вент повышает твердость формы. При любом давлении в ресивере потери давления больше при большей площади вент. Потери давления в смеси зависят от площади проходного сечения вент и от давления воздуха. Уменьшение потерь давления в смеси вследствие уменьшения количества вент приводит к снижению усилия уплотнения. Это происходит вследствие увеличения потерь давления в самих вентах, то есть энергия сжатого воздуха расходуется на сопротивление проходного сечения вент меньшей площади. Поэтому требуется снижать потери в вентах. По мере усложнения моделей требуется увеличивать количество вент до некоторого предельного значения, а потери в вентах снижать.
На рис. 2.3.54 представлены кривые изменения твердости формы по высоте .опоки при различной площади вент, которые также подтверждают тот факт, что повышение площади вент увеличивает твердость полуформы не только по ладу, но и по всей ее высоте. Кривая, полученная экспериментально в оснастке с площадью вент 3,5 % от площади опоки, показывает что по всей высоте форма имеет примерно одинаково низкую твердость Т = 60 ед., что технологически не пригодно для модельной оснастки даже средней сложности. Вместе с тем, оснастка с площадью вент 7,2 % от площади опоки имеет достаточно высокий уровень твердости.
На рис. 2.3.55 представлены зависимости влияния коэффициента а на твердость лада формы в кармане для различных по высоте моделей (h = 50 мм, h - 100 мм, h = 200 мм). Ширина кармана для всех моделей бралась в широком диапазоне и составляла 10, 15, 30,60 и 120 мм. Из рис. 2.3.55 видно, что во всех трех случаях с увеличением отношения h/b твердость в кармане убывает (из-за действия внешнего трения), но характерно то, что все три кривые очень близко подходят друг к другу. Это означает, что для данного процесса высота моделей не существенно сказывается на процессе уплотнения и не существенно влияет на плотность твердость формы, что безусловно является большим достоинством процесса УПВ.
Например, для модели высотой h =200 мм и шириной кармана 16,6 мм соотношение h/b = а = 12 при твердости Т = 70 ед. Никаким другим из известных способов уплотнения песчано-глинистых форм пока нельзя достигнуть такого высокого соотношения а = 12 в сочетании с удовлетворительной твердостью формы.
Таким образом, по результатам экспериментов можно сделать вывод о том, что для любой высоты опоки и ее площади с увеличением давления сжатого воздуха в ресивере при оптимальной площади вент можно добиться высокой эффективности процесса уплотнения способом УПВ.
Колебание давления воздуха в сети может составлять одну и более атмосфер, особенно в зимнее время. Чем выше давление воздуха, тем эффективнее процесс уплотнения смеси, поскольку сила фильтрации прямо пропорциональна давлению. Для того чтобы процесс уплотнения был стабильным, давление воздуха в ресивере за цикл не должно падать
ФОРМОВОЧНЫЕ МАШИНЫ ДЛЯ УПЛОТНЕНИЯ ФОРМ
643
Рис. 2.3.54. Изменение твердости формы по высоте опок при различной площади вент: 1 - sjsm = 3,5 %; 2 - sjsm = 5,3 %;
3 - s,/son = 7,2 %
о*Г
Рис. 23.55. Зависимость твердости формы в карманах оснастки от отношения высоты к зазору между моделью и опокой
более чем на 0,004...0,05 МПа. Исходя из этого, рассчитываются площадь вент и давление прессования. Объем ресивера выбирается таким образом, чтобы давление в нем понизилось так, что за время вспомогательных операций со следующей полуформой оно восстановилось до исходного за счет пополнения из магистрали: чем больше объем, тем меньше перепад давления в ресивере.
Таким образом, в отличие от воздушноимпульсного процесса, где основным силовым уплотняющим фактором является большая сила инерции смеси, в процессе SEIATSU уплотняющим фактором являются силы фильтрации, которые зависят от перепада и градиента давления воздуха, начальной плотности смеси, высоты опоки и площади вент.
В отличие от других способов предварительного уплотнения (встряхивание, вибрация и др.) способ уплотнения воздушным потоком имеет свои особенности, которые заключаются в следующем:
во-первых, сопротивление потоку воздуха наименьшее вдоль поверхностей моделей, поскольку внешнее трение в этом случае меньше внутреннего. Это создает небольшой воздушный зазор между моделью и смесью, которая благодаря этому имеет меньшую когезию к поверхности, что облегчает протяжку модели;
- во-вторых, воздушный поток, двигаясь в направлении модели к вентам, создает большое количество микроканалов, тем самым общая площадь пор в смеси увеличивается. Этим объясняется повышенная газопроницаемость смеси при таком способе уплотнения при одинаковой сырой прочности смеси, чем при других способах уплотнения. Поскольку время силового воздействия потока воздуха на смесь больше, чем время релаксации смеси, упругие деформации практически отсутствуют, что также способствует улучшению протяжки модели.
Указанные особенности процесса уплотнения воздушным потоком позволяют уменьшить уклоны и повысить точность отливок как весовую, так и размерную.
Параметры фильтрационных процессов при уплотнении смеси воздушным потоком. Для расчета фильтрации воздуха через литейную форму применяют те же зависимости, которые используются в механике жидкостей и газов для описания фильтрации в пористой среде.
Дифференциальное уравнение Лейбензо-на, применяемое в широких пределах изменения скорости фильтрации с учетом уравнения состояния идеального газа и уравнения неразрывности, приводится к выражению, отражающему влияние инерционных сил и сил вязкого трения:
21*
644
Глава 2.3. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ФОРМ
Р\-р1 . т т2, м v 2р2Н К, Кц ’
где у - плотность воздуха; Ку, Кg - инерционный и вязкостный коэффициенты газопроницаемости соответственно (Ку, м; Кц, м2, определяются экспериментально); индекс 7 относится к моменту входа воздуха в смесь, индекс 2 - к моменту выхода воздуха из смеси; Н -протяженность пути фильтрации уплотняемой смеси. При скоростях ниже критических первым членом правой части уравнения можно пренебречь. Тогда получим уравнение Дарси:
N = ^y dp
ц dx
При турбулентном режиме значение за-критической скорости
1КГ(Р?~Р2)
v = J—1-------.
V у2рН
Сила межфазного трения
2 „2
Г= ——P2-S .
Р\
Удельный массовый расход воздуха, кг/м2с
W = lfb-1 , 2Y.(P|2-P22) р.
2 Кц
Объемный расход воздуха, м3/с, определяется выражением
V = WSy, где S- площадь опоки.
Практически установлено, что зависимость площади клапана от площади опоки близка к линейной и составляет для низкопрочной смеси /Fon - 0,06, а для высокопрочной =0,08.
Площадь вент, как показывает практика, близка и несколько ниже площади проходного сечения импульсного клапана.
Итак, исходя из представленных выше зависимостей универсального выражения закона фильтрации, применяемое в широких пределах изменения скорости фильтрации в общем виде можно представить
_^=JLv+JLv2. dx Кц Ку
а уравнение уплотнения с учетом сил межфазного трения будет иметь вид
= _Ф__ку2 —H-V-dy dy Ку
-(J-g'fi-W/F)',.
Уравнение учитывает влияние на процесс уплотнения не только силы инерции смеси, но и влияние характера движущегося через смесь потока сжатого воздуха, силу межфазного трения, и ее динамическую составляющую.
Предложенные и экспериментальные зависимости, позволяют с применением МКЭ решить не только задачу уплотнения формы, но определить некоторые важнейшие конструктивные параметры формовочной установки процесса уплотнения потоком воздуха.
Требования к смесям н технологической оснастке. Формовочная смесь для Сей-атцу-процесса наилучшим образом подходит для импульсных процессов (высокопрочная <ус = 0,12 МПа и маловлажная W = = 3,2...3,6 %). Это объясняется не только тем, что при такой влажности уплотнение вдет более эффективно, но и тем, что с технологической точки зрения эта песчано-бентонитная смесь наилучшим образом подходит для крупносерийного и массового производства отливок на АФЛ.
В принципе же достаточно высокого качества отливки можно получить этим процессом и на низкопрочных смесях с повышенной влажностью. Для этого необходимо подобрать соответствующие режимы машины, как давление прессования, так и количество вент, и топографию их расположения. На производительность, энергопотребление и брак полученных форм это не влияет.
К технологической оснастке этот процесс, как уже выше отмечалось, предъявляет повышенные требования. Опоки, наполнительные рамки и модельные плиты не испытывают больших напряжений, как при низком воздушном импульсе, поскольку давление в опоке не превышает сетевого.
Основные требования к конструкции модельной плиты н вентам.
Модельные плиты выполняются, как правило, пустотелыми, состоящими из основной плиты-носителя и сменной плиты-вставки.
ПЕСКОМЕТЫ
645
Сменная вставка конструируется и оснащается вентами под каждый вид отливки. Именно наличие вент, их количество и места расположения - важнейшие условия реализации способа уплотнения воздушным потоком.
Основное количество вент располагают по внутреннему периметру опоки в модельной плите-носителе. Остальное же количество - в плите-вставке около моделей или в углублениях моделей, которые обеспечивают оптимальное уплотнение отрицательных болванов и их нормальную протяжку.
К конструкции венты предъявляются высокие требования: вента должна быть самоочищающейся, достаточно прочной, нержавеющей, легко и точно монтироваться и демонтироваться с плиты.
2.3.6. ПЕСКОМЕТЫ
Назначение и область применения. Пескомет - формовочная машина метательного типа, осуществляющая уплотнение формовочной смеси путем подачи ее в опоку отдельными порциями-пакетами, которые выбрасываются пескометной головкой с определенной скоростью. В сочетании с транспортными, поворотными и вытяжными устройствами пескомет эффективно используется при изготовлении форм и стержней в единичном, мелкосерийном и массовом производстве средних и крупных отливок. Распространение метода на мелкие и частично средние отливки сдерживается недостаточной производительностью серийно выпускаемых пескометов.
Особенностью процесса пескометной формовки является совмещение двух техноло
гических операций: заполнение опоки смесью и ее уплотнение. Смесь, подаваемая в пескометную головку (рис. 2.3.56), отсекается вращающимся ковшом 3, прижимается к направляющей дуге 2, уплотняется и компактной массой-пакетом выбрасывается в опоку. В результате удара пакета о плоскость набивки в зоне контакта возникает весьма большое давление (до 4 МПа). Происходит уплотнение и укладка верхнего слоя и доуплотнение нижележащих. Заданная плотность достигается при определенной скорости перемещения головки (оснастки), обеспечивающей равномерное распределение поступающих в форму пакетов и послойное ее заполнение.
Процесс формирования пакета в пескометной головке (рис. 2.3.57) включает два этапа: собирание смеси ковшом (рис. 2.3.57, б) с предварительным ее уплотнением (рис. 2.3.57, в) и собственно формирование пакета в результате действия центробежных сил (рис. 2.3.57, г), обеспечивающих перераспределение смеси и дополнительное ее уплотнение [25]. Формирование пакета заканчивается при повороте ковша на угол 50...60° от вертикальной оси. Пакет имеет плотность 1,6 т/м3 и представляет собой призматическое тело, ограниченное цилиндрической поверхностью направляющей дуги, плоскостью задней стенки ковша и свободной поверхностью [8]. Скорость полета пакета близка к окружной скорости ковша на радиусе направляющей дуги и составляет в зависимости от типа пескомета 24...60 м/с.
Рис. 2.3.56. Схемы пескометных головок:
а - с осевым подводом смеси; б, в - с тангенциальным подводом, с принудительной загрузкой;
г-с тангенциальным подводом, со свободной загрузкой; 1 - корпус пескометной головки; 2 - направляющая дуга; 3 - ковш; 4 - ротор
646
Глава 2 3. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ФОРМ
Рис. 2.3.57. Схема рабочего процесса пескометной головки:
1 - ковш; 2 - боковая стенка ковша; 3 - транспортер подачи смеси. На рис. б, в, г условно не показана боковая стенка 2 ковша 3
Конструктивные схемы пескометов. Пескомет может быть представлен в виде трех элементов: пескометной головки, стола, основания. Характер движения пескометной головки и стола относительно неподвижного основания определяет конструктивно-технологическую схему пескомета.
Классификация конструктивных схем пескомета [26] позволяет производить анализ и выбор оптимальных вариантов, оценивать их технологические возможности и прогнозировать основные направления развития процесса.
Одним из направлений совершенствования и развития конструкции является создание пескомета (ширококовшового) с шириной ковша, равной ширине опоки. Перспективность данной модификации обусловлена высокой производительностью ширококовшового пескомета и существенным упрощением конструкции привода и системы управления вследствие упрощения программы перемещения головки, которая сводится к выполнению возвратно-поступательных движений. При этом обеспечивается повышение качества формы за счет исключения просыпи, образующейся между отдельными рядами укладываемых пакетов при использовании обычного пескомета.
Наиболее целесообразно использование ширококовшового пескомета при изготовлении форм по моделям сложной конфигурации (наличие ребер, карманов, болванов) в опоках высотой до 350 мм, а также при автоматизации процесса формовки, представляющего большие трудности, например, при изготовлении длинномерных отливок таких, как сердечники стрелочных переводов в опоках 5000x700 мм, по моделям, имеющим поднутрения (тюбинги). Перспективным направлением развития процесса является разработка высокопроизводительных автоматических линий непрерывной формовки.
В настоящее время как в России [7], так и за рубежом [27] созданы и осваиваются пескометы с шириной ковша 400... 1300 мм и производительностью до 300 т/ч. В обычных пескометах ширина ковша составляет 100... 150 мм, производительность до 80 т/ч.
Параметры оптимизации процесса. Качество уплотнения смеси определяется технологическими параметрами процесса [28]. К ним относятся: скорость полета пакета vn; удельная масса пакета типу, т.е. масса, приходящаяся на единицу длины ковша; величина относительного смещения пакетов L, определяемая отношением смещения двух смежных пакетов при укладке к их размеру в направлении смещения.
Параметры vn и /ипу определяют удельную кинетическую энергию и уровень напряжений, возникающих при соприкосновении пакета с плоскостью набивки. Каждый пакет в нижележащих слоях смеси создает поле напряжений. Смесь подвергается действию циклической нагрузки, которая сообщает мгновенный импульс зернам смеси, выводя их из состояния равновесия. С каждым новым ударом возрастают напряжения и степень уплотнения смеси.
Максимальные напряжения концентрируются под пакетом, уменьшаясь внутрь и в стороны от оси пакета [29]. С ростом кинетической энергии пакета [25] возрастает давление р в зоне контакта пакета с плоскостью набивки [30]:
р = ^El/a3\yJ^2,
где Е - модуль упругости формовочной смеси; / - кинетическая энергия пакета; а - ширине пакета; у - поправочный коэффициент; J -параметр, отображающий характер распределения энергии деформации (J = 4,36...4,96).
ПЕСКОМЕТЫ
647
Параметр L характеризует процесс укладки пакетов, которые могут или перекрывать друг друга или укладываться без перекрытия. Перекрытие приводит к частичному разрушению пакетов. Возникающая при этом просыпь уменьшает степень уплотнения смеси. Максимальная твердость Т, минимальный разброс 5Т получается при L = 0,8...1,0 (рис. 2.3.58), т.е. при укладке пакетов с незначительным перекрытием или без перекрытия, когда разрушение пакетов минимальное (а- относительное перекрытие пакетов).
Величина относительного смещения характеризует совершенство процесса. Чем ближе £ к единице, тем большая часть энергии будет затрачиваться на уплотнение. При использовании обычных пескометов L = 0,2...0,4; vn = 48...60 м/с, ширококовшовых пескометов L = 0,5...0,7; vn = 24...30 м/с.
Технологические параметры в реальной машине обеспечиваются соответствующим подбором конструктивных параметров, к которым относятся: угловая скорость ротора и>р, скорость перемещения головки или, в общем случае, скорость перемещения потока пакетов смеси по плоскости набивки vr, количество подаваемой в головку смеси Q, ширина ковша Ьк, диаметр пескометной головки DT, число ковшей zK.
Конструктивные параметры подразделяются на постоянные и регулируемые. Режим
Рис. 2.3.58. Зависимость твердости формы Т и разброса твердости 5Т от величины относительного смещения пакетов а
работы соответствует определенному сочетанию регулируемых параметров, которые выбираются из условия обеспечения оптимальных технологических параметров.
Задача сводится к определению конкретных значений регулируемых параметров vr, vvp, Q для заданных /к, bK, Dr. Разработка конструкции и системы управления должна проводиться с учетом обеспечения оптимальных значений vn, т^, L , которые являются параметрами оптимизации процесса.
Типы пескометов и их технические характеристики. По конструкции пескометы разделяют на консольные и мостовые, по функциональному назначению - на стационарные и передвижные. Последние снабжены механизмом для перемещения по рельсовым путям и предназначены для набивки крупных форм и стержней, а также для формовки на плацу и в кессонах.
Наиболее распространенным типом пес* комета является стационарный консольный пескомет. Общий вид пескомета представлен на рис. 2.3.59. Формовочная смесь из цеховой системы питания поступает на транспортер 4 большого рукава 5, далее по транспортеру 2 малого рукава 3 попадает в пескометную головку 7, откуда вращающимися ковшами выбрасывается в опоку. Головка перемещается над плоскостью набивки при помощи системы двух рукавов, представляющих собой двухзвенный шарнирный механизм. Поворот рукавов осуществляется от гидроприводов 7, 8. Управление пескометом производится с пульта 9. На больших и передвижных пескометах устанавливают несколько пультов управления или размещают пульт и кресло оператора непосредственно на пескомете.
Общий вид ширококовшового пескомета и формовочного автомата на его основе [31] представлен на рис. 2.3.60. Во время работы формовочная смесь из приемного бункера 7 поступает на ленточный транспортер 7, который подает ее в головку 2. Ширококовшовый пескомет 6 совершает возвратно-поступательные движения в пределах размеров опоки. Происходит заполнение и уплотнение смеси в опоке 3. После набивки полуформы осуществляется поворот кантовально-протяжного устройства 4 на 180° приводом 9. Во время поворота происходит обдувка модельного комплекта сжатым воздухом. Набитая полуформа за-
I
Глава 2 3 ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ФОРМ
Рнс. 23.59. Пескомет консольный стационарный:
1 - пескометная головка; 2 - транспортер малого рукава, 3 - малый рукав; 4 - транспортер большого рукава; 5 - большой рукав, 6 - станина; 7 - механизм поворота большого рукава; 8 - механизм поворота малого рукава, 9 - пульт управления
ПЕСКОМЕТЫ
649
Рис. 23.60. Формовочный автомат:
1 - приемный бункер; 2 - пескометная головка;
3,5 — опоки; 4 - кантовально-протяжной механизм; б - широкошовый пескомет; 7 - ленточный питатель; 8 - амортизатор; 9 - привод поворота кантовально-протяжного механизма
нимает нижнее положение, а пустая опока -верхнее. Производится вытяжка моделей из полуформы и сборка модельного комплекта с опокой, расположенной в верхней ветви канто-вально-протяжного устройства. Затем происходит набивка следующей полуформы и одновременно с этим готовая полуформа перемещается на позицию сборки, а ее место занимает пустая опока.
Краткие технические характеристики пескометов представлены в табл. 2.3.1
В автоматическом режиме перемещение пескометной головки по заданной траектории обеспечивается автоматическими средствами. Программа перемещения головки может быть
создана двумя способами: запись программы по первому образцу и предварительная разработка программы. Более прогрессивным является второй метод, предусматривающий разработку программы с учетом оптимальных режимов работы пескомета.
Расширение технологических возможностей пескомета обеспечивается специальными устройствами. Для изменения плотности набивки применяется устройство, позволяющее разделить поток смеси на два, один из которых направляется в пескометную головку для формирования пакетов, а другой, минуя головку, -в зону летящих пакетов. С этой же целью используют многоскоростной двигатель в приводе пескометной головки [7].
Для набивки поднутрений изменяют направление полета пакетов смеси путем поворота корпуса пескометной головки или направляющей дуги на некоторый угол по часовой или против часовой стрелки [7].
Основным узлом пескомета является пескометная головка. Различают два варианта исполнения пескометных головок - с осевым и тангенциальным подводом смеси. Осевая подача смеси используется в обычных, серийно выпускаемых пескометах с шириной ковша не более 50 мм. В ширококовшовых пескометах используется система с тангенциальным подводом смеси.
При конструировании пескометов проводится расчет мощности привода пескометной головки, прочностные расчеты, расчеты на жесткость несущих элементов, проверка на резонанс, а также на устойчивость передвижных консольных пескометов [3,5].
2.3.1. Технические характеристики пескометов
Параметры Типы пескометов
консольный стационарный консольный передвижной мостовой ширококовшовый
Производительность, т/ч 20 40 80 250
Ширина ковша, мм 100 150 150 1200
Суммарная длина рукавов, м 4,6 (2,8+1,8) 7,5 (4 + 3,5) - —
Мощность двигателя пескометной головки, кВт 22 55 75 55
Габариты, м 5,6x1,2x3,2 9,5x5,3x5,2 7,7x4,4x5,7 4,8x2,3x2,2
Масса, кг 6000 14000 16000 9000
650
Глава 2.3 ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ФОРМ
Мощность привода головки определяется по формуле
/Vr =(7^,+/V2+W3 + ?V4+W5)l/j, где W| - мощность, необходимая для разгона пакетов смеси; N2- мощность, требуемая для преодоления трения пакета по дуге; N3 -мощность вентиляционных потерь; NA -мощность, требуемая для преодоления трения в подшипниках; /У5- мощность, требуемая для преодоления трения в уплотнениях; Т|-КПД передачи.
Суммарная мощность и N2 составляет примерно 95 % от общей мощности привода пескометной головки. Более экономичными являются пескометные головки с тангенциальным подводом смеси вследствие уменьшения в два раза пути трения пакета по направляющей дуге. При прочих равных условиях мощность привода головок с тангенциальным подводом на 20% меньше, чем с осевым подводом смеси.
Расход электроэнергии на уплотнение одной тонны формовочной смеси для обычных пескометов составляет 0,7... 1,2 кВт.ч/т, для ширококовшовых - 0,15...0,25 кВт.ч/т.
Процесс пескометной формовки предъявляет дополнительные требования к оснастке и формовочной смеси: толщина крестовин в опоке не должна превышать 15... 16 мм, формовочная смесь перед подачей на пескомет должна подвергаться дополнительной очистке.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Аксенов П.Н. Оборудование литейных цехов. М.: Машиностроение, 1977.
2. Волкомич А.А. и др. Компьютерное моделирование процесса прессования литейных форм И Литейное производство. 1999. № 11. С. 34.
3. Горский А.И. Расчет машин и механизмов автоматических линий литейного производства. М.: Машиностроение, 1978. 136 с.
4. Орлов Г.М. Автоматизация и механизация процесса изготовления литейных форм. М.: Машиностроение, 1988. С. 5 - 19, 37-52,61 - 106.
5. Аксенов П.Н. Оборудование литейных цехов. М.: Машиностроение, 1977. 510 с.
6. Кобринский А.А., Кобринскии А.Е. Двумерные виброударные системы. Динамика и устойчивость. М.: Наука, 1981.336 с.
7. Орлов Г.М. Автоматизация и механизация процесса изготовления литейных форм. М.: Машиностроение, 1988. 264 с.
8. Геллер Р.Л. Выбор оптимальных режимов пескомета И Литейное производство. 1961. №3.
9. Сафронов В.Я. Справочник по литейному оборудованию. М.: Машиностроение, 1985.320 с.
10. Формовочная машина. Авт. св. СССР № 1683860. Зарегистр. 14.10.89. Опубл. 15.10.91. Бюлл. № 38.
11. Вербицкий В.И. н др. Снижение шума встряхивающих формовочных машин // Литейное производство. 1977. № 7. С. 33-34.
12. Геллер Р.Л., Поплавский В.Н. Выбор оптимальных конструктивных параметров пескострельных машин // Литейное производство. 1965. № 10.
13. Каменский В.В. Разработка нового технологического процесса и оборудования для изготовления безопочных песчаных форм отливок станин электродвигателей облегченной конструкции: Дис.... канд. техн. наук. М., 1991.230 с.
14. Герц Е.В., Крейнин Г.В. Расчет пневмоприводов: Справочное пособие. М.: Машиностроение, 1975.
15. Йорн А. Метод импульсной формовки фирмы "Георг Фишер" - современная концепция повышения экономичности и эффективности литейного производства / Каталог фирмы "Georg Fisher". 1996.
16. Хенгслер К. и др. Новая формовочная линия для задних мостов грузовых автомобилей фирмы Мерседес-Бенц. Casting Plant & Technology. Металлург-литмаш-95. М., 1995.
17. Матвеенко И.В. Оборудование литейных цехов. Ч. 1. М.: МГИУ, 2003.
18. Васильковский Л.Ф. Импульсная формовка и перспективы ее внедрения И Литейное производство. 1980. № 3. С. 14-16.
19. Казанцев С.Н.. Благанравов Б.П., Козлов С.Н. Исследование действия воздуха при импульсном процессе уплотнения И Литейное производство в автомобилестроении. Вып. 2. 1982. С. 44-50.
20. Кузембаев С.Б. Разработка и экспериментальное опробирование процесса и установки воздушно-импульсного уплотнения пес-чанно-глинистых форм: Дис. ... канд. техн, наук. М.: МГИУ, 1987. 238 с.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
651
21. Матвеенко И.В., Бельму к В.С. Уплотнение сырых песчанно-глинистых смесей импульсом сжатого воздуха И Литейное производство. 1989. № 6. С. 22-23.
22. Орлов Г.М., Бережанов П.И. Клапаны импульсных формовочных машин // Литейное производство. 1989. № 6. С. 20 - 21.
23. Матвеенко И.В., Бельму к В.С. Определение оптимальных параметров импульсной формовки И Литейное производство. 1990. №8. С. 12.
24. Матвеенко И.В., Каменский В.В. Импульсная головка. МГИУ. Патент РФ. № 2000870 от 11.02.92. М., 1993. МКИ В22С15/ОО.
25. Файн А.И. Рабочий процесс пескометной формовки // Литейное производство. 1977. № 5.
26. Мордочкнн Е.А., Беликов О.А. Технологические вопросы автоматизации пескометной формовки // Литейное производство. 1973. №9.
27. Sliwinski A., Wodzinski J. Automa-tyczna linia do produkji grzejnikow. Przeglad odiewnictwa. 1979. № 5.
28. Мордочкнн E.A., Беликов O.A., Фаин А.И. Параметры оптимизации процесса изготовления форм пескометом И Литейное производство. 1978. № 11.
29. Файн А.И., Геллер Р.Л., Губчев-ский П.В. Пескометная набивка форм крупных изложниц//Литейное производство. 1962. № 8.
30. Геллер Р.Л. Исследование рабочего процесса и изыскание оптимальных режимов пескомета: Дис. ... канд. техн. наук. МАМИ, 1961.
31. А.с. 1163968 СССР, МКИ В22 С15/2О. Установка для изготовления литейных форм / Д.А. Шибанов, И.А. Онуфриев, В.А. Христов, Е.А. Сергеев И Открытия. Изобретения. 1985. № 24.
Глава 2.4
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ФОРМ И СТЕРЖНЕЙ ИЗ ЖСС И ХТС
2.4.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Жидкая самотвердеющая смесь (ЖСС) представляет собой многокомпонентную систему, состоящую из наполнителя (кварцевый песок, регенерат и др.), связующего, поверхно
стно-активного вещества (ПАВ) и отвердителя, способную в процессе перемешивания приобретать подвижность при низкой общей влажности 4,5...5,5 % и затвердевать на воздухе в заданное время.
Принцип получения жидких смесей основан на соответствующем выборе и применении в составах смесей ПАВ, обладающих высокими пенообразующими свойствами и обеспечивающими перевод смеси в жидкое, подвижное состояние.
Затвердевание смеси на воздухе достигается введением в ее состав порошкообразного или жидкого отвердителя, выбираемого в зависимости от вида связующего.
Наряду с названием "жидкая самотвердеющая смесь", употребляются также равнозначные с ним термины - "наливная", "псев-дожидкая", "жидкоподвижная смесь".
Известно несколько разновидностей ЖСС, отличающихся друг от друга типом са-мотвердеющей композиции: связующее - отвердитель, например, жидкое стекло - двух-кальцевый силикат, технические лигносульфонаты (сульфитно-дрожжевая бражка) - соединения шестивалентного хрома; синтетическая смола - кислотный катализатор и др.
Наиболее распространенной традиционной ЖСС является смесь, в которой в качестве связующего используется жидкое стекло, а в качестве отвердителя - двухкальцевый силикат (C2S) в виде саморассыпающегося шлака или молотого нефелинового шлама. Для улучшения некоторых свойств смеси (облегчения вы-биваемости, повышения прочности) в состав смеси вводят добавки органического или неорганического происхождения.
Из поверхностно-активных пенообразующих веществ чаще всего применяются ДС-РАС (рафинированный алкиларилсульфо-нат) или контакт Петрова с мылонафтом. ЦНИИТмаш разработал новые биоразлагаемые ПАВ, полноценные заменители ДС-РАС.
Далее рассматривается оборудование, предназначенное преимущественно для приготовления жидкостекольных ЖСС с порошкообразными отвердителями.
Так как переход смеси в жидкое состояние происходит вследствие образования в процессе перемешивания многочисленных пузырьков пены, смесеприготовительный агрегат должен обеспечивать тщательное перемешивание компонентов смеси с интенсивным вовлечением в объем смеси воздуха. Такое пере
652
Глава 2.4. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ФОРМ И СТЕРЖНЕЙ ИЗ ЖСС
мешивание обеспечивают смесители лопастного типа периодического и непрерывного действия.
Виды применяемого для приготовления ЖСС оборудования. По типу смесеприготовительного агрегата, загрузке компонентов и выдаче готовой смеси установки для приготовления ЖСС подразделяются на установки периодического и непрерывного действия. В свою очередь установки периодического и непрерывного действия бывают стационарные, передвижные и переносные.
На подавляющем большинстве заводов применяются стационарные установки периодического и непрерывного действия.
Приготовление ЖСС состоит из двух этапов:
- приготовление жидкой композиции, включающей подготовку жидкого стекла (снижение его плотности до заданной), подготовка ПАВ, смешивание жидких компонентов между собой;
- приготовление собственно ЖСС.
Установка (узел) приготовления жидкой композиции. Принципиальная схема установки или узла приготовления жидкой композиции представлена на рис. 2.4.1. Установка состоит из исходных емкостей для ПАВ 1 и жидкого стекла 7, объемного дозатора воды 3, пропеллерной мешалки 4, объемного дозатора жидкого стекла 5 и шестеренчатого насоса 2. Приготовление жидкой композиции происходит в такой последовательности. Жидкое стекло из емкости 7 насосом 6 подается в объемный дозатор 5, а из него поступает в пропеллерную мешалку 4.
Необходимое для доведения до заданной плотности жидкого стекла количество воды поступает в мешалку из объемного дозатора 3 и перемешивается до получения требуемой плотности жидкого стекла. Затем в мешалку 4 из бака 1 насосом 2 подается расчетное количество ПАВ и тщательно перемешивается с раствором жидкого стекла до полной гомогенизации жидкой композиции. Емкости /, 3, 5, 7 снабжены уровнемерами.
Подготовленная жидкая композиция направляется на установку для приготовления ЖСС.
Перемешивание жидкой композиции продолжается в процессе приготовления смеси.
После перерыва в работе, перед пуском установки для приготовления ЖСС жидкая композиция снова тщательно перемешивается.
Жидкое стекло
4
К установке § \жсг\ Жидкое стекло приготовления^ < I со склада
Рис 2.4.1. Принципиальная схема установки приготовления жидкой композиции
Установки периодического действия для приготовления ЖСС. Принципиальная схема установки периодического действия показана на рис. 2.4.2.
Она состоит из смесительного агрегата /, ленточного дозатора 2 с бункером для песка 3, барабанного дозатора 4 с бункером для шлака 5, промежуточной емкости для жидкого стекла б и дозатора жидкой композиции 7. Все опера* ции по приготовлению смеси после пуска установки производятся автоматически.
Смесеприготовительный агрегат 1 представляет собой одновальный лопастной смеситель с горизонтальной осью вращения. Емкость смесительной камеры может изменяться от 150 до 1500 л, число оборотов смесительного вала от 20 до 70 об/мин.
Приготовление ЖСС на установке производится по следующей схеме. Песок в бункер подается пневмотранспортом или цеховым ленточным транспортером. Из бункера песок поступает в объемный дозирующий транспортер 2 с самостоятельным приводом. Количество подаваемого в смеситель песка регулируется с помощью шибера или реле времени.
Шлак поступает из бункера 5 в объемный барабанный дозатор 4 и в заданном количестве - в смеситель /, где песок и шлак предварительно перемешиваются.
Жидкая композиция, состоящая из жидкого стекла, пенообразователя и воды, из мешалки (на схеме не показана) шестеренчатым
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
653
Рис. 2.4.2. Принципиальная схема установки периодического действия для приготовления ЖСС
Рис. 2.4.3. Принципиальная схема установки непрерывного действия для приготовления ЖСС
насосом подается в промежуточную емкость 6, откуда она самотеком поступает в весовой дозатор жидкой композиции 7 и из дозатора выливается в смесительный агрегат /. Вместо весового дозатора установка может быть оснащена объемным дозирующим устройством. В смесителе смесь окончательно перемешивается до готовности и последующего ее использования.
В случае применения для приготовления смеси регенерата или технологических добавок рядом с бункером песка и шлака устанавливаются дополнительные бункеры для регенерата и добавок или основные бункеры разделяются перегородкой на две секции, заполняющиеся соответственно основным и вспомогательным материалами.
Установки непрерывного действия. Принципиальная схема установки непрерывного действия для приготовления ЖСС представлена на рис. 2.4.3.
Установка состоит из бункеров для песка 1 и регенерата 2; бункеров для отвердителя и
654
Глава 2.4. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ФОРМ И СТЕРЖНЕЙ ИЗ ЖСС
добавок 3, 4-, бака постоянного уровня 5; шестеренчатого насоса 6; бака промежуточного жидкой композиции 7; калиброванного отверстия S; ленточного дозатора для песка и регенерата 9; шнековых дозаторов для отвердителя и добавок 10, 77; лопастного двухвального смесителя 12. На смесительных валах смесителя располагаются лопатки, установленные под определенным углом к оси вала. Величина угла наклона лопаток находится в пределах от 15 до 45°. Применяются лопатки в виде пластин, прямоугольной, секторной, винтовой и других форм. Смесительные лопатки подразделяются не перемешивающие и транспортирующие. Первые предназначены для интенсивного перемешивания составляющих смеси, вторые - для перемещения смеси в смесительной камере. При приготовлении смеси песок и регенерат из бункеров 7 и 2 поступают на ленточный дозатор 9 и передаются в смесительную камеру 12. Отвердитель с добавками (если такие имеются) подаются в смеситель шнековыми дозаторами. Жидкая композиция из мешалки (на схеме не показана) поступает в промежуточную емкость 7, а из нее шестеренчатым или плунжерным насосом 6 перекачивается в бак постоянного уровня 5. Из бака 5 композиция через калиброванное отверстие 8 поступает в смеситель 72. Место ввода жидкой композиции в смесительную камеру выбирается на некотором расстоянии от подачи жидких компонентов после их предварительного перемешивания.
Приготовление и выдача смеси на установках этого типа происходит непрерывно. Смесителями непрерывного действия предпочтительно пользоваться при изготовлении разных по объему и номенклатуре форм и стержней, при больших их габаритах и повышенном расходе смеси, а также при серийном производстве.
Установки непрерывного действия по производительности выпускаются трех типов: 10, 20 и 30 т/ч.
Основным изготовителем и поставщиком оборудования для подготовки жидкой композиции и установок для приготовления ЖСС является Павлоградский завод "Палмаш" (Украина). В настоящее время завод располагает необходимой техдокументацией и готов вы
пускать соответствующее оборудование по отдельным заявкам заводов.
2.4.2. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СТЕРЖНЕЙ И ФОРМ ИЗ ХОЛОДНОТВЕРДЕЮЩИХ СМЕСЕЙ
(ХТС)
К холоднотвердеющим смесям относятся смеси, отверждаемые в холодной оснастке жидкими, порошкообразными и газообразными реагентами. Изготовление стержней и форм из ХТС является в настоящее время наиболее перспективным направлением развития и совершенствования технологических процессов получения отливок в индивидуальном и серийном производстве. Объемы применения ХТС на предприятиях Российской Федерации и за рубежом постоянно растут.
По долгосрочному прогнозу следует ожидать дальнейшего преимущественного развития технологических процессов, основанных на использовании ХТС.
Для приготовления ХТС применяются органическое и неорганические связующие композиции, состоящие из собственно связующего материала и отвердителей. В составы смесей могут входить также различные добавки для улучшения их технологических свойств.
Жидкое стекло является наиболее характерным представителем неорганических связующих. Оно также достаточно широко используется для получения ХТС на заводах Российской Федерации, в других странах СНГ и за рубежом.
Отверждение жидкостекольных ХТС осуществляется жидкими реагентами сложно-эфирного типа, порошкообразными и газообразными веществами. По технологии разработанной ЦНИИТмашем в РФ выпускается пять марок сложноэфирных отвердителей на основе ацетатов этиленгликоля, различающихся между собой активностью и позволяющих регулировать живучесть и скорость твердения смесей в широком временном интервале.
В качестве порошкообразных отвердителей жидкого стекла применяются материалы, содержащие двухкальциевый силикат (2CaO SiO2) в виде феррохромового шлака или
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СТЕРЖНЕЙ И ФОРМ
655
нефелинового шлама. Порошкообразные отвердители жидкого стекла применяются для приготовления жидких самотвердеющих смесей (ЖСС) и пластичных самотвердеющих смесей (ПСС), также относящихся к ХТС.
Газообразный отвердитель жидкого стекла представляет собой хорошо известный углекислый газ (СО2).
Из других ХТС с неорганическими связующими композициями следует назвать фосфатные и цементные самотвердеющие смеси. Самотвердеющая композиция в фосфатных смесях состоит из ортофосфорной кислоты и порошкообразной составляющей - оксидов железа (железная окалина, железорудный концентрат, крокус, трифолии и ряд других) и оксида магния (MgO). Из оксидов магния (MgO) для приготовления магнийфосфатных смесей могут использоваться металлургический магнезит, плавленый магнезит, магнези-тохромит, хромомагнезит.
В ОАО ПТИлитпром (г. Санкт-Петербург) разработан новый вариант фосфатных смесей, в которых связующим являются алю-моборофосфатный концентрат, отверждаемый магнезитовым порошком.
Специфической особенностью холоднотвердеющих смесей является живучесть - их способность затвердевать в определенном интервале времени, в течение которого смеси сохраняют свои технологические свойства и могут использоваться для изготовления стержней и форм. Регулируется живучесть соответствующим выбором состава или количества отвердителя изменением характеристик связующего (например, модуля жидкого стекла) и пр.
Оборудование для приготовления ХТС. В ХТС с синтетическими смолами и жидко-стекольными смесями, отверждаемыми сложными эфирами, содержание связующей композиции мало, физико-механические свойства смесей весьма чувствительны к изменению содержания связующего и отвердителя. Поэтому для обеспечения стабильных свойств смесей к точности дозирования основных компонентов ХТС предъявляются повышенные требования. С учетом этих обстоятельств для приготовления ХТС рекомендуется применять смесители непрерывного действия. Ниже рассматриваются конструктивные особенности смесителей непрерывного действия для приготовления двух основных разновидностей ХТС: с синтетическими смолами и жидкостекольных смесей, получивших наибольшее распространение в литейном производстве.
Смесители непрерывного действия состоят из нескольких основных узлов: смесительной камеры, одного или двух смешивающих валов шнекового типа с приводом; насосов-дозаторов для подачи в смесительную камеру связующего и отвердителя; расходные емкости для песка и компонентов связующей композиции; пульта управления смесителем в ручном и автоматическом режиме. На смесительном валу смонтированы лопатки, угол наклона которых к оси вала может изменяться, вследствие чего они могут выполнять функции перемешивающих или транспортирующих лопаток. В двухвальном смесителе смесительная камера представляет собой два отдельных желоба с вращающимися навстречу друг другу шнеками. В одном желобе песок смешивается со связующим, а в другом песок перемешивается с отвердителем. Оба потока поступают в вихревую головку, смонтированную на выходе смесительной камеры, где происходит окончательное перемешивание смеси. Такие смесители выпускает Павлоградский завод "Палмаш". Ответственным узлом смесителей непрерывного действия являются насосы-дозаторы, которые должны обеспечивать высокую точность дозирования жидких компонентов.
Пользуются насосами-дозаторами двух типов - плунжерными серии НД и шестеренчатыми Г-11-22. Производительность шестеренчатых насосов регулируется электроприводом постоянного тока. По сравнению с плунжерными насосами они более просты по конструкции и надежнее в эксплуатации.
При приготовлении жидкостекольных ПСС или фосфатных смесей порошкообразные отвердители или специальные добавки подаются в смесительную камеру дозаторами шнекового типа. Песок может подаваться шнековым дозатором или прямотоком через два шибера - верхнего отсекающего, перекрывающего поток песка при остановке смесителя, и нижнего - регулирующего количество поступающего в смесительную камеру песка. Во избежание влияния высоты столба песка в бункере на точность дозирования на боковых стенках бункера предусматриваются горизонтальные перегородки (полки). С этой же целью на участке тракта песка от бункера до отсекающего шибера могут выполняться тормозящие коленообразные переходы.
Смесители непрерывного действия выпускаются стационарного типа. По конструктивным особенностям они подразделяются на
656
Глава 2.4. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ФОРМ И СТЕРЖНЕЙ ИЗ ЖСС
одновальные, двухвальные, поворотного типа, одноплечие, двуплечие. Двухвальные двухже-лобные смесители оснащены вихревой головкой. Двуплечие смесители позволяют расширить радиус обслуживания и раздачи смеси, что весьма важно при изготовлении стержней и форм на плацу.
Павлоградским заводом "Палмаш" разработаны конструкции и налажен выпуск гаммы смесителей непрерывного действия различной
производительности и конструктивного исполнения.
В табл. 2.4.1 приведены основные модели смесительных агрегатов Павлоградского завода "Палмаш” и их технические характеристики.
На рис. 2.4.4 приведен общий вид одновального одноплечего смесителя непрерывного действия для приготовления ХТС с синтетическими смолами, на жидком стекле и фер-рофосфатных связующих. В смесительную камеру через коленообразный тракт из приемного
2.4.1. Смесители непрерывного действия для приготовления ХТС Павлоградского завода "Палмаш" и их характеристики
Наименование оборудования, модель Назначение оборудования Краткая характеристика оборудования
Смеситель модели 19642 Приготовление ХТС на синтетических смолах и жидком стекле Тип смесителя - стационарный, двухвальный, двух желобной, одноплечий с вихревой головкой. Производительность 1,6 т/ч. Радиус зоны обслуживания 1200 мм.
Смеситель модели 19655М То же Тип смесителя - стационарный, высокоскоростной, одновальный, двуплечий. Производительность 6,3 т/ч. Диапазон регулирования производительности 2,5...6,3 т/ч. Радиус зоны обслуживания 5000 мм.
Смеситель модели 19656 То же Тип смесителя - стационарный, высокоскоростной, одновальный, двуплечий. Производительность 10 т/ч. Радиус зоны обслуживания 5000 мм.
Ю
Рис. 2.4.4. Одновальный лопаточный смеситель непрерывного действия для приготовления ХТС: 1 - основание; 2 - поворотный рычаг;
3 - смесительная камера; 4 - лоток для выдачи смеси;
5 - пульт управления; б - место ввода жидких добавок; 7 - лоток для подачи песка; 8 - дозатор порошкообразных добавок; 9 - электропривод смесительного вала; 10- насосы-дозаторы жидких компонентов
ВАКУУМНО-ПЛЕНОЧНЫЙ ПРОЦЕСС И ОБОРУДОВАНИЕ ФОРМОВКИ
657
бункера подается песок. Для ввода в смеситель порошкообразных добавок предусмотрен специальный шнековый дозатор 8. Жидкие компоненты - связующее и отвердитель подаются насосами-дозаторами.
В настоящее время высокоскоростные смесители непрерывного действия модели СНДВ-1-6 производительностью 4... 6 т/ч выпускаются ЗАО "Металлугремонтмонтаж" (С.-Петербург) - смеситель одновальный одноплечий; число оборотов смесительного вала 730 об/мин; радиус действия - 1800 мм, угол поворота смесительной камеры - не менее 180°.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Борсук П.А., Лясс А.М. Жидкие самотвердеющие смеси. М.: Машиностроение, 1979.255 с.
2. Лясс А.М., Борсук П.А., Яковлев Л.В., Багров А.А. Установки периодического и непрерывного действия для приготовления смесей // Труды ЦНИИТМАШ № 153 "Жидкие самотвердеющие смеси и технология их использования". М., 1960. С. 79 - 82.
3. Технология изготовления стержней и форм из ЖСС в условиях единичного и мелкосерийного производства. Руководящие материалы. Ч. 1 и 2; НИИмаш, 1970. 255 с.
4. Типаж технологического оборудования для литейного производства на 1986 -1990 гг. М., 1985.
Глава 2.5
ВАКУУМНО-ПЛЕНОЧНЫЙ ПРОЦЕСС И ОБОРУДОВАНИЕ ФОРМОВКИ
Вакуумно-пленочная формовка (ВПФ), или V-процесс изготовления отливок, нашел в 1979... 1990 гг. широкое распространение во всех странах мира. Родоначальником этого процесса является японская фирма Sinto-Kogio, которая создала целую гамму автоматического и полуавтоматического оборудования для изготовления форм этим способом.
Применение ВПФ позволяет получать отливки с высокой размерный точностью и чистотой поверхности. Масса отливок снижается на 10... 15 %, а припуски на механическую обработку на 50 %. Технологический процесс при ВПФ практически безотходен за счет ис
ключения формовочных смесей со специальными связующими материалами и добавками и применения только сухого кварцевого песка, потери которого при его обороте менее 5 %. Расход формовочных материалов сокращается при этом обороте на 40 %. Снижается трудоемкость изготовления отливок за счет сокращения операций смесеприготовления, выбивки форм, обрубно-очистных работ.
Область применения ВПФ практически не ограничивается ни материалом отливок, ни сложностью конфигурации и толщиной их стенок.
Этот способ наиболее эффективен в литейных цехах, где отливки получают в формах из жидкостекольных и холоднотвердеющих смесей, на малопроизводительных формовочных машинах устаревшей конфигурации; он также экономически выгоден при индивидуальном и мелкосерийном производстве отливок.
Общее описание процесса и прочность форм ВПФ. Процесс ВПФ основан на получении отливок из черных и цветных сплавов в опоках по постоянным моделям сухим песком без связующего, который спрессовывается и удерживается в опоке с помощью синтетических полимерных пленок и вакуума. Последовательность операций приведена на рис. 2.5.1. Для ВПФ обычно применяют этиленвинилаце-татную пленку толщиной 0,050...0,10 мм, плотностью 940 кг/м3, = 58 °C. При заливке металла пленка плавится и газифицируется; продукты деструкции пленки проникают в форму, где конденсируются на холодных зернах песка, выполняя роль связующего. Толщина слоя песка, пропитанного продуктами деструкции пленки, составляет 3...5 мм. Этот слой предохраняет форму от разгерметизации. Для повышения герметизации пленку окрашивают в два слоя и более. Для герметизации контрлада толщина пленки может быть толще, чем на контрладе. Разрежение в вакуумной системе примерно 50...60 кПа создается обычно водокольцевыми насосами.
Механизм упрочнения формовочного материала при ВПФ можно представить следующим образом.
Основным фактором прочности сыпучего тела является сопротивление сдвигу, которое пропорционально напряжению сжатия в плоскости, перпендикулярной направлению сдвига, и коэффициенту внутреннего трения этого тела. Напряжения сжатия в формовочном ма-
658
Глава 2.5. ВАКУУМНО-ПЛЕНОЧНЫЙ ПРОЦЕСС И ОБОРУДОВАНИЕ ФОРМОВКИ
Рис. 2.5.1. Схема вакуумно-пленочной формовки:
а - нагрев пленки; б - модельная оснастка; в - обтягивание пленкой оснастки; г - установка опоки и засыпка ее песком; д - накрытие пленкой и вакуумирование; е - протягивание модели; ж - установка в нижнюю полуформу стержня; з - заливка формы металлом; и - выбивка отливки; 7 - нагревательное устройство;
2 - пленка; 3 - модель с каналами; 4 и 5 - соответственно плита и опока с вакуумируемыми полостями;
б - стержень; 7 - нарощалки; 8 - отливка
териале возникают вследствие создания в его поровом пространстве разрежения: атмосферное давление (за вычетом давления внутри формы) воздействует на герметизирующее покрытие, а через него на частицы формовочного материала, вызывая появление значительных сил трения в точках контакта последних.
На прочность литейных форм и стержней, изготовленных вакуумной формовкой, влияют и другие факторы, такие как физикомеханические свойства формообразующего материала, конструкция опоки, конфигурация и геометрические размеры рабочей полости формы.
Основные факторы, влияющие на процесс упрочнения песка при ВПФ, определяются из условия равновесия сил, действующих при уплотнении (рис. 2.5.2).
Рис. 2.5.2. Схема условия равновесия сил вакуумной формы
Условие равновесия состоит в том, что сила внешнего трения песка о внутренние стенки опоки должна быть равна или больше силы тяжести G песка в опоке:
P^>G; (2.5.1)
Ap=Wgr. (2-5.2)
где Рбои - сила бокового давления;
Р6ок = УДр + giH)nDH, (2.5.3) где £ - коэффициент бокового давления; перепад давления Др = ра - рб, ря и рб -давление атмосферное и остаточное в форме; gfH - боковое давление на стенки от силы тяжести песка; Н, D - высота и диаметр опоки.
Сила тяжести песка в опоке равна:
G = — ygH. (2.5.4) 4
Подставим полученные выражения (2.5.2), (2.5.3), (2.5.4) в (2.5.1), получим критический диаметр опоки
4tgf(Ap + gytf) (25j)
2Y
ВАКУУМНО-ПЛЕНОЧНЫЙ ПРОЦЕСС И ОБОРУДОВАНИЕ ФОРМОВКИ
659
Из выражения (2.5.5) находим минимальное допустимое разрежение в форме:
ДРпип
I D I
>yg---------Н .
(2.5.6)
Зависимость (2.5.6) получена без учета ускорений сил инерции а, действующих при технологических операциях (толчки, резкие остановы, протяжка и кантовка полуформ и др). С учетом этих ускорений зависимость (2.5.6) примет вид
Ад™ £ r(g + 4 -^7 - н |. (2.5.7)
Анализ формул (2.5.5) и (2.5.7) показывает, что с увеличением коэффициента трения f и бокового давления £ перепад давления снижается, а с увеличением плотности песка у - увеличивается. Коэффициенты /, 4, у зависят от гранулометрического состава песка и его угловатости, значения которых лежат в пределах: у= 1650... 1700 кг/м3; £ = = 0,35...0,40; f = 28,5...35° для мелких песков и / = 34.. .46° - для угловатых.
При конвейерном и автоматизированном производстве ВПФ вследствие действия значительных сил инерции перепад давления следует повышать.
Требования к формовочному материалу и модельно-опочной оснастке для ВПФ. Для ВПФ применяют как обычные мелкие кварцевые пески 1-2К01Б с влажностью 0,1 %, так и огнеупорные, например цирконовые, хромитовые и другие. Во многих случаях для получения чистых без пригара отливок на облицованный модельный комплект наносят противопригарное покрытие толщиной 0,2...0,3 мм. Чем чище должна быть отливка, тем мельче должен быть песок. Отработанный песок просеивают через вибросито с ячейкой 10x10 и 2,5x5,0 мм и охлаждают. Установки для охлаждения песка обычно работают по принципу кипящего слоя. Температура песка на выходе должна быть не более 45 °C. Пыль улавливается чаще всего рукавными тканевыми фильтрами сухого типа. Холодный и горячий песок транспортируется элеватором, виброконвейером и аэрожелобами или просто ленточным конвейером.
Опоки, применяемые при ВПФ, особенно в условиях автоматических формовочных линий, должны быть цельносварные или литые коробчатого типа с встроенными боковыми фильтрами. Боковые фильтры состоят из трех сеток. Первая - крупноромбическая, вторая -квадратная с ячейкой 20x20 мм, и третья -очень мелкая, изготовленная из коррозионно-стойкой стали. Внутри опоки размещают фильтры из стальных труб диаметром 30... 40 мм с отверстиями по всей поверхности, обтянутых фильтровальной сеткой. Для предотвращения поломок фильтр-трубок применяются ребра жесткости и ромбовидная сетка. Опоки транспортируются обычно роликовыми конвейерами.
Модели чаще всего алюминиевые или деревянные с вентиляционными каналами и вентами. Венты пластмассовые диаметром 10... 18 мм и щели А = 0,2...0,3 мм.
Выбор конструктивно-технологических параметров вакуумной системы. Основным параметром, характеризующим вакуумную систему, является поток воздуха Q, протекающий через нее за единицу времени. Величина этого потока зависит как от разрежения, так и от сопротивления вакуумной системы, включая газопроницаемость формы, сопротивления запорных устройств, шлангов. Среднее значение потока Q (м3кПа/мин), натекающего в ресивер воздуха и в полуформу за промежуток времени Ат, определяется зависимостью
Q = ~^> (2-5.8)
dt
где Ир - объем системы, м3.
В объем системы входит объем пустот в опоке, модельной плите и всех вакуумных трубопроводов с запорной аппаратурой до ресивера.
Из уравнения неразрывности установившегося потока в системе можно записать
Ap = Cg, (2.5.9)
где С - сопротивление в форме, мин/м3.
Величина С характеризует способность вакуумной формы сопротивляться натеканию атмосферного воздуха: иначе, - это время, в течение которого в форму натекает извне 1 м3 воздуха. Чем больше сопротивление С, тем при одном том же потоке можно достичь большего перепада давлений Ар (рис. 2.5.3). Обычно кривую Q = f(p) называют индика-
660
Глава 2.5. ВАКУУМНО-ПЛЕНОЧНЫЙ ПРОЦЕСС И ОБОРУДОВАНИЕ ФОРМОВКИ
Q (м3 кПа)/мин
Рис. 2.5.3. Индикаторная характеристика вакуумной формы
торной. Сняв индикаторную характеристику вакуумной формы или системы в целом, можно судить об ее эффективности.
При исследовании влияния технологических параметров формы на ее фильтрационную характеристику помимо параметров &р = f(Q) определяют зависимости Ар(/), Q(t), C(t) и Уф(0 , где Уф - скорость фильтрации воздуха через вакуумируемую форму (м-кПа/мин):
Уф=-£ (2.5.10)
* р
где F - сечение потока, м2.
При расчете параметров вакуумной системы:
1. Задаются размером опок и рабочей схемой системы. Ориентировочно подсчитывают среднее значение объема системы V, м3.
2. Задаются разрежением формы (кПа).
3. По заданному значению разрежения определяют по номограмме поток воздуха Q [м3кПа/мин] и давление вакуум-насоса рн.
4. Рассчитывают необходимое значение скорости откачки насоса 5Н:
5Н = к---------- м3/мин, (2.5.11)
(Рл-Ря)
где к = 1,25 - коэффициент запаса производительности; т- количество потребителей вакуума с одинаковой характеристикой и заданным значением давления фильтрации р§ .
Универсальные и высокопроизводительные автоматические формовочные линии вакуумно-пленочной формовки. Пути повышения производительности, экономии энергозатрат и материалов. В начале 1980 г. началось внедрение V-процесса при производстве отливок из серого и высокопрочного чугуна и стальных отливок.
Опыт показал, что в случае производства среднегабаритных отливок вакуумно-пленочный способ формовки дает большие преимущества по производительности (10... 20 мин/форма) в сопоставлении с другими способами формовки.
По данным японских источников, автоматическое производство крупных отливок дает более 1000 т/мес. на одну линию. Производство отливок по V-процессу более рационально для мелко- или среднесерийного производства широкой номенклатуры, а также для массового производства ограниченной номенклатуры, имеющее высокопроизводительное автоматическое оборудование.
Так, например, типичная компоновка оборудования для мелкосерийного производства представлена на рис. 2.5.4. Характерные особенности данного оборудования: относительно низкая стоимость оборудования; низкие затраты на строительные работы (безприямоч-ный вариант); простота и доступность обслуживания и эксплуатации оборудования и его компактность, малая занимаемая площадь.
Такое оборудование применяется для формовки отливок из черных и алюминиевых сплавов.
Основные технические характеристики оборудования для мелкосерийного производства. Размеры опоки: 1300x1300x310/310 мм. Производительность формовки: 20 мин/ форма. Численность работающих: 3 человека.
Производительная линия для массового производства отливок по V-процессу представлена на рис. 2.5.5.
Все операции, за исключением простановки стержней и заливки металла, полностью автоматизированы.
Основные технические характеристики оборудования этой линии.
Размеры опок: 650x500x150/120 мм. Производительность формовки: 2 формы.
Численность работающих: 2 человека (без учета простановки стержней и заливки металла).
В конце 1970 гг. впервые японские фирмы выпустили промышленную АФЛ для производства купальных ванн с производительностью 60 мин/форма (рис. 2.5.6).
В этой линии полностью автоматизирован технологический процесс - от формовки литниковой системы до удаления выгарок пленки после выбивки и от выгрузки отливок до дробеструйной обработки.
ВАКУУМНО-ПЛЕНОЧНЫЙ ПРОЦЕСС И ОБОРУДОВАНИЕ ФОРМОВКИ
661
Рис. 2.5.4. Типичная компоновка оборудования для мелкосерийного производства:
1 - бункер-накопитель песка; 2 - нагрев и укладка пленки; 3 - дозатор песка; 4 - карусельный стол;
5 - охлаждение песка; 6 - просев песка; 7 - накопитель песка; 8 - вентилятор высокого давления;
9 - вакуумный насос; 10 - элеватор; 11 - система очистки воздуха
15730
Рис. 2.5.5. Линия для массового производства отливок по V-процессу:
1 - карусельная транспортно-заливочная установка; 2 - перегружатель опок и полуформ;
3 - бункер-накопитель; 4 - загрузка песка в опоку; 5 - нагреватель-укладчик пленки;
б - вибрационно-формовочная установка; 7 - охладитель песка; 8 - элеватор; 9 - бункер свежих добавок;
10- блок выбивки; 11 - перегружатель форм; 12,13 - устройства для снятия верхней и нижней пленки;
14 - нагружатель форм; 15 - установка вакуумная; 16 - вентилятор высокого давления
662
Глава 2.5. ВАКУУМНО-ПЛЕНОЧНЫЙ ПРОЦЕСС И ОБОРУДОВАНИЕ ФОРМОВКИ
Рис. 2.5.6. АФЛ для производства купальных ванн:
1 - линия формовки низа; 2 - сборщик форм; 3 - формовочная установка низа; 4 - охладитель песка;
5,6- нагреватель-укладчик формы; 7 - вибрационно-формовочная установка верха, Я - бункера-накопители песка; 9- линия подачи свежего песка; 10- заливка форм;
11 - снятие огарков верхней пленки; 12 - снятие верхней опоки; 13 - выбивка опок; 14- удаление отливок
На рис. 2.5.7 представлена компоновка другой производственной линии изготовления фасонных труб с производительностью 10 мин/форма. При разработке оборудования АФЛ значительно сокращено рабочее время засыпки и вибрации песка (до 10 с). Для сокращения времени нагрева пленки применяют пленки с повышенной термоаккумулирующей способностью. В процессе окраски и сушки формы наибольшим фактором, препятствующим сокращению времени формовки, является затруднительная автоматизация окраски формы сложной конфигурации. С целью исключения этого процесса в автоматических линиях применяют быстросохнущую краску и технологию без применения окраски (применение мелкозернистых песков).
Наиболее трудоемкой операцией технологического процесса при ВПФ является формовка литниковой системы. Существует несколько способов формовки литниковой системы. Один из способов представлен на рис. 2.5.8, где литниковую чашу формуют отдельной пленкой.
В автоматических линиях при вакуумировании форм на подвижном конвейере применяют ряд следящих устройств, обеспечивающих поддержание вакуума в опоках при их
прямолинейном перемещении. Пример такого устройства показан на рис. 2.5.9.
В автоматических линиях ВПФ имеет место повышенный расход пленки, однако длина выпускаемой пленки ограничивается технологией производства рулона пленки. В среднем замена рулона производится через 2...3 часа, что снижает производительность оборудования. С целью обеспечения производительности оборудования выполняют различные устройства автоматической замены склейки рулона (рис. 2.5.10).
При формовке с применением песков различной зернистости и на различных этапах процесса литья с целью экономии воздуха применяют специальные клапаны на вакуум-проводе. При формовке или охлаждении залитой формы понижают степень вакуумирования, а при заливке, сопровождающейся увеличенной потерей вакуума, наоборот, повышают степень вакуумирования.
Тенденции в развитии ВПФ. Одна из главнейших тенденций ВПФ, так же как и изготовление песчано-глинистых форм, - переход от опочной формовки ВПФ к безопочной В ряде стран создано оборудование, позволяющее получать отливки способом ВПФ в
ВАКУУМНО-ПЛЕНОЧНЫЙ ПРОЦЕСС И ОБОРУДОВАНИЕ ФОРМОВКИ
663
Рис. 2.5.7. Производственная линия изготовления фасонных труб с производительностью 10 мин/форма: 1 - узел подготовки и нагрев пленки;
2 - выбивка формы; 3 - снятие огарков верхней пленки; 4 - заливочный плац;
5 - узел удаления отливок;
6 - контейнер для отливок; 7 - транспортное устройство для песка; 8 - элеватор; 9 - бункер-накопитель песка
Рис. 2.5.8. Способ формовки литниковой системы, где литниковую чашу формуют отдельной пленкой:
7- укладка пленки на модель и стояк; II- засыпка песка и укладка пленки на контрлад;
///-протяжка стояка и модели; 7 - пневмоцилиндр; 2 - песок; 3 - опока; 4 - модельная плита; 5 - толкатель
Рис. 2.5.9. Следящее устройство для поддержания вакуума в опоках при их прямолинейном перемещении:
7 - вакуумная линия с клапанами постоянного поддержания вакуума;
2 - вакуумная линия с клапанами периодического включения вакуума
664
Глава 2.6. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СТЕРЖНЕЙ
Рис. 23.10. Устройство автоматической замены склейки рулона:
1 - передаточное устройство для нагрева и наложения пленки; 2 - отработанный рулон пленки;
3 - новый рулон пленки; 4 - нож;
5,6,7- устройства для склейки пленки
безопочных вертикальных и, реже, в горизонтальных формах. Это позволяет существенно снизить стоимость модельно-опочной оснастки, стоимость которой при ВПФ соизмерима со стоимостью самой линии.
За последние годы в ряде стран широкое развитие получают новые способы ВПФ не только фасонных, но и непрерывно-литых безопочных заготовок из черных и цветных сплавов.
Известно, что метод ВПФ в силу своей природы отличается большой продолжительностью затвердевания и охлаждения, что негативно отражается как на структуре отливки (крупное зерно), так и на продолжительности процесса производства. С целью снижения продолжительности затвердевания и охлаждения в ВПФ вводят газообразный или жидкий теплоноситель, который отбирает тепло от нагретых слоев формы и откачивается затем вакуумной системой. Таким образом, благодаря введению в форму теплоносителя скорость затвердевания и охлаждения отливок при ВПФ существенно увеличивается (до 2...3 раз).
ВПФ дает точное воспроизведение контура модели при ее облицовке синтетической пленкой и высокую чистоту поверхности отливок. В последние годы все шире используют метод ВПФ для высококачественных художественных отливок из чугуна, бронзы, латуни, как более экономичный и позволяющий отказаться от дорогостоящей операции чеканки каждой отливки.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Близиюк-Квитко А.Л. Оценка параметров вакуумной формовки и определение производительности вакуумной установки II Литейное производство. 1984. № 6.
2. Выгоднер Л.Ф. Расчет процессов вакуумной формовки / Литейное производство. 1983. С. 14-15.
3. Матвеенко И.В., Воздвиженский В.М., Борисов В.А., Ахвледиани Т.Д. Расчет прочности формы при вакуумнопленочной формовке / Литейное производство. 1985. №6. С. 13-15.
4. Овсяиииков К.М. Основы расчета вакуумных систем, применяемых в литейном производстве. Л.: Машиностроение, 1971.
5. Солнышков М.Ю. Горбунов О.А., Васильев В.А. Формирование прочности литейной формы при вакуумно-пленочной формовке / Литейное производство. 1987. № 1. С. 16-17.
6. Шумский В.К. Вакуумные аппараты и приборы химического машиностроения. М.: Машиностроение, 1974.
Глава 2.6
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СТЕРЖНЕЙ
Классификация технологических процессов изготовления стержней. В литейных цехах используют как традиционные, так и новые перспективные технологические процессы изготовления стержней (рис. 2.6.1) [4].
Традиционные технологические процессы. Стержни изготавливают из смесей на основе водных или органических связующих материалов. После изготовления стержни сушат в специальных сушилах при 150 - 250 °C в течение 1,5...2,5 ч и более. При этом стержни могут проходить кратковременную сушку пря повышенной температуре в сушиле (термине-
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СТЕРЖНЕЙ
665
Рис. 2.6.1. Технологические процессы изготовления стержней
ский шок), а также сушку в электрическом поле высокой частоты.
Перспективные технологические процессы обеспечивают отвердение стержней непосредственно в стержневом ящике, нагретом или холодном. В качестве связующих для стержневых смесей применяются термостойкие синтетические смолы (мочевиноформаль-дегидные, фенолоформальдегидные и фурановые). Основные преимущества: высокая прочность и малая осыпаемость стержней в сухом состоянии; хорошая газонепроницаемость; высокая точность и качество поверхности; хорошая выбиваемость стержня из отливки.
При изготовлении стержней из влажных песчано-смоляных смесей для ускорения отвердения иногда используют продувку стержней воздухом.
К недостаткам следует отнести усложнение конструкции стержневых машин и оснастки, значительное и токсичное газовыделение при отвердении стержня, относительно высокую стоимость компонентов связующих.
Процесс изготовления из сухих песчаносмоляных смесей широко применяют для изго
товления оболочковых смесей, а также тонких и сложных по конфигурации стержней.
Технологические процессы изготовления стержней в холодных ящиках делят на две основные группы. К первой группе относят процессы, основанные на самоотвердении смесей непосредственно в стержневом ящике, а ко второй группе - процессы, основанные на твердении смесей в ящике при продувке газообразным катализаторам.
Конструкция. Для изготовления стержней применяют машины: пескодувные (песко-стрельные), встряхивающие, вибропрессовые, пескометы, мундштучные, центробежные и др.
Прессовые машины используют для получения мелких и средних стержней простой конфигурации. Поскольку распределение плотности стержня по высоте при прессовании получается неравномерным, следует применять высокотекучие смеси с пределом прочности на сжатие в сыром состоянии не выше 0,035 МПа. Встряхивающие машины применяют при изготовлении средних и крупных стержней простой конфигурации в условиях серийного производства. Стержневые ящики
666
Глава 2.6. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СТЕРЖНЕЙ
могут быть металлическими или деревянными, но обязательно вытряхными с горизонтальной плоскостью разъема. Для ручной допрессовки смеси в верхней части ящика могут использоваться ручные или пневматические трамбовки. Для крупных стержней применяют встряхивающие машины с перекидным или поворотным столом.
Для холоднотвердеющих смесей, имеющих высокую текучесть и малую прочность на сжатие в сыром состоянии, используют вибростолы, оснащенные электромеханическими вибраторами. Механизм уплотнения смесей с помощью вибрации не имеет существенных отличий от механизма уплотнения на встряхивающих машинах.
Пескометы применяют для изготовления крупных стержней в деревянной или металлической оснастке в условиях единичного и мелкосерийного производства. Для пескометного уплотнения рекомендуется использовать стержневые смеси с пределом прочности в сыром состоянии от 0,04 МПа и выше. Такие смеси не должны иметь посторонних включений (металлического скрепа, комков смеси и т.п.).
Поскольку конструкции прессовых, встряхивающих машин и пескометов для изготовления стержней не отличаются от соответствующих формовочных машин, рассмотренных выше, то в этой главе они не приводятся.
Пескодувные (пескострельные) машины. Для изготовления стержней наиболее широкое применение получили пескодувные (пескострельные) машины, в которых заполнение стержневого ящика и уплотнение смеси осуществляется сжатым воздухом. Стержни, изготовленные на этих машинах, имеют равномерную плотность, хорошую газонепроницаемость, чистую и гладкую поверхность. Масса стержней до 250 кг.
Пескодувные (пескострельные) машины целесообразно применять в крупносерийном и массовом производстве, при этом стержневые ящики должны быть металлическими и специальной конструкции. Эти машины используют как при изготовлении стержней по традиционным технологическим процессам (с тепловой сушкой), так и по перспективным процессам (с отвердением стержней в оснастке). Пескодувные и пескострельные машины имеют практически одни и те же основные узлы, кроме рабочих резервуаров.
В пескодувном резервуаре стержневой машины сжатый воздух подводится к верхней или боковой поверхности столба заполнившей его стержневой смеси. Для разрыхления в случае применения смесей повышенной прочности в сыром состоянии в корпус резервуара могут встраиваться приводные мешалки. Надувная плита плоская, с одним или несколькими отверстиями диаметром 8... 12 мм. После надува воздух из стержневого ящика выходит через специальные вентиляционные отверстия - венты, встраиваемые в надувной плите и стержневом ящике.
В современных пескодувных машинах с надувом стержневой смеси через резиновые или металлические сопла (рис. 2.6.2, а, б) заполнение стержневого ящика смесью производится после прижима клапана надува 1 к пескодувному резервуару 2, который в свою очередь поджимается к стержневому ящику 6. Затем открывается клапан надува, и сжатый воздух из ресивера через каналы надувной плиты попадает в полость между резервуаром 2 и гильзой 3, которая в верхней и нижней частях имеет отверстия диаметром 10... 12 мм, перекрытые сеткой из нержавеющей проволоки с ячейкой 0,2x0,2 мм, обеспечивающей прохождение сжатого воздуха при выхлопе, но одновременно задерживающей стержневую смесь 4. Попав в гильзу, воздух выдавливает стержневую смесь через сопла 5 в полость стержневого ящика 6.
Улучшению заполняемости и интенсификации отвердения стержня может способствовать одновременное вакуумирование стержневого ящика, в результате чего из его полости отводится практически полностью весь объем выделяющихся токсичных газов, которые в свою очередь пропускаются через нейтрализатор.
В пескострельном резервуаре 1 (см. рис. 2.3.28, б) имеется гильза б с узкими вертикальными прорезями 72 в ее нижней части и горизонтальными прорезями 8 в верхней, через которые поступает сжатый воздух.
Нижняя часть резервуара представляет собой коническую насадку 13 с выходным отверстием, сужающуюся или расширяющуюся к низу. Расширяющаяся насадка применяется при использовании смоляных смесей.
Как и в пескодувном резервуаре, надувная плита 3 является универсальной и помимо отверстий для надува смеси имеет вентиляционные отверстия 5 для отвода воздуха.
После подачи смеси в резервуар 1 из бункера 7 шибер 9 закрывается, быстродействую-
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СТЕРЖНЕЙ
667
Рис. 2.6.2. Пескодувная машина:
1 - клапан надува; 2 - пескодувный резервуар; 3 - гильза; 4 - стержневая смесь; 5 - сопло;
6 - стержневой ящик
щий клапан 10 подачи воздуха открывается. Сжатый воздух из ресивера 11 устремляется в рабочий резервуар через прорези в стенках гильзы. Давление в нем мгновенно повышается, и воздух ударно действует на столб смеси, выталкивая его через надувные отверстия в стержневой ящик 4. Воздух из стержневого ящика отводятся через венты 5 в атмосферу.
Как в пескодувной машине, так и в пес-кострельной в период надува смеси стержневой ящик должен быть прижат к надувной плите силой, в 1,5...2 раза превышающей силу давления в стержневом ящике.
В конструкции пескострельной машины, в отличие от пескодувной, предусмотрены встроенный ресивер, высокая гильза с вертикальными и горизонтальными прорезями для прохода воздуха, быстродействующий клапан и надувные отверстия в плите, имеющие большое поперечное сечение. Благодаря этим конструктивным особенностям обеспечивается высокая скорость пескострельного процесса,
малый абразивный износ стержневых ящиков; прочность стержневой смеси во влажном состоянии не имеет большого значения и не так сказывается на равномерности распределения плотности стержня и его величине, как при пескодувном процессе.
Рабочий процесс пескодувных (песко-стрельных) машин. Рабочий процесс изготовления стержней на пескодувных или пескост-рельных машинах состоит в перемещении действием сжатого воздуха стержневой смеси из рабочего резервуара машины в стержневой ящик, в уплотнении этой смеси и формировании в нем стержня. Истечение этой смеси из резервуара происходит в результате перепада давлений, возникающего при фильтрации сжатого воздуха через смесь. Процесс формирования стержня при этом включает два этапа: заполнение стержневого ящика с предварительным уплотнением смеси под действием сил инерции истекающей из сопла песчановоздушной струи и окончательного уплотнения
668
Глава 2.6. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СТЕРЖНЕЙ
смеси за счет ее выдавливания из насадки в стержневой ящик под действием разности давлений в рабочем резервуаре, стержневой машины и полости стержневой оснастки.
На рис. 2.6.3 показана осциллограмма изменения давления в резервуаре и стержневом ящике с верхней (а) и нижней (б) вентиляцией, которая наглядно показывает ход протекания пескодувного процесса заполнения стержневого ящика песчано-смоляной смесью [2].
Плотность стержня определяется, главным образом, конструкцией рабочего резервуара (пескодувного или пескострельного), объемом ресивера, площадью сечения клапана дутья, быстродействием привода клапана, площадью сечения гильзы, конструктивными размерами стержневого ящика, количеством и расположением в нем надувных и вентиляционных отверстий. Для обеспечения равномерной плотности стержня важно правильно определить соотношение последних, а также правильно расположить их. Установлено, что диаметр надувных отверстий следует принимать в пределах 8... 12 мм в зависимости от размеров стержня и состава смеси. Надувные отверстия располагают на плите в зависимости от габаритных размеров ящика на расстоянии до 150 мм друг от друга. Суммарное сечение вент EF должно составлять 0,5...0,8 суммарного сечения надувных отверстий SFHA .
Большое значение для получения плотных стержней имеют также состав и свойства стержневой смеси. Дня пескодувных машин используются стержневые смеси с пределом прочности во влажном состоянии 0,04...006 МПа Наличие в пескострельных машинах гильзы со щелями и вдувных отверстий большей площадью дает возможность применять стержневые смеси более высокой прочности.
Выбор основных параметров пескодувных (пескострельных) машин. При их проектировании исходными параметрами являются наибольший объем стержня и рабочая емкость рабочего резервуара [1].
Значение конструктивных параметров находят по эмпирическим формулам, полученным на основании экспериментальных исследований рабочего процесса пескодувных (пескострельных) машин в диапазоне изменения веса стержня от 1 до 100 кг.
Диаметр гильзы D (мм) определяют по формуле:
D = (90... 100)^7;
где тс - заданная масса стержня, кг.
Диаметр сечения отверстия надувного клапана
</ra=(0,2...0,5)D.
Рис. 2.6.3. Осциллограмма изменения давления в резервуаре и стержневом ящике с верхней (7) и нижней (2) вентиляцией
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СТЕРЖНЕЙ
669
Площадь сечения F и ширину А прорезей в гильзе определяют по формулам:
для верхней части гильзы
FB = (0,3...0,4)FKJI; Ав = 0,8...1,0мм;
для нижней части гильзы
FH =(0,8.. .0,12) ; АН = О,З...О,5 мм;
где - площадь сечения надувного клапана.
Диаметр надувного отверстия насадки
</вд=(О,З...О,5)Я.
Если насадка имеет несколько надувных отверстий, то их суммарная площадь
г, F >— 2 ИД — , '
4
а суммарная площадь вентиляционных отверстий
=(0,5...1,0)FM.
Объем ресивера Крес принимают в зависимости от объема гильзы Уг и массы стержня /яс:
У^10...2(У)Уг-, где меньшее значение в скобках для машин с массой стержня тс = (40...200) кг, большее -для машин с тс < 40 кг.
Требуемую силу прижима стержневого ящика к надувной плите Р определяют по формуле:
Р = (0,55...0,60)р^щ;
где р - давление сжатого воздуха в сети; Гящ - максимальная площадь стержневого ящика в плане.
Помимо этого, при проектировании пескострельной машины подлежат расчету элементы ее конструкции [1].
В качестве примера рассмотрим конструкцию головки пескодувной стержневой машины японской фирмы "Нанива1', изображенной на рис. 2.6.4. Машина предназначена для изготовления стержней в нагреваемой оснастке с горизонтальной плоскостью разъема.
Нагрев стержневого ящика производится горелками, к которым газ подводится от шкафа или же электрическими трубчатыми нагревателями. Контроль и автоматическое поддержание температуры нагрева в заданных пределах, а также все управление стержневой машиной осуществляется с пульта. Выделяющиеся при формировании стержня газы, а также продукты горения при нагревании ящика за счет использования укрытия изолируются и удаляются из рабочего пространства машины цеховой вытяжной вентиляцией или же пропускаются через собственный нейтрализатор за счет вакуумирования стержневого ящика насосом. Для удобства наблюдения за работой механизмов укрытие снабжено травмобезопасными стеклами.
Конструкция машины также предусматривает механизацию обслуживания и съема пескодувного резервуара за счет подъема и опускания его, а также быструю замену и наладку стержневой оснастки.
Унифицированная гамма стержневых машин для производства стержней в нагреваемой оснастке приведена на рис. 2.6.5.
При отвердении стержней в ненагревае-мой оснастке за счет продувки газами-катализаторами конструктивные особенности стержневой машины следующие: герметизируются верхняя и нижняя половины стержневого ящика, к которым обеспечивается подвод газа-катализатора от газогенератора и сжатого воздуха по трубопроводам для удаления токсичных остатков катализатора из стержневого ящика. Далее продукты удаляются и нейтрализуются аналогично описанному выше.
Также необходимым условием является встраивание вместо промежуточного вибробункера двух- или многокомпонентного смесителя для приготовления порции стержневой смеси для каждого надува. Смеситель работает при этом в цикле машины. Остальные конструктивные узлы машины и принцип ее работы практически аналогичны вышеописанной.
Мундштучные машины. Мундштучные машины (рис. 2.6.6) применяют для изготовления стержней постоянных сечений по длине (круглого, овального, квадратного, трапеции-дального и др.) размером от 10 до 80 мм в массовом и серийном производстве [3].
При работе машины плунжер б заталкивает стержневую смесь из бункера 5 в мунд-
670
Глава 2.6. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СТЕРЖНЕЙ
Рис. 2.6.4. Узел надувной головки:
/ - клапан надува; 2 - поршень механизма прижима; 3 - рабочий цилиндр; 4 - механизм передвижения надувной головки; 5 - направляющие; 6 - гильза; 7 - переходная плита; 8 - плита надува; 9 - сопло надува
Схема машины Техническая характеристика х. it J 1 I j* =3
Модели машин 4749А1Э2 4758А2Э1 4752А2Г1 4752А2Э1 4753А1Г1 4753А1Э1 4753А1ГЗ 4748 4753А2Г1 4753А2Э1 4754А2Г1 4757А2Г1 4747А2Г1
Максимальная масса стержня, кг 6,0 6,0 12,0 12,0 25,0 25,0 30,0 25,0 30,0 30,0 50,0 85,0 50,0
Стержневой ящик Размеры (АхВх/7), мм 400х320х х200 400х320х х200 580х480х х!80 580х480х х240 900х350х х260 900х350х х320 900х450х х320 700х680х х360 900х450х х260 900х450х х290 1080х х780х290 1280х х780x290 920х850х х365
Разъем Вертикальный Горизонтальный Горизонтальный Горизонтальный Вертикальный Вертикальный Вертикальный Вертикальный Горизонтальный Горизонтальный Горизонтальный Горизонтальный Горизонтальный
Нагрев Электрический Электрический Газовый Электрический Газовый Электрический Газовый Электрический Газовый Электрический Газовый Газовый Газовый
Расход энергоносителей 15,0 кВт 15,0 кВт 5...8м3/ч 58,0 кВт б...8м3/ч 60,0 кВт 12mV4 86,5 кВт 7,5м3/ч 60,0 кВт 14м3/ч 20 м3/ч Пм’/ч
Продолжительность цикла, с 18,0 22,0 28,0 28,0 30,0 30,0 30,0 30,0 30,0 30,0 35,0 35,0 35,0
Расход воздуха на цикл, м3 0,25 0,25 0,25 0,25 0,30 0,30 0,45 0,45 0,30 0,30 0,50 0,80 0,50
Габариты машины, мм 1850х х1590х х2660 1850х х1590х х2692 3875х х3195х х3728 3875х х3195х х3728 4495х х3520х х3705 4495х х3520х х3705 6165х х5785х х3445 4120х х3520х х2920 5720х х4700х х4150 4865х х3040х х4126 5270х хЗЗЮх х4057 6236х х3400х х4731 5520х х5266х х3925
Масса машины, т 2,7 2,5 5,3 5,15 7,0 7,0 8,7 6,9 11,2 9,5 10,5 14,0 14,2
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СТЕРЖНЕЙ
Рис. 2.6.5. Унифицированная гамма стержневых машин для производства песчаных стержней с отвердением в нагреваемой оснастке
672
Глава 2.6. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СТЕРЖНЕЙ
Рис. 2.6.6. Мундштучная машина:
1 - стол приемный; 2 - стержень; 3 - мундштук;
4 - устройство крепежа мундштука; 5 - бункер;
6 - плунжер; 7 - механизм привода кривошипный;
8 - пруток
штук 3, прикрепленным к нему устройством 4. Вследствие трения смеси о стенки мундштука 3 и о пруток 8 в задней части мундштука создается зона подпора, благодаря которой происходят прессование и формирование стержня 2, имеющего определенное сечение. Стержень выходит на приемный стол 1 бесконечной лентой, которая затем нарезается на отрезки нужной длины. Вентиляционный канал выполняется по центру стержня с помощью неподвижного прутка 8. Движение плунжеру б передается кривошипно-шатунным механизмом 7. Форма и размер сечения стержня определяются формой и размером мундштука.
Центробежные машины для изготовления оболочковых стержней. Машины предназначены для изготовления центробежным способом литейных стержней цилиндрической или конической формы из сухих плакированных смесей [3].
Термореактивная смесь из бункера-дозатора при открытом шибере поступает в лоток, который вводится в предварительно нагретую вращающуюся изложницу. В процессе перемещения лотка происходит нанесение пульверизатором разделительного состава на рабочую поверхность изложницы. В конце хода лоток поворачивается на 180° и выдерживается в таком положении 3...5 с. Смесь высыпается в изложницу и равномерно распределяется по внутренней поверхности при ее вращении. За счет тепла нагретой изложницы смесь спекается. Для ускорения спекания в изложницу может вводиться центральный нагреватель. По окончании процесса изложница останавливается, стержень выталкивается. Однако мундштучные и центробежные стержневые машины в литейном производстве используются редко.
Пескострельные автоматы для изготовления стержней по ХТС. Примером пес-кострельных стержневых машин-автоматов, удовлетворяющих современным требованиям литейного производства, могут служить машины известной немецкой фирмы Лаемпе. Эта фирма выпускает пескострельные машины-автоматы семи типоразмеров ящиков с вертикальной и горизонтальной плоскостью разъема с объемом стержня от 5 до 250 л. Машины с вертикальной плоскостью разъема имеют габариты ящиков от 180x350x400 (длина, ширина, высота) до 900x1300x1300 мм, а машины с горизонтальной плоскостью разъема имеют габариты ящиков от 355x350x450 до 1800x1500x1300 мм. Важнейшей особенностью стержневых автоматов этой фирмы является то, что объем стержневого ящика может изменяться до указанной цифры в обозначении типа машины. Например, установка L20 предназначена для изготовления стержней с объемом до 20 л; установка L250 (максимальная из всех, выпускаемых фирмой) предназначена для изготовления стержней с объемом до 250 л. Пескострельные установки этой фирмы при весьма компактной конструкции машины выпускаются для оснастки до четырех плоскостей разъема (верхняя, нижняя, левая и правая боковая часть). Общий вид стержневого пескострельного автомата представлен на рис. 2.6.7.
Автомат представляет собой замкнутую силовую конструкцию, состоящую из нижнего стола 1 и верхней траверсы 4, связанных между собой вертикальными колоннами 3. На верхней траверсе вмонтирована пескострельная головка с шиберным устройством 5 и приемным бункером-воронкой; на головке смонтирован ресивер
Рис. 2.6.7. Общий вид стержневого пескострельного автомата
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СТЕРЖНЕЙ
673
для сжатого воздуха. На столе смонтированы правая и левая боковые прижимные плиты 2, 6 и прессовый цилиндр 7. Прижим собранного стержневого ящика происходит как в быстром, так и в медленном режиме. Благодаря этому отдельные составные части стержневого ящика закрываются "мягко" и медленно подводятся под пескострельную плиту.
На установке производится быстрая замена стержневых ящиков. Это обеспечивается вакуумным фиксированием боковых частей оснастки и быстрой механической системой крепления нижней и верхней частей стержневого ящика. Верхняя часть ящика придерживается рамой с переменной площадью отверстия в свету. Боковые части стержневой оснастки фиксируются вакуумом и оформляются обычно из дерева, как наиболее дешевого материала. Нижняя часть ящика - "вытяжная" - крепится механически, но без соединений.
Большое расстояние между боковыми прижимными плитами 2, б и колоннами 3 установки обеспечивает простановку ящиков разной формы и габаритов.
Оформление полостей стержня обеспечивается автоматически протяжными цилиндрами. Фронтальная плоскость - пневмоцилиндром, а задняя - гидроцилиндром. Эти протяжные цилиндры могут нести на себе элементы модельной оснастки.
Левый прижимный цилиндр снабжен подвижными сегментами для ограничения его хода. Эти сегменты не разрешают отклонения нижней части ящика вправо, когда ящик находится в собранном состоянии. Сегменты устанавливаются вручную всего за несколько минут.
Гидроцилиндр 7 протяжного стола имеет значительный ход, что дает возможность осуществить протяжку высоких стержней.
Чтобы обеспечить получение стержней с максимально чистой поверхностью и высокой точностью, боковые части ящика подводятся с большой точностью по параллельности, а замыкание их производится с большой силой.
Конструкция пескострельной головки (рис. 2.6.8). Характерная особенность пескострельной гильзы - наличие сетки в ее верхней и нижней частях. Такая конструкция хорошо разрыхляет смесь и обеспечивает ее подвижность.
Насадка пескострельной головки не сужающаяся, как это было принято раньше, а расширяющаяся кольцеобразной или крестообразной формы.
Рис. 2.6.8. Конструкция пескострельной головки:
1 - привод шибера; 2 - корпус головки;
3 - пескострельная гильза; 4 - сетчатая часть гильзы;
5 - сменное уплотнительное кольцо; б - плита;
7 - погружающиеся сопла
Пескострельная плита прикрепляется к пескострельной головке вакуумом с силой около 1,6 т. Плита снабжена быстросъемными резиновыми уплотнителями, которые значительно уменьшают продолжительность их замены и очистку пескострельного агрегата. Пескострельные плиты больших пескострель-ных машин L40 - L100 снабжаются кроме вакуума еще механическим соединением с целью предотвращения падения плиты в результате аварийного отключения электропитания.
Для больших пескострельных установок резиновые уплотнители не предусматриваются. Конструктивно они заменяются дистанционными болтами и поддерживающим кольцом. Крепление пескострельной плиты вакуумом позволяет осуществлять выстрелы через погружающиеся сопла. В рассматриваемой конструкции не требуется совпадения оси отверстия пескострельной плиты и оси загрузочного отверстия стержневого ящика. Такое несовпадение осей в действительности имеет место, так как пескострельная плита сначала крепится к ящику, а затем она произвольно подводится под пескострельный узел автомата. В случае, если работа производится погружающимися соплами, то вырезка направляющих каналов на междонной плите отпадает.
Все пескострельные головки обычно снабжены толкателями с гидравлическим приводом (рис. 2.6.9). Толкатели через отверстия в плите плавно и равномерно отделяют стержень по всей поверхности контакта с модельной оснасткой без нарушения целостности стержня. Толкающее устройство выполнено конструктивно просто.
22-819
674
Глава 2 7. ОБОРУДОВАНИЕ И АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЦЕССОВ ВЫБИВКИ ФОРМ
Рис. 2.6.9. Схема выталкивателя стержней из стержневого ящика:
7 - гильза, 2 - насадка; 3 - погружающиеся сопла;
4 - плита; 5 - стержень; 6 - пружина толкателя;
7 - гидравлический стол
В зависимости от формы и размеров отверстия для заполнения стержневого ящика между универсальной надувной плитой и верхней плоскостью стержневого ящика устанавливается промежуточная резиновая надувная плита, которая фиксируется к надувной плите с помощью вакуума. После продувки смеси газом-отвердителем остатки отвержденной смеси между пескострельной плитой и плоскостью стержневого ящика в зоне надувного отверстия устраняются специальным очистителем, установленном на правой части надувной плиты. При работе со стержневыми ящиками с горизонтальной плоскостью разъема автомат снабжается специальной прижимной плитой для отвода стержней из верхней части машины. Это особенно важно, когда работа производится с высокими стержневыми ящиками, а также при длинных пескострель-ных отверстиях. Выталкивающие штифты крепятся к толкающей плите с помощью постоянных магнитов, закрепленных к штифтам, что позволяет легко устанавливать их над песко-стрельными отверстиями. Протяжка осуществляется движением толкающей плиты вниз до соприкосновения штифтов со стержнем, а затем протяжка верхней части стержня осуществляется движением верхней части стержневого ящика вверх при неподвижных штифтах (рис. 2.6.10).
Протяжка стержня из нижней части ящика производится подпружиненными штифтами с помощью гидравлического привода.
Рис. 2.6.10. Схема толкателя с гидравлическим приводом:
1 - стержень; 2 - стержневой ящик; 3 - плита;
4 - стол гидротолкателя
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Горский А.И. Расчет машин и механизмов автоматических линий литейного производства. М.: Машиностроение, 1978.
2. Изготовление стержней на пескодувных машинах. Руководящие материалы. Министерство станкостроительной и инструментальной промышленности. М., 1971.
3. Матвеенко И.В., Тарский В.Н. Оборудование литейных цехов. М.: Машиностроение, 1985.
4. Ракогон В.Г. Теория и практика изготовления стержней пескодувным способом. М.: Машгиз. 1962.
5. Матвеенко И.В., Исагулов А.З., Дайкер А.А. Динамические и импульсные процессы и машины для уплотнения литейных форм. Алматы: Галым, 1998.
Глава 2.7
ОБОРУДОВАНИЕ И АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЦЕССОВ ВЫБИВКИ ФОРМ И ОЧИСТКИ ОТЛИВОК
Оборудование для выбивки форм и очистки отливок составляет наиболее применяемое из всех видов литейного оборудования. В парке России его более четверти, а в парке США более трети от всего литейного оборудования.
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ВЫБИВКИ ОТЛИВОК ИЗ ФОРМ
675
2.7.1. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ВЫБИВКИ ОТЛИВОК ИЗ ФОРМ
Выбивка форм из опок и отделение формовочной смеси от отливок являются одними из наиболее тяжелых операций всего цикла изготовления отливок. Помимо технологических трудностей, эти процессы связаны с обильными пыле- и газовыделениями, высокой температурой и высоким уровнем шума. С учетом этих условий на работу оборудования для выбивки отливок налагается ряд требований:
отливка не должна коробиться и ломаться;
должно быть снижено тепловое, газовое, пылевое и шумовое воздействие на окружающую среду;
должно быть сокращено количество физического труда;
воздействие окружающей среды на отливку должно быть максимально снижено;
в процессе выбивки должны быть созданы предпосылки подготовки смеси для повторного использования, а отливок для очистки.
Ввиду широкого диапазона отливок по весу, конфигурации, а также различий процессов их изготовления, для выбивки отливок применяется широкая номенклатура оборудования (см. гл. 2.1).
В небольших литейных цехах единичного и мелкосерийного производства используются простейшие выбивные устройства - под
весные вибраторы и вибрационные скобы. Подвесной вибратор (рис. 2.7.1, Табл. 2.7.1) с помощью крана накладывается на стенку опоки или отливку, а форма подвешивается на специальное устройство. Другим простым типом выбивного оборудования, применяемым для выбивки сырых форм, является вибрационная траверса (рис. 2.7.2, табл. 7.2.2). Время выбивки формы на траверсе составляет 1... 2 мин в зависимости от характеристики формы.
Наиболее распространенным универсальным видом выбивного оборудования являются выбивные решетки. В настоящее время применяются электромеханические вибрационные решетки эксцентрикового, инерционного и инерционно-ударного типов (табл. 2.7.3).
Рабочий процесс выбивных решеток состоит в следующем. Выбиваемую форму в сборе или полуформу после предварительной разборки формы устанавливают на полотно решетки, которому сообщается колебательное движение. От соударения опоки с вибрирующим полотном решетки форма разрушается, смесь с отливкой (отливками) выпадает на полотно решетки, распадается, и отливка отделяется от смеси. При соответствующем выборе параметров системы в момент, когда ее ускорение достигнет значения ускорения свободного падения, происходит отрыв опоки от решетки, и дальнейшее движение системы сопровождается последовательными соударениями опоки и полотна решетки.
Рис. 2.7.1. Подвесной вибратор:
/ - скоба; 2,4- кольца для переноса; 3 - фланцы; 5 - тройник; 6 - манометр; 7 - вентиль; 8,9- шланги; 10 — пусковой клапан; 11 - лубрикатор; 12 - плунжерный вибратор; 13 - стяжки
676
Глава 2 7 ОБОРУДОВАНИЕ И АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЦЕССОВ ВЫБИВКИ ФОРМ
2.7.1. Техническая характеристика подвесных вибраторов
Диаметр плунжера вибратора, мм Размеры выбиваемой формы ЬкМг, мм
Формовка по сырому Формовка по сухому
50 900x900x450 600x600x300
62 900x1250x450 900x900x300
75 1250x1250x450 900x1250x300
100 1250x1500x450 1250x1250x600
125 1500x1800x450 1500x1500x300
150 2400x3000x450 1800x2400x300
2900
Рис. 2.7.2. Вибрационная траверса:
1 - коромысло; 2 - вибратор; 3 - скобы с крюками; 4 - пусковая рукоятка
2.7.2. Техническая характеристика вибрационных траверс
Наименование показателя Модель траверсы
0-9 0-10 0-11
Максимальная грузоподъемность, т 1,0 2,0 3.0
Диаметр плунжера вибратора, мм 75 100 125
Вес траверсы, кг 150 210 280
Расстояние межу подвесными крюками, мм: наибольшие наименьшие 1400 1200 1750 1450 2300 1850
Расстояние между центром крюка подвески и скобой по вертикали, мм 560 670 745
2.7.3. Техническая характеристика отечественных выбивающих решеток
Тип решетки Модель Основные параметры и размеры
Г рузоподъемность, кН Рабочие размеры решетки, мм Установленная мощность, кВт Вес,т
Эксцентриковая 421 1,0 1250x1000 2,8 0,88
Эксцентриковая 422М 1,6 1600x1250 4,5 1,1
Эксцентриковая 423 2,5 2000x1600 7,0 2,9
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ВЫБИВКИ ОТЛИВОК ИЗ ФОРМ
677
Продолжение табл. 2.7.3
Тип решетки Модель Основные параметры и размеры
Г рузоподъемность, кН Рабочие размеры решетки, мм Установленная мощность, кВт Вес, т
Эксцентриковая 424 4,0 2240x1800 14,0 3,4
Инерционная 31211 1,0 1250x1000 2,2 1,15
Инерционная 31212 1,6 1600x1250 4,4 2,4
Инерционная 31213 2,5 2000x1600 4,4 3,2
Инерционная 31214 4,0 2240x1800 15,0 5,2
Инерционная 31215 6,3 2500x2000 22,0 6,2
Инерционная 31216 10,0 3150x2500 37,0 10,0
Инерционная 31217 16,0 3550x2500 60,0 14,0
Инерционная 31218М 25,0 4000x3150 110,0 19,6
Инерционная 31219М 40,0 4500x3550 150,0 23,6
Инерционноударная ИР-120 5,0 сила удара 2,0 1850x1330 4,5 2,4
Инерционноударная ИР-410 16,0 сила удара 4,0 1600x1600 7,0 4,53
Инерционная 428С 25,0 3500x2500 75,0 18,6
Инерционная 4У218* 100x0,75 8080x6380 440 100,0
Инерционная 432И6** 160x0,75 9500x5000 600 138,2
Инерционно-ударная 433У8*** 250x0,75 10000x7000 14x8 140,0
♦ - агрегат из четырех решеток модели 31218М.
♦♦ - агрегат из шести решеток модели 31218М.
♦♦♦ - агрегат из восьми решеток модели 31218М.
Для практической оценки разрушающего воздействия ударов на выбиваемую форму, пользуются характеристикой "удельная энергия удара" (т.е. энергия, приходящаяся на 1 кг массы формы):
Ty=*(v2-Vi)72. (2.7.1)
Удельная энергия удара Ту (Дж) связана с изменением вертикальных составляющих скорости (v2 после и Vi до соударения); к -коэффициент пропорциональности.
Анализ работы выбивных решеток показывает, что для наиболее легко выбиваемых сырых форм с размерами опок в свету (или ячеек крестовин) 500x400 мм, достаточна удельная энергия удара Ту = 0,15... 0,25 Дж.
Для наиболее прочных форм, изготовленных прессованием под высоким давлением, а также из смесей на основе жидкого стекла необходима энергия удара Ту = 0,35...0,4 Дж.
На рис. 2.7.3 представлены принципиальные схемы электромеханических решеток, а на рис. 2.7.4 характер колебаний решетки и опоки.
У эксцентриковой решетки (рис. 2.7.3, а) вращение вала вызывает колебания рамы, опирающейся на амортизаторы, соединения с валом посредством подшипников эксцентриков. Величина и характер колебаний определены, постоянны и зависят от величины эксцентриситета и частоты вращения вала. Это является важным преимуществом эксцентриковых решеток. Недостаток этих решеток - высокий износ и выход из строя подшипников, работающих в условиях виброударных нагрузок.
Эксцентриковые решетки рекомендуются к применению в цехах единичного, мелкосерийного, серийного производства мелких и средних отливок [1]. Эксцентриковые решетки обеспечивают стабильный режим колебаний независимо от нагрузки. Именно это качество позволяет применять их при выбивке форм разной массы в цехах с широкой номенклатурой отливок, а также для выбивки тонкостей-
678
Глава 2 7. ОБОРУДОВАНИЕ И АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЦЕССОВ ВЫБИВКИ ФОРМ
ных отливок и отливок сложной конфигурации, требующих тщательного соблюдения режима выбивки во избежание трещин и поломок. На рис. 2.7.5 показана конструкция эксцентриковой решетки.
Источником колебаний в инерционных решетках (см. рис. 2.7.3, б) является вибратор, который состоит из неуравновешенного горизонтального вала, вращающегося в подшипниках, прикрепленных к раме-решетке. На обоих концах вала посажены грузы-дебалансы, перемещением которых можно регулировать возмущающую силу, возникающую при вращении вала. Характер колебаний инерционных решеток неустойчив и в процессе работы значительно изменяется, так как зависит от множества факторов: массы опоки и формы с отливкой, характера соударений опоки и решетки, жесткости пружин и др. Колебательное движение решетки, вызываемое действием инерционных сил, складывается из собственных и вынужденных колебаний системы, имеющих неодинаковые фазы частоты и амплитуды. Суммарное движение в этом случае будет иметь переменную амплитуду. Наличие же на решетке выбиваемой формы еще больше усложняет характер колебаний. Характер колебаний показан на рис. 2.7.4, б.
По сравнению с эксцентриковыми решетками инерционные имеют следующие преимущества:
Рис. 2.7.3. Принципиальные схемы электромеханических решеток: а - эксцентриковая решетка; б - инерционная решетка; в - инерционно-ударная решетка;
1 - решетка; 2 - полуформа; 3 - эксцентриковый вал; 4 - фундамент; 5 - неподвижные подшипники;
6 - опорные пружины; 7 - дебалансы; 8 - приводная соединительная муфта; 9 - подвижные подшипники
Рис. 2.7.4. Характер колебания выбивной решетки:
а - оптимальный; б- не оптимальный; 1 - движение опоки; 2 - движение решетки
- изменение величины дебаланса позволяет легко изменять удельную энергию удара Ту, что дает возможность установить его необходимое значение в зависимости от характеристики формы (типа смеси, твердости и плотности формы, массы отливки и др.);
инерционные решетки позволяют установку на более легкий фундамент, так как пружинная подвеска передает возникающие при выбивке усилия и вибрацию, значительно ослабленными.
В инерционно-ударной решетке форма устанавливается не на решетку, а на специальные балки (см. рис. 2.7.3, б). Действие такого устройства основано на ударе решетки снизу по форме.
Методика инженерного расчета эксцентриковых и инерционных решеток детально разработана и изложена в работах [4,5,19].
При выбивке крупных, особо крупных и тяжелых форм применяют установки, состоящие из нескольких выбивных решеток. Эти
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ВЫБИВКИ ОТЛИВОК ИЗ ФОРМ
679
Рис. 2.7.5. Конструкция эксцентриковой выбивной решетки:
1 - рама; 2 - противовес; 3 - охладительные полости; 4 - эксцентрик; 5 - эксцентриковый вал; б - подшипники; 7 - скоба; 8,12 - болты; 9,11— амортизаторы нижний и верхний; 13 - щеки; 14- полотно;
15 - винты, 16 - подшипники; 17 - каркас; 18- кожух; 19 - муфта; 20 - электродвигатель
установки позволяют рационально использовать энергию, так как для выбивки малых опок и форм малой массы можно включать в работу часть решеток, составляющих установку.
Ввиду несовпадения по фазе решеток, составляющих установку, ее суммарная наибольшая грузоподъемность принимается равной примерно 75 % от суммы грузоподъемностей всех решеток установки.
Для разрушения безопочных форм и разделения отливок и смеси применяют виброжелоба (выбивающие транспортирующие решетки) и галтовочные барабаны непрерывного действия. На рис. 2.7.6 показана принципиальная схема транспортирующей выбивной инерционной решетки. Вибровозбудитель вызывает возмущающую силу Р под углом у к вертикали. Вертикальная составляющая этой силы Рв совершает работу выбивки, а горизонтальная составляющая Рг перемещает отливку. При этом формовочная смесь, отделяемая от отливок при выбивке, проваливается сквозь щели в полотне решетки. Подробная методика расчета транспортирующих выбивающих решеток приведена в работе [5]. Техническая характеристика транспортирующих выбивающих решеток приведена в табл. 2.7.4.
Рис. 2.7.6. Принципиальная схема транспортирующей выбивной решетки: 1 - корпус решетки; 2 - пружины;
3 - вибровозбудитель; 4 - полотно решетки
Для выбивки безопочных форм широко применяются галтовочные барабаны непрерывного действия (рис. 2.7.7). Барабан пред
680
Глава 2 7. ОБОРУДОВАНИЕ И АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЦЕССОВ ВЫБИВКИ ФОРМ
ставляет собой цилиндрическое сито, изготовленное из листового железа. Внутри сита барабана по винтовой линии закреплена металлическая полоса, служащая для перемещения
формы отливок вдоль оси барабана. Смесь проваливается через отверстия в стенке барабана, а отливки выходят из него и подаются далее в очистное отделение.
2.7.4. Техническая характеристика выбивающих транспортирующих решеток
Наименование показателей Модель решетки
31242 31243 31244 31245 31253 31254 31255
Грузоподъемность, т 2,5 4,0 6,3 10,0 4,0 6,3 10,0
Размер полотна, мм: длина ширина 3150 1250 4500 1600 4500 2000 4500 2500 6000 1600 6000 2000 6000 2500
Скорость транспортирования отливок, м/мин 8 ДО 6 до 6 до 6 до 6 до 6 ДО 6
Число колебаний в минуту 1000 970 985 985 970 985 985
Установленная мощность, кВт 8 37 45 45 37 40 45
Масса, кг 4000 2240 27700 28100 24500 28240 30620
Рис. 2.7.7. Галтовочный барабан для безопочных форм:
1 - цилиндрическое сито; 2 - опорные катки; 3 - загрузочная воронка; 4 - электродвигатель; 5 - регулятор угла наклона барабана; 6 - отсасывающий патрубок; 7 - наружный кожух
С целью высвобождения рабочих от тяжелых и трудоемких работ на выбивных участках широко используются автоматические установки для выбивки форм. Такие установки являются обязательным элементом автоматических формовочных линий.
В зависимости от способа формовки (безопочная, с крестовинами или без кресто
вин в нижней опоке) применяют соответствующие типы выбивных установок.
На рис. 2.7.8 показана установка для выбивки опочных форм, работающая на провал. Установки такого типа работают в большинстве отечественных цехов массового производства. Установка работает следующим образом. При движении на литейном конвейере форма
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ВЫБИВКИ ОТЛИВОК ИЗ ФОРМ
681
Рис. 2.7.8. Автоматизированная установка для выбивки формы из опок без крестовин:
/ - сталкиватель; 2 - упор; 3 - пневмоцилиндр; 4 - литейный конвейер; 5 - тележка сталкивателя;
6 - рычаг конечного выключателя; 7 - форма; 8 - выбивная рама; 9 - распаровщик;
10 - ленточный конвейер; 11 - выбивная решетка
нажимает на рычаг конечного выключателя, включающего пневматический цилиндр тележки сталкивателя. Форма с литейного конвейера подается на выбивную раму, а опоки от ранее выбитой формы передним упором стаскиваются в распоровщик. Форма на раме под действием вибрации разрушается, и формовочная смесь с отливками проваливается на выбивную решетку, где под действием вибрации смесь проваливается сквозь решетку на ленточный конвейер, а отливки по склизу по
даются на пластинчатый конвейер. Выбитые опоки проталкиваются сталкивателем.
Установка с предварительной распаров-кой и извлечением отливки после выбивки показана на рис. 2.7.9.
Сталкиватель при подходе тележки литейного конвейера сталкивает форму на решетку выбивки нижних опок и дает команду манипулятору на захват и подъем верхней опоки и включение решетки. После захвата и подъема верхней опоки манипулятор автома-
Рис. 2.7.9. Автоматизированная установка для выбивки форм из опок с крестовинами:
1 - литейный конвейер; 2 - сталкиватель; 3 - манипулятор; 4 - верхняя опока; 5 - сталкиватель; 6 - подъемный стол с цилиндром; 7 - решетка выбивки нижних опок; з - сталкиватель; 9 - промежуточный стол; 10 - шагающий конвейер; 11 - решетка; 12 - роликовый конвейер; 13 - ленточный конвейер
Глава 2.7. ОБОРУДОВАНИЕ И АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЦЕССОВ
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ УДАЛЕНИЯ СТЕРЖНЕЙ ИЗ ОТЛИВОК
683
тически переключается на продвижение и опускание ее на решетку, а сам возвращается в исходное положение. Решетка после выбивки верхней опоки автоматически отключается, и включается сталкиватель, который передает опоку на роликовый конвейер. По наклонному конвейеру опока поступает на шагающий конвейер. Решетка с нижней опокой автоматически выключается, опока с отливкой сталкива-телем автоматически подается с решетки на промежуточный стол. Со стола опока подается сталкивателем на подъемный стол с цилиндром. Рабочий включает стол с опокой на подъем, подвешивает отливку на подвесной охладительный конвейер, после чего стол опускается, и пустая опока со стола сталкивается на ленточный конвейер, который подает ее на шагающий конвейер пустых опок.
2.7.2. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ УДАЛЕНИЯ СТЕРЖНЕЙ ИЗ ОТЛИВОК
Операция выбивки отливок из форм и удаления стержней из отливок имеют много схожего, так как связаны с разрушением и удалением отработанной смеси. В технологической цепи они следуют одна за другой, а при применении стержней из легковыбиваемых смесей химического твердения иногда неразделимы. В то же время при использовании стержней с высокой остаточной прочностью (например, на основе жидкого стекла) в отливках после выбивки остается значительное количество неразрушенных стержней, и необходимо специальное оборудование для их удаления.
Для выбивки стержней из мелких и средних отливок применяют пневматические вибрационные машины (рис. 2.7.10). На рис. 2.7.11 показана кинематическая схема машины. Работа протекает следующим образом: отливку подвешивают на подъемники между пружинным упором 1 и бойком 2 и впускают воздух в цилиндр 3 по каналу 4. Поршень 5 перемещается влево, сдвигает по направляющим 6 корпус вибратора 7 и зажимает отливку. Далее по каналу 8 воздух впускают в вибратор 7. Благодаря системе воздухораспределительных каналов, плунжер 9 совершает ряд возвратно-поступательных движений, ударяет о боек 2, производя выбивку стержней из отливки. По окончании выбивки впускается воздух в цилиндр 13 по каналу 10, отводятся поршень 5 и вибратор 7 в исходное положение. Техническая характеристика вибрационных выбивных машин приведена в табл. 2.7.5.
Для выбивки стержней из средних и крупных отливок от 400 кг до нескольких десятков тонн находят применение гидрокамеры, в которых стержни из отливок удаляются вследствие разрешения их струей воды под высоким давлением и вымыванием их из отливки. В зависимости от максимального давления воды гидроочистные установки разбиваются на три класса: низкого давления (0,1... 1,0 МПа), высокого (1,0...2,0 МПа), сверхвысокого (свыше 2,0 МПа). При этом, как правило, установки высокого и сверхвысокого давления оборудуются дополнительно насосной станцией низкого давления для вымывания и гидротранспортирования, разрушенных струей высокого давления стержней. Основным рабочим органом гидрокамеры является гидромонитор. По практическим данным, диаметр трубки гидромонитора в установках высокого давления принимают из расчета, чтобы отношение ее сечения к проходному сечению сопла составляло 5,0...5,5. В установках высокого давления принимают диаметр гидромонитора диаметром до 25 мм, в установках низкого давления 40...50 мм и более. При соотношении сечения ствола монитора и сопла в указанных пределах, при избыточном давлении в трубопроводе 7,5 МПа скорость струи при выходе из сопла получается порядка 70...90 м/с, а скорость воды в трубопроводе 2...3 м/с. При выходе из сопла струя воды быстро теряет скорость и разбрызгивается. В связи с этим рекомендуется устанавливать гидромонитор на расстояние от сопла до отливки 100... 150 мм. Для удобства размещения и управления потоком воды, современные гидрокамеры имеют дистанционное управление мониторами. Для сохранения лучшей компактности струи по выходу из сопла рекомендуется делать в стволе гидромонитора выпрямители в виде ребер или перьев, уменьшающих турбулентность потока. Соотношения между размерами ребер и диаметром ствола D гидромонитора рекомендуются (рис. 2.7.12) следующие: L = 5...6D ; h = O,35D ; расстояние между ребрами а = 0,25£. Угол конусности сопла рекомендуется 0=11... 13° и длина выходной части сопла I = \..Л,5 d, где d- выходной диаметр [3, 5, 8].
На рис. 2.7.13 показаны общий вид гидрокамеры и схема установки ее в цеху. Следует отметить, что отмытая в камере после выбивки стержневая смесь в виде пульпы проходит че-
684
Глава 2.7 ОБОРУДОВАНИЕ И АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЦЕССОВ ВЫБИВКИ ФОРМ
Рис. 2.7.10. Установка для выбивки стержней:
1 - опорная рама, 2 - задняя бабка; 3 - передняя бабка, 4 - упор для стержня; 5 - пружина упора; 6 - боек; 7 - направляющая; 8 - вибратор; 9 - пневмоцилиндр
9 в 7 6
Рис. 2.7.11. Кинематическая схема установки для выбивки стержней:
7 - упор стержня; 2 - боек; 3 - пневмоцилиндр; 4 - подвод воздуха со стороны нештоковой полости;
5 - поршень; 6 - направляющие д ля выбивающего устройства; 7 - корпус вибратора; 8 - подвод воздуха к вибратору; 9 - золотник; 10- подвод воздуха в штоковую полость
2.7.5. Техническая характеристика вибрационных выбивных машин
Наименование показателей Модель машин
0-15 411
Максимальная сила прижима при давлении 0,6 МПа, кН 200 800
Наибольшее расстояние между бабкой и зажимом, мм 300 500
Ход задней бабки, мм 150 250
Высота центра зажимной бабки над рамой, мм 210 615
Вес машины, кг 900 840
Рис. 2.7.12. Сопло гидромонитора
рез решетчатый пол в сборник пульпы. Пульпа из резервуара специальными шламовыми насосами откачивается в специальное регенерационное отделение. Устройства по манипуляции с пульпой и отстойники для осветления воды занимают площади, в несколько раз превосходящие гидроочистную камеру. Подробный расчет отстойников и примеры применения эффективных методов ускорения процесса осветления воды приведены в работах [3, 5, 8]. Техническая характеристика гидрокамер приведена в табл. 2.7.6.
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ УДАЛЕНИЯ СТЕРЖНЕЙ ИЗ ОТЛИВОК
685
7700
Рис. 2.7.13. Общий вид (а) и принципиальная схема (б) гидрокамеры для выбивки стержней:
/ - ворота; 2 - гидромонитор; 3 - прожектор; 4 - площадка для оператора; 5 - вращающийся стол; б - опорная металлоконструкция; 7 - положение ворот при загрузке отливок на стол камеры
2.7.6. Техническая характеристика гидроочистных камер
Наименование показателя Модель камеры
1Н408 37113* 37116* 37123* 37126* 1Н409
Размер рабочего пространства, м 4,5x4,5 4,8x4,5 6,0x6,0 9,5x4,5 12,0x6,0 9,0x3,5
Грузоподъемность тележки, кН 300 500 1000 500** 1000** Грузоподъемность подвески 10 МПа
Число мониторов 2 2 3 3 4 4
Давление воды, МПа 20
♦- с дистанционным управлением гидроцилиндра;
♦♦-две тележки.
Гидрокамеры успешно применяют для удаления стержней прочностью не более 1,5 МПа. Для удаления стержней большей прочности используют электрогидравлические установки (ЭГ-установки).
Электрогидравлический способ удаления стержней из отливок основан на том, что при электрическом искровом пробое жидкости в ней возникают ударные волны и перемещения жидкости, вызывающие интенсивную вибрацию отливок в очень широком диапазоне частот.
686
Глава 2.7. ОБОРУДОВАНИЕ И АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЦЕССОВ ВЫБИВКИ ФОРМ
Давление жидкости при этом достигает 150...200 МПа. Амплитуда ударной волны выбирается ниже прочности наиболее слабого сечения тела отливки, но выше остаточной прочности стержневых смесей. В результате различия модулей упругости и частоты собственных колебаний отливок и стержневых смесей на границе раздела металл - стержневая смесь возникают растягивающие напряжения, приводящие к разрушению стержневых смесей. Интенсивные перемещения жидкости в зоне разряда и вибрация отливок обеспечивают эффективное удаление остатков разрушенных стержней из зон разрушения. Из физики процесса разрушения стержней ясно видно
преимущество этого способа, позволяющего разрушать и удалять стержневые смеси как в зоне непосредственного контакта стержня с "искрой", так и при воздействии "искры" через стенку отливки.
Электрогидравлическая выбивка стержней из отливок происходит под слоем воды, что полностью исключает всякое пылеобразо-вание [3, 8].
На рис. 2.7.14 показаны принципиальная электрическая схема ЭГ-установки и общий вид установки в цехе.
В табл. 2.7.7 приведена техническая характеристика электрогидравлических установок для удаления стержней из отливок.
ФП
Рис. 2.7.14. Общий вид электрогидравлической (ЭГ) установки для удаления стержней (0) и ее принципиальная схема (а):
1 - портал для перемещения электрода; 2 - электрод; 3 - рельсы; 4 - ванна; 5 - патрубок для откачки пульпы; 6 - пульповый насос и его привод; 7 - пульт управления; 8 - пульпопроводы и трубопроводы для подачи чистой воды; 9- зарядные устройства; 10-система вентиляции
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ОТДЕЛЕНИЯ ОТ ОТЛИВОК ЭЛЕМЕНТОВ ЛИТНИКОВЫХ СИСТЕМ 687
2.7.7. Техническая характеристика установок электрогидравлических для удаления стержней из отливок
Наименование показателя Модель установки
36121А 36141 А 36216 36218 36414 36415 36416
Тип установки Тупиковая периодического действия Тупиковая периодического действия Проходная периодического действия Проходная периодического действия Карусельная 4-х позиционная Карусельная 4-х позиционная Конвейерная пульсирующего действия
Наибольшая масса загрузки, т 2,5 25,0 40,0 100,0 0,63 1,25 2,5
Наибольший размер обрабатываемой отливки, мм 1800х1000х х700 5600х300х х2000 8000х5000х х3150 8000х5000х х3150 1250х1000х хбЗО 1600х1250х х800 2800х1600х хЮОО
Мощность, кВт 74,0 210,0 300,0 300,0 87,5 100,0 105,0
Наиболее полные данные об отечественном выбивном оборудовании приведены в работах [4, 5, 6, 7].
Наряду с перечисленным оборудованием для удаления стержней из отливок в литейных цехах разносерийного производства получило распространение дробеметное оборудование, совмещающее процесс выбивки стержней с очисткой поверхности отливок. Основные типы дробеметных установок, применяемых для этого процесса, рассмотрены в п. 2.7.4.
2.7.3. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ОТДЕЛЕНИЯ ОТ ОТЛИВОК ЭЛЕМЕНТОВ
ЛИТНИКОВЫХ СИСТЕМ
Первым этапом обработки отливок после выбивки является освобождение их от элементов литниковой системы. Эти операции выполняются различными методами в зависимости от вида сплава.
Отбивка или отламывание литников и выпоров у чугунных отливок является сравнительно простой операцией, так как чугун хрупок, а литниковая система обычно держится на отливке питателями, сечение которых мало. Часто эта операция выполняется вручную при помощи кувалды.
В условиях крупносерийного производства применяется устройство "гидроклин", в котором физическое усилие рабочего по обламыванию литников заменено гидравликой.
Для потока разнообразных отливок небольшого веса используются отбивные барабаны, в которых могут быть совмещены во времени три операции: отбивка литников, выбивка стержней и очистка отливок. Барабан такого типа сходен с барабаном непрерывного действия и отличается от него наличием специальных порогов (рис. 2.7.15). При крупносерийном и массовом производстве стальных отливок для ломки прибылей используют механические и гидравлические прессы. На рис. 2.7.16 показан гидропресс для ломки прибылей ступицы. После выбивки и полного охлаждения ступицы укладываются подъёмником в магазин, представляющий собой наклонный склиз, по которому они скатываются на рабочий стол пресса. Здесь ступица закрепляется, и прибыль отламывается давлением пуансона. Аналогичные установки используются для ломки прибылей и других стальных отливок.
Удаление прибылей и других элементов литниковых систем выполняют резкой абразивными кругами с помощью ручного механизированного инструмента и на специальных абразивных отрезных станках. Резка абразивными кругами получила широкое распространение благодаря следующим преимуществам: большая скорость резания, не зависящая от материала отливки; неизменное положение плоскости резания; хорошее качество поверхности среза; не требуется дополнительной обработки; свойства материала отливки не искажаются; малые потери металла; незначительный нагрев материала.
Глава 2.7. ОБОРУДОВАНИЕ И АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЦЕССОВ ВЫБИВКИ ФОРМ
«2.7.15. Барабан непрерывного действия для отделения литников, выбивки стержней и очистки отливок:
- бронезащитные плиты; 2 - корпус; 3 - специальные пороги; 4 - шумопоглощающий кожух; 5 - опорные катки
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ОТДЕЛЕНИЯ ОТ ОТЛИВОК ЭЛЕМЕНТОВ ЛИТНИКОВЫХ СИСТЕМ 689
Рис. 2.7.16. Гидропресс для ломки прибылей:
1 - рабочий стол; 2 - магазин; 3,5 - зажимы; 4 - ступица; 6 - пуансон; 7 - прибыль
При большом разнообразии конструкций отрезных станков их кинематика может быть или с перемещением оси вращения отрезного круга на рычаге L вокруг центра М (рис. 2.7.17, а) или неподвижной осью шпиццеля с перемещением отливок (рис. 2.7.17, б).
Находят применение специальные абразивные станки, например, для отливок, изготовленных литьем по выплавленным моделям (рис. 2.7.18).
Рис. 2.7.17. Схема отрезного станка: а - принципиальная схема; б - конструктивная схема
Рис. 2.7.18. Специальный абразивный, обрезной станок:
1 - механизм продольного перемещения; 2 - стол;
3 - головка отрезная; 4 - защитный кожух;
5 - зажимное устройство; 6 - пылесборник, 7 - шкаф-пульт
На станке куст отливок типа "елочка" подается в зажимное устройство с пневмоприводом. По просьбе заказчика станок комплектуется зажимом, представляющим собой пневматические тиски. Станок позволяет обрабатывать отливки длиною 500 мм, диаметром 250 мм со скоростью резания при круге 500 мм 80 м/с.
К недостаткам резки абразивными кругами следует отнести значительное выделение
690
Глава 2.7. ОБОРУДОВАНИЕ И АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЦЕССОВ ВЫБИВКИ ФОРМ
абразивной и металлической пыли (необходимы специальные пылеулавливающие устройства) и малые диаметры абразивных отрезных кругов. Так, даже новым, не изношенным, кругом можно отрезать элемент литниковой системы диаметром:
(2.7.2)
где d\ - диаметр абразивного круга, мм; </2 ~ диаметр фланца, мм; b - сумма величин выхода абразивного диска за обрабатываемое изделие и предохранительного расстояния от перерезаемого изделия до фланца, мм.
Для отрезки прибыльных частей небольших стальных и чугунных слитков и болванок используют ножовочные станки. Для отрезки литников и питателей отливок, главным образом из алюминиевых и магниевых сплавов, используются ленточные пилы.
В целях повышения производительности применяют станки с бесконечной лентой. Такие станки весьма производительны. Так, для отрезки алюминиевого литника диаметром 50 мм требуется лишь 6...8 с; у магниевых сплавов на 10 % меньше.
Для резки чугуна и стали применяются две группы пильных дисковых станков с мед-ленновращающимися и быстровращающимися дисками. У станков с медленновращающимся диском в качестве рабочего инструмента используется стальной диск, на который посажены сегменты из быстрорежущей стали. Станки имеют пилы диаметром 300... 1500 мм, что позволяет резать материал толщиной до 1/3 диаметра пилы (100...500 мм). Скорость подачи пилы при отрезке неотожженных стальных отливок 10...20 мм/мин. Быстровращающийся станок типа "Марс" снабжен тонким стальным диском (рис. 2.7.19), который давит на металл в месте реза, при этом вследствие трения выделяется большое количество теплоты. Материал отливки, нагретый до высокой температуры, становится пластичным и прорезается диском. На режущей поверхности диска выступающие части чередуются с углублениями. Окружная скорость диска 100...200 м/с. Предусмотрено водяное охлаждение диска. Применяют диски диаметром 500... 1500 мм, что обеспечивает резание на глубину 30... 120 мм.
Основное преимущество станков типа "Марс" - высокая производительность. Недостаток - небольшая глубина резания. К примеру, для круглопильных станков отношение
Рис. 2.7.19. Конструкция отрезного стального диска
наибольшего диаметра отрезаемого изделия к диаметру диска составляет 30...35 %, у станков типа "Марс" 6...8 %.
Для отделения элементов литниковых систем, главным образом у крупных отливок, широко применяют ацетиленокислородную (газовую) и воздушно-дуговую резку. Ацетиленокислородную резку используют, в основном, для резки стальных отливок и отливок из высокопрочного чугуна со сфероидальным графитом, воздушно-дуговую резку для высоколегированных сталей, чугуна и цветных металлов.
Процесс газовой резки основан на интенсивном окислении металла в струе кислорода при высокой температуре. Скорость резки зависит от толщины материала, его свойств, а также от температуры пламени, давления кислорода, формы режущей струи, скорости истечения ее из сопла, чистоты кислорода. Примеси в кислороде уменьшают скорость резания примерно с 225 мм/мин при чистоте кислорода 99% до 65 мм/мин при чистоте кислорода 81 %. Предварительный нагрев отливки повышает скорость резки. При нагреве стали до 200...370 °C скорость резки повышается на 50... 100 %. При оптимальных режимах резания колебание давления кислорода ±105 Па дает повышение или понижение скорости резки на 25...50 %.
Скорость V, (м/с) ацетиленокислородной резки может быть определена по формуле:
V = 60//, (2.7.3)
где t - продолжительность резки (мин на 1 м):
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ОЧИСТКИ ОТЛИВОК
691
Z = 6/8+ 0,85, (2.7.4)
где 5 - толщина разрезаемого металла, мм.
На рис. 2.7.20 показана горелка для газовой резки металла.
Сущность воздушно-дуговой резки заключается в следующем: возбуждается сварочная дуга обратной полярности между угольным электродом и отливкой. Параллельно электроду из держателя подается струя сжатого воздуха, выдувающая расплавленный металл из сварочной ванны. Ширина реза на 1 ...2 мм превышает диаметр электрода. Отрезка прибылей толщиной более 40 мм за один проход затруднительна. Для воздушно-дуговой резки необходимо иметь резак, источник электрической энергии, сжатый воздух и графитовые электроды. Рекомендуемая длина электродов 250.. .300 мм.
Электроды круглого сечения имеют сле-дующие характеристики:
Диаметр электрода, мм 6 9,5 13 16 19
Сила тока наименьшая, А 150 200 300 600 1200
Сила тока наибольшая, А 350 450 600 1000 1600
Применение электродов диаметром более 19 мм значительно утяжеляет труд рабочего из-за большой массы резака, кабелей (учитывая и массу охлаждающей воды). Ширина реза (мм) зависит от диаметра электрода:
B = rf + (1...2), где d- диаметр электрода, мм.
Рис. 2.7.20. Горелка для газовой резки металла:
/ - сопло для подачи кислорода; 2 - канал для подачи газа; 3 - газокислородный смеситель; 4 - канал подачи кислорода; 5 - канал подачи газа в смеситель; 6 - канал подачи кислорода в смеситель;
7 - регулятор подачи кислорода
Для выполнения работ по заварке дефектов чугунного литья применяют электросварочные полуавтоматы с механической подачей специальной порошковой проволоки и специальные горелки с двойной инжекцией.
2.7.4. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ОЧИСТКИ ОТЛИВОК
В настоящее время разработана широкая номенклатура очистного оборудования, при
менение тех или иных видов которого определяется характером производства (единичное, серийное, массовое), характеристикой очищаемых отливок (развес, форма, толщина стенок, состояние поверхности). На выбор технологического процесса влияет также род покрытия, которое в дальнейшем будет наноситься на отливку.
В настоящее время наиболее распространены универсальные методы очистки - в галтовочных барабанах, струей металлических
692
Глава 2.7. ОБОРУДОВАНИЕ И АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЦЕССОВ
абразивов (дробеметная и дробеструйная) и вибрационная. В отдельных случаях применяют химическую, электрохимическую (см, гл. 2.1), термическую, ультразвуковую и газопламенную очистку отливок [4,5,6, 7].
Простой и дешевый способ очистки, обеспечивающий хорошее качество поверхности отливок - очистка в галтовочном барабане. Одновременно с очисткой поверхности в галтовочном барабане происходят выбивка стержней и отбивка литников.
Применяются барабаны периодического и непрерывного действия. На рис. 2.7.21 показан общий вид галтовочного барабана периодического действия со скиповым подъемником для загрузки отливок. Загруженные в барабан отливки очищаются путем несильных ударов и взаимного трения. Для усиления эффекта очистки вместе с отливками в барабан загружаются специальные звездочки из белого чугуна. Мелкие звездочки дополнительно очищают внутренние труднодоступные поверхности отливок. Эффективность очистки в значительной мере определяется скоростью вращения барабанов. Оптимальной является скорость, при которой возникающие центробежные силы не превышают половины силы тяжести отливки. Для барабанов с внутренним диаметром 2R > 0,7 м условие может быть записано следующим образом:
m®2R - m(2itri)2R< (o,5...O,6)mg,
где R - радиус барабана, м; п - частота вращения барабана, с'1;
Рис. 2.7.21. Общий вид галтовочного барабана периодического действия:
1 - барабан; 2 - загрузочный люк; 3,4,5 - редуктор;
6,7- опорная рама; 8 - скиповый подъемник
Для барабанов с внутренним диаметром 0,7 м и менее число оборотов в минуту подсчитывается по формуле
„-(035-ОЛ)
Расчет мощности привода галтовочного барабана детально рассмотрен в работе [7].
Типовой барабан модели 41114 имеет
следующую характеристику: объем загрузки, м3................. 0,8
наибольшая масса загрузки, кг..... 1800
размеры полости барабана, мм:
диаметр, мм.................. 900
длина, мм.................... 1400
частота вращения барабана, об/мин 30 установленная мощность, кВт......... 75
масса, кг......................... 3820
Для очистки мелких отливок массой 1...25 кг эффективны барабаны непрерывного действия (см. п. 2.7.2).
Типовой барабан модели 41212 имеет следующую техническую характеристику:
производительность, т/ч.......... 5,0
наибольшая масса очищаемой отливки, кг......................... 40
наибольшая объемная диагональ очищаемой отливки, мм............. 700
масса, т........................ 15,5
В настоящее время в литейных цехах наиболее широкое распространение получила очистка струей металлического абразива. Струя абразива может быть направлена на отливку струей воздуха, струей воды (дробеструйный метод) или выбрасываться под действием центробежной силы (дробеметный метод). Разработаны способы создания потока дроби электромагнитным полем, но они не нашли применения в промышленности. От вида применяемого очистного материала зависят качество поверхности отливок и показатели работы очистного оборудования. Для струйной очистки применяют различные материалы, в том числе металлические из черных и цветных сплавов (алюминиевых, медных), минеральные (песок, корунд, шлак, стекло), органические (скорлупа орехов, пластмассы). Основным материалом, применяемым для очистки, является металлическая дробь.
По техническим характеристикам дробе-метных аппаратов, установленных на очистных машинах, допускается использование металлической дроби размером не более 3,6 мм. Показатели чугунной и стальной дроби для
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ОЧИСТКИ ОТЛИВОК
693
дробеметной и дробеструйной очистки отливок предусмотрены ГОСТ 11964-81. Выпускается восемь типов дроби:
- дробь чугунная литая (ДЧЛ);
- дробь чугунная литая улучшенная (ДЧЛУ);
- дробь чугунная колотая (ДЧК);
- дробь стальная литая (ДСЛ);
дробь стальная литая улучшенная (ДСЛУ);
- дробь стальная колотая (ДСК);
- дробь стальная колотая улучшенная (ДСКУ);
дробь стальная рубленная из проволоки (ДСР).
Внешний вцд дроби показан на рис. 2.7.22. Для чугунной и стальной литой дроби предусмотрено 10 номеров, отличающихся размерами (самый малый № 03 - размер дроби до 0,3 мм, самый большой № 3,6 - размер дроби до 3,6 мм.
Для чугунной и стальной колотой дроби предусмотрено 7 номеров (самый малый № 03 -размер дроби до 0,3 мм, самый большой №2,2-до 2,2 мм.
Для дроби стальной, рубленной из проволоки, - 13 номеров (самый малый № 02 -размер дроби до 0,2 мм, самый большой № 3 -до 3,0 мм).
Твердость разных типов дроби по ГОСТ 11964—81 составляет:
- ДЧЛ 545...830 HV;
- ДЧЛУ 445...580 HV;
- ДСЛ, ДСК 365...545 HV;
- ДСЛУ, ДСКУ 545... 830 HV.
Выбор типа и номера дроби связан с требованиями, предъявляемыми к поверхности отливки.
Процесс дробеметной очистки состоит в бомбардировке поверхности очищаемой отливки потоком дробинок, вылетающих из дро-беметного аппарата со скоростью 70...80 м/с.
Дробинки в результате удара об отливку, элементы защиты дробеметной камеры постепенно истираются, раскалываются (измельчаются) и цикл за циклом, совершая оборот в системе дробеобращения камеры, превращаются в пылевидную фракцию, отделяемую системой сепарации и вентиляции.
Циклическая стойкость дроби характеризует ее способность сохранять первоначальную форму и размеры под действием динамических нагрузок, возникающих при последовательных ударах дроби об обрабатываемую поверхность. Циклическая стойкость характеризует удельный расход дроби.
Получила распространение методика оценки циклической стойкости дроби, предложенная фирмой Georg Fischer (Швейцария). Аналогичный стенд ДИС-1 (рис. 2.7.23) разработан во ВНИИЛитмаше. На стенде предусмотрена скорость вылета дроби 50...80 м/с.
В дробеметных установках скорость потока дроби зависит от диаметра ротора дробе-метного аппарата и скорости его вращения. Для расчета скорости вращения ротора при заданных значениях скорости дроби и диаметра ротора пользуются формулой
п =
ЗОу
п/г72(1-/+/2)
где п - расчетная скорость вращения ротора, об/мин; v - скорость дроби, м/с; R - радиус ротора, м; f - коэффициент трения дроби о
Рис. 2.721, Виды дроби технической для очистки отливок: а - дробь чугунная литая (ДЧЛ); б - дробь стальная колотая (ДСК); в - дробь стальная, рубленная из проволоки (ДСР)
694
Глава 2.7. ОБОРУДОВАНИЕ И АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЦЕССОВ
Рис. 2.7.23. Конструктивная схема стенда ДИС-1
лопасти (/= 0,15...0,3- Меньшее значение f принимается для круглой дроби, большее - для колотой).
Наибольшее распространение на высокопроизводительной дробеметной технике получили дробеметные аппараты производительностью 300... 600 кг/мин.
Дробеметные аппараты, устанавливаемые на очистное оборудование, по способу предварительного разгона и подачи дроби на лопасти можно разделить натри основные группы:
I - с гравитационной подачей дроби на лопасти (рис. 2.7.24, а);
II - с воздушной подачей дроби на лопасти (рис. 2.7.24, б);
III - с импеллерной подачей дроби на лопасти (рис. 2.7.24, в).
В дробеметных аппаратах I группы дробь подается на лопасти рабочего колеса под действием гравитационной силы. Дробеметные аппараты этой группы просты по конструкции, однако имеют ряд существенных недостатков:
- неравномерный износ по ширине лопасти и, как следствие этого, значительный дисбаланс;
- быстрый износ лопасти и дроби в результате удара, происходящего в момент встречи дроби с лопастью:
- большая масса лопасти из-за необходимости придания ей конструктивной прочности;
сложная регулировка направления потока дроби и значительный угол его рассеивания (более 90°) при сходе с лопасти.
Аппараты с гравитационной подачей дроби не получили широкого распространения.
Дробеметные аппараты II группы можно разделить на аппараты с нагнетательной системой подачи дроби и аппараты с всасывающей системой.
Рис. 2.7.24. Дробеметные аппараты: а - с гравитационной подачей дроби; б - с воздушной подачей дроби
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ОЧИСТКИ ОТЛИВОК
695
Аппараты этой группы хотя и имеют некоторые преимущества перед аппаратами с гравитационной подачей дроби (более равномерный износ лопастей; возможность реверсивного вращения ротора; простая регулировка направления потока дроби и несколько меньший угол его рассеивания - до 65°), однако значительно сложнее по конструкции, громоздки, требуют дополнительно подвода сжатого воздуха или установки вентилятора.
Указанные конструктивные недостатки не позволили дробеметным аппаратам II группы получить широкое распространение. Дробеметные аппараты с импеллерной подачей дроби на лопасти являются наиболее распространенными.
На рис. 2.7.25 представлен двухдисковый восьмилопастной дробеметный аппарат модели 42115 ОАО "Амурлитмаш" с механической подачей дроби на лопасти.
Разновидностью III группы дробеметных аппаратов являются также однодисковые двух-, четырех-, шести-, восьмилопастные (рис. 2.7.26) аппараты с импеллерной подачей дроби.
Однодисковые дробеметные аппараты имеют некоторые преимущества перед двухдисковыми. У них меньше габаритные размеры и металлоемкость, пониженная вибрация ротора, более высокая долговечность подшипников шпинделя, быстрее происходит разгон ротора до заданных оборотов и меньше вращение по инерции при остановках.
Рис. 2.7.25. Дробеметный аппарат с импеллерной подачей дроби на лопасти:
/ - загрузочная воронка и патрубок; 2 - импеллер; 3 - распределительная камера; 4 - лопасть; 5 - рабочее колесо; б - корпус; 7 - износостойкие элементы защиты; 8 - фланец шпинделя; 9 - вал шпинделя, 10 - роликовые подшипники; / / - масленка; 12 - шкив
696
Глава 2 7. ОБОРУДОВАНИЕ И АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЦЕССОВ ВЫБИВКИ ФОРМ
Рис. 2.7.26. Разновидности дробеметных аппаратов с импеллерной подачей дроби
Несмотря на имеющиеся преимущества в международной и отечественной практике наибольшее распространение получили двухдисковые восьмилопастные дробеметные аппараты с импеллерной подачей дроби на лопасти.
Самым распространенным компоновочным решением привода дробеметных аппаратов можно назвать решение, когда ротор (рабочее колесо с лопастями и ступицей) установлен на валу шпинделя и приводится во вращение от электродвигателя через клиноременную передачу.
Геометрические характеристики дробепадающей системы выбирают из условия обеспечения заданной производительности дробеметного аппарата. Производительность аппарата должна обеспечиваться при любых неблагоприятных условиях эксплуатации. В этой связи следует производительность q (кг/мин) отличать от пропускной способности аппарата Q (кг/мин). Для обеспечения заданной производительности аппарата при любых режимах эксплуатации необходимо соблюдение следующего правила:
e^(i,2...i,3)gr.
Пропускная способность Q является исходной расчетной величиной для определения геометрических характеристик трех основных
деталей аппарата: питающего патрубка, импеллера, распределительной камеры.
Размеры питающего патрубка и угол наклона его оси оказывают решающее воздействие на пропускную способность дробеметного аппарата.
Импеллер служит для предварительного разгона дроби и подачи ее на лопасти дробеметного аппарата. Размеры импеллера в меньшей степени влияют на пропускную способность аппарата, однако конструктивное его исполнение все же накладывает отпечаток на этот важный параметр. Практически на всех образцах дробеметных аппаратов количество лопастей ротора соответствует количеству лопаток импеллера. Это решение укрепилось в конструкциях аппаратов благодаря созданной ранее "пакетной теории".
Более поздние исследования внесли соответствующую корректировку в теорию рабочего процесса дробеметного аппарата. Согласно этой теории, дробь выходит из окна распределительной втулки не "пакетами", а сплошным потоком, подхватывается лопастями ротора, причем каждая из лопастей отсекает от этого потока порцию, соответствующую углу между двумя соседними лопастями. Поэтому количество лопастей импеллера не оказывает влияния на формирование факела дроби.
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ОЧИСТКИ ОТЛИВОК
697
Пропускная способность восьмилопастных цилиндрических импеллеров ниже, чем аналогичных по размерам импеллеров с конической заборной частью. Коническая приемная часть уменьшает хаотическое движение дроби, способствует перемещению частиц дроби вдоль своей образующей. Увеличение длины приемной конической части импеллера позволяет уменьшить длину нижнего колена питающего патрубка и тем самым увеличить угол наклона его оси.
Распределительная камера служит для регулирования направления потока дроби при выходе из дробеметного аппарата. За счет поворота распределительной камеры относительно вертикальной оси дробеметного аппарата можно изменить в небольших пределах (15...200) направление основного потока дроби. Дальнейшее изменение направления факела производиться путем поворота плоскости установки аппарата.
Основными размерами распределительной камеры являются внутренний диаметр, длина окна вдоль образующей и ширина окна по хорде. Диаметр распределительной камеры выбирается исходя из условия обеспечения радиального зазора между импеллером и втулкой, который в свою очередь зависит от размера применяемой дроби. Радиальный зазор обычно составляет 3,0...4,0 диаметра применяемой дроби.
Импеллер, распределительная камера и защита корпуса дробеметного аппарата относятся к быстроизнашиваемым деталям и изготавливаются из износостойких материалов (например, из низколегированного хромистого чугуна с содержанием хрома 2,5...2,7 %).
В табл. 2.7.8. приведены технические характеристики отечественных дробеметных аппаратов.
2.7.8. Техническая характеристика дробеметных аппаратов
Показатели Модели
2М393/ 2М392* 42114/ 42124* 4Б114/ 4Б124* 42115/ 42125* 42116/ 42126* 42117/ 42127*
Скорость вылета дроби, м/с 80 70... 80 70... 80 70... 80 70... 80 70... 80
Число лопастей, шт 8 6 6 8 8 8
Диаметр рабочего колеса, мм 500 380 380 500 500 500
Частота вращения рабочего колеса, об/мин 2500 3000 3000 2250 2250 2250
Ширина факела дроби на выходе из аппарата, мм 60 60 60 100 100 100
Установленная мощность, кВт 17,0 15,0... 18,5 15,0...18,5 18,5...22,0 30,0... 37,0 45,0... 55,0
Габаритные размеры (длинах ширинах хвысота), мм 125х950х х695 700х700х х540 516х700х х540 1170x1115х х760 1200x1115х х760 1230x1115х х760
Масса, кг 694 300 250 550 555 560
* правое вращение/левое вращение.
698
Глава 2.7. ОБОРУДОВАНИЕ И АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЦЕССОВ ВЫБИВКИ ФОРМ
Отливки, имеющие глубокие внутренние полости и карманы, недоступные или плохо доступные потоку дроби, создаваемому дро-беметным аппаратом, подвергаются дробеструйной доочистке или полностью обрабатываются дробеструйными аппаратами.
В дробеструйных аппаратах разгон дроби осуществляется за счет энергии воздуха, подводимого к аппарату от компрессора.
Получили распространение дробеструйные аппараты двух систем: всасывающей и нагнетательной.
На рис. 2.7.27 показана общая компоновочная схема дробеструйной установки мод. 44622 с аппаратом всасывающей системы.
Аппараты всасывающей системы (рис. 2.7.28, а, 6) состоят из корпуса, к которому с одной стороны через штуцер подводится сжатый воздух, а с другой стороны через трубопровод абразивный материал. Внутри корпуса имеются смесительная камера и эжектор.
При открытии клапана сжатый воздух поступает в эжектор, а из него в смесительную камеру, где струя сжатого воздуха создает разряжение, распространяющиеся по трубопроводу, соединенному с гибким шлангом, свободный конец которого опущен в бункер с абразивным материалом. За счет этого разряжения через гибкий шланг подсасывается
Рис. 2.7.27. Общая компоновочная схема дробеструйной установки мод. 44622 с аппаратом всасывающей системы
Рис. 2.7.28. Дробеструйные аппараты всасывающей системы:
/ - корпус; 2 - воздухопровод сжатого воздуха; 3 - канал подачи абразива; 4 - смесительная камера; 5 - эжектор; 6 - сопло; 7 - регулятор подачи воздуха; 8 - сменная вставка
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ОЧИСТКИ ОТЛИВОК
699
атмосферный воздух, транспортирующий абразивный материал из бункера в смесительную камеру. Поток сжатого воздуха, выходящего из эжектора, подхватывает абразивный материал и направляет его в сопло, а из него на обрабатываемую поверхность.
Дробеструйные аппараты нагнетательной системы изготавливают двух разновидностей: однокамерные и двухкамерные.
В однокамерных аппаратах нагнетательной системы (рис. 2.7.29) абразивный материал из бункера через загрузочное устройство 1 и клапан 2 попадает в накопительную камеру 3, в которую после закрытия клапана подается сжатый воздух под давлением 0,6 МПа. Из накопительной камеры абразивный материал под действием давления поступает в смеситель 4, где подхватывается потоком воздуха, поступающего из сети по шлангу 5. Сжатый воздух транспортирует абразивный материал по гибкому шлангу к соплу, а из него выдувает струей на обрабатываемую поверхность.
Однокамерные аппараты представляют собой дробеструйное оборудование периодического действия. Продолжительность непрерывной обработки зависит от количества абразивного материала в накопительной камере и от его расхода через сопло.
Двухкамерные дробеструйные аппараты относятся к оборудованию непрерывного действия. На рис. 2.7.30 показан отечественный двухкамерный дробеструйный аппарат мод. 44122. Непрерывный режим работы аппарата обеспечивается за счет следующих конструктивных решений.
Рис. 2.7.29. Дробеструйный однокамерный аппарат нагнетательного действия
Рис. 2.7.30. Дробеструйный двухкамерный аппарат нагнетательного действия
На раме 1 посредством призматических опор подвешены и жестко соединены друг с другом накопительные камеры 2 и 8 и противовес 9, образующие рычажно-весовую систему. Абразивный материал из бункера через загрузочное устройство 6 попадает в приемную часть 5 аппарата, а из нее при открытии клапана 4 в верхнюю накопительную камеру 2. В нижней части этой камеры имеется клапан 3, при открытии которого абразивный материал перетекает в нижнюю накопительную камеру 8.
Последовательностью открывания и закрывания клапанов 3 и 4 и загрузочного устройства 6 управляет пневмоавтоматика, установленная в шкафу 7 и связанная датчиком с рычажно-весовой системой. Рычажно-весовая система сбалансирована таким образом, что ее подвижные части могут занимать относительно неподвижной рамы два положения. Первое положение соответствует такому количеству абразивного материала в нижней накопительной камере, при котором процесс дробеструйной обработки можно вести непрерывно. Второе положение, при котором в нижней накопительной камере абразивного материала явно недостаточно для непрерывного процесса очистки, и необходимо провести его пополнение из верхней накопительной камеры. В период пополнения нижней накопительной камеры абразивным материалом обе камеры находятся
700
Глава 2.7. ОБОРУДОВАНИЕ И АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЦЕССОВ ВЫБИВКИ ФОРМ
под давлением, что позволяет производить В табл. 2.7.9 приведены технические ха-
этот процесс без прекращения работы сопел 10 рактеристики отечественных дробеструйных дробеструйного аппарата. аппаратов нагнетательной системы.
2.7.9. Техническая характеристика дробеструйных аппаратов нагнетательного типа
Показатели Модели
24112 24113 24114 44122 42600М
Производительность аппарата по выбросу дроби на одно сопло, кг/мин 30 30 30 30 30
Размер абразивного материала, мм 0,3...3,0 0,3...3,0 0,3... 3,0 0,3...3,0 0,3...3,0
Радиус действия аппарата, м 40* 40* 40* 5 5
Рабочее давление сжатого воздуха, МПа 0,25...0,6 0,25...0,6 0,25...0,6 0,6 0,6
Число сопел, шт. 1 1 1 2 2
Диаметр сопла, мм 9,5 9,5 9,5 6...10 6...10
Объем засыпаемого абразива, м3 0,15 0,2 0,25 0,035 0,035
Расход свободного воздуха на одно сопло, м3/мин 5,5 5,5 5,5 5,0 5,0
Режим работы Периодический Непрерывный
Габаритные размеры, мм:
длина 1200 1200 1200 1010 1050
ширина 1100 1100 1100 600 600
высота 1570 1720 1870 1530 1550
Масса аппарата, кг 395 415 435 500 590
* Длина дробеструйного рукава при стандартной комплектации аппарата - 20 м.
Все рассмотренные аппараты работают в составе дробеструйной установки, имеющей изолированную от вылета абразивного материала рабочую камеру с транспортирующим устройством, систему сбора и подачи абразивного материала к аппарату, систему сепарации и вентиляции.
Работа на дробеструйных установках, в которых оператор находится внутри рабочей камеры, относится к производствам повышенной опасности. В связи с этим большое внимание уделяется условиям труда и технике безопасности.
Для очистки отливок дробеметным способом применяется широкая номенклатура дробеметного оборудования периодического и непрерывного действия, включающая барабаны, камеры, столы и специальные установки.
На рис. 2.7.31 приведена принципиальная схема дробеметной установки. Основными элементами установки являются: дробеметные аппараты 2; система циркуляции абразивного материала, включающая шнековый транспор* тер 4, ковшевой элеватор 5; система сепарации дроби, состоящая из барабанного сита 6, воздушного сепаратора /; элементы 7, изолирующие цеховое пространство от вылета абразивных частиц; система транспортирующих механизмов 3 для подачи очищаемых отливок под поток абразива, создаваемого дробеметным аппаратом.
Барабаны являются самыми эффективными и экономичными машинами из всех типов очистного дробеметного оборудования. Они применяются для очистки от пригара и окалины поверхностей отливок, не подвержен-
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ОЧИСТКИ ОТЛИВОК
701
Рис. 2.731. Принципиальная схема дробеметной установки
них бою и деформации при галтовке. Дробеметные барабаны обеспечивают наиболее высокую равномерность и чистоту поверхности очищаемых деталей, достигаемую сочетанием дробеметной очистки с непрерывной галтовкой изделий под потоком дроби.
При оснащении барабанов усиленной системой сепарации дроби они могут выполнять одновременно выбивку стержней и очистку поверхности отливок, причем выбитая из отливок смесь проходит частичную регенерацию.
На рис. 2.7.32 представлен сепаратор комбинированного типа, применяющийся на зарубежном оборудовании. Работает он следующим образом: из ковшевого элеватора 4 дробепесчаная смесь попадает на вращающийся барабан 7, разделяющий дробь и песок. Дробь удерживается магнитной силой на его обечайке до выхода за пределы магнитного поля, а песок ссыпается по наклонному желобу на аналогичный магнитный барабан 3. За пределами магнитного поля барабана 1 дробь отделяется от его обечайки и падает на перфорированные листы воздушного каскадного сепаратора 2. В процессе прохождения каскадов воздушный поток 5 отделяет захваченные дробью мелкие металлические и неметаллические частицы и отводит их в систему обеспыливания б,
а дробь собирается в бункере-накопителе 7 для подачи к дробеметным аппаратам.
На магнитном барабане 3 происходит отделение остатков годной дроби, захваченной потоком песка при разделении дробепесчаной смеси на барабане 1. Остатки дроби ссыпаются в бункер-накопитель 7 для дальнейшего использования, песок поступает в бункер 8 и утилизируется.
На рис. 2.7.33 показана принципиальная схема дробеметного очистного барабана периодического действия, который может изготавливаться с резиновым и металлическим пластинчатым подом.
Конструктивной особенностью дробемет-ных установок для совмещенного процесса выбивки-очистки, в том числе и барабанов, является наличие усиленной системы сепарации.
Воздушно-механическая система сепарации, эффективно работающая на очистном оборудовании, где засоренность дроби песком обычно составляет 5 %, не справляется с более высокой засоренностью 10... 15 %. Для улучшения процесса сепарации применяют различные комбинированные системы, состоящие из магнитных, воздушных и механических сепараторов.
На рис. 2.7.34 приведен общий вид дробеметного барабана периодического действия мод. 42233 с агрегатом сепарации АС-800.
Рис. 2.733. Принципиальная схема дробеметного очистного барабана периодического действия:
1 - узел дробеметной очистки; 2 - узел загрузки; 3 - узел удаления отливок
Глава 2.7. ОБОРУДОВАНИЕ И АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЦЕССОВ ВЫБИВКИ ФОРМ
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ОЧИСТКИ ОТЛИВОК
703
Вид 6
Рис. 2.7.34. общий вид дробеметного барабана периодического действия мод. 42233 с агрегатом сепарации АС-800
В проходных барабанах (рис. 2.7.35) время нахождения отливок в зоне действия потока дроби ограничено, в связи с чем их применение наиболее эффективно при очистке изделий простой конфигурации с легко удаляемыми пригаром и окалиной.
Конструкция барабанов не допускает очистку отливок с толщиной выступающих частей менее 15 мм для чугунных и 10 мм для стальных отливок.
Рис. 2.7.35. Дробеметный барабан непрерывного действия
704
Глава 2.7. ОБОРУДОВАНИЕ И АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЦЕССОВ ВЫБИВКИ ФОРМ
В табл. 2.7.10 приведены технические характеристики дробеметных барабанов периодического действия, а в табл. 2.7.11 техни
ческие характеристики дробеметных аппаратов непрерывного действия производства ОАО "Амурлитмаш".
2.7.10. Техническая характеристика дробеметных барабанов периодического действия
Показатели Модель
42213М 42216М 42223М 42203 42233 42236 42246 42237
Производительность при обработке отливок из серого чугуна, т/ч выбивки - - - - 2,0 5,4 - 8,0
очистки 5,1 10,5 3,7 4,6 5,2 10,5 13,0 18,5
Тип пода металлический резиновый металлический
Объем загрузки, м3 0,3 1,2 0,3 0,3 0,3 1,2 1,2 2,0
Наибольшая масса загрузки, кг 800 3000 500 600 800 3000 3000 5000
Наибольшая масса очищенной отливки, кг 80 400 40 40 100 500 400 1000
Наибольшая объемная диагональ очищаемой отливки, мм 470 600 450 450 700 700 700 1000
Количество дробеметных аппаратов, шт. 1 1 1 - 1 1 1 1 2
Масса дроби, выбрасываемая дробеметными аппаратами, кг/мин 300 800 300 350 270 800 850 1460
Габаритные размеры барабана, мм: длина ширина высота 4500 4500 6050 6000 6200 6000 4500 4500 6050 4700 4370 5700 4900 4200 4750 6000 7000 6000 5300 5800 7405 9000 8000 7500
Масса барабана, кг 17,1 34,0 11,7 10,7 17,0 32,5 29,0 74,0
2.7.11. Техническая характеристика дробеметных барабанов непрерывного действия
Показатели Модель
42322М 42434
Производительность при очистке отливок из серого чугуна, т/ч 7,3 16,0
Наибольшая масса очищаемой отливки, кг 25,0 80,0
Наибольшая объемная диагональ очищаемой отливки, мм 700 850
Количество дробеметных аппаратов, шт. 2 2
Масса дроби, выбрасываемая дробеметными аппаратами, кг/мин 500 1600
Габаритные размеры барабана, мм:
длина 7600 9000
ширина 4500 7000
высота 7100 8000
Масса барабана, т 29,0 70,0
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ОЧИСТКИ ОТЛИВОК
705
Для очистки отливок, имеющих тонкие выступающие части, и мелких тонкостенных отливок в виде дисков, пластин, стержней рекомендуется применять дробеметные очистные столы и камеры.
Дробеметные столы являются разновидностью самых маленьких дробеметных камер. Своим названием они обязаны форме и размерам грузонесущего механизма, а также расположением его относительно пола производственного помещения.
На рис. 2.7.36 схематически показаны варианты компоновки грузонесущих устройств
дробеметных столов непрерывного и периодического действия.
К недостаткам столов обоих типов можно отнести высокую трудоемкость обслуживания.
На рис. 2.7.36, а, б, в показаны столы непрерывного действия. Загрузка отливок, их переворачивание и разгрузка производятся во время вращения рабочего стола. Участок загрузки-разгрузки имеет вид сектора, размеры которого обычно составляют 1/3 часть поверхности рабочего стола.
В табл. 2.7.12 приведены технические характеристики дробеметных столов непрерывного действия.
Рис. 2.7.36. Варианты компоновки грузонесущих устройств дробеметных столов непрерывного и периодического действия
2.7.12. Техническая характеристика очистных дробеметных столов
Наименование показателей Модель 345М 353М
Наибольшие габаритные размеры очищаемых отливок (/х bxh), мм, (</хй), мм 450x400x300 900x600
Общая масса отливок, устанавливаемых на стол, кг 600 1600
Наибольшая масса очищаемой отливки, кг 150 530
Число тарелей — 3
Число дробеметных аппаратов 1 2
Установленная мощность, кВт 23,2 33,5
Масса, кг 4700 18 000
23-819
706
Глава 2.7. ОБОРУДОВАНИЕ И АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЦЕССОВ ВЫБИВКИ ФОРМ
Для более равномерной обработки поверхности отливок изготавливаются дробеметные столы с вращающимися тарелками (рис. 2.7.36, б). У данного типа столов непрерывно вращается не только рабочий стол, но и планетарно закрепленные на нем тарелки. Количество вращающихся тарелок обычно колеблется от 3 до 5.
На рис. 2.7.36, в показана схема дробеметного стола периодического действия. Для повышения производительности таких столов изготавливают установки, у которых имеются два рабочих стола. Это позволяет одновременно производить очистку отливок на одном столе и загрузку-выгрузку на другом, находящемся вне действия потока дроби.
Столы непрерывного действия применяют для очистки мелких отливок массой 150... 300 кг, а дробеметные столы периодического действия могут использоваться для очистки более крупных отливок массой 300.. .600 кг.
Для дробеметной очистки средних, крупных и особо крупных стальных и чугунных отливок применяют дробеметные камеры периодического действия с тележками и поворотным столом. На рис. 2.7.37, а, б показаны принципиальные схемы дробеметных камер этого типа. Загрузка и разгрузка отливок на поворотный стол тележки производится индивидуальными или цеховыми подъемно-транспорными механизмами. Тележки с отливками закатываются в камеру, ворота закрываются, столу сообщается вращательное движение, включаются дробеметные аппараты. Частично очищенные отливки после первого цикла дробеметной обработки кантуются собственными подъемными средствами (рис. 2.7.37, а) или выкатываются на тележке из камеры, кантуются, что-
бы сторона, на которой они первоначально лежали на столе, оказалась сверху, а затем снова направляются в камеру (рис. 2.7.37, б). , Как правило, ограничиваются двумя циклами дробеметной обработки. Однако, когда после дробеметной обработки во внутренних полостях и отдельных труднодоступных местах отливки остается пригар или окалина, их удаляют с помощью дробеструйных аппаратов.
Дробеметные камеры периодического действия с вращающимися подвесками предназначены для работы в условиях единичного, мелкосерийного и серийного производства. По сравнению с дробеметными камерами периодического действия с тележками эти установки обладают следующими преимуществами: занимают меньше производственной площади, имеют более высокую цикловую производительность, меньшую трудоемкость обслуживания. Повышение производительности достигается в основном за счет сокращения времени на выполнение перегрузочных, транспортных операций и использования индивидуальных подъемно-транспортных механизмов.
На рис. 2.7.38 показана схема очистки отливок в дробеметной камере периодического действия с вращающимися подвесками. По исполнению дробеметные камеры могут быть тупикового или проходного типа.
В табл. 2.7.13 приведены технические характеристики универсальных дробеметных камер мод. 42834 с колокольчиком и вращающимся столом и мод. 42846 с выкатной тележкой и столом. В обеих камерах кроме возможности закрепления отливок на подвеске имеется возможность их укладки на вращающийся стол.
Рис. 2.7.37. Универсальная дробеметная камера
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ОЧИСТКИ ОТЛИВОК
707
Рис. 2.7.38. Дробеметная камера периодического действия с вращающимися подвесками
Дробеметные камеры непрерывного действия с вращающимися подвесками предназначены для очистки от пригара и окалины поверхности чугунных и стальных отливок, а также для ведения совмещенного процесса выбивки стержней и очистки поверхности отливок в условиях поточного производства в литейных цехах с крупносерийным и массовым выпуском.
На рис. 2.7.39 показана схема очистки отливок в дробеметной камере непрерывного действия с вращающимися подвесками.
2.7.13. Техническая характеристика универсальных дробеметных камер периодического действия
Наименование показателей Модель
42834 42846
Назначение очистка выбивка и очистка
Типы грузонесущих устройств и грузоподъемность, кг Подвеска-630 Стол-630 Колокол-400 Подвеска-2000 Стол-6300
Наибольшие размеры отливок, мм Подвеска 800 х 1100 Стол 1200x650 Колокол (диагональ) 400 2500x1300
Установленная мощность, кВт 44,8 55,4
Масса, кг 12 600 25 000
В*
Рис. 2.739. Дробеметная камера непрерывного действия с вращающимися подвесками
708
Глава 2.7. ОБОРУДОВАНИЕ И АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЦЕССОВ ВЫБИВКИ ФОРМ
Для повышения производительности в современных дробеметных камерах с вращающимися подвесками дробеметные аппараты устанавливают под углом 40...45° к трассе движения конвейера. Благодаря этому поток дроби, создаваемый дробеметными аппаратами, перекрывает две подвески, а количество дроби, попадающей на отливки, увеличивается в среднем на 30 %.
Современные отечественные дробеметные камеры непрерывного действия модельного ряда 42730 имеют ряд модификаций в плане (рис. 2.7.40). Конфигурация камеры, при которой тамбуры (шлюзы) развернуты под углом 90° к продольной оси рабочей камеры, выбрана с целью полного исключения вылета дроби в зону обслуживания и устранения производственного травматизма обслуживающего персонала. Надежность уплотнения также достигается и за счет двойного ряда штор, установленных на входе и выходе из рабочей камеры и тамбурах. Грузонесущий конвейер с вращающимися подвесками также снабжен пластинча
тыми шторами, уплотняющими проем в потолке камеры.
При прохождении подвесок через зону очистки в рабочей камере каждая подвеска приводится во вращение от привода, расположенного на потолке камеры. Привод конвейера обеспечивает бесступенчатое регулирование скорости движения подвесок с отливками, что позволяет подобрать оптимальную продолжительность очистки в зависимости от сложности отливок и состояния поверхности.
В табл. 2.7.14 приведены технические характеристики дробеметных камер непрерывного действия с вращающимися подвесками мод. 42732-42735.
Наряду с универсальными камерами непрерывного действия с вращающимися подвесками в крупносерийном и массовом производстве получили распространение специальные машины. Эти машины применяют в основном для очистки блока цилиндров, головки блока и отливок картерного типа в литейных цехах автомобильных заводов.
Исполнение 1 Исполнение 2
Зона загрузки Зона выгрузки Зона загрузки
Зона загрузки
Рис. 2.7.40. Модификации дробеметных камер непрерывного действия в плане
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ОЧИСТКИ ОТЛИВОК
709
2.7.14. Техническая характеристика дробеметных камер непрерывного действия с подвесками (работа в режимах очистка и очистка + выбивка)
Наименование показателей Модель
42732 42733 42734 42735
Грузоподъемность подвески, кг 160 315 630 1250
Наибольший размер очищаемой отливки, мм 600x1100 800x1400 1000x1700 1200x2000
Производительность* при очистке отливок средней сложности, м/ч 8,0 18,0 21,6 22,7
Число дробеметных аппаратов 8 8 8 8
Установленная мощность, кВт 150 300 300 300
Масса, кг 40 000 98 000 99 000 100 000
* При содержании стержней в 1 т отливок массой до 600 кг.
На рис. 2.7.41 показан принцип действия дробеметной установки с цилиндрическими клетками-спутниками. Отливки после обдирочного станка по пластинчатому транспортеру поступают на позицию загрузки. На этой позиции отливки автоматически ориентируются и заталкиваются в цилиндрическую клетку-спутник, выполненную в виде двух дисков с прорезями, связанных между собой износостойкими стержнями. Конфигурация прорезей в дисках со стороны торцевой части клетки-
спутника в точности соответствует форме отливки. Клетки-спутники с отливками поступают в дробеметные камеры с приводными валами, которые равномерно вращают их под потоком дроби (рис. 2.7.42). После очистки в дробеметных камерах клетки-спутники с отливками поступают на позицию выгрузки, где происходит автоматическое выталкивание отливок из клеток и их перегрузка на пластинчатый транспортер для дальнейшей обработки на автоматической линии.
Рис. 2.7.41. Принцип действия дробеметной установки с цилиндрическими клетками-спутниками
710
Глава 2 7. ОБОРУДОВАНИЕ И АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЦЕССОВ ВЫБИВКИ ФОРМ
Рис. 2.7.42. Клетки-спутники
Высокая производительность машины (около 350 отливок в час) достигается за счет
полной автоматизации процессов загрузки-выгрузки и очистки. Выбранная схема очистки отливок с вращением вокруг горизонтальной оси также способствует этому.
Для очистки отливок из алюминиевых сплавов наряду с обычным универсальным оборудованием (барабаны, столы, камеры периодического и непрерывного действия) применяются специальные машины. В качестве примера можно привести машину проходного типа STL-600 с непрерывно движущимся сетчатым конвейером фирмы Cogem Europe (Италия). Ширина сетчатого конвейера машины 600... 1500 мм, при этом на установке можно очищать отливки с габаритными размерами от 600 х 400 до 1500 х 400 мм.
Для встройки в автоматизированные поточные линии литейных цехов, производящих отливки из бронзы, латуни, цинка, магния, алюминия и других сплавов, применяется дробеметный барабан непрерывного действия с V-образной формой транспортирующего конвейера типа SBM конструкции фирмы Hunziker (рис. 2.7.43).
Рис. 2.7.43. Дробеметный барабан непрерывного действия с V-образной формой транспортирующего конвейера
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ОЧИСТКИ ОТЛИВОК
711
Транспортирующая лента барабана собрана из отдельных секций, а полотно секции набрано из металлических планок, облицованных износостойким полимерным материалом. На некоторых планках имеются наклонные уступы, обеспечивающие продольное перемещение отливок. Дробеметные барабаны выпускают четырех типоразмеров. Мод. SBM-1010 предназначена для очистки отливок размерами 10... 100 мм, мод. SBM-1210 для отливок 10... 190 мм, мод. SBM-1520 также для отливок 10... 190 мм и мод. SBM-2020 для отливок 15...265 мм. Барабаны SBM-1210 и SBM-1520 различаются производительностью очистки, габаритами, моделью и количеством установленных дробеметных аппаратов, мощностью фильтровентиляционной установки. Все модели барабанов имеют возможность ступенчатого регулирования скорости вылета дроби из дробеметных аппаратов, которая составляет 40, 50 и 60 м/с, и регулирования скорости движения ленты транспортирующего конвейера.
Возможность регулирования технологических параметров очистки отливок повышает эффективность использования дробеметных барабанов при обработке различных сплавов.
На рис. 2.7.44 представлена схема вибрационно-абразивной установки.
Рис. 2.7.44. Схема вибрационно-абразивной установки: / - контейнер, 2 - отливки; 3 - пружины, 4 - вибровузбудитель
Схема электрохимической очистки отливок показана на рис. 2.7.45. Отливка соединена с положительным полюсом генератора посредством специальной контактирующей подвески, а стенки ванны - с отрицательным полюсом. Плотность тока регулируется бесконтактным регулятором [12, 13]. Достоинством электрохимической очистки является разработанный метод и оборудование для утилизации отходов с использованием жидкого стекла.
Рис. 2.7.45. Принципиальная схема электрохимической очистки отливок: 1 - ванна; 2 - загрузочная корзина для отливок; 3 - контактирующие подвески, 4 - генератор; 5 - бесконтактный регулятор
712
Глава 2.7. ОБОРУДОВАНИЕ И АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЦЕССОВ ВЫБИВКИ ФОРМ
2.7.5. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИСПРАВЛЕНИЯ ДЕФЕКТОВ И ОТДЕЛКИ ОТЛИВОК
После очистки отливки проходят ряд операций: удаление заливов и остатков литниковой системы, исправление поверхностных дефектов и др.
Обрубка отливок проводится с целью удаления заливов и пригара в местах, недоступных для очистки другими способами. Для обрубки используют молотки золотникового типа. Молотки с коротким ходом (до 100 мм) применяют для легкой обрубки тонких заливов и небольших заливов, а с длинным ходом - для обрубки тяжелых приливов и заливов (рис. 2.7.46). Для эффективной обрубки большое значение имеет правильный выбор зубила (рис. 2.7.47).
Для зачистки отливок с целью удаления заливов, заусенцев, перекосов и неровностей, а также дефектов поверхности (ужимин, пригара, подготовки мест заварки и др.) используется оборудование, рабочим органом которого является шлифовальный круг или лента (рис. 2.7.48).
В литейных цехах применяются следующие виды оборудования, работающие шлифовальным кругом:
- ручной механизированный инструмент;
- универсальные обдирочно-зачистные станки;
- специализированные обдирочно-зачистные станки;
- специальные обдирочно-зачистные станки;
- роботехнические обдирочно-зачистные станки;
- поточно-механизированные обдирочнозачистные станки;
- полуавтоматические и автоматические линии;
- отрезные станки;
- ленточные обдирочно-зачистные станки.
Механизированный инструмент по типу привода разделяют на пневматический и электрический со встроенным электродвигателем и с приводом посредством гибкого вала. По виду применяемого абразива инструмент разделяют на горизонтальный для работы периферией круга, вертикальный для работы торцем круга и осевой для работы абразивными головками [8].
Пневматический инструмент прост в эксплуатации. Имеет малую массу. Он работает от цеховой сети сжатого воздуха. К недостаткам инструмента относятся высокий уровень шума и невозможность использования максимальной окружной скорости абразивного инструмента, которая устанавливается исходя из холостого вращения и существенно снижается при прижиме круга к отливке. Хорошо зарекомендовал себя инструмент с электроприводом от гибкого вала. Преимущество его заключается в высокой мощности и удобстве замены рабочих головок. Недостаток - малая гибкость вала из-за которой затруднен доступ к внутренним полостям отливок. Механизированный инструмент со встроенным электродвигателем имеет наиболее высокий КПД. Благодаря более устойчивой работе электродвигателя и меньшей вибрации по сравнению с пневматическим инструментом удается достигнуть большей производительности и меньшего расхода абразивных кругов по сравнению с пневмоинструментом. В то же время электродвигатели нормальной частоты имеют большую массу. Лучшим типом механизированного инструмента является электроинструмент с высокочастотным приводом (400 Гц), который по массе равен пневматическому, но превосходит его по производительности и экономии абразивных кругов.
Для зачистки мелких отливок в мелкосерийном производстве используются стационарные обдирочно-зачистные станки (рис. 2.7.49). Наиболее эффективны станки, в которых пре-
Рис. 2.7.46. Устройство пневматического обрубного молотка:
1 - корпус; 2 - боек; 3 - зубило; 4 - золотниковый распределитель; 5 - пусковой рычаг; 6 - рукоять
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИСПРАВЛЕНИЯ ДЕФЕКТОВ И ОТДЕЛКИ ОТЛИВОК
713
Рис. 2.7.47. Формы обрубных зубил: 1,2,5- зубила для очистки поверхности отливок; 3 - для обрубки стальных отливок после отжига;
4 - для очистки внутренних поверхностей отливок
дусмотрено бесступенчатое регулирование окружной скорости шлифовального круга по мере его износа.
Для зачистки средних, крупных и тяжелых отливок применяют подвесные обдирочношлифовальные станки и механизированные комплексы. На подвесных станках сила прижима круга на отливку передается вручную, в механизированных комплексах круг закрепляется на головке, все перемещения и силы прижима которой осуществляются гидроприводом. Оператор управляет перемещениями головки с помощью рукоятки, расположенной на пульте управления, управление остальным механизмом кнопочное. Применение одного комплекса позволяет увеличить производительность труда рабочего в 5 - 7 раз по сравнению с работой на подвесном обдирочно-зачистном станке. На рис. 2.7.50 показан типовой механизированный комплекс для зачистки отливок.
При наличии в программе литейного цеха постоянной номенклатуры средних и крупных отливок для их абразивной зачистки применяют специальные обдирочно-зачис/ные станки.
В последние годы для обработки тяжелых и крупных отливок находят применение манипуляторы. Манипулятор обладает шестью сцеплениями подвижности. Его позиционер дублирует движение оператора, передаваемое ведущей "руке", и таким образом позволяет тяжелым инструментом выполнять необходимую работу по зачистке.
Рис. 2.7.48. Типы обдирочно-шлифовального оборудования для зачистки отливок:
а) инструмент с гибким валом: 1 - шлифовальный круг; 2 - подставка для круга; 3,- кронштейн, 4 - рукоятка; 5 - гибкий вал; б) стационарный обдирочно-шлифовальный станок: 1 - защитный кожух; 2 - круг, 3 - столик для упора отливок, в) подвесной станок: / - круг; 2 - подвеска; 3 - электродвигатель привода; г) ленточный абразивно-шлифовальный станок: 1 - натяжной шкив; 2 - лента; 3 - привод
714
Глава 2 7. ОБОРУДОВАНИЕ И АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЦЕССОВ ВЫБИВКИ ФОРМ
Рис. 2.7.49. Шлифовальный станок с регулированием окружной скорости:
1 - вариатор скорости круга; 2 - приводной вал; 3 - шлифовальный круг; 4 - электродвигатель
Рис. 2.7.50. Механизированный комплекс для зачистки отливок:
1 - площадка; 2 - пульт управления; 3 - головка шлифовальная; 4 - мост; 5 - станина; б - тележка; 7 - кантователь
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИСПРАВЛЕНИЯ ДЕФЕКТОВ И ОТДЕЛКИ ОТЛИВОК
715
Рис. 2.7.51. Специальное приспособление для испытания кругов:
1 - станина; 2 - абразивный круг; 3 - устройство для подачи образца; 4 - тарель для грузов
На рис. 2.7.51 показан специальный стенд, допускающий скорость вращения круга до 7000 об/мин. К стенду подключен самопишущий ваттметр, фиксирующий затрату электроэнергии на зачистку. Для испытания и подбора кругов диаметром 600 мм могут использоваться специальные приспособления, устанавливаемые на серийные обдирочно-шлифовальные станки.
Индивидуальный подбор кругов к оборудованию и к заготовительным отливкам позволяет существенно повысить эффективность зачистки отливок абразивными кругами за счет повышения стойкости кругов, увеличения объема металла и экономии электроэнергии.
Перед выбором кругов следует произвести технико-экономический анализ использования абразивных кругов в конкретных условиях, например, что является наиболее приоритетным: высокий съем металла во времени, высокий относительный съем (отношение снятого металла к изношенному абразиву) по весу, стойкость кругов во времени и др. Предварительный анализ необходим исходя из различных показателей у разных кругов. Так, круг с высоким относительным съемом может оказаться малостойким во времени и т.п.
В литейных цехах крупносерийного и массового производства находят широкое применение автоматические станки и линии для обдирки и зачистки отливок. Такое обору
дование предназначено для обработки отливок однородных по габаритным размерам, конфигурации и по местам снятия металла.
Ряд подобных станков используется в автомобильной промышленности, тракторном и сельскохозяйственном машиностроении.
На рис. 2.7.52 приведена автоматическая линия, предназначенная для зачистки сложной отливки V-образного блока цилиндров автомобильных дизелей. Линия предназначена для зачистки шести- и восьмицилиндровых блоков без переналадки. Работа линии происходит следующим образом. Отливка блока подается на направляющие шагового конвейера, по которому транспортируется на первую рабочую позицию, на которой блок останавливается, и с помощью четырехшпиндельной головки происходит зачистка левых цилиндровых отверстий гильзы. На концах шпинделей находятся абразивные круги. При остановке блока шпинделя опускаются в отверстия и последовательно зачищают оба пояска. Затем шпинделя возвращаются в исходное положение. При зачистке шестицилиндровых блоков, крайний шпиндель оказывается вне блока. Далее блок перемещается к абразивным кругам, которые по ходу зачищают наклонные плоскости. При дальнейшем движении отливки происходит зачистка стальными дисками нижних плоскостей. Далее производится зачистка правых, цилиндровых отверстий гильзы (аналогично левым).
Рис. 2.7.52. Автоматическая линия для зачистки V-образных шести- и восьми цилиндровых блоков: 1 - шаговый конвейер; 2,5- четырехшпиндельная головка; 3 - головка со шлифовальным кругом; 4 - каретка; 6 — головка для зачистки стальными дисками; 7 - головка для зачистки торцев
Глава 2.7. ОБОРУДОВАНИЕ И АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЦЕССОВ ВЫБИВКИ ФОРМ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
717
Затем отливка подается на позицию зачистки стальными дисками плоскостей под крепление крышек подшипников. Далее отливка перемещается с конвейера в каретку для зачистки торцев блока. Одна из головок каретки перемещается и устанавливается, в зависимости от зачищаемого блока (шести- или восьмицилиндровый). Затем отливка проталкивается на приемный роликовый конвейер и убирается с линии.
Успешная работа обдирочно-зачистных станков может быть обеспечена только при правильном выборе характеристик круга. Характеристика круга определяется рядом показателей: основные размеры (наружный диаметр, ширина, диаметр посадочного отверстия), абразивный материал (электрокорунд, карбид кремния, карбид бора), размер зерен абразивного материала, твердость связки, прочность связки, плотность инструмента (отношение объема пор к общему объему шлифовального инструмента), режущая способность (отношение количества снятого за единицу времени металла к мощности (см3/(кВт • мин))). Различные виды оборудования и различные отливки требуют подбора оптимальных характеристик шлифовальных кругов. Для подбора абразивных кругов целесообразно использовать специальные стенды или приспособления для подбора оптимальных характеристик кругов на обдирочно-шлифовальных станках.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Литейные машины. Каталог справочник м-л. М.: Наркоммаш-Главармалит, 1938.
2. Лакшин А.П., Самохин Н.И. Литейные машины. М.: ГИЗ, 1948.
3. Волкомич А.П., Лакшин А.П, Самохин Н.И. Литейные машины. М.: Машгиз, 1959.
4. Зайгеров Ч.Б. Оборудование литейных цехов. Минск: Высшая школа, 1980.
5. Горский А.И. Расчет машин и механизмов автоматических линий литейного производства. М.: Машиностроение, 1978.
6. Зайгеров И.Б. Машины и автоматизация литейного производства. Минск: Высшая школа, 1969.
7. Розенфельд С.Е., Никольский Г.Н. 0 работе гидромониторов и пескогидромони-торов при выбивке и очистке литья. М.: Литейное производство. Специальное приложение. 1957.
8. Аксенов П.Н. Оборудование литейных цехов. М.: Машиностроение, 1968.
9. Яссиевич Г.Н., Торговецкий А.В., Зильберштейи М.Н. Электрогидравлический метод выбивки стержней из отливок И Литейное машиностроение. 1968. X®. 3.
10. Яссиевич Г.Н., Король А.В., Тарский В.И. Электрогидравлическая выбивка стержней из отливок. Фактор повышения производительности и культуры литейного производства И Литейное машиностроение. 1969. Х®4.
11. Литейные машины. Машины для выбивки литейных форм: Каталог. Вып. 4. М.: НИИмаш, 1967.
12. Литейные машины. Машины для очистки отливок и удаления стержней: Каталог. Вып. 5. М.: НИИмаш, 1967.
13. Литейные машины. Машины для изготовления форм и стержней, выбивки и очистки отливок: Каталог. Вып. 12. М.: НИИмаш, 1970.
14. Технологическое оборудование для литейного производства 1991 - 1995 г. Типаж. М.: ВНИИТЭМР, 1990.
15. Лиокумович Л.Ф., Жиляев Н.И. Механизация и автоматизация процессов выбивки и очистки чугунных отливок. М.: Машиностроение, 1981.
16. Матвеенко И.В., Тарский ВЛ. Оборудование литейных цехов. М.: Машиностроение, 1985.
17. Геллер Р.Л., Тарский В.Л., Файн А.И. Дробеструйная очистка литья И Технология машиностроения. 1961. X® 5.
18. Никольский Г.Н., Поляков Д.С., Тарский В.Л. Современная очистка отливок дробью. М.: Машиностроение, 1966.
19. Горский А.И., Геллер Р.Л., Лиокумович Л.Ф. Расчеты машин литейного производства. М.: Машиностроение, 1966.
20. Жиляев Н.И., Лиокумович Л.Ф., Парамошин В.В. Методика расчета'дробеметных аппаратов И Литейное машиностроение. 1971.Х® 6.
21. Аксенов П.Н. Оборудование литейных цехов. М.: Машиностроение, 1977.
22. ГОСТ 11964-81. Дробь чугунная и стальная техническая. М.: Изд-во стандартов, 1989.
23. Сафронов В.Я. Справочник по литейному производству. М.: Машиностроение, 1985.
718
Глава 2 8. ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ КОНСТРУКЦИЙ МАШИН
24. Делимарский Ю.К., Фишман И.Р., Зарабидский О.Г. Электрохимическая очистка отливок в ионных растворах. М.: Машиностроение, 1976.
25. Фишман И.Р. Электрохимическая очистка от пригара и окалины. М.: НИИИН-ФОРМТЯЖМАШ, 1967.
26. Вереш А. Очистка отливок / Пер. с венг. М.: Машиностроение, 1982.
27. Жиляев Н.И., Дудниченко В.Б. Дробеметное оборудование для совмещенного процесса выбивки стержней, очистки отливок и регенерации песка. М.: НИИмаш, 1984.
28. Тарский В.Л. Абразивные круги для зачистки отливок. М.: Кузнечно-прессовое и литейное оборудование. М.: ЦИНТИАМ, 1964.
29. Жиляев Н.И. Разработки и исследование дробеметных аппаратов повышенной производительности: Дис. ... канд. техн. наук. М., 1973.
Глава 2.8
ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ КОНСТРУКЦИЙ МАШИН
Перспективы развития технологических процессов изготовления форм и стержней. Развитие существующих и создание новых технологий и машин для изготовления отливок в песчано-глинистых формах связано с повышением их качества и снижением себестоимости при соблюдении жестких требований экологической безопасности.
Разовая высокопрочная песчаная форма, получаемая на оборудовании с применением новейших процессов, останется преобладающей в ближайшей перспективе. Критерием оценки для применения того или иного процесса производства форм и стержней являются экологическая безопасность, технологичность и экологичность.
При внедрении различных процессов изготовления форм и стержней, а также оборудования для обеспечения экологической безопасности следует учитывать выделение вредных веществ:
при переработке исходных формовочных материалов и приготовлении смеси;
при производстве форм и стержней;
при выделении вредных веществ на участках заливки, охлаждения, выбивки форм и финишных операциях;
при регенерации горелых смесей.
Рассмотрим перспективы развития формовочных процессов, изготовления стержней и конструкций машин.
Встряхивающие формовочные машины с допрессовкой практически потеряли свое значение и заменяются более перспективными: машинами для прессования в потоке воздуха (процесс Сейатцу) и воздушно-импульсными низкого давления.
В настоящее время почти на равных конкурируют между собой эти два процесса. Каждый из них имеет свои преимущества и недостатки, но оба обеспечивают достаточно высокое качество уплотнения форм [1].
Принято считать, что, например, при чисто импульсном уплотнении обеспечивается лучший газоотвод в сторону контрлада, чем при Сейатцу-процессе, при этом отсутствует необходимость в дополнительных механизмах допрессовки, не требуется гидропривод и имеет место меньший расход воздуха. С другой стороны, чисто импульсный процесс имеет более высокие динамические нагрузки на оснастку, а значит, и более высокие напряжения в смеси при уплотнении, что в конечном итоге затрудняет протяжку и приводит к повышению литейных уклонов.
Пескострельный процесс изготовления стержней находит все большее применение в двух вариантах: в качестве процесса предварительного уплотнения песчано-бентонитных форм с последующим прессованием при без-опочной формовке; в качестве основного процесса уплотнения при изготовлении стержней в "холодных" ящиках. В обоих случаях от пескострельной машины требуется получение равномерной плотности по объему формы (стержня). В последние годы в связи с высокими требованиями к изготовлению сложных по геометрии стержней (головка блока цилиндров) к пескострельным машинам стали предъявлять более жесткие требования по плотности стержней. Вследствие этого появился новый процесс изготовления стержней -импульсно-экструзионный, который удовлетворяет этим требованиям.
Поэтому следует ожидать дальнейшего развития нового процесса и машин для изготовления ответственных и ажурных стержней.
Необходимо отметить, что в последних конструкциях пескострельных стержневых автоматов по ХТС (фирма Лэмпе) имеет место широкая универсальность применения в одном автомате разногабаритных стержневых ящиков.
ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ КОНСТРУКЦИЙ МАШИН
719
Опыт этой же фирмы по применению высокопроизводительных стержневых автоматов с мультипескострельными независимыми головками, оснащенных роботами для манипуляции со стержнями (съема, зачистки, сборки в пакет, окрашивания), показывает, что при автоматизации стержневого производства многократно уменьшается требуемое количество основного технологического оборудования.
Существенным техническим решением в направлении повышения качества отливок является предложенный фирмой Лороменди "замковый стержень".
Приведенные примеры новых технологических и конструктивных решений в процессах изготовления стержней в равной степени имеют место и в процессах смесеприготовле-ния, и в формообразовании.
Основные направления и этапы создания надежных высококачественных формовочных и стержневых машин и автоматических линий. Основная тенденция мирового литейного машиностроения состоит в повышении качества и надежности литейных машин и средств автоматизации, снижении энергоемкости и металлоемкости оборудования.
Эта тенденция осуществляется за счет конструктивных, технологических и организационных решений, а в отдельных случаях и за счет снижения цикловой производительности АФЛ.
Качество, надежность и долговечность машин и линий должны обеспечиваться на всех этапах их создания, а именно: на этапах выбора технологии, проектирования, изготовления, испытания, обслуживания и ремонта. При этом также должны учитываться социальные условия, а именно: подбор и подготовка кадров, методы и средства организации производства, эксплуатация, управление, зарплата и др.
В основу проектирования машин и линий должны быть заложены современные технологии формообразования, подготовки формовочных материалов и смесеприготовления.
Отечественные и зарубежные фирмы при поставке автоматических линий, как правило, одновременно поставляют и вспомогательное оборудование (отбор скрапа железоотделите-лями, дробление комьев, просев, гомогенизация и охлаждение отработанной смеси), а также оборудование для подготовки формовочной смеси (турбодинамические смесители и т.д.).
На этапе эскизного проектирования вновь создаваемых машин и линий необходи
мо уделять внимание степени унификации механизмов. Устанавливается перечень типовых элементов и унифицированных узлов, который рекомендуется к обязательному применению. Большое внимание как у нас, так и за рубежом уделяется созданию элементной базы для конструирования. Элементная база - это наиболее распространенные узлы машин, хорошо сконструированные на основании опыта. Проведено широкое испытание этих узлов на надежность и долговечность. К ним относятся, например, приводные и неприводные ролики и секции рольгангов, пневмо- и гидроцилиндры, демпферы и досылатели, кантователи полуформ, подвесные редукторы, затворы, питатели, унифицированные электропанели и пульты управления и т.д. На перечисленные элементы обычно разработаны комплекты чертежей и альбом, которыми должны руководствоваться конструкторы и программисты САПР.
В настоящее время практически все заводы, выпускающие машины и линии, перешли на замену гидравлических и пневматических приводов электромеханическими с целью повышения быстродействия, надежности и точности перемещения механизмов.
Другими важными направлениями конструирования машин и формовочных линий являются следующие:
замена существующих открытых систем смазки на системы закрытой централизованной смазки;
внедрение подшипников закрытого типа (без централизованной смазки);
внедрение заправочных станций жидкой смазки с тонкой фильтрацией масла (до 5 мкм);
внедрение гибких трубопроводов высокого давления;
создание однолинейных систем жидкой и густой смазки с пневмоприводом и автодозировкой.
Значительное внимание в конструировании машин и линий следует уделять оснащению оборудования пылевлагозащитными системами на базе микропроцессорной техники.
Особую значимость в последние годы при создании машин и линий приобретает курс на применение ЭВМ для автоматизации конструирования, проектирования и управления технологическими процессами и их отдельными элементами.
Требуемый технический уровень качества машин и АФЛ на этапе изготовления обеспечивается:
720
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
оснащением завода-изготовителя высокоточным металлообрабатывающим оборудованием;
безусловным выполнением требований конструкторской документации (по материалам и комплектующим изделиям, по классу точности, по чистоте поверхности, по видам химико-термической обработки и т.д.);
внедрением стопроцентного входного контроля комплектующих изделий, материалов и аппаратуры;
достаточным метрологическим обеспечением процессов изготовления, сборки и испытаний оборудования.
Для успешного выполнения этапа государственных испытаний необходимо иметь экспериментальную базу и полигон для испытания опытных образцов машин и линий, обеспечить приемку опытных образцов с испытанием их под нагрузкой в условиях, близких к производственным.
Выполнение этапа обеспечения установленного технического уровня связано с:
разработкой научно обоснованных графиков ремонта и обслуживания оборудования;
определением номенклатуры и количества запасных деталей;
разработкой инструкций по ремонту выпускаемого оборудования;
разработкой инструкций по созданию ремонтно-обменного фонда узлов и деталей;
разработкой инструкций по системе организации службы и оплаты труда ремонтников.
Для разработки новых и совершенствования существующих методов обеспечения надежности машин и формовочных линий необходимо:
разработать систему автоматизации исследований и испытаний на надежность;
разработать методы контроля и диагностики работы узлов при испытании и эксплуатации;
создать банк данных средств надежности конструкции узлов, упрочняющих покрытий;
пересмотреть стандарты по определению показателей качества оборудования.
Безусловное выполнение требования на всех этапах создания машин и автоматических формовочных линий обеспечит их высокое качество, надежность и долговечность.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Матвеенко И.В., Исагулов А.З., Дай-кер А.А. Динамические и импульсные процессы и машины для уплотнения литейных форм. Алматы: Гылым, 1998. 345 с.
Раздел 3
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТОЧНЫХ ОТЛИВОК В РАЗОВЫХ ФОРМАХ
Глава 3.1
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОТЛИВОК ЛИТЬЕМ ПО ГАЗИФИЦИРУЕМЫМ
МОДЕЛЯМ
Технологический процесс литья по газифицируемым моделям (ЛГМ) включает изготовление из кварцевого песка неразъемной формы, при этом модель из формы не извлекается. При заполнении формы металлическим расплавом модель газифицируется (деструги-руется) и замещается расплавленным металлом. Модель изготавливается из легкого пенопласта (пенополистирола, пенопропилена, пенометилметакрилата и др.) по конфигурации детали с учетом усадки металла и припуска на механическую обработку. Технология изготовления модели зависит от серийности производства, ее сложности и массы отливки. В единичном производстве модели изготавливаются из плит пенопласта механической обработкой на деревообрабатывающем оборудовании. При этом модель разбивается на простые элементы, которые затем соединяются при помощи клея в единое целое. Модель красится противопригарной краской в 1...3 слоя и затем заформовывается. Формовка осуществляется, в зависимости от массы и габаритов, в опоках или в кессоне. Сначала модель облицовывается холоднотвердеющейся или химическитвер-деющейся смесью, а затем окончательно заформовывается наполнительной смесью. Технологический процесс формовки индентичен формовке по извлекаемой модели (отсутствуют операции разъема формы, простановки стержней и сборки формы) [1].
В серийном и массовом производствах модели изготавливаются по двухстдцийной технологии из гранулированного вспенивающегося полистирола марки ПСВ-Л (полистирол суспензионный вспенивающийся литейный). На 1-й стадии полистирол проходит тепловую обработку при температуре теплоносителя (вода, пар, воздух) 98... 105 °C, при кото
рой он увеличивается в объеме, при этом его плотность снижается в 50 и более раз. На 2-й стадии вспененные гранулы полистирола помещаются в пресс-форму и проходят вторичную тепловую обработку при температуре 100... 135 °C, в результате чего они спекаются, принимая конфигурацию рабочей полости пресс-формы. Модели сложной формы изготавливаются из отдельных, простых по конфигурации частей при помощи клея или термосварки в специальных кондукторах. Затем готовые модели собираются совместно с литниковой системой в блоки, проходят окраску противопригарной краской, сушку и поступают на формовку. Формовка осуществляется в сухом кварцевом песке (могут применятся и другие огнеупорные материалы), который уплотняется вибрацией. При заливке формы вакуумируются. Вакуумирование формы позволяет:
- повысить прочность формы;
- отказаться от пригруза формы во время ее заливки металлом;
- удалить продукты термодеструкции модели и направить их на утилизацию, что дает возможность создавать экологически чистые литейные цехи при ЛГМ.
Обобщая технико-экономические показатели работы цехов серийного и массового производства отливок ЛГМ по сравнению с литьем в песчаные формы по извлекаемым моделям, можно привести следующие данные:
- точность отливок возрастает на 2... 3 класса и соответствует ЛВМ;
- шероховатость поверхности соответствует литью в кокиль;
- масса отливки снижается на 10... 20 %;
- трудоемкость формовки уменьшается на 40.. .60 %, финишных операций на 60... 80 %;
- материалоемкость и энергоемкость снижается в 1,5...2,5 раза;
- капитальные вложения при создании производства снижаются в 2...2,5 раза.
Рекомендуется применять технологию ЛГМ в серийном и массовом производстве для получения сложных отливок из чугунов и цветных сплавов на медной и алюминиевой
722
Глава 3.1 ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОТЛИВОК ЛГМ
основе массой (по чугуну) до 100 кг при толщине стенок отливки выше 3 мм взамен литья в песчано-глинистые формы, по извлекаемым моделям, литья в кокиль, оболочку и ЛВМ.
3.1.1. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ ПОДГОТОВКИ ПЕНОПОЛИСТИРОЛА И
ИЗГОТОВЛЕНИЯ МОДЕЛЕЙ
Предварительное вспенивание полистирола. В условиях мелкосерийного производства предварительное вспенивание производится в паре над кипящей водой, в водяной ванне или в автоклаве. Простейшая установка для подвспенивания полистирола в паре состоит из бака со встроенными ТЕНами, стенки которого защищены теплоизоляционным материалом, и крышки с рамкой, которая имеет возможность перемещения над баком. В положении над баком рамка посредством рычажного механизма может опускаться в бак до определенного регулируемого упора. На рамку устанавливается сетчатый поддон для полистирола. Работа подвспенивателя производится следующим образом. В бак до определенного уровня заливается вода и доводится до кипения при открытой крышке. Затем рамка с сеткой, на которой равномерным тонким слоем насыпан полистирол, опускается в бак до упора и крышка закрывается. После определенного времени выдержки над водяной ванной крышка бака открывается, рамка с сеткой рычажным механизмом извлекается из бака и сетка со вспененным полистиролом снимается с рамки. Затем цикл подвспенивания новой порции полистирола повторяется.
Параметры ванны для подвспенивания полистирола:
размер сита в плане, мм....... 500 х 600
емкость бака, м3................ 0,08
температура воды в ванне, °C.. 100
температура пара на уровне 50 мм от воды, °C............. 97.. .98
время вспенивания, мин........ 3... 5
производительность (не менее), кг/ч 3
В условиях серийного и массового производства применяются подвспениватели периодического и непрерывного действия. Подвспениватель мод. 4221 периодического действия конструкции ОАО "НИИТАвтопром" имеет раму, на которой установлены: автоклав, дозатор и расходный бункер для пенополисти
рола. Под автоклавом расположена камера сушки, жестко соединенная с измельчителем комьев гранул пенополистирола. К опорным стойкам рамы крепится воздушно-отопительный агрегат, подающий подогретый воздух в камеру сушки, а также аппараты и трубораз-водка систем подачи воздуха, пара, вакуумирования, пневмооборудования и электрооборудования.
Техническая характеристика подвспенивателя мод. 4221:
диаметр камеры всасывания, мм 400
высота камеры, мм............. 1000
объем камеры, м3 .............. 0,28
производительность, кг/ч...... 40
температура пара, °C.......... 115
установленная мощность, кВт.... 8,6
габариты (длина х ширина х х высота), мм................. 4100х
х 1850 х
х 3450
Фирма "STIROLOGIC" (Германия) выпускает подвспениватели серии PRO-HD (табл. 3.1.1), которые получили широкое распространение у производителей моделей из пенополистирола, чему способствовали следующие их преимущества:
- подвспениватель разработан специально для литейного производства;
- камера вспенивания изготовлена из прозрачного термостойкого материала;
3.1.1. Техническая характеристика подвспенивателей фирмы "STIROLOGIC"
Параметры PRO2-HD 500 PR02-HD 1000
Диаметр камеры вспенивания, мм 400 400
Высота камеры вспенивания, мм 500 1000
Максимальное рабочее давление, МПа 0,06 0,06
Производительность при плотности пенополистирола 18...24 г/л, кг/ч 39...63 66...83
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ ПОДГОТОВКИ ПЕНОПОЛИСТИРОЛА
723
- автоматический контроль плотности пенополистирола;
- полная автоматизация процесса;
- минимальная плотность пенополистирола (19...21 г/л) при мелких гранулах;
- компактность конструкции подвспенивателя.
Фирма "BERNDORF" (Италия) занимается производством оборудования для переработки пенополистирола и изготовления из него изделий. Для первичной тепловой обработки полистирола фирма выпускает подвспениватели переодического и непрерывного действия. Подвспениватель состоит из следующих основных механизмов:
- системы подготовки пара;
- камеры вспенивания с мешалкой и механизмом выгрузки;
- ванны для сушки гранул вспененного полистирола в кипящем слое;
- механизма измельчения комьев;
- вибросита;
- релейной системы управления.
Техническая характеристика подвспенивателя мод. PED-200:
диаметр камеры вспенивания, мм.... 650
высота камеры вспенивания, мм..... 1500
объем камеры вспенивания, м3...... 0,5
максимальное рабочее давление, МПа 0,07
производительность при плотности пенополистирола 20 г/л, кг/ч...... 176
Основные особенности подвспенивателей серии РЕ фирмы "BERNDORF" следующие:
- корпус камеры всасывания из нержавеющей стали с теплоизоляцией из стекловолокна;
- большой люк для чистки камеры вспенивания;
- возможность быстрой замены лопастей мешалки;
- закрытая камера вспенивания с клапаном для автоматического сброса пара;
- шнек для подачи полистирола в подвспениватель с регулируемой скоростью;
- пневмотранспортер в кипящем слое, снабженный вентилятором и секторным разгрузчиком пенополистирола. Подвспениватель серии РЕ снабжен цифровым терморегулятором для контроля плотности пенополистирола.
Техническая характеристика подвспенивателей непрерывного действия серии РЕ фирмы "BERNDORF" приведена в табл. 3.1.2.
Широкое распространение получили также подвспениватели периодического и непрерывного действия серии VSD и V фирмы "KURTZ" (Германия). Отличительными особенностями подвспенивателей этой фирмы являются:
- возможность переработки материалов с низким содержанием пентана и сополимеров;
- равномерное распределение плотности по всему объему;
- быстрая переналадка на другие плотности, от 8 до 100 г/л, благодаря равномерному подмешиванию воздуха;
- полная очистка резервуара от остатков материала;
- простота обслуживания.
3.1.2. Техническая характеристика подвспенивателей серии РЕ
Параметры РЕ 600 РЕ 800 РЕ 1250
Диаметр камеры вспенивания, мм 635 800 1250
Высота камеры вспенивания, мм 1900 2400 3600
Объем камеры вспенивания, м3 0,6 1,2 4,4
Производительность, в зависимости от плотности 20...400 20... 850 20...2500
пенополистирола, первое вспенивание, кг/ч 25...700 25...1400 25...3000
Производительность второго вспенивания при плотности пенополистирола 9 г/л, м3/ч 25 60 150
Габариты установки, мм:
длина 5130 7000 8500
высота 3400 4250 5700
ширина 1720 1870 2950
724
Глава 3.1. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОТЛИВОК ЛГМ
К дополнительному оборудованию, которым комплектуются эти подвспениватели, относятся: сушка в кипящем слое; вибросито; шнековый питатель; вентилятор для транспортировки материала; инжекторная воздуходувка; система автоматического регулирования плотности; система контроля для полностью автоматизированного производства с программированием различных плотностей и транспортировкой в соответствующие бункеры для хранения пенополистирола.
В табл. 3.1.3 и 3.1.4 приведена производительность подвспенивателей периодического и непрерывного действия серий VSD и V соответственно в зависимости от требуемой плотности материала.
Хранение пенополистирола после предварительного вспенивания. ОАО "НИИТАвтопром" разработана конструкция бункера для пенополистирола мод. 4222, который представляет собой минимальный модуль, состоящий из двух емкостей. В зависимости от программы заказывается необходимое количество модулей. Загрузка пенополистирола и выгрузка его из мешков, после выдержки в течение определенного технологического времени, осуществляется попеременно. Для транспортировки пенополистирола от подвспенивателя до бункера разработана система пневмотранспорта мод. 4224, а для транспортирования пенополистирола от бункера до
установки для изготовления моделей - тележка-бункер мод. 4223 с полезным объемом 0,4 м3. Загрузка и выгрузка пенополистирола из тележки-бункера производятся автоматически при ее подключении к бункеру с пенополистиролом или к установке изготовления моделей.
Техническая характеристика бункера мод. 4222:
полезный объем одной емкости, м3............................ 8,5
общий объем, м3................. 17
масса пенополистирола в бункере при плотности 20... 100 г/л... 340... 1700
габариты: длина х ширина х
х высота, мм..................... 4000 х
х2200х
х 4000
Изготовление моделей. В условиях мелкосерийного производства модели изготавливаются автоклавным способом. При этом ручная пресс-форма заполняется гранулами пенополистирола с помощью специального задув-ного устройства и затем помещается в автоклав. После тепловой обработки пресс-форма вынимается из автоклава, охлаждается в водяной ванне, разбирается и модель извлекается. Далее цикл повторяется. Для изготовления моделей могут использоваться медицинские автоклавы мод. ГПД-400, ГПД-600 и другие.
3.1.3. Производительность подвспенивателей серии VSD
Плотность материала, г/л Производительность, кг/ч
VSD700 VSD1000 VSD1400 VSD3000 VSD4600 VSD6300
13 210 300 420 900 1600 2600
15 300 450 680 1400 2100 3400
20 420 580 770 1650 2600 3800
25 550 800 1100 2000 3000 4200
3.1.4. Производительность подвспенивателей серии V
Плотность материала, г/л Производительность, кг/ч
V600 V 800 V 1000 V 1300
15 180 400 1000 2000
20 350 650 1400 2300
25 600 900 1850 2600
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МОДЕЛЕЙ
725
В условиях серийного и массового производства модели изготавливаются на полуавтоматических и автоматических установках. ОАО "НИИТАвтопром" разработал автоматическую установку мод. 4220 для изготовления пенополистироловых моделей с вертикальной плоскостью разъема пресс-формы. Установка включает сварную раму с решетчатыми панелями и дверцами, подвижную и неподвижную подмодельные рамки, которые после крепления к ним половинок пресс-форм образуют соответственно подвижную и неподвижную паровые камеры со встроенными трубопроводами для подачи пара, воздуха, вакуума и воды для охлаждения пресс-формы и сброса конденсата. Подвижная подмодельная рамка перемещается по четырем направляющим, закрепленным на раме установки с помощью гидроцилиндра, который служит также для запирания пресс-формы во время формообразования модели. На раме закреплены также расходный бункер для пенополистирола и манипулятор для извлечения модели. Кроме того, в состав установки входят система подачи пара, воды, вакуумирования, а также пневмооборудование, гидрооборудование и электрооборудование. Для заполнения пресс-формы пенополистиролом используют специальные задувные устройства - инжекторы.
Техническая характеристика установки
мод. 4220:
размер базовой плиты, мм....... 1145 х 725
размер паровой камеры в свету, мм............................. 1105 x625
глубина неподвижной паровой камеры, мм.............. 260...410
производительность, съемов/ч ... до 30
сила запирания, кН............. 180
давление рабочей жидкости в гидросистеме, МПа.............. 4... 15
количество инжекторов (максимальное) ........................ 24
установленная мощность, кВт ... 16
система управления...... командо-
контролер
габариты (длина х ширина х высота), мм.......................... 4200 х
х 2250 х хЗЮО
Основные особенности установки мод. 4220:
- простота конструкции (при наличии всех необходимых устройств для получения качественных моделей);
- жесткость конструкции с четырьмя направляющими, обеспечивающая стабильность и высокую точность изготовления моделей;
- компактное расположение аппаратуры для подачи пара, сжатого воздуха и воды, обеспечивающие легкий доступ для осмотра и обслуживания;
- наличие манипулятора с вакуумными присосками для съема моделей, приспособленного для работы с различными пресс-формами.
Первый отечественный автомат для изготовления моделей из пенополистирола мод. ПМ-ЗМ конструкции СПКБ ИПЛ АН УССР кроме главного вертикального разъема снабжен дополнительными четырьмя пневматическими цилиндрами, что дает возможность иметь дополнительно два разъема в горизонтальной плоскости и два - в вертикальной плоскости. Такая конструкция автомата позволяет изготавливать сложные модели за один цикл и избежать последующей сборки модели при помощи клея. На данный момент это единственный модельный автомат с дополнительными плоскостями разъема, выпускаемый только опытным заводом ФТИМС НАН Украины.
Техническая характеристика модельного автомата мод. ПМ-ЗМ:
производительность, съемов/ч 30...40
количество плоскостей разъема пресс-формы.................. 5
количество пневматических цилиндров .......................... 5
максимальные габариты пресс-Ф°РМЫ’ММ......................... 600 X.
х 600 х х 500
давление пара, МПа........... 0,18... 0,5
рабочее давление воздуха, МПа 0,4.. .0,5
расход пара, кг/ч............ 20...30
расход воздуха, м3/ч............... 3
расход воды, м3/ч................. 1,5
установленная мощность, кВт ... 1,0
726
Глава 3 1 ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОТЛИВОК ЛГМ
габаритные размеры: длина х
х ширина х высота, мм....... 1710 х
х2100х
х 1600
масса, кг................... 1160
режим работы................. наладоч-
ный, ав-
томатический
система управления.............. микро
процессор
Фирма "STIROLOGIC” выпускает автоматические установки для изготовления пенополистироловых моделей с вертикальной плоскостью разъема оснастки серии МНР и с горйзонтальной плоскостью разъема пресс-формы серии MPV-F. Основные особенности установок этих серий:
- высокопроизводительная вакуумная система, обеспечивающая сухую поверхность моделей, остаточную влажность в пределах 4...6 %, ускоренную стабилизацию моделей, и исполняющая повторную сушку моделей;
- электронная система управления GE-FANUC;
- возможность замены пресс-формы за 15...20 мин.;
- компактный энергетический блок;
- система заполнения пресс-формы под давлением, обеспечивающая получение тонкостенных моделей (3 мм);
- точная регулировка предварительного зазора по разъему пресс-формы для эвакуации воздуха при ее заполнении пенополистиролом;
- встроенный манипулятор для безопасности извлечения моделей.
К дополнительным устройствам относятся:
- специальный инжектор для подачи пенополистирола в пресс-форму;
- полуавтоматическое устройство для замены пресс-формы за 5...7 мин.
Техническая характеристика установок МРН и MPV для изготовления моделей из пенополистирола приведена в табл. 3.1.5.
Фирма "STIROLOGIC” разработала также специальные установки для изготовления пенополистироловых моделей в условиях мелкосерийного производства с горизонтальной плоскостью разъема пресс-формы модели FOHAM. Основными особенностями этой установки являются:
- возможность изготовления высокоточных моделей и их частей сложной конфигурации;
- отсутствие потерь времени при замене пресс-формы;
- возможность изготовления одновременно нескольких моделей;
- механизированное раскрытие пресс-формы.
Техническая характеристика установки мод. FOPAM:
максимальный размер модели, мм........................... 750 х 450 х
х 200
максимальное расстояние между подвижной и неподвижной камерами, мм............ 400
минимальное расстояние между подвижной и неподвижной камерами, мм................ 150
установленная мощность, кВт 3,0
3.1.5. Техническая характеристика установок серии МРН и MPV
Параметры МРН 80/50 МРН 100/80 МРН 160/100 MPV60/40-F MPV80/60-F
Размер паровой камеры в свету, мм 800 х 500 1000 х 800 1600 х1000 600 х 400 800 х 600
Глубина подвижной и неподвижной паровых камер, мм 180 190 200 180 180
Расстояние между подвижной и неподвижной паровыми камерами, мм 650 800 800 650 650
Установленная мощность, кВт 8,0 8,0 14,5 8,0 10,0
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МОДЕЛЕЙ
727
Фирмой "BERNDORF" (Италия) разработан ряд установок для изготовления моделей с вертикальной линией разъема пресс-формы с использованием модульного принципа.
Базовая установка укомплектована:
- загрузчиком пенополистирола для быстрого заполнения пресс-формы под давлением сжатого воздуха;
- автоматической системой подачи материала из бункера;
- вакуумным насосом;
- гидравлической системой закрытия и открытия пресс-формы;
- электронным щитом управления с программируемым комацдоконтролером и запоминанием восьми различных режимов обработки пенополистирола паром.
К дополнительным устройствам, обеспечивающим более высокую степень автоматизации, относятся:
- съемщик моделей с автоматическим приводом;
- электрическая или ручная таль для обеспечения операции смены пресс-формы.
Кроме того, установки для изготовления моделей могут быть оснащены компьютером, дающим возможность:
- контролировать все функции установки параметров технологического цикла: величину давления, время, положение подвижной камеры и т.д.;
- запоминать параметры, относящиеся к различным пресс-формам при двадцати режимах;
- программировать технологические параметры технологического процесса с помощью клавиатуры и дисплея на пульте управления;
- осуществлять связь с центром посредством печатающего устройства или компьютера.
Технические характеристики автоматических установок фирмы "BERNDORF" для изготовления моделей из пенополистирола серии АССА 0-90 и АССА 150 приведены в табл. 3.1.6 и 3.1.7 соответственно.
3.1.6. Техническая характеристика установок серии АССА 0-90
Основные параметры АССА0-90/0 АССА0-90/2 АССА0-90/5
Размеры базовой плиты, мм 925 х 725 1145 х 725 1360x 725
Размер паровой камеры в свету, мм 885 х 685 1105 х685 1320x685
Глубина базовой камеры, мм 210...450
Сила запирания пресс-фрмы, кН 180
Давление рабочей жидкости в гидросистеме, МПа 15
Максимальное количество инжекторов 12 24
Установленная мощность, кВт 10
Габариты (длина х ширина х высота), мм 4300x2100x3000 4300 x 2300 x 3000
Высота с талью, мм 370
3.1.7. Техническая характеристика установок серии АССА 150
Основные параметры АССА 150-0 АССА 150-2 АССА 150-5
Размер базовой плиты, мм 1450 х 925 1450х 1145 1450х 1360
Размер паровой камеры в свету, мм 1410x885 1410 х 1105 1105 х 1320
Глубина базовой камеры, мм 165...550
Сила запирания пресс-формы, кН 300
Давление рабочей жидкости, МПа 15
Максимальное количество инжекторов 24
Установленная мощность, кВт 15
728
Глава 3.1. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОТЛИВОК ЛГМ
Основными особенностями автоматических установок для изготовления пенополистироловых моделей с вертикальной линией разъема пресс-формы мод. К68 фирмы "KURTZ" являются следующие:
- простота обслуживания благодаря микропроцессорной системе управления;
- широкий выбор вариантов программ;
- возможность настройки движения паровой камеры на всех этапах с пульта управления;
- точная остановка подвижной паровой камеры, допуск на зазор не более 0,1 мм;
- короткий цикл работы за счет применения клапанов и трубопроводов большого сечения и экономичной вакуумной системы охлаждения конденсата;
- центральное распределение рабочих сред: воздуха, пара и вакуума;
- электронный контроль за рабочими средами;
- экономия электроэнергии за счет точного дозирования охлаждающей воды;
- большой ход открытия паровой камеры для объемных моделей;
- специальная куртц-система быстрой смены пресс-форм при помощи механических или гидравлических зажимов;
- возможность встраивания систем автоматизированного съема моделей и их укладка.
К дополнительным устройствам относятся:
- манипулятор для съема моделей и их укладки в тару;
- запоминающее устройство с дискетами.
В табл. 3.1.8 приведены технические характеристики установок для изготовления моделей с вертикальной плоскостью разъема пресс-формы.
Фирмой "SAPLEST" была разработана технология изготовления модели из пенополистирола блока цилиндров автомобиля фирмы "PEUGEOT", для чего были изготовлены специальная автоматическая установка и сложная пресс-форма, имеющая шесть плоскостей разъема. Это позволило за один цикл изготавливать основную часть модели блока цилиндров. Производительность автоматической установки -12... 16 съемов/ч. В табл. 3.1.9 приведена техническая характеристика установок серии "М" фирмы "SAPLEST" (Франция).
Фирмой "FATA" по лицензии фирмы "SAPLEST", был разработан рад установок для изготовления газифицируемых моделей серии SF/M. В табл. 3.1.10 приведена техническая характеристика установок этой серии. Основными особенностями установок серии SF/M являются:
- перемещение подвижных частей на шариковых направляющих;
- хранение подвспененного пенополистирола в бункерах на установке;
- возможность размещения инжекторов с обеих сторон пресс-формы;
- автоматический съем моделей манипулятором и их установка на ленточный транспортер;
- быстрая замена пресс-форм сверху с применением ручных зажимов или гидравлики;
3.1.8. Техническая характеристика установок серии "К" фирмы KURTZ
Параметры К68 K10LF К813 К1014 К1214
Размер паровой камеры в свету, мм 800x600 1000 x 700 1300 x 800 1400x1000 1400x1200
Максимальное расстояние между подвижной и неподвижной камерами, мм 1270 1270 1320 1520 1520
Сила запирания, кН 95 150 240 240 490
Давление рабочей жидкости в гидросистеме, МПа низкое - 4,5; высокое - 25
Число инжекторов 6...30
Установленная мощность, кВт 7 8,5 10 14 16
Габариты: длина х ширина х х высота, мм 3470 х х 2180 х х 3485 4366 х х 2835 х х 2765 3655 х х 3300 х х 4275 4310 х х 3685 х х 4360 4470 х х 3685 х х4560
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МОДЕЛЕЙ
729
3.1.9. Техническая характеристика установок серии "М"
Основные параметры МЗЗ М86 М108
Размер паровой камеры в свету, мм 300 х 300 800 х 600 1080 х 800
Минимальный ход подвижной паровой камеры, мм 150 180 180
Максимальный ход паровой камеры, мм 650 900 900
Ход паровой камеры, транспортирующей модель на позицию съема, мм 700 1150 1400
Установленная мощность, кВт 6 8,5 8,5
Габариты (длина х ширина х х высота), мм 3400 х 2300 х 2500 4300 х 3250 х 3400 4300 х 3800 х 3600
3.1.10. Техническая характеристика установок серии SF/M
Основные параметры SF/V 33 SF/M86 SF/M 108
Минимальный ход подвижной паровой камеры, мм 150 180 240
Максимальный ход камеры, мм 650 900 900
Размер паровой камеры, мм 390 х 390 850 х 580 1080 х 800
Ход паровой камеры на позицию съема, мм 700 1400 1700
Установленная мощность, мм 6 18 18
Габариты (длина х ширина х х высота), мм 2300 х 3400 х 2500 4492 х 3670 х 2900 4650x4213 x 2900
- прозрачная кабина с дверцами, полностью закрывающая установку в целях безопасности.
Сборка моделей и модельных блоков. В условиях мелкосерийного производства сборка пенополистироловых моделей из отдельных частей и моделей в блоки производится вручную с применением кондуктора и клея. В условиях серийного и массового производства применяются полуавтоматические установки для склейки и сварки моделей из отдельных частей и моделей в блоки. ОАО "НИИТАвтопром" разработал полуавтоматическую установку мод. 4191 для склеивания пенополистироловых моделей из двух или более частей с горизонтальной плоскостью разъема кондукторов конструкции. Установка представляет собой жесткую рамную
конструкцию, на основании которой смонтированы: механизм подъема нижнего кондуктора с пневмоцилиндра; ванна с клеем-расплавом, в днище которой смонтированы ТЕНы; механизм перемещения копира для нанесения клея на модель; механизм перемещения верхнего кондуктора в положение над ванной и обратно с приводом от пневмоцилиндра; система автоматической смазки трущихся пар; пневмо- и электрооборудование. Установка закрыта со всех сторон ограждением, включающим решетчатые панели и дверцы для доступа к агрегатам установки при обслуживании. Исключение составляет подвижная передняя дверца, которой оператор пользуется каждый раз в цикле для установки частей модели и съема готовой продукции.
730
Глава 3 1. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОТЛИВОК ЛГМ
Техническая характеристика полуавтоматической установки мод. 4191:
размеры верхнего и нижнего кондукторов, мм:
максимальные длина................. 950
ширина............. 500
высота............. 180
производительность, съемов/ч 100 привод..................... пневма-
тический
нагрев ванны с клеем....... электри-
ческий
система управления......... програм-
мируемый командо-
контролер установленная мощность, кВт 40 габариты (длина х ширина х
х высота), мм.............. 4500 х
х 4100 х
х 2600
В табл. 3.1.11 представлены некоторые параметры полуавтоматических установок для склеивания пенополистироловых моделей с горизонтальной плоскостью разъема оснастки серии IFT фирмы "FATA ALUMINIUM”, особенностями которых являются:
- перемещение подвижных частей на шариковых направляющих;
- разогрев клея и поддержание соответствующей температуры с помощью нагретой жидкости, циркулирующей между двойными стенками ванны для клея;
- универсальная система для установки и крепления кондукторов;
- быстрая замена кондукторов сверху с применением ручных захватов.
Установки серии IFT поставляются с пневматическим (модель Р) или с гидравлическим (модель I) приводами. Установка модели Р
имеет производительность 57 съемов/ч при мощности 16 кВт, а установки модели I имеют производительность 72 съемов/ч при мощности 30 кВт (максимальное давление рабочей жидкости 3,5 МПа).
ОАО "НИИТАвтопром" разработал полуавтоматическую установку мод. 4193 для сварки двух половинок пустотелого пенополистиролового стояка конструкции. Установка состоит из сварной станины, на которой смонтированы: механизм перемещения нижнего кондуктора с приводом от пневмоцилиндра; механизм поворота верхнего кондуктора с ручным приводом; электронагреватель для термопластины; механизм перемещения термопластины с приводом от пневмоциливдра; пневмо- и электрооборудование. Электронагреватель включает алюминиевую нагревательную плиту со встроенными ТЕНами и теплоизолирующий кожух, в котором предусмотрена щель для введения термопластины. Установка закрыта со всех сторон ограждением, состоящим из панелей с дверцами. Открытыми остаются зоны установки половинок стояка в верхний и нижний кондукторы, и система подготовки воздуха.
Техническая характеристика установки мод. 4193:
максимальная высота стояка, мм................................ 950
производительность, съемов/ч 100
привод......................... пневмати-
ческий
нагрев термопластины........ электриче-
ский
система управления.......... програм-
мируемый командо-
контролер установленная мощность, кВт 11 габариты (длина х ширина х х высота), мм................... 4150 х
х 1600х х2100
3.1.11. Размеры установок для сборки моделей из отдельных частей серии IFT
Параметры 2L/P 2L/I 2LS/P 2LS/I 3L/P 3171 3LS/P 3LS/I
Длина, мм 2550 2800
Ширина, мм 2185 2635
Высота, мм 3535 3985
Расстояние между плоскостями кондуктора, мм 550 750 550 750
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МОДЕЛЕЙ
731
ОАО "НИИТАвтопром" разработал также полуавтоматическую установку мод. 4192 для сборки моделей в блоки путем приваривания к стояку из пенополистирола по двум взаимно перпендикулярным осям четырех моделей в ярусе. Число ярусов зависит от размера модели. Установка включает жесткую рамную конструкцию, в которой смонтированы: механизм перемещения в горизонтальной плоскости двух кондукторов с моделями, перемещение которых происходит' от пневмоцилиндров; механизм перемещения в вертикальной плоскости кондуктора с моделью стояка с приводом от пневмоцилиндра; электронагреватель для двух термопластин; механизм перемещения в вертикальной плоскости термопластин с приводом от пневмоцилиндра; пневмо- и электрооборудование.
Техническая характеристика установки мод. 4192:
максимальная высота модели, мм........................ 800
максимальная высота стояка, мм........................ 950
производительность, съемов/ч 60
привод.................... пневмати-
ческий
нагрев термопластины...... электриче-
ский
система управления........ программи-
руемый
командо-контролер
установленная мощность, кВт 9 габариты (длина х ширина х х высота), мм.................. 3650 х
х 3700 х х 3450
Особенностями установки мод. 4192 являются:
- возможность сваривать модельные блоки со стояками значительной высоты за счет специальной конструкции механизма перемещения термопластины;
- жесткость конструкции, обеспечивающая стабильность и высокую точность сваривания моделей со стояком, что особенно важно при протяженных стояках.
Фирмой FATA разработаны полуавтоматические установки для сборки модельных блоков двумя способами: термосваркой и склеиванием. Установки имеют габаритные размеры: при сборке термосваркой - длина 2000 мм, ширина 1100 мм и высота 2500 мм; при сборке склеиванием - длина 2720 мм, ширина 2910 мм и высота 2330 мм.
Оборудование для окраски моделей и модельных блоков. Для серийного и массового производства ОАО "НИИТАвтопром" разработана полуавтоматическая установка для окраски модельных блоков мод. 4205. Установка включает в себя раму, на которой смонтированы: бак окраски, предназначенный для текущего расхода краски; бак хранения краски, предназначенный для поддержания находящейся в нем краски в рабочем состоянии и восполнения потерь краски в баке окраски; подъемник, предназначенный для закрепления модельного блока, его равномерного окунания в краску и извлечения из бака; пневмо- и электрооборудование.
Баки имеют одинаковую конструкцию, снабжены крышками с приводами от пневмо-цилиндров, мешалками для краски с электроприводами и насосами для перекачки краски.
Техническая характеристика установки мод. 4205:
максимальные размеры модельного блока: диаметр описанной
окружности х высота, мм..... 700 х 950
производительность, блоков/ч 60
привод.......................... пневма-
тический
система управления............. релейная
установленная мощность, кВт 10 габариты (длина х ширина х х высота), мм................... 2900 х
х 3300 х
х 3200
Следует отметить наличие в установке мод.4205 специального устройства, позволяющего погружать в краску без деформации ажурные модельные блоки.
Фирмой "FIAT ALUMINIUM" для окраски модельных блоков разработаны установки, аналогичные описанной выше, но только с одним баком. Габаритные размеры установки без электрошкафа: длина 1550 мм, ширина 1250 мм, высота 2500 мм.
732
Глава 3.1. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОТЛИВОК ЛГМ
3.1.2. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ФОРМ, ЗАЛИВКИ, ОХЛАЖДЕНИЯ И ВЫБИВКИ ОТЛИВОК
Для изготовления литейных форм из сухого кварцевого песка применяются вибрационные столы различной конструкции. Простейший вибростол включает плиту с двумя электрическими вибраторами вращающего действия, установленную с помощью пружин на основание. На плите предусмотрены ограничители для установки опоки и подкладки из твердой резины для уменьшения шума при работе стола. На механизированных линиях обычно вместо ограничителей используются центрирующие штыри и, во избежание отрыва опоки от опорной поверхности плиты, применяют устройства для закрепления опоки во время вибрации, чаще всего гидрозажимы.
ОАО "НИИТАвтопром" разработал автоматическую линию мод. 7171 для изготовления отливок из алюминиевых сплавов в серийном и массовом производстве. Линия включает два непрерывных рольганга (I и II), из которых один предназначен для формовки и заливки, а другой - для охлаждения отливок в форме и выбивки опок. Перемещение опок по рольгангам осуществляется посредством гидравлических толкателей, а с рольганга на рольганг -тележками с электроприводрм в автоматическом режиме. Кроме того, линия включает находящиеся в зоне I следующие агрегаты:
- магазин модельных блоков, представляющий собой поворотное устройство с восемью захватами для модельных блоков;
- простановщик модельных блоков для перемещения модельного блока из магазина в опоку и удерживания его в опоке при формовке до определенного момента в соответствии с заданной программой;
- расходный бункер для песка и расположенный под ним дозатор с приводом для перемещения его на позицию формовки;
- вибростол с двумя электровибраторами и цилиндром подъема для снятия опоки с рольганга;
- простановщик заливочных чаш, представляющий собой поворотный механизм, аналогичный магазину модельных блоков, но снабженный захватами для заливочных чаш.
В зоне II установлены следующие агрегаты: - опрокидыватель опоки с гидроприводом и автономо действующий относительно
его рукой для удержания куста отливок при высыпании песка из опоки;
- выбивная виброрешетка.
Кроме того, в состав линии входят: комплект опок; система автоматической смазки; пневмо-, гидро- и электрооборудование. По индивидуальному заказу могут быть поставлены ковшевой дозатор и раздаточная печь, разработанные совместно с "БелНИИЛит" (г. Минск).
Техническая характеристика линии мод. 7171:
внутренний параметр опоки, мм.......................... 1000
высота опоки, мм............ 1000
число опок, шт.............. 19
максимальная металлоемкость формы, кг................... 100
производительность, форм/ч 60 привод........................ гидроавличе-
ский, пнев-мотический, электрический
режим работы................ наладочный,
автоматический
система управления.......... программи-
руемый ко-мандокон-
тролер установленная мощность, кВт 85 количество операторов, чел. 2 габариты (длина х ширина х х высота), мм............... 20 150 х
х 15 550х х 8150
масса, кг..................... 77 000
К особенностям данной линии можно отнести следующие:
- отсутствие нагрузок на фундамен! от сил, действующих в горизонтальной плоскости из-за жесткого соединения рольгангов и рельсовых путей электротележек в единую конструкцию;
- надежная и точная фиксация опок на позициях формовки, заливки и выбивки благодаря наличию специальных доводочных устройств;
- компьютерное управление, позволяющее выполнять все операции по заданной программе;
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ФОРМ, ЗАЛИВКИ, ОХЛАЖДЕНИЯ ОТЛИВОК 733
- возможность установки индивидуального шаблона или другого распределительного устройства при засыпке опоки песком при переходе от одного модельного блока к другому, отличному по своей конфигурации и сложности;
- высокий уровень унификации узлов и агрегатов;
- простота обслуживания и ремонта.
ОАО "НИИТАвтопром" для изготовления отливок из черных сплавов в серийном и массовом производстве разработал автоматическую линию мод. 7197 на базе линии мод. 7171, которая отличается от нее большей протяженностью участка охлаждения отливок и наличием системы вакуумирования форм. Система вакуумирования включает вакуум-насос, ресивер-пылеуловитель, вакуум-разводку, устройство для наложения пленки на форму перед заливкой и снятия остатков пленки после заливки. Опока имеет двойные стенки, образующие вакуумную полость, причем внутренние стенки оснащены окнами, закрытыми вставками из нескольких сеток (опорной, фильтровальной и предохранительной). Опока снабжена патрубком, с помощью которого вакуумная полость опоки при перемещении в зону заливки автоматически присоединяется к вакуум-разводке. Формы могут заливаться вручную или с помощью автоматических заливочных устройств, например посредством магнитодинамического дозатора.
Техническая характеристика автоматической линии мод. 7197:
внутренний диаметр опоки,
мм...................... 800
высота опоки, мм........ 1000
число опок, шт.......... 23
максимальная металлоемкость формы, кг........... 200
производительность, форм/ч..................... 35
привод.................. гидравличе-
ский, пневматический, электрический
режим работы............ автоматиче-
ский, нала-
дочный система управления...... программи-
руемый ко-мандоконтро-лер
установленная мощность, кВт....................... 194
количество операторов, чел. 2
габариты (длина х ширина х высота), мм............... 27 200 х
х 16 200 х х8150
масса, кг............... 96 000
Несомненный интерес представляет автоматическая линия для формовки, заливки и выбивки опок типа "POLYTEC" фирмы "FM INDUSTRIE" для изготовления отливок из алюминиевых сплавов (табл. 3.1.12). Формовка на линии осуществляется в жестких опоках квадратного сечения с использованием решений, заложенных в конструкции вибростола этой же фирмы. Во время заливки опока вакуумируется.
3.1.12. Техническая характеристика автоматических линий типа "POLYTEC"
Основные параметры AL66 AL88 AL110 AL120
Размер опоки в свету, мм 600 х 600 800 х 800 1000 х1000 1200 х 1200
Высота опоки, мм 850 900 1100 1200
Масса опоки с песком, кг 460 860 1650 2600
Число опок, шт. 10 14 16 20
Производительность, форм/ч 10 20 30 50
734
Глава 3.1. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОТЛИВОК ЛГМ
Особенностями линий данного типа являются:
- применение для формовки высокочастотной вибрации с малой амплитудой и с ее направлением сверху вниз по одной оси, что позволяет заполнить песком внутренние полости модели и предохранить ее от разрушения; установка вибраторов под углом к горизонтальной плоскости опоки позволяет поднимать песок вверх на 30...50 мм при времени вибрации 25... 30 с;
- использование специальной добавки в песок для понижения коэффициента трения с 1,43 до 0,38 способствует уменьшению мощности вибраторов, времени вибрации и получению необходимой плотности формы без деформации модели, при этом одновременно ослабляется зависимость текучести песка от накопления в нем продуктов термодеструкции модели;
- использование подвижного дна опоки для ее освобождения от песка при выбивке формы.
Автоматические линии мод. TRUFOAM фирмы "VULCAN INGINEERING" для изготовления отливок из черных и цветных сплавов в серийном и массовом производстве состоит из горизонтально-замкнутого тележечного конвейера, бункера с дозатором песка, вибростола, опрокидывателя опок и вибролот-ка. Кроме этого, в состав линии входит оборудование для регенерации и транспортировки песка. Тележечный конвейер перемещается гидроприводом, что позволяет осуществлять точное позицирование платформ конвейера. Сварные жесткой конструкции опоки с помощью специальных трехточечных опор в нижней части опоки точно устанавливаются на тележках конвейера. Управление линией осуществляется программируемым командокон-тролером, обеспечивающим выполнение заданного технологического процесса.
Фирмой "OSBORN" разработана и успешно работает в литейном цехе фирмы "PEUGEOT" (Франция) автоматическая линия формовки, заливки и выбивки форм для изготовления сложных отливок из серого чугуна. На линии применяются опоки размером в свету 900 х 750 мм и высотой 800 мм. В опоке одновременно могут формоваться два четырехцилиндровых блока автомобильного двигателя, шестнадцать выпускных коллекторов или шестнадцать тормозных вентилируемых дисков. Формовка производится в несколько ста
дий. На первой позиции, где манипулятором устанавливается модельный блок, производится засыпка песка на 1/3 высоты опоки, и путем продувки через днище сжатым воздухом в ней создается кипящий слой, в который опускается модельный блок на 1/3 своей высоты. Затем опоки перемещаются в зону двух вибростолов, где они окончательно заполняются песком и уплотняются вибрацией. Каждый стол оснащен четырьмя мощными вибраторами, причем два вибратора обеспечивают вибрацию в горизонтальной плоскости, два других - в вертикальной плоскости. Линия оснащена приводными рольгангами, устройством для установки на форму груза и его снятия, системой выбивки опок, вакуумсистемой для вакуумирования форм в процессе заливки, позицией дожигания газообразных продуктов термодеструкции модели перед выбивкой, пневматическим дозатором заливки формы металлом из-под стопора и автоматической системой постоянного контроля температуры металла на заливочном желобе. Производительность автоматической линии составляет в зависимости от номенклатуры отливок 60... 80 форм/ч.
Фирмой "FATA ALUMINIUM" разработаны и внедрены в производство различные виды оборудования для формовки, заливки и выбивки форм от опытно-промышленных установок производительностью несколько форм в час до полностью автоматических линий производительностью 60... 120 форм/ч с компьютеризированным управлением для производства отливок из черных и цветных сплавов.
3.1.3. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ РЕГЕНЕРАЦИИ ОТРАБОТАННЫХ ФОРМОВОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ И КАТАЛИТИЧЕСКОГО ДОЖИГАНИЯ ПРОДУКТОВ ТЕРМИЧЕСКОЙ ДЕСТРУКЦИИ МОДЕЛИ
В процессе циклического применения кварцевый песок в качестве материала формы при производстве отливок по газифицируемым моделям изменяет свои технологические и физико-механические свойства. Под действием высокой температуры заливаемого металла в форму песок растрескивается, измельчается, засоряется мелкодисперсными продуктами противопригарных покрытий. Кроме того, в нем накапливаются продукты термической деструкции пенополистирола в виде сажистого
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ РЕГЕНЕРАЦИИ ОТРАБОТАННЫХ ФОРМОВОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ 735
углерода и конденсата углеводородов, включая стирол, толуол и бензол. Все это приводит к снижению газопроницаемости формы из песка, ухудшению его текучести, уплотняемости, и увеличению газотворности. Поэтому песок перед повторным применением должен проходить магнитную сепарацию, обеспыливание и термическую регенерацию. Для обезвреживания газообразных продуктов термодеструкции пенополистирола, которые выделяются при заливке формы металлом и в процессе охлаждения отливки в форме, применяются установки каталитического дожигания газов совместно с системой вакуумирования форм.
Челябинским конструкторско-технологическим институтом автоматизации и механизации в автомобилестроении (КТИАМ) разработан ряд линий термической регенерации отработанных песчано-глинистых и холоднотвердеющих смесей производительностью 0,4; 1,0; 2,5 и 10 т/ч, которые могут быть использованы для регенерации кварцевого песка в процессе его применения в качестве материала литейной формы при ЛГМ. Техническая характеристика линий термической регенерации отработанного песка типа РТ представлена
в табл. 3.1.13. Линии термической регенерации отработанного песка можно одновременно использовать и для дожигания газообразных продуктов термодеструкции модели. При заливке формы с газифицируемой моделью форма вакуумируется, и отсасываемые из формы газообразные продукты термодеструкции модели направляются в камеру аппарата регенерации, где они практически полностью сгорают.
Институтом Газа НАН Украины (г. Киев) разработаны установки регенерации отработанного песка специально для ЛГМ на принципе кипящего слоя с использованием горелок струйно-стабилизационного типа, которые обеспечивают устойчивую работу в широком диапазоне изменения расхода газа и воздуха. Опытным заводом института выпускаются установки серии РКС производительностью 0,2; 1,0; 2,5; 4,0; 10 т/ч, работающие на газе, и установка РКС-О,2Э с электронагревом, которые используются для регенерации песка на участках ЛГМ небольшой мощности. Установки РКС компактны, занимают небольшие площади и удобны в эксплуатации. Этим же институтом разработана серия установок каталитического дожигания газа при ЛГМ серии ТКР
3.1.13. Техническая характеристика линий термической регенерации серии РТ
Параметры РТ-04 РТ-1,0 РТ-2,5 РТ-5,0 РТ-10
Оптимальная производительность, т/ч 0,4 1,0 2,5 5,0 10
Расход природного газа, м3/ч 12 24 60 120 215
Давление природного газа, МПа 4 6 4...8 4...8 8...10
Расход воды, м3/ч 4 7 20 30 45
Давление воды, МПа 0,2
Температура воды, °C: на входе/на выходе 20/50
Количество дымовых газов после очистки, м3/ч 3400 5700 15000 20000 35000
Установленная мощность, кВт 40 40 73 120 175
Температура газа в камере аппарата регенерации, °C 800 *650...750
736
Глава 3.2. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ЛИТЬЯ ПО ВЫПЛАВЛЯЕМЫМ МОДЕЛЯМ
3.1.14. Техническая характеристика установок регенерации песка серии HOT-REC
Параметры 1/А 2/А 6/А
Номинальная производительность, т/ч 1 2 6
Потери при прокаливании, % 0,1
Расход газа, ккал/т 220 000
Расход электроэнергии, кВт 11 14 16
Расход воздуха, м3/ч 4 5 6
Габариты (длина х ширина х длина), мм 5000 х 10 800 х 10 000 5800 х 12 500x 11 500
производительностью от 5 до 40 000 ьР/ч. В качестве катализатора используется алюмохро-мовый измельченный наполнитель, который при температуре 350...400 °C активизирует реакции окисления продуктов термодеструкции пенополистирола. Конечными продуктами каталитического дожигания газов являются пары воды и углекислота, степень очистки газов составляет 98 %. Установки серии ТКР следует использовать при вакуумировании форм во время их заливки металлом и последующего охлаждения формы. Фирмой "FATA ALUMINIUM" разработаны установки регенерации песка серии НОТ-REC, техническая характеристика которых представлена в табл. 3.1.14.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Литье по газифицируемым моделям / Ю.А. Степанов и др. М.: Машиностроение, 1976.
2. Литье по моделям из пенополистирола / В.А. Озеров, В.С. Шуляк, Г.А. Плотников. М.: Машиностроение, 1970.
3. Состояние и перспективы литья по газифицируемым моделям / В.С. Шуляк. Материалы IV съезда литейщиков России. Октябрь, 1999.
Глава 3.2
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ЛИТЬЯ ПО ВЫПЛАВЛЯЕМЫМ МОДЕЛЯМ
Оборудование для изготовления моделей. Это оборудование реализует технологические операции: приготовление модельного состава; очистку и смазку пресс-форм; запол
нение пресс-форм модельным составом; выдержка модели до затвердевания; разборку пресс-формы и извлечение моделей; охлаждение моделей.
Конструктивно оборудование различается по способу заполнения пресс-форм и приготовления модельного состава: запрессовка в пастообразном состоянии; свободной заливкой расплава или под давлением; запрессовка пластифицированного вспенивающегося полистирола; вдувание гранул вспенивающегося полистирола при последующем прогреве паром.
Линия для изготовления моделей из пастообразных составов, состоящая из автомата для приготовления модельной пасты и автомата для изготовления моделей мод. 61201 (рис. 3.2.1), применяется в цехах массового производства. В баке 13 расплавляется исходный модельный состав или его компоненты, возврат. Радиатор бака подогревается горячей водой от насоснонагревательной станции 14. Расплав стекает в сборник 12, где усредняется по составу и снижает температуру и далее перекачивается насосом в отстойник И, где твердые частицы сора оседают. Сборник и отстойник обогреваются насосно-нагревательной станцией 15. Из отстойника модельный расплав по обогреваемой трубе, через дозировочный кран 10 вытекает в воронку 9 шестеренчатого смесителя 8, где перетирается, смешивается с воздухом и охлаждается до рабочей температуры. Пастообразный модельный состав из смесителя выдавливается по обогреваемой трубе 7 в бак 6, оттуда пневматическим насосом 5 качается к шприцу 4, из которого заполняются пресс-формы. Заданная температура в смесителе, баке и трубопроводе модельной пасты поддерживается насосно-нагревательной станцией 16. На автомате 3 для изготовления модельных звеньев
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ЛИТЬЯ ПО ВЫПЛАВЛЯЕМЫМ МОДЕЛЯМ
737
Воздух от сети
Рис. 3.2.1. Схема автоматической линии конструкции НПО "НИИТавтопром" для изготовления моделей из пастообразного состава
Рис. 3.2.2. Шестеренчатый смеситель завода "Прожектор"
установлено десять пресс-форм 2 с вертикальным разъемом, каждая позиция оснащена пневматическим цилиндром. При открывании пресс-формы модели выталкиваются из рабочей полости в ванну 1 с водой.
Шестеренчатый смеситель (рис. 3.2.2) содержит десять пар шестерен /, смонтированных на валах 2 и 3. Каждая пара шестерен
отделена от соседних стальной перегородкой 4 с отверстием б, расположенным поочередно внизу и вверху (см. сечение А - А). В парах одна из шестерен свободно установлена на вал, а вторая - на шпонку, в соседней паре - наоборот. Валы вращаются от общего привода 5 в одном направлении, при этом на одном валу четные, а на другом нечетные вращаются
24-819
738
Глава 3.2. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ЛИТЬЯ ПО ВЫПЛАВЛЯЕМЫМ МОДЕЛЯМ
Рис. 3.2.3. Схема автомата для изготовления моделей конструкции НПО "НИИТавтопром":
1 - поворотный стол; 2 - пневмоцилиндр; 3,4- неподвижная и подвижная части пресс-формы; 5 - водяной конвейер; 6 - пневмоцилиндр прочистки запрессовочного отверстия; 7 - магистраль оборотной охлажденной воды; 8 - пресс-форма закрытая; 9 - шприц; 10 - механизм обдува и смазки пресс-форм
вместе с валом, приводя в движение свободно насаженные парные шестерни, в результате чего смежные пары вращаются в разные стороны. Ширина шестерен постепенно уменьшается в направлении движения модельного состава, чем обеспечивается напор. По мере продвижения модельный состав эффективно перемешивается с воздухом, приобретая однородность и интенсивно охлаждаясь. Конструкция смесителя обеспечивает высокое качество модельной пасты и большую производительность.
Автомат мод. 61201 (рис. 3.2.3) имеет наибольшую производительность 400 запрессовок в час; размеры поверхностей для крепления пресс-форм 250 х 250 мм; ход подвижной плиты не менее 160 мм; максимальная порция модельной пасты на запрессовку - не более 0,5 л; габаритные размеры автомата 4100 х 3150 х 1400 мм; масса 4880 кг [1].
В машине для изготовления особо сложных и точных тонкостенных моделей (рис. 3.2.4) пресс-форма 4 устанавливается на стол 3. При подъеме стола пресс-форма поднимается к верхней плите 5, литниковый ход в пресс-форме должен совместиться с отверстием в верхней плите для подвода модельного состава. Снизу цилиндрами 8 надвигается кожух 2 и
прижимается к резиновой прокладке на плите 5 для обеспечения герметичности. Из кожуха 2 через трубку 1 откачивается воздух, а после создания необходимого разрежения, через запрессовочное устройство 7 со скользящим клапаном 6 запрессовывается модельный состав в полость пресс-формы [1].
Оборудование для приготовления суспензии. Установка (рис. 3.2.5) имеет поворотный водоохлаждаемый бак /, в который через воронку 2 загружаются жидкие и твердые компоненты суспензии. Пневмоцилиндр 3, управляемый краном 4, поднимает крышку, на которой смонтирован привод 7 мешалки 8. Бак поворачивается пневмоцилиндром 6, охлаждающая вода подается по трубам 5 [3].
На агрегате мод. 662А (рис. 3.2.6) из расходных баков растворителя /, этилсиликата 4 и подкисленной воды б, в дозаторах которых поддерживается постоянный уровень с помощью насосов 7 и переливных патрубков 3, жидкие составляющие суспензии через клапаны 2 по трубопроводам 5 поступают самотеком к ротаметрам 9. Расход жидкостей задается игольчатыми кранами 8, и они поступают в смеситель 12. Одновременно из бункера 16 через лоток 15 на ленту конвейера 14 подается твердый наполнитель суспензии. Расход
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ЛИТЬЯ ПО ВЫПЛАВЛЯЕМЫМ МОДЕЛЯМ
739
Рис. 3.2.4. Схема машины для изготовления моделей с применением вакуума и давления
Рис. 3.2.5. Установка для приготовления суспензии мод. 63431
24*
740
Глава 3.2. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ЛИТЬЯ ПО ВЫПЛАВЛЯЕМЫМ МОДЕЛЯМ
Рис. 3.2.6. Схема агрегата приготовления суспензии конструкции НПО "НИИТавтопром" регулируется гайкой 17, перемещающей заслонку 18. Составляющие суспензии смешиваются крыльчатками И. Готовая суспензия вытекает через патрубок 10.
Оборудование для формирования оболочек. Автоматическая линия мод. 6Б60 (рис. 3.2.7) выполняет операции формирования керамической оболочки на блоках моделей и выплавление моделей. Автоматы изготовления оболочки 2, камера сушки 1 и ванна выплавления моделей 3 объединены в линию с конвейером 4, который кроме транспортной функции, благодаря конструкции подвески, выполняет и рабочие операции: подъем, опускание и вращение подвесок с блоками. Модельные блоки поступают в автомат № 1, где формируется первый слой оболочки, и по конвейеру направляются в камеру сушки. Пройдя первую ветвь конвейера, высохшие блоки поступают для нанесения второго слоя в автомат № 2, затем снова в камеру сушки, и так далее до
получения пятислойной оболочки. После прохождения каждого из автоматов нанесения оболочки (№1...№5) автоматически очищается торец литниковой воронки. В основной агрегат линии - автомат изготовления оболочки (рис. 3.2.8) модельные блоки 1 поступают по конвейеру 3. Подвеска конвейера 4, на которой укреплен блок, обкатывая копир 5, поднимается, переходит через край ванны 8 и, двигаясь далее вдоль опускающегося копира, погружает вращающийся блок в суспензию. При дальнейшем движении по конвейеру блок выходит из суспензии и поступает в пескосып "кипящего слоя" 6 с перфорированной перегородкой 7. По мере расхода суспензии ванна пополняется из бака 11, где суспензия непрерывно перемешивается мешалкой 10. Суспензия выдавливается в ванну сжатым воздухом через патрубок 9 и по шлангу 2.
Линия (рис. 3.2.9) по принципу работы отличается от автомата, представленного на рис. 3.2.8, тем, что подъем и опускание подвесок, а также их вращение осуществляются не за счет копиров, а специальными механизмами у ванны с суспензией и пескосыпа. Пульт управления 1 расположен на рабочем месте навешивания модельных блоков 2 на подвеску конвейера, здесь же снимаются готовые блоки. В ванне 3 наносится слой суспензии, а в песко-сыпе "кипящего слоя" 4 осуществляется присыпка. Слои покрытия отвердевают в аммиачной камере 5. Электроаппаратура смонтирована в шкафе 6.
Роботизированный комплекс (рис. 3.2.10) состоит из робота б, двух ванн 2 с суспензией, пескосыпа "кипящего слоя" 3 с воздуходувкой 4, пескосыпа барабанного типа 5, камеры сушки 9 с системой толкающего конвейера 8. Модельные блоки подаются к роботу толкающим конвейером 1, а блоки со сформированной оболочкой на последующие операции транспортируются толкающим конвейером 7. Напольный шарнирный промышленный робот ПР 161/60 серийно изготавливается ВАЗом по лицензии германской фирмы "КУКА". Имеет шесть степеней подвижности, работает в угловой системе координат, способ программирования - обучение. Номинальная грузоподъемность 60 кг. Максимальная погрешность позиционирования - не более 1,5 мм. Робот выполняет операции обмазки и обсыпки блоков, а также перевешивает блоки с конвейера на конвейер. Грузоподъемность робота позволяет сразу обрабатывать 4 блока диаметром до 250 мм и
1
Рис. 3.2.7. План расположения механизмов автоматической линии изготовления форм
-л
742
Глава 3.2. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ЛИТЬЯ ПО ВЫПЛАВЛЯЕМЫМ МОДЕЛЯМ
11 10
Рис. 3.2.8. Схема автомата изготовления оболочки
Рис. 3.2.9. Автоматическая линия английской фирмы "Elliott"
длиной до 500 мм. На рис. 3.2.11, 3.2.12 и 3.2.13 показаны основные рабочие позиции роботизированного комплекса.
Оборудование для выплавки моделей. При выплавке моделей паром в камере автоклава (рис. 3.2.14, а) температура повышается в течение нескольких секунд до 135... 140 °C. Вследствие высокой теплоемкости пара модели быстро оплавляются и не вызывают растрескивания оболочек. Для выплавки в горячей воде блоки, литниковыми воронками вверх, погружаются в воду, нагретую до кипения, и выдерживаются до расплавления модельного состава, который всплывает на поверхность и стекает в сборник (рис. 3.2.14, б).
Оборудование для прокаливания оболочковых форм, формовки, охлаждения и выбивки. Механизмы линии (рис. 3.2.15), на которой оболочки прокаливаются, заливаются и охлаждаются заформованными опорным материалом в опоках, образуют замкнутый поток опок.
Линия мод. 66002 (рис. 3.2.16) спроектирована для прокаливания оболочек без опорного материала с последующей формовкой горячим песком. Она состоит из расположенных в технологической последовательности: газовой печи 5 с секцией подогрева оболочек 3, через которую вентилятором 4 прогоняются горячие печные газы, ванны нагрева песка в "кипящем
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ЛИТЬЯ ПО ВЫПЛАВЛЯЕМЫМ МОДЕЛЯМ
743
Рис. 3.2.10. План расположения механизмов роботизированного комплекса изготовления форм конструкции НПО "НИИТавтопром"
Рис. 3.2.11. Схема позиции нанесения суспензии:
1 - робот; 2 - ванна окунания; 3 - привод вращения ванны окунания; 4 - регулируемая лопасть для перемешивания суспензии; 5 - захват робота с четырьмя блоками
006
744
Глава 3.2. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ЛИТЬЯ ПО ВЫПЛАВЛЯЕМЫМ МОДЕЛЯМ
Рис. 3.2.12. Схема позиции обсыпки в пескосыпе "кипящего слоя":
1 - робот; 2 - ванна "кипящего слоя"; 3 - пористая перегородка;
4 - люк для очистки ванны; 5 - захват робота с 4-мя блоками
Рис. 3.2.13. Схема позиции обсыпки в барабанном пескосыпе:
1 - робот; 2 - барабан; 3 - опорный ролик; 4 - привод вращения барабана; 5 - труба вытяжной вентиляции; 6 - лопатки для подъема песка; 7 - сетка; 8 - захват робота с 4-мя блоками
Глава 3.2. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ЛИТЬЯ ПО ВЫПЛАВЛЯЕМЫМ МОДЕЛЯМ
745
Рис. 3.2.14. Схема оборудования для выплавки моделей:
а) - автоклав: 1 - корпус; 2 - пар; 3 - барабан; 4 - система автоматических клапанов; 5 - крышка;
6 - сборник модельного состава; 7 - электродвигатель; 8 - вода; 9 - трубчатые электронагреватели;
б) - ванна выплавления моделей: / - корпус; 2 - электронагреватели; 3 - сборник модельного состава; 4 - блоки; 5 - подъемная корзина
слое" 6 с механизмом 7 для заполнения опок горячим песком, виброустановки 8 для уплотнения песка в опоках, камеры кристаллизации 9, кантователя опок 10 для выбивки песка из опок с вибролотком 16, камеры охлаждения отливок 11, кантователя опок 15 для выброса отливок из опок, ванны душирования выбитых блоков отливок 14. Все механизмы объединены в единую систему подвесным толкающим конвейером 1. На тележках конвейера подвешены за цапфы опоки 2 из жаропрочной стали. Помимо основного конвейера имеется вспомогательный 13 с резервными опоками и механизмом съема опок 12. На трассе конвейера, где опоки должны останавливаться, имеются остановы (№ !...№ 10). У останова № 5 оболочки заливаются металлом. У останова № 1 в опоки проставляются оболочки. Производительность линии 105 блоков/ч, время прокаливания 40 мин, температура прокаливания до 1000 °C, габариты 22,0 х 12,0 х 4,06 м, масса 90 т.
Наиболее эффективная технология прокаливания и заливки форм без опорного материала осуществляется на механизированных линиях, мод. 7723 (имеет газовую печь) и мод. 7758 (имеет электрическую печь). Линия прокаливания и заливки мод. 7723 (рис. 3.2.17 и 3.2.18) состоит из газовой печи прокаливания 3 с горелками типа ПИВС - 60 М, размещен
ными в шахматном порядке на боковых стенках печи. Для обеспечения равномерного нагрева керамических форм, установленных на футерованных платформах, в печи обеспечивается интенсивная циркуляция газов. Перепад температуры по сечению печи менее 10 °C, печь имеет 4 температурные зоны. Скорость нагрева форм до 500 °C - не более 13 °С/мин, скорость нагрева форм от 500 до 900 °C - не более 6,5 °С/мин. Регулирование температуры по зонам печи - автоматическое. Параллельно печи располагается камера охлаждения залитых форм 6, оснащенная в первой зоне души-рующими устройствами. Печь и камера охлаждения связаны системой поперечного транспорта 1 и 4 для перемещения тележек от печи к камере и от камеры к печи. На позиции загрузки печи на тележку 2 на песчаную постель устанавливаются формы. Зумпф погружается в песок и форма опирается на песок нижним краем керамики. При проталкивании тележек через печь колеса тележек катятся по рельсам, находящимся вне печи, поэтому вся ходовая часть остается во время работы холодной. На выходе из печи прокаливания, на тележке 5, формы заливаются металлом. Тележка с прокаленными формами подается на позицию заливки по команде заливщика, и формы должны быть залиты металлом сразу же по выходе из
746
Глава 3.2. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ЛИТЬЯ ПО ВЫПЛАВЛЯЕМЫМ МОДЕЛЯМ
Рис. 3.2.15. Линия конструкции ЗИЛ:
1 - газовая двухрядная проходная печь прокаливания;
2 - бункер для наполнителя; 3,4- система пневмотранспорта, 5 - формовочный стол, с вибраторами; 6 - дымососная установка; 7 - толкатель для загрузки печи опоками; 8- роликовый конвейер возврата пустых опок, 9 - приемный стол роликового конвейера, 10- поворотное устройство для выбивки опок; / / - камера охлаждения залитых опок с роликовым конвейером; 12 - подъемный стол для залитых опок; 13 - приводной заливочный рольганг; 14 - приемные столы для опускания опок на заливочный рольганг
печи. Если формы охладятся, то при заливке могут растрескаться. Производительность линии - до 120 блоков в час. Размеры платформы тележки: длина 970 мм; ширина 710 мм. Число тележек на линии 38. В печи прокаливания находятся 18 тележек. Время прокаливания 3 часа. Температура прокаливания не более 1000 °C. Масса линии 90 т.
Оборудование для отбивки керамики, отделения отливок от литниковой системы, очистки отливок. Установка мод. 67101М (рис. 3.2.19) может использоваться для выполнения методом вибрации двух операций -
предварительной очистки отливок и отделения отливок от стояка. При вибрации керамика сбивается за 5... 10 с, время отделения отливок - до 5 мин. Вибратор включается при закрывании дверцы установки. Расход сжатого воздуха 3,5 м3/мин, габариты 1240 х 955 х 3135 мм, масса 2900 кг.
Пресс мод. 6А93 (рис. 3.2.20) предназначен для отделения отливок от стояка путем скалывания питателей продавливанием стояка через кольцевую фильеру. Производительность 100 блоков/ч, максимальная сила рабочего цилиндра 630 кН, а цилиндра выталкивания - 50 кН, габаритные размеры 2080 х 1000 х 3350 мм, масса 5500 кг.
Линия (рис. 3.2.21) имеет три агрегата: установку очистки отливок II методом вибрации, горизонтальный гидравлический пресс I для отделения отливок от стояка продавливанием стояка через фильеру (гидравлическая станция на рисунке не показана) и конвейер III.
Для отделения отливок от литниковой системы применяют также отрезку на металлорежущих станках, газопламенную и анодномеханическую резку.
На рис. 3.2.22, а показана дробеструйногалтовочная установка для очистки отливок. Отливки очищаются во вращающемся барабане 4, облицованном резиной. В бункере / находится дробь, которая сжатым воздухом по шлангам подается в два пистолета 3, направляющих струю дроби на очищаемые отливки. При вращении барабана, через отверстия в нем, дробь вновь ссыпается в бункер через металлическую сетку 2. Пыль отсасывается вытяжной вентиляцией через патрубок 5. В барабан загружают до 30 кг отливок и очищают их за 10...20 мин. при вращении барабана с частотой 4 об/мин.
В камере мод. 44612 (рис. 3.2.22, б) можно очищать отливки обдувкой металлическим песком во вращающемся колоколе 8 или, при необходимости сохранения острых кромок, на неподвижной решетке внутри камеры. Детали загружаются вручную через закрываемый проем 7. Рабочая зона камеры освещается светильниками на потолке камеры. Для включения пистолета служит педаль 6.
В автомате (рис. 3.2.23) отливки из бункера / по склизу ссыпаются в барабан 2, первая секция которого заполнена кипящим щелочным раствором. Раствор подогревается газовыми горелками 8. Отсек со щелочным раствором разделен внутренней спиралью на шесть
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ЛИТЬЯ ПО ВЫПЛАВЛЯЕМЫМ МОДЕЛЯМ
747
ЕгЕЭО
Рис. 3.2.16. Схема механизированной линии обжига, формовки, заливки и охлаждения блоков конструкции НПО "НИИТавтопрома"
748
Глава 3.2. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ЛИТЬЯ ПО ВЫПЛАВЛЯЕМЫМ МОДЕЛЯМ
Рис. 3.2.18. Разрез печи прокаливания линии мод. 7723
2500
Рис. 3.2.19. Установка отделения керамики и деталей:
1 - кожух звукоизолированный; 2 - колонка; 3 - пневматический цилиндр прижима;
4 - пневмовибратор; 5 - упор для верха блока;
6 - блок отливок; 7 - шабот
секций, в которых можно очищать партии от-ливок массой около 80 кг, не смешивая их. Барабан от привода 7 совершает колебательные движения, поворачиваясь в обе стороны на 270°. После заданного времени барабан делает полный поворот, и отливки по спирали перемещаются в следующую секцию, а из последней перемещаются по лотку 4 в отсек промывки. По трубе 5 подается горячая вода для промывки. Промытые отливки подаются партиями по лотку 6. Вместе с отливками в отсеке выщелачивания перемещается шлам, который проваливается на участке барабана 3 в полость, загруженную шарами, для измельчения шлама. Наибольшая производительность 250 кг/ч, рабочий объем отсека выщелачивания 1,5 м3 , рабочий объем отсека промывки 0,25 м3, расход газа 2 м3/ч, габаритные размеры 5800 х 2520 х 2800 мм, масса 10 650 кг. Очищают отливки также вибрационным способом в барабанах с абразивным материалом, в установках электрохимической очистки, элек-трогцдравлическим методом.
Установка периодического действия (рис. 3.2.24) используется для очистки отливок в небольших цехах. Перфорированный барабан снимается и устанавливается цеховыми подъемными средствами.
Оборудование для удаления остатков литников. Применяют обрубные прессы и шлифовальные установки. Установка (рис. 3.2.25) скомпонована на базе пресса мод. К2130А и оснащена поворотным столом 1 с шестью приспособлениями. На позиции загрузки в них вручную укладывают отливки. Стол поворачивается при каждом ходе пресса на 60° и по
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ЛИТЬЯ ПО ВЫПЛАВЛЯЕМЫМ МОДЕЛЯМ
749
Рис. 3.2.20. Пресс гидравлический для отделения отливок от стояка:
1 - станина; 2 - рабочий цилиндр; 3 - рукоятки управления; 4 - цилиндр выталкивания стояка;
5 - электромотор; 6 - фильтр; 7 - блок отливок; 8 - бак гидростанции; 9 - упор для центровки блока
mo
560
560
2 3
12
93?
L
E
E
Глава 3.2. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ЛИТЬЯ ПО ВЫПЛАВЛЯЕМЫМ МОДЕЛЯМ
2530
11 10 то _
Рис. 3.2.21. Автоматическая линия конструкции НПО "НИИТавтопрм" для очистки отливок от керамики и отделение отливок от стояка:
/ - рабочий цилиндр; 2 - упор штока рабочего цилиндра; 3 - захват манипулятора уборки стояков; 4 - шток подпорного цилиндра, 5 - подпорный цилиндр, 6 - направляющие конвейера, 7 - призмы у позиции отбивки; 8 - блок отливок; 9 - приемные призмы;
10 — пневмоцилиндр перемещения тележки конвейера; 11 - кулисный механизм; 12 - склиз для отливок; 13 - манипулятор; 14 - вибрационное устройство; 15 - тележка конвейера, 16- механизм прижима блока к вибрационному устройству; 17 - бак гидравлической станции
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ЛИТЬЯ ПО ВЫПЛАВЛЯЕМЫМ МОДЕЛЯМ
751
1200
Рис. 3.2.22. Схема дробеструйных установок
Рис. 3.2.23. Схема автомата выщелачивания остатков керамики мод. 67501
752
Глава 3.2. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ЛИТЬЯ ПО ВЫПЛАВЛЯЕМЫМ МОДЕЛЯМ
Рис. 3.2.24. Установка со съемным барабаном для очистки отливок:
1 - газовые горелки; 2 - теплоизоляция; 3 - ванна со щелочным раствором; 4 - рама; 5 - барабан;
6 - зонт вытяжной вентиляции; 7 - крышка загрузочного окна
Рис. 3.2.25. Полуавтоматическая установка для обрубки питателей конструкции НПО "НИИТавтопром"
очереди подает приспособления с отливками на позицию обрубки - под нож, укрепленный на верхней плите 5. При рабочем ходе ползуна пресса отливки сначала прижимаются к приспособлениям механизмом прижима 7, а затем нож срубает выступающий питатель. Обрубленные питатели проваливаются через окно
под стол пресса в тару для отходов. Привод поворотного стола идет от вала пресса через верхний редуктор 2, карданный вал 3 и нижний редуктор 4. Обрубленные отливки выталкиваются механизмом 6 в тару 8. Производительность установки до 2100 отливок в час.
СУЩНОСТЬ, ДОСТОИНСТВА СПОСОБА ЛИТЬЯ В ОБОЛОЧКОВЫЕ ФОРМЫ
753
Рис. 3.2.26. Станок для зачистки остатков питателей
На рис. 3.2.26 показан двухпозиционный станок для наждачной зачистки питателей. На основании 6 смонтированы шлифовальная бабка с двумя абразивными кругами 2 и два приспособления 7 с приводами 3. В приспособления отливки закладываются вручную и закрепляются автоматически. Приспособления, вращаясь, подают отливки к шлифовальному кругу. Расстояние от приспособления до шлифовального круга регулируется вращением маховиков 4. Станок снабжен системой охлаждения 5. Производительность одного приспособления (одного рабочего) до 2000 отливок/ч.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Литье по выплавляемым моделям / В.И. Иванов, С.А. Казенов, Б.С. Курчман и др.; Под общ. ред. Я.И. Шкленника, В.А. Озерова. 3-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1984.408 с.
2. Каталог. Технологическое оборудование для литейного производства 1991 - 1995. М.: ВНИИТЭМР, 1990. 140 с.
3. Беляев В.М., Пепел ин А.Б., Ислен-тьев Ю.Е. Новое поколение оборудования для прокаливания и заливки форм в литье по выплавляемым моделям // Литейное производство. 1997. № 10. С. 21-22.
Глава 3.3
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ЛИТЬЯ В ОБОЛОЧКОВЫЕ ФОРМЫ
3.3.1. СУЩНОСТЬ, ДОСТОИНСТВА СПОСОБА ЛИТЬЯ В ОБОЛОЧКОВЫЕ ФОРМЫ И ОБЛАСТИ ЕГО РАЦИОНАЛЬНОГО ПРИМЕНЕНИЯ
Сущность способа литья в оболочковые формы (ЛОФ) состоит в том, что литейная форма и стержни, необходимые для получения внутренних полостей в отливке, изготовляются по металлической оснастке (обычно стальной или чугунной), нагретой до 200...300 °C. Формовочным материалом служат чистые кварцевые, реже цирконовые или другого минерального состава пески, плакированные (покрытые твердой пленкой связующего, обычно ново-лачной фенолоформальдегидной смолы с добавкой отвердителя). Вначале при контакте с горячей оснасткой смола плавится и склеивает зерна песка в нагретом до температуры ее плавления слое, а затем под действием отвердителя полимеризуется. Этот процесс вызывает необратимый переход смолы в твердое состояние и приобретение оболочкой необходимой прочности.
754
Глава 3.3 ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ЛИТЬЯ В ОБОЛОЧКОВЫЕ ФОРМЫ
Ранее для изготовления оболочек использовались также увлажненные керосином смеси песка с порошками смолы и отвердителя [2], однако из-за ряда недостатков (непригодности для пескодувного и пескострельного способов формовки, неравномерности распределения связующего между зернами огнеупорной основы смеси, непригодности для длительного хранения) такие смеси в настоящее время практически не применяются.
Плакированный песок наносят на поверхность горячей оснастки либо свободной засыпкой, ограничиваясь уплотнением под действием гравитационных сил, либо с дополнительной подпрессовкой (сжатым воздухом, гибкой диафрагмой и т.д.); широко используют также пескодувный или пескострельный способ. Время выдержки слоя песка в контакте с оснасткой зависит от температуры ее нагрева, свойств песка, его зернового состава, степени уплотнения и ряда других факторов. Обычно за 30...50 с выдержки формируется слой толщиной 6... 10 мм, для окончательного отверждения которого необходим дополнительный нагрев при температуре 300...350 °C в течение 1,5...2 мин. Далее следует съем оболочковых полуформ, простановка стержней и сборка форм под заливку. Обычно горячие оболочки склеиваются фенолоформальдегидной смолой или скрепляются механическими зажимными устройствами. Формы с вертикальной поверхностью разъема часто заформовываются в опорный наполнитель (песок, дробь), как показано на рис. 3.3.1. Формы с горизонтальной поверхностью разъема заливаются часто на специальных поддонах с подсыпкой из сухого песка, а в условиях крупносерийного и массового производства - на платформах напольного горизонтальнозамкнутого конвейера. При изготовлении мелких отливок и больших мас-
Рис. 3.3.1. Форма с вертикальной поверхностью разъема
штабах производства целесообразно применять многоярусные (стопочные) формы, заливаемые через общий стояк, что обеспечивает ряд преимуществ по сравнению с обычной заливкой: экономию металла, расходуемого на литниковую систему, снижение расхода формовочного материала, повышение производительности при заливке форм и очистке отливок, снижение потребности в производственных площадях, возможность максимально ограничить и изолировать заливочный участок, более эффективно использовать на нем вентиляцию для удаления газов, образующихся при выгорании смоляного связующего под действием тепла металлического расплава.
Для изготовления оболочковой полуформы применяется металлический поворотный бункер, частично заполненный плакированным песком. На верхнюю часть (горловину) бункера устанавливается и закрепляется моделью вниз, предварительно нагретая до 200...240 °C и покрытая тонким слоем разделительного состава, модельная плита. Для предварительного формирования оболочки бункер, снабженный цапфами и поворотным механизмом, поворачивают на 180°, и формовочный материал падает на горячую модельную плиту, уплотняясь под действием гравитационных сил. В прилегающем к плите слое смеси смола плавится на зернах песка (при 95... 115 °C), смачивает и склеивает их, постепенно отверждаясь за счет полимеризации при продолжающемся нагреве до более высокой температуры.
После выдержки для предварительного формирования оболочковой полуформы необходимой толщины бункер возвращается в исходное положение и на его дно сбрасывается плакированный песок, не прогревшийся до начала плавления смолы и склеивания зерен, следовательно, пригодный для повторного использования. Модельную плиту с предварительно сформированной оболочкой снимают с бункера и подают в печь, где заканчивается полимеризация смолы и готовая полуформа приобретает необходимую прочность. Для съема готовых полуформ, прочно удерживающихся на поверхности модели за счет сил адгезии, используют расположенные под модельной плитой толкатели, закрепленные в специальной толкательной плите, перемещающейся в вертикальном направлении по направляющим колонкам. Хвостовики толкателей, имеющих обычно форму стержней круглого сечения и равномерно распределенных по всей поверх
СУЩНОСТЬ, ДОСТОИНСТВА СПОСОБА ЛИТЬЯ В ОБОЛОЧКОВЫЕ ФОРМЫ
755
ности модельной плиты, жестко закреплены в толкательной плите привинченной к ней прижимной плитой. Возврат толкательной плиты в исходное положение после съема готовой полуформы происходит под действием пружин, установленных на направляющих колонках.
Применяют различные методы соединения готовых полуформ, наиболее часто их склеивают в горячем состоянии.
Для изготовления полых (оболочковых) стержней также могут быть использованы установки с поворотным бункером, однако чаще применяются пескодувные и пескострельные машины.
Литье в оболочковые формы вошло в литейную технологию прежде всего как способ, заменяющий при изготовлении мелких отливок (массой до 40...50 кг) литье в формы из песчано-глинистых смесей в условиях крупносерийного и массового производства. Применение ЛОФ позволяет повысить точность отливок и качество их поверхности, следствием чего является снижение припусков на механическую обработку отливок, а на многих поверхностях полное устранение обработки резанием. ГОСТом 26645-85* "Отливки из металлов и сплавов" установлено 22 класса точности отливок. Рекомендуется предусматривать при литье в формы, отверждаемые в контакте с оснасткой, значительно более высокие классы точности, чем при литье в обычные песчаные формы: от 4 до 9-го для мелких отливок из легких цветных сплавов и до 7 - 12-го для более крупных стальных (с наибольшим габаритным размером свыше 630 мм), что соответствует точности при литье в металлические формы (кокили).
Снижение или устранение припусков на механическую обработку отливок при переходе их изготовления с ЛПФ на ЛОФ связано и со значительным улучшением качества поверхности отливок. Шероховатость поверхности отливок, полученных в оболочковых формах, зависит от многих факторов: состояния поверхности модельной оснастки, состава формовочного песка и размеров его зерен, состава и температуры заливки литейного сплава, преимущественной толщины стенки отливки (выраженная в Rz она обычно не превышает 40 мкм, что в два и более раза меньше, чем у отливок, изготовленных в формах из песчано-глинистых смесей).
Оболочковые формы и стержни не гигроскопичны, не содержат влаги, имеют гладкую рабочую поверхность, обладают хорошей газопроницаемостью. Поэтому оболочковые формы отлично заполняются металлом, что позволяет получать в них тонкостенные отливки, а также уменьшить размеры литниковой системы. Некоторые сведения о минимально допустимых толщинах стенок отливок, изготовленных способом ЛОФ [3], приведены в табл. 3.3.1.
Оболочковые формы и стержни с момента их отверждения в оснастке и до окончания заливки металла обладают высокой прочностью, что позволяет изготовлять их тонкостенными. В результате этого расход формовочных материалов, а следовательно, и объем работ по их подготовке, приготовлению, транспортированию и переработке в цехе значительно сокращается. Существенно уменьшаются также начальные капитальные затраты на оборудование, примерно в два раза снижается потреб
3.3.1. Минимально допустимые толщины стенок отливок, изготовляемых в оболочковые формы
Габаритные размеры отливок, мм Толщина стенок отливок из различных сплавов, мм
Чугуны Стали Оловянные бронзы Алюминиевые Магниевые Цинковые
От 50 до 100 2,5...1,0 2,5...4,0 1,5...2,0 2,5...4,0 2,5...4,0 2,5...4,0
Св. 100 до 200 2,5...4,0 4,0...4,5 2,0...3,0 3,5...5,0 3,0...4,0 2,5...3,5
Св. 200 до 350 3,0...4,5 4,5...6,0 2,5...3,5 4,0...6,0 3,5...5,0 3,0...4,0
Св. 350 до 500 4,0...5,0 5,0...7,0 3,0...4,0 4,0...7,0 4,0...6,0 3,5...5,0
Св. 500 до 1500 8,0... 10,0 8,0... 12,0 5,0...6,0 7,0... 10,0 - -
756
Глава 3.3. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ЛИТЬЯ В ОБОЛОЧКОВЫЕ ФОРМЫ
ность в производственных площадях. Так, если при литье в обычные песчаные формы масса расходуемых формовочных и стержневых смесей в 8 - 15 раз превышает массу получаемых отливок, то при ЛОФ масса литейной формы и изготовляемых в ней отливок приблизительно равны.
После заливки оболочковых форм под действием тепла затвердевающего металла начинается процесс термической деструкции смоляного связующего и выгорание продуктов этого процесса. В результате оболочковая форма, и особенно стержни, сильно разупроч-няются, существенно не препятствуют усадке металла, что снижает опасность возникновения напряжений в отливках, следовательно, коробление их и образование трещин. Облегчается очистка отливок от остатков оболочки, чему способствует также отсутствие пригара на их поверхности. Термическая регенерация формовочных песков после выбивки отливок в целях дожигания остатков связующего, а также очистка их от пыли, образовавшейся в результате растрескивания отдельных зерен, позволяют полностью восстановить качество песков и повторно использовать их в производстве. Это особенно эффективно в экономическом отношении при использовании дорогих формовочных материалов, например цирконовых песков.
Преимущества оболочковых стержней по сравнению с обычными песчаными (точность, прочность, негигроскопичность, возможность длительного хранения, малая шероховатость поверхности, меньшая масса, лучшая способность отводить газы, отсутствие необходимости в упрочнении металлическими каркасами, податливость при затвердевании отливки и протекании в ней усадочных процессов, легкая выбиваемость и др.) столь существенны, что эти стержни применяют не только в сочетании с оболочковыми формами, но и при других литейных процессах. Так, они часто используются в кокильном литье, при литье под низким регулируемым давлением, а в отдельных случаях и при литье в обычные песчаные формы, когда необходимо получить в отливках сложные полости с точными размерами и высоким качеством поверхности.
Следует, однако, отметить и особенности способа ЛОФ, ограничивающие области его рационального применения, - это высокая стоимость изготовления необходимой точной металлической оснастки, существенно возрас
тающая с увеличением размеров и сложности ее; невозможность применения способа для изготовления крупных, массивных отливок, особенно из сплавов с высокой температурой заливки, когда разупрочнение формы может наступить раньше начала затвердевания отливки; значительная стоимость смол и высококачественных формовочных песков; необходимость принятия специальных мер по охране труда и защите окружающей среды в связи с токсичностью продуктов, образующихся при заливке форм и выгорании связующего.
3.3.2. МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОБОЛОЧКОВЫХ ФОРМ И СТЕРЖНЕЙ
Огнеупорные пески. Кварцевые пески. Наиболее часто при изготовлении оболочковых форм и стержней используются кварцевые пески, содержащие до 97 % SiO2 с минимальным содержанием глины (до 2 %) и других посторонних примесей (РегО3; CaO; К2О; Na2O). Указанные примеси, даже в сравнительно небольших количествах, снижают огнеупорность кварцевой формы и ее термостойкость, могут вызвать образование пригара на отливках из сплавов с высокой температурой заливки (сталей, чугунов). Наличие примесей, покрывающих поверхность зерен песка, существенно снижает прочность оболочковых форм и стержней, вызывает в ряде случаев необходимость повышенного расхода смоляного связующего.
Имеют значение форма зерен песка, а также степень сосредоточенности этих размеров, определяемая просеиванием сухого песка набором стандартных сит. Предпочтительнее пески с минимальным содержанием пылевидной фракции, у которых наибольшее количество зерен концентрируется на трех соседних ситах, т.е. имеет близкие размеры. Для крупных форм, особенно при литье черных сплавов, используются пески с размерами зерен от 0,2 до 1,0 мм (по принятой классификации "крупные" и "грубые"). Применение их позволяет обеспечить хорошую газопроницаемость и достаточную прочность оболочек при умеренном расходе смолы. При использовании более мелких песков снижается шероховатость поверхности отливок. Существенное влияние на свойства оболочек оказывает и форма зерен. Предпочтительнее пески округлой разновид
МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОБОЛОЧКОВЫХ ФОРМ И СТЕРЖНЕЙ
757
ности с меньшей удельной поверхностью, при плакировании которых расходуется меньше смолы и обеспечивается более равномерное ее распределение.
Кварцевые пески огнеупорны (температура плавления SiO2 1713 °C) и обладают достаточной стойкостью против термохимического взаимодействия с расплавами большинства литейных сплавов. Существенным недостатком кварца, как формовочного материала, является то, что при нагреве он претерпевает полиморфные превращения, особенно опасным из которых является быстро протекающий и обратимый процесс перехода 0-кварца в а-кварц при нагреве и обратный - при охлаждении. Превращения 0-кварц «-* а-кварц вызывают структурные изменения в зернах кварца, а также их объема. На рис. 3.3.2 (кривая 6) представлена дилатомическая кривая, показывающая изменения линейных размеров, происходящие в кварце при нагреве и охлаждении.
Цирконовые пески. Основу цирконовых песков составляет силикат циркония (ZrSiO4), по ряду характеристик значительно превосходящий кварц [4]. Коэффициент термического линейного расширения у цирконовых песков примерно в три раза меньше, чем у кварцевых. Малое и плавно протекающее расширение циркона при нагреве является одним из существенных преимуществ цирконовых песков по сравнению с кварцевыми (см. кривую 2 на рис. 3.3.2), что обеспечивает стабильность и точность размеров отливок. Цирконовые пески обладают высокой огнеупорностью. Только при температуре свыше 1850 °C начинается процесс деструкции циркона (распад на образующие оксиды ZrO2 и SiO2 с последующим спеканием последних). Поэтому термический пригар не образуется даже в наиболее прогреваемых частях
Рис. 33.2. Кривые изменения линейных размеров
формы при изготовлении отливок из сплавов с весьма высокой температурой заливки (1650... 1700 °C), например сложнолегированных сталей. Циркон является химически инертным материалом, поверхность его зерен не смачивается даже расплавленной сталью, следствием чего является высокое качество поверхности отливок. Правда, это не относится к некоторым литейным сплавам (например, титановым), расплавы которых активно взаимодействуют практически со всеми огнеупорными оксидами, что вызывает необходимость использовать графит в качестве огнеупорной основы формы. Высокая теплопроводность цирконовых песков примерно в два раза большая, чем у кварцевых, обеспечивает термостойкость форм, вследствие чего существенно снижается опасность прорыва их расплавом и образование таких поверхностных дефектов отливок, как ужимины. Цирконовые пески имеют высокую плотность (около 4,6 г/см3), примерно в два раза большую, чем у кварца. В сочетании с высокой теплопроводностью это обеспечивает в четыре раза большую скорость охлаждения металла в цирконовых формах по сравнению с кварцевыми, следствием чего является мелкозернистость и плотность структуры отливок, особенно в поверхностном слое.
Цирконовые пески обладают высокой твердостью и стойки против истирания, что положительно проявляется на различных стадиях их использования в ЛОФ - от приготовления песчано-смоляных смесей до регенерации их перед повторным использованием. Применение цирконовых песков существенно ограничивает их высокая стоимость. Важным цирконовым минералом, пригодным для использования в технологии ЛОФ, является бадделеит [5; 6]. Важным достоинством этих песков является однородность их по зерновому составу: остаток на двух соседних ситах с размером ячеек 0,1 и 0,063 мм превышает 90 %, а содержание ZrSiO4 находится в пределах 97...98,5 % для марки Ц-1 и 94...96,5 % для марки Ц-2.
Минерал оливин можно также с успехом использовать для изготовления оболочковых форм и стержней.
Связующие смолы и их растворители. В качестве связующих при изготовлении оболочковых форм и стержней используют синтетические смолы, обычно фенолоформальде-
758
Глава 3.3. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ЛИТЬЯ В ОБОЛОЧКОВЫЕ ФОРМЫ
гидные (ФФС). Их получают путем поликонденсации фенола с формальдегидом. Фенол (гидроксибензол) С6Н5ОН получается замещением одного атома водорода в бензоле гидроксилом. Бензольное ядро в нем связано с ОН через атом углерода:
ОН I С
НС сн I I НС сн хснх
Фенол представляет собой бесцветное кристаллическое вещество, плавящееся при температуре 41,5 °C, слабо растворимое в воде с образованием карболовой кислоты.
Формальдегид СН2О - бесцветный газ с резким запахом, получается из природного газа, отходов коксохимической, а также нефтеперерабатывающей промышленности и других продуктов. Формальдегид используется в производстве синтетических смол в виде сорокапроцентного водного раствора - формалина.
В зависимости от количества формалина и природы катализатора получают новолачные либо резольные ФФС. Новолачные (термопластичные) смолы получают в присутствии кислого катализатора при избытке фенола. Их поставляют в твердом состоянии, обычно в виде готовых к применению порошков. Новолачные смолы при нагреве без катализатора размягчаются и плавятся при температуре 100... 135 °C. При охлаждении они сохраняют плавкость и способность растворяться в органических растворителях, так как при нагреве до температуры плавления не полимеризуются.
Резольные (термореактивные) смолы получают в присутствии щелочного катализатора при избытке формальдегида. Они поставляются обычно в жидком виде и полимеризуются при нагреве или длительном хранении. Для этих смол характерно три состояния (стадии): А, В и С. В стадии А (резол) смола плавка и растворима в органических растворителях. В стадии В (резитол) жидкая смола теряет подвижность и переходит в гель, а твердая теряет способность плавиться и только размягчается при нагреве, а под действием растворителей только набухает. При охлаждении смола стано
вится твердой и хрупкой. Завершение полимеризации резольной смолы при нагреве и переход ее в стадию С (резит) связан с соединением цепей молекул в трехмерную пространственную сетку. В этом состоянии смола не взаимодействует с растворителями, приобретает наиболее высокие прочностные свойства, не размягчается, а при 500 °C начинается термическая деструкция полимера. Так как превращения в термореактивных (резольных) смолах могут происходить самопроизвольно, особенно при неблагоприятных условиях хранения, а завершающая стадия их полимеризации (переход резитола в резит) протекает весьма медленно, в производстве ЛОФ отдают предпочтение ново-лачным смолам, длительно сохраняющим важнейшие для приготовления и использования песчано-смоляных смесей свойства - растворимость и плавкость при нагреве до сравнительно высоких температур (около 200 °C).
Резольные фенолформальдегидные смолы, в качестве добавок, также могут быть использованы в производстве ЛОФ. Поставляемая по ГОСТ 20907-75* термореактивная жидкая смола СФЖ-3032 (плотность 1,2... 1,25 г/см3; динамическая вязкость 250... 1200 МПа/с) добавляется к новолачной смоле при горячем плакировании песков [8]. Это позволяет ускорить отверждение связующего и сократить содержание в нем уротропина, могущего вызвать образование ситовидной пористости, особенно в стальных отливках.
Специальные добавки в песчаносмоляные смеси. При использовании новолач-ных смол для быстрого и контролируемого по времени отверждения оболочек в качестве отвердителя применяется обычно уротропин (гексаметилентетрамин) (CH2)6N4 (ГОСТ 1381-73*), представляющий собой белый водорастворимый порошок. При температуре 117 °C уротропин разлагается с выделением формальдегида и аммиака: (CH2)6N4 + 6 Н2О = 6НСОН + 4NH3. Под действием формальдегида новолачная смола приобретает термореактивные свойства, цепи образующих ее молекул соединяются, что вызывает быструю полимеризацию смолы и ее отверждение, но приводит к снижению прочности оболочки и образованию дефектов в отливках, особенно из сплавов с высокой температурой заливки.
В качестве органических растворителей смол, применяемых при получении плакиро
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ПЕСЧАНО-СМОЛЯНЫХ СМЕСЕЙ
759
ванных песков, обычно используют ацетон, этиловый спирт, а также эфироальдегидную фракцию (побочный продукт спиртоводочного производства) и фурфурол - ’’масло из отрубей”. Фурфурол представляет собой бесцветную жидкость с температурой кипения 161,7 °C и плотностью при 20 °C 1,15... 1,16 г/см3, получаемую из различного растительного сырья -кукурузных початков, рисовой и овсяной шелухи и др. Фурфурол хорошо растворяется в ацетоне и спирте.
Технологические добавки в песчаносмоляные смеси вводятся для улучшения их свойств, повышения качества оболочек и изготовляемых в них отливок. Добавкой, ускоряющей отверждение смолы, является борная кислота, вводимая обычно в водный раствор уротропина.
Для повышения текучести песчаносмоляной смеси и лучшего отделения оболочки от оснастки часто используется добавка стеарата кальция. От текучести зависит степень уплотнения смеси при нанесении на оснастку, следовательно - прочность готовой оболочки.
При изготовлении стальных отливок в формовочный материал вводят порошки оксидов железа (магнетит Fe3O4, гематит Fe2O3), а также МпО2. Применение этих добавок ускоряет затвердевание поверхностного слоя отливок, чем предупреждается прорыв расплавом быстро разупрочняющейся формы, а также снижается опасность науглероживания отливки продуктами деструкции связующего.
При литье магниевых сплавов, для предупреждения их загорания, в формовочную смесь вводят защитную добавку, обычно фторбористый аммоний. За рубежом [4] есть опыт использования в качестве улучшающих добавок, например, древесной муки, пропитанной натриевым жидким стеклом (для повышения податливости оболочковых стержней), угольной пыли (в качестве восстановителя, снижающего опасность образования пригара на стальных отливках), пропитанного жидким стеклом бентонита (для уменьшения скорости разупрочнения оболочковых форм и стержней при изготовлении отливок из черных сплавов).
Разделительные покрытия. При изготовлении оболочковых форм и стержней степень адгезии их поверхности к модельной оснастке велика. Поэтому для облегчения съема оболочковых полуформ с модельных плит и удаления стержней из ящиков на рабочую поверхность
горячей оснастки наносят разделительные покрытия, используя для этого различные материалы: силиконы, озокерит (природный нефте-битум) и получаемый очисткой церезин, воски, минеральные масла и др. Отечественной химической промышленностью для получения разделительных покрытий нагреваемой оснастки выпускаются кремнийорганические эмульсии КЭ-10-01 и КЭ-60-00, применяемые в виде водных растворов [8]. Широко используется также СКТ-Р - 4 %-ный раствор синтетического термостойкого каучука СКТ в уайт-спирите или бензине. Достоинства СКТ-Р состоит в том, что образующаяся при его нанесении пленка эластична, выдерживает до 20 и более съемов, не образует на оснастке значительного нагара, характерного при использовании разделителей на основе нефтепродуктов.
3.3.3. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ПЕСЧАНО-СМОЛЯНЫХ СМЕСЕЙ
Механическое перемешивание песка с порошком смолы, несмотря на простоту этого метода, применяется редко, так как не обеспечивает стабильности свойств смеси и возможности длительного хранения. Кроме того, такие смеси непригодны для пескодувного и пескострельного процессов изготовления оболочек. Для более равномерного распределения пылевидных компонентов, входящих в механические смеси (смолы, отвердителя и специальных добавок), обычно применяют смачиватели песка, например керосин. При тщательном перемешивании в механических смесителях (катковых, шнековых, лопастных) пылевидные составляющие налипают на увлажненную поверхность зерен песка, достаточно равномерно распределяясь между ними. Однако по мере высыхания смачивателя и при многократных пересыпаниях смеси, например, при бункерном способе изготовления форм и стержней равномерность распределения пылевидных составляющих нарушается, так как они легко отделяются от поверхности зерен песка, а при пескодувном и пескострельном процессах выдуваются через вентиляционные каналы оснастки. Поэтому наиболее широкое применение получили методы плакирования песков. При плакировании смола в растворенном или расплавленном виде тонким слоем наносится на зерна песка, и после высыхания (охлаждения)
760
Глава 3.3. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ЛИТЬЯ В ОБОЛОЧКОВЫЕ ФОРМЫ
образует на их поверхности твердую пленку, хорошо удерживающуюся за счет сил адгезии. Обязательным условием получения качественных плакированных песков является отсутствие на их поверхности налипших глинистых составляющих, пленок оксидов и других вредных примесей, в том числе и пылевидных. Поэтому для получения плакированных смесей желательно использовать обогащенные пески.
При холодном плакировании в процессе перемешивания песка и смолы с добавкой отвердителя вводится растворитель (спирт, ацетон и т.п.), переводящий смолу и добавки в жидкое состояние. Перемешивание продолжается до полного высыхания пленки связующего на поверхности зерен песка. Для ускорения испарения растворителя смесь в процессе приготовления продувается воздухом. При теплом плакировании воздух подогревают до 70.. .80 °C, что ускоряет испарение растворителя.
Особенностью горячего плакирования является то, что песок перед загрузкой в смеситель нагревается до температуры, превышающей тем
пературу плавления смолы на 25...30 °C. Смола, вводимая обычно в виде порошка в перемешиваемый горячий песок, плавится при контакте с ним и покрывает песчинки смоляной пленкой, затвердевающей по мере охлаждения смеси. Отвердитель в виде водного 30...35 %-ного раствора уротропина вводится при перемешивании в плакированный песок, когда его температура не превышает 90... 100 °C (во избежание начала разложения уротропина). Высыхая, раствор образует на поверхности плакированных смолой зерен песка пленку отвердителя.
Достоинство метода горячего плакирования состоит в том, что при его применении исключается необходимость в использовании токсичных органических растворителей. Однако при горячем плакировании необходимо строго контролировать температурный режим этого процесса - температуру песка при подаче его в смеситель и температуру песчаносмоляной смеси при введении в нее водного раствора уротропина. Составы некоторых плакированных смесей приведены в табл. 3.3.2.
3.3.2. Некоторые составы плакированных смесей для стального и чугунного литья
Технология приготовления смеси и тип оборудования Состав смеси и содержание компонентов, массовая доля, % Область применения смеси
Песок кварцевый Смола СФ-015 Уротропин Стеарат кальция Борная кислота Водновосковая дисперсия
Непрерывный процесс горячего плакирования 100 5,0 10,0; 33 %-ный водный раствор - 0,06 0,1 Производство отливок из конструкционной стали
100 5,0 8,5; 33 %-ный раствор - 0,06 0,1 Производство чугунных отливок
Периодический процесс горячего плакирования. Установка Fardath 2000 (Великобритания) 100 3,5 12,0; 21 %-ный водный раствор 3,2 - - Производство отливок из высоколегированной стали
Периодический процесс горячего плакирования. Установка Maxei-250 (Франция) 100 4,0 15,0; 33 %-ный водный раствор 4,0 - - Производство чугунных цилиндров
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ПРИГОТОВЛЕНИЯ ПЕСЧАНО-СМОЛЯНЫХ СМЕСЕЙ
761
Рис. 3.3.3. Трехходовое барабаииое газовое сушило
Перед приготовлением смеси песок необходимо тщательно просушить. При небольших масштабах производства может быть использовано компактное трехходовое барабанное газовое сушило (рис. 3.3.3). Влажный песок поступает по трубопроводу 2 во внутренний конусный отсек 5. В процессе сушки он пересыпается, последовательно перемещаясь из полости А в полости Б и В, а затем по лотку 7 в камеру Г. При пересыпании песок омывается потоком горячего газа. Для лучшего перемешивания песка в процессе его перемещения на внутренней поверхности барабанов выполнены лопатки б. Равномерность подачи песка в сушило обеспечивается лопастным дозатором (на рисунке не показан). Продолжительность сушки составляет 30... 35 мин.
В крупных цехах для сушки песка используют более производительные установки, схема работы одной из которых представлена на рис. 3.3.4, сушка на этой установке осуществляется в потоке горячего воздуха. Влажный песок подается из расходного бункера 18 шнековым дозатором 77 и поступает на ленточный транспортер 16. Шнек дозатора приводится в движение электродвигателем 2 через редуктор 1. Песок с транспортера 16 поступает в приемный бункер 10 и, пересыпаясь из него в трубопровод 15, попадает во встречный поток горячего (около 800 °C) воздуха, который нагнета
ется компрессором 3 по трубопроводу 4, находящемуся в нагревательной камере 5, а из него через промежуточный трубопровод 7 - на сушку. Для нагрева воздуха в камере 5 используются газовые или нефтяные горелки 6. Поток горячего сжатого воздуха в трубопроводе 75 не только нагревает и сушит песок, но и транспортирует его в циклон 14 для осаждения. Далее песок просеивается, проходя через вибрационное сито 12, и собирается в бункере-накопителе 73. В установке дважды происходит отделение от просушиваемого песка комьев и других посторонних включений, а также излишне крупных зерен: вначале, в трубопроводе 75, где поток сжатого воздуха не может поднять тяжелые, крупные включения и они падают через раструб 9 в сборник 8, а вторично отделение крупных фракций происходит на сите 12.
В последние годы для сушки песка часто используется также метод его псевдоожижения, когда через слой песка продувается горячий воздух, под давлением которого песчинки переводятся во взвешенное состояние и быстро высыхают.
Оборудование для приготовления плакированных песчано-смоляных смесей и изготовления из них оболочковых форм, а также стержней выпускается во многих промышленно развитых странах мира (США, Великобритании, Японии, Германии и др.). Наиболее час-
762
Глава 3.3. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ЛИТЬЯ В ОБОЛОЧКОВЫЕ ФОРМЫ
Рис. 3.3.4. Схема установки для сушки песка в потоке горячего воздуха
то применяют для плакирования песка лопастные, катковые, шнековые, маятниковые смесители. В условиях массового производства используют автоматические смесители непрерывного действия.
Шнековый смеситель ШС-400 конструкции НИИТАвтопрома смонтирован на сварной раме и состоит из перемешивающего и дозирующего узлов. Перемешивающий узел имеет корыто емкостью около 100 кг, в нижней части которого размещены два шнека встречного вращения, расположенные параллельно друг другу. Скорости вращения шнеков различные (18 и 36 об/мин). Для вращения шнеков используется электропривод. Корыто закрывается крышкой с помощью пневмоцилиндра в целях исключения пылевьще-ления при работе смесителя. Узел дозирующих устройств состоит из трех объемных шиберных дозаторов, два из которых заполнены песком (крупным и мелким) и один - порошкообразной смолой. В верхней части установки расположен еще один дозатор для растворителя с баком. Корпус каждого дозатора для песков состоит из трех труб, телескопически встроенных одна в другую, благодаря чему объем дозирования можно регулировать в пределах 20...30 кг для обеспечения точного соотношения компонентов смеси. Аналогичный по конструкции дозатор смолы снабжен дополнительно пневматическими ворошителями, предупреждающими зависание порошка на заслонках. Дозатор растворителя представляет собой сварной бачок с регулируемой емкостью 0,5... 1,5 л. В дозатор растворитель поступает
непосредственно из расходного бака. Для выгрузки готовой смеси в выдвижной поддон используется пневматический кантователь, поворачивающий корыто смесителя относительно оси одного из шнеков на 180°. Шнековый смеситель ШС-400 не имеет устройств подсушивания и размельчения смеси, поэтому рекомендуется для приготовления сравнительно больших количеств смеси.
Для получения плакированных смесей холодным способом используют также центробежные катковые смесители (бегуны). Смеситель этого типа (см. гл. 2.2, рис. 2.2.4) имеет глубокую чашу, облицованную внутри резиновой лентой. Вертикальный вал, установленный в центре чаши, несет на себе траверсу, на которой подвешены на маятниках два облицованных резиной катка. Маятники представляют собой шарнирно закрепленные рычаги, на которых катки могут свободно вращаться в горизонтальной плоскости. При включении электродвигателя вал начинает вращаться, и катки под действием центробежной силы прижимаются к внутренней поверхности чаши. Благодаря этому они приобретают два движения: вращаются вокруг собственной оси и перемещаются по внутренней поверхности чаши. Исходные материалы (песок и смола с растворителем) подаются в смеситель из специальных дозаторов (на рисунке не показаны) через воронку. Песок и смола падают на неподвижный диск, подбрасываются с него под катки специальными лопатками, закрепленными на траверсе, и вращающимися вместе с ней.
ИЗГОТОВЛЕНИЕ ОБОЛОЧКОВЫХ ФОРМ И СТЕРЖНЕЙ
763
После подачи растворителя (обычно ацетона или этилового спирта-ректификата) песчано-смоляная смесь, находясь во взвешенном состоянии вследствие активного перемешивания и разрыхления, интенсивно продувается воздухом, подаваемым снизу через трубу от вентилятора. Это способствует быстрому испарению растворителя, пары которого удаляются через трубу. Подача растворителя осуществляется из дозатора по трубопроводам через резервуар, откуда жидкость поступает непосредственно в смеситель. Готовая песчаносмоляная смесь, просушенная и измельченная (без скомковавшихся частиц), периодически, через дверцу в боковой стенке чаши, выгружается, проходя через вибрационное сито.
При значительных масштабах производства отливок в оболочковых формах целесообразно применять для плакирования автоматические смесители непрерывного действия, например АКС-1 (рис. 3.3.5), сконструированный на Киевском мотоциклетном заводе. Просушенный песок загружается в накопительные бункеры 1 и 2 элеватором 3 через перекидной
Рис. 3.3.5. Схема автоматического смесителя непрерывного действия АКС-1
желоб. Контролируемое поступление песка в шнеково-лопастной смеситель 7 обеспечивается с помощью подпружиненных течек 4, соединенных с электроконтактами 5. На входе в смеситель песок, ссыпающийся по течке 4, смачивается растворителем, подаваемым из специальных бачков через форсунки 6. Смоченный растворителем песок по наклонному патрубку ссыпается из смесителя 7 на ленточный смеситель 8, в который одновременно виброшнековым дозатором 12 из бункера 13 подается порошкообразное связующее. Бункер 13 загружается связующим с помощью элеватора 14. Для исключения зависания порошка связующего в бункере выполнен лопастной разрыхлитель 15.
Смеситель 8 состоит из двух ленточных транспортеров 9 и 10, движущихся в одном направлении, но с разными скоростями. Соприкасающиеся ленты смесителя проходят между подпружиненными катками 11. Предварительно плакированный в смесителе 8 песок поступает через воронку 16 на дополнительную обработку в шнековый смеситель, в котором размещены двухвалковые прдэывистые шнеки 17, приводимые во вращение двигателем 18. Готовая сухая плакированная смесь через воронку 19 поступает на вибрационное сито 20 для отделения скомковавшихся частиц, а далее - в накопители или непосредственно к формовочным или стержневым машинам.
3.3.4. ИЗГОТОВЛЕНИЕ
ОБОЛОЧКОВЫХ ФОРМ И СТЕРЖНЕЙ
Изготовление оболочковых форм. В зависимости от масштабов производства, размеров отливок и других факторов оболочковые формы изготовляют на одно- или многопози-ционных машинах.
Простой по устройству и удобной в обслуживании является полуавтоматическая машина УКФ-2 для изготовления оболочек конструкции НИИТавтопром (рис. 3.3.6). В конструкции ее также предусмотрено использование поворотного бункера 4 для свободной засыпки плакированной смеси на нагретую модельною плиту. Установка УКФ-2 имеет две нагревательные печи 1. Печи, два промежуточных стола 2 и размещенный между ними бункер 4 смонтированы на общей станине и находятся под вытяжным колпаком 5. На установке ис-
764
Глава 3.3. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ЛИТЬЯ В ОБОЛОЧКОВЫЕ ФОРМЫ
Рис. 33.6. Схема полуавтоматической машины УКФ-2 для изготовления оболочек
пользуются две модельные плиты. Перемещения плит в процессе работы осуществляются с помощью пневматического подъемника 3. Установленная им на бункер 4 модельная плита закрепляется автоматически действующими захватами и после предварительного формирования оболочки снимается на промежуточный стол 2 с поворотом на 180° (моделью вверх) и перемещается в соответствующую печь для окончательного отверждения оболочки. В это время на освободившийся бункер накладывается вторая нагретая модельная плита для получения второй полуформы. Поворот бункера производится специальным механизмом - быстро при подаче смеси на горячую плиту и медленно при ссыпании на дно бункера той части, которая не пошла на формирование оболочки. Далее бункер освобождается от второй плиты, направляемой в печь для спекания полученной полуформы. В это время из первой печи извлекается на стол 2 плита с окончательно отвержденной первой полуформой, снимаемой с помощью смонтированных в плите толкателей, приводимых в действие пневматическим съемником, установленным в нижней части стола 2. Машина УКФ-2 предназначена для использования модельных плит с размерами (в плане) 400 х 500 мм и при изготовлении оболочек толщиной не менее 10 мм
обеспечивает возможность получения до 40 полуформ в час.
На рис. 3.3.7 представлены усовершенствованные конструкции поворотных бункеров. Для более равномерного распределения и уплотнения падающего на модельную плиту плакированного песка в бункере предусмотрено использование промежуточной створчатой перегородки, на которую предварительно сбрасывается песок с дна бункера, после чего, при одновременном раскрытии всех створок, он ровным слоем, падая с одинаковой высоты, покрывает модельную плиту. На рис. 3.3.7, в показан бункер 10 с закрепленной внутри его гибкой (резиновой) диафрагмой 11. Сразу после поворота бункера (рис. 3.3.7, г) в пространство между дном металлического бункера и резиновой диафрагмой подается сжатый воздух. В результате этого формовочный песок равномерно опрессовывается, что приводит к более плотной упаковке зерен, повышению прочности и скорости прогрева оболочки.
Работы по совершенствованию технологии ЛОФ привели к созданию высокопроизводительных установок, применение которых обеспечивает получение оболочек с заданной толщиной стенки, уплотняемых при изготовлении подпрессовкой и ускоренно отверждаемых без применения нагревательных печей путем двустороннего нагрева при прессовании.
ИЗГОТОВЛЕНИЕ ОБОЛОЧКОВЫХ ФОРМ И СТЕРЖНЕЙ
765
Рис. 3.3.7. Схемы конструкций поворотных бункеров:
/ - бункер; 2 - цапфы; 3 - модель; 4 - крышка; 5 - толкатели; 6 - основание для крепления толкателей;
7 - узел крепления диафрагмы; 8 - полость для прогрева оболочки; 9 - песок; 10- бункер;
11 - резиновая диафрагма
На рис. 3.3.8 показана схема изготовления оболочек ускоренным методом на двухпозиционной пескодувной машине с двусторонним нагревом и подпрессовкой оболочковой полуформы. На первой позиции а происходит надув плакированного песка в зазор между горячей модельной 1 и холодной контурной плитой 2, закрепленной на пескодувной головке машины 3 и служащей для предварительного формирования внешней (нерабочей) поверхности полуформы. После предварительного формирования оболочки модельная плита вместе с оболочковой опускается вниз (рис. 3.3.8, б) и перемещается на вторую позицию - в, где находится горячая контурная плита 4. Здесь на счет двустороннего нагрева с допрессовкой снизу завершается изготовление оболочковой полуформы, после чего она снимается толкателями с модельной плиты (рис. 3.3.8, г) и подается на сборку форм.
При подготовке оболочек к заливке скрепление полуформ производят различными
методами (применяя металлический крепежный инструмент, нагружение и др.), однако наиболее надежным и широко используемым является метод склеивания, для чего используются специальные устройства.
Изготовление оболочковых стержней. Оболочковые стержни, как и формы, изготовляют обычно с использованием поворотных бункеров (рис. 3.3.9) либо пескодувных (рис. 3.3.10) и пескострельных (рис. 3.3.11) установок. Принцип работы пескодувной установки с нижней подачей плакированного песка в горячий стержневой ящик показан на рис. 3.3.9, а и б.
Оригинальный метод изготовления цилиндрических оболочковых стержней разработан в Московском научно-исследовательском институте ЦНИИТмаш. Как показано на рис. 3.3.12, стержень 7 формируется при этом методе под действием центробежных сил. Стержневой ящик 1 жестко закрепляется на валу 2 центробежной машины с горизонтальной осью вращения (рис. 3.3.12, а).
766
Глава 3.3. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ЛИТЬЯ В ОБОЛОЧКОВЫЕ ФОРМЫ
Рис. 3.3.8. Схема изготовления оболочек ускоренным методом на двухпозиционной пескодувной машине с двусторонним нагревом и подпрессовкой оболочковой полуформы
Внутри неподвижного кожуха машины 3 размещены нагревательные элементы, с помощью которых поддерживается оптимальная температура ящика, необходимая для изготовления стержня. Мерная доза плакированного песка вводится на специальном лотке 4 в рабочую полость вращающегося стержневого ящика так, что диск 5, свободно сидящий на оси лотка, плотно прижимается пружиной 6 к открытой торцевой части ящика и начинает вращаться с ней. Затем лоток поворачивается вокруг горизонтальной оси на 180°, плакированный песок сбрасывается в полость ящика, равномерно распределяясь по ее поверхности и уплотняясь под действием центробежных сил (рис. 3.3.12, б). После завершения процесса, формирования и отверждения стержня 7 вращение ящика прекращается (рис. 3.3.12, в), лоток с диском 5 отводятся да исходную позицию, и готовый стержень из ящика удаляется с помощью дискового выталкивателя 8, имеющего пневматический привод.
Рис. 3.3.9. Схема изготовления оболочковых стержней с помощью поворотных бункеров:
1 - песок; 2 - корпус бункера; 3 - цапфы; 4 - жидкость; 5 - прижимное кольцо; 6,7- стержневой ящик;
8 - прокладка; 9 - оболочковый стержень
ИЗГОТОВЛЕНИЕ ОБОЛОЧКОВЫХ ФОРМ И СТЕРЖНЕЙ
767
Рис. 3.3.10. Схема изготовления оболочковых стержней на пескодувных установках:
1 - корпус установки; 2 - вдувное отверстие, 3 - песок; 4 - штуцер; 5 - изоляционная;
6,9- ящик стержневой; 7 - венты; 8 - пневмопривод
Рис. 3.3.11. Схема изготовления оболочковых стержней на пескострельных установках:
/ - основание; 2 - корпус пескострельной головки; 3 - пневмоцилиндр прижима; 4 - плата; 5 - стержневой ящик; 6 - толкатель; 7 - пневмоцилиндр; 8 - стержень; 9 - прокладка; 10- стойки; 11 - пружина; 12 - пескострельный резервуар; 13 - конусная насадка; 14 - толкающая плита
768
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Рис. 3.3.12. Схема изготовления цилиндрических оболочковых стержней центробежным методом
Рассмотренный метод получения стержней высокопроизводителен, позволяет за счет дозировки смеси изготовлять стержни с регулируемой оптимальной толщиной стенки и массой, повышать их прочность, а также качество поверхности за счет воздействия центробежных, сил.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Степанов Ю.А. и др. Специальные виды литья: Учебное пособие для студентов вузов. М.: Машиностроение, 1970. 221 с.
2. Степанов Ю.А., Баландин Г.Ф., Рыбкин В.А. Технология литейного производства. Специальные виды литья / Под ред. Ю.А. Степанова. М.: Машиностроение, 1983. 287 с.
3. Коротков А.И., Полевая А.М. Литье в оболочковые формы. М.: Машиностроение, 299 с.
4. Эндрюс Р. Техника оболочкового литья в США / Пер. с англ. М.: Машиностроение, 222 с.
5. Мариенбах Л.М., Соколовский Л.О. Применение цирконовых песков в литейном производстве // Литейное производство. 1957. №7.
6. Соколов Н.А. Литье в оболочковые формы. 2-е изд. М.: Машиностроение, 1978. 260 с.
7. Просяник Г.В. Изготовление оболочковых форм и стержней. 3-е изд. М.: Высшая школа, 1978. 240 с.
8. Специальные способы литья: Справочник / В.А. Ефимов, Г.А. Анисович, В.Н. Бабич и др.; Под общ. ред. В.А. Ефимова. М.: Машиностроение, 1991. 736 с. / Раздел второй, гл. III. Литье в оболочковые формы.
Раздел 4
МАШИНЫ ДЛЯ ЛИТЬЯ В МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ФОРМЫ
Глава 4.1
ТЕРМИНОЛОГИЯ, ПАРАМЕТРЫ, КЛАССИФИКАЦИЯ
Металлические литейные формы используются в различных способах литья. Для обеспечения возможности извлечения отливки металлическая форма выполняется, как правило, разборной. Количество элементов, на которое расчленяется форма, зависит от конфигурации отливки и, в принципе, не ограничено.
Для перемещений элементов формы при сборке и разборке и всей формы при выполнении других операций используют простейшие движения - прямолинейное, круговое и их
комбинации. Эти факторы в основном и определяют тип металлической формы (табл. 4.1.1).
Одноэлементные формы с линейным движением (относительно формирующейся отливки) используются в непрерывном или полунепрерывном способах литья, с круговым движением (поворотом) - при литье чушек и других простых деталей.
Двухэлементные металлические формы -основные типы форм в большинстве способов литья. Многоэлементные формы применяются преимущественно при кокильном литье и в способах литья под регулируемым газовым давлением.
Положение плоскостей разъема и количества элементов формы может быть иным, чем приведено в табл. 4.1.1 (нижняя строка).
4.1.1. Типы металлических форм
Литейная форма
Перемещение формы и ее элементов
25-819
770
Глава 4.1 ТЕРМИНОЛОГИЯ, ПАРАМЕТРЫ, КЛАССИФИКАЦИЯ
В особую группу можно выделить формы с цилиндрическими вращающимися элементами - при центробежном литье тел вращения (изложницы) и непрерывном литье, например, чугунного листа (кристаллизаторы).
В зависимости от конфигурации отливки и условий термического и механического нагружения (при заполнении полости формы жидким металлом и на начальном этапе затвердевания отливки) металлические формы могут иметь металлические или песчаные (разовые) стержни и вставки (см. рис. 4.2.1, п. 4.2.1).
Для различных способов литья (или даже в одном способе литья) сложились специальные названия металлических форм:
изложницы - открытые металлические формы для литья слитков и чушек и формы для литья тел вращения при центробежном литье;
кокильные формы, или кокили, - при кокильном литье фасонных отливок;
пресс-формы - при литье под давлением;
кристаллизаторы - при непрерывном и полунепрерывном литье;
штампы - при "жидкой штамповке".
Два последних термина в литейной технологии пока не утвердились. Иногда литейную форму в этом случае называют пресс-формой.
В некоторых способах литья, например в литье под низким давлением, металлические формы специальных названий не имеют, и для них не совсем точно используют один из приведенных выше терминов, чаще всего - кокильная форма.
При использовании металлической формы весь технологический процесс изготовления отливки, исключая финишные операции по отделке и доводке свойств отливки, реализуется на одной машине.
В этом смысле все машины для изготовления отливок в металлических формах являются литейными по определению, т.е. технологическими машинами, предназначенными и используемыми исключительно для изготовления отливок.
На эти машины возлагаются две группы функций (технологических операций):
1. Манипуляторные по подготовке, сборке и разборке формы и удаления отливки из формы. В этом смысле все машины литья в металлические формы принципиально одинаковы.
2. Обеспечение необходимых условий формирования отливки, в том числе поддержание состояния формы, соответствующего этим условиям. Условия формирования отливки определяют способ литья. В этом смысле машины литья в металлические формы различны по способам литья (рис. 4.1.1).
Рис. 4.1.1. Способы литья в металлические формы
ТЕРМИНОЛОГИЯ, ПАРАМЕТРЫ, КЛАССИФИКАЦИЯ
771
Рис. 4.1.2. Способы литья с применением давления
Для каждого способа литья существуют свои машины и, как правило, они не могут быть использованы для реализации другого способа. Понятия "способ литья" и "машины для реализации способа литья" ассоциативны. В названии машины, например центробежная машина, машина литья под давлением, уже входит название способа литья. И наоборот, название способа литья предполагает машину, на которой он реализуется.
К основным факторам, определяющим условия формирования отливки, относятся:
тип литейной формы;
способ придания жидкому металлу необходимой конфигурации (имеется в виду заполнение полости формы через литниковую систему, заливка металла непосредственно в полость формы, заполнение полости формы при ее формировании, движение затвердевающей отливки относительно рабочей полости формы (кристаллизатора) и т.д.);
силовое поле, в котором формируется отливка.
Конкретное сочетание приведенных факторов определяет способ или группу способов литья (рис. 4.1.1). Условия формирования отливки, связанные со вторым фактором, на рис. 4.1.1 обозначены как специальные.
Здесь приведены лишь наиболее представительные способы литья со специальными условиями формирования отливок.
Группу способов литья с применением давления подразделяют далее по ряду признаков, важнейшими из которых являются способ создания давления в жидком металле и его величина (рис. 4.1.2).
Если дополнительно создаваемое давление в жидком металле сравнимо с давлением, обусловленным полем гравитации земли, то процессы изготовления отливок в этих условиях относят к литью под низким давлением (ЛНД). При анализе и реализации этих методов обязателен учет обоих источников давления.
Если создаваемое давление более чем на порядок превышает давление, вызываемое силами гравитации, то говорят о литье под высоким давлением или просто о литье под давлением (ЛПД).
Гидростатическое и атмосферное давление при этом обычно не учитывают.
Центробежное литье (ЦЛ) занимает особое положение. Создаваемое здесь давление переменно по объему металла и даже в одной форме может быть как в области низкого, так и, отчасти, высокого давления.
Изменять давление в металле можно только в литейной форме (центробежное литье тел вращения, методы литья с локальной подпрессовкой), в изолированном объеме жидкого металла вне формы, из которого он поступает
25*
772
Глава 4.2. КОКИЛЬНЫЕ МАШИНЫ
в полость формы, и в замкнутом пространстве, в котором реализуется заполнение формы и затвердевание отливки. В последнем случае речь идет только о давлении воздуха или газа в этом изолированном пространстве, и могут использоваться все типы литейных форм.
Если давление в этом пространстве (камере) меньше атмосферного, то говорят о вакуумных способах литья, когда оно одного порядка, но больше атмосферного, имеют дело с литьем с противодавлением (ЛПрД), а когда оно существенно выше атмосферного, то речь идет об автоклавном литье. Конечно, приведенные здесь границы областей давления условны. Величины давлений при ЛПрД и автоклавном литье могут быть одинаковыми и лежать в промежуточной области, а главным различием могут стать процессы заполнения форм - под регулируемым давлением или под действием сил гравитации.
Можно изолировать от окружающей среды только литейную форму или даже только ее рабочую полость и уменьшать давление в ней. Возникают методы литья с вакуумированием формы и как один из них литье вакуумным всасыванием (ЛВВ).
Давление на свободную поверхность металла может быть газовым или поршневым, а емкость, в которой создается это давление, называют камерой прессования (преимущественно при ЛПД).
Если температура камеры прессования равна температуре жидкого металла, то камеру прессования называют горячей, если меньше -холодной, хотя, например, при литье алюминиевых сплавов она может достигать 300.. .400 °C. В холодной камере прессования неизбежна потеря тепла жидким металлом, и даже частичное его затвердевание до и в процессе поступления в полость формы.
Давление в жидком металле, необходимое для заполнения формы (точнее, перепад давлений на входе в питатель и в полости формы при ее заполнении) обычно невелико. По окончании заполнения формы давление в ее полости возрастает, по крайней мере, на величину этого перепада (исключение - центробежное литье тел вращения).
Технологически (для улучшения условий питания отливки) часто требуется многократное увеличение давления металла в форме при затвердевании отливки.
Если давление в металле при затвердевании отливки лежит в области высокого давле
ния, то повышение давления по окончании заполнения формы называется подпрессовкой (локальная подпрессовка в форме, подпрессовка при ЛПД), независимо от технических средств ее реализации. Иногда используются термины "допрессовка" и "прессование".
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Машиностроение. Терминология: Справочное пособие. Вып. 2. М.: Изд-во стандартов, 1989. 432 с.
Глава 4.2
КОКИЛЬНЫЕ МАШИНЫ
4.2.1. КОКИЛЬНЫЕ ФОРМЫ И КОКИЛЬНЫЕ МАШИНЫ
Кокильные машины - машины для изготовления отливок в металлических формах с гравитационной заливкой.
Основные функции машины: сборка формы, поддержание ее в закрытом состоянии при заливке и затвердевании отливки, разборка формы и выталкивание отливки.
Подготовка форм под заливку и регулирование температуры кокиля осуществляется, как правило, специальными комплектующими агрегатами, но иногда может реализовываться самой машиной ("замачивание" металлических стержней, погружение элементов кокильной формы в ванну с водной суспензией кокильной краски).
Заливка форм в функции машины не входит и осуществляется специальными заливочными установками или вручную.
Металлическую форму при кокильном литье называют кокильной или просто кокилем. Конструкция формы определяется в основном конфигурацией отливки, ее литниково-питаю-щей системы и материалом отливки.
Кокильная форма (рис. 4.2.1) может быть одно- или многоместной, иметь песчаные или металлические стержни и различное число и расположение плоскостей или поверхностей разъема (см. табл. 4.1.1).
В конструкции кокиля должны быть предусмотрены центрирующие и направляющие элементы (4 на рис. 4.2.1, б, 5 на рис. 4.2.1, в), элементы крепления к подкокильным плитам машины (5 на рис. 4.2.1, б), система выталкивания отливки. На рис. 4.2.1 условно показаны
КОКИЛЬНЫЕ ФОРМЫ И КОКИЛЬНЫЕ МАШИНЫ
773
Рис. 4.2.1. Основные типы кокильных форм:
а - вытряхной кокиль. / - кокиль; 2 - стержень; 3 - фильтровальная сетка; 4 - толкатель; б - двухэлементный двухместный кокиль с вертикальной плоскостью разъема: 1,2- половины кокиля; 3 - толкатели;
4 - направляющие и центрирующие элементы; 5 - элементы крепления кокиля к плите машины, в - двухэлементный кокиль с горизонтальной плоскостью разъема. /, 2 - половины кокиля; 3 - стержень, 4 - толкатели; 5 - коническая центрирующая поверхность; г - двухэлементный кокиль с металлическим стержнем, д,е- многоэлементные кокили
лишь отдельные толкатели (4 на рис. 4.2.1, а, 3 на рис. 4.2.1, б и 4 на рис. 4.2.1, в). Все толкатели, размещенные в одном элементе кокиля, монтируются на общей плите толкателей, являющейся неотъемлемой частью конструкции кокиля и сопрягаемой с механизмом машины.
В схемах на рис. 4.2.1 не показаны элементы системы охлаждения и подогрева кокиля, которые также могут быть неотъемлемой частью его конструкции.
Кокили с так называемым "книжным разъемом" на рис. 4.2.1 не приведены, поскольку на универсальных кокильных машинах они практически не применяются.
774
Глава 4.2. КОКИЛЬНЫЕ МАШИНЫ
4.2.2. КЛАССИФИКАЦИЯ КОКИЛЬНЫХ МАШИН
Конструкция кокильной машины зависит от типа формы, числа ее элементов, особенностей технологического процесса изготовляемых отливок и их материалов.
Движения элементов металлической формы при сборке и разборке и выталкивании отливки из формы, т.е. минимально необходимые для реализации технологического процесса, будем называть основными технологическими движениями. Их количество и направления определяются типом кокильной формы (см. рис. 4.2.1, табл. 4.1.1).
Особенностями технологического процесса изготовления отливок из различных сплавов могут быть обусловлены дополнительные технологические движения элементов кокильной формы, важнейшие из них:
перемещения при подготовке под заливку -для окрашивания, визуального контроля и простановки песчаных стержней;
поворот кокиля при заливке;
погружение элементов кокиля в ванну с кокильной краской для окрашивания и охлаждения;
перемещения для удаления отливки из рабочей зоны машины.
Количество и вид технологических движений являются определяющими для конструкций кокильных машин. Разделение машин по этому признаку широко используется при разработке гамм кокильных машин.
Как и другие машины, кокильные машины разделяют по целевому назначению (универсальные или специальные) и структуре.
Схемы машин различных типов приведены в табл. 4.2.1.
КЛАССИФИКАЦИЯ КОКИЛЬНЫХ МАШИН
775
Продолжение табл. 4.2.1
Признак Структура Однопозиционные Многопозиционные
Универсальные машины
2. Для двухэлементных кокилей с горизонтальной плоскостью разъема
С одной подвижной плитой
Карусельные
3. Для трехэлементных кокилей
4. Для многоэлементных кокилей
С несколькими подвижными плитами
X
3 X
5. С поворотом и (или) перемещением полуформ для простановки стержней и удаления отливок
Карусельные
Револьверного типа
ё X
о X о Ч
О
С поворотом одной половины кокиля
776
Глава 4 2. КОКИЛЬНЫЕ МАШИНЫ
Продолжение табл. 4.2.1
Структура
Признак Однопозиционные Многопозиционные
Универсальные машины
х
§
5 *
X
X Ж S
Q V
Э"
£ о
о X X £
X ж
X
6. С поворотом кокиля в одной плоскости
7. С поворотом кокиля в двух плоскостях
Ё X е? о X
§
О
8. С погружением кокилей в ванну для окраски
С поворотом кокилей
Специальные машины
9. Механизированные кокили
С вытряхными кокилями
Со сложными многоэлементными кокилями
Кокильные конвейеры
10. Машины со специфическими движениями для изготовления сложных отливок
Механизированные кокили отличаются от кокильных машин тем, что не имеют плит-формодержателей. Элементы, обеспечивающие направление необходимых движений и крепление приводов, предусматриваются в конструкции самого кокиля. Заменить кокиль можно только на совершенно идентичный, т.е. на кокиль для той же отливки.
Среди кокильных конвейеров известны вертикально-замкнутые с открытыми вытрях
ными кокилями-изложницами для литья чушек и двусторонними кокилями для литья мельничных шаров и аналогичных отливок.
Имеется успешный опыт применения горизонтально-замкнутых кокильных конвейеров для литья фасонных чугунных отливок санитарно-технического назначения [5].
Кокильные конвейеры и некоторые карусельные машины в табл. 4.2.1 отнесены к многопозиционным машинам условно. При непре
ТЕРМОСИЛОВОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ В СИСТЕМЕ ОТЛИВКА - ФОРМА - МАШИНА 777
рывном движении карусели или конвейера они должны быть отнесены к классу роторных и роторно-конвейерных машин и линий по Л.Н. Кошкину [1, 4].
Примером машин со специфическими движениями могут служить кокильные автоматы для литья алюминиевых поршней двигателей внутреннего сгорания. Специфика здесь в движениях элементов разборного стержня, оформляющего внутреннюю поверхность поршня, при его извлечении и "замачивании".
При изготовлении отливок из алюминиевых и магниевых сплавов применяются преимущественно машины без дополнительных технологических движений.
Для получения чугунных отливок предпочтительнее машины с дополнительными движениями для простановки песчаных стержней и поворотом кокилей при заливке.
Для получения отливок из медных сплавов созданы машины с поворотом кокиля при заливке и погружением кокиля (рабочей поверхностью) в ванну для окрашивания и охлаждения.
Дополнительные технологические движения для простановки песчаных стержней и удаления отливки могут применяться на кокильных автоматах, особенно многопозиционных, при изготовлении отливок из любых сплавов.
4.2.3. ТЕРМОСИЛОВОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ В СИСТЕМЕ ОТЛИВКА - ФОРМА - МАШИНА
Металлическая форма не податлива. Отливка может формироваться в условиях, близких к полному торможению усадки. Возникающее силовое взаимодействие отливки с формой вызывает усадочные напряжения и может привести к образованию горячих и холодных трещин в отливке и определяет условия и режимы работы кокильной формы и машины.
В простейшем случае (рис. 4.2.2, а) кокильная форма имеет только охватывающие поверхности, стержней нет. Усадка протекает свободно. Напряжения не возникают, и отливка извлекается свободно. Сила раскрытия кокиля Рк определяется лишь силами трения, обусловленными в основной весом отливки Go.
При наличии металлического стержня (рис. 4.2.2, б) усадка отливки тормозится. На поверхности контакта отливки и стержня возникают контактные напряжения (давление) р, вызывающее появление сил трения при извлечении стержня.
Сила извлечения стержня Рс в начальный момент наибольшая. Ее называют силой подрыва стержня Рпс. В дальнейшем сила Рс быстро уменьшается из-за наличия уклонов стержня.
Рис. 4.2.2. Основные случаи силового взаимодействия отливки с кокильной формой
778
Глава 4.2. КОКИЛЬНЫЕ МАШИНЫ
Рис. 4.23. Кокильная отливка - втулка (а) и характер изменения ее температуры Т и относительной деформации свободной линейной усадки еу (8)
Элементы кокиля, охватываемые отливкой, эквивалентны стержням. Для извлечения из кокиля симметричной отливки с охватывающими поверхностями в обеих половинах кокиля (рис. 4.2.2, в) необходимы силы Pci и Рс2. Если РС| > Рс2, то отливка останется в правой его половине. В этом случае Рс\ будет силой подрыва кокиля Рпк, Рс2 - силой выталкивания отливки Рво.
Если отливка имеет несколько охватывающих поверхностей в одной полуформе (рис. 4.2.2, г), то возникает боковая сила Pg, вызывающая коробление кокиля, а силы РС| и Рс2 определяют общую силу выталкивания отливки Рво.
Боковая сила Pg для центрально симметричной отливки, имеющей только охватываемые поверхности, расположенные в разных половинах формы (рис. 4.2.2, д), становится силой сдвига Рсд полуформ друг относительно друга (Рб = Рсд) и вызывает появление момента М. В результате появляются нагрузки на направляющих и центрирующих элементах кокиля и направляющих машины Рм. Сила подрыва кокиля теперь уже определяется силами Рб иРм.
В общем случае (рис. 4.2.2, е) для реальной отливки имеются все виды сил: боковые Рб и сдвиговые Рсд силы, а также моменты Мх, Му, Мг во всех трех плоскостях декартова пространства.
Внутренние силы р и Рб вызывают деформации формы и обуславливают появление внешних сил Рсд и моментов Мх, Му, Мг. Последние создают внешние нагрузки Рм на эле
менты конструкции кокиля и машины. Внутренние силы определяют силу выталкивания отливки Рво, а вместе с внешними - силу подрыва стержней и кокилей Р^.
Для упрощения здесь не рассматривались тепловые деформации самого кокиля. В действительности при анализе термосилового взаимодействия отливки со стержнем приходится иметь дело с полями температур Т и деформаций е отливки и кокиля, изменяющимися во времени t.
На рис. 4.2.3, б приведено изменение температуры Т в одной из точек отливки. Линейная усадка начинается через некоторое время to после заливки формы при температуре начала линейной усадки То. Она не всегда линейно связана с температурой. Многие сплавы имеют предусадочное расширение. В общем случае коэффициент усадки е const.
Но главную проблему представляет связь напряжений и деформаций в отливке (реологическое уравнение). Отливка при затвердевании находится в двухфазном состоянии и переходит в однофазное состояние с окончанием затвердевания. Для нее присущи все фундаментальные реологические свойства - упругость, вязкость, пластичность.
Однако даже при предложенных реологических моделях сплавов определение изменений размеров отливки оказывается весьма сложным.
Математическую модель термосилового взаимодействия отливки со стержнем можно представить в виде:
ТЕРМОСИЛОВОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ В СИСТЕМЕ ОТЛИВКА-ФОРМА-МАШИНА
779
= /1(е> У* z> Т> О’, (4-2.1) =ф1(е1, г, 0; (4.2.2)
Д<У1Р = ф1(ст1, х, у, z, 0; (4.2.3)
Дб/2Г = /2(«, х> У> z' т> 0; (4-2.4)
ст2 = Ф2(е2, Т, 0; (4.2.5)
Д<У2Р =ф2(ст2> х> У* z> (4-2.6)
£М=°. (4.2.7)
Здесь индекс 1 относится к отливке, 2 - к металлическому стержню (рис. 4.2.3, а). Входящие в систему уравнений (4.2.7) функции определяют: f - свободные температурные деформации отливки и стержня; ф - реологическое поведение материалов отливки и стержня в рассматриваемых условиях нагружения (реологические уравнения), для стержня может быть принят закон Гука а2 = е2Е; ф -деформации отливки и стержня в процессе их силового взаимодействия; ^&dik - алгебраическая сумма температурных и силовых деформаций отливки и стержня при сохранении их контакта.
Система уравнений (4.2.1...4.2.7) должна быть еще дополнена уравнениями тепловых полей в отливке / и стержне 2.
Общее решение задачи, определенной системой уравнений (4.2.1...4.2.7), пока не выполнено. Известны лишь упрощенные решения в предположении идеального упругопластического поведения материала отливки при затвердевании и охлаждении.
Проиллюстрируем протекающие процессы графически (рис. 4.2.4).
Здесь температурное изменение диаметра отливки dlT принято линейным во времени (коэффициент усадки е = const). Кривая diP , представляющая механическое деформирование отливки, отражает обязательное наличие необратимой (остаточной) деформации (пластической и, вероятно, зафиксированной по окончании затвердевания вязко-упругой деформации отливки).
Предполагается прогрев стержня (кривая d2T) теплотой отливки и последующее его охлаждение с отливкой и кокилем. Механическая деформация стержня (кривая d2P) принята упругой.
В соответствии с уравнением (4.2.7) построена кривая изменения диаметра отливки и стержня при их контакте. После образования зазора диаметры отливки и стержня изменяются независимо (участки кривых на рис. 4.2.4 обозначены d\ и d^).
Давление р и обусловленная им сила подрыва стержня Рт изменяются по кривой с максимумом. Поэтому время после которого надо подрывать стержень, должно быть минимальным, допускаемым прочностью отливки. Давление рп и сила Рпс будут также минимально возможными. Для уменьшения Р„. можно использовать ускоренное принудительное охлаждение стержней.
В аварийных случаях, когда стержень по какой-либо причине извлечь не удается, необходимо оставить форму до полного охлаждения.
Образование зазора между отливкой и стержнем на рис. 4.2.4 показано до некоторой степени условно, чтобы подчеркнуть характер протекающих процессов. В действительности возможность образования зазора определяется соотношением температур и коэффициентов линейного расширения отливки (после затвердевания) и стержня. Зазор между отливкой и стержнем может и не образоваться, но значительное уменьшение давления на поверхности контакта отливки со стержнем при полном охлаждении отливки в кокильной форме неизбежно.
Рис. 4.2.4. Схема развития деформаций и сил в процессе термосилового взаимодействия отливки и стержня
780
Глава 4.2. КОКИЛЬНЫЕ МАШИНЫ
4.2.4. ВЫБОР СИЛ ПОДРЫВА ФОРМ И СТЕРЖНЕЙ
Методы выбора сил. Задача определения сил подрыва кокилей и стержней возникает как при выборе моделей или типов машин для изготовления отливок заданной номенклатуры, так и при проектировании машин.
Рассмотрим схему действия сил на элементарной площадке dF конической поверхности отливки в кокильной форме (рис. 4.2.5).
Возникающую на элементарной площадке dF боковой поверхности стержня силу ру торможения усадки можно разложить на нормальную р и тангенциальную pt составляющие, связанные соотношениями:
р = ру cos а,
Pt = ру sin а,
Ртр — JP'
В приведенных формулах: а - угол конусности стержня; Ртр - удельная сила трения на площадке dF, F - площадь силового контакта отливки со стержнем.
После несложных преобразований интегрированием определяется сила Рх, действующая на стержень в направлении оси х (перпендикулярно плоскости разъема кокиля):
Рх = (tga ~f)fp cos adF.
F
Рис. 4.2.5. Расчетная схема к определению силы, действующей на стержень
При tg а =/сила, действующая на стержень Рх = 0, стержень извлекается свободно. Когда tg a > f стержень выталкивается из отливки (Рх > 0). Если tg a < f Рх < 0, и для извлечения стержня необходимо приложить силу Рх = Рпс.
Технологически вряд ли целесообразно препятствовать "подвижкам" элементов кокиля, обусловливаемых усадочными процессами в отливке. Наоборот, часто кокиль "разгружают" по истечении некоторого времени после заливки (снимают силу, удерживавшую кокиль закрытым при заливке металла и в начальной стадии затвердевания отливки) или даже подрывают стержни.
Можно выделить три метода определения сил подрыва кокилей и стержней:
аналитический - приближенные расчетные методы определения давления на поверхности контакта отливки со стержнем, основанные на упрощении реологических моделей сплава отливки, материала стержня, зачастую принимаемых идеально упругими или упругопластическими (для отливок) телами [5];
статистический - для номенклатуры отливок, подобной заданной, собирают данные по параметрам используемых кокильных машин и составляют регрессионные зависимости сил подрыва кокилей и стержней Рп от габаритов или массы отливок т0. По полученным зависимостям выбирают номинальную силу Рп подрыва кокиля или стержня для заданной номинальной массы отливок тион.
Статистический метод оценки необходимой силы подрыва кокилей и стержней весьма полезен и для оценки результатов, полученных другими методами с целью исключения грубых ошибок;
по номограммам - номограммы строят для простейших отливок из конкретных сплавов в реальных технологических условиях. Широко известна номограмма для определения сил подрыва стержней для чугунных отливок при заданных основных технологических параметрах их изготовления [3,5].
По номограмме определяется удельная сила Руд извлечения стержня (сила на единицу площади поверхности силового контакта отливки со стержнем):
Руд ~flP для отливки типа круглой втулки.
КОНСТРУКТИВНОЕ ИСПОЛНЕНИЕ КОКИЛЬНЫХ МАШИН
781
Рис. 4.2.6. Упрощенная схема кокильной машины с двумя подвижными плитами:
1 - станина; 2,9,12 - гидроцилиндры; 3 - неподвижные плиты машины; 4 - направляющие; 5 - подвижные плиты машины; 6 - подвижный металлический стержень; 7 - толкатели; 8 - плита толкателей; 10- поддон (неподвижный элемент) кокиля; 11 - неподвижная плита; 12 - гидроцилиндр
Здесь р - давление на контактной поверхности; /г - коэффициент трения кокильной краски в области рабочих температур кокиля.
При практических расчетах реальную отливку разбивают на элементарные, для которых разработаны [3] методы учета конфигурации, затем полученные результаты суммируют. Правда, этой методикой надо пользоваться очень осторожно.
При проектировании специальных машин необходимые силы подрыва форм и стержней уточняются в процессе опытноконструкторских работ.
4.2.5. КОНСТРУКТИВНОЕ ИСПОЛНЕНИЕ КОКИЛЬНЫХ МАШИН
Основные элементы кокильных машин. На рис. 4.2.6 приведена упрощенная кинематическая схема кокильной машины, отражающая функциональное назначение основных ее элементов. Станина 7, неподвижные плиты 3 и направляющие 4 образуют несущую конструкцию, воспринимающую все нагрузки при работе ее механизмов и обеспечивающую необходимые направления технологических движений. Такую схему силовой конструкции имеют большинство крупных и средних кокильных машин.
Подвижные плиты 5, часто называемые подкокильными или плитами-формодержате-лями, служат для крепления подвижных элементов кокиля, а гидроцилиндры 2 реализуют их перемещение-раскрытие и закрытие кокиля.
Рис. 4.2.7. Технологическая характеристика механизмов кокильных машин
Цилиндры 9 с плитами толкателей 8 и толкателями 7 образуют систему выталкивания отливки.
Гидроцилиндр 72 осуществляет подрыв и извлечение стержня 6. Решение задачи обеспечения неизменного положения отливки и исключения ее повреждения при подрыве кокиля на упрощенной схеме (рис. 4.2.6) не показано.
Основные типы механизмов кокильных машин. Технологически необходимые силы для подрыва и раскрытия кокиля или, другими словами, технологические или нагрузочные характеристики (рис. 4.2.7) являются определяющими для выбора типа и расчетов механизмов кокильных машин. Для этой цели их чаще представляют в координатах PT-s, где РТ - технологически необходимая сила; s - перемещение подвижного элемента при разборке кокиля и выталкивании отливки.
782
Глава 4.2. КОКИЛЬНЫЕ МАШИНЫ
По типу привода механизмы кокильных машин разделяют на пневматические и гидравлические. Основные типы механизмов приведены в табл. 4.2.2.
Пневматические механизмы. Пневмоцилиндры создают относительно небольшие усилия. Как механизмы кокильных машин (см., например, рис. 4.2.6) они имеют рабочую характеристику, не соответствующую технологической (рис. 4.2.7). Поэтому простые пневмоцилиндры в кокильных машинах применяются крайне редко.
Однако простота конструкции, малая стоимость, надежность и безопасность в работе побуждают создавать специальные механизмы. Условно их можно разделить на две группы: с дополнительными усилителями и с несколькими силовыми элементами.
В табл. 4.2.2 обозначены: Р, Рь Р2 — силы, создаваемые цилиндрами; п - число цилиндров выталкивания отливки. Коэффициент к\ учитывает уменьшение эффективной площади
поршня цилиндра из-за собственного штока, коэффициент Л2 - конструктивное исполнение цилиндра и связанные с ним потери, к3 -уменьшение эффективной площади поршня цилиндра из-за штоков обоих цилиндров; pQ -давление в пневмо- или гидроцилиндре. Для поршневого цилиндра к2 « 1, для диафрагменного к2 » 0,8.
Механизмы с рычажными усилителями. Простейшим механизмом из первой группы можно считать механизм выталкивания отливок с рычажным усилителем (табл. 4.2.2).
Сила Ру, передаваемая на плиту толкателей, без учета сил трения определяется соотношением длин плеч рычага а и б.
Механизмы с клиновыми и эксцентриковыми усилителями из-за сложности, высокой стоимости и трудностей в обслуживании в современных кокильных машинах практически не применяются.
4.2.2. Основные типы механизмов кокильных машин
Схема механизма
Сила подрыва
1. Пневмо- или гидроцилиндр, выталкивание отливки по упорам
Лис ~ Ло ~ Р
7uZ2
Р = кхРй^~
2. Рычажный механизм выталкивания отливки
р = р
2 во Л у
КОНСТРУКТИВНОЕ ИСПОЛНЕНИЕ КОКИЛЬНЫХ МАШИН
783
Продолжение табл. 4.2.2
Схема механизма
Сила подрыва
3. Механизм подрыва кокиля со сдвоенным цилиндром
4. Механизм подрыва кокиля с диафрагменным цилиндром
D I I кВ2
h = *2 А) —Г- + *зРо —— 4 4
5. Механизм подрыва кокиля с ударным пневмоцилиндром
Р = р ПК 1 g
t
mN = jfgdt
О
6. Механизм в раздельными цилиндрами перемещения кокиля и плиты толкателей
^пк=^
РЪ=РХ +пР2
784
Глава 4.2. КОКИЛЬНЫЕ МАШИНЫ
Механизмы с ударными пневмоцилиндрами. Принцип накопления кинетической энергии подвижными массами и последующего ее использования для подрыва кокиля реализован в механизме с ударным пневмоцилиндром (табл. 4.2.2).
В этом механизме на штоке пневмоцилиндра закреплена ударная шайба, свободно перемещающаяся в ударной трубке. Ее свободный ход s0 ограничивается внутренним буртиком ударной трубки. Входные каналы пневмоцилиндра имеют увеличенные проходные сечения.
В табл. 4.2.2 Pg - динамическая сила в ударном импульсе; t - время. Одного удара для подрыва кокиля может оказаться недостаточно. Поэтому предусматривается многократное переключение пневмоцилиндра.
Механизмы со сдвоенными цилиндрами. Среди механизмов с несколькими силовыми элементами широкое применение нашли механизмы со сдвоенными цилиндрами разного диаметра dviD.
В этих механизмах полый шток цилиндра большого диаметра D при подрыве кокиля непосредственно воздействует на поршень основного цилиндра диаметром d, передавая созданную силу на его шток. Короткоходовые поршневые цилиндры большого диаметра работают недостаточно надежно из-за перекосов и заеданий. Более надежны в этом смысле диафрагменные цилиндры (табл. 4.2.2).
Гидравлические механизмы. Простые гидроцилиндры могут обеспечить необходимые силы, но Для средних и крупных машин становятся неэкономичными из-за несоответствия рабочей характеристики технологической. Изменением давления рабочей жидкости в гидросистеме (применением насосов переменной производительности, сдвоенных насосов, мультипликаторов) можно приблизить рабочую характеристику механизма к технологической (рис. 4.2.7), т.е. удовлетворить всем предъявляемым требованиям.
Однако на практике применяются более простые решения: использование механизмов с рычажными усилителями, со сдвоенными цилиндрами и раздельными цилиндрами для перемещения подвижных плит и выталкивания отливок. Подрыв кокиля осуществляется одновременным включением основного цилиндра и цилиндров толкателей, т.е. на начальном участке перемещения подвижных плит цилиндры
работают совместно. Контртолкатели при этом фиксируют неподвижное положение отливки и воспринимают часть сил подрыва кокиля.
Подавляющее большинство кокильных машин, выпускаемых в настоящее время различными фирмами, имеют гидравлический привод, и лишь малые машины (машины легких серий), число которых непрерывно сокращается, имеют пневматический привод.
Конструктивные элементы кокильных машин. Станины. Станины кокильных машин изготавливают сварными. На них предусматривают элементы крепления и сопряжения всех агрегатов машины. На станине может монтироваться гидрооборудование, включая гидростанцию (насос или насосы с соответствующей гидроаппаратурой), а внутренняя полость станины может использоваться как бак для рабочей жидкости гидросистемы. Конфигурация станины определяется компоновкой конкретной машины.
Подкокильные плиты или плиты-фор-модержатели. Плиты кокильных машин выполняют коробчатой формы литыми из высокопрочного чугуна (рис. 4.2.8). Их конструкции стремятся унифицировать. В нИх предусматривают приливы (бобышки) под направляющие, конструктивные элементы под крепление механизмов и иных элементов, в том числе аппаратуры управления, защитных кожухов (на рис. 4.2.8 не показаны). В плитах-формодержателях обязательны нормализованные Т-образные (станочные) пазы для крепления элементов кокиля. На них могут также монтироваться стыковочные узлы для подключения системы охлаждения и быстрой смены кокилей.
Направляющие кокильных машин. Направляющие кокильных машин выполняются на основе различных кинематических пар. Из-за возможности попадания капель и сплесков жидкого металла и накопления абразивных частиц стремятся избегать плоских (особенно
Рис. 4.2.8. Подкокильная плита
ТИПАЖ КОКИЛЬНЫХ МАШИН
785
Рис. 4.2.9. Расположение кокильных машин
Рис. 4.2.10. Подвижное соединение направляющей и подкокильной плиты:
1 - подвижная плита; 2 - направляющая; 3 - защитный щиток; 4 - направляющие втулки;
5 - кольцо - "грязесъемник"; 6 - конус; 7 - крышки
горизонтальных, доступных сверху) рабочих поверхностей направляющих. Отчасти поэтому для основных направляющих кокильных машин используют цилиндрические пары скольжения.
Конструктивное исполнение направляющих кокильных машин определяется действующими нагрузками и необходимостью обеспечить доступность кокиля как для ведения технологического процесса, так и при его замене.
Наиболее часто в кокильных машинах используются симметричное расположение основных направляющих машины (рис. 4.2.9). При неподвижных направляющих наилучшие условия обслуживания кокиля обеспечивает их диагональное расположение (рис. 4.2.9, в). При этом направляющие стремятся вынести за границы рабочей плоскости подкокильной плиты (рис. 4.2.8). В этом случае улучшается и распределение осевых нагрузок в направляющих.
Конструктивное исполнение с четырьмя подвижными направляющими скольжения и дополнительной опорой качения (рис. 4.2.9, а) используется для построения агрегатных голо
вок средних и крупных машин; с двумя подвижными симметричными направляющими скольжения (рис. 4.2.9, б) - для верхних (вертикальных) агрегатных головок машин всех типов и горизонтальных агрегатных головок малых машин.
В конструкции подвижных соединений (рис. 4.2.10) предусматривается смазка направляющих (полость между втулками 4 для консистентной смазки) и их защита (щиток 3 для предохранения от прямого попадания брызг металла, стальные закаленные конусы 6 для скалывания затвердевших капель металла и эластичные кольца 5 для удаления пыли и грязи).
Направляющие втулки 4 - бронзовые или стальные закаленные. Рабочие поверхности направляющих хромируют.
4.2.6. ТИПАЖ КОКИЛЬНЫХ МАШИН
Заводы и фирмы, специализирующиеся на выпуске кокильных машин, разрабатывают и выпускают не отдельные машины, а гаммы машин различных размеров и типов.
Для повышения экономичности производства максимально унифицируют детали и
786
Глава 4.2. КОКИЛЬНЫЕ МАШИНЫ
Рис. 4.2.11. Схема агрегатной головки кокильной машины:
1 - неподвижная плита; 2 - гидроцилиндр;
3 - направляющие; 4 - подвижная (подкокильная) плита; 5 - половина кокиля; 6 - дополнительная опора качения
агрегаты машин, объединяя в них все необходимые механизмы и устройства. На рис. 4.2.11 показана предельно упрощенная схема базовой агрегатной головки для построения кокильных машин. Она дает лишь общее представление об объединяемых элементах и их компоновке.
В основу построения гаммы кокильных машин в СССР были положены габаритные размеры кокиля в соответствии с нормальным рядом чисел, определяющие типоразмер машины (табл. 4.2.3).
Во всесоюзном классификаторе продукции, действующем пока и в СНГ, кокильным
машинам отведена восьмая подгруппа. В пятизначном цифровом шифре (обозначении модели машины) две последние цифры указывают типоразмер машины в соответствии с табл. 4.2.3. Две первые - 82 - универсальные однопозиционные кокильные машины.
Машины гаммы завода "Молдавточлит-маш" реализуют только основные технологические движения. Основные принципы построения гаммы - разделение конструкций машин по числу (третья цифра в шифре) подвижных плит (элементов кокиля) и агрегатное построение.
Предусмотрено до пяти подвижных плит, включая подвижный элемент для стержней в нижней плите (например, машина модели 82503 на рис. 4.2.12).
Схема на рис. 4.2.12 предельно упрощена. Она показывает лишь компоновку наиболее сложной машины с пятью подвижными плитами. Более простые модели машин получаются исключением или заменой агрегатных головок. Машина модели 82403 - исключается боковая агрегатная головка 3, упрощается конструкция станины. Машина модели 82303 -исключаются боковая 3 и верхняя 4 агрегатные головки. Машина модели 82103 - дополнительно исключается нижняя головка 7 центрального стержня, агрегатная головка 2 или 6 -заменяется неподвижной плитой (с соответствующим изменением станины).
4.2.3. Основные параметры кокильных машин
Типоразмер Размер кокиля, мм Сила подрыва кокиля, кН Металлоемкость кокиля по алюминию, кг
01 320 х 250 35 -
02 400 х 320 50 -
03 500 х 400 100 16*
04 630 х 500 125 -
05 800 х 630 160 40*
06 1000 х 800 180 -
67** 1250x800 250 80*
07 1250х 1000 - -
08 1600х 1250 - -
* Для гаммы машин завода "Молдавточлитмаш" (г. Тирасполь).
** Дополнительный типоразмер в гамме того же завода.
МАШИНЫ С ДОПОЛНИТЕЛЬНЫМИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ДВИЖЕНИЯМИ
787
Рис. 4.2.12. Схема кокильной машины модели 82503:
1 - станина машины; 2,6 - агрегатные головки основных подкокильных плит; 3 -боковая агрегатная головка; 4 - верхняя агрегатная головка; 5 - траверса крепления верхней агрегатной головки;
7 - агрегатная головка центрального стержня
Кокильные машины могут оснащаться дополнительными агрегатами и устройствами. Наиболее часто - местной системой отсоса воздуха, съемниками отливок, заливочными устройствами.
По аналогичным принципам строят гаммы однопозиционных универсальных машин практически все зарубежные фирмы.
4.2.7. МАШИНЫ С ДОПОЛНИТЕЛЬНЫМИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ДВИЖЕНИЯМИ
Машины с дополнительными технологическими движениями предлагаются на рынке многими фирмами Европы и Америки.
В России их производство организовано не было. Наибольшее распространение получили так называемые поворотные машины. В качестве примера на рис. 4.2.13 приведена схема простейшей поворотной машины, разработанной в ПНР [5]. На сегодня все машины без дополнительных технологических движений (см. табл. 4.2.1) могут быть выполнены поворотными. В базовом варианте машины такого типа фирмы KURTZ (рис. 4.2.14) на поворотной раме 3 смонтированы неподвижная подкокильная плита 7 и основная агрегатная головка 4. Рама 3 поворачивается двумя гидроцилиндрами 2 на угол до 90°. Обе основные подкокильные плиты оснащены механизмами выталкивания отливки 8, которые могут использоваться и как механизмы подрыва и извлечения стержней.
Рис. 4.2.13. Поворотная кокильная машина ("Prosamet Bepes" Польша):
1 - станина; 2 - неподвижная подкокильная плита; 3 - рычаг механизма поворота; 4 - направляющие;
5,7- половины кокиля; 6 - поворотная рама; 8 - подвижная подкокильная плита; 9 - неподвижная плита;
10,12 - гидроцилиндры; / / - механизм выталкивания отливки
788
Глава 4.2. КОКИЛЬНЫЕ МАШИНЫ
Рис. 4.2.14. Универсальная поворотная кокильная машина фирмы KURTZ (ФРГ):
1 - станина, 2 - гидроцилиндры механизма поворота; 3 - поворотная рама; 4 - агрегатная головка основной подкокильной плиты; 5,6- агрегатные головки боковых стержней; 7 - неподвижная (основная) подкокильная плита; 8 - механизм выталкивания отливки
В модификациях машины неподвижная плита 7 может быть заменена на агрегатную головку с уменьшенным ходом подвижной плиты, а также установлены агрегатные головки 5 и 6 боковых стержней и нижнего центрального стержня (на рис. 4.2.14 не показана).
Машину с поворотом кокиля для заливки модели 4953, предназначенную для производства крупногабаритных отливок из цветных сплавов, изготовляет БелНИИлит (г. Минск) [7].
Поворотные машины нескольких типоразмеров выпускают фирмы HALL (США), MBS (ФРГ), MAS (Италия) и KWC Engineering (Швейцария). Обе последние фирмы выпускают и машины с поворотом кокиля в двух плоскостях.
Другой разновидностью машин с дополнительными технологическими движениями являются машины для литья относительно некрупных латунных деталей сантехнических изделий. В них предусмотрен поворот кокиля (в закрытом и открытом состоянии) в нескольких плоскостях и погружение кокиля рабочими поверхностями в ванну с кокильной краской для окрашивания и охлаждения. Такие машины нескольких типоразмеров выпускают [2] фирмы "Escofier" (Франция), IMR и MAS (Италия), KWC Engineering (Швейцария).
В такой машине фирмы IMR (рис. 4.2.15) подкокильные плиты 17 и 15 смонтированы на траверсах 2 и 14 и имеют механизмы поворота (на 90°) вокруг осей zx и z2 перпендикулярных плоскости чертежа. Плита 3, направляющие 10 и 13 и траверса 14 образуют силовую раму
Рис. 4.2.15. Универсальная кокильная машина для литья латунных деталей (фирма IMR, Италия): а - общий вид; б - вид сверху (упрощенная схема)
кокильной секции. Гидроцилиндр 11 перемещает траверсу 2 по направляющим 10 и 13 этой рамы, открывая и закрывая двухэлементный кокиль. Направляющая 13 имеет цапфы подшипников, смонтированных на раме 12. Поэтому вся кокильная секция может поворачиваться на 90° гидроцилиндром 4 вокруг оси х, совпадающей с осью направляющей 13.
В свою очередь рама 12 имеет цапфу опоры 9, смонтированной на фундаментной раме (станине) машины, и может поворачиваться гидроцилиндром 5 вокруг оси у на 90°. На фундаментной раме размещены также двухсекционный бак 16 для кокильной краски, мешалка 7 краски, гидростанция 8, шкаф управления 6 и пульт управления 1.
Выполнение технологических операций: - простановка стержней - кокиль раскрыт, подкокильные плиты параллельны, плоскость разъема кокиля вертикальна или горизонтальна (поворот кокильной секции вокруг оси у). В том же положении машины кокиль собирается (закрывается);
- заливка - при вращении кокильной секции относительно оси у или в любом промежуточном положении (при угле наклона плоскости разъема кокиля от 0 до 96°);
- удаление отливки - раскрытие кокиля при горизонтальном или вертикальном положении плоскости разъема, кокиль за пределами ванны с кокильной краской (кокильная
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
789
секция в положении относительно рамы 72). В этом же положении может производиться необходимая очистка кокиля;
- окрашивание и охлаждение кокиля погружением в ванну с кокильной краской - поворот кокильной секции при раскрытом кокиле вокруг ОСИ X И ПОЛОВИН КОКИЛЯ вокруг осей Z\ и z2.
Машину средних габаритов C55/S фирма IMR предлагает в сдвоенном варианте, а также с заливкой форм под низким давлением, т.е. как установку ЛНД.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Автоматические роторные линии / И.А. Клусов, Н.В. Волков, В.И. Золотухин и др. М.: Машиностроение, 1987.
2. Зарубежные кокильные машины / С.Л. Бураков, В.А. Гуревич, Н.И. Зинкевич и др. // НИИМАШ. Литейное машиностроение. С-IV. Обзор. М., 1972. 63 с.
3. Кокильное литье. Справочное пособие / Н.П. Дубинин, О.А. Беликов, А.Ф. Вязов и др. М.: Машиностроение, 1967. 459 с.
4. Кошкин Л.Н. Роторные и роторноконвейерные линии М.: Машиностроение, 1982.
5. Литье в кокиль / С.Л. Бураков, А.И. Вейник, Н.П. Дубинин и др.; Под ред. А.И. Вейника. М.: Машиностроение, 1980. 415 с., ил.
6. Оборудование для изготовления поршней автотракторных двигателей / М.Н. Чурик, Н.Е. Бондарик, В.Н. Волков и др. И Литейное производство. 1995. № 3. С. 25.
7. Чахович Ф.А., Бондарик Н.Е., Са-доха М.А. Совершенствование технологии и оборудования в цветолитейном производстве И Литейное производство. 1995. № 3. С. 7.
Глава 4.3
УСТАНОВКИ ДЛЯ ЛИТЬЯ ПОД РЕГУЛИРУЕМЫМ НИЗКИМ
ДАВЛЕНИЕМ
4.3.1. ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА
Группу способов литья с применением низкого давления (см. гл. 4.1, рис. 4.1.2) называют [11, 14] литьем под регулируемым низким давлением. В отличие от других способов литья комплекс технических средств для их реализации принято называть установками, а не машинами.
Характерными технологическими особенностями, объединяющими эти способы
литья и определяющими условия формирования отливки.
1. Регулируемая скорость заполнения полости формы (как объемная - подача металла через литниковую систему, так и линейная -скорость металла на выходе питателей или в форме). В методах литья с гравитационной заливкой эта скорость задается расходной характеристикой формы. Здесь же она определяется дополнительно рабочим процессом установки и может изменяться во времени по мере заполнения полости формы. Это приводит к улучшению заполнения форм тонкостенных отливок.
2. Затвердевание отливки под регулируемым, хотя и небольшим давлением, что повышает скорость охлаждения и кристаллизации отливки и ее механические свойства.
3. Направленная (сверху вниз) кристаллизация отливки с питанием снизу через ме-таллопровод. Последнее позволяет во многих случаях отказаться от установки прибылей для питания массивных узлов.
Такое сочетание условий формирования отливки позволяет, во-первых, использовать песчаные стержни и вставки в форме и, во-вторых, получать плотные высококачественные отливки из различных сплавов. Этими способами изготовляют, например, стальные слябы для прокатки листа и вагонные колеса (в графитовых формах), разностенные отливки из алюминиевых и магниевых сплавов типа головок цилиндров двигателей воздушного охлаждения, крупногабаритные тонкостенные отливки ракетно-космической техники, латунные детали сантехнических изделий и др.
Минимальная толщина стенок отливок из алюминиевых и магниевых сплавов - 1,5 мм, из других сплавов - 3 мм [11, 16]. Прочность отливок, например, из сплава А19 повышается (по сравнению с их прочностью при кокильном литье) почти на 20 % в литом состоянии и до 10...12 % после термообработки по режиму Т5 [14].
4.3.2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
Способы литья. Способы литья под регулируемым низким давлением и типы установок можно представить в соответствии с расчетными схемами на рис. 4.3.1.
Литье под низким давлением (ЛНД), при котором давление газарк в камере 5 (рис. 4.3.1, а) равно атмосферному р* т.е.
рк = рл. (4.3.1)
790
Глава 4.3. УСТАНОВКИ ДЛЯ ЛИТЬЯ ПОД РЕГУЛИРУЕМЫМ НИЗКИМ ДАВЛЕНИЕМ
Рис. 4.3.1. Расчетные схемы установок литья под регулируемым давлением (а - газовым; б - с МДН-насосом):
/, 2 - герметизированная печь с тиглем с металлом (а) или печь с МДН-насосом (б); 3 - металлопровод; 4 - форма; 5 - герметизированная камера
Естественно, что в этом случае камера 5 из расчетной схемы (рис. 4.3.1, а) и конструкции установки исключается.
Литье с противодавлением (ЛПрД). В соответствие с рис. 4.4.1, а тигель 1 с металлом и литейная форма 4 изолированы от окружающей среды. Давление газа в печи рп и камере рк больше атмосферного, а заполнение полости формы расплавом и затвердевание отливки происходит при рп > рк
Литье вакуумным всасыванием (ЛВВ). В этих установках рк < р^ а
Рп = Р» (4.3.2)
Необходимость в герметизации печи отпадает. Другой вариант процесса - литье с заполнением формы расплавом вакуумным всасыванием (рк < Ра> Рп = Ра) с последующим повышением давления в печи при затвердевании отливки (рк <р3зрп> Ра)-
Установки такого типа еще не вышли за рамки экспериментальных разработок и опытных образцов.
Схема установки с магнитодинамическим насосом (МДН-насосом) (рис. 4.3.1, б) также обеспечивает несколько вариантов процесса. Практически реализован лишь один - ЛНД, при которомрк= р* т.е. камера 5 исключается. Однако можно представить и вариант ЛНД с вакуумированием формы (рк<Ра) н вакуумное ЛНД (рк < Ра, Рп < Ра) Правда, печь 2 (рис. 4.3.1, б) при этом, конечно, придется герметизировать.
Математическая модель. Математическая модель рабочего процесса установок литья под регулируемым газовым давлением при заполнении полости формы расплавом в соответствии с расчетной схемой на рис. 4.3.1, а записывается в виде системы уравнений [7]:
d2x "d?
1
+
гм ] if .
Рп Рф Рм£>1 1 + р, Iх 2I
(4-3.3)
Фф 1
dt
РфР’м - М./.72гЛ7ф(Рф - Рк) >
= У к/»72^Я7фР«(Рф - Р«) " Р’лрЛ>72«ЯГкР«(Рк - Ра)],
(4.3.4)
(4.3.5)
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
791
dPn .. dt
к
Fn+F.x
P№f^2gRT.Pa(PH~Рп) +^raFc(Tc-Ta)-paFM^- , (4.3.6) AK at
dTn _ Tn dpn + FMpn _ ^др/др (Pm Pn)
dt Pn dp Vn+FMxdt yn+F^
где
Pm
В этой системе уравнений использованы обозначения в соответствии с рис. 4.3.1:
Рп5 Рф5 Рк - абсолютные давления газа в рабочем пространстве печи, форме и камере установки; FM, Fr - площади поперечного сечения металлопровода и зеркала металла в тигле (на рис. 4.3.1 обозначены условно); Ип, Ик и Иф - объемы свободного пространства печи, камеры установки формы, включая ме-таллопровод и литниковую систему; Тп, ТК, 7ф -абсолютные температуры воздуха или газа в печи, камере и форме (температура формы); /в и цв - площадь сечения и коэффициент расхода вентиляционной системы формы; /др. Мдр и /др. М'др - площади сечения и коэффициенты расхода дросселей; S - высота металла в тигле; Ни - высота металлопровода, не заполненного металлом к началу процесса.
Другие обозначения:
х - перемещение расплава в металлопро-воде, отсчитываемое от его начального уровня; t - текущее время; рм - плотность металла; g - ускорение свободного падения; -общий коэффициент гидравлических потерь в металлопроводе; R - универсальная газовая постоянная; к - показатель адиабаты; Тъ - абсолютная температура воздуха или газа в .магистрали; ри - давление воздуха или газа в магистрали; Fc - площадь свободной поверхности футеровки печи; Тс - абсолютная температура стенок футеровки печи; А - термический эквивалент работы; а - коэффициент конвективного теплообмена.
Уравнение (4.3.3) движения расплава в металлопроводе записано на основе уравнения Лагранжа 2-го рода для переменной массы. Вязкость расплава при этом предполагается
постоянной (его температура выше температуры ликвидуса). Для условий движения метала в литниковой системе и полости формы оно должно быть скорректировано с учетом дополнительных гидравлических сопротивлений литниковой системы и формы и условий неразрывности потока.
Термодинамические уравнения (4.3.4 -4.4.6) описывают изменение состояния переменной массы газа в форме 4 (в изотермических условиях), в камере 5 (в адиабатических условиях) и в рабочем пространстве печи 2.
Уравнение (4.3.7) позволяет учесть прогрев поступающего в рабочее прбстранство печи воздуха или газа стенками печи и тигля.
Система уравнений (4.3.3 - 4.3.7) описывает рабочий процесс установок ЛПрД. При ЛНД уравнение (4.3.5) следует заметить равенством (4.3.1), а при ЛВВ необходимо исключить уравнение (4.3.7) и вместо уравнения (4.3.6) использовать равенство (4.3.2).
Для установок с МДН-насосом уравнения (4.3.6) и (4.3.7) должны быть заменены дифференциальным уравнением для давления в расплаве, создаваемого МДН-насосом, при соответствующей заменерп в уравнении (4.3.3).
Система уравнений (4.3.3 - 4.3.7) описывает изменение давлений, в том числе давления в металле в форме по окончании заполнения ее полости до начала кристаллизации (при х = const и соответствующих начальных условиях). Однако оно не отражает динамические пики (толчки) давления в момент окончания заполнения формы, которые из-за значительной массы металла, вовлеченной в движение, могут намного превышать таковые при гравитационных методах литья.
Параметры процесса и устанбвок. Анализ математических моделей, расчеты и результаты экспериментов [7, 9, 13] показывают, что рассматриваемые процессы по своей природе имеют колебательный характер. При
792
Глава 4.3 УСТАНОВКИ ДЛЯ ЛИТЬЯ ПОД РЕГУЛИРУЕМЫМ НИЗКИМ ДАВЛЕНИЕМ
определенных режимах наблюдается ярко выраженная пульсация скорости металла в литейной форме, которая может неблагоприятно сказаться на качестве отливки.
Уменьшить отрицательное влияние колебаний скорости металла можно двумя путями:
- подавлением колебаний, т.е. сведением периодического режима колебаний системы к апериодическому, и использованием для заполнения полости формы первой полуволны колебаний, что приемлемо для невысоких отливок с малым временем заполнения формы;
- снижением амплитуды колебаний скорости металла для высоких и металлоемких отливок.
Увеличение гидравлического сопротивления металлопровода и формы относится к первому варианту борьбы с колебаниями [4].
К снижению пульсации скорости металла при заполнении полости формы приводит увеличение свободного пространства печи или отношения Кп /Кф, отношения F^/F^, площади сечения /др, повышение давления воздуха или газа в ресивере (магистрали).
Для ЛВВ имеет большое значение параметр <о = Нв/в/(Н^р/др), который целесообразно сохранять на уровне 3...5. Параметр Кк / Кф должен быть больше или равен 10 [9].
Необходимые режимы заполнения форм для конкретных отливок и работы установок обычно неизвестны, да и точно определить их заранее пока не представляется возможным. Можно уверенно описать лишь общий характер закономерностей (рис. 4.3.2) и указать допустимые ограничения.
В исходном положении металл заполняет металлопровод на высоту Нн над уровнем расплава в печи при рп = рн . За время tv необходимо, плавно начав движение, заполнить металлопровод и литниковый коллектор 4. Заполнение полости формы, соответствующей отливке 3 высотой Но (участок t2), должно начинаться с минимальной скоростью, чтобы обеспечить сплошной фронт потока и исключить фонтанирование. По мере подъема уровня металла в полости формы скорость металла в форме можно, а для высоких отливок необходимо, увеличивать. При заполнении промыв-ника-прибыли 2 уже необходимо плавное торможение потока, чтобы исключить динамический пик давления в металле в конце заполнения полости формы. Этот пик давления может привести к деформации сырых стержней и механическому пригару стержней, образованию облоя на отливке, а также неблагоприятно сказаться на самой кокильной форме и ее механизмах и металлопроводе.
Рис. 43.2. Схема режима заполнения формы:
/ - лабиринтный гидравлический тормоз; 2 - промывник - верхняя прибыль; 3 - отливка; 4 - литниковый коллектор
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
793
На рис. 4.3.2 кривая перемещения х фронта потока показана условно как интегральная функция от средней (по сечению) скорости потока в металлопроводе dx/dt, что эквивалентно допущению постоянной площади сечения потока по всей высоте металлопровода и формы.
Допустимая скорость потока металла в полости формы должна находится в пределах между минимальными и максимальными значениями и .
Максимально возможное время tx заполнения формы и минимальная скорость потока лимитированы тепловыми условиями литья и должны обеспечивать качественное заполнение формы.
Максимальная скорость ограничивается условиями нарушения сплошности потока vCIUI (или явлениями фонтанирования Уф или захлестывания v3x потока [4]).
Как и в других способах литья скорость успл , при которой нарушается сплошность потока, определяется из выражения
v v
VcIu1=ReKp-®ReKp—,
где Re^ - критерий Рейнольдса, предельно допустимый для конкретных условий; v - коэффициент кинематической вязкости расплава; d - диаметр канала; 5 - толщина стенки отливки в рассматриваемом сечении.
В режиме заполнения формы с монотонно возрастающей скоростью колебательные процессы в установке подавляются.
При выбранном режиме заполнения формы необходимое давление газа рп в печи (рис. 4.3.2) может быть рассчитано по уравнениям (4.3.3)...(4.3.5), а реализовано с учетом уравнений (4.3.6) и (4.3.7).
Кривая х на рис. 4.3.2 одновременно представляет гидростатическое давление рг = pMgr в фиксированном сечении х = О металлопровода. Давление газа в печи - кривая рп на рис. 4.3.2 - изображено в том же масштабе. Оно должно возрастать более интенсивно, чем гидростатическое (обычно ступенчато со скоростями 0,01 ...0,02 МПа/с).
Реализация торможения потока (участок /3) за счет давления газа в печи проблематич
на. Для этого пришлось бы резко снижать давление рп, удаляя газ (воздух) из печи (верхняя часть кривой рп, изображенная тонкой линией). Но даже такое решение может не привести к желаемому результату.
Практически используют другое решение -несколько раньше прекращают подачу газа в печь. Дальнейший рост давления рп в этом случае можно оценить по уравнениям (4.3.6) и (4.3.7). С возникающим динамическим пиком (толчком) давления в конце заполнения формы приходится мириться, а в особо ответственных случаях использовать специальные, например лабиринтные гидравлические тормозные устройства 1 (рис. 4.3.2) в форме.
Избыточное давление газа рзал в печи, соответствующее окончанию заполнения формы, выбирают несколько большим гидростатического (обычно рзал в пределах 0,03...0,05 МПа). При использовании песчаных стержней во избежание механического пригара целесообразна задержка /4 (2...3 с) для формирования затвердевшей корочки металла на поверхности формы. После этого давление может быть быстро повышено до р^ (0,1...0,11 МПа).
По окончании затвердевания отливки (участок t5) давление в печи плавно (со скоростью 0,01 МПа/с) снижают до рн + Др. Это уменьшает амплитуду колебаний и перемешивание сплава при сливе из металлопровода. Приращение начального давления Др необходимо для обеспечения постоянного исходного уровня расплава в металлопроводе с целью сохранения одинаковых условий формирования последующих отливок. Аналогичные приращения должны получать и рзал и р^ .
Если масса отливки мала и понижение уровня металла в печи за один цикл несущественно, то корректировка проводится через несколько циклов.
Начальное давление воздуха в печи может быть равно атмосферному ра (ри -рл = = pMg//H = 0) и может быть выше атмосферного. Уменьшение длины незаполненной части металлопровода Нм (повышение рн и Ни) полезно во многих отношениях: сокращается цикл работы установки (участок tx), уменьша
794
Глава 4 3. УСТАНОВКИ ДЛЯ ЛИТЬЯ ПОД РЕГУЛИРУЕМЫМ НИЗКИМ ДАВЛЕНИЕМ
ется перемешивание металла в тигле, снижается расход газа (сжатого воздуха).
При уменьшении высоты отливки зона t2 с прогрессивным нарастанием скорости потока сокращается. В предельном случае при малой высоте отливок заполнение формы может происходить в режиме течения с малыми скоростями (как на участке tv).
Для реализации выбранного режима заполнения формы при ЛВВ необходимо построить зависимость глубины вакуума в форме ра “ Рф от времени, имеющую тот же вид, что и рп на рис. 4.3.2. Для установок с МГД-насосом вместо давления в печи рп должно быть давление, создаваемое насосом.
4.3.3. КОНСТРУКТИВНОЕ ИСПОЛНЕНИЕ УСТАНОВОК
Принципы построения. Установки литья под регулируемым давлением состоят из комплекса механизмов сборки и разборки форм и извлечения отливок (по конструкции близкого к кокильным машинам - условно по аналогии с многопозиционными кокильными машинами будем называть эту совокупность механизмов кокильной секцией), агрегата заливки -металлораздатчика и системы управления с гидравлическими, пневматическими и электрическими исполнительными устройствами.
Многочисленные конструкции существующих универсальных и специализированных отечественных и зарубежных установок отличаются друг от друга типами и размерами кокильных секций, типами металлораздатчиков и схемами компоновки. Для обслуживания установок обязательны:
- разъединение формы и металлораздатчика (относительное вертикальное перемещение металлораздатчика и кокильной секции на 25...50 мм);
- обеспечение доступа к металлораздат-чику - относительное перемещение кокильной секции и металлораздатчика на расстояние, соизмеримое с габаритными размерами этих агрегатов. Для обеспечения доступа к металлораздатчи-ку применяются:
- поворот кокильной секции в горизонтальной плоскости вокруг внешней оси (установки ЛНД моделей 83105,83107);
- поворот кокильной секции вокруг горизонтальной оси на угол 50...60° (опрокидыва
ние) в установках модели 4297 и английской фирмы Dimo, немецкой фирмы Roperwerk (рис. 4.3.5);
- линейное перемещение кокильной секции (в установках фирмы Plume, Великобритания).
Для тех же целей могут использоваться линейные (выкатывание) или угловые перемещения металлораздатчика в горизонтальной плоскости.
В многопозиционных и специальных установках и комплексах аналогичные перемещения могут быть обусловлены построением технологического процесса.
Основные элементы установок. Механизмы формы. В первых отечественных установках ЛНД моделей ЛНД-1...ЛНД-5, создавшихся для серийного производства деталей авиационной и ракетной техники, кинематика узлов сборки и разборки формы жестко определялась конструкцией кокиля.
В современных установках возможно использование многих типов форм и практически всех универсальных однопозиционных кокильных машин в качестве кокильных секций.
Однако в связи с особенностями компоновки установок возникают и некоторые ограничения:
- исключаются центральные нижние металлические стержни и механизмы их перемещения;
- становятся излишними механизмы поворота форм при заливке;
- нежелательно использование системы толкателей в нижней полуформе.
Тем не менее, некоторые установки (например, фирмы Dimo Великобритания) имеют такую систему. В установках ЛНД НИИТАвтопрома моделей 4545, 4546, 4646 предусмотрено выталкивание отливок из нижней полуформы на дополнительной позиции [8].
Большинство отливок серийного и массового производства изготовляются в двухэлементных металлических формах с горизонтальной плоскостью разъема (с одной подвижной половиной кокиля). Поэтому в большинстве моделей выпускаемых установок используются простейшие механизмы сборки и разборки форм.
Металлораздатчики. Металло-раздатчик состоит из двух основных элементов: герметичной раздаточной печи и металло-провода.
КОНСТРУКТИВНОЕ ИСПОЛНЕНИЕ УСТАНОВОК
795
Печи. В современных установках используют тигельные и ванные электрические печи отражательного типа. В тигельных печах предусматривают силовую разгрузку тигля, т.е. герметизируют кожух печи с тем, чтобы давление газа было одинаковым на внешних и внутренних стенках тигля ("уравновешенный тигель").
Используют стальные сварные, чугунные литые и более дорогие графитовые и графитошамотные тигли. Металлические тигли защищают от взаимодействия с жидким металлом различными покрытиями. Наибольшее распространение получила краска состава (в масс, долях): оксида цинка -50, отмученного мела -50, жидкого стекла -5, воды -100 [2]. Правильно нанесенное покрытие выдерживает 10... 15 смен работы. Футерованные тигли и ванны имеют большую стойкость.
Установки со сменными тиглями предпочтительнее в условиях частого перехода на другие марки сплава.
В конструкциях металлораздатчиков всех типов с рабочим давлением газа выше атмосферного обязательно наличие предохранительного клапана, исключающего аварийное повышение давления. В тигельных печах, кроме того, предусматриваются дополнительные полости в футеровке днища печи и специальные люки для удаления металла в случае аварийного разрушения тигля.
МДН-насосы. Печи канального типа в металлораздатчиках применения не нашли. В последние годы стали использоваться разработанные на их основе магнитодинамические насосы (МДН-насосы) [12].
В таком насосе типа МДН-6 (рис. 4.3.3) жидкий металл заполняет рабочую полость 7 печи, горизонтальные 3 и 11 и вертикальные 8 каналы и металлопровод 6 (до уровня металла в печи). Вертикальные каналы 8 проходят внутри магнитопроводов 4 и 10 двух индукторов (обмотки индукторов 9).
Участок соединения каналов расположен в зазоре сердечника 1 (между полюсами электромагнита). При включении обмоток индукторов в сеть переменного тока в замкнутой электрической цепи, образованной жидким металлом в каналах и ванне печи, возникает электрический ток. Силы его взаимодействия с магнитным потоком электромагнита создают давление в металле в каналах и металлопроводе.
Наличие двух индукторов с раздельным управлением и электромагнита позволят получать три режима работы:
Рис. 4.33. Схема магнитодинамического насоса типа МДН-6:
1 - сердечник электромагнита; 2 - обмотка электромагнита; 3,11 - боковые каналы;
4,10- сердечники индукторов боковых каналов;
5 - крышка печи; 6 - металлопровод; 7 - ванна жидкого металла; 8 - вертикальные каналы;
9 - обмотки индукторов
- насоса. При синфазном включении индукторов и электромагнита металл из печи по боковым каналам поступает в центральный канал - металлопровод под некоторым давлением. Его величина определяется электрическими параметрами индукторов и электромагнита.
- стопора. При реверсивном включении электромагнита направление движения металла изменяется на обратное. Соответствующим выбором режимов работы индукторов и электромагнита можно поддерживать необходимый уровень металла в металлопроводе (ниже уровня металла в печи).
- хранения. При противофазном включении индукторов через металл в каналах протекает удвоенный ток, а металл циркулирует в замкнутом контуре, поступая из ванны печи через один боковой канал и возвращаясь в нее чрез другой. Выбором режима работы индукторов можно обеспечить необходимую температуру металла в ванне печи.
Режим "стопора" является хорошей предпосылкой создания установок ЛНД с вакуумированием форм.
Металлопроводы. Металлопровод вместе с литниково-питающей системой отливки образуют гидравлический канал, обеспечивающий необходимый режим заполнения
796
Глава 4.3. УСТАНОВКИ ДЛЯ ЛИТЬЯ ПОД РЕГУЛИРУЕМЫМ НИЗКИМ ДАВЛЕНИЕМ
полости формы и питание отливки во время ее затвердевания. В его верхней части затвердевает прибыльный остаток. Для свободного удаления остатка вместе с отливкой верхняя часть канала, оформленная на рис. 4.3.4, а литниковой втулкой 3, выполнена конической. Корочка затвердевшего металла не должна выходить за пределы втулки. Эта задача решается выбором теплового режима работы ме-таллопровода.
В первых конструкциях установок [1] верхняя часть основного металлопровода 1 выполнялась с обратным конусом для улучшения условий его очистки, особенно в аварийных условиях. Для уменьшения отвода тепла от жидкого металла толщина стенок металлопровода в этой зоне выбирается уменьшенной (2...3 мм для стальных, 7... 10 мм для чугунных). Необходима тепловая изоляция металлопровода от наружного кожуха крышки печи. Возможно также применение футерованных стаканов 7 (рис. 4.3.4, в) и дополнительного электрического обогрева (рис. 4.3.4, б).
Рис. 43.4. Схемы конструкций металлопроводов: а - металлический без подогрева; б - с дополнительным электрическим обогревом; в - с футерованным стаканом; г - керамический; 1 - основной металлопровод; 2 - крышка печи; 3 - литниковая втулка; 4 - металлическая форма; 5 - нагреватель; 6 - изоляционный кожух; 7 - футерованный стакан;
8 - футерованная обойма; 9 - сменный стакан из огнеупорного материала; 10 - крепежный фланец
Герметизация стыков металлопроводов осуществляется обычно асбестовыми уплотнениями. Хорошие результаты дает применение асбестовых колец в тонкостенной оболочке из мягкой нержавеющей стали.
Дополнительно к металлопроводам предъявляются требования:
- химическая устойчивость в средах металлических и шлаковых расплавов;
- жаростойкость и жаропрочность при рабочих температурах и давлениях изготовления отливок;
- удобство и быстрота замены;
- технологичность изготовления.
При литье алюминиевых сплавов чаще всего используют металлопроводы из хромо-алюминиевого жаростойкого чугуна [2]. Применяют также стали и титановый сплав ВТ 14. Металлопроводы подвергают специальной термообработке и покрывают меловыми или асбестомеловыми покрытиями [11].
Металлопроводы можно изготовлять и из неметаллических материалов, инертных к алюминиевым сплавам: карборунда, специального графита, силиконо-карбида [2], стекловидного кремнезема [15] и др.
При литье высокотемпературных сплавов (медных, чугуна) приходится использовать металлопроводы из неметаллических материалов, в частности графито-шамотные трубы. Изделия из этого материала плохо переносят резкие смены температуры, хрупки и газопроницаемы, что требует их специального конструктивного оформления, например, с использованием сменного стакана 9 из огнеупорного материала (рис. 4.3.4, г).
Зазор между нижним торцем металлопровода и дном тигля или ванны печи принимают равным 50...60 мм, чтобы предотвратить попадание в отливку неметаллических включений, оседающих на дно, особенно при литье сплавов алюминия.
В современных установках возможно использование двух или нескольких металлопроводов для питания массивных узлов отливки. Отверстия в крышке печи под неиспользуемые металлопроводы закрываются заглушками. Возможно также использование промежуточной плиты с несколькими металлопроводами, под которую в крышке печи выполняется специальное окно.
Установки ЛНД. Особенности процесса и установок с газовым давлением. Основную долю отливок, изготовляемых
КОНСТРУКТИВНОЕ ИСПОЛНЕНИЕ УСТАНОВОК
797
ЛНД, составляют отливки из алюминиевых и магниевых сплавов. Реже изготовляют отливки из медных (латуней и бронз) и чугуна [12]. В характерную для ЛНД номенклатуру отливок входят:
- отливки, к которым предъявляются повышенные требования по плотности, герметичности и прочности (рабочие колеса и корпусные детали гидравлических машин и устройств, лодочных моторов, диски автомобильных колес и т.д.);
- протяженные тонкостенные отливки (оболочковые корпусные отливки, роторы электродвигателей, выпускные коллекторы и др.);
- разностенные отливки с тепловыми узлами, питание которых может быть обеспечено одним или несколькими металлопрводами (блоки и крышки цилиндров, картеры и др.).
Рис. 43.5. Схема универсальной установи ЛНД типа ND 14.10 фирмы ROperwerk (ФРГ):
/ - неподвижная плита; 2 - подвижная подкокильная плита; 3 - съемник отливок; 4 - агрегатные головки боковых стержней; 5 - неподвижная подкокильная плита, 6 - металлора^датчик; 7 - механизм подъема печи; 8 - цилиндры механизма поворота кокильной секции; 9 - рама-станина
Максимальное избыточное давление воздуха в печи при заполнении формы расплавом обычно не превышает 0,03...0,05 МПа. В период кристаллизации его повышают до 0,1 ...0,11 МПа.
Емкость печей универсальных установок в 10... 12 раз превышает наибольшую массу изготавливаемых отливок.
Основные агрегаты универсальных установок ЛНД показаны на рис. 4.3.5 на примере установки фирмы Roperwerk (ФРГ). Здесь неподвижная половина кокиля крепится на нижней плите-формодержателе 5. Металлораздат-чик 6 прижимается к форме механизмом подъема печи 7 (четыре винтовых пары с приводом от одного электродвигателя через три синхронизирующих вала).
Для обслуживания металлораздатчика верхняя часть установки (кокильная секция) поворачивается гидроцилиндрами 8 вокруг горизонтальной оси (опрокидывается). Подвижная половина кокиля закрепляется на плите 2. На ней же смонтирован и механизм выталкивания отливки (на рис. 4.3.5 не показан). Подвижная плита 2 с полуформой перемещается гидроцилиндром, установленным на неподвижной плите 1. Отливка выталкивается из верхней полуформы на приемное устройство съемника 3, который выносит ее из рабочей зоны установки. В нижней части кокильной секции на направляющих смонтирована рама с четырьмя агрегатными головками 4 боковых элементов (стержней) кокильной формы.
Последовательность операций технологического процесса на установке иллюстрирует рис. 4.3.6.
Заполнение формы осуществляется при ступенчатом повышении давления рп в печи. Максимальное давление рп = 0,1 МПа. Начальный уровень жидкого металла в металлопроводе поддерживается постоянным за счет повышения исходного давления в печи на необходимую величину Др после каждого цикла.
Универсальная установка ЛНД модели 83105 (АЛУГ-1) завода "Молдавточлитмаш" (рис. 4.3.7) имеет герметизированную электропечь 2 сопротивления с уравновешенным тиглем / емкостью 150 кг.
Кокильная секция здесь приподнимается и поворачивается механизмом 9 вокруг основной колонны на 90°. В установке используются простейший механизм 8 разборки кокиля и механизм выталкивания отливки по упорам. Верхняя часть металлопролвода 3 имеет дополнительный электрический подогрев.
798
Глава 4.3. УСТАНОВКИ ДЛЯ ЛИТЬЯ ПОД РЕГУЛИРУЕМЫМ НИЗКИМ ДАВЛЕНИЕМ
Рис. 4.3.6. Операционный цикл установки ЛНД
В установках модели 83107 металлораз-датчик опирается на ролики и выдвигается, поворачиваясь вокруг основной колонны на 90...110° [10].
В установках ЛНД с ванными электропечами (рис. 4.3.8) металлораздатчик, как правило, выполняют стационарным, а перемещают кокильную секцию, например, поворотом вокруг вертикальной оси. В таких установках облегчается пополнение печи 1 металлом через герметичный люк 2 выносной горловины печи. Однако для слива остатков металла и очистки печи при длительных остановках металлораз-датчики с ванными печами (установки моделей
4545С, 4546, 4654, 4646) оснащают механизмами наклона.
Установки с МДН-насосами. Использование МДН-насосов в качестве метал-лораздатчиков дает ряд преимуществ и открывает новые возможности:
- не требуется герметизация металлораз-датчика;
- улучшаются условия регулирования температуры жидкого металла, появляется возможность литья медных сплавов;
- повышается точность выполнения выбранных режимов заполнения полости формы.
КОНСТРУКТИВНОЕ ИСПОЛНЕНИЕ УСТАНОВОК
799
Рис. 43.7. Схема установки модели ЛНД 83105: 1 — тигель с расплавом; 2 - печь сопротивления;
3 - металлический металлопровод; 4 - нижняя полуформа; 5 - съемник отливок; 6 - верхняя полуформа; 7 - толкатели; 8 - гидроцилиндр перемещения подвижной полуформы; 9 - механизм подъема и поворота кокильной секции
Давление в металле, созданное МДН-насосом, кроме постоянной имеет переменную составляющую (с удвоенной частотой питающей сети). Последняя способствует улучшению питания затвердевающей отливки [8].
Однако возникает и ряд трудностей и недостатков: необходимость уплотнения двух стыков металлопровода (с формой и центральным каналом насоса), сложность обслуживания, меньшее давление в металле при затвердевании отливки.
В установке ЛНД с МДН-насосом модели ЛЭМД-002 для литья алюминиевых сплавов (рис. 4.3.9) металлораздатчик 1 выполнен вы-катным, а кокильная секция - поворотной вокруг горизонтальной оси.
Механизм перемещения подвижной подкокильной плиты 6 пневматический, механизм выталкивания отливки - с рычажным усилителем. Максимальное давление металла 0,05 МПа.
Типаж установок ЛНД. Во всесоюзном классификаторе продукции установки ЛНД вместе с кокильными машинами отнесены к восьмой подгруппе и имеют ту же структуру обозначения моделей, например, 83107 -универсальная однопозиционная установка ЛНД для двухэлементных кокилей с горизонтальной плоскостью разъема с одной подвижной
Рис. 433. Установка ЛНД с ванной электропечью сопротивления:
1 - сварной кожух печи; 2 - крышка горловины печи; 3 - рама кокильной секции; 4— направляющие; 5 - металлическая форма; 6 - подвижная траверса; 7 - неподвижная траверса; 8 - гидроцилиндр;
9 - упоры плиты толкателей; 10 — металлопровод с электроподогревом; 11 - механизм съема отливок;
12 - склиз для удаления отливок
800
Глава 4.3. УСТАНОВКИ ДЛЯ ЛИТЬЯ ПОД РЕГУЛИРУЕМЫМ НИЗКИМ ДАВЛЕНИЕМ
Рис. 4.3.9. Установка ЛНД модели ЛЭМД-002 с МДН-насосом:
1 - выкатной металлораздатчик;
2 - металлопровод; 3 - металлическая форма;
4 - рычажный механизм выталкивания отливки;
5 - пневмоцилиндр; 6 - магнитодинамический насос МДН-6А
плитой типоразмера 07. Однако созданные ранее и разработанные организациями, не входившими в Минстанкопром, модели имеют другое обозначение. Кроме того, многие установки создавались для узкой номенклатуры отливок и потому имели размеры кокиля, не соответствующие нормализованному ряду.
Обзор основных моделей отечественных установок ЛНД с газовым давлением, систематизированных по габаритам применяемой оснастки, приведен в табл. 4.3.1.
В верхней части таблицы приведены максимальные размеры оснастки установок АО НИИТавтопром. В гамме не использованы типоразмеры 03 и 06 нормализованного ряда. Поэтому в табл. 4.3.1 не вошли известные установки моделей 83103 и 83106. Из табл. 4.3.1 следует, что почти 80 % моделей установок относятся к 05...08 типоразмерам (наибольший размер кокиля от 630 до 1250 мм). Основные параметры установок ЛНД приведены в табл. 4.3.2 и 4.3.3.
Установка модели 31234 имеет два ме-таллопровода и позволяет размещать два разных кокиля для мелких отливок. Возможна как одновременная, так и последовательная заливка форм. Имеется возможность подавать газ под давлением в прибыли, питающие верхние части отливки.
4.3.1. Основные типы установок ЛНД
Технические параметры Значение параметров, модели ЛНД
Габариты оснастки, не более, мм 200 х 160 400 х х 320 х х 250 630 х х 500 х х 400 800 х х 630 х х 630 1250 х х 1000 х х 800 1600 х х 1250х х 1000
Порция сплава, кг 1 10 16 25 40 50
Модели установок ЛНД 4197* (А) 4214* (А) 4646 (А) 83305, в(Т) 4654 (А) 4209* (А)
- 4297* (А) 4673 (А) 83245, в(Н) 4675 (А) 7733* (А)
- - 83104, г(Н) 59У44, в(Н) 4188* (А) 9969-213
- - 83234, в(Н) АЛУГ2, г(Т) 83107, г(Т) -
— — ЛАУНД-23 46117 88307 —
- - - 46217 9969-184 -
- - - 83105 (Т) 9969-214 -
* Разработка АО НИИТавтопром с поддержанием постоянного уровня сплава в металлопроводе. (А) -разработка АО НИИТавтопром; (И) - разработка СКТБ ИПЛ (Киев), СКТБТЛ (Тирасполь); (Н) - разработка НИИСЛ (Одесса); (Т) - разработка СКБТЛ (Тирасполь). Индексами “г” и “в” обозначены горизонтальная и вертикальная плоскости разъема кокиля. Установки (И), (Н), (Т) изготовляет АО Молдавточлитмаш (Тирасполь), подчеркнутые модели - НПП Институт БелНИИлит (Минск). Порция сплава дана для Al-сплавов.
КОНСТРУКТИВНОЕ ИСПОЛНЕНИЕ УСТАНОВОК
801
4.3.2. Технические характеристики установок ЛНД производства АО Молдавточлитмаш (г. Тирасполь)
Параметр Модель
83105 (ЛА-01) 83106 (59У66) 83107 (АЛУГ 3) 81234 (АЛУ-1М) 83305 (АЛУ-03)
Тип разъема формы Горизонтальный Вертикальный с верхней плитой
Размеры плит, мм:
верхних 630 х 500 1000 х 800 1250 х 1000 630 х 400 800 х 500
боковых - - - 630 х 400 800 х 500
Расстояние между пли-
тами, мм:
верхней и нижней 700/200 630 300, 500, 700 - -
боковыми - - - 450 500
Ход плит, мм:
верхней 500 700 400 420
боковых - - 500 500
Сила, кН:
открытия, закрытия 150/150 200 90/120 200 200
подрыва - 400 400 300 200...300
выталкивания 150 - 350 90...150 -
Вместимость печи по сплаву А1, кг 180 200 300 320 320
Установленная мощность, кВт 31,5 - 38 38 30
Время холостого хода, с 15 - 60 50 45
Габаритные размеры, 3300 х 3000 X 3300 х 4500 х 3020 х
мм х 1850 х х 2500 х х 1850х х 1700 х х 1600 х
х 3700 х 3840 х 3700 х 3420 х 2500
Масса, кг 10 500 15 500 10 500 13 000 9200
26-819
802
Глава 4.3. УСТАНОВКИ ДЛЯ ЛИТЬЯ ПОД РЕГУЛИРУЕМЫМ НИЗКИМ ДАВЛЕНИЕМ
4.3.3. Технические характеристики установок, выпускаемых НПП БелНИИлит (г. Минск)
Параметр Модель
4673 4654 46217 4675
Максимальные габариты кокилей, мм 500 х 500 х 160 800 х 1000 х 320 800 х 1000 1000 х 1200
Сила раскрытия кокиля, кН 90 150 310 200
Вместимость печи по сплаву А1, кг 150 250 300 300
Давление воздуха в печи, МПа 0,01...0,07 0,01...0,07 0,01...0,07 0,01...0,07
Время холостого хода, с 27 32 39 23
Габаритные размеры, мм 3500 х х 2300 х 4000 3700 х х 3400 х 4240 3500 х х 2500 х 500 4100 х х 3800 х 4500
Масса, кг 3800 11 300 15 500 13 000
Специализированная установка модели АЛПМ предназначена для изготовления поршней диаметром до 150 мм и высотой до 200 мм в двухместных формах.
Установки ЛПрД. Особенность ЛПрД состоит в том, что заполнение формы и затвердевание отливки происходят при всестороннем газовом давлении, превышающем атмосферное (см. рис. 4.3.1, а). При этом подавляется выделение растворенных в металле газов (образование газовых пузырьков), на 10...20 % сокращается время затвердевания отливки, а ее плотность и физико-механические свойства повышаются. Наиболее эффективен рассматриваемый метод литья для изготовления толстостенных отливок с массивными рассредоточенными тепловыми узлами. Рекомендуемая толщина стенки 10 мм и более.
При практической реализации процесса в печи 2 и камере 5 (рис. 4.3.1, а) создают одинаковые избыточные давления 0,04...0,12 МПа. Меньшие значения давлений используют при наличии песчаных стержней.
Затем давление в печи повышают до необходимого в соответствии с выбранным режимом заполнения формы (рис. 4.3.2). По окончании заполнения формы давления в печи и камере повышают до 0,4...0,6 МПа, сохраняя их перепад несколько большим гидростатического давления. После затвердевания отливки давление газа в печи и форме плавно понижают до атмосферного.
Промышленное оборудование для этого способа литья выпускает фирма “Технология металлов'* (г. Плевен, Болгария). Разъем форм горизонтальный. Технические характеристики установок приведены в табл. 4.3.4.
При сборке кокиля герметичную камеру формы образуют подвижная подкокильная плита 6 (рис. 4.3.10) с закрепленным на ней кожухом 5 и неподвижная подкокильная плита.
Разъемное соединение кожуха 5 с неподвижной плитой должно обеспечивать необходимую герметизацию камеры.
Для конкретной номенклатуры отливок на базе этих установок создаются автоматические комплексы.
Установки ЛВВ. Для ЛВВ характерно улучшение заполняемости форм жидким металлом, что позволяет получать особо тонкостенные отливки.
Печь с жидким металлом здесь не герметизирована, что упрощает конструкцию и обслуживание установок. Однако это ухудшает условия длительного хранения расплавов и не позволяет поддерживать уровень расплава в металлопроводе постоянным. Он будет понижаться по мере расхода металла из металлораз-датчика.
Предпочтительной номенклатурой для этого способа являются различные колеса вентиляторов и компрессоров с прямыми и изогнутыми лопатками толщиной 0,7... 1,0 мм [4, 7] и подобные детали. Основной фактор,
КОНСТРУКТИВНОЕ ИСПОЛНЕНИЕ УСТАНОВОК
803
4.3.4. Технические характеристики установок ЛПрД
Параметры Тип
ВП250 ВП400 ВП630 ВП1000
Размеры плит, мм 625 х 1025 700 х 1250 900 х 1600 1100х 1600
Расстояние между колоннами, мм 500 х 1000 550х 1100 700 х 1400 900 х 1400
Ход, мм: выталкивателей подвижной плиты 100 600 125 800 125 900 150 1000
Сила, кН; запирания выталкивания 480 160 700 300 1200 400 1200 600
Вместимость тигля, кг (А1) 80 180 300 300
Мощность, кВт: печи двигателя 16 7,5 21 13 27 17 27 24,5
Габаритные размеры, мм 4300 х 2800 х х 4000 4500 х 2750 х х 4850 4900 х 3370 х х 5660 4750 х 3490 х х 5470
Масса, кг 7000 1000 12 000 17 000
Рис. 43.10. Установка литья с противодавлением типа ВП-1000:
1 - тигельная печь; 2 - металлопровод; 3 - литейная форма; 4 - съемник отливок; 5 - герметичный кожух;
6 - подвижная плита; 7 - направляющие; 8 - траверса с гидравлическими механизмами перемещения формы и удаления отливок
определяющий динамику рабочего процесса (см. рис. 4.3.1, а), С0 = Цв/,/(ц^Д>). При со < 3 создается опасность фонтанирования металла в форме, при со > 5 возникает пульсация металла в форме, условия заполнения тонких сечений отливок ухудшаются. Оптимальная скорость заполнения тонких лопаток приблизительно 0,5 м/с. Установки ЛВВ обычно снабжают вакуум-ресивером. Отношение объема ресивера Кр к объему камеры VK должно быть 9... 10 [9]. Остаточное давление 0,01 МПа.
Первые установки ЛВВ предназначались для литья слитков из цветных (в основном медных) сплавов. В полости погруженного в расплав кристаллизатора создают разряжение, жидкий металл заполняет кристаллизатор на высоту, пропорциональную степени разряжения. После затвердевания отливки кристаллизатор извлекают из ванны металла, его рабочую полость сообщают с атмосферой, и слиток выпадает из него в приемное устройство.
На таких установках (модели ЛВП-2, ЛВЧ-2) получают слитки диаметр 35... 120 мм длиной до 1 м [6].
26”
804
Глава 4.3. УСТАНОВКИ ДЛЯ ЛИТЬЯ ПОД РЕГУЛИРУЕМЫМ НИЗКИМ ДАВЛЕНИЕМ
Рис. 43.11. Схема установки ЛВВ:
1 - печь сопротивления; 2 - металлопровод; 3 - позиция разборки формы; 4,6-пневмоцилиндры механизмов разборки формы; 5 - колонна металлоконструкции; 7 - распределитель;
8 - пневмоцилиндр прижима вакуумной камеры; 9 - вакуум-ресивер; 10 - вакуумная камера,
11 - вакуумметр; 12 - вакуумный насос
В более универсальном варианте (рис. 4.3.11) при заливке литейная форма устанавливается на металлропроводе 2 в вакуумной камере 10. Форма при этом, в принципе, может быть из любого материала. Имеются установки с диаметром вакуумной камеры 300...500 мм (Челябинский тракторный завод. Алтайский моторный завод [9]).
Комбинированные установки. В универсальных кобинированных установках [5, 14] реализуется общая схема процесса литья под регулируемым газовым давлением (рис. 4.3.1, а). К этому классу относятся установки моделей ВЛМ-1500 (для песчано-глинистых форм [9]) и ВИД-13 (для металлических форм [5]).
На базе наиболее распространенной у нас установки ЛПрД типа ВП-1000 разработана установка [5], имеющая дополнительно вакуумный модуль, состоящий из вакуум-насоса производительностью 59 л/с, вакуум ресивера объемом 2,5 м3 и аппаратуры системы управления.
В камерах установки можно создать давление до 1,0 МПа или разряжение с остаточным давлением до 0,01 МПа. Изменение скорости нарастания давления возможно в пределах 0,0015...0,025 МПа/с, без ресивера -0,0045...0,002 МПа/с.
Использование универсальной установки позволяет повысить коэффициент загрузки установки ВП-1000 с 0,2...0,4 до 0,7...0,8. При этом с применением вакуумного модуля изготовляют приблизительно 15 % всех отливок, ЛПрД - около 10... 15 %, ЛНД - около 70...75 % [5].
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бедель В.Н., Тимофеев Г.И. Литье под низким давлением. М.: Машиностроение, 1968. 259 с.
2. Бедель В.К. Что препятствует широкому промышленному применению литья под низким давлением // Литейное производство. 1987. №12. С. 16-18.
3. Беляев В.М., Рожнов С.П. Установки литья прд низким давлением И Литейное производство. 1997. № 10. С. 26 - 27.
4. Борисов Г.П. Давление в управлении литейными процессами. Киев: Наукова Думка, 1988. 272 с.
5. Демченко Г.П., Шестаков Н.В., Володин Н.В. Универсальное оборудование для литья под регулируемым газовым давлением // Литейное производство. 1992. № 11. С. 24 - 26.
6. Ксенофонтов Б.М. Литье методом вакуумного всасывания. Москва - Свердловск: Машгиз, 1962. 167 с.
ТИПЫ ПРЕССОВ И МАШИН
805
7. Майоров В.Н. Динамика заполнения форм с использованием низкого давления // Литейное производство. 1980. № 4. С. 24 - 26.
8. Новиков В.П. Литье под низким давлением. М.: НИИТАвтопром, 1978. 63 с.
9. Рыжков Н.Ф., Гини Э.Ч. Литье методом вакуумного всасывания. М.: Машиностроение, 1982. 96 с.
10. Сафонов В.Я. Справочник по литейному оборудованию. М.: Машиностроение, 1985.320 с.
11. Специальные способы литья: Справочник / В.А. Ефимов, Г.А. Анисович, В.Н. Бабич и др.; Под общ. ред. В.А. Ефимова. М.: Машиностроение, 1991. 734 с.
12. Фиксен В.Н., Полищук В.П. Особенности литья под электромагнитным и газовым регулируемым давлением И Литейное производство. 1989. № 8. С. 18 - 19.
13. Чуркин Б.С. Расчет оптимальных параметров заливки форм под регулируемым перепадом давлений // Литейное производство. 1988. №1.
14. Шестаков Н.В., Рускол В.И., Крупнов Л.Н. Литье под регулируемым давлением в современных условиях И Литейное производство. 1993. №6. С. 27-28.
15. Apport des pices moulees de silica vit-reuse aux industries de le fonderie moulage en basse - Preston I I Hommes et fonderie. 1992. №224. S. 49.
16. Succestechnologique et commercial pour le proupe Valois sur marche american I I Hommes et fonderie. 1992. №228. S. 65.
Глава 4.4
МАШИНЫ ДЛЯ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ
При литье под давлением (ЛПД) металлический расплав заполняет пресс-форму и затвердевает в ней под высоким давлением. Этим способом изготавливают сложные тонкостенные отливки в основном из алюминиевых, магниевых, цинковых, медных, оловянных и свинцовых сплавов. Имеется опыт получения отливок из стальных и титановых сплавов. Способ позволяет получать отливки с припусками на механическую обработку не более
0,2...0,5 мм или вообще отказаться от них, с шероховатостью поверхности Ra = 0,2...2,5 мкм и с точностью размеров не хуже 8... 12 квалитета [1,2, 3].
4.4.1. ТИПЫ ПРЕССОВ И МАШИН
На практике наибольшее распространение получили три основные схемы процесса ЛПД и соответственно три типа машин.
Первая - ЛПД на машинах с холодной горизонтальной камерой прессования (рис. 4.4.1). Пресс-форма, состоящая из неподвижной 1 и подвижной 2 полуформ, закреплена на неподвижной 3 и подвижной 4 плитах машины. Расплав через окно 6 заливается в камеру прессования 5, расположенную горизонтально относительно оси машины и перпендикулярно плоскости разъема пресс-формы. Прессующим поршнем 7 через питатель 8 расплав подается в формообразующую полость пресс-формы и кристаллизуется в ней под давлением. После кристаллизации отливки пресс-форма раскрывается. Отливка 10 при этом извлекается из неподвижной полуформы 2, а пресс-остаток 9 выталкивается поршнем 7 из камеры прессования 5. Отливка 10 остается в подвижной полуформе 1 до конца хода плиты 4. После полного раскрытия пресс-формы отливка 10 вместе с пресс-остатком 9 выталкивается из подвижной полуформы толкателями 77, которые приводятся в действие выталкивающим устройством 72 машины. Поршень 7 возвращается в исходное положение.
Вторая - ЛПД на машинах с холодной вертикальной камерой прессования (рис. 4.4.2). Расплав заливается в камеру прессования 5, снабженную контрпоршнем 73. Прессующий поршень 7 входит в камеру прессования 5 и создает давление на расплав. При этом контрпоршень 73 опускается вниз и открывает отверстие 14 в литниковой втулке, расплав поступает в формообразующую полость пресс-формы. После затвердевания расплава контрпоршень 73 поднимается, пресс-остаток 9 отделяется от литника 74, выводится из камеры прессования вверх и сталкивается в тару. При раскрытии пресс-формы отливка с литниковой системой остается в подвижной полуформе 7 за счет сил трения на выступающих элементах пресс-формы и рассекателе литника 18. Раскрытие пресс-формы, выталкивание и удаление
806
Глава 4.4. МАШИНЫ ДЛЯ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ
Рис. 4.4.2. Схема процесса ЛПД на машинах с холодной вертикальной камерой прессования
4 1 2 3 16 15 7 12 1110 18
Рис. 4.43. Схема процесса ЛПД на машинах с горячей камерой прессования
отливки из плоскости разъема происходит аналогично схеме на рис. 4.4.1.
Третья - ЛПД на машинах с горячей камерой прессования (рис. 4.4.3). Камера прессования 5 постоянно находится в тигле 17 и заполняется расплавом через заливочное окно 6. При запрессовке прессующий поршень 7 перекрывает окно 6, и расплав по каналу 75 и обогреваемому мундштуку 16 поступает в формообразующую полость пресс-формы. После затвердевания отливки поршень 7 перекрывает окна 6, и расплав по каналу 75 и обогреваемому мундштуку 16
поступает в формообразующую полость пресс-формы. После затвердевания отливки поршень 7 возвращается в исходное положение, а не затвердевшая часть расплава из мундштука 16 сливается обратно в камеру прессования 5. Раскрытие пресс-формы и удаление отливки происходит, как и в машинах с вертикальной холодной камерой прессования (рис. 4.4.1). После очистки и смазки пресс-формы рабочий цикл повторяется. Машины с горячей камерой используются в основном для литья цинковых, оловянных и свинцовых сплавов.
ТИПЫ ПРЕССОВ И МАШИН
807
Машины литья под давлением с холодной горизонтальной камерой прессования, как наиболее универсальные, получили наибольшее распространение. Принципиальная схема такой машины дана на рис. 4.4.4. На станине 7, являющейся гидробаком машины, установлены неподвижная передняя плита 2, задняя плита 3 и подвижная плита 4. Плиты 2 и 3 связаны между собой четырьмя колоннам 5, которые проходят через плиту 4. На плитах 2 и 4 крепится пресс-форма 6. Плиты 3 и 4 связаны между собой механизмом запирания 7, выполненным в виде системы рычагов с приводом от гидравлического цилиндра 8, установленного на плите 3. На плите 4 со стороны механизма запирания установлен гидровыталкиватель 9. На станине 1 установлена плита 10, которая с помощью нескольких штанг 11 жестко связана с плитой 2. На плите 10 установлен механизм прессования 12, прессующий поршень 13 которого входит в камеру прессования 14. На станине 1 установлен механизм 75 для перемещения механизма прессования 72 в нижнюю или в верх
нюю позицию заливки. На плите 3 установлен механизм 16 для настройки механизма запирания на заданную толщину пресс-формы и силу запирания. Прессовый механизм 12 машины смонтирован на плите 10, штангами 77 жестко связанной с неподвижной плитой 2 запирающего механизма. Прессовый механизм несет прессующий поршень 73, введенный в камеру прессования 14. С помощью гидравлического домкрата 75 прессовый механизм перемещается в необходимое (по высоте) положение.
На виде сверху механизм запирания 7 показан в открытом положении, т.е. подвижная плита 4 отведена влево и пресс-форма 6 раскрыта по плоскости разъема. Размер А обозначает расстояние между колоннами в свету, а размер В - ход подвижной плиты при раскрытии пресс-формы. Как правило, машины оснащаются системой подачи и отвода воды для охлаждения плит 2 и 4, прессующего поршня 73 и пресс-формы 6, а также рабочей жидкости в баке гидростанции.
Рис. 4.4.4. Принципиальная схема машины ЛПД с холодной горизонтальной камерой прессования
808
Глава 4.4. МАШИНЫ ДЛЯ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ
4.4.2. ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ И РАЗМЕРЫ
Машины выпускаются различных типоразмеров, определяемых по величине силы запирания пресс-формы. Общие технические условия на машины литья под давлением регламентированы ГОСТ [5]. Основные параметры и размеры машин должны соответствовать указанным в табл. 4.4.1. Эти параметры близки параметрам машин, выпускаемых за рубежом, за исключением машин с горячей камерой прессования малой мощности. Машины с силой запирания до 1000 кН считаются машинами малой мощности, от 1600 до 4000 кН -средней, от 6,3 до 25 МН - большой мощности. Машины с силой запирания 30 МН и выше используются крайне редко и считаются уникальными.
Присоединительные размеры для крепления пресс-форм стандартизированы [9], кроме того, они указываются в паспорте машины.
Машины литья под давлением должны работать в наладочном (пооперационном) и полуавтоматическом режимах, а также в составе технологических комплексов.
Требования технологии к машинам литья под давлением. Качество отливок при литье под давлением зависит от большого числа параметров, связанных с работой машины и периферийного оборудования.
Технологические параметры можно разделить на основные и вспомогательные [6]. К основным технологическим параметрам относятся:
- скорость впуска (на выходе питателей), м/с;
- время заполнения пресс-формы металлом /зап, с;
- давление подпрессовки рпод, МПа;
- время нарастания давления подпрессовки /ПОД| с;
- температура формообразующей поверхности пресс-формы (температура пресс-формы) Тф, °C;
- время выдержки отливки в пресс-форме /в, с;
- температура расплава в камере прессования Тм, °C.
К вспомогательным параметрам относят:
- скорости прессового поршня в первой Vi и второй v2 фазах прессования, м/с;
- давление расплава в пресс-форме /?ф, МПа;
- длительности фаз прессования /i,/2, и /з, с;
- длительность цикла /ц, с;
- температуру пресс-формы на расстоянии 20 мм от формообразующей поверхности (температурный фон пресс-формы) Г20, °C.
Кроме того, на качество отливок влияют смазка пресс-формы и ее вентиляция.
Здесь и далее устоявшееся словосочетание “фазы прессования” используется в смысле временного отрезка в ходе технологического процесса или в работе прессового механизма машины.
Часть параметров (vb v2, /под, /в, /ц) можно изменять с помощью соответствующих регуляторов машины перед каждым циклом ее работы, эти параметры быстро регулируемые. Некоторые параметры невозможно изменить в течение цикла (Г2о, Гм, Гф), они регулируются медленно.
Методы контроля технологических параметров при литье под давлением регламентированы [11].
В процесс изготовления отливки литьем под давлением можно выделить несколько фаз прессования в зависимости от типа машины и конструкции механизма прессования. Типичная осциллограмма процесса литья под давлением на машине с холодной горизонтальной камерой прессования приведена на рис. 4.4.5. На диаграмме обозначены: s и v - перемещение и скорость прессового поршня; рп и рш-давления в поршневой и штоковой полости основного цилиндра прессового механизма; Рпод ~ давление в поршневой полости цилиндра при подпрессовке; НЛ - линии начальных (исходных) значений. Арабскими цифрами обозначены характерные точки на осциллограмме.
Длительность фаз прессования определяют следующим образом:
- первой фазы t\ - от начала движения прессующего поршня до момента изменения его скорости, обусловленного переключением механизма на следующую фазу. В этой фазе прессующий поршень медленно перекрывает заливочное окно камеры прессования и подводит жидкий расплав к питателю отливки;
- второй фазы /2 - от момента окончания первой фазы до момента окончания заполнения пресс-формы расплавом, когда прессующий поршень резко тормозится;
4.4.1. Типы, основные параметры и размеры машин литья под давлением (по ГОСТ 15595-84)
Наименование параметров и размеров Типы машины Норма
Сила запирания пресс-формы, кН, не менее 1 2 3 630 1000 1000 1000 1600 1600 1600 2500 2500 2500 4000 4000 4000 6300 6300 6300 8000 8000 8000 10 000 10 000 10 000 12 500 16 000 20 000 25 000
Ход подвижной плиты, мм (пред. откл. +2 %) 1,2,3 260 320 380 450 530 630 710 800 900 1000 1120 1250
Расстояние между колоннами по горизонтали и вертикали в свету, мм 320 380 450 530 630 750 850 950 1060 1180 1320 1500
Толщина пресс-формы, мм наибольшая 360 420 500 600 710 850 950 1060 1180 1320 1500 1700
наименьшая 160 190 220 260 320 380 420 480 530 600 670 750
Масса заливаемой порции сплава, кг, не менее при давлении за-прессовки 40 МПа и плотности сплава 2500 кг/м3 1 - 1,4 2,4 4 6,7 11,2 15 20 26,5 35,5 47,5 63
2 - 1,6 2,6 4,5 7,5 12,5 21,2 35,5 - - - -
при давлении запрессовки 12 МПа и плотности сплава 6600 кг/м3 3 1,8 2,8 4,5 7,1 П,2 18 22,4 28 - - - -
Сила прессования, кН (пред. откл. ± 5 %) 1 - 132 200 300 450 670 800 950 1200 1500 1900 2360
2 - 180 265 400 600 900 1320 2000 - - - -
3 53 71 95 125 170 224 265 315 - - - -
Количество позиций заливки (числитель) и смещение позиций заливки вниз (знаменатель), мм 1 - 2 2 2 2
100 160 220 320
3 1 2 2 2 - - - - -
0 60 100 160
Сила гидровыталкивателя, кН, не менее 1,2,3 - - 112 150 200 265 315 375 450 530 630 750
Ход гидровыталкивателя, мм, не менее - - 80 100 125 16 200 250
ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ И РАЗМЕРЫ 809
Продолжение табл. 4.4.1
Наименование параметров и размеров Типы машины Норма
Наибольшая скорость холостого хода прессующего плунжера, м/с, не менее 1 - 3 5 4
2 - 2,2 3 4 - - - -
3 1,5 2,1 3 - - - -
Время одного холостого цикла, с, не более 1 - 4 5 6,3 8 10’ 11,2 12,5 14 16 18 20
2 - 5 6,3 8 10 12,5 14 16 - - - -
3 2,5 3,2 4 5 6,3 8 9 10 - - - -
Число холостых циклов в час при непрерывной работе машины, не менее 1 - 315 250 200 160 125 100 80 63 50 40 32
2 - 200 160 125 100 80 63 50 - - - -
3 560 450 355 280 224 180 140 112 - - - -
Удельная масса, (кг • ч)/кг, не более 1 - 9,75 13 12,5 14,9 19,8 25,3 31,3 47,9 55,2 63,2 79,4
2 - 14 17 20 23,6 28 - - - -
3 4,25 4,5 4,75 5 6,7 8,5 12,5 16 - - - -
Удельный расход электроэнергии, 0,01 (кВт ч)/кг, не более 1 - 2,63 2,75 2,15 2,5 2,64 2,9 3,13 3,59 3,66 3,68 3,97
2 - 4,25 4 3,75 3,55 3,36 3,15 3 - - - -
3 0,8 0,93 1,03 1,06 1,09 1,12 1,4 1,6 - - - -
Примечания:
1. Типы машин: 1 - с холодной горизонтальной камерой прессования (КП), 2 - с холодной вертикальной КП; 3 - с горячей КП.
2. По заказу потребителя допускается изготовление машин с силой запирания пресс-формы: для типа 1 - 30 000, 40 000, 50 000, 63 000 кН; для типа 3-100, 160,250 и 400 кН.
3. По заказу потребителя допускается изготовление машин типа 1 с силой запирания пресс-формы: 1000,1600,2500 и 4000 кН с силой прессования соответственно не менее 100,150,220 и 340 кН с обеспечением давления запрессовки не менее 30 МПа и наибольшей скоростью холостого хода прессующего плунжера не менее 3 м/с.
4. Время одного холостого цикла включает время холостого хода подвижной плиты и прессующего плунжера вперед и назад, гидровыталкивателя - вперед.
5. Параметры "удельная масса” и "удельный расход электроэнергии" определяются согласно ГОСТ 25689-83. Определяющий параметр рассчитывается как произведение параметров "масса заливаемой порции сплава" и "число холостых циклов в час при непрерывной работе машины".
6. Параметр "удельный расход электроэнергии" для машин типа 3 указан без учета потребляемой мощности электропечи.
Глава 4.4. МАШИНЫ ДЛЯ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ
МЕХАНИЗМЫ ПРЕССОВАНИЯ
811
Рис. 4.4.5. Осциллограмма процесса литья под давлением на машине с холодной горизонтальной камерой прессования
- третьей фазы /3 (подпрессовка) - от момента окончания заполнения пресс-формы расплавом до окончания затвердевания расплава в питателе.
Технология предъявляет к машинам литья под давлением, прежде всего к их механизмам прессования, следующие требования:
- регулирование скорости прессового поршня в первой фазе прессования в пределах до 0,5 м/с, во второй - до 5 м/с (при литье магниевых сплавов до 8 м/с), изменение скорости по заданному закону (рис. 4.4.6);
- регулирование величины (от 40 до 100 МПа и выше, рис. 4.4.7, а), скорости и времени нарастания давления (рис. 4.4.7, б) и момента включения подпрессовки (рис. 4.4.7, в);
- отсутствие пиков давления в момент создания давления подпрессовки;
- независимое регулирование параметров.
4.4.3. МЕХАНИЗМЫ ПРЕССОВАНИЯ
Классификация механизмов прессования машин литья под давлением приведена на рис. 4.4.8. Как правило, привод механизмов прессования гидравлический, с пневмоприводом машины не выпускаются в виду их малой мощности и затруднений с регулированием скоростей прессования.
В простейшем прессовом механизме без специальных устройств для подпрессовки
812
Глава 4.4. МАШИНЫ ДЛЯ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ
Рис. 4.4.6. Регулирование скорости
(рис. 4.4.9, а) первая фаза прессования начинается при срабатывании распределителя Р1. Рабочая жидкость поступает в цилиндр прессования (ЦП) от насоса, скорость поршня цилиндра в первой фазы прессования регулируется дросселем Д1. Во второй фазе прессования включается распределитель Р2 и к цилиндру подключается аккумулятор АК2. Скорость его поршня теперь регулируется дросселем Д2.
В механизме прессования со сбросом давления в штоковой полости цилиндра ЦП при подпрессовке (рис. 4.4.9, б) в первой фазе прессования рабочая жидкость подается от насоса через распределитель Р1 и дроссель Д1, а во второй - от аккумулятора АК2 через распределитель Р2 и дроссель Д2.
В первой и второй фазах рабочая жидкость из штоковой полости цилиндра ЦП поступает в нештоковую.
Подпрессовка осуществляется включением распределителя РЗ и сбросом давления в штоковой полости.
Рис. 4.4.8. Классификация механизмов прессования
МЕХАНИЗМЫ ПРЕССОВАНИЯ
813
Рис. 4.4.9. Схемы механизмов прессования:
а - без специальных устройств для подпрессовки; б - с подпрессовкой за счет сброса давления в штоковой полости цилиндра; в - с подпрессовкой от аккумулятора с более высоким давлением
Механизм прессования с подпрессовкой от аккумулятора с более высоким давлением (рис. 4.4.9, в) осуществляет первую фазу прессования от насоса через распределитель Р1 и дроссель Д1, вторую - от аккумулятора АК2 через распределитель Р2 и дроссель Д2, третью -от аккумулятора АКЗ через распределитель РЗ и дроссель ДЗ. Давление в аккумуляторе АКЗ больше, чем в аккумуляторе АК2.
В механизме прессования с мультипликатором (рис. 4.4.10) соосно с цилиндром прессования 1 установлен цилиндр мультипликатора 2, шток которого входит в поршневую полость ЦП (рис. 4.4.10). Первая и вторая фазы прессования осуществляются обычным путем - питанием цилиндра ЦП соответственно от насоса и аккумулятора. После заполнения пресс-формы расплавом поршневая полость цилиндра муль
типликатора подключается к аккумулятору. Шток мультипликатора внедряется в поршневую полость цилиндра прессования и повышает в ней давление в несколько раз (обычно в 2,5...3 раза). Производится подпрессовка отливки.
В установившемся состоянии работы мультипликатора, без учета сил трения и давления в штоковой полости мультипликатора, справедливо соотношение:
РЛ = Pn/м или
Р„=Л.//мРа=^мРа. (4-41)
где Км - коэффициент мультипликации, Км = 2,5...3; рл - давление в аккумуляторе; рп - давление в поршневой полости ЦП; FM и fM - площади поршня и штока мультипликатора.
814
Глава 4.4. МАШИНЫ ДЛЯ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ
4.4.10. Схема механизма прессования с мультипликатором
Рис. 4.4.11. Схема механизма прессования с включением мультипликатора по пути
В формообразующей полости пресс-формы давление подпрессовки определяется:
Рпод^кп ~ Рп^п или
Рпод = РпЛ1 /^кп ~ КыРа^п /Лот» (4-4.2)
где Рпод - давление подпрессовки в отливке; FKn - площадь поперечного сечения камеры прессования; Fn - площадь поршня ЦП.
Применение мультипликатора позволяет уменьшить диаметр ЦП и массу подвижных частей механизма прессования, повысить давление подпрессовки. Время нарастания давления подпрессовки у лучших машин составляет 0,01. ..0,005 с.
Включение мультипликатора осуществляется в основном двумя способами: по пути, то есть по перемещению прессующего поршня, и по давлению, то есть по повышению давления в поршневой полости цилиндра прессования в момент окончания заполнения пресс-формы. В механизме прессования с включением мультипликатора по пути (рис. 4.4.11) пер
вая фаза прессования осуществляется от насоса через распределитель Р1, вторая - через управляемый распределителем Р2 обратный клапан ОК2 и дроссель Д2 от аккумулятора АК2. При этом клапан КС2 открывает на слив штоковую полость ЦП. В конце заполнения пресс-формы штанга, связанная с прессующим поршнем, своим выступом включает распределитель РЗ, и жидкость из аккумулятора АК2 поступает в поршневую полость мультипликатора. Начинается подпрессовка. Питание ЦП во второй фазе и мультипликатора от одного аккумулятора по одной магистрали через дроссель Д2 ведет к, зависимости времени нарастания давления подпрессовки от скорости второй фазы прессования. Чем больше V2, тем меньше /под. Механизмы с включением мультипликатора по пути чувствительны к ошибкам в дозе заливаемого сплава: при малой дозе - преждевременное включение мультипликатора, при большой дозе - мультипликатор не включается.
Механизм прессования с включением мультипликатора по давлению (рис. 4.4.12) в первой фазе прессования работает от насоса
МЕХАНИЗМЫ ЗАПИРАНИЯ
815
Рис. 4.4.12. Схема механизма прессования с включением мультипликатора по давлению
через распределитель Р1, вторая фаза - от аккумулятора АК2 через распределитель Р2. В момент окончания заполнения пресс-формы прессующий поршень останавливается. Давление в поршневой полости ЦП поднимается до аккумуляторного, при этом распределитель РЗ подключает аккумулятор АКЗ к мультипликатору. Шток мультипликатора при своем движении перекрывает встроенный обратный клапан ОКЗ. Начинается подпрессовка. Момент включения подпрессовки не зависит от колебаний заливаемой дозы. Механизмы прессования с отдельными аккумуляторами для второй и третьей фаз прессования имеют независимую друг от друга регулировку V2 и /под и минимальное значение 7ПОД.
Некоторые механизмы прессования имеют комбинированную схему включения мультипликатора: по пути и давлению, по времени и давлению. Такие схемы позволяют начать движение (разгон) мультипликатора до окончания заполнения пресс-формы, что уменьшает время нарастания давления подпрессовки.
Г идравлические аккумуляторы устанавливают непосредственно на соответствующие цилиндры. Этим сокращается масса движущейся жидкости, уменьшается гидроудар в конце заполнения пресс-формы и повышается быстродействие цилиндров. Для этой же цели уменьшают массу поршней и штоков, выполняя их полыми или из легких сплавов.
Гидравлические аккумуляторы выполняют с разделителями сред в виде поршня или
эластичной оболочки, что позволяет избежать вспенивания рабочей жидкости. Аккумуляторы заряжают азотом до давления 10... 15 МПа. Объем рабочей жидкости в аккумуляторе должен гарантированно обеспечить ход поршня соответствующего цилиндра, а давление в его газовой полости при полном использовании жидкости не должно уменьшаться более чем на 5...10%.
В качестве рабочих жидкостей используется минеральное масло или синтетические негорючие жидкости. Гидростанции машин оснащаются устройствами для охлаждения и фильтрации рабочей жидкости, температура которой в процессе работы не должна превышать 50 °C. Дальнейшее увеличение температуры рабочей жидкости ведет к повышению нестабильности работы механизма прессования.
4.4.4. МЕХАНИЗМЫ ЗАПИРАНИЯ
Механизм запирания МЛПД выполняет две функции: открытие и закрытие пресс-формы и создание силы запирания. Сила запирания Р3 должна быть больше силы раскрытия пресс-формы Рр, создаваемой давлением расплава при подпрессовке:
А > V ^оРпод»
где Fo - суммарная площадь отливки в плоскости разъема пресс-формы (площадь отливки, камеры прессования, литниковой системы, промывников).
816
Глава 4.4. МАШИНЫ ДЛЯ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ
Рис. 4.4.13. Кинематическая схема запирающего механизма
В машинах используют различные типы механизмов запирания: гидравлические, рычажные, клиновые, комбинированные. Наибольшее применение имеют рычажные механизмы.
Силовая конструкция машины (рис. 4.4.13) выполняется в виде симметричной пространственной рамы, состоящей из передней 7 и задней 2 неподвижных плит, жестко связанных между собой четырьмя колоннами 3. По колоннам перемещается подвижная плита 4, на которой крепится подвижная полуформа 5. Плита 4 у машин средней мощности и выше опирается своими разгрузочными башмаками (или роликами) //на станину 12 для уменьшения нагрузки на колонны. Неподвижная полуформа 6 и камера прессования 8 крепятся на плите 7.
Механизм запирания выполнен в виде сдвоенных симметрично расположенных кривошипно-шатунных механизмов (кривошипы ab, db', шатуны Ьс, b'd), имеющих общий привод от гидроцилиндра / через рычаги de и dd. С целью уменьшения деформации плит 2 и 4 шарниры a, d размещают ближе к колоннам 3, а шарниры с, d несколько смещают к центру (ad > cd). Для уменьшения напряжений в
шарнирах а, Ь, с и a', b', с', воспринимающих силу запирания, рычажный механизм набирают из пластин, занимающих почти все пространство между колоннами в горизонтальной плоскости (на рис. 4.4.13 показаны только две пары соответствующих пластин), а для приводных рычагов de и de' выполняют дополнительные шарниры d и d на кривошипах.
Иногда для средних машин (Р3 от 1600 до 4000 кН) по технологическим причинам принимают ad = cd. Для малых машин (Р3 < 1600 кН) исключают разгрузочные шарниры d и d (ad = cd = 0, bd = b'd = 0). Для очень малых горячекамерных машин иногда используют одиночные кривошипно-шатунные механизмы.
При запирании пресс-формы рычаги ab, Ьс и db', b'd занимают положение, близкое к "мертвому". Рычажный механизм в этом положении устойчив в вертикальной плоскости. Для исключения влияния боковых усилий на штоке цилиндра / в горизонтальной плоскости выполняют уравнительное устройство, состоящее из двух направляющих 10, закрепленных в плите 4, и поперечной траверсы 9, перемещающейся по этим направляющим. С траверсой 9 соединены шток цилиндра и приводные рычаги de и de':
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ЛИТЬЕ ВЫЖИМАНИЕМ
817
Запирающие механизмы в "мертвом" положении рычагов имеют строго определенное расстояние между плитами 4 и 7. Оно не всегда совпадает с конкретной толщиной пресс-формы. Поэтому машины снабжают механизмом настройки на заданную толщину пресс-формы. На большинстве машин гайки колонн со стороны задней плиты 2 имеют зубчатые венцы, находящиеся в зацеплении с общим зубчатым колесом, выполненным в виде кольца и расположенном на внешней стороне плиты 2. Через червячный редуктор зубчатое колесо приводится в движение электромотором (на малых машинах иногда вручную). Гайки перемещаются по колоннам и сдвигают в нужном направлении плиты 2 и 4 вместе с рычажным механизмом, при этом изменяется расстояние между плитами 4 и 7, т.е. происходит настройка машины на требуемую толщину пресс-формы. Диапазон настройки указывается в паспорте машины в виде минимальной и максимальной толщины пресс-формы.
Этот же механизм используется для настройки машины на требуемое усилие запирания. Силу запирания рычажный механизм создает за счет деформирования в упругой области силовой конструкции машины и самой рычажной системы. Сжимаются плиты 2, 4, 7, пресс-форма и рычаги в "мертвом" положении, растягиваются колонны. Малому перемещению плиты 2 при настройке может соответствовать очень большая сила запирания, опасная для осей шарниров, рычагов и колонн. Поэтому машины снабжают устройством для контроля силы запирания, основанном на измерении удлинения каждой колонны на базе определенной длины. Для измерения применяют индикаторы или тензодатчики. Сумма сил на каждой колонне равна силе запирания. Колонны должны быть нагружены равномерно. Предельное отклонение силы запирания на одной колонне не должно превышать ± 10 % от номинального. Если настройка силы запирания произведена на холодной пресс-форме, то в процессе ее разогрева контролируют и, если требуется, регулируют силу запирания.
Многие фирмы, выпускающие МЛПД, в опытном порядке выпускают машины вертикальной компоновки. У таких машин пресс-форма имеет, как правило, горизонтальную плоскость разъема. Машина занимает меньшую площадь.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Литье под давлением. Инженерная монография / Под ред. Л.И. Винберга. М.: Машгиз, 1962. 399 с.: ил.
2. Литье под давлением. Инженерная монография / Под ред. А.К. Белопухова. М.: Машиностроение, 1975. 400 с.: ил.
3. Литье под давлением / М.Б. Беккер, М.Л. Заславский, Ю.Ф. Игнатенко и др. 3-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1990. 400 с.: ил.
4. Машины для литья под давлением / Под ред. Б.Е. Розенберга. М.: Машиностроение, 1973. 288 с.: ил.
5. ГОСТ 15595-84*. Машины для литья под давлением. Общие технические условия. М.: Изд-во стандартов, 1986.
6. ГОСТ 23800-79*. Стенды контроля технологических параметров литья под давлением. М.: Изд-во стандартов, 1979.
7. Р 50-123-91. Рекомендации. Выбор оптимальных технологических режимов изготовления отливок при литье под давлением с применением стендов контроля технологических параметров. М.: Изд-во стандартов, 1979.
8. ГОСТ 17588-81*. Машины для литья под давлением. Размеры присоединительные для крепления пресс-форм. М.: Изд-во стандартов, 1981.
9. Белопухов А.К. Технологические режимы литья под давлением. М.: Машиностроение, 1985. 267 с.: ил.
10. Ноговицин Б.Ф. Основы расчета и проектирования машин для литья под давлением. Иркутск: Изд-во Иркутского университета, 1987. 127 с.: ил.
11. ГОСТ 26689-85*. Машины для литья под давлением. Методы контроля технологических параметров. М.: Изд-во стандартов, 1986.
Глава 4.5
ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ЛИТЬЯ ВЫЖИМАНИЕМ КРУПНОГАБАРИТНЫХ ТОНКОСТЕННЫХ ОТЛИВОК
4.5.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ЛИТЬЕ ВЫЖИМАНИЕМ
Литье выжиманием разработано для производства литых крупногабаритных тонкостенных конструкций взамен сборных конструкций, изготавливаемых фрезерованием из проката, а также листа, профилей, формованных
818 Глава 4.5. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ЛИТЬЯ ВЫЖИМАНИЕМ КРУПНОГАБАРИТНЫХ ОТЛИВОК
процессами деформирования и соединяемых в монолит процессами клепки или сварки.
Тонкостенные (толщина стенки 1...4 мм) крупногабаритные (площадью более 2 м2) панели и корпуса - это типовые крупногабаритные тонкостенные конструкции, широко применяемые в строительстве и на транспорте. Коэффициент использования металла при изготовлении крупногабаритных тонкостенных конструкций из деформированных материалов находится в пределах 0,1...0,3, а при литье выжиманием он повышается до 0,6...0,75. При этом освобождаются значительные производственные площади, высококвалифицированные рабочие различных специальностей и большой по составу технологический комплект оборудования (фрезерные, токарные станки, гибочные машины, сварочные агрегаты и др.).
Если учесть объем производства таких конструкций только по строительству и транспорту, то со всей очевидностью предстанут цифры экономии дорогостоящего металла от потерь в стружку, технологические отходы и т.п.
Способ литья выжиманием был разработан в СССР. Теоретические и поисковые работы начаты в 1955 г. Пройдя стадии лабораторных исследований, экспериментального и заводского опробования, создания опытного и промышленного оборудования, способ литья выжиманием был внедрен в 1962 г., и начато серийное производство литых крупногабаритных панельных конструкций в комбинированные формы. Отработка параметров литья и создание новых литейно-выжимных машин позволили освоить литье крупногабаритных тонкостенных панелей в цельнометаллическую форму (серийное литье начато в 1968 г.) и корпусных деталей в комбинированную форму (серийное литье начато в 1978 г.)
4.5.2. ЛИТЕЙНЫЕ ВЫЖИМНЫЕ МАШИНЫ
Литье выжиманием можно разделить на литье с угловым сближением створ для получения панельных конструкций и с плоскопараллельным сближением створ для получения объемных оболочек и изделий корпусного типа. Схемы процессов и последовательность операций показаны на рис. 4.5.1, а, б. Метал-лоприемником служит нижняя часть литейной формы. Расплав заливается в металлоприемник с технологическим избытком. В донной стабилизирующей части формы расплав разгоняется на заданную скорость. Заполнение рабочей полости формы производится при заданной скорости головной части потока расплава. Избыток расплава выжимается в промывник вместе с находящимися в головной части потока различными загрязнениями. Скорость головной части потока плавно уменьшается в про-мывнике, чтобы не было выброса расплава за пределы формы.
Особенности технологии литья выжиманием определяют основные требования, которым должно удовлетворять технологическое оборудование: обеспечение требуемых скоростей сближения створ в период заливки, надежное запирание расплава с боков при сближении створ и в период затвердевания отливок, обеспечение требуемых усилий при сведении и разведении свор, подрыве и удалении отливок, исключение коробления отливок, поддержание заданного теплового режима поддона и створ, обеспечение продолжительности временных интервалов технологических операций, определенных технологическим процессом.
Рис. 4.5.1. Схема процесса литья выжиманием крупногабаритных тонкостенных деталей панельного и корпусного типов; сближение створ:
а - угловое; б - плоскопараллельное
ЛИТЕЙНЫЕ ВЫЖИМНЫЕ МАШИНЫ
819
Механизация литья выжиманием шла по пути создания комплектов оборудования с полной механизацией основных и вспомогательных операций технологического процесса, с приводом рабочих органов выжимной машины от электродвигателей, пневмо- и гцдроци-линдров. Машины с угловым и плоскопараллельным сближением створ представляют собой стационарные специальные конструкции, в которых наблюдается тенденция специализации к производству определенного вида отливок.
В созданных моделях литейных выжимных машин предусмотрен полуавтоматический цикл работы с автоматизацией следующих
операций: сведение створ по программе, выдержка отливки в период кристаллизации расплава, раскрытие створ и удержание отливки в залитом положении, выталкивание, съем и вынос отливки из рабочей зоны машины. Подача расплава к машинам производится, как правило, ковшами.
Полное представление о конструктивных особенностях гаммы литейных выжимных машин дает рассмотрение базовых моделей: ВЛ-1, ВЛ-10, ЛПС-1, ВК-4. Технические характеристики машин с угловым и плоскопараллельным сближением створ указываются ниже в табл. 4.5.1. и 4.5.2.
4.5.1. Основные данные машин с угловым сближением створ для литья панельных конструкций
Параметры ВЛ-1 ВЛ-1М ВЛ-10 ВП-10 ВП-20 ВП-30
Максимальные габариты отливаемых панелей, мм:
длина 2000 2000 2000 1000 2000 3500
ширина 900 900 1000 630 1000 2000
высота 200 200 200 120 200 300
Наименьшая толщина тела панели, мм 2,0 1,8 1,5 2,0
Погрешность толщины тела панели, мм:
песчаная форма 1,5 1,2 1,2 1,0 1,0 1,2
комбинированная 0,8 0,8 0,8 0,6 0,7 0,8
металлическая — 0,5 0,5 0,3 0,5 0,7
Габариты оснастки, мм:
длина 2200 2200 2200 1100 2200 3700
ширина 1100 1000 1200 800 1100 2200
высота 230 230 230 230 250 400
Угол раскрытия створ, град. 30 30 30 30 25 30
Продолжительность сближения створ, с 4.. .11 от 6 от 5
Режим настройки скорости сближения створ плавный 18 вар. плавный по копиру
Емкость металлоприемника (по алюминию), кг 75 80 40 80 120
Система привода электромехиче-ская гидравлическая
Максимальная сила выжимания, кН 68 300 150 380 500
Наибольшая сила выталкивания отливок, кН нет 15 200 150 50 250
Мощность электродвигателя привода, кВт 4,5 10,0 8,0 10,0 15,0
Установленная мощность, кВт 41,3 8,2 68,0 32,2 68,0 100
Габариты машины, мм:
длина 3240 3240 2600 2960 3600 5000
ширина 2350 2650 2650 1685 3100 4600
высота 2120 2120 2500 1625 2900 3500
820 Глава 4.5. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ЛИТЬЯ ВЫЖИМАНИЕМ КРУПНОГАБАРИТНЫХ ОТЛИВОК
4.5.2. Основные данные машин с плоскопараллельным сближением створ для литья корпусных конструкций
Параметры ЛПС-1 ВК-4
Максимальные габариты отливаемых корпусов, мм:
диаметр 800 400
высота 1450 1200
Наименьшая толщина тела корпуса, мм 2,0 2,0
Погрешность толщины тела корпуса, мм:
без калибровки стержня ±1,5 ±1,2
с калибровкой стержня ±0,8 ±0,7
Габариты оснастки, мм:
длина 1700 1000
ширина 1240 800
высота 1765 1500
Ход створы максимальный, мм 600 600
Ход створы при синхронном сближении и управлении по копиру, не менее, мм 150 150
Продолжительность сближения створок, с от 4 и выше от 4 и выше
Наибольшая скорость перемещения створы, м/с 5 • 10~2 5 • 10'2
Режим настройки скорости сближения створ плавный по копиру плавный по копиру
Емкость металлоприемника (по алюминию), кг до 200 до 120
Температура нагрева оснастки, К до 623 до 623
Сила выжимания (максимальная) кН 600 160
Система привода гидравл. гидравл.
Сила выталкивания отливок со стороны створ, кН 300 150
Сила, создаваемая механизмом подрыва отливки с опорной плиты, кН 180 120
Ход штоков механизмов выталкивания отливки со стороны створ (переналаживаемый), не менее, мм:
основной 3 3
дополнительный 50 50
Ход механизма подрыва отливки с опорной плиты, не менее, мм 80 80
Мощность электродвигателя привода створ, кВт 50 50
Мощность нагревателей, кВт:
основания 36 30
створ 160 140
Установочная мощность, кВт 265 325
Габариты машины, мм:
длина 5750 5400
ширина 900 800
высота 1700 2900
ЛИТЕЙНЫЕ ВЫЖИМНЫЕ МАШИНЫ
821
Рис. 4.5.2. Схема машины модели ВЛ-1:
1 - неподвижная створа; 2 - подвижная створа; 3 - вал; 4 - сухарь-уплотнитель; 5 - опорная плита; 6 - механизм поворота; 7 - нагреватель створ; 8 - упор конечной величины сближения;
9- щеки боковой герметизации полости формы
Машина модели ВЛ-1 (рис. 4.5.2) состоит из неподвижной створы 1 с установленной на ней песчаной полуформой, подвижной створы 2, несущей металлическую полуформу, вала 5, вокруг которого поворачивается подвижная створа, сухаря-уплотнителя 4, обеспечивающего удержание расплава при выжимании, опорной плиты 5, механизма поворота 6, нагревателей створ 7, упора конечной величины сближения 8 и щек 9 боковой герметизации полости формы. Рычажный механизм поворота подвижной створы приводится в действие электродвигателем. За счет настройки параметров рычажного механизма обеспечивается требуемая угловая скорость сближения створ по углу поворота. Нагревательные элементы подвижной формы и уплотнительного сухаря обеспечивают необходимый тепловой режим заполнения полости формы и затвердевания расплава.
Машина модели ВЛ-10 (рис. 4.5.3) предназначена для литья выжиманием панелей в цельнометаллические формы. В отличие от машины ВЛ-1 подвижная створа приводится в действие гидроцилиндром от насоса переменной производительности. Управление скоро
стью подачи рабочей жидкости по углу поворота створы производится копиром через управляющий дроссель 2 насоса. С помощью гидропривода достигается плавность перемещения подвижной створы, компактность машины и снимаются ограничения с регулировки скорости движения подвижной створы.
Машина модели ЛПС-1 (рис. 4.5.4) состоит из двух подвижных створ 5, установленных на плите 7. Перемещение створ осуществляется синхронно двумя гидроцилиндрами 4. В машину установлена металлическая литейная форма, состоящая из двух полуформ б, по одной на каждую створу, центральной подвижной плиты 3 с тумбой и сборочным штырем 2. На штыре собирается центральный блок стержней, формирующий внутренние полости отливки. Боковая герметизация полости формы осуществляется двумя щеками S, прижим и отвод щек производится гидроцилиндрами 9. Расплав заливается в форму через отверстия в боковых щеках. Заливочные отверстия перекрываются металлическими полуформами при сведении створ. Залитый расплав располагается в донной части формы на плите вокруг тумбы.
822 Глава 4.5. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ЛИТЬЯ ВЫЖИМАНИЕМ КРУПНОГАБАРИТНЫХ ОТЛИВОК
Рис. 4.5.3. Схема машины модели ВЛ-10:
1 - насос переменной производительности, 2 - управляющий дросель, 3 - подвижная створа; 4 - неподвижная створа, 5 - вал
Рис. 4.5.4. Схема машины модели ЛПС-1:
1 - центральный блок стержней; 2 - сборочный штырь, 3 - центральная подвижная плита; 4 - гидроцилиндры перемещения створ, 5 - подвижные створы; 6 - полуформы, 7 - плита; 8 - щеки; 9 - гидроцилиндры отвода щек; 10 - гидроцилиндры, приводящие в действие систему упоров
ПРИМЕРЫ ПРОЕКТНЫХ РЕШЕНИЙ РАБОЧИХ ОРГАНОВ
823
Рис. 4.5.5. Схема машины модели ВК-4:
/ - гидроцилиндр поворота щели; 2 - стойка;
3 - гидроцилиндр ^держателя; 4 - станина;
5 - печь; 6 - щека; 7 - поддон
Гидравлические приводы сближают полуформы по жесткой программе, определяемой геометрией копира.
Копир управляет насосом переменной производительности, изменяя скорость подачи рабочей жидкости. Синхронное сближение створ обеспечивает рычажное устройство. Нагревательные элементы подвижных створ и плита с тумбой обеспечивают необходимый тепловой режим заполнения полости формы и затвердевания расплава. Отливка, во избежание ее коробления при отводе створ, удерживается на центральном блоке стержней системой упоров, которые приводятся в действие гидроцилиндрами 10.
Для литья выжиманием тонкостенных оболочек из магниевых сплавов разработан комплекс ВК-4, представленный на рис. 4.5.5. Комплекс ВК-4 отличается от машины ЛПС-1 наличием раздаточной печи для механизированной подачи расплава под давлением инертного газа.
4.5.3. ПРИМЕРЫ ПРОЕКТНЫХ РЕШЕНИЙ РАБОЧИХ ОРГАНОВ ЛИТЕЙНЫХ
ВЫЖИМНЫХ МАШИН
Основными рабочими органами выжимных машин являются створы с установленной оснасткой, нагреватели, боковые щеки, устройства подрыва и выталкивания отливки, устройства крепления и контроля геометрии сборной литейной оснастки. Рабочие органы непосредственно участвуют или используются в большинстве операций технологического процесса: подготовка полуформ, установка стержней, сборка формы, совмещаемая с выжиманием расплава, охлаждение отливки, разборка формы, извлечение отливки, охлаждение формы. Створы оказывают прямое силовое воздействие на расплав и в конце хода посредством оснастки придают ему геометрию, которая соответствует фасонной отливке. Функции створ должны быть увязаны с функциями других рабочих органов, что само по себе создает определенные трудности в компоновке функциональных устройств выжимной машины, а требование учета геометрии отливки и точности воспроизведения геометрии еще более усложняет компоновку и конструирование решения. Опыт показывает, что наилучшие техникоэкономические показатели работы литейных выжимных машин удается получить, когда конструкция рабочих органов специализирована и рассчитана на производство отливок определенного типа.
Конструкция створ машины ВЛ-10 для литья выжиманием панелей в цельнометаллические формы показана на рис. 4.5.6. Конструкция створ допускает возможность (в определенных пределах) регулирования установки сборных полуформ. Для извлечения отливки использована система толкателей с гидроприводом. Нагревательные элементы 5 и 6 матриц отделены конструктивно от металлических сборных полуформ. Нагревательный элемент вала находится внутри вала.
Извлечение оребренных с развитой поверхностью отливок из металлической полуформы является серьезной проблемой. От своевременности и равномерности выталкивания зависит качество получаемой литой заготовки. Слишком быстрое и резкое выталкивание приводит к прошивке толкателями образовавшейся корочки расплава, а запаздывание и медленное выталкивание - к проявлению усадки сплава, от чего образуются трещины в теле отливки.
824 Глава 4.5. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ЛИТЬЯ ВЫЖИМАНИЕМ КРУПНОГАБАРИТНЫХ ОТЛИВОК
Рис. 4.5.6. Конструкция створ машины ВЛ-10 для литья панели в металлические формы:
/ - створа подвижная; 2 - полуформа подвижной створы; 3 - полуформа неподвижной створы; 4 - толкатели;
5,6 - нагревательные элементы; 7 - металлоприемник; 8 - опора; 9 - шарнир; 10 - плита толкателей;
/ / - корпус неподвижной створы; 12 - гидропривод плиты толкателей
Конструктивное решение створы машины ВЛ-30 с триплексной системой пневмотолкателей и устройством регулировки уплотнения вала представлено на рис. 4.5.7. Три цилиндра с общим штоком 9, усиливая друг друга, совместно приводят в действие плиту толкателей 7 с толкателями 6. Для выталкивания отливки воздух подается в рабочие полости пневмоцилиндров через штуцер 10 и систему отверстий в штоке. Регулировка уплотнения вала 15 производится уплотнителем 14 посредством винта регулировки 1 и винта упора 11.
Потребность в крупногабаритных тонкостенных легких жестких и виброустойчивых круглых оболочках возникла с появлением реактивных и турбореактивных двигателей. Следует отметить, что способ получения таких круглых оболочек литьем выжиманием из легких сплавов оказался весьма перспективным в
плане качества отливок, механизации труда и экономических показателей производства.
Пример конструктивного решения створ и поддона со штырем для установки центрального стержня для литья круглой оболочки на машине ЛПС-1 показан на рис. 4.5.8. Поддон 7 центрируется со станиной машины с помощью втулки. Створы перемещаются горизонтально по плоскости станины. Соосность перемещения створ обеспечиваются шпонками 11 и направляющим устройством 10. Каждая створа состоит из нижней металлоприемной части 9, к которой крепится направляющее устройство 10, двух обойм 5, пакета вставок 6 и матриц 1, 2, 3, 4. Матрицы прижимают пакет вставок к базовой цилиндрической поверхности обойм с помощью болтов 13. Матрицы формируют боковой технологический избыток расплава, образующийся в конце процесса выжимания.
12 13 14 15
Рис. 4.5.7. Конструкция створ машины ВЛ-30 с полуформой и блоком пневмовыталкивателей:
1 - винт регулировки уплотнения вала; 2 - рым-болт матрицы; 3 - рым-болт створы; 4 - матрица; 5 - створа; 6 - толкатели;
7- плита толкателей; 8 - корпус пневмопривода толкателей; 9 - шток; 10- штуцер подвода сжатого воздуха; 11- винт упора;
12 - шпонка фиксирующая; 13 - колодка опорная; 14 - уплотнитель; 15 - вал
ПРИМЕРЫ ПРОЕКТНЫХ РЕШЕНИЙ РАБОЧИХ ОРГАНОВ 825
826 Глава 4.5. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ЛИТЬЯ ВЫЖИМАНИЕМ КРУПНОГАБАРИТНЫХ ОТЛИВОК
Рис. 4.5.8. Створы и поддон с центральным штырем для литья выжиманием круглой оболочки из алюминиевого сплава:
7,2,3,4- матрицы металлической формы; 5 - обойма; 6 - пакет вставок; 7 - поддон;
8 - электронагреватели и термопары; 9 - металлоприемник; 10 - направляющее устройство, 11 - винт прижима матриц; 12 - упор-толкатель; 13 - крышка теплоизоляционная
ПРИМЕРЫ ПРОЕКТНЫХ РЕШЕНИЙ РАБОЧИХ ОРГАНОВ
827
Нагрев до рабочей температуры металлоприемной части машины и рабочей поверхности створ происходит при закрытой теплоизоляционной крышке нагревателями 8. Температура нагрева контролируется термопарами, которые установлены в теле вставок по высоте формы в нижней металлоприемной части створ и в поддоне.
По окончании процесса выжимания и затвердевания расплава створы раздвигаются. Для исключения движения готовой отливки за
одной из створ предусмотрены упоры-толкатели 14. Упираясь в технологические избытки, формируемые матрицами 7, 2, 3, 4, упоры удерживают отливку в залитом положении на величину отвода створ (50...60 мм) и исключают ее коробление. Фиксирование упоров-толкателей при отводе створ обеспечивается специальной системой машины ЛПС-1.
Стержневой блок изготавливают на стенде (рис. 4.5.9) в секционных стержневых ящиках. Основу стенда образуют чугунная литая
Рис. 4.5.9. Стенд для изготовления стержневого блока:
1 - плита; 2 - каркас сборочный; 3 ... 7- ящики стержневые секционные; 8 - замок откидной; 9,11 - колонны; 10 - винт прижимной; 12 - фиксатор;
13,15- шпонки; 14 - штырь центральный; 15 - втулка направляющая
828
Глава 4.6. ЦЕНТРОБЕЖНЫЕ МАШИНЫ
плита 1 с центральным штырем 14 и две жестко скрепленные с плитой цилиндрические колонны 9 и 11. Колонна 9 имеет лыски по высоте. Положение центрального штыря с каркасом сборочным 2 на плите определяется двумя фиксаторами /2, ориентированными с помощью шпонок 13. Четыре направляющие шпонки 15 определяют движение половин секционного стержневого ящика. Половины стержневых ящиков скрепляются между собой откидными замками 8. Установка секций и изготовление центрального стержня ведется последовательно. Разборка секций производится в обратном порядке. Половины секций освобождаются от замков, отжимаются от колонн с помощью отжимных винтов и отводятся от блока по направляющим шпонкам. Геометрия готового стержневого блока проверяется на том же стенде контрольным шаблоном, который навешивается на колонну с лысками.
4.5.4. КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ОСНАСТКИ
ДЛЯ ЛИТЬЯ ВЫЖИМАНИЕМ ТОНКОСТЕННЫХ ДЕТАЛЕЙ ПАНЕЛЬНОГО И КОРПУСНОГО
ТИПОВ
Выделим основные особенности, которые определяют специфические условия формирования отливки выжиманием и оказывает влияние на литейную оснастку. Жидкий расплав, находясь в зоне вертикального разъема створ, исключает возможность установки центрирующих элементов (штырей) для фиксирования подвижных полуформ относительно друг друга. Сложность центрирования полуформ усугубляется их нагревом до температуры 200...300 °C встроенными нагревателями. Линейные размеры могут меняться до 3...4 мм при нагреве. Наблюдается также неравномерное изменение линейных размеров из-за различных условий теплоотдачи от полуформ в атмосферу цеха, к траверсам установки и основанию машины. Поэтому требуемая точность взаимного расположения элементов формы при сближении створ может быть обеспечена только за счет точности движения створ относительно станины машины.
Для предотвращения коробления фасонной поверхности створ и образующегося вследствие этого изменения геометрии отливки
фасонную часть створ предпочтительно делать в виде свободно опертого в обойме пакета вставок. Поскольку при литье выжиманием отсутствует внешняя запирающая сила формы, то прогиб вставок уменьшают за счет увеличения жесткости конструкции, подбирая необходимые профиль и толщину стенки вставок. Зазор между вставками не должен превышать 0,15 мм для исключения протечек алюминиевого расплава. Секционирование пакета вставок позволяет одновременно добиться необходимой вентиляции полости формы.
Положение контура фасонной поверхности пакета вставок требуется выверять относительно штыря основания центрального стержня. Контроль точности выставки должен производиться периодически при отливке партии деталей. Существенно повышает точность отливки базовый каркас, на котором песчаный стержень изготавливают, транспортируют и с высокой точностью устанавливают на центрирующем штыре тумбы поддона. Зачистные профильные шаблоны позволяют избирательно корректировать геометрию стержней и таким образом обеспечивать требуемую по чертежу толщину стенки отливки в процессе литья партии заготовок.
Достаточно высокая трудоемкость изготовления крупногабаритной оснастки делает предпочтительньм использование принципа ее агрегатно-блочного построения и внутри-узловой унификации размеров по посадочным поверхностям: "станина машины - створы", "створы - обойма", "обойма - пакет вставок" и др.
Глава 4.6
ЦЕНТРОБЕЖНЫЕ МАШИНЫ
4.6.1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПАРАМЕТРЫ ПРОЦЕССА И МАШИН
При центробежном литье отливка формируется в поле гравитационных и центробежных сил. Конфигурация отливки формируется в этом поле при заполнении полости формы. Поверхность отливки или полностью воспроизводит контуры формы или ее часть соответствует свободной поверхности жидкого металла в полости формы. Кристаллизуется отливка также в этом поле. Эти факторы определяют особенности способа литья и его реализации.
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПАРАМЕТРЫ ПРОЦЕССА И МАШИН
829
Гидростатика. Гидростатика описывает равновесные состояния несжимаемой жидкости в силовом поле F(r), т.е. относительный покой жидкости в некотором ограниченном объеме (сосуде), когда перемещение частиц жидкости относительно стенок сосуда отсутствует. Равновесие жидкости или газа возможно только в безвихревом, т.е. потенциальном, поле [4], для которого
rot F(r) = 0, F(r) = - grad Ф(г). (4.6.1)
Здесь F(r) - векторная силовая, а Ф (г) -скалярная (потенциал) функции точки, определенной рациус-вектором г в выбранной системе координат.
Основное уравнение равновесия - уравнение гидростатики Эйлера имеет вид
р F(r) = grad p(r), (4.6.2)
где р и р(г) - плотность жидкости и давление в ней в выбранной точке.
Для несжимаемой жидкости (р = const) с учетом уравнения (4.6.1)
-р grad Ф (г) = grad р(г). (4.6.3)
После интегрирования
р(г) + рФ(г) = const. (4.6.4)
Уравнения (4.6.3) и (4.6.4) справедливы для любой несжимаемой жидкости, не обладающей начальным напряжением сдвига (например, для жидкостей Стокса, Ньютона или Максвелла). Мы же здесь и далее будем иметь дело только с жидким металлом как вязкой жидкостью Ньютона.
В реальных земных условиях гравитационное поле и поле центробежных сил в выделенном вращающемся объеме жидкости действуют как суммарное силовое поле. Оставим пока в стороне вопрос о приведении выделенного объема жидкости во вращение.
Будем считать скорость вращения со сосуда с выделенным объемом жидкости и вектор ускорения g в этом объеме постоянными. Предположим, что жидкость находится в равновесии. Будем далее считать выделенный объем жидкости неподвижным (рис. 4.6.1), а гравитационное поле в этом объеме жидкости вращающимся с той же скоростью (0 (в обратном направлении).
Рис. 4.6.1. Общий случай вращения жидкости в сосуде
Совместим ось z неподвижной прямоугольной системы координат с осью вращения сосуда. В каждой точке М жидкости вектор g будет вращаться вокруг оси, параллельной оси z, со скоростью (0. Разложим вектор g на осевую gcosa и радиальную gsina составляющие. Перенесем вектор а = gsina в плоскость ху и разложим его на радиальную аг (вдоль вектора г) и тангенциальную ах (касательную к проекции траектории движения точки М на плоскость ху в точке ЛГ) составляющие.
При этих условиях силовая функция F(r) общего поля в выделенном объеме жидкости в координатной форме приобретает вид
(X У У 2
Fx = gsina — cosaK + — ot x,
I r r J
(У X ] 2
— COSCOZ--G)t +(0 y,
r r J
Fx - -gcosa,
а ее ротор rot F(r)
rotxF =
dy dz
= 0,
830
Глава 4.6. ЦЕНТРОБЕЖНЫЕ МАШИНЫ
dK. ОГу g . .
rot_ =—------— =sinasincot,
ду дх г
где t - текущее время.
Таким образом, силовое поле в выделенном объеме вращающейся жидкости в общем случае не является потенциальным (rot F(r) # 0), а равновесие жидкости относительно стенок сосуда невозможно.
В соответствии с приведенными выражениями rot F(r) = 0 в трех частных случаях:
1. Если sincoZ = 0, со = 0. Гравитационное поле в не вращающейся жидкости потенциально;
2. Когда g = 0. При отсутствии гравитации (в невесомости) потенциально поле центробежных сил;
3. При sina = 0, a = 0. Векторы g и ш параллельны, суммарное поле сил во вращающимся объеме жидкости потенциально.
Из уравнений (4.6.3) и (4.6.4) для каждого из этих потенциальных полей получаются все основные уравнения гидростатики (табл. 4.6.1).
Для уравнений в табл. 4.6.1 в случае гравитационного поля ось z направлена вниз, а начало координат размещено на свободной поверхности жидкости. В случае поля центробежных сил ось z совпадает с осью вращения, а ее направление и расположение начала координат значения не имеют. Для суммарного поля (рис. 4.6.2) ось z совмещена с осью вращения, а начало координат размещено на свободной поверхности.
В уравнениях табл. 4.6.1 обозначены: z0 -координата z свободной поверхности жидкости; г0-радиус свободной цилиндрической
4.6.1. Основные уравнения гидростатики
Гравитационное поле (со = 0) Поле центробежных сил (g = 0) Общее поле (со * 0, g * 0, a = 0)
0(r) = -gz Потенциал поля Ф(г) = -усо2г2, г2 = х2 +у2 <P(r) = gz-^<o2r2, г2 = х2 +у2
р - pgz = const Уравнения равновесия 1 2 2 Р~~ Р® Г = const p + p(gz~co2r2^ = const
z0 =0 сравнения свободной поверхност г2 — х2 + у2 и Zo=7-(*2 +у2) 2g
Pr = P£Z Гидростатическое давление Рг =^Р®2(г2-'о) Pr =p^y(02r2 -gz) или Pr =pg(zo-z)
E R = -pgK выталкивающая (архимедова) сил И = -ри2г,Г а R = -p(g + ®2ri)K
P=-(P-P»)g^ Подъемная сила р=Чр-р™)<»2Г1К P = -(p-Pm)(g + ®2ri)K
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПАРАМЕТРЫ ПРОЦЕССА И МАШИН
831
Рис. 4.6.2. Относительное равновесие жидкости при вертикальной оси вращения
поверхности жидкости; и - радиус-вектор центра тяжести вытесненного телом объема жидкости; V - объем тела, погруженного в жидкость; рт - плотность тела, принята постоянной по объему тела (pm = const).
Уравнения равновесия описывают изопо-тенциальные поверхности (изобары) в жидкости. В случае гравитационного поля это семейство горизонтальных плоскостей, для поля центро
бежных сил - семейство коаксиальных цилиндров, для общего поля при а = 0 - семейство парабаллоидов вращения.
Константа в уравнениях равновесия определяется из начальных условий по заданному давлению на одной из изопотенциальных поверхностей, обычно по давлению р0 на свободной поверхности жидкости (const = р0). При р0 = 0, т.е. без учета атмосферного давления, определяются свободная поверхность жидкости и гидростатическое давление рТ в ней.
Векторы R и Р приложены к центру вытесненного объема жидкости и нормальны к изопотенциальным поверхностям (и к свободной поверхности жидкости как одной из них).
Для случая общего поля направления векторов R и Р несколько изменяются по мере всплывания тела.
Отношение архимедовых (подъемных) сил для центробежного и гравитационного полей
g
(4.6.5)
при центробежном литье называют гравитационным коэффициентом (коэффициентом утяжеления).
Гидростатическое давление в любой точке М жидкости определяется высотой столба жидкости над ней (см. табл. 4.6.1, рис. 4.6.2).
Распределение гидростатического давления в жидкости в центробежном и суммарном поле показано на рис. 4.6.3, причем для общего поля дано изменение давления по высоте (при г = const) и по радиусу (при z = const).
Рис. 4.63. Гидростатическое давление жидкости в центробежном (а) и суммарном (б) поле
832
Глава 4.6. ЦЕНТРОБЕЖНЫЕ МАШИНЫ
Соотношения табл. 4.6.1 для гравитационного поля при соответствующем выборе константы ро применимы во всех способах литья, в том числе с поршневым или газовым давлением, кроме центробежного.
Соотношения для поля центробежных сил могут быть реализованы на орбите малого искусственного спутника земли, где гравитационным полем луны и самого спутника, а также градиентом гравитационного поля земли можно пренебречь.
Приведенные соотношения никак не связаны с ограничивающей жидкость поверхностью (формой сосуда). Поэтому при сохранении условий они будут справедливы в литейной форме для отливки типа кольца 7, фасонной отливки 3 или в тигле 2 (рис. 4.6.2).
Формирование свободный поверхности отливки. При центробежном способе изготовления отливок типа полых тел вращения их внутренняя поверхность формируется как свободная поверхность заливаемого металла.
В изложнице, вращающейся вокруг вертикальной оси, заливаемый жидкий металл легко увлекается во вращение и достаточно быстро достигается состояние равновесия. Расплав кристаллизуется уже в состоянии покоя относительно формы, т.е. как в обычных условиях литья, но с иным распределением давления в нем (табл. 4.6.1, рис. 4.6.2, 4.6.3, б). Внутренняя поверхность отливки почти точно воспроизводит свободную поверхность жидкого металла в условиях равновесия. Отклонения возникают только как результат усадки сплава при кристаллизации [7].
Другой важнейший случай центробежного литья - горизонтальное расположение оси вращения изложницы.
Как было показано, равновесие жидкости во вращающейся изложнице в этом случае невозможно. Для оценки возникающего течения необходимо решать задачу динамики вязкой жидкости. Ограничимся здесь лишь результатами экспериментальных исследований [7], схематически представленными на рис. 4.6.4 для поперечного сечения цилиндра относительно большой длины, вращающегося вокруг собственной оси (оси z неподвижной системы координат). Предполагается, что вдоль оси z течения нет, т.е. рассматривается случай плоской задачи.
С началом вращения цилиндра жидкость вовлекается в движение его стенками. Слой жидкости, непосредственно соприкасающийся
со стенками цилиндра, имеет ту же скорость, что и стенки цилиндра. Последующие слои жидкости вовлекаются в движение за счет сил внутреннего трения (вязкости) жидкости. У свободной поверхности возникает движение жидкости вниз. При малых постоянных скоростях вращения цилиндра (со = const) возможно стационарное циркуляционное движение жидкости с конфигурацией свободной поверхности, показанной на рис. 4.6.4, а.
При возрастании скорости вращения цилиндра интенсивность движения жидкости увеличивается. В некоторый момент времени верхняя часть потока жидкости разрушается и отдельными каплями жидкость падает вниз - возникает так называемое дождевание (рис. 4.6.4, б). При дальнейшем увеличении скорости вращения цилиндра жидкость внезапно распределяется по поверхности цилиндра, а ее свободная поверхность по форме близка к цилиндрической с осью, почти совпадающей с осью вращения (рис. 4.6.4, в).
Скорость вращения цилиндра, при которой возникает дождевание, называют критической.
При уменьшении скорости вращения возрастает разница в толщине слоя жидкости в цилиндре (рис. 4.6.4, г). Минимальная толщина его наблюдается в нижней части потока, смещенной по направлению вращения.
Рис. 4.6.4. Изменение свободной поверхности жидкости при горизонтальной оси вращения
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПАРАМЕТРЫ ПРОЦЕССА И МАШИН
833
Рис. 4.63. Векторы силового поля в различных точках жидкости при горизонтальной оси вращения
Рис. 4.6.6. Схема заливки металла в изложницу через неподвижный желоб
В каждой точке жидкости (рис. 4.6.5) гравитационная и центробежная силы (объемные силы) постоянны (по величине и направлению), т.е. поле объемных сил стационарно. Поэтому и течение жидкости при постоянной скорости вращения должно быть стационарным.
Показанные на рис. 4.6.5 силы внутреннего трения т (как движущие для внутренних слоев жидкости) при этом также становятся постоянными в каждой точке жидкости. В соответствии с условием неразрывности потока толщина слоя жидкости (при скорости вращения цилиндра больше критической) должна изменяться, как показано на рис. 4.6.4, г и 4.6.5.
Вблизи критической скорости стационарность течения нарушается. При критической скорости вектор гравитационного поля g становится больше проекции на ось у суммы векторов всех других сил, обусловливая дождевание.
Критическая скорость вращения зависит от диаметра цилиндра, количества, плотности и вязкости жидкости в нем.
Изложенные положения сохраняются и для жидкого металла в металлической излож
нице. Однако с началом затвердевания на стенках изложницы намораживается слой затвердевшего металла равномерной толщины (условия затвердевания на поверхности изложницы одинаковы). С течением времени толщина затвердевшего слоя увеличивается, а жидкого - уменьшается. Температура жидкого слоя уменьшается, а его вязкость повышается.
2
Кроме того, обычно со г » g. Эти факторы приводят к подавлению течения металла в жидком слое, а отливка после затвердевания имеет равномерную толщину стенок.
Однако ситуация осложняется заливкой жидкого металла. Обычно ее ведут через заливочный желоб (рис. 4.6.6). В этом случае добавляется еще растекание металла вдоль оси z, а течение металла в изложнице становится винтовым. Критическая скорость вращения изложницы оказывается зависимой и от подачи q жидкого металла. При относительно небольшой дине отливки L процесс растекания металла успевает завершиться и на конфигурацию затвердевшей отливки влияния не оказывает.
С увеличением длины отливки L для улучшения условий растекания металла изложницу приходится наклонять на небольшой угол Р, что приводит к разностенности отливок в продольном направлении.
Отливки большой длины (трубы) сформировать таким образом не удается. Приходится перемещать заливочный желоб относительно изложницы (вдоль оси z) и сохранять ее наклон (угол 0) для улучшения течения металла по желобу.
Отливка в этом случае формируется последовательно в процессе заливки. Толщина стенки и приемлемое качество внутренней поверхности отливки обеспечиваются выбором соотношения скоростей вращения со изложницы и перемещения V* желоба и подачи q жидкого металла.
Классификация центробежных машин. По назначению центробежные машины близки к специальным. Конфигурация и материал отливки, тип литейной формы, особенности технологического процесса отражаются на конструкции машин, определяют их широкое разнообразие и часто приводят к созданию машин и технологических комплексов узкого назначения.
Общими, характерными для всех машин, признаками являются положение оси вращения и тип конструкции основного узла (вращения формы) машины (табл. 4.6.2).
27-819
834
Глава 4.6. ЦЕНТРОБЕЖНЫЕ МАШИНЫ
4.6.2. Типы центробежных машин
В шпиндельных машинах литейная форма закрепляется непосредственно на шпинделе или на планшайбе шпинделя, вращающегося в двух опорах.
В роторных машинах обычно сама форма является ротором, вращающимся на роликовых опорах. Часто такие машины называют также роликовыми. Вращение ротору передается через нижние приводные ролики или через шкив клиноременной передачи. Верхний ролик - прижимной.
Осевое смещение ротора предотвращается упорными роликами или специальным профилем опорных роликов и беговых дорожек ротора (на рис. в табл. 4.6.2 и 4.6.3 не показаны).
Широкую номенклатуру отливок и технологических вариантов их изготовления охватывают шпиндельные машины с вертикальной осью вращения. Сюда относятся:
- детали типа тел вращения (колец) малой высоты (рис. 4.6.2) - заготовки венцов зубчатых и червячных колес, рабочие колеса центробежных насосов и др.;
- фасонные отливки, в том числе из специальных сталей и сплавов, изготовляемые в разовых керамических или иных формах в вакууме, - вакуумное центробежное литье;
- мелкие художественные, ювелирные и стоматологические отливки, заливаемые из тигля, вращающегося вместе с формой вокруг внешней оси (см. рис. 4.6.2). Шпиндельные машины с горизонтальной осью вращения применяются для изготовления деталей типа втулок относительно небольшой длины, в том числе с фасонными элементами на внешней поверхности, например гильзы блоков цилиндров тракторных двигателей.
Роторные машины с вертикальной осью встречаются редко. Известна [7] машина для изготовления полых стальных слитков массой до 20...45 т.
На роторных роликовых машинах с горизонтальной осью вращения изготовляют отливки типа полых тел вращения преимущественно средней и большой длины (труболитейные машины). Их можно еще разделить на типы в зависимости от реализации относительного перемещения ротора (формы) и желоба (табл. 4.6.3). Здесь имеются в виду только движения элементов в направлении оси ротора (изложницы) и в этом смысле употребляются термины "подвижный" и "неподвижный".
4.6.3. Типы роторных центробежных машин
Подвижный элемент
Нет
Желоб
Ротор
Схема машины
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И ПАРАМЕТРЫ ПРОЦЕССА И МАШИН
835
Роторные машины с неподвижным заливочным желобом применяют для изготовления втулок, трубных заготовок и труб длиной до 3,2 м.
В двух последних случаях используют, как правило, изложницы, футерованные сыпучим материалом или уплотненной сырой песчано-глинистой формовочной смесью.
Роторные машины с относительным перемещением желоба и ротора в процессе заливки применяют при производстве труб большей длины в водоохлаждаемых изложницах без покрытия.
Заливка, как правило, проводится из стационарного секторного ковша. При подвижном желобе длина пути жидкого металла по желобу изменяется по мере заливки.
Выбор параметров центробежных машин. Основным параметром технологического процесса и машин центробежного литья является скорость вращения литейной формы (со или п). Для конкретной отливки она должна лежать в определенных пределах.
При вертикальной оси вращения формы нижний предел скорости вращения может быть обусловлен допустимой продольной разно-стенностью отливок типа полых тел вращения, а также требованиями очистки металла от неметаллических включений.
При горизонтальной оси вращения основным ограничением является дождевание, т.е. нижней границей является критическая скорость вращения формы.
Максимальная скорость вращения (верхний предел) обычно ограничивается максимальным давлением, прочностью формы или самой затвердевающей отливки (горячие трещины). Возможны ограничения скорости из-за ликвации компонентов сплава вследствие различной их плотности.
Для фасонных отливок могут возникнуть дополнительные ограничения на этапе заполнения полости формы расплавом.
Оптимальной считается наименьшая скорость вращения формы, при которой получается отливка требуемого качества [7].
Выбор скорости вращения формы по гравитационному коэффициенту. Обычно скорость вращения формы при горизонтальной оси вращения выбирают по формулам Кэмме-на или Л.С. Константинова [7]. Формула (4.6.5) после приведения к виду
27*
со = или п ~ 300^ (4.6.6)
вполне аналогична формулам указанных авторов. Здесь г - внутренний радиус отливки в см. Гравитационный коэффициент k охватывает весь комплекс факторов, определяющих необходимую скорость вращения формы, а потому изменяется в широких пределах (от единиц до сотен). Его рекомендуется выбирать по аналогии с освоенными отливками [7].
Метод дает хорошие результаты для относительно тонкостенных отливок. Для толстостенных отливок, заливаемых через неподвижный желоб, необходим расчет критической скорости по формуле К.У. Цветенко [7].
Для труболитейных машин режимы хорошо отработаны. Скорость вращения (п = 50... 1250 об/мин) и скорость относительного перемещением желоба и ротора (Уж = vp = = 0,02...0,04 м/с) выбираются в соответствии с этими режимами.
Для отливок типа полых тел вращения при вертикальной оси вращения предварительный расчет также возможен на основе гравитационного коэффициента. Однако необходима проверка по упомянутым ограничениям.
Основой выбора скорости вращения при изготовлении фасонных отливок является необходимое и допустимое давление жидкого металла в полости формы (см. табл. 4.6.1, рис. 4.6.2 и 4.6.3, б).
Диапазон скоростей вращения привода машины должен обеспечивать необходимые режимы изготовления всей номенклатуры подлежащих изготовлению отливок и возможность подстройки этих режимов. Поэтому привод машины выполняют регулируемым. Большинство эксплуатируемых машин имеют привод с двигателями постоянного тока. Однако на сегодня могут быть успешно использованы асинхронные двигатели с частотным регулированием.
Выбор мощности электродвигателя. Обычно разгон формы до необходимой скорости вращения со проводят до начала заливки. Необходимая для этого мощность Np определяется соотношением
^Р=^-> «6-7)
836
Глава 4.6 ЦЕНТРОБЕЖНЫЕ МАШИНЫ
где J - общий момент инерции вращающихся масс, приведенный к оси вращения двигателя; /р - время разгона.
Для малых и средних машин время разгона формы составляет 2... 10 с.
Заливка жидкого металла ведется уже во вращающуюся с необходимой скоростью форму. Мощность, затрачиваемая на придание необходимой скорости вращения жидкому металлу, может быть определена аналогичным образом:
М>=^, (4-6.8)
где Jo - момент инерции отливки, приведенный к оси вращения двигателя; t3 - время заливки.
Удовлетворительные результаты расчета по формуле (4.6.8) получаются для машин с вертикальной осью вращения и для машин с горизонтальной осью вращения при малой толщине стенок отливок. При большой толщине стенок отливок за время заливки не весь жидкий металл вовлекается во вращение со скоростью формы со. Практически до конца затвердевания отливки сохраняется движение металла относительно формы. Возникают дополнительные затраты энергии на трение в жидкости в течение всего времени заливки и затвердевания отливки. Поэтому в этом случае необходима корректировка результатов расчета.
Мощность холостого хода машины определяется обычными методами.
В соответствии с циклограммой работы машины на основе 7Vp, 7V0 и строится нагрузочная характеристика двигателя и по ней рассчитывается (из условий нагрева электродвигателя) необходимая мощность электродвигателя.
Условия разгона для выбранного электродвигателя необходимо проверить, решая уравнение движения
J—+МТ =Л/(<о), (4.6.9)
dt
где Л/т - статический момент сил сопротивления (сил трения); М(ш) - крутящий момент электродвигателя в соответствии с его механической характеристикой.
Для периода заливки необходима проверка двигателя по номинальному моменту и допустимой перегрузке.
Механические характеристики двигателя необходимо формировать, прежде всего, для получения необходимой скорости вращения двигателя в выбранном диапазоне.
Для подавления транскристаллизации в толстостенных отливках из некоторых сплавов применяется многократное торможение и разгон формы, что должно быть учтено при выборе мощности двигателя. Предпочтительно электрическое торможение.
В некоторых случаях, например при заливке форм фасонных отливок из вращающегося вместе с формой тигля, необходимо формирование характеристик двигателя для обеспечения подачи металла в форму в соответствии с ее расходной характеристикой (обеспечение необходимого закона изменения скорости вращения при разгоне).
Основой силовых расчетов элементов и механизмов формы, а иногда и самой отливки, является давление в жидком металле.
Исходное давление определяют по уравнениям гидростатики (табл. 4.6.1, рис. 4.6.3), хотя действительное давление в жидком металле при горизонтальной оси вращения всегда меньше расчетного и еще более уменьшается с развитием затвердевания отливки.
4.6.2. КОНСТРУКТИВНОЕ ИСПОЛНЕНИЕ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ МАШИН
Шпиндельные машины.
Машины для литья втулок. Примерами шпиндельных машин для литья втулок в изложницы с горизонтальной осью вращения могут служить машины моделей 552-2 и 553-2 (рис. 4.6.7).
Все узлы машин монтируются на станине 10. Форма 6 крепится к фланцу шпинделя 9, вращающегося в двух роликовых подшипниках. Форма имеет сменные гильзы 5. Внутри шпинделя смонтирован механизм выталкивания отливок с упорным диском 7. При вращении изложницы ее крышка 4 удерживается рычажными центробежными зажимами 3. На дверце кожуха смонтированы заливочный желоб 1 и механизм зажима крышки 4 изложницы, обеспечивающий снятие крышки 4 при открывании дверцы кожуха и свободное удаление отливки.
КОНСТРУКТИВНОЕ ИСПОЛНЕНИЕ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ МАШИН
837
Рис. 4.6.7. Центробежная машина для литья втулок:
/ - заливочный желоб; 2 - кожух; 3 - рычаги с грузами; 4 - крышка; 5 - сменная гильза; 6 - изложница; 7 - диск выталкивателя; 8 - отливка; 9 - шпиндель; 10 - станина; 11 - электродвигатель
Охлаждается форма обрызгиванием водой. Во вращение форма приводится электродвигателем 11 постоянного тока с бесступенчатым регулированием скорости. Параметры машин приведены в табл. 4.6.4.
По аналогичной схеме строятся машины для изготовления гильз цилиндров тракторных двигателей.
От обычной втулки гильза отличается наличием двух центрирующих поясков на внешней поверхности. Изложница в этом случае обычно футеруется песчано-глинистой формовочной смесью и имеет многочисленные отверстия в стенках для удаления газов при изготовлении отливки. Машина комплектуется механизмами заполнения вращающейся изложницы формовочной смесью, предварительного профилирования (скребком) и окончательного уплотнения смеси методом накатки профилированным валком (роликом).
Конструкция машины несколько изменяется при использовании для изготовления таких отливок разъемных металлических форм. Известны двух- и трехэлементные формы с "книжным" разъемом.
4.6.4. Техническая характеристика машин
Параметр Модель машины
552-2 553-2
Размеры отливок, мм: диаметр наименьший диаметр наибольший 80 200 200 320
Длина наибольшая, мм 320 500
Сила выталкивания отливки, кгс 2500 2500
Скорость вращения формы, об/мин 500... 1250 500...900
Установленная мощность электродвигателей, кВт 28 36,5
Производительность, шт./ч до 14 до 9
Габаритные размеры, мм 2500 х х 1895 х х 1400 2820 х х2015х х 1510
Масса машины 3300 -
838
Глава 4.6. ЦЕНТРОБЕЖНЫЕ МАШИНЫ
Рис. 4.6.8. Разъемная металлическая форма для гильз цилиндров тракторных двигателей:
1,2,3- сегменты формы; 4,5- штанги; 6, 7 - пальцы; 8,9 - нажимные конические кольца;
10 - ограничитель; 11 - шпиндель
Рис. 4.6.9. Машина для литья гильз в разъемные формы:
1 - форма; 2, 3 - нажимные кольца; 4 - центробежные зажимы; 5 - пневмоцилиндр; 6 - пальцы; 7 - заливочный желоб; 8 - опора; 9 - двигатель; 10 - клиноременная передача; 11 - полый вал; 12 - шпиндель; 13 - муфта; 14 - решетка
Разъемная металлическая форма (рис. 4.6.8) для ЦМ конструкции ЦНИИТМАШ состоит из сегментов 7, 2 и 3, смонтированных на штангах 4 и 5. Средний сегмент может перемещаться на небольшое расстояние вдоль штанг. При перемещении нажимного кольца 8 вдоль оси пальцы б и 7 поворачивают боковые
сегменты 2 и 3 вокруг осей штанг. Форма раскрывается для удаления отливки. При обратном движении форма закрывается, а нажимные конические кольца 8 удерживают сегменты формы в рабочем состоянии.
На машине (рис. 4.6.9) форма раскрывается и закрывается пневмоцилидром 5, шток
КОНСТРУКТИВНОЕ ИСПОЛНЕНИЕ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ МАШИН
839
которого через муфту 13 с упорным шарикоподшипником соединен с подвижным шпинделем 12.
Нажимные конические кольца формы на рис. 4.6.9 обозначены 2 и 3. Приводное кольцо 3 закреплено на шпинделе 12. При вращении формы кольцо 3 дополнительно прижимается центробежными зажимами 4. Кольцо 2 смонтировано на дополнительной шарикоподшипниковой опоре. Во вращение форма приводится от электродвигателя 9 через клиноременную передачу 10 и полый вал 11.
Заливка металла производится через желоб 7, вводимый в пустотелую цапфу дополнительной опоры. Решетка 14 служит для приема готовых отливок.
В шпиндельной машине с вертикальной осью вращения для изготовления фасонных отливок (рис. 4.6.10, разработка ЦНИИТМАШ [7]) сырая песчано-глинистая форма /, смонтированная на специальном поддоне, устанавливается на конус 2 на шпинделе 3. Специального крепления форма не имеет.
От двигателя вращение шпинделю передается через редуктор, клиноременную и коническую зубчатую передачи. При мощности
двигателя 7 КВт максимальная масса залитой формы 6 т. На время установки и удаления формы подвижный защитный кожух 4 опускается в нижнее положение.
По аналогичной схеме строятся машины для литья деталей типа колец и вакуумного центробежного литья. Конус 2 при этом заменяют столом - планшайбой. При вакуумном литье стол с формой размещают в вакуумной камере.
Широкую номенклатуру машин такого типа (без вакуумирования формы) предлагает, например, фирма The Centrifugal Casting Machine Co (США). Формы металлические, охлаждаемые водой (разбрызгиванием). Максимальный диаметр формы - до 2745 мм, высота до 1200 мм. Скорость вращения формы 100... 1000 об/мин. Привод машин регулируемый с рекуперативным торможением. Машины могут иметь водяное охлаждение шпинделя и его подшипников.
В центробежной машине для литья мелких художественных и ювелирных отливок (рис. 4.6.11) на шпинделе 5 смонтирована траверса для заливаемой формы 8, тигля и противовеса 3.
Рис. 4.6.10. Центробежная машина для литья фасонных отливок в песчаные формы:
1 - разовая форма; 2 - центрирующий посадочный конус; 3 - шпиндель; 4 - защитный кожух
840
Глава 4.6. ЦЕНТРОБЕЖНЫЕ МАШИНЫ
Рис. 4.6.11. Центробежная машина для литья художественных и ювелирных отливок (фирма Calloni, Италия):
/ - электропечь; 2 - кожух; 3 - противовес; 4 - основание траверсы; 5 - шпиндель; 6 - гайка; 7 - каретка тигля; 8 - форма; 9 - ложемент формы, 10 - опора формы
Форма 8 (в цилиндрической опоке диаметром 70...80 мм, длиной около 150 мм) устанавливается в ложемент 9. Опора 10 удерживает форму при вращении. Тигель размещается в отверстии каретки 7, которая может перемещаться по направляющим. С противоположной стороны на штанге устанавливается противовес 3. Под траверсой расположена электропечь сопротивления 1, перемещаемая в вертикальном направлении рычажным механизмом и имеющая два фиксированных положения.
Основание 4 траверсы соединено со шпинделем 5 специальным шарнирным соединением. При затянутой гайке б траверса и шпиндель представляют жесткую конструкцию, при открученной гайке траверса легко поворачивается в вертикальной плоскости, обеспечивая возможность статической балансировки траверсы.
Балансируют траверсу после установки формы, перемещая противовес 3. Каретку 7 при этом вплотную подводят к ложементу 9 формы, а на форму устанавливают грузик, соответствующий весу загружаемого металла. Основание траверсы и противовес фиксируют, затягивая соответствующие гайки. После за
грузки шихты совмещают оси тигля и печи, переводят печь в верхнее положение и проводят плавку. Перед заливкой печь опускают в нижнее положение, а каретку вновь подводят вплотную к ложементу формы.
Возможность заливки из неподвижного относительно траверсы тигля была проиллюстрирована на рис. 4.6.2. Однако реализовать ее можно только при непрерывном увеличении скорости вращения, т.е. заливка на таких машинах производится только в процессе разгона. Заливка выполняется при закрытой крышке кожуха 2 печи (на рис. 4.6.11 не показана). При плавке и заливке необходим отсос газов.
Известны также машины аналогичного назначения с опрокидывающимся (во время разгона) тиглем с формой и машины с горизонтальной осью вращения.
Роторные машины.
Роторные (роликовые) машины позволяют производить замену формы (ротора) даже при каждом цикле работы машины. Их также применяют для изготовления отливок типа втулок, особенно когда форма требует специальной подготовки, например при заливке баббитовых вкладышей. Фирма The Centrifugal
Рис. 4.6.12. Центробежная машина для литья трубных заготовок:
1 - самоходная тележка; 2 - заливочный ковш; 3 - корпус; 4 - механизм наклона; 5 - заливочная воронка; 6 - изложница; 7 - шарнир поворота; 8 - поворотная рама; 9 - пневмоцилиндр; 10 - бункер с песком
КОНСТРУКТИВНОЕ ИСПОЛНЕНИЕ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ МАШИН
2
842
Глава 4.6. ЦЕНТРОБЕЖНЫЕ МАШИНЫ
Casting Machine Со (США) предлагает, например, машины такого типа для изготовления отливок диаметром 130...765 мм при максимальной длине до 915 мм.
Однако основная область применения роторных машин - изготовление труб и аналогичных изделий различного назначения.
Центробежные машины для литья трубных заготовок. Трубные заготовки изготовляют из различных сталей в изложницах с теплоизоляционным покрытием и применяют при производстве труб различными методами И-
В центробежной машине (рис. 4.6.12, разработка ВНИИЛитмаш) корпус 3 с системой водоохлаждения и опорными роликами для изложницы 6 через шарнир 7 смонтирован на фундаментной тумбе и дополнительно опирается на механизм наклона 4. На корпусе 3 размещены также заливочное устройство с воронкой 5 и электродвигатель. Максимальный угол наклона корпуса 15°, время наклона регулируется в пределах 2...27 с. Скорость вращения изложницы 875... 1510 об/мин.
Изложница футеруется слоем песка. Желоб для нанесения покрытия и выталкиватель отливки (пневмоцилиндр 9 со специальной головкой) смонтированы на поворотной раме S, благодаря чему поочередно могут занимать положение, соосное с изложницей.
Перед включением машины с обоих торцов изложницы устанавливают стержни и фиксируют заливочную воронку 5. По окончании
разгона в изложницу вводится желоб, на который в процессе его перемещения из бункера 10 подается дозированное количество песка. В крайнем положении желоба подача песка прекращается, и желоб поворачивается на 180° вокруг оси изложницы. По окончании засыпки желоб выводят, а корпус наклоняют на необходимый угол. Заливку проводят из ковша 2, размещенного на самоходной тележке 1. В процессе заливки корпус машины переводят в горизонтальное положение, причем окончание подъема корпуса совпадает с окончанием заливки.
Машины для изготовления канализационных труб. Большинство канализационных труб изготовляют в России на конвейерном агрегате модели Л2. Однако в ряде труболитейных цехов для изготовления канализационных труб используются машины с трехслойным ротором и подвижным желобом модели Ц24 [7].
Ротор машины (рис. 4.6.13) состоит из трех основных частей: металлической формы /, рубашки 2 и наружного корпуса 3. На наружной поверхности металлической формы и рубашки нарезаны широкие винтовые канавки. Полость глубиной 1 мм между формой и рубашкой служит для уменьшения поверхности их непосредственного контакта, т.е. для тепловой изоляции формы. Винтовая канавка глубиной 15 мм между рубашкой и корпусом служит каналом для охлаждающей воды.
Выход пара
Рис. 4.6.13. Трехслойный ротор машины модели Ц24:
1 - форма; 2 - рубашка; 3 - корпус; 4 - ввод воды; 5 - водоприемник; 6 - коллектор сбора воды и пара
КОНСТРУКТИВНОЕ ИСПОЛНЕНИЕ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ МАШИН
843
Вода поступает по трубе 4 в приемник 5, закрепленный на корпусе, проходит по винтовому каналу и через неподвижный коллектор 6 уходит на слив.
Заливка металла производится через неподвижную воронку 9 (рис. 4.6.14), из которой жидкий металл по желобу 10 поступает в изложницу. Желоб 10, смонтированный на каретке 11, при заливке перемещается со скоростью 0,2 м/с. Скорость вращения ротора 7... 1250 об/мин. Внутренний диаметр труб - 50 мм, длина -2000 мм.
Центробежные машины для изготовления напорных труб. Напорные раструбные трубы из серого чугуна диаметром до 300 мм отливаются в России, в основном, на центробежных машинах с металлическими формами, интенсивно охлаждаемыми водой.
Практически все машины имеют одинаковую конструктивную схему - с подвижным (относительно заливочного желоба) ротором (см. табл. 4.6.3).
Внутренняя поверхность раструба отливки формируется песчаным стержнем. На другом конце формы закреплена коническая втулка, ограничивающая длину отливаемой трубы.
Большинство напорных труб из серого чугуна в настоящее время отливаются на центробежных машинах моделей ЛН104 и ЛН102 (рис. 4.6.15). Машины спроектированы и изготовлены Новосибирским заводом Сиблитмаш и имеют правое и левое (с индексом Л) исполнения [1], [2], [3].
При заливке труб металлическая форма нагревается и прогибается, что особенно характерно для труб большой длины. Прогиб форм приводит к разностенности труб. Поэтому в машинах моделей ЛН104 и ЛН102М металлическая форма в корпусе установлена на трех (роликовых) опорах. При этом корпус машины 3 имеет повышенную жесткость. Охлаждение формы производится водой, заполняющей корпус.
Вращение формы осуществляется с помощью электродвигателя постоянного тока через клиноременную передачу. Осевое перемещение металлической формы относительно корпуса ограничивается упорными роликами (машина модели ЛН104). На машине модели ЛН102 в качестве опоры формы со стороны заливочных желобов использован шарикоподшипник, который одновременно ограничивает осевое перемещение формы.
Отсутствие упорных роликов обеспечило бесшумность работы машины и устранило интенсивный износ ряда деталей.
В машинах моделей ЛН104 и ЛН102М предусмотрено использование песчаного (из пульвербакелиговой смеси) стержня раструба [5].
Стержень, собранный с поддоном, устанавливается в форму специальным механизмом 2.
Машина имеет два заливочных желоба 6, смонтированных на тележке 5 и работающих попеременно. Пока один из желобов находится в рабочем положении, проводят обслуживание и подготовку другого. Заливка металла осуществляется заливочным стендом 4 с секторным ковшом емкостью на одну заливку. Секторный ковш заполняется расплавленным металлом из разливочного стенда, представляющего собой тележку, перемещающуюся в поперечном направлении. На тележке установлено два съемных разливочных ковша, каждый из которых вмещает металл на отливку пяти труб. Дозирование металла проводится по скорости и продолжительности заливки.
По окончании заливки и охлаждения отливки экстрактор 1 захватывает готовую трубу и удерживает ее при возвращении корпуса 3 с формой в исходное положение. Для приема отлитых труб служат опорные рычаги 8. При их повороте труба скатывается на заводские стеллажи.
Манипулятор 9 снимает поддоны с экстрактора 1 и передает их на конвейер возврата для повторного использования.
На машинах предусмотрены три режима работы: наладочный, пооперационный, полуавтоматический. В наладочном режиме сохраняются лишь те блокировки механизмов, отмена которых может привести к поломкам машины.
Раструбные трубы из чугуна с шаровидным графитом имеют приблизительно в полтора раза меньшую толщину стенки и допускаемую разностенность, чем трубы из серого чугуна. Уменьшение прогиба изложниц является основной проблемой создания машин для литья труб из чугуна с шаровидным графитом.
НИИлитмашем разработан проект такой машины модели 91112, в котором предусмотрено значительное снижение искривления металлических форм.
В этой машине металлическая форма имеет рубашку, не подвергающуюся значительным термическим нагрузкам и определяющую
Рис. 4.6.14. Центробежная машина модели Ц24:
1 - привод желоба; 2 - станина; 3 - опорные ролики, 4 - коллектор; 5 - упорные ролики; 6 - тормоз; 7 - ротор; 8 - улитка слива избыточного металла; 9 - заливочная воронка;
.10- заливочный желоб; 11 - каретка желоба
844 Глава 4.6. ЦЕНТРОБЕЖНЫЕ МАШИНЫ
1
2
3
4
Рис. 4.6.15. Машина для литья напорных труб модели ЛН102А:
1 - экстрактор; 2 - механизм установки стержней; 3 - корпус; 4 - заливочный стенд; 5 - тележка желобов; 6 - желоба; 7 - станина; 8 - опорные рычаги (поддержки); 9 - манипулятор снятия поддона с механизма извлечения трубы и его поворота на 180°
КОНСТРУКТИВНОЕ ИСПОЛНЕНИЕ ЦЕНТРОБЕЖНЫХ МАШИН 845
846
Глава 4.6 ЦЕНТРОБЕЖНЫЕ МАШИНЫ
жесткость формы. Между металлической формой и рубашкой размещается несколько рядов промежуточных опор, которые центрируют форму, сохраняя возможность ее перемещения в осевом направлении при нагревании.
Рубашка монтируется в корпусе корсета на подшипниках качения. В состав корсета входят улитки для подвода и удаления воды с торцевыми уплотняющими устройствами. Корпус корсета и улитки опирается на плоскость горизонтального разъема нижней части передвижного корпуса. Машина оснащается двумя типоразмерами сменных корсетов для
отливки труб диаметром 100... 150 мм и для труб диаметром 150...200 мм.
Охлаждение металлической формы осуществляется потоком воды между рубашкой и металлической формой, подаваемой под высоким давлением.
Система управления двигателем обеспечивает автоматический переход на необходимые на различных этапах формирования отливки скорости вращения формы (заливки раструба, передней части ствола отливки и хвостовой части трубы, во время кристаллизации и извлечения трубы).
4.6.5. Техническая характеристика центробежных машин для отливки напорных труб
Параметр Модель машины
541 541Л 543М ЛН102А ЛН102АЛ ЛН104А ЛН104АЛ 91112
Условный проход отливаемых труб, мм 75; 100; 150 200; 250; 300 100; 125; 150 200; 250; 300 100; 150; 200
Длина труб (строительная), мм 4000 5000 4500
Масса отливаемых труб, кг 51,2; 115 218; 296; 385 96; 125; 156 279; 378; 490 74,5; 113,7; 151,7
Производительность, шт./ч - - 32; 33; 34 28; 27; 24 70; 63; 58
Наклон оси вращения:
град - - 3,26 3,5 -
% - - - 6 5; 4
Скорость вращения формы, об/мин 100...1080 250...500 600... 1200 350...700 50... 100
Скорость перемещения корпуса: при отливке трубы, см/с — 2...25 — 24...26,5 21...36
при извлечении трубы, см/с 4...40 3...30 - 45 50...100
Сила извлечения трубы, Н 1500 5000 - 4600 3500
Установленная мощность
двигателей, кВт - 80 90 141 222
в т.ч. постоянного тока - - 43,2 46 90
Габариты машины, мм:
длина - 15 850 13 700 21 125 17 780
ширина - 6600 3380 6900 5310
высота - 4000 2650 4265 3740
Масса машины (без запчастей), кг - 46 300 40 000 75 000 -
Масса машины с разливочным стендом, кг - - - 100 000 -
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
847
На машине используются цельнометаллические желоба без футеровки с покраской канала желоба. Для механической уборки металла, остающегося на желобе, осуществляется поворот желобов относительно их оси на 180°. Желоба до ввода в форму поддерживаются роликами, перемещающимися поперек оси машины синхронно с тележкой желобов. Система управления машиной построена на базе микропроцессорного контроллера.
Основные параметры труболитейных машин, используемых в России, приведены в табл. 4.6.5.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бубнов Б.И, Трифонов В.Д. Новая центробежная машина модели ЛН104 // Литейное машиностроение. 1967. № 2.
2. Комплексная механизация и автоматизация труболитейного производства / А.П. Усачев, С.М. Двоскин, В.Д. Трифонов и др. // Механизация и автоматизация производства. 1974. №5.
3. Литейные машины. Каталог НИИ-Маш. 1976.
4. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа: Учебное пособие для студентов университетов и вузов. 3-е изд. М.: Наука, 1970.904 с.
5. Трифонов В.Д., Нусс В.И. Новые машины завода "Сиблитмаш" // Литейное машиностроение. 1967. № 5, 6.
6. Центробежное литье и экономичность производства литых заготовок / В.Л. Рассудов, А.Н. Селингер, И.М. Черницкий и др. // Литейное производство. 1995. № 3. С. 22.
7. Юдин С.Б., Левин М.М., Розенфельд С.Е. Центробежное литье. Инженерная монография. 1972. 280 с.
Раздел 5
АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЦЕССОВ ЛИТЕЙНОГО ПРОИЗВОДСТВА
Глава 5.1
ОСНОВЫ УПРАВЛЕНИЯ АВТОМАТИЧЕСКИМ ЛИТЕЙНЫМ ОБОРУДОВАНИЕМ
5.1.1. ЗАДАЧИ И СПОСОБЫ УПРАВЛЕНИЯ ЛИТЕЙНЫМИ
ПРОЦЕССАМИ И ОБОРУДОВАНИЕМ
Цель автоматизации - повышение производительности и эффективности труда, улучшение качества продукции, оптимизация планирования и управления, устранение человека от работы в условиях, опасных для здоровья.
Автоматизация управления наряду с применением технических средств и экономико-математических методов является одним из основных компонентов автоматизации производства, освобождающей человека от непосредственного участия в процессах получения, преобразования, передачи и использования энергии, материалов или информации.
Совершенствование технологического процесса литья, повышение уровня его автоматизации в настоящее время идет по пути разработки оптимальных схем процессов, обеспечивающих сокращение количества операций, возможности автоматического контроля и управления параметрами процессов, создания соответствующего оборудования и разработки новых технических средств для контроля и управления, разработки методов управления с использованием современных возможностей вычислительной техники. В данном разделе будут рассмотрены современные методы управления процессом, повышающие уровень его автоматизации, а также конструкторские, технологические и организационные методы и средства, привлекаемые к решению задач управления литейными процессами и оборудованием.
Постановка задачи управления технологическим процессом.
Управление - такая организация того или иного процесса, которая обеспечивает достижение заданных целей.
При построении систем управления технологический процесс или оборудование рассматриваются как объект управления, выходными параметрами которого являются требуемые показатели качества (например, свойства изготавливаемой смеси, формы или отливки), технико-экономические показатели, состояние оборудования, а из числа входных воздействий выбираются управляющие воздействия, изменяя которые, стремятся обеспечить требуемые значения выходных параметров. Другие входные воздействия рассматриваются как возмущающие. Последние могут быть контролируемыми (если имеется техническая возможность измерять их) и неконтролируемые.
Управляющие воздействия могут реализовываться автоматическими средствами или обслуживающим персоналом. В последнем случае для осуществления управления разрабатываются производственные инструкции, стандарты предприятия, технические условия.
Набор параметров, которые должны быть охвачены управлением в ходе выполнения технологического процесса, определяется требованиями к выходным параметрам процесса (т.е. к качеству продукции) и имеющимися возмущающими воздействиями. Для того чтобы наиболее полно установить условия формирования выходных параметров процесса, целесообразно составить структурную схему процесса, т.е. представить его в виде последовательно или параллельно выполняемых операций (переходов), каждая из которых может характеризоваться определенными входными и выходными параметрами, причем выходные параметры предшествующей операции будут являться входными параметрами последующей операции. Рассматривая затем условия формирования выходных параметров самой последней операции с привлечением имеющихся знаний о физическом содержании этой операции и условиях ее выполнения, устанавливаются входные параметры и возмущающие воздействия, действующие в данной операции. Для установления зависимости между выходными параметрами и входными и возмущающими воздействиями используются
ЗАДАЧИ И СПОСОБЫ УПРАВЛЕНИЯ ЛИТЕЙНЫМИ ПРОЦЕССАМИ И ОБОРУДОВАНИЕМ 849
известные теоретические или эмпирические зависимости, а при их отсутствии проводятся соответствующие исследования. Переходя последовательно от последней к предшествующим операциям и повторяя такой анализ для каждой из них, устанавливают условия формирования выходных параметров и возмущающие воздействия, действующие в каждой операции.
Ниже проведен такой анализ применительно к технологическому процессу получения стержней в нагреваемой оснастке. Его структурная схема показана на рис. 5.1.1 (ряд операций, в ходе которых не происходит изменений технологических параметров, на схеме опущены).
Выходными параметрами процесса являются:
- плотность стержня 8С;
- геометрическая точность, которую можно характеризовать некоторым количеством п размеров /с, (/ = 1.. .и);
- прочность стержня ст;
- осыпаемость О.
Прочность ст и характеристика осыпаемости стержня О зависят от входных параметров -плотности неотвержденного стержня 8С и состава смеси Cj (/ = 1, /и), и степени полимеризации связующего (3, которая, в свою очередь, зависит от температуры стержневого ящика Тя и времени отверждения стержня тОтв- Колебания ДТя и ДТотв параметров Тя и тОтв являются возмущающими воздействиями этой операции.
Входными параметрами последней операции являются плотность неотвержденного стержня 8О состав его стержневой смеси Cj(j = 1...7И) и размеры полости для стержня в
ящике (i = 1... л), т.е. параметры, которые формируются в предшествующих операциях процесса.
Для упрощения приводимого примера будем считать, что отклонения размеров /я/ характеризуются некой условной величиной 8, возникающей при сборке ящика (сдвиги, перекосы, неточности установки). Другие факторы, как например, износ ящика, его коробление при нагреве, - рассматривать не будем, хотя они могут являться началом полезных для анализа технологических цепочек.
В процессе надува взаимодействуют три компонента: смесь в пескострельном резервуаре, сжатый воздух в ресивере машины и собранный для надува стержневой ящик. Возмущающими воздействиями при надуве являются: колебания времени срабатывания клапана надува состояние вент стержневого ящика и дутьевой плиты головки, которое можно характеризовать изменением их обобщающего гидравлического сопротивления ДЯВ; колебание температуры надувных втулок ДТвт (в горячих втулках может затвердевать смесь).
Входными параметрами операции надува, сформированными на предшествующих операциях, являются: давление сжатого воздуха в ресивере /?р, количество смеси в пескострельном резервуаре (обычно оно характеризуется уровнем смеси в нем Лп); характеристики смеси: состав Ср сырая прочность ст, текучесть Тс и условная погрешность размеров 8. Подача сжатого воздуха в ресивере заключается в заполнении последнего сжатым воздухом из сети (возможны также очистка, сушка и подогрев воздуха). Входным параметром последней операции является давление сжатого воздуха в сети рс.
Рс
Подача сжатого воздуха в ресивер
i-L
Подача л—1
смеси
ЛТЯ Атотв
hg —»• Те _____
6^ б пескострельную
/М
От вер- h-y-lel ждение _► б
головку
Сборка рс стержневого ящика
Надув
О
Рис. 5.1.1. Структурная схема техпроцесса получения стержней в нагреваемой оснастке
850 Глава 5.1. ОСНОВЫ УПРАВЛЕНИЯ АВТОМАТИЧЕСКИМ ЛИТЕЙНЫМ ОБОРУДОВАНИЕМ
Входными параметрами при заполнении пескострельного резервуара смесью из бункера машины являются характеристики смеси {Ср Овд, Тс) и количество смеси в бункере, которое можно характеризовать ее уровнем Входным параметром операции сборки стержневого ящика является давление сжатого воздуха в приводе закрытия ящика рс, а возмущающими воздействиями - изменение сил трения в приводе ящика AFq, и наличие частиц смеси толщиной AS на поверхностях разъема ящика.
На этом анализ выходных, входных и возмущающих воздействий по структурной схеме технологического процесса заканчивается. Надо отметить, что структурная схема процесса может строиться с разной степенью детализации. Это зависит от того, насколько глубоко необходимо проанализировать процесс. Например, ставится задача разработать управление для существующего процесса или необходимо выявить возможные пути совершенствования процесса.
После выявления входных и возмущающих воздействий должны быть приняты решения о методах управления ими. При этом делается выбор между следующими вариантами:
- ввести автоматическое регулирование (по отклонению или возмущениям) или управление параметром;
- ввести автоматический контроль параметра;
- поддерживать требуемое значение параметра посредством периодического обслуживания оборудования;
- возложить задачу стабилизации параметра (для входных параметров) на технические системы, взаимодействующие с автоматизируемым процессом.
Условия выбора тех или иных решений рассмотрены ниже.
Автоматическое регулирование или управление параметром. Выбор метода управления начинается с определения возможности применения автоматического регулирования и управления. Отказываться от такого решения приходится в следующих случаях:
- динамические характеристики объекта (например, большие запаздывания) не позволяют эффективно применить автоматическую систему регулирования;
- применение автоматической системы регулирования экономически нецелесообразно;
- отсутствуют технические средства для такого управления (датчики соответствующих параметров, средства воздействия на изменение хода процесса в необходимом направлении и т.п.).
При выборе для процесса автоматического управления уточняется метод управления. Выбирается один из следующих методов:
- регулирование стабилизирующее;
- регулирование программное;
- управление параметром в функции от значений некоторых других параметров (следящее регулирование);
- управление параметром на основе анализа результатов выполнения технологического процесса в предшествующие моменты времени.
Автоматический контроль параметра. Автоматический контроль параметра вводится с тем, чтобы по его результатам оператор принимал одно из решений:
- продолжать выполнение технологического процесса и принять меры к устранению возникшего отклонения параметра, которое в дальнейшем может достичь недопустимой величины;
- остановить выполнение процесса и принять меры к устранению недопустимого отклонения параметра.
Автоматический контроль параметра может выполняться в виде:
- световой или звуковой сигнализации (возможно также автоматическое отключение или переключение оборудования);
- показания значения параметра;
- регистрации значения параметра.
Выбор одного из вариантов автоматического контроля зависит от важности контролируемого параметра, возможности его изменения в процессе работы, от способа использования показаний прибора.
Стабилизация параметра путем периодического обслуживания оборудования. Стабилизация некоторых параметров выполняется путем периодического обслуживания оборудования, например чисткой, подналадкой, ремонтом. Содержание таких работ излагается в технологических инструкциях или инструкциях по эксплуатации оборудования.
Стабилизация входных параметров в смежных технических системах. Задачу стабилизации некоторых входных параметров возможно возложить на системы, обеспечи
ЗАДАЧИ И СПОСОБЫ УПРАВЛЕНИЯ ЛИТЕЙНЫМИ ПРОЦЕССАМИ И ОБОРУДОВАНИЕМ 851
вающие автоматизируемый процесс материалами, сырьем, заготовками, энергоносителями. Требования к этим параметрам (их величина и допустимые колебания) содержатся в ГОСТах, ОСТах, СТП, ТУ, инструкциях по входному контролю на материалы, получаемые со стороны или из смежных производственных участков.
Информационные потоки в литейном технологическом процессе. На рис. 5.1.2 представлена схема технологического процесса по каналу получения и использованию формовочной смеси. Аналогичные схемы могут быть составлены и для каналов по получению и использованию жидкого металла и стержней. На схеме показаны основные входные и выходные параметры, характеризующие отдельные этапы (стадии, операции) процесса и имеющиеся в нем основные возмущающие воздействия.
На схеме обозначено:
тР (Qj) - масса (расход) j-ro компонента смеси, подаваемого в смеситель (оборотной смеси, песка, связующего, воды, различных добавок),у = 1,..., J;
Т - температура;
с, - компонентный состав смеси после ее приготовления (содержание песчаной основы, активной глины, влаги, углеродосодержащих материалов, мелких фракций, зерновой состав, 7=1,...,/;
d% - набор свойств смеси после ее приготовления (прочность на сжатие и срез, газопроницаемость, уплотняемость, текучесть, формуемость) или другой набор свойств, в зависимости от точки зрения специалиста на то, какие именно свойства или методы их определения наиболее полно характеризуют ка
чество смеси как материала для получения форм и отливок в конкретном производстве и какие методики и технические средства определения этих свойств имеются в его распоряжении, к = 1,..., К',
df - набор свойств формы (плотность и твердость формы, неравномерность их распределения в форме, отсутствие обвалов и засоров), 7=1,...,Ц
3
Ci - состав смеси, измененный в результате заливки, i = 1,...,/;
bn - показатели качества (отсутствия дефектов, вызванных смесью и формой) отливки (ужимин, пригара, засоров, обвалов, песочных и газовых раковин, раздутий, недоливов, спаев, трещин, отклонений геометрии), п = 1, ...,7V;
т0 и сю ~ соответственно расход и состав оборотной смеси после ее переработки.
Основные возмущающие воздействия в этом процессе:
Асу - колебания содержания 7-х компонентов в J-x составляющих смеси (в основном в оборотной смеси);
Ady - колебания свойств исходных компонентов (/-свойства в компоненте у);
Дтсм - колебания времени смешивания;
Дсв - изменение влажности смеси из-за высыхания в транспортной системе;
Ду - колебание уплотнения форм на формовке;
Д(/иотл//иф) - изменения соотношения масс отливки и формы при смене модельной оснастки;
Рис. 5.1.2. Схема технологического процесса
852 Глава 5.1. ОСНОВЫ УПРАВЛЕНИЯ АВТОМАТИЧЕСКИМ ЛИТЕЙНЫМ ОБОРУДОВАНИЕМ
А/ин з - колебания потока незалитых форм;
АТзал - колебания температуры заливки;
АУзал - колебания скорости заливки;
Атзал - колебания времени заливки;
Атвыб - колебания времени охлаждения отливок в форме до выбивки;
Асмет - колебания состава заливаемого металла.
В настоящее время для управления ли** тейным процессом обычно используется схема получения информации о процессе (рис. 5.1.3).
В этой схеме обозначено:
- автоматический контроль свойств смеси; эти данные получаются на выходе операции приготовления смеси и используются для регулирования ее состава и свойств;
- экспресс-контроль свойств смеси. Частота контроля - 2-3 раза в час, результаты получаются примерно через 0,5 ч после выпуска смеси;
- лабораторный анализ состава и свойств смеси (зерновой состав, прокаливание, содержание активного связующего и др.). Время выполнения анализов - до 24 ч, выполняется анализ раз в несколько дней;
- контроль свойств смеси на формовке, выполняемый формовщиком по результатам
формовки. Время получения и передачи этой информации на участок приготовления смеси -0,5...! ч (оно складывается из времени транспортировки смеси на участок формовки и получения нескольких форм, на которых будут выяснены особенности этой смеси);
- контроль качества отливок, по которому уже окончательно судят о качестве смеси (и вообще отливок), оно определяется при разборе и анализе брака отливок, обычно раз в сутки. Время получения и передачи этой информации на участок приготовления смеси -24 ч после выпуска смеси.
Особенностью этой схемы является чрезмерно большее запаздывание в получении информации о процессе и вызванная этим невозможность ее оперативного использования для целей управления.
Динамические свойства литейного технологического процесса. Особенность литейных процессов заключается в их много-операционности, разнооперационности, многообразии влияющих на них факторов. Для них характерно большое количество возмущающих воздействий (некоторые авторы насчитывают до 600 таких воздействий), из которых возможно тем или иным способом контролировать несколько десятков. Многие возмущающие воздействия и в настоящее время остаются неконтролируемыми, по крайней мере с точки
Рис. 5.13. Схема информационных потоков в процессе
ЗАДАЧИ И СПОСОБЫ УПРАВЛЕНИЯ ЛИТЕЙНЫМИ ПРОЦЕССАМИ И ОБОРУДОВАНИЕМ 853
зрения использования соответствующей ин** формации в режиме реального времени для работы системы автоматического управления.
Поэтому о результатах литейного процесса окончательно судят по качеству полученных отливок, а время между выполнением какой-либо операции и оценкой ее результатов по качеству отливки существенно определяет динамику литейного процесса как объекта управления.
Таким образом, динамические характеристики технологического литейного процесса могут быть сформулированы следующим образом.
В технологическом процессе и в системе управления процессом имеются звенья запаздывания по времени. В линии прямой связи (т.е. непосредственно в технологическом процессе) эти запаздывания определяются временем выполнения самого технологического процесса. В линии обратной связи это время запаздывания информации о качестве отливок. Оно связано с частотой контроля качества отливок и временем обработки полученной информации.
Ряд элементов технологического процесса могут рассматриваться как безыинерцион-ные звенья. Например, воздействия в виде изменения пропорций при дозировке компонентов формовочной смеси или шихтовке сплава, переналадка режима уплотнения на формовочных машинах и ряд других ступенчатых воздействий приведут также к ступенчатому изменению соответствующих выходных величин по истечении времени запаздывания.
Инерционностью таких процессов, как выплавка металла или термообработка отливок, в рассматриваемой задаче можно пренебречь, так как постоянные времени этих процессов значительно меньше, чем время запаздывания всего
технологического процесса, и рассматривать эти элементы процесса как безынерционные.
Некоторые части технологического процесса получения отливки представляют непрерывные звенья, в других частях происходит дискретизация проходящих сигналов. Свойства формовочной смеси, выпускаемой из смесителя непрерывного действия, есть величины непрерывные, а свойства смеси в литейных формах - величины дискретные; свойства металла, выплавляемого в вагранке, - величины непрерывные, а свойства металла в ковше, подаваемом на заливку, - величины дискретные.
Условия работы любой системы автоматического управления зависят от характера возмущающих воздействий. Для технологических процессов литейного производства характерны возмущения типа ступенчатого воздействия с широким спектром частоты появления и длительности (например, прохождение смеси из незалитых форм, использование материалов с отклонениями или близких к пределам, установленным стандартами).
Рассмотрим функциональную схему некоторой системы автоматического управления, показанную на рис. 5.1.4. Система преобразует вектор входных воздействий F = {/>, в вектор выходных величин Y = {уь ..., уп}. Регулятор по отклонениям Y формирует вектор регулирующих воздействий X = {хь ..., хт}. Объект управления состоит из ряда параллельных ветвей, формирующих тот или иной компонент вектора Y. В каждой из них имеются непрерывные части, импульсные звенья и звенья запаздывания.
Рис. 5.1.4. Пример управления сложным объектом
854 Глава 5.1. ОСНОВЫ УПРАВЛЕНИЯ АВТОМАТИЧЕСКИМ ЛИТЕЙНЫМ ОБОРУДОВАНИЕМ
Система на рис. 5.1.4 отражает основ** ные динамические особенности такого специфического объекта управления, как технологический процесс литейного производства. Символами И.з. обозначены импульсные звенья, символами е^1 - звенья запаздывания. Схема показывает прохождение основных возмущающих воздействий через объект управления.
При учете указанных ниже допущений на ее основе можно представить упрощенную модель литейного процесса.
От реальной схемы системы управления процессом система на рис. 5.1.4 отличается следующим:
- она не учитывает того, что в каждой цепи формирования того или иного выходного параметра может быть различное число непрерывных, импульсных звеньев и звеньев запаздывания и различно их взаимное расположение;
- локальные контуры регулирования (например, регулирование влажности и свойств смеси, регулирование температуры и давления в некоторых устройствах), а также внутренние перекрестные связи для большей четкости общей картины опущены;
- в существующих системах часть линий связи реализуется не техническими средствами, а операторами и технологами, управляющими процессом.
Тем не менее, схема отражает основные динамические особенности технологического процесса и управления им по тем выходным параметрам, которые определяются только на последнем этапе процесса - при контроле готовой продукции.
Так как динамические звенья технологического процесса могут быть представлены (при указанных оговорках) как безынерционные звенья, уравнения связи выходных и входных величин являются не дифференциальными, а алгебраическими и имеют вид, с учетом запаздываний:
z(0 = Z(7i(<-tl).................
•••>«>
где ту - время запаздывания по j-му воздействию, j= 1,..., т.
Устойчивость системы управления литейным процессом. Для выяснения устойчивости системы управления процессом,
показанной на рис. 5.1.4, рассмотрим более простую систему, показанную на рис. 5.1.5. Она представляет структурную схему автоматической системы регулирования по каналу возмущающего воздействия. Здесь ЙИр представляет передаточную функцию
регулятора, влияние которой на устойчивость и предстоит выяснить. От исходной эта система отличается следующим:
- система является одноконтурной;
- поскольку инерционностью элементов непрерывной части в такой постановке вопроса можно пренебречь, они представлены безынерционным звеном с передаточной функцией Л;
- опущены импульсные элементы. Практически это не влияет на результат, так как в цепи прямой связи (в самом процессе) периоды дискретизации (время изготовления одной формы, время расходования одного ковша, поданного на заливку, и т.п.) малы по сравнению с общим запаздыванием в системе, и такая система может рассматриваться как непрерывная, а в цепи обратной связи теоретически можно представить непрерывный контроль продукции.
Указанные упрощения позволяют более наглядно выяснить динамические особенности системы. Устойчивость системы будем выяснять при поступлении в нее гармонических возмущающих воздействий.
Выясним устойчивость системы при использовании пропорционального регулятора с коэффициентом передачи кр = 1 / к. Именно такого регулирующего воздействия следует ожидать при ручном регулировании, когда оператор вводит управляющее воздействие, компенсирующее обнаруженное отклонение в текущий момент времени.
Передаточная функция системы по каналу возмущающего воздействия при этом имеет вид:
0^(5) ке'^
ЗАДАЧИ И СПОСОБЫ УПРАВЛЕНИЯ ЛИТЕЙНЫМИ ПРОЦЕССАМИ И ОБОРУДОВАНИЕМ 855
где fFo6 - передаточная функция объекта управления, fFo6 = Лоб е-рТт ; ЙИр - передаточная функция регулятора при принятом здесь кр = 1/&об, Wp= Лре-рТи ; тт и ти - соответственно время технологического и информационного запаздывания.
Знаменатель этой передаточной функции при гармоническом воздействии имеет бесчисленное множество корней при
сот3 =7t, Зтг,л(2и-1),...
где со - частота колебаний возмущающего воздействия; т3 = Тт + ти - время общего запаздывания.
Следовательно, максимальная частота со и минимальный период колебания возмущающего воздействия, до которых система еще сохраняет устойчивость (порог устойчивости) равны:
СО<7С/тз, Т>2т3, где Т- период колебания.
Надо заметить, что схема на рис. 5.1.5 вообще устойчива, но работа на пороге устойчивости приводит к увеличению ошибки регулируемого параметра по сравнению с процессом без регулирования в два раза, так как на протяжении большей части периода колебания возмущающего воздействия система будет получать сигналы, противоположные тем, которые действительно нужны для регулирования.
Поэтому для нормального и эффективного функционирования системы регулирования должно соблюдаться условие
т3 «Т/2.
Полученные отношения между т3 и Т являются ориентировочными оценками требований к реальному процессу. Однако они позволяют сделать ряд выводов, полезных для улучшения управляемости технологического процесса.
Сделанный вывод справедлив и для локальных контуров регулирования, если указанные условия (большие запаздывания в сравнении с инерционностью соответствующего компонента процесса) в них сохраняются.
Таким образом, в системе со значительными запаздываниями и высокой частотой возмущающих воздействий невозможно качественно управлять процессом, если возмущения нельзя измерять на входе в систему.
Поэтому на протяжении двух последних веков (когда инженеры уже осознавали необходимость и содержание задач управления процессами) качество литья обеспечивалось максимальной стабилизацией входных воздействий (например, использованием одних и тех же карьеров для формовочных материалов, одних и тех же поставщиков чушкового чугуна или алюминия, других исходных материалов).
В настоящее время, при несравненно больших возможностях решения задач управления в связи с привлечением для этого вычислительных машин, появились примеры эффективного решения задач управления по стабилизации входных возмущений и управлению с учетом наличия таких возмущений. Тем не менее, вне области таких решений, стабилизация входных воздействий различными техническими и организационными средствами является одним из необходимых и важнейших условий получения качественной продукции.
Статистический контроль и управление. Функции распределения параметров литейных процессов. Особенностью большинства параметров литейных процессов, связанных со свойствами материалов, используемых в процессе (материалов форм и стержней, литейных сплавов), является их четко выраженная статистическая (вероятностная) природа. Из нескольких сот факторов влияющих на значение того или иного параметра, может быть зафиксировано в лучшем случае несколько десятков, а остальные создают "шумовой фон" и "размазывают" значение параметра.
Для использования статистических величин в управлении необходимо знать их статистические характеристики, в первую очередь вид функции распределения. Считается, что такие литейные параметры обычно имеют нормальное (по закону Гаусса) распределение. Последнее имеет место именно в тех случаях, когда случайная величина представляет собой сумму очень большого числа взаимно независимых случайных величин, влияние каждой из которых на всю сумму ничтожно мало.
При экспериментальном определении функций распределения для количественной оценки их отличия от нормального служат специальные характеристики случайной величины, в частности асимметрия и мера крутости - эксцесс (или константы Пирсона). Они вычисляются по следующей схеме:
856 Глава 5 1. ОСНОВЫ УПРАВЛЕНИЯ АВТОМАТИЧЕСКИМ ЛИТЕЙНЫМ ОБОРУДОВАНИЕМ
Р1 - Цз / Нг - $к » 02 - Н4 / Р2 - Ек +
где рь Рг - константы Пирсона; Sk - асимметрия; Ек - мера крутости (эксцесс);
1 п
хср=—Vx, - среднее значение; = л/=1
1 п
= — V (х, - хср/ - момент к-го порядка.
л/=1
Для нормального распределения Pi = 0; Р2 = 3 (Sk = 0 и Ек = 0). Поэтому, если для изучаемого распределения Sk и Ек имеют небольшие значения, то можно предположить близость этого распределения к нормальному. Наоборот, большие значения этих характеристик указывают на значительное отклонение распределения от нормального.
Был исследован ряд параметров литейных процессов (содержание элементов в чугуне, свойства смесей); определялись константы Пирсона. Результаты показывают, что значительная часть исследованных параметров имеет функции распределения, близкие к нормальному закону, однако имеется заметный разброс величин: от 0 до 0,3; 02 - от 2 до 4.
Было установлено также, что увеличение объема выборки от ста до нескольких тысяч не влияет на эти характеристики, причем на разных производствах одни и те же технологические параметры имеют различные статистические характеристики.
Одной из причин отклонений распределений от нормального является влияние регулирующих воздействий и стандартов, которые "отсекают" естественные ветви нормального распределения. Другая причина - преобладающее влияние одного из факторов.
Реализация статистического контроля и управления. При статистическом контроле и управлении процессом, результат которого определяется только одним параметром, в предварительном исследовании на представительном статистическом материале определяется вид функции распределения этого параметра, задаются допустимые вероятности выхода контролируемого параметра за границы регулирования и на этой основе определяются границы регулирования. Затем в ходе работы периодически производятся небольшие выборки (5... 7 элементов), для которых определяются значения регулируемого параметра, выбо
рочные арифметические средние и дисперсии. Они сопоставляются с предварительно установленными верхним и нижним допустимыми значениями. При этом проводится проверка статистической гипотезы о несущественном изменении контролируемого параметра. Если эта гипотеза отвергается, значит, появился какой-то новый фактор, вызвавший изменение контролируемого параметра, и необходимо управляющее воздействие для компенсации влияния этого фактора.
Рассмотрим простейший пример управления прочностью формовочной смеси, получаемой в смесителе, при распределении значений этой прочности, близком к нормальному. Границей регулирования задано минимальное значение средней прочности смеси, которое не должно быть меньше 0,150 МПа.
При очередном измерении, при пяти замерах (п = 5) было получено: х, = {0,147; 0,155; 0,155; 0,165; 0,165} МПа, i = 1, 2, ..., 5, откуда выборочное среднее хср и "исправленное" стандартное отклонение (эмпирический стандарт) 5 равны:
хср =—У х,= 0,1574 МПа,
и
/ 1 л
5 =,----У (х, -xCD)2 = 0,007668 МПа.
Чп~1м
При небольших выборках (п < 30) для оценки вероятности отклонения выборочного среднего хср от среднего генеральной совокупности х0 используется распределение Стьюдента. Учитывая симметрию распределения Стыо-дента, из чего следует tP = 11 |2р1, по таблице или соответствующим формулам находим квантиль распределения абсолютной величины отношения Стьюдента для заданной вероятности 0,9 (так как /0 95 = 1110 9 ) и числе степеней свободы к = п - 1 = 4, которая оказывается равна 2,13. Затем из соотношения Стьюдента
Т Уй(хср-х0)
где х0 - генеральное среднее, т.е. среднее значение прочности смеси, получаемой в смесителе, находим:
МЕТОДЫ ОПИСАНИЯ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ И ИХ РАБОТЫ
857
= 0,0073 МПа
из чего следует, что с вероятностью 0,9 средняя прочность находится в интервале хср± 0,0073 МПа, т.е. в интервале от 0,1501 до 0,1647 МПа, или с вероятностью 0,95 х0 >0,1501 МПа.
Таким образом, контролируемая величина не вышла за границы регулирования, и управляющее воздействие не требуется. В противном случае потребовались бы воздействия для повышения прочности смеси, например увеличение добавки бентонита.
В качестве примера на рис. 5.1.6 показано изменение прочности смеси ствл в течение нескольких дней на выходе системы приготовления смеси. Корректировка состава смеси производится только по достижении заданных границ регулирования: (1,4...2)-105 Па.
В ряде случаев при управлении контролируются несколько параметров распределения, определяется их изменение во времени, для управления по нескольким переменным создается математическая модель процесса.
Улучшение управляемости технологического процесса. В связи с показанными особенностями технологического процесса литья для повышения его эффективности и расширении областей применения автоматического управления принимаются следующие меры:
- проводится анализ возмущающих воздействий; выявляются низкочастотные колебания (точнее, воздействия, у которых период колебаний существенно больше времени запаздывания) и высокочастотные;
- низкочастотные колебания возмущающих воздействий регулируются, хотя для этого
Рис. 5.1.6. График колебаний прочности формовочной смеси
не всегда требуется переход на автоматическое управление, более целесообразно иногда углубление контроля, его автоматизация;
- влияние высокочастотных колебаний устраняется или уменьшается следующим: стабилизацией возмущающих воздействий, понижением их частоты за счет применения различных способов усреднения (в самом технологическом процессе), введением статистического контроля и управлением по его результатам;
- создаются датчики для контроля различных этапов процесса и углубляется на этой основе пооперационный или еще более детальный контроль и управление (увеличение числа контролируемых параметров, контроль промежуточных этапов процесса и числа таких этапов), что существенно снижает время запаздывания в соответствующих звеньях процесса и повышает эффективность управления.
5.1.2. МЕТОДЫ ОПИСАНИЯ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ И ИХ РАБОТЫ
Циклограммы. Циклограмма представляет последовательность смены состояний механизмов или узлов циклически работающей машины во времени. Циклограмма строится в виде таблицы (рис. 5.1.7), в которой по вертикали перечисляются механизмы машины, а по горизонтали откладываются длительности последовательно выполняемых переходов и их наименования. Строки, расположенные напротив названия каждого механизма, используются для упрощенного графического изображения состояния соответствующего механизма.
Механизм Исходное положение Время
Механизм! впереди
Механизм! сзади
а;
Механизм Включение Время
Механизм! Вперед назад ’SQ1 ^SQZ
Механизм! Вперед назад
Б)
Рис. 5.1.7. Циклограммы
858 Глава 5.1. ОСНОВЫ УПРАВЛЕНИЯ АВТОМАТИЧЕСКИМ ЛИТЕЙНЫМ ОБОРУДОВАНИЕМ
На рис. 5.1.7 показаны варианты изображения состояния механизмов: на рис. 5.1.7, а показывается график перемещения (или перехода) механизма из одного положения (или состояния) в другое, а на рис. 5.1.7, б - время включения механизма. На циклограмме могут показываться сигналы от устройств, которые определяют окончание очередного перехода и задают команду на выполнение следующего перехода.
Логические схемы и граф-схемы алгоритмов управления. Наиболее общей формой описания работы системы управления является запись алгоритма ее работы в виде перечня предписаний, указывающих содержание и последовательность выполняемых операций, которые должен выполнить объект управления.
Логическая схема алгоритма и однозначно соответствующая ему граф-схема алгоритма управления довольно просто составляется и читается даже в случае очень сложных систем, в то же время они просто и ясно описывают работу системы. По существу, этот алгоритм является техническим заданием на разработку системы управления.
При составлении алгоритма в работе объекта управления выделяется конечный ряд элементарных операций А у Аг, ...,для выполнения которых из управляющего устройства должны быть поданы соответствующие команды (например, "включить толкатель на ход вперед", "выключить вибростол"). Их называют операторами и обозначают теми же буквами А ь Я2,... .
Алгоритм также должен определять условия, от которых зависит выполнение того или иного оператора. Такими условиями могут быть: - выполнение предыдущего оператора или нескольких операторов;
- наличие или выполнение определенных условий qh характеризующих состояние объекта управления или каких-либо внешних воздействий;
- временные задержки tit указывающие, что дальнейшие операторы должны выполняться только после заданной выдержки времени.
В дальнейшем ограничимся рассмотрением только логических условий, т.е. таких условий, которые могут принимать значения q, = 0 или q, = 1.
Возможны следующие зависимости выполнения оператора от логических условий:
- в зависимости от значения условия (О или 1) происходит переход к одному или другому оператору;
-переход к следующему (одному!) оператору происходит только тогда, когда данное условие примет определенное значение. Такое условие называется ждущим.
После определения операторов и условий возможно описать последовательность работы системы управления в виде логической схемы алгоритма или граф-схемы алгоритма.
Логическая схема алгоритма представляет запись в виде последовательности операторов и логических условий и символов, указывающих последовательность их выполнения.
Более наглядно алгоритм управления представляется граф-схемой алгоритма. Он однозначно соответствует логической схеме и представляет собой ориентированный граф.
При построении граф-схемы алгоритма выполняются следующие правила:
- каждому оператору Aj сопоставляется вершина с одним выходом;
- логическим условиям сопоставляется вершина с двумя выходами, отмеченными 0 и 1;
- ждущим условиям и временным задержкам сопоставляется вершина с одним выходом, соответствующим значению условия, равному 1 (или его инверсии).
Последовательность определяется направленными дугами.
Если вслед за оператором А, всегда независимо от логических условий выполняется оператор Aj, то в логической схеме они записываются один за другим (рис. 5.1.8, а). На рис. 5.1.8, б показан случай, когда после выполнения оператора А, проверяется условие qic. Если qk = 0, то выполняется оператор Ар если же qk = 1, то выполняется оператор Л/. На рис. 5.1.8, в после выполнения оператора А, проверяется условие qj. Следующий оператор Aj выполняется после того, как условие qj примет значение 1.
Рис. 5.1.8. Элементы графов алгоритмов управления
МЕТОДЫ ОПИСАНИЯ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ И ИХ РАБОТЫ
859
Начало параллельного выполнения операторов изображается разветвлением дуги, а их окончание - вершиной с точкой. На рис. 5.1.9 после выполнения оператора A i одновременно начинают выполняться операторы Л2 и ^з-После выполнения А2 и А^ при выполнении условий Qi и q2 выполняется оператор А5.
Здесь же показано применение временной задержки: оператор А4 начинает выполняться через заданную выдержку времени t после выполнения оператора А^.
Функциональные схемы систем автоматизации. Функциональная схема системы автоматизации представляет оснащение объекта управления приборами и средствами автоматизации, а также показывает структуру отдельных узлов автоматического контроля, управления и регулирования. На функциональной схеме схематически условными изображениями показывают: технологическое оборудование, коммуникации, органы управления и средства автоматизации; указываются связи между технологическим оборудованием и средствами автоматизации, а также связи между отдельными блоками и элементами автоматики. Приборы и средства автоматизации на функциональных схемах показываются условными обозначениями.
Условные обозначения приборов и средств автоматизации приведены на рис. 5.1.10, где а, б - измерительный преобразователь (датчик или прибор); в - исполнительный механизм (общее обозначение); г - регулирующий орган; д, е - линии связи: д - пересечение линий связи без соединения; е - соединение линий связи.
а)
б)
О XJ
8) г)
Рис. 5.1.10. Условные обозначения приборов и регулирующих органов
Буквами латинского алфавита обозначают наименование измеряемой величины (одна -две первых буквы) и функции, выполняемые приборами.
Основные условные обозначения изме
ряемых величин следующие:
температура Т
давление, разряжение Р
уровень L
состав смеси, концентрация Q
плотность D
масса W
влажность М
вязкость V
скорость, частота S
радиоактивность R
любая электрическая величина Е размер, положение, перемещение G несколько разнородных измеряемых величин U
Обозначения, уточняющие значение первой буквы:
разность, перепад £>, d
соотношение, доля, дробь F,f
интегрирование, суммирование
по времени Q, q
Условные обозначения функций, выпол-
няемых прибором: показание /
регистрация R
регулирующее управление С
сигнализация А
включение, отключение, переключение, сигнализация S
верхний предел измеряемой величины Н
нижний предел измеряемой величины L
Дополнительные обозначения:
первичный измерительный преобразователь (датчик) Е
дистанционная передача Т
вычислительные функции Y
На рис. 5.1.11 дан пример условного обозначения прибора с указанием значения каждой буквы.
860 Глава 5.1. ОСНОВЫ УПРАВЛЕНИЯ АВТОМАТИЧЕСКИМ ЛИТЕЙНЫМ ОБОРУДОВАНИЕМ
Рис. 5.1.11. Пример обозначения прибора на функциональной схеме
Структурные схемы систем автоматического регулирования и управления. Структурные схемы систем автоматического регулирования и управления, обычно с указанием передаточных или переходных функций, выполняемых каждым элементом схемы, служат для представления структуры этих систем, анализа динамических свойств систем, расчета устойчивости и переходных процессов в них, синтеза новых систем.
Алгоритмы управляющих вычислительных машин. Эти алгоритмы предназначены для реализации управляющих и других программ средствами вычислительной техники. Они могут также использоваться для описания работы систем управления, не использующих вычислительную технику, однако имеют ряд особенностей, отличающих их от алгоритмов управления, описанных выше:
- все действия, выполняемые ЭВМ (в том числе и проверки каких-либо условий) в программах для ЭВМ представляются как операции (так как ЭВМ должна выполнять определенные действия по анализу этих условий);
- в этих алгоритмах не допускаются параллельно протекающие процессы (организация таких процессов в ЭВМ - особый вопрос). Поэтому процессы, в реальности протекающие или выполняемые параллельно, в ЭВМ выполняются как последовательные. Практически это незаметно из-за высокой скорости работы ЭВМ, но при излишней детализации алгоритма может усложнить его понимание.
При графическом способе записи алгоритмов каждый оператор переработки данных изображается в виде графических символов, которые в схеме алгоритма соединяются между
Рис. 5.1.12. Символы для записи алгоритмов программ
собой линиями, указывающими последовательность выполнения каждого из операторов. Внутри символа дается формульное или словесное описание содержания соответствующего действия. На рис. 5.1.12 показаны основные символы, используемые в графических описаниях алгоритмов.
“Процесс” (рис. 5.1.12, а) отображает выполнение операции, в результате которой изменяются значения, форма представления или расположения данных.
"Решение” (рис. 5.1.12, б) - показывает разветвление процесса решения в зависимости от выполнения некоторых условий (эти условия указываются около линий потока, исходящих из символа решения).
"Предопределенный процесс" (рис. 5.1.12, в) отображает использование в алгоритме ранее созданных и отдельно описанных алгоритмов и программ.
"Ввод - вывод" (рис. 5.1.12, г) - отображает ввод и вывод информации из ЭВМ.
"Пуск - останов" (рис. 5.1.12, д) - отображает операции начала, прерывания и конца алгоритма.
При изображении алгоритмов допускается различная степень их детализации, в зависимости от необходимости.
Примеры применения этих схем для решения задач управления приводятся ниже.
5.1.3. МЕТОДЫ УПРАВЛЕНИЯ
Организационные и технические методы стабилизации возмущающих воздействий. Многие возможные возмущающие воздействия устраняются путем установления определенных требований на используемые в управляемой системе (процессе) материалы, сырье и энергию. Для этого используются ГОСТы, СТП, различные производственные инструкции.
Ряд воздействий, возникающих в технологических системах, удается нейтрализовать введением дополнительных технических устройств и систем.
МЕТОДЫ УПРАВЛЕНИЯ
861
Необходимость стабилизации параметров оборотной смеси вызывается следующими возмущениями:
- наличием в потоке оборотной смеси -смеси из незалитых форм (форм, забракованных на формовке и сборке, подсохших из-за остановок литейного конвейера форм);
- наличием потока просыпей и излишков смеси;
- периодическим изменением отношения Ду«отл / Д/Иф -масс отливки и формы при смене модельной оснастки;
- колебанием времени охлаждения отливок в форме (из-за остановок литейного конвейера).
Это приводит к значительным колебаниям основных параметров оборотной смеси: влажности, температуры, состава. Надо учесть, что во вновь приготовленной смеси доля оборотной смеси может достигать 98 %.
Для стабилизации состава и свойств оборотной смеси применяют специальные установки и транспортные системы.
На рис. 5.1.13 показаны специальные транспортные системы для выравнивания состава оборотной смеси. Обозначено: с - смесе-приготовление, ф - формовка, з - заливка, в - выбивка. На рис. 5.1.13, а смесь из незалитых форм, просыпи и излишки собираются в
отдельном бункере. На смесеприготовление эта смесь и смесь, прошедшая заливку, подаются в определенной пропорции.
По схеме рис. 5.1.13, б с транспортера выбитой из опок смеси отбирается часть (около 1/3) смеси, она направляется в уравнительный бункер б, охлаждается в нем и вновь направляется в транспортную систему. Таким образом создается дополнительный контур оборота смеси, который обеспечивает частичное перемешивание и выравнивание состава частей смеси, находящейся на удаленных друг от друга участках транспортной системы (обычный гомогенизатор этого сделать не может).
Альтернативой этим методам является управление системой смесеприготовления с учетом возмущений, возникающих на выбивке при использовании вычислительной техники, описанное ниже.
В специальных установках для стабилизации параметров оборотной смеси производятся увлажнение, охлаждение и перемешивание оборотной смеси. В состав одной из таких установок (рис. 5.1.14) входят: бункер - компенсатор 7, получающий смесь с выбивки, гомогенизатор 2 емкостью 400 кг смеси, установка испарительного охлаждения 3, система увлажнения смеси с программируемым контроллером 4 и связывающие их ленточные транспортеры.
Добавки
Форм.
Потери, излишки
Незалит. Формы
Просыпи, изл-и
бункер просыпей и излишков смеси
Форм.
Добабки\----\ смесь
Ф
а)
3 ------
~[%езалф.
В
Потери, излишки
Просыпи, изл-и
Отрадот смесь^
Уравнительный бункер
С-смесеприготовление; Ф-формовка;
3-заливка) В-выбивка.
б)
Рис. 5.1.13. Сглаживание возмущений состава смеси
862 Глава 5 1. ОСНОВЫ УПРАВЛЕНИЯ АВТОМАТИЧЕСКИМ ЛИТЕЙНЫМ ОБОРУДОВАНИЕМ
Рис. 5.1.14. Схема установки для стабилизации параметров оборотной смеси
Сигналы уровнемеров LEH и LEL используются для управления двухскоростным приводом конвейера 5 (его режимы работы: высокая скорость, пониженная скорость, остановка). На транспортере установлены датчики наличия смеси, ее температуры и скорости конвейера (GE, ТЕ, SE). Сигналы с них поступают в программируемый контроллер 4, который управляет подачей воды в смесь. Вода используется для увлажнения смеси (0,1 % к расходу смеси) и ее охлаждения (1 % воды на каждые 25° свыше 35°). Увлажненная смесь поступает в гомогенизатор 2 - чашу емкостью 400 кг смеси (что соответствует примерно 1-2 опокам) с наклонной осью вращения, и перемешивается в нем. По мощности, затрачиваемой электродвигателем вращения гомогенизатора, производится коррекция подаваемой в смесь воды. Идея такой коррекции заключается в том, что более влажная и, следовательно, более связная смесь в чаше гомогенизатора поднимается на большую высоту, на что двигатель затрачивает большую мощность.
Охлаждение смеси производится в установке 3 за счет испарения влаги при продувке смеси воздухом.
Использование косвенных показателей при принятии управляющих решений. В силу особенностей технологических процессов литейного производства: зависимости этих процессов от большого количества физических и химических свойств, используемых материалов и отсутствия высокой стоимости или длительности измерительного цикла средств контроля этих свойств - для управления литейными процессами широко применяются косвенные характеристики тех свойств, которые необходимы для управления, но не могут быть непосредственно определены в режиме реального времени и оперативно использованы для
управления. Часто в качестве таких косвенных показателей используется время обработки. Так, контроль и управление плотностью набивки песчано-глинистых форм обычно производится по давлению в цилиндре.прессования; влажность формовочной смеси часто определяется по формуемости или по мощности, затрачиваемой двигателем гомогенизатора, которая, как и формуемость, определяется связностью частиц смеси; результат перемешивания смеси в смесителе или результат термообработки определяется временем обработки; состояние механизма запирания литейной машины распознается по виду графика давления.
Управление по косвенным показателям предъявляет повышенные требования к стабильности ряда других параметров процесса -тех, которые также влияют на значения косвенных параметров, используемых для управления.
Использование вычислительной техники в системах управления существенно улучшает результаты управления по косвенным показателям вввду следующего.
1. Появляется возможность учитывать при управлении большее число косвенных показателей, при этом быстро и автоматически выполнять статистическую обработку результатов измерений, принимать управляющие решения с минимальной в среднем ошибкой. Характерным примером является автоматическая идентификация различных фаз плавки в дуговых печах, когда решения об окончании некоторых фаз плавки принимается на основе статистического анализа энергетического режима горения дуги.
2. Появляется возможность учитывать различные возмущающие воздействия в процессах в тех случаях, когда управляемая установка и источник возмущений разнесены во времени и пространстве. Примером такого использования ЭВМ является компенсация возмущений, вносимых в смесь на заливке и выбивке, при освежении ее в смесителе.
Контроль состояния оборудования.
Один из методов проведения автоматического контроля состояния и работоспособности оборудования заключается в установке датчиков, контролирующих основные выходные параметры и условия работы оборудования, и в периодическом опросе их показаний. Для этого используются наиболее простые по устройству приборы релейного типа, сообщающие только, выполняется контролируемый параметр или нет.
МЕТОДЫ УПРАВЛЕНИЯ
863
Рис. 5.1.15. Контроль гидростанции автоматической формовочной линии:
а - схема оснащения гидростанции датчиками; б- информация, выводимая на монитор программой контроля
Параметр Показания датчика
Уровень жидкости выше нормы ниже нормы Температура жидкости выше нормы ниже нормы Давление на выходе выше нормы ниже нормы Сопротивление фильтра выше нормы нет нет нет нет нет нет нет
6)
На рис. 5.1.15, а показана схема оснащения гидростанции автоматической формовочной линии такими датчиками (обозначено: 1 -электродвигатель, 2 - насос, 3 - фильтр, 4 -гидробак), а на рис. 5.1.15, б - информация, выводимая на монитор программой контроля состояния гидростанции.
Для проверки состояния машин с большим числом механизмов, работающих по жесткой циклограмме (например, машин и механизмов АФЛ с большим количеством пневматических и гидравлических приводов), применяется контроль циклограммы их работы. Отклонение от заданного времени срабатывания механизма свидетельствует о его неисправности. На рис. 5.1.16, а показана циклограмма контролируемой таким образом машины с указанием датчиков (SQ1 - SQ3), определяющих момент окончания очередного перехода и задающих начало следующего.
При запуске программы контроля циклограммы компьютер на протяжении одного цикла работы машины фиксирует моменты
срабатывания этих датчиков и определяет время между их срабатываниями. Затем на монитор выводится таблица (рис. 5.1.16, б), по которой судят о состоянии машины; возможна также организация периодического запуска такой программы с выдачей аварийных сигналов при отклонении фактического времени срабатывания от заданного.
Диагностика состояния сложной машины может выполняться с использованием методов распознавания или обнаружения событий.
Транспортные системы литейного цеха с большим количеством ленточных транспортеров и элеваторов, а также подвесных конвейеров в обязательном порядке оснащаются датчиками состояния механизмов, например реле контроля скорости, контролирующих вращение неприводных роликов, барабанов или звездочек. Системы транспортеров и входящих в транспортную систему установок блокируются между собой, так что выход из строя одного элемента транспортной системы автоматически вызывает остановку всех предшествующих элементов системы.
Механизм
Переходы
Механизм 1
Механизм?
МеханизмЗ
Механизм время срабатывание
По циклограмме Фактическое
Механизм 1
Механизм?
МеханизмЗ
а)
б)
Рис. 5.1.16. Контроль времени срабатывания: а - циклограмма; б - таблица с информацией на мониторе
864 Глава 5.1. ОСНОВЫ УПРАВЛЕНИЯ АВТОМАТИЧЕСКИМ ЛИТЕЙНЫМ ОБОРУДОВАНИЕМ
Цикловое управление. Цикловое управление применяется для установок, реализующих циклический режим работы. При этом система управления вырабатывает команду на выполнение последующего перехода после получения сигнала о выполнении предыдущего перехода. Таким сигналом может быть:
- сигнал путевого или конечного выключателя о достижении движущимся механизмом требуемого положения;
- сигнал таймера об истечении времени выполнения очередного перехода;
- сигнал какого-либо датчика или прибора о выполнении требуемых условий.
Системы циклового управления основаны либо на релейно-контакторных или бесконтактных элементах (старые системы), либо на программируемых средствах (современные системы управления). Для описания работы таких систем используются циклограммы, логические схемы (или граф-схемы) алгоритмов управления, принципиальные электрические или пневматические схемы, алгоритмы программ ЭВМ.
Составим алгоритм управления выбивной установкой, схема которой показана на рис. 5.1.17. Она состоит из вибростола 3, толкателя 7, сталкивающего форму с литейного конвейера 4 на вибростол, и толкателя 2, сталкивающего выбитую опоку с вибростола на транспортер 5. На рис. 5.1.17 показано также размещение конечных выключателей SQ1 - SQ5, контролирующих положение отдельных механизмов установки и формы на литейном конвейере. Так, SQ3 нажат, когда толкатель 7 втянут, а SQ2 нажат, когда он выдвинут. Конечные выключатели SQ5 и SQ4 нажаты соответственно, когда толкатель 2 втянут или выдвинут. Выключатель SQ1 нажимается (с помощью рычага 6) очередной формой, подошедшей на литейном конвейере к выбивной установке.
Рис. 5.1.17. Схема выбивной установки
Циклограмма работы этой установки приведена на рис. 5.1.18. В момент времени О конечный выключатель SQ1 нажимается подошедшей формой. Тогда, если толкатель 7 находится в исходном положении (SQ3 нажат), то он начинает выдвижение, сталкивая форму на вибростол. Если же SQ3 не нажат, то это значит, что толкатель 1 не находится в исходном положении (и тогда следует остановить литейный конвейер во избежание поломки толкателя 7). В момент времени 7 толкатель заканчивает движение, нажимая в конце хода на выключатель SQ2. По его сигналу включаются вибростол и реле времени, задающее время выбивки, а толкатель 7 начинает движение в исходное положение. В момент времени 2 выдержка времени заканчивается, и по сигналу реле времени вибростол выключается, а толкатель 2 начинает движение, сталкивая опоки на транспортер. В момент времени 3 толкатель 2 заканчивает сталкивание опок, нажимая в конце хода на SQ4. По сигналу последнего толкатель 2 начинает обратный ход и заканчивает его в момент времени 4, нажимая при этом SQ5.
Для составления алгоритма управления установкой вводятся операторы:
A, (i = 1, 2) - включение рабочего хода /-го толкателя;
Механизм Исходное состояние Время
Переходы
Сталкивание форны на Вибро- ВыбиВка Сталкивание опоки с Вибро стола Возврат толкателя 2
Толкатель 1 Втянут стола
Вибростол Выклю-иен —"
Толкатель? Втянут
Рис. 5.1.18. Циклограмма работы установки
МЕТОДЫ УПРАВЛЕНИЯ
865
В, (i = 1, 2) - включение обратного хода z-ro толкателя;
Ci - включение вибростола;
С2 - выключение вибростола;
D - выключение привода литейного конвейера;
и логические условия:
qy (/ = 1, 2; j = 1, 2) - /-й толкатель находится в положении j {j - 1 - втянут, j - 2 -выдвинут);
р - очередная форма (на конвейере) находится перед толкателем 7;
t - заданное время выбивки формы.
Операторы А, и В, выполняются соответствующими распределителями, операторы С -контактором включения привода вибростола. Логические условия qy и р проверяются конечными выключателями, а временная задержка t задается реле времени.
Рис. 5.1.19. Граф-схема алгоритма управления
Тогда работа системы управления может быть представлена граф-схемой алгоритма, показанной на рис. 5.1.19.
При появлении очередной формы перед толкателем 1 (р = 1) проверяется, вернулся ли этот толкатель в исходное положение. Если нет (#п = 0), то дается команда D на остановку литейного конвейера; дальнейших действий в этом случае алгоритм не определяет. Если qw = 1, то проверяется, вернулся ли толкатель 2 в исходное положение. Если нет (#2i = 0), то цепочка проверок р, q\\ и #2i повторяется, пока не вернется в исходное положение толкатель 2 (тогда #2i = 1> и работа установки будет продолжена) или пока форма на конвейере не уйдет с позиции сталкивания (тогда р = 0, и установка будет ожидать следующую форму).
При своевременном возврате толкателя 2 (#21= 1) будет включен рабочий ход толкателя 1 оператором А\. После выполнения этого хода будут включены обратный ход толкателя 1 и вибростол соответственно операторами В\ и Ср По истечении выдержки времени t оператор С2 выключит вибростол, а оператор Л2 включит рабочий ход толкателя 2. После выполнения этого хода (#22= 1) будет включен обратный ход этого толкателя оператором В2.
Спецификация операторов и логических условий может иметь вид, показанный в табл. 5.1.1.
5.1.1. Спецификация операторов и логических условий
Оператор или условие Назначение Аппарат
Р Очередная форма находится перед толкателем 1 Конечный выключатель SQ1
Яи Толкатель 1 втянут (в исходном положении) Конечный выключатель SQ3
Яп Толкатель 1 выдвинут Конечный выключатель SQ2
Я2\ Толкатель 2 втянут (в исходном положении) Конечный выключатель SQ5
Я22 Толкатель 2 выдвинут Конечный выключатель SQ4
t Заданное время выбивки истекло Реле времени КТ
Ах Включение рабочего хода толкателя 1 Распределитель Р1
в, Включение обратного хода толкателя 1 Распределитель Р1
J2 Включение рабочего хода толкателя 2 Распределитель Р2
Вг Включение обратного хода толкателя 2 Распределитель Р2
с. Включение привода вибростола Контактор КК1
Сг Выключение привода вибростола Контактор КК1
D Выключение привода литейного конвейера Контактор КК2
28-819
866 Глава 5.1. ОСНОВЫ УПРАВЛЕНИЯ АВТОМАТИЧЕСКИМ ЛИТЕЙНЫМ ОБОРУДОВАНИЕМ
В современных системах управления задачи циклового управления решаются с помощью наиболее простых программируемых контроллеров, ориентированных на реализацию алгоритмов логического типа. Такой алгоритм предусматривает проверку некоторых логических условий по информации, получаемой с датчиков, и в зависимости от их выполнения выдает те или иные управляющие воздействия. На рис. 5.1.20 показано решение одной и той же логической задачи средствами релейной автоматики и с помощью ПК. На рис. 5.1.20, а электрическая цепь в зависимости от срабатывания конечных выключателей SQ1 - SQ3, SQB включает или выключает контактор КВ. На рис. 5.1.20, б показано решение той же логической задачи с помощью ПК. Показан алгоритм программы. При ее выполнении ПК считывает значения логических сигналов с конечных выключателей и вырабатывает управляющее воздействие и (1 или 0). При выводе на У СО значения и = 1 последнее подает на контактор К напряжение и включает его, а если :/ = 0, то снимает напряжение и выключает контактор.
Управление технологической машиной посредством программируемого устройства реализуется в виде набора подпрограмм, управляющих отдельными элементами процесса, которые поочередно или по запросам отдельных механизмов запускаются главной программой.
На рис. 5.1.21 показан алгоритм управляющей программы для машины литья под давлением. В ходе работы УВМ управляет усилием запирания формы; измеряет и рассчитывает ряд параметров процесса прессования -скорости первой и второй фаз прессования Vi и v2, давление прессования р, время и давление подпрессовки; контролирует температуру формы и усилие выталкивания отливки; управляет температурой металла в раздаточной печи. Работа может вестись с выводом или без вывода информации на печать или монитор. Предусмотрена возможность ручного ввода с пульта оператора-технолога (ПОТ) в УВМ данных о браке отливок и другой информации. В начале работы программы для УВМ задается режим работы (вводом соответствующих значений Г):
9
Рис. 5.1.20. Решение логической задачи средствами релейной автоматики и с помощью ПК
МЕТОДЫ УПРАВЛЕНИЯ
867
Q j)
\нет
Да
Нет
Да
прес-
До
выталкава-
Да
Нет
Да
таймера
закончить
J
С Конец J
начал.
запирания
есть
прерывание
'Ввод:установка режима с ПОТ
1-1*2 j
Управление усилием запирания формы
Нет
Нет
Да
Обработка v и Р прессования, расчет vl£Tt v2crt^Pi *
Контроль температуры формы
Контроль усилия выталкивания
дбод данных о Вране и др. сПОТ
2
Нет
Ч
Управление т-рой металла в раздаточной печи
] Вывод данных
Рис. 5.1.21. Алгоритм управляющей программы для машины литья под давлением
с выводом информации на внешнее устройство или без такого вывода. Затем УВМ ожидает заявки (прерывания) на выполнение одной из программ управления. Запросы на прерывание могут поступать от датчиков литейной машины (по началу запирания, прессования или выталкивания отливки), от таймера (для управления температурой металла в печи) или с ПОТ- на ввод в УВМ информации о браке. При обнаружении прерывания программа определяет, какое внешнее устройство сделало заявку, и выполняется соответствующая подпрограмма. После выполнения очередной подпрограммы ЭВМ ожидает следующую заявку, а после выполнения подпрограммы определения усилия выталкивания, если требуется, производится вывод информации на печать или устройство внешней памяти.
Применение ЭВМ существенно расширяет возможности управления, позволяет одновременно с задачей циклового управления решать задачи дозирования, регулирования ряда параметров и др.
На рис. 5.1.22 показана часть принципиальной пневматической схемы машины для получения стержней ХТС-процессом. Жидкий отвердитель находится в баке 1. Машина имеет дозирующее устройство, включающее емкость 2, в которой поддерживается постоянный уровень отвердителя, и диафрагменный насос 3 с пневматическим приводом 4, а также нагревательную камеру 5, в которой жидкий отвердитель испаряется.
Все переключения в системе выполняются пневмораспределителями с пневматическим управлением, а пневматические управляющие сигналы выдаются распределителями с электрическим управлением.
На рис. 5.1.23 показана соответствующая часть циклограммы машины. Пневмоцилиндр насоса, управляемый своим распределителем, делает заданное число ходов, перекачивая в камеру 5 необходимое количество отвердителя. Производится временная выдержка для испарения отвердителя. Затем открывается распре-
28*
868 Глава 5.1. ОСНОВЫ УПРАВЛЕНИЯ АВТОМАТИЧЕСКИМ ЛИТЕЙНЫМ ОБОРУДОВАНИЕМ
Рис. 5.1.22. Система дозирования и продувки газообразного отвердителя
Дозировка выдер жка Продувка
Насос л дозировки
Расп^Оемт^ь 1ЛЛ.
Распределитель дака
выход* нагревателя
вход нагревателя J L
Регулирующий клапан -Z L
Рис. 5.1.23. Циклограмма системы дозирования стержневой машины на ХТС
делитель на выходе нагревательной камеры, соединяя последнюю с плитой продувки, и распределитель на входе камеры. В этот момент начинает открываться регулирующий клапан, и через камеру 5 в плиту продувки машины начинает пропускаться сжатый воздух, который захватывает с собой испарившийся отвердитель. Давление воздуха перед камерой и время его нарастания задаются регулирующим клапаном.
Вся система дозировки и продувки, как и машина в целом, управляется от программируемого контроллера. Он выдает электрические команды на переключение распределителей, а также управляет регулирующим клапаном.
Программное регулирование. В ряде случаев применяется программное регулирование процесса. Такое регулирование применяется, например, при управлении пескометами для набивки крупных форм, в машинах центробежного литья для изменения частоты вращения изложниц в разных фазах процесса.
Программное регулирование при управлении смесителем применяется в условиях единичного производства на одной из линий при изготовлении форм из ХТС на базе фурановой смолы для крупных чугунных отливок. Линия включает смеситель непрерывного действия, вибростол, механизм протяжки и систему подачи модельных плит.
В цехе применяется АСУ подготовки производства, которая, в частности, готовит данные для управления процессами формовки, изготовления стержней и очистки. Для формовки эти данные включают:
- содержание смолы в облицовочной и наполнительной смесях;
- требуемое время подачи в опоку облицовочной и наполнительной смесей;
- время уплотнения (вибрации опоки);
- время отверждения.
При поступлении на позицию формовки очередной модели оператор вводит в программируемый контроллер код модели, по которому тот получает от АСУ данные по этой модели.
МЕТОДЫ УПРАВЛЕНИЯ
869
ПК осуществляет программное управление смесителем и установкой для подачи в смесь смолы и катализатора, задает время уплотнения и отверждения формы. На рис. 5.1.24 показана часть алгоритма работы ПК, связанная с подачей смолы и катализатора (обозначено: Тоб и тн - время для выработки необходимого количества облицовочной и наполнительной смесей, «об, ип и ик - уставки дозаторов для смолы и катализатора).
Установка включает электродвигатели и насосы для смолы и катализатора, датчики и клапаны. В ходе работы ПК получает с датчиков значения температуры песка и воздуха и влажности воздуха. Расход катализатора задается в зависимости от температуры песка; кроме того, возможен режим с плавным повышением содержания катализатора по высоте опоки, так что отверждение будет заканчиваться
одновременно в нижней и верхней частях опоки. При достижении контролируемыми параметрами аварийных значений ПК включает сигнализацию и отключает смеситель.
Регулирование по возмущениям. В силу известных особенностей литейной технологии в ней широко применяется регулирование по возмущениям. Использование ЭВМ значительно расширило возможности такого управления.
Регулирование влажности формовочной смеси с учетом влажности и температуры оборотной смеси. На рис. 5.1.25 показана система приготовления смеси с регулированием влажности смеси по возмущениям (система предварительной калькуляции, или СПК). Смеситель 1 загружается оборотной смесью из весового дозирующего бункера 2, в который подается смесь из расходного бункера 3 д.ж> ковым питателем 4.
Рис. 5.1.24. Алгоритм управления дозаторами смесителя
870 Глава 5.1. ОСНОВЫ УПРАВЛЕНИЯ АВТОМАТИЧЕСКИМ ЛИТЕЙНЫМ ОБОРУДОВАНИЕМ
Рис. 5.1.25. Схема системы приготовления смеси с СПК
где Иф, Wc - влажность смеси соответственно на формовке и на выходе смесителя; t - температура смеси; 35 °C (по опытным данным); к - коэффициент, определяемый по графику 2; при/</о & = 0.
По этой формуле определяется требуемое значение Wc по требуемой величине Иф. Количество воды Q, которое необходимо подать в смеситель, рассчитывается по формуле:
п п
100 >
\ /=1 /=1 у
В программируемый контроллер 5 поступают сигналы с датчиков влажности ME и температуры смеси ТЕ, установленных в весовом бункере, а также с датчика веса смеси в этом бункере WE. Контроллер рассчитывает требуемое количество воды в соответствии с требуемой влажностью, задаваемой задатчиком Z, и управляет запорным клапаном 6, подающим воду в смеситель, определяя ее количество по показаниям расходомера FE.
Количество воды, необходимое для получения требуемой влажности смеси с учетом исходной влажности компонентов и ее потерь за счет испарения при транспортировке на формовку, определяется следующим образом.
Потери на испарение характеризуются экспериментальным графиком 1 (рис. 5.1.26), представляющем влияние температуры смеси (при выходе из смесителя) на изменение ее влажности в процессе транспортировки от смесителя к формовочным машинам. Исходная (сразу после приготовления ) влажность смеси обозначена Wc.
Экспериментальная кривая 1 линеаризуется кривой 2, которая описывается формулой
W^=Wc-k(t-t0),
Рис. 5.1.26. К расчету потерь на испарение
где fFC3 - заданная влажность, массовая доля, %; т, - масса компонентов; W, - влажность компонентов, массовая доля, %.
При использовании автоматических приборов для определения свойств формовочной смеси коррекция на потерю влаги при транспортировке может вноситься автоматически, если такой прибор ставится не около установки смесеприготовления, а рядом с формовочной машиной.
Ниже приводятся некоторые варианты организации работы и управления, направленные на улучшение качества смеси. При использовании автоматического контроля свойств смеси они не приводят к нежелательному заметному увеличению времени цикла.
1. В системе с автоматическим контролем свойств смеси после загрузки и перемешивания сухих компонентов (при этом состав и свойства выравниваются) производится первое определение этих свойств. Затем рассчитывается и вводится добавка воды, следует мокрое перемешивание, после чего производится второе определение свойств смеси
2. В одной из систем для повышения точности дозирования воды последняя вводится в смесь в два этапа. Дело в том, что ряд свойств смеси, по которым определяется ее влажность (формуемость, насыпная масса, уплотняемость), связан с влажностью нелинейно.
Так, на рис. 5.1.27 показана зависимость деформации смеси 5 (в данном способе влажность смеси оценивалась по величине деформации специального образца при действии на него постоянной нагрузки) от ее влажности W, при разном глиносодержании Г (кривые 1,2, 3 соответствуют глиносодержанию 10, 12 и 14 %). Для каждой кривой с постоянным глиносодержани-ем имеются две области (при очень низкой и очень высокой влажности), в которых величина деформации очень слабо зависит от влажности.
МЕТОДЫ УПРАВЛЕНИЯ
871
Рис. 5.1.27. Зависимость деформации смеси 5 от влажности И7 при разном глиносодержании Г
Поэтому, чтобы при первом измерении смесь оказалась в том интервале влажности, где величина деформации существенно зависит от последней, в смесь вводится определенное количество воды, которое заведомо переведет смесь в этот интервал.
Это позволяет точно определить влажность смеси и необходимую добавку воды.
Корректировка состава смеси по наличию незалитых форм и форм со стержнями. Большие колебания в состав смеси вносит наличие в потоке оборотной смеси:
- смеси из незалитых форм;
- стержневой смеси при выбивке форм с большим количеством стержней.
Появление такой смеси носит часто случайный характер. Использование ЭВМ позво
ляет учесть эти колебания и своевременно скомпенсировать их.
Для этого программа управления дозаторами смесителей получает данные о типе возмущений на выбивке и держит их в списке. Новая запись включается в конец списка. При возникновении очередного возмущения в потоке оборотной смеси на выбивке датчики, фиксирующие это возмущение, вызывают прерывание основной программы. Программа опрашивает датчики на выбивке, и таймер определяет время прохождения этого возмущения через смеситель и включает эти данные в конец очереди.
Когда оборотная смесь с первым зафиксированным в очереди возмущением достигает смеситель, заранее установленный на это время таймер вызывает прерывание в основной программе. По этому сигналу программа извлекает из первой записи очереди данные о типе возмущения, рассчитывает необходимые переустановки дозаторов смесителя и время работы при этих установках, выдает команды на регулирующие органы дозаторов. Затем она получает из второй записи время следующего возмущения и устанавливает таймер для организации следующего прерывания. В дальнейшем программа контролирует время работы дозаторов с измененными установками и по истечении необходимого времени восстанавливает первоначальные установки.
На рис. 5.1.28 показана часть алгоритма управления дозаторами смесителя, описываю
Рис. 5.1.28. Учет возмущений на выбивке при управлении смесителем
872 Глава 5.1. ОСНОВЫ УПРАВЛЕНИЯ АВТОМАТИЧЕСКИМ ЛИТЕЙНЫМ ОБОРУДОВАНИЕМ
щая обработку прерываний от таймера и с выбивки.
Регулирование по отклонению. Регулирование по отклонению обычно применяется, если имеются технические средства для измерения регулируемой величины и входные параметры, которые допускается изменять в диапазоне, достаточном для регулирования. В литейных процессах так регулируются температуры, давления, расходы материалов.
Важнейшей проблемой литейной технологии является обеспечение качества формовочной смеси, которая характеризуется рядом свойств, причем в различных конкретных условиях наиболее важным становится то или иное свойство.
В настоящее время разработаны автоматические приборы различных конструкций для определения ряда свойств формовочной смеси. Некоторые приборы определяют уплотняе-мость, прочность на сжатие и прочность на срез. Другие определяют уплотняемость и твердость смеси в образце. Эти приборы позволяют выполнять автоматическое регулирование состава смеси по измеренным значениям ее свойств.
На рис. 5.1.29 показана установка смесе-приготовления, оснащенная таким прибором. Компоненты смеси загружаются в смеситель 1 из весовых бункерных дозаторов 2. В чаше смесителя установлен зонд для измерения влажности (Л/Е) и температуры (ТЕ). Прибор для контроля свойств формовочной смеси (уплотняемое™ 6у, прочности на срез аср и прочности на сжатие осж) 3 установлен над транспортером готовой смеси. Через заданные промежутки времени прибор берет из потока готовой смеси пробы и производит их испытания. Результаты измерений поступают в ЭВМ 4 для накопления, обработки и выработки управляющих воздействий.
Измеренные значения уплотняемости используются для оперативного регулирования количества вводимой в смесь воды. При этом учитывается также температура смеси (см. выше). Результаты испытаний прочности образцов на сжатие и срез служат для определения содержания активного бентонита и используются для его регулирования.
Регулирование подачи бентонита производится с меньшей частотой, только после накопления некоторого объема статистических данных и выявления устойчивой тенденции к изменению его содержания. Количество угле-
Рис. 5.1.29. Установка смесеприготовления с системой для контроля и регулирования свойств смеси
родосодержащих добавок регулируется пропорционально бентониту.
Более высокий уровень оптимизации свойств смеси предусматривает при расчете добавок в смесь, помимо названного, использование следующей информации:
- данные о модели и отливке (например, соотношение масс смеси и металла в опоке);
- результаты периодически выполняемых лабораторных испытаний смеси (например, содержание активного бентонита, которое в лабораторном методе определяется точнее, чем находимое по результатам испытаний прочности сырого образца).
Управление на основе математической модели процесса. Для решения сложных задач управления создается математическая модель объекта управления, то есть устанавливается математическая зависимость между выходными параметрами, управляющими и возмущающими воздействиями. В модель вводятся сложившиеся к текущему моменту времени условия, и в результате решения определяются необходимые управляющие воздействия.
Модель отверждения оболочковой формы. Для стабилизации толщины оболочки при получении оболочковых форм и стержней методом свободной засыпки в условиях, когда из-за различных производственных причин и большой тепловой инерции оснастки система ее терморегулирования не обеспечивает посто
МЕТОДЫ УПРАВЛЕНИЯ
873
янную температуру, а также в условиях мелкосерийного производства для сокращения времени и стоимости экспериментальной отработки процесса может быть реализовано управление временем формирования оболочки с использованием математической модели.
Толщина оболочковой формы из смеси на синтетической смоле при ее формировании методом свободной насыпки зависит от степени полимеризации (точнее, поликонденсации) связующего, которая может характеризоваться коэффициентом полноты протекания реакции полимеризации р:
(Сор = -С)/Со; С = А),
где Со, С - начальная концентрация реакционноспособных групп и их концентрация в текущий момент времени т; Т - температура; А - характеристика связующего.
В начале процесса отверждения [3 - р0, в конце процесса требуется р3 = 85...95 %.
Из расчета изменения концентрации реакционноспособных групп в ходе реакции поликонденсации следует:
Р= ;
1 + В(Г,т)
В (Г, т) = СоЛо Jexp(J/T)<ft,
о
где ко - константа скорости реакции.
Как видно, Р зависит от температуры на протяжении всего периода нагрева. Поэтому время формирования оболочки заданной толщины d определяется следующим образом.
Программа управления толщиной оболочки (рис. 5.1.30) запускается при засыпке смеси на плиту. Она опрашивает датчик температуры в модельной плите и таймер, фиксируя температуру плиты То и действительный начальный момент времени тт. Затем начинается пошаговое (с шагом по времени Ат) численное решение дифференциального уравнения теплопроводности для определения температуры в смеси на расстоянии d от поверхности модельной плиты Tj=f (То, d, т). В конце каждого шага производится расчет р и проверяется достижение заданной степени полимеризации. Пошаговый расчет температуры и коэффициента р повторяется до выполнения условия р - Р3. Полученное при этом время является расчетным временем формирования оболочки Тформ. Затем программа опрашивает таймер и определяет действительное время формирования оболочки, после чего выдает команду на окончание процесса.
Модели формовочной смеси. Для автоматического управления процессом смесеприготов-ления требуется знать зависимость между выходными и входными параметрами этого процесса. Ввиду большого количества тех и других эффективное управление процессом возможно только при наличии математической модели.
Нет
Рис. 5.1.30. Алгоритм управления толщиной оболочки
874 Глава 5.1. ОСНОВЫ УПРАВЛЕНИЯ АВТОМАТИЧЕСКИМ ЛИТЕЙНЫМ ОБОРУДОВАНИЕМ
Известно несколько типов таких моделей:
с, = /Иф) - состав смеси ("освежение смеси") Cj в функции от отношения масс отливки и формы;
dk=f(mj>r4) или d[=f(Ci,r4)-, y=l,...,J, /= 1,...,/, q= 1,..., Q-свойства смеси d% в функции от ее состава mj или с, и режимов приготовления
bn=f{m]),n = 1, 1, ...^-свой-
ства отливки Ьп в функции от состава смеси; эта модель обычно разделяется на две подмо-дели: <fk и b„ =f( dk).
Первая модель позволяет реализовать управление на основе предсказуемых возмущений. Определяются количества разрушаемых и теряемых при работе компонентов смеси (которые зависят от отношения ттп / /Иф) на основе теоретических или экспериментальных исследований при планируемой программе производства отливок. Производится расчет баланса смеси, обеспечивающего стабилизацию активных компонентов и пылевидных частиц. По результатам расчета формируются задания на настройки дозаторов для обеспечения необходимого освежения смеси.
Вторая модель определяет свойства смеси в зависимости от ее состава и условий (режимов) ее приготовления. Эта модель является основной при организации автоматизированного управления смесеприготовлением.
Третья модель связывает качество отливок с составом смеси. Необходимость этой связи объясняется тем, что в смеси могут происходить изменения (возможно, медленные и незначительные), не проверяемые примененными, средствами контроля свойств смеси, но которые все-таки оказывают влияние на качество отливки. Обычно такая модель разделяется на две: первая (d% = /(/и,)) используется для оперативного управления смесеприготовлением, а вторая (Ьп = /(d%)) формируется при длительных наблюдениях за процессом и используется для корректировки требуемых свойств смеси.
При разработке модели, связывающей свойства смеси в функции от ее состава и режимов приготовления, устанавливаются те компоненты смеси и условия ее приготовления, которые предполагают изменять в ходе регулирования процесса смесеприготовления.
Определяются допустимые диапазоны их изменения. Проверяется отсутствие локальных изменений характера зависимостей внутри этих диапазонов, а при их наличии модель уточняется (например, разделяется на несколько частей). Проводятся эксперименты с изменением количества компонентов и режимов во всех принятых для них диапазонах. В экспериментах определяются свойства смеси, подлежащие регулированию. Эксперименты проводятся пассивные (непосредственно в ходе работы системы смесеприготовления, при небольших "покачиваниях" состава смеси и режимов), или активные, то есть специально организуемые. В последнем случае для сокращения количества опытов используется метод планирования экспериментов.
В приводимом ниже примере с учетом конкретных условий производства за независимые переменные были приняты: величина добавки свежего песка с„ (от 0 до 5 %), время перемешивания т (от 20 до 100 с), количество глинистой суспензии сг (от 2 до 6 %) и плотность этой суспензии 6 (от 1050 до 1250 кг/м3). Определяли: прочность ст, газопроницаемость Г и влажность смеси W. Для определения прочности и газопроницаемости каждый опыт повторялся 10 раз, для определения влажности -3 раза. Кроме того, при средних значениях независимых переменных проведено 7 опытов для определения дисперсии воспроизводимости изучаемых параметров. В табл. 5.1.2 показаны полученные результаты.
При обработке результатов независимые переменные были нормированы по принятому диапазону их изменения, как и предусматривается методикой планирования экспериментов. По результатам экспериментов получены зависимости, которые после обратного пересчета переменных в натуральные единицы имеют вид:
Г = 80,673 + 0,4747 т + 5,923 сг -- 0,034 5- 0,0528 хсг, ед.;
ст = 76,46 - 13,08 сп + 0,0925 т + 0,7 сг + + 6 КГ48 + 9,6- 1<Г3 с„8, кПа;
W = 4,49 - 0,0165 т - 0,315 са + 0,15 сг + + 1,125-10'3 8 + 5,25-10“3 с„т, %.
На подобных моделях могут ставиться задачи оптимизации при многокритериальном управлении, которые обычно формулируются
МЕТОДЫ УПРАВЛЕНИЯ
875
5.1.2. Результаты расчетов свойств смеси с учетом конкретных условий производства
Состав и режимы Свойства
Сп,% т, с Cf, % б, кг/м3 ст, кПа Дед. и; %
5 100 6 1250 93,4 86,7 5,7
0 100 6 1250 92,7 86,0 5,7
5 20 6 1250 75,5 80,3 5,5
0 20 6 1250 77,4 75,4 6,0
5 100 2 1250 71,9 87,4 5,5
0 100 2 1250 92,0 96,8 4,6
5 20 2 1250 79,6 57,5 5,7
0 20 2 1250 80,4 51,3 5,3
5 100 6 1050 71,8 105,1 6,2
0 100 6 1050 84,1 93,8 4,5
5 20 6 1050 72,5 72,4 6,0
0 20 6 1050 86,9 93,0 5,9
5 100 2 1050 74,2 98,7 6,0
0 100 2 1050 92,7 78,4 3,8
5 20 2 1050 63,2 70,5 3,1
0 20 2 1050 78,1 63,9 6,7
как задачи математического программирования. В качестве целевой функции могут задаваться: требуемое максимальное или минимальное значение одного из выходных параметров (здесь - свойств смеси); или взвешенная сумма или произведение некоторых из этих параметров. Целевая функция может задавать также желаемое значение независимой переменной, например, минимальное время перемешивания.
Возможно найти и такое решение, при котором точка оптимального режима обеспечит максимальное совмещение области колебаний выходных параметров (уравнения модели являются статистическими и определяют только средние значения выходных величин) с областью допустимых значений этих параметров.
В приведенном примере в качестве целевой функции было принято
Г> max.
Ограничения:
ст >80 кПа; FK<5,2%; сп>3%;
последнее принято для обеспечения необходимого освежения смеси. Другие ограничения задаются принятыми диапазонами изменения независимых переменных:
сп<5%; 20<т< 100с; 2<сг<6%;
1005 <8< 1250 кг/м3.
Решение этой задачи:
сг= 3,69 %; 8 = 1053 кг/м3;
Сп=3%; т=100с.
На рис. 5.1.31 показаны заданные ограничения в пространстве независимых переменных (в сечениях при сп = 3 %, S = 1053 кг/м3, определяющие зону Л, в которой может находиться решение, и точку решения К).
876 Глава 5 1 ОСНОВЫ УПРАВЛЕНИЯ АВТОМАТИЧЕСКИМ ЛИТЕЙНЫМ ОБОРУДОВАНИЕМ
Рис. 5.131. Схема ограничений и решения задачи в пространстве независимых переменных (в сечениях при сп = 3 %, 8 = 1053 кг/м3):
А - зона, в которой может находиться решение, К - точка решения
Управление с использованием распознавания или обнаружения событий. Типичными задачами распознавания или обнаружения событий в системах управления и контроля являются:
-обнаружение выхода контролируемого параметра за допустимые пределы;
-обнаружение неисправностей в сложной системе взаимосвязанных элементов и устройств.
Примером контроля параметров является контроль параметров гидростанции АФЛ (рис. 5.1.15). В более сложных случаях, когда непосредственно требуемый параметр измерить невозможно и он связан с рядом других параметров процесса (так называемых косвенных показателей) только статистически, используются методы теории статистических решений. Так, например, при распознавании различных фаз плавки в дуговой плавильной печи используются особенности электрического режима дуги, характерные для этих фаз.
В системе управления машины литья под давлением (с рычажным приводом механизма запирания) для распознавания различных ситуаций, возникающих при запирании формы, используется специфическая особенность графика давления в цилиндре запирания. График давления в исправном и правильно настроенном механизме запирания, возникающего в процессе запирания, показан на рис. 5.1.32, а {р - давление, т - время).
В момент т = 0 поступает команда на закрытие формы, и соответствующий распределитель подает рабочую жидкость в цилиндр
запирания для закрытия формы. На начальном участке {0-1) давление в цилиндре сначала возрастает до величины, необходимой для преодоления сил трения покоя, затем поршень цилиндра приходит в движение и выбираются зазоры в шарнирах рычажной системы: давление в цилиндре снижается. На участке 1-2 происходит перемещение подвижной плиты. В момент 2 половины формы смыкаются. До момента 3 выбираются зазоры в шарнирах механизма и в форме. Затем происходит упругая деформация элементов машины (растяжение колонн, сжатие элементов рычажной системы и формы), при этом сила запирания возрастает от 0 до максимальной в момент 5. Давление в цилиндре на протяжении этого периода возрастает до максимума в точке 4, а затем снижается из-за резкого увеличения коэффициента усиления рычажной системы в конце хода при выпрямлении рычагов. На участке 5-6 давление в цилиндре возрастает до давления, создаваемого насосами машины.
На рис. 5.1.32, б-е показаны графики давления, которые имеют место при различных неисправностях или неправильной наладке механизма запирания. На рис, 5.1.32, б показан график при наладке механизма на меньшую силу запирания (недостаточное максимальное давление в момент распрямления рычагов). График на рис. 5.1.32, в имеет место в случае, если расстояние между задней и неподвижной плитами машины слишком мало и рычаги полностью не выпрямились (усилия цилиндра недостаточно для растяжения колонн машины), следовательно, необходимая сила запирания не
МЕТОДЫ УПРАВЛЕНИЯ
877
Рис. 5.132. Графики давления в цилиндре запирания
создана, или если это расстояние слишком велико и при полном распрямлении рычагов полуформы еще не сомкнулись. Различить эти две ситуации возможно, если проанализировать сигнал от конечного выключателя, фиксирующего закрытие формы: в первом случае он должен быть нажат, во втором - нет.
По рис. 5.1.32, г видно, что произошло преждевременное нарастание давления еще до момента смыкания формы, то есть в процессе перемещения подвижной плиты. Причиной преждевременного повышения давления может быть повышенное сопротивление движению подвижной плиты в результате повреждения шарниров рычагов, отсутствия смазки, образования задиров на трущихся поверхностях. График на рис. 5.1.32, д показывает, что поршень цилиндра не пришел в движение, в результате чего давление в цилиндре почти сразу поднялось до максимального, развиваемого насосами машины. Наконец, из графика на рис. 5.1.32, е следует, что неисправны электрическая или гидравлическая системы машины (нет давления или не переключился гидрораспределитель).
Диагностика механизма запирания осуществляется следующим образом. В ЭВМ подаются сигналы датчика давления р в цилиндре запирания и конечных выключателей SQ1 и SQ2, контролирующих открытое и закрытое состояние литейной формы. Одновременно с командой на закрытие формы в ЭВМ начинает выполняться программа управления запиранием и диагностики. Общая схема программы сводится к следующему. Производятся периодический опрос датчика давления и анализ кривой давления в течение всего процесса запирания.
По мере надобности анализируется также состояние конечных выключателей. В случае, если кривая давления соответствует вариантам на рис. 5.1.32, г, д, е, - выдается диагностика неисправности и команда на остановку литейной машины. Если кривая давления имеет характер, соответствующий рис. 5.1.32, а, б, - то определяется величина максимального давления между точками 3 и 5, являющаяся косвенным показателем усилия запирания. Если отклонение этого давления не выходит за допустимые пределы, дается разрешение на заливку. В противном случае производится расчет необходимой подналадки механизма запирания и выдается необходимое сообщение, например: включить механизм наладки на сближение на 0,3 с, и команда на прекращение литейного цикла. Возможно также и саму наладку выполнить с управлением от ЭВМ.
В том случае, если кривая давления имеет вид, показанный на рис. 5.1.32, в, для распознавания ситуации опрашивается конечный выключатель SQ2. Если после подъема давления до максимального, создаваемого насосами, этот выключатель нажат, то рычаги не распрямились; если не нажат - форма не сомкнулась. В зависимости от этого и выдается необходимая диагностика.
Возможные режимы работы механизма запирания совмещены на рис. 5.1.33. Здесь же показаны параметры, по которым ЭВМ производит анализ режима работы. На рис. 5.1.33, а показаны графики давления, на рис. 5.1.33, б -функции состояния JSQ1 и JSQ2 конечных выключателей соответственно SQ1 и SQ2. Значение 1 соответствует нажатию выключателя, 0 - выключатель не нажат.
878 Глава 5.1. ОСНОВЫ УПРАВЛЕНИЯ АВТОМАТИЧЕСКИМ ЛИТЕЙНЫМ ОБОРУДОВАНИЕМ
Рис. 5.133. Параметры, используемые при распознавании режима работы
Цифрами на рис. 5.1.33, а обозначены режимы: 1 - нормальный режим (эталон); 2 и 3 - недостаточная или слишком большая сила запирания; 4 - рычаги не выпрямились или форма не сомкнулась; 5 - повреждение шарниров, отсутствие смазки, задиры на колоннах; 6 - заклинивание поршня или повреждение рычагов (подвижная плита не пришла в движение); 7 - неисправность электро- или гидросистемы (нет давления или не переключился гидрораспределитель).
Для распознавания указанных режимов работы в программу вводятся следующие параметры (см. рис. 5.1.33):
- TSQ1 - время, до истечения которого выключатель SQ1 должен разомкнуться, а давление снизиться до величины меньшей, чем PDV(см. ниже);
- PDV - пороговое значение давления при движении подвижной плиты (включая выборку зазоров в начале и конце движения), превышение которого будет свидетельствовать о неисправности механизма типа режима 5;
- TMN - минимальное время, в течение которого пороговое значение давления PDV не должно быть превышено;
- ТМХ - максимальное время, за которое должно произойти смыкание полуформ. Дав
ление в цилиндре должно превысить пороговое значение PDV в интервале между TMN и ТМХ и после момента ТМХ должно монотонно возрастать до PZAD\
- PZAD - заданное максимальное давление при запирании, соответствующее заданному усилию запирания;
- ADP - допустимое отклонение фактического максимального давления при запирании от заданной величины PZAD\
- РМАХ - максимальное давление в гидросистеме, обеспечиваемое насосами машины.
Кроме того, программе задается шаг по времени Дт между опросами датчика давления при поиске максимума кривой давления при запирании и максимальное число опросов при этом АГ.
Схема алгоритма программы управления и диагностики механизма запирания показана на рис. 5.1.34.
В блоке 2 вводятся значения параметров управления для конкретной литейной машины и формы. По мере необходимости программа запрашивает значения с датчика давления, конечных выключателей и таймера, после чего в оперативной памяти появляются текущие значения давления р, функций состояния JSQ1, JSQ2 и времени т (блоки 3, 7,14 и др.).
МЕТОДЫ УПРАВЛЕНИЯ
879
1
28
At
2 iBlod-TSQ1, PDVTMN,THX. PM,ADPtH^rl
3
4
Onjjoc таймера
29 \Onooc
Нет
Да
31
30
32
3SQ2-0
PZM=Q |
Да
к»0
k<N
”[^7]
Опрос дат. дабл
Опрос таймера
Расчет наладки на отодвигание
Расчет наладки на сближение
гэЛ-nl«^
24. \НетУ^
p^PZM
у]
Нет
TSQ1<
36
37
8 ^^Нет <JSQ1~OJ>~
w_______
Опрос дат. дабл.
»L4a
Нет Q
16
p>PDV
^Да rTh
10 II дат. дабл
11 X
<p>PDV
f2 ^£Нет
Hem
>—W a
13 УДа
Расчет наладки на отодвиеание
Расчет наладка на сближение
33 Вывод 1параметров1 / наладки /
Да
Да
SpziTS*
JWH-An
M2WWP,
Нет
Конец
20
Вывод команды на остановку
Конец
Рис. 5.134. Схема алгоритма программы управления и диагностики механизма запирания
В блоке 4 запоминается время начала закрытия формы. Затем продолжается опрос таймера (блок 5), и время процесса т - т0 сравнивается с заданным для начала движения формы (блок б). Когда заданное время TSQ1 истекло, в блоке 7 опрашивается конечный выключатель SQ1, и, если он еще нажат (JSQ1 - 1), выясняется причина неисправности. Для этого в блоке 14 определяется теку
щее давление, а в блоке 15 оно анализируется. Далее в блоках 16 или 17 выдается результат диагностики и команда на остановку машины (блок 20). Программа заканчивается.
Если же SQ1 вовремя разомкнулся и выход из блока 8 пошел к блоку 9, то в блоках 9-19 программа контролирует давление в процессе закрытия формы, то есть с момента TSQ1 до момента ТМХ (см. рис. 5.1.33). В бло
880 Глава 5.1. ОСНОВЫ УПРАВЛЕНИЯ АВТОМАТИЧЕСКИМ ЛИТЕЙНЫМ ОБОРУДОВАНИЕМ
ках 9 и 10 опрашивается таймер и датчик давления, а в блоке 11 проверяется величина давления. Если оно не превысило PDV, то в блоке 12 проверяется, не превышено ли максимально допустимое время ТМХ до закрытия формы. Если это время не превышено, то продолжается контроль закрытия формы. Если время превышено, а давление все еще не поднимается, то блок 13 выводит информацию о неисправности по типу режима 7. Если же при циркуляции программы между блоками 9 и 12 блок 11 установит повышение давления, то в блоке 18 проводится проверка времени, прошедшего с момента начала закрытия. Если оно меньше TMN, то фиксируется неисправность по типу режима 5, и машина останавливается. При выходе из блока 18 через соединитель а работа литейной машины и программы диагностики продолжается.
В этот момент процесс находится в точке 3 (рис. 5.1.32, а), и задачей программы является анализ кривой давления между точками 3 и 5.
Метод нахождения максимума на кривой давления заключается в следующем. Проводится опрос датчика давления с заданным шагом по времени Дт. Каждое вновь полученное значение давления сравнивается с предыдущим, которое хранится в ячейке памяти УВМ с именем PZM. Если вновь полученное значение больше PZM (рост давления продолжается), то последнее значение давления записывается в PZM и опрос датчика давления продолжается. Если же вновь полученное значение давления меньше предыдущего, следовательно, максимум кривой давления пройден, и его значение хранится в ячейке PZM. Опрос давления продолжается не более N раз. Если за это время (равное N Дт) максимум не пройден, анализируемый график программа относит к режиму 4.
Поиск максимума начинается с блоков 21 и 22 присвоением нулевых значений величине PZM и счетчику циклов опроса К. Затем опрашивается датчик давления (блок 25), сравнивается новое значение давления с предыдущим (блок 24), и при продолжении подъема давления новое его значение запоминается в блоке 25. Затем увеличивается счетчик циклов (блок 26), сравнивается его значение с заданным (блок 27), выполняется задержка по времени Дт (блок 28), и цикл опроса продолжается.
Если после N циклов опроса максимум не найден, программа из блока 27 следует в блок 29 и опрашивает конечный выключатель SQ2,
чтобы уточнить ситуацию для обнаруженного режима типа 4: не сомкнулась форма или не выпрямились рычаги запирающего механизма. После выяснения состояния SQ2 (в блоке 30) проводится соответствующий расчет наладки механизма запирания (блоки 5/ и 52), выводится информация о требующейся наладке и команда на остановку машины (блоки 55 и 20).
Если в блоке 24 был найден максимум на кривой давления, то в блоках 54 и 55 проверяется, не выходит ли найденное значение за допустимые пределы PZAD ± ADP. Если обнаружено недопустимое отклонение, то в блоках 56 и 57 выполняется расчет требуемой наладки механизма, а в блоках 55 и 20 выводятся информация о наладке и команда на остановку машины. Если же величина PZM находится в допустимых пределах, выводится команда на продолжение цикла (блок 58).
Управление с обучением. Альтернативной по отношению к широко применяемой в массовом производстве абразивной обработке отливок на однопозиционных станках или многопозиционных автоматических линиях (с обработкой на каждой позиции одной цилиндрической или 1 - 3 плоских поверхностей) является автоматическая зачистка отливки на одной позиции по нескольким, возможно, криволинейным поверхностям, частично воспроизводящая ручную зачистку на абразивном круге. Обработка выполняется по программе, которая формируется в процессе обработки первой отливки при ручном управлении. Схема установки кондуктора с отливкой в приспособлении станка и схема координат, по которым производятся перемещения приспособления с отливкой и инструмента, показаны на рис. 5.1.35.
Отливка вне позиции обработки устанавливается в один из кондукторов транспортной системы и подается ею на позицию обработки. Здесь отливка с кондуктором зажимается в приспособлении, которое обеспечивает перемещение отливки в процессе зачистки по осям х1, х2 и вращение вокруг оси х3. Программа формируется при обработке первой отливки с ручным управлением перемещениями отливки и абразивной головки.
Алгоритмы формирования программы при обработке первой отливки и последующей автоматической обработки отливок показаны на рис. 5.1.36.
МЕТОДЫ УПРАВЛЕНИЯ
881
а)
Схема координат
S)
Рис. 5.1.35. Схема установки кондуктора с отливкой и схема координат
Особенностью формирования программы при этом обучении является специальная организация алгоритма обработки, которая позволяет компенсировать погрешности геометрии отливки, вызванные смещениями элементов литейной формы и стержней относительно друг друга, возникающие при сборке и заливке формы, а также износ абразивного круга.
Для этого обработка как при обучении, так и в дальнейшем, ведется поочередно по отдельным фрагментам поверхности, образуемым одним и тем же элементом формы (например, верхней полуформой, одним из стержней), с предварительным определением положения этой поверхности относительно баз обработки.
При обучении (рис. 5.1.36, а) перед началом обработки очередного z-го фрагмента поверхности определяется ее положение. Для этого отливка несколько раз (/ =1, mt) устанав-1 2 3
ливается в некоторые положения ху,, ху/, ху/, которые, по мнению обучающего оператора, достаточно точно характеризуют положение и направления возможных смещений т, фрагмента, и каждый раз затем инструмент перемещается до соприкосновения с отливкой. Координаты
, xjj, Ху, и Xjj запоминаются.
Затем при ручном управлении движениями отливки х1, х2, х3 и инструмента х" производится обработка /-го фрагмента поверхности. При этом запоминаются изменения координат х1, х2, х3 и хи как функции времени. Затем следует переход к измерению и обработке следующего фрагмента.
При автоматической обработке отливок (рис. 5.1.36, 6) установка приспособления в положение х],, х2 , х3, производится автома
тически по запомненным при обучении значениям, и головка перемещается до соприкосновения с отливкой. Момент соприкосновения фиксируется датчиком, и координата хиХ запоминается. По окончании измерений для всех т, точек /-го фрагмента вычисляется скорректированный закон перемещения обрабатывающей головки.
Использование особенностей технологического процесса. Ниже приведены разнородные примеры использования особенностей управляемого объекта для повышения качества управления.
Некоторые литейные агрегаты (плавильные печи, смесители, установки для переработки формовочных материалов) усредняют состав загруженных в них материалов. Тогда, если загрузка производится небольшими (сравнительно с емкостью агрегата) порциями, а точное дозирование из-за свойств материала или особенностей процесса затруднено, то применяется компенсационный способ дозирования, при котором управляющее устройство запоминает погрешность каждого цикла дозирования и изменяет на эту величину задание для последующего цикла. Алгоритм работы такого устройства:
А/ ~ Л “(^1 “ А(/-1)) »
где Р3 - заданная средняя масса дозы; P3i -задаваемая масса в очередном цикле; и Рз(/-1) ~ полученная и заданная масса в предыдущем цикле.
При дозировании компонентов смеси, подаваемых в смеситель, требуется соблюдение заданного рецептурой отношения между компонентами смеси. Для этого применяются системы связанного управления дозированием
882 Глава 5.1. ОСНОВЫ УПРАВЛЕНИЯ АВТОМАТИЧЕСКИМ ЛИТЕЙНЫМ ОБОРУДОВАНИЕМ
Зажим отладки
Установка приспособления с пульта в положение
| J-J+f I Ход голодна до
ЕЗ
соприкосновения с отливкой
Запоминание
Нет
J=^i
Обработка с пулыпа 1-ой поверхности и запись x"f/(t)
Нет
а)
S)
Рис. 5.1.36. Алгоритмы абразивной обработки: а - при обучении; б - при автоматической обработке отливок
компонентов, при которых один компонент принимается за ведущий, и задача регулирования расхода этого компонента заключается в
его стабилизации, а расходы других компонентов регулируются в зависимости от действительного расхода ведущего компонента (с це
МЕТОДЫ УПРАВЛЕНИЯ
883
лью обеспечения заданного отношения). В качестве ведущего компонента принимается оборотная смесь, так как различные производственные факторы обычно вызывают значительные колебания ее расхода. Связное управление дозированием хорошо реализуется вычислительным устройством. Пример простейшего алгоритма для двух компонентов (ведущего и одного ведомого) показан на рис. 5.1.37.
Рис. 5.137. Алгоритм дозирования по ведущему компоненту
На рис. 5.1.37 обозначено: Qi - расход ведущего компонента, Q2 - ведомого, к - заданное отношение между ними (Q2 = kQ{). Регулирование осуществляется на основе усреднения нескольких последних 'измерений расхода ведущего компонента.
Для повышения качества уплотнения песчано-глинистых форм применяются многоплунжерные прессовые головки, в которых прессовая плита состоит из отдельных элементов, каждый из которых связан со своим гидравлическим цилиндром. Это позволяет уплотнять разные части литейной формы со специально назначенным для них усилием.
Практически все цилиндры такой головки объединяются в несколько отдельных систем и образуют соответствующее число зон уплотнения в опоке. На рис. 5.1.38, б таких зон пять.
Разделение опоки на несколько зон позволяет в каждой из этих зон проводить прессование при различных давлениях на смесь, например увеличить давление по контуру опоки или в промежутке между двумя моделями. Все цилиндры одной зоны соединяются между собой, и каждая зона соединяется с общей гидросистемой через напорный и обратный клапаны (рис. 5.1.38, в).
Многоплунжерная головка закрепляется на штоке прессового цилиндра машины (рис. 5.1.38, а) и в исходном положении находится над опокой. Все плунжеры головки находятся в нижнем (по отношению к головке) положении за счет того, что (см. рис. 5.1.38, в) в это время сжатый воздух из сети поступает в пневмогидравлический преобразователь, жидкость из него под небольшим давлением поступает во все цилиндры головки через обратные клапаны ОК. В обратном направлении, из цилиндров в пневмогидравлический преобразователь, жидкость не может вытекать до тех пор, пока закрыты клапаны К.
При прессовании прессовый цилиндр опускает прессовую головку на опоку. Элементы головки начинают уплотнять смесь. При этом давление жидкости в цилиндрах возрастает. Прессование в каждой зоне продолжается до тех пор, пока давление в жидкости не достигнет величины, при которой клапан К соответствующей зоны не откроется. Тогда жидкость начинает вытекать из цилиндров этой зоны, их плунжеры (или поршни) перестают опускаться, и уплотнение в этой зоне прекращается.
884
Глава 5.2. КОМПЬЮТЕРИЗАЦИЯ И ИНТЕГРАЦИЯ В ЛИТЕЙНОМ ПРОИЗВОДСТВЕ
Рис. 5.1.38. Многоплунжерная головка
Глава 5.2
КОМПЬЮТЕРИЗАЦИЯ И ИНТЕГРАЦИЯ В
ЛИТЕЙНОМ ПРОИЗВОДСТВЕ
5.2.1. ИНТЕГРАЦИЯ НА БАЗЕ КОМПЬЮТЕРНОЙ ТЕХНИКИ
Общие положения. Компьютерное управление технологическими машинами, модулями и линиями уже находит применение в литейных цехах. Оно является основой создания компьютерно-интегрированного литейного производства в рамках литейных цехов и машиностроительных заводов.
В последние десятилетия в технически развитых странах серьезное внимание уделяется автоматизации производства средних и малых заводов на основе компьютерных технологий.
В связи с многопрофильностью предприятий, расширением номенклатуры отливок при выпуске их малыми партиями увеличивается частота смены литейной оснастки, количество переналадок технологических процессов и машин, в том числе, в течение рабочего дня. Повышаются требования к уровню алгоритмического (математического) обеспечения компьютерных систем управления гибких автоматизированных производственных модулей и литейных линий. Возникает необходимость их объединения в единые системы. Гибкие компь-ютерно-интегрирорванные производственные системы (ГПС) считаются высшей формой автоматизации.
Гибкое автоматизированное производство (ГАП) - система, состоящая из одного или нескольких гибких производственных комплексов, объединенных автоматизированной системой управления производством и автоматизированной транспортно-складской системой (АТСС). В совокупности с автоматизированными системами научных исследований (АСНИ), проектирования (САПР) и технологической подготовки производства (АСТПП) становится возможным быстрый, и даже автоматизированный переход на изготовление новых изделий.
В общем случае в эту систему также входят системы управления (АСУТП), контроля (САК), информационного обеспечения (АСИО), переработки или удаления отходов (АСУО). Автоматизированные системы управления решают, кроме того, задачи стратегического и тактического планирования производства, диспетчирования, включая ремонт оборудования, мониторинг его работы, простоев, диагностики и прогнозирования.
Иерархия компьютерного управления интегрированным производством. Иерархическая структура компьютерного управления представляется обычно в виде пирамиды четырех уровней с закреплением сравнительно однородных функций управления по уровням, а также с учетом соподчиненности управления и контроля при решении производственных задач.
Компьютеры объединяются в локальные сети.
ИНТЕГРИРОВАНИЕ АВТОМАТИЧЕСКОЙ ЛИТЕЙНОЙ ЛИНИИ
885
Базовым (нижним) уровнем пирамиды, обычно принимаемым за первый, является уровень управления и контроля работы оборудования участков цеха. Это дискретное управление циклическими процессами с использованием программируемых логических контролеров (PLC).
На втором компьютерном уровне осуществляется управление технологическими процессами с использованием управляющих компьютеров. Защитные и аварийные блокировки в большинстве случаев реализуются на первом уровне. Управление рабочими процессами технологических машин (выполнением технологических операций) иногда передается контроллерам первого уровня с комплектацией их аналоговыми блоками.
Эти два уровня управления обеспечивают работу формовочного и смесеприготовительного участков, стержневого, плавильного и очистного отделений, участка изготовления и ремонта модельной и опочной оснастки, отдела контроля качества материалов и отливок.
На уровне цеха (первый и второй уровни) решаются задачи диспетчеризации и координации работы оборудования, работы служб механика и энергетика, оперативный учет (monitoring), управление материальными потоками, а также обеспечивается работа административно-управленческого аппарата и вспомогательных служб.
На третьем уровне решаются задачи инженерной подготовки производства, автоматизированного проектирования, организации и координации работы.
На четвертом уровне осуществляются стратегическое планирование, менеджмент вопросов бизнеса, маркетинг.
В каждом конкретном случае иерархическая структура может корректироваться. Требование получения информации, ее обработки и выработки управляющих команд в реальном масштабе времени на всех производственных участках, а также работа по системе "just in time" (точно в необходимое время) приводит к необходимости повышения качества информационного обеспечения интегрированной системы.
Вычислительные мощности используемых ЭВМ с повышением уровня управления возрастают, а количество их уменьшается.
Компьютерное интегрирование производства требует значительных капитальных вложений. Считая, что оно преследует стратегические цели повышения конкурентной способности выпускаемой продукции, признается безусловная необходимость выполнения такого проекта
даже с расчетом постепенного последовательного его ввода по частям.
В качестве единого протокола связи в сетях управления компьютерно-интегрированных производств (CIM - Computer integrated Manufacturing) наиболее часто используется протокол MAP (Manufacturing Automation Protocol).
Виды структур АСУ ГПС. Согласно ГОСТ 24103-84 АСУ могут иметь следующие виды структур, отличающиеся типами элементов и связей между ними: функциональную, программную, информационную, организационную, техническую и алгоритмическую.
В общем случае в составе АСУ выделяют метрологическое, правовое и лингвистическое обеспечения. АСУ ГПС включает в себя следующие основные виды обеспечения: техническое, организационно-правовое, программное, математическое и информационное.
Техническое обеспечение объединяет устройства вычислительной и организационной техники, а также средства передачи данных. Совокупность компонентов технического обеспечения образует комплекс технических средств.
Организационно-правовое обеспечение включает методические и руководящие материалы: положения, инструкции, приказы, штатные расписания, квалификационные требования и т.п.
Программное обеспечение включает документы с текстами программ, программы на машинных носителях и эксплуатационные документы.
Под математическим обеспечением понимают совокупность методов, математических моделей и алгоритмов обработки информации, использованных при создании автоматизированной СУ.
Информационное обеспечение включает документы, содержащие описание проектных процедур, решений, комплектующих изделий, материалов, систему классификации и кодирования данных.
5.2.2. ИНТЕГРИРОВАНИЕ АВТОМАТИЧЕСКОЙ ЛИТЕЙНОЙ
ЛИНИИ (АЛЛ) И СИСТЕМЫ СМЕСЕПРИГОТОВЛЕНИЯ (ССП) НА ВТОРОМ УРОВНЕ
Общие положения. Одной из задач управления процессом смесеприготовления является поддержание требуемых свойств формовочной смеси в узких, экономически обоснованных пределах при случайных или
886
Глава 5.2. КОМПЬЮТЕРИЗАЦИЯ И ИНТЕГРАЦИЯ В ЛИТЕЙНОМ ПРОИЗВОДСТВЕ
плановых изменениях условий и режимов работы автоматической формовочной линии.
Полнота решения этой задачи во многом определяет стабильность размеров, заданное качество поверхности отливок и их механические свойства в регламентированных границах.
Стационарность процессов в технологической системе нарушается при смене модельной оснастки, возможном регулярном или случайном изменении продолжительности заливки; из-за отказов в работе агрегатов автоматической линии, дискретности в изменении продолжительности охлаждения форм на многопоточных охладительных участках линии, регулярного или случайного брака форм.
Характеристика системы при традиционном интегрировании. В практике смесе-приготовления широко используется программный способ управления операциями в функции времени. Окончание цикла смесепри-готовления в смесителях определяется в большинстве случаев либо по окончании времени, отведенного на перемешивание смеси, либо по сигналу от устройства, контролирующего индекс формуемости. Управление окончанием процесса приготовления смеси по величине потребляемой мощности главного привода смесителя используется в редких случаях.
Основные изменения параметров работы системы (смена заданий на дозирование воды и свежих компонентов) проводятся после смены модельной оснастки, по результатам оценки качества форм и лабораторных испытаний формовочной смеси. В большинстве случаев контроль свойств формовочной смеси выполняется со следующей периодичностью:
- каждый час - влажность смеси W, прочность на сжатие ст, в некоторых случаях прочность на разрыв в зоне конденсации влаги, прочность ст, на срез, уплотняемость У, плотность или масса нормального образца, газопроницаемость;
- ежедневно - потери при прокаливании смеси;
- один-два раза в неделю - гранулометрический анализ, содержание фракций менее 0,1 мм, степень шамотизации, содержание металлических частиц;
- ежемесячно - анализ состава смеси, соотношение кальция и натрия, анализ на метилен синий.
Формуемость Ф смеси контролируется, если это предусмотрено в системе, по ходу работы смесителей.
В зависимости от конкретной номенклатуры отливок, частоты смены модельной оснастки и условий производства литейного цеха периодичность испытаний формовочной смеси может несколько отличаться от рассмотренной.
Характеристика системы АЛЛ-ССП как объекта управления. Интегрированный комплекс литейная линия - система смесепри-готовления с точки зрения управления является достаточно инерционной системой. Полный оборот песчано-глинистой смеси осуществляется за 1,5...2 ч.
В технологической системе в зависимости от размеров формы и длительности такта линии находится от 100 до 300 т смеси. Полное обновление зерновой основы смеси происходит за 80... 120 оборотов смеси или за три-четыре недели при двухсменной работе. Около 75 % бентонита обновляется за 40...50 оборотов, молотого угля - за 30.. .40 оборотов смеси.
После ввода задания на изменения свойств смесь с новыми свойствами поступает к технологическим машинам с определенным запаздыванием во времени. Запаздывания обусловлены работой технологического оборудования и транспортных систем. Примерные их значения (в количестве циклов работы формовочного автомата - тактов работы линии) приведены на рис. 5.2.1.
При смене модельной оснастки, которая вызывает, например, резкое увеличение металлоемкости формы, то есть резкое повышение термической нагрузки на формовочную смесь, возникает значительное выгорание летучих компонентов и значительная (до 10 %) шамо-тизация бентонита.
Через 60...80 мин с такими изменениями в составе отработанная смесь возвращается к смесителю. По данным фирмы ЭЙРИХ такие серьезные изменения в отработанной смеси компенсируются системой регулирования по пяти параметрам не сразу, а в течение двух, а иногда и трех оборотов смеси. В результате стабильность параметров готовой смеси хотя и оказывается выше, чем у системы с контролем только формуемости, но все же недостаточной для обеспечения высокой вероятности хорошего качества литейной формы.
Если за время двух-трех оборотов смеси не происходит замены модельной оснастки, то процессы в технологической системе становятся стационарными и рассеяние технологических параметров смеси уменьшается.
ИНТЕГРИРОВАНИЕ АВТОМАТИЧЕСКОЙ ЛИТЕЙНОЙ ЛИНИИ
887
Регулирующие
Рис. 5.2.1. Схема запаздывания изменения свойств формовочной смеси в цикле ее оборота
Система АЛЛ-ССП с предупредительным управлением. В сложных системах автоматического регулирования со значительным запаздыванием имеется возможность уменьшить отклонение регулируемого параметра введением упреждения смены задания - уставки на время А/ - с тем, чтобы к моменту наступления возмущающего воздействия (если время наступления этого события известно и известны его параметры) предшествующие элементы системы уже работали с измененными параметрами. Такое управление называют предупредительным (CPC - Computer Praeventive Control). Оно возможно при компьютерном выполнении вычислительных операций по расчету уставок параллельно с технологическим процессом в реальном масштабе времени, т.е. окончание расчета уставок должно завершиться к моменту времени их использования при переналадке технологического процесса.
Время А/ определяется временем от начала работы смесителей по новому заданию до начала изготовления формовочным автоматом литейной формы по новой модельной плите. При этом очередная форма будет изготовлена из предназначенной для нее формовочной смеси.
Для выполнения вычислительных операций по определению параметров формовочной смеси, значений уставок регуляторов, настроек дозаторов необходимы уравнения множественной регрессии в виде
Л W = ао + в}*} + а2х2 +... + ajXj + ...а„х„, У, W = Ьо + 6]Х, + Ь2х2 +...+bjXj + ,.Ь„х„, Ут (*) = С0 + + С2Х2 +... + CjXj + ...с„х„,
где у((х) (1 £ / £ т) - выходные параметры, которыми могут быть прочность формовочной смеси на сжатие, разрыв и срез, газопроницаемость и другие параметры; jq (1 < i < ri) -входные переменные, например, содержание активной или шамотизированной глины, соотношение масс формовочной смеси и залитого металла в форме, модуль отливки, масса поступающих стержней из выбитых форм, добавки свежего песка; коэффициенты регрессии:
а2> —> aj> —> ап ’
Ь\, Ь2,bJtЬ„,
с0> с1> с2> •••> Cj’ сп •
Поскольку основные входные переменные входят в разные уравнения регрессии с различными (по величине и знаку) коэффициентами регрессии, то при расчете одного выходного параметра приходится проверять допустимость возникающих отклонений по другим параметрам.
888
Глава 5.3. АВТОМАТИЧЕСКИЕ ФОРМОВОЧНЫЕ ЛИНИИ
Если для заданного значения выходного параметра, например газопроницаемости уь необходимо вычислить задание на изменение входного параметра х, (углеродосодержащие добавки), то необходимо иметь уравнение регрессии, в котором углеродосодержащая добавка будет выходной переменной ym+t, а газопроницаемость - входной переменной.
Накопление изменений в составе смеси как по отдельным составляющим, так и по нескольким совместно, могут вызвать дрейф системы в направлении появления брака отливок "по вине" формовочной смеси. Состояние системы и прогноз ее дрейфа также может оцениваться по соответствующим уравнениям множественной регрессии (с введением изменений входных параметров в функции времени).
Процесс приготовления смеси в смесителях в автоматическом режиме в настоящее время может контролироваться по параметрам: формуемость, прочность на сжатие, срез, уп-лотняемость, влажность.
Предварительные уравнения регрессии получают на основе лабораторных исследований формовочных смесей по методике планирования многофакторного эксперимента. В дальнейшем данные, получаемые в процессе эксплуатации системы, позволяют уточнять значение коэффициентов регрессии, что оценивается как элемент самообучения системы - элемент искусственного интеллекта.
Полученные уравнения регрессии, алгоритмическое и программное обеспечение совместно с вводимыми техническими данными, например количеством смеси, находящимся в обращении, массой замеса в смесителях, допустимыми пределами на разброс параметров и другими образуют так называемую экспертную систему, принимаемую как часть системы искусственного интеллекта.
Глава 5.3
АВТОМАТИЧЕСКИЕ ФОРМОВОЧНЫЕ ЛИНИИ
Классификация. Автоматические формовочные линии (АФЛ) классифицируются по следующим признакам.
-В зависимости от наличия опок: линии опочной и безопочной формовки.
-Линии безопочной формовки подразделяются:
- по виду сборки форм: горизонтальностопочные, вертикально-стопочные и с парной сборкой;
- по числу формовочных потоков: однопоточные и двухпоточные.
-Линии опочной формовки классифицируются по следующим признакам:
- по типу транспорта: тележечный конвейер, роликовый конвейер и шаговый конвейер;
- по характеру движения конвейера: непрерывно движущийся и пульсирующий;
- по способу упрочнения смеси в форме: с комбинированным уплотнением (вибро-прессовое, встряхивание с прессованием, пескодувно-прессовое, импульсно-прессовое, воздушно-прессовое и др.), пескометные и с использованием ХТС, ЖСС, ПСС;
- по типу формовочного агрегата: на базе серийных формовочных машин, с однопозиционным проходным автоматом, трехпозиционным челночным агрегатом, с карусельным четырехпозиционным автоматом;
- по охвату операций изготовления отливок: комплексные линии, формовочные линии, блок-линии и транспортные линии;
- по способу смены оснастки: с остановкой для смены оснастки, с автоматической сменой оснастки и с плавающей оснасткой;
- по способу сборки формы: формовка в парных опоках и стопочная формовка;
- по планировочным решениям: однопоточные и многопоточные;
- по характеру производства: для крупносерийного и массового производства и для серийного и единичного производства отливок;
- по развесу отливок: для мелких, средних и крупных отливок;
- по числу формовочных блоков: моноблочные, двухблочные и трехблочные:
- по металлу отливок: для чугунного и стального литья и для литья из цветных сплавов.
5.3.1. ОСНОВНЫЕ ТЕХНИКОЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ АФЛ
Производительность АФЛ. Различают следующие виды производительности формовочных линий: технологическую, техническую, цикловую (теоретическую), паспортную, расчетную и фактическую (действительную) и др. В документации на автоматическую линию
ОСНОВНЫЕ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ АФЛ
889
указывается цикловая производительность. Циклом называется совокупность каких-либо процессов или явлений, совершающихся с периодически повторяющейся закономерностью. Промежуток времени, за который совершается цикл, называется временем цикла. Технологическим циклом называется промежуток времени, необходимый для выполнения всех основных и вспомогательных переходов технологического процесса изготовления литейной формы на АФЛ. Цикловая производительность определяется конструктором по циклограмме и проставляется, как правило, в паспорте на АФЛ, поэтому она совпадает с паспортной производительностью. Цикловая или паспортная производительность не учитывает простои оборудования по техническим, технологическим и организационным причинам и определяется по формуле Пц = 3600 / Гц, форм/ч, где Гц - время цикла, с.
Расчетная производительность определяется с учетом всех возможных простоев оборудования по техническим, организационным и технологическим причинам по формуле Пр=/СиПц, форм/ч, где Кк - коэффициент использования АФЛ. Коэффициент использования АФЛ является главным критерием степени достижения возможной производительности линии. Он характеризует как надежность самой линии, так и достигнутый уровень эксплуатации ее в конкретных условиях производства. Коэффициент Кк показывает долю времени работы линии за определенный промежуток времени, которое учитывает все виды простоев. Если /сум - время безотказной работы линии, /иабл - общее время наблюдения, то
~ ^сум I Причем /иабл ~ ^сум + ^тех + А>рг (^тех _ простои, вызываемые техническими причинами (планово-предупредительный ремонт, текущий ремонт, связанный со сбоями в работе отдельных механизмов, разрегулирование автоматики и системы управления, производства бракованных форм по причине формовочных автоматов и т.д.); /Орг - простои, вызванные организационными причинами (простои смежного оборудования, смена модельной оснастки, отсутствие обслуживающего персонала, брак форм по технологическим причинам и т.д.)).
Учет простоев АФЛ по организационным причинам не дает возможности судить о надежности и фактической производительности линии. Для оценки технического состояния
линии необходимо исключить из времени наблюдения все простои по организационным причинам. Для оценки технического состояния линии вводится коэффициент технического использования который определяется по формуле Кт = /сум / ^сум + ^тех- Коэффициент технического использования АФЛ равен 0,8...0,9, в то время как коэффициент использования составляет 0,65...0,75. Техническая производительность АФЛ в этом случае определятся: Птех = Кт Пц, форм/ч.
Показатели надежности АФЛ. В соответствии с ГОСТ 13377-75 надежность в технике есть свойство объекта выполнять заданные функции, сохраняя во времени значения установленных эксплуатационных показателей в заданных пределах. Под надежностью АФЛ подразумевается безотказность, долговечность и ремонтопригодность в процессе эксплуатации линии.
Безотказность - свойство АФЛ сохранять работоспособность в течение некоторого времени или некоторой наработки, которые регламентируются техническими условиями.
Долговечность - свойство АФЛ непрерывно сохранять работоспособность до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонта.
Ремонтопригодность - это свойство линии, заключающиеся в приспособленности к предупреждению и обнаружению причин возникновения ее отказа и повреждения и устранение их путем проведения ремонта и технического обслуживания.
Средняя наработка на отказ То определяется отношением суммарного времени безотказной работы, за вычетом времени отказов, к числу интервалов безотказной работы за время наблюдений.
Среднее время восстановления работы линии Гв определяется отношением суммарного времени на обнаружение и устранение причин отказа работы линии к числу простоев по техническим причинам за наблюдаемый промежуток времени.
Готовность АФЛ к работе в произвольный момент времени, кроме планируемых периодов планово-предупредительного ремонта и технического обслуживания, характеризует отношение То/ (То+ Т3)~ Кг. Коэффициенты готовности линии и технического использования являются основными показателями надежности АФЛ.
890
Глава 5.3. АВТОМАТИЧЕСКИЕ ФОРМОВОЧНЫЕ ЛИНИИ
5.3.2. АВТОМАТИЧЕСКИЕ ЛИНИИ БЕЗОПОЧНОЙ ФОРМОВКИ
Линии безопочной формовки подразделяются по виду сборки формы на горизонтальностопочные, вертикально-стопочные и с парной сборкой. По числу формовочных потоков лини подразделяются на однопоточные и двухпоточные. Вцд линии определяется преимущественно по конструкции формовочного автомата и транспортной системе для форм. Наибольшее распространение получили линии безопочной формовки со сборкой в горизонтальную стопку. Основными преимуществами линий безопочной формовки по сравнению с опочной являются:
- отсутствие опочной оснастки и, как следствие, транспортных средств и механизмов перемещения и манипуляций с пустыми опоками;
- простота устройств для выбивки форм;
- сравнительно простая автоматизация процесса сборки форм и их выбивки;
- отсутствие устройств для загрузки форм во время заливки их металлом;
- высокая производительность;
- экономия производственных площадей.
На рис. 5.3.1 представлена комплексная автоматическая линия КЛ2002 безопочной горизонтально-стопочной формовки, сборки,
заливки и выбивки, предназначенная для изготовления мелких и средних отливок из черных и цветных сплавов в условиях крупносерийного и массового производства.
Основой линии является шестипозиционный карусельный стол, поворот которого осуществляется от привода через мальтийскую передачу. На каждой позиции стол жестко фиксируется. Спрессованная форма прижимается к ранее изготовленным формам, в результате чего образуется горизонтальная стопка безопочных форм с вертикальной плоскостью разъема.
Технологический цикл изготовления отливки включает следующие операции: дозирование и подачу формовочной смеси в бункер, засыпку дозы смеси в гильзу пескодувной головки, обдув и опрыскивание модельного комплекта, надув смеси в формовочную камеру, двустороннее прессование, вытяжку модели, осмотр формы и простановку стержней, выталкивание формы и сборку горизонтальной стопки, заливку формы, охлаждение и транспортировку к выбивной решетки (выбивному барабану), выбивку отливок.
Линия работает в автоматическом, полуавтоматическом и наладочном режимах. В табл. 5.3.1 представлены технические характеристики отечественных АФЛ безопочной формовки.
Рис. 53.1. Комплексная автоматическая линия КЛ2002:
1 - дозатор ленточный; 2 - бункер; 3 - пескодувная головка; 4 - ресивер; 5 - формовочный автомат;
6 - поворотный стол, 7 - гидроагрегат; 8 - гидроаккумулятор; 9 - шаговый конвейер; 10 - ленточный конвейер; 11 - заливочная машина; 12 - роликовый конвейер заливочной машины; 13 - заливочный ковш;
14- вибрационно-инерционная решетка; 15 - пульт управления
АВТОМАТИЧЕСКИЕ ЛИНИИ БЕЗОПОЧНОЙ ФОРМОВКИ
891
5.3.1. Технические характеристики линий безопочной формовки
Основные параметры Модель линии
7058* 7512* КЛ2002** КЛ23714**
Размер формы (в плане), мм 600x500 950x700 600x450 800x600
Высота формы, мм 120... 300 200... 560 180...300 250...400
Давление прессования, МПа 2 2 4 2,5
Производительность цикловая, форм/ч 270...300 250...275 300 300
Расход воздуха, м3/ч 840 200 9,6 16,8
Мощность, кВт 94 200 138,6 260
Масса, т 49 ПО 57 111,25
Габариты, м 26x4,6x3,5 70x6,5x3,6 39,2x5,8x5,5
Проектировщик НИИТАвтопром ХФ НИИЛИТМАШ
Завод-изготовитель Сиблитмаш Литмаш, г. Тирасполь
Примечания. *В состав линии входят: автомат формовочный пескодувно-прессовый однопозиционный, дозатор формовочной смеси, стержнеукладчик, автоматическая установка заливки форм, решетка выбивная инерционная, система транспорта форм.
" В состав линии входят: шестипозиционный карусельный пескодувно-прессовый автомат, ленточный дозатор формовочной смеси, система транспорта форм. Установка заливочная и решетка выбивная поставляются по требованию заказчика.
В табл. 5.3.2 приведены технические безопочной формовки, выпускаемые фирмой данные автоматических формовочных линий GFDDISA.
5.3.2. Линии безопочной формовки фирмы GFD DISA 230
Параметры Тип А Тип В Тип С
Размер формы (в плане), мм 480x600 535x650 550x675
Высота формы, мм 120...405
Производительность, форм/ч (без стержней) 500
Производительность форм/ч (со стержнями) 400
Длина конвейера, м 86,5
Давление прессования, МПа 0,4... 1,2
Максимальный расход формовочной смеси, т/ч 70 84 91
Установленная мощность, кВт 55
Расход воздуха, м3/мин 9 10 11
Примечания. 1. Изготовление формы осуществляется на однопозиционном формовочном автомате пескодувно-прессовым способом в шесть этапов: надув смеси в формовочную камеру, двустороннее прессование формы, вытяжка поворотной пресс-плиты, сборка формы и транспортировка горизонтальной стопки, вытяжка пресс-плиты, закрывание формовочной камеры.
2. Фирма рекомендует для линии применять формовочную смесь со следующими механическими и технологическими свойствами: прочность на сжатие по-сырому - 0,15...0,17 МПа; прочность на разрыв по-сырому - более 0,02 МПа; уплотняемость - (40 ± 2) %; общее глиносодержание - 10... 13 %; содержание активной глины - более 7 %; газотворность формовочной смеси - 1,5.. .3 %.
892
Глава 5.3. АВТОМАТИЧЕСКИЕ ФОРМОВОЧНЫЕ ЛИНИИ
Автоматическую линию безопочной формовки с горизонтальной линией разъема формы выпускает фирма G. Fischer. Линия оборудована двумя четырехпозиционными формовочными автоматами карусельного типа для изготовления нижней и верхней полуформ пескодувно-прессовым способом. Сборка формы происходит на шаговом конвейере, с которого формы поступают на литейный конвейер. В состав линии также входит следующее оборудование: грузоукладчик, автоматическая заливочная установка, охладительный конвейер, устройство для возврата груза, выбивная решетка.
Техническая характеристика линии
габариты формы в плане, мм....... 620 х 500
высота формы, мм.................. 150.. .220
цикловая производительность,
форм/ч............................. 240
давление прессования, МПа (кг/см2).. 1,0(10) время охлаждения отливки в форме,
мин............................... 22... 30
Фирм DISA выпускает автоматическую формовочную линию безопочной формовки с горизонтальной линией разъема модели ЗОЗОА. Формовка осуществляется пескодувнопрессовым способом. Линия имеет четыре потока - два формовочно-заливочных и два охладительных.
Техническая характеристика линии ЗОЗОА
габариты формы в плане, мм......... 560 х 720
высота формы, мм................... 130...250
цикловая производительность,
форм/ч............................... 150
давление прессования, МПа (кг/см2).. 1,0 (10)
установленная мощность, кВт........ 90
5.3.3. АВТОМАТИЧЕСКИЕ ЛИНИИ ОПОЧНОЙ ФОРМОВКИ
Автоматические линии формовки в опоках предназначены для изготовления широкой номенклатуры отливок из черных и цветных сплавов массой до 4000 кг в серийном и массовом производствах. Диапазон размеров опок в свету от 500x400 до 4000x2500 мм и по высоте от 50 до 500 мм. Заданный технологический процесс, требуемая производительность, масса отливки, наличие площадей и смежного обору
дования задаются заказчиком и определяют конструктивное и планировочное решение каждой линии.
Линии для крупносерийного и массового производства более автоматизированы, комплексно охватывают все основные операции изготовления отливок. Базовым формообразующим агрегатом в таких линиях является высокопроизводительный формовочный автомат или установка, которая определяет темп производства линии. В конструкции линии для серийного и мелкосерийного производств отливок предусматривается возможность быстрой смены модельной оснастки и перехода на изготовление другой детали. В настоящее время как отечественные, так и зарубежные фирмы при проектировании автоматических линий предусматривают механизмы быстрой смены оснастки и перехода на формовку других деталей, что делает эти линии универсальными и не зависимыми от характера производства.
В развитии проектирования и производства автоматических формовочных линий можно выделить три периода. Линии первого поколения проектировались на основе технологического процесса изготовления форм прессованием, вибропрессованием или встряхиванием с последующим прессованием. Линии второго поколения строились на основе применения технологии производства формы пескодувно-прессовым способом, прессованием с одновременным встряхиванием. Линии третьего поколения используют импульсные технологии изготовления форм в чистом виде или в сочетании с прессованием.
На рис. 5.3.2 представлена автоматическая линия первого поколения ИЛ225, которая и в настоящее время успешно эксплуатируется на некоторых заводах.
Линия предназначена для изготовления отливок из чугуна и стали в сырых песчано-глинистых формах в условиях крупносерийного и массового производств. Формы изготавливаются способом верхнего прессования на пневматическом рычажном формовочном автомате. Равномерность уплотнения достигается применением дифференциальной многоплунжерной головки и дополнительной вибрации в процессе прессования. В линии установлены два формовочных агрегата для изготовления нижней и верхней полуформ. Привод основного технологического оборудования пневматический. Линия разделена на пять технологических участков, каждый из которых управляется
Рис. 53.2. Планировка автоматической линии типа ИЛ225:
1 - формовочный автомат нижних полуформ; 2- формовочный автомат верхних полуформ;
3 - кантователь нижних полуформ; 4,5- кантователи верхних полуформ; 6 - механизм срезки излишков смеси;
7 - сборщик форм; 8 - отсекатель; 9 - унифицированный толкатель; 10 - механизм подъема подопечных щитков;
11 - механизм прижима форм при заливке; 12- механизм опускания подопочных щитков;
13 - установка выдавливания форм из опоки; 14 - распаровщик; 15 - механизм подъема опок; 16 - кантователь нижних опок;
17- механизм очистки опок; 18- переходный мостик; 19- секция роликового конвейера.
Участки линии: I - формовки; II, III - сборки форм; IV - заливки; V - охлаждения; VI - выбивки
АВТОМАТИЧЕСКИЕ ЛИНИИ ОПОЧНОЙ ФОРМОВКИ
894
Глава 5.3. АВТОМАТИЧЕСКИЕ ФОРМОВОЧНЫЕ ЛИНИИ
автономно от собственной станции управления. Транспортирующие роликовые конвейеры, связывающие участки и агрегаты линии, являются накопителями и позволяют этим участкам и агрегатам работать независимо друг от друга, так как скорость движения по роликовым секционным конвейерам в 4,5 раза выше технологически необходимой скорости потока.
Роликовые конвейеры линии набираются из отдельных унифицированных приводных и неприводных секций длиною 4,5 и 6 м. На неприводных секциях перемещение осуществляется реечным механизмом от пневмопривода. Длина линии зависит от времени охлаждения отливки в форме и размера минимальных межоперационных заделов. Оптимальная длина линии должна быть не менее 62...65 м. При меньшей длине связь между механизмами и агрегатами становится жесткой, без межоперационных заделов.
Технологический цикл изготовления отливок на линии ИЛ225 включает следующие операции: раздельную формовку нижней и верхней полуформ, поворот нижней полуформы на 180°, срезание излишков смеси с контрлада нижней полуформы, простановку в нижнюю полуформу стержней, двукратную кантовку верхней полуформы, сборку формы, укладку формы на подопечную плиту, прижим собранной формы перед заливкой, заливку формы металлом, охлаждение отливки в форме, снятие формы с подопочной плиты, выдавливание кома из опоки, выбивку отливок, распаровку опок после выбивки формы, очистку опок от остатков формовочной смеси и подачу их к формовочным агрегатам.
Техническая характеристика линии ИЛ225
размер опоки, мм: в свету...................... 900x600
высота.................... 125,150,175,
200, 250
габариты в плане............. 1120 х 800
производительность цикловая, форм/ч....................... 240
наибольшая сила прессования, кН........................... 2350
давление прессования, МПа (кгс/см2)....................... до 4 (40)
наибольшая металлоемкость
формы, кг.......................... 70
время охлаждения отливки в форме, мин........................ 30...90
расход сжатого воздуха, м3/мин.. 110
установленная мощность, кВт ... 115
габаритные размеры, мм....... 65200 х 9300 х
х6850
общая масса линии, т............ 220
АФЛ второго поколения модели Л450А (рис. 5.3.3) предназначена для крупносерийного и массового производства отливок в разовых песчано-глинистых формах в сталелитейных и чугунолитейных цехах. Трехпозиционные челночные формовочные установки обеспечивают уплотнение смеси следующими способами: встряхиванием с последующим прессованием, встряхиванием с одновременным прессованием, предварительным встряхиванием с последующим одновременным встряхиванием и прессованием и только прессованием. Прессование осуществляется многоплунжерной дифференциальной головкой. Для формовки применяется единая формовочная смесь.
Техническая характеристика линии Л450А
размер опоки в свету, мм......... 1100x750
высота опок, мм..................... 300
производительность цикловая, форм/ч.............................. 240
средняя масса отливки, кг........ 50
сила прессования, кН............... 1250
давление прессования, МПа 1,5 (15)
(кгс/см2)........................
расход формовочной смеси, м3/ч... 200
расход сжатого воздуха, м3/ч..... 0,5
рабочее давление в гидросистеме, 5...5,5
МПа (кгс/см2).................. (50...55)
расход охлаждающей воды, м3/ч.... 12
установленная мощность, кВт...... 450
шаг пульсирующего конвейера, мм.. 1575 габаритные размеры линии, м...... 105х16,8х
х6,3
масса поставляемого комплекта оборудования, т.................. 710
Технологический цикл изготовления отливок на линии включает следующие операции: распаровку комплекта пустых опок после выбивки, раздельную формовку нижней и верхней полуформ, срезание излишков формовочной смеси с контрлада нижней полуформы, поворот полуформ на 180° и механизированную простановку стержней, накалывание вентиляционных каналов в верхней полуформе и
Рис. 533. Автоматическая формовочная линия модели Л450А (КВ301):
1 и 2 - формовочные автоматы 3019; 3 - распаровщик; 4 - центральный пульт управления;
5 - каретка силовых гидроцилиндров литейного конвейера; 6- рольганг;
7 - устройство передачи верхних опок к формовочному автомату; 8 - устройство для замены модельных комплектов;
9 - брикеты на конвейере охлаждения; 10 - охладительный тоннель; 11 - участок заливки; 12 - укладчик грузов;
13 - механизм накалывания вентиляционных каналов; 14 - кантователь верхних полуформ; 15 - сборщик форм;
16 - стержнеукладчик; 17- устройство передачи нижних полуформ на конвейер; 18 - устройство для срезания излишков смеси;
19 - тележка конвейера; 20 - устройство для очистки тележек; 21 - устройство для передачи залитых форм на выбивку;
22 - охладительный конвейер; 23 - тоннель интенсивного охлаждения; 24 - толкатель брикета на выбивку;
25 - выбивная решетка; 26 - толкатель брикета на конвейер охлаждения; 27- установка выдавливания формы из опоки;
28- устройство передачи комплекта пустых опок; 29- пульсирующий конвейер; 30- кантователь нижних полуформ
АВТОМАТИЧЕСКИЕ ЛИНИИ ОПОЧНОЙ ФОРМОВКИ 895
896
Глава 5.3. АВТОМАТИЧЕСКИЕ ФОРМОВОЧНЫЕ ЛИНИИ
продувку литниковой чаши, обратный поворот верхней полуформы на 180°, сборку формы и ее нагружение перед заливкой, заливку формы, выдавливание кома смеси с отливкой из опок, интенсивное охлаждение кома смеси с отливкой, очистку опок и тележек конвейера от остатков формовочной смеси, разрушение кома на выбивной решетке и отделение отливки.
Режим работы линии - наладочный и автоматический. Дистанционное управление производится с центрального и вспомогательных пультов, расположенных у отдельных агрегатов.
На рис. 5.3.4 представлена гибкая автоматическая импульсно-прессовая формовочная линия третьего поколения, разработанная ЗАО Литоформ (НИИТАвтопром). Линия предназначена для изготовления отливок из чугуна и стали в условиях серийного, крупносерийного и массового производств.
Изготовление нижней и верхней полуформ осуществляется на четырехпозиционной установке карусельного типа воздушным импульсом сетевого давления (0,4...0,6 МПа) с последующим нижним прессованием. На позиции / устанавливается опока, которая заполняется дозирующим устройством формовочной смесью по двум режимам. На позиции II смесь уплотняется воздушным импульсом с последующем нижним прессованием. На позиции III происходит вытяжка модели и передача полуформы на сборочный конвейер. На позиции IV осуществляется обдув модельной плиты воздухом и нанесение разделительной смазки. На карусели формовочной установки устанавливаются два комплекта модельной оснастки. Предусмотрена автоматическая смена модельной оснастки без остановки работы формовочного агрегата.
Заливка форм и охлаждение отливок осуществляется на тележках-поддонах, которые приводятся в движение гидравлическими толкателями на один шаг. Загрузка форм перед заливкой осуществляется грузом посредством манипулятора. Охлаждение отливок в форме осуществляется на отдельных параллельных ветвях на тележках-поддонах. Выбивка форм осуществляется путем выдавливания кома с отливкой и последующего отделения отливки на вибрационной решетке.
Линия оснащена электронной системой управления, системой диагностики технологического процесса и работы отдельных узлов оборудования и системой установления индивидуального технологического режима.
Техническая характеристика линии ЗАО "Литоформ"
размер опоки в свету, мм........ 800x600 и
1100x900
высота опок, мм................. 200/200 и
350/350
производительность цикловая, форм/ч.......................... 180
время простановки стержней, с... 42
время заливки формы металлом, с ... до 22 время охлаждения отливки, с..... 1800
габаритные размеры линии, м.....60х 10x8,3
На рис. 5.3.5 представлена типовая линия фирмы Heinrich Wagner Sinto, изготовление форм на которой производится воздушным потоком с последующим верхним прессованием (способ Seiatsu). Техническая характеристика линии зависит от применяемого формовочного агрегата. Фирма предлагает восемь типов формовочных машин.
1. Формовочная машина HSP - с двухпозиционным поворотным столом для изготовления верхней и нижней полуформ на одной машине, имеющая плоскую прессовую плиту или мембрану. Наполнение формовочной смесью опоки происходит с помощью ленточного транспортера. Транспортировка опок происходит вручную по рольгангу. Машины выпускаются под размеры опок в свету от 500 х 400 до 1000 х 800 мм, и соответственно цикловая производительность изменяется от 40 до 15 форм/ч.
2. Формовочная машина HSP-D отличается от HSP применением дозатора для подачи формовочной смеси в опоку и автоматической транспортировкой опок по рольгангу гидравлическим приводом. Машина выпускается под размер опок от 500 х 400 до 1250 х 1000 мм, и соответственно цикловая производительность изменяется от 70 до 20 форм/ч.
3. Формовочная машина DAFM-S с рольгангом для замены модельной оснастки для поочередного изготовления верхней и нижней полуформ имеет плоскую или многоплунжерную прессовую головку. Заполнение опок осуществляется ленточным транспортером из бункера дозатора. Транспортировка опок осуществляется автоматически на рольганге гидравлическим приводом. Размеры опок от 1000 х 800 до 2500 х 2000 мм при производительности цикловой от 50 до 10 форм/ч соответственно.
\о I оо so
Рис. 53.4. Автоматическая линия импульсно-прессовой формовки:
1 - заливочная установка; 2 - участок заливки; 3 - участок охлаждения; 4 - перестановщик груза;
5 - устройство для передачи залитых форм на выбивку; 6 - участок простановки стержней; 7 - устройство для смены модельных плит; 5 - формовочный четырехпозиционный автомат; 9-транспортер подачи облицовочной смеси
Рис. 533. Автоматическая линия воздушно-прессовой формовки способом Seiatsu
АВТОМАТИЧЕСКИЕ ЛИНИИ ОПОЧНОЙ ФОРМОВКИ
898
Глава 5.3. АВТОМАТИЧЕСКИЕ ФОРМОВОЧНЫЕ ЛИНИИ
4. Формовочная машина DAFM-SD отличается от предыдущей наличием двухпозиционного поворотного стола для изготовления верхней и нижней полуформ, что значительно увеличивает ее производительность. Машина выпускается с размером опок в свету от 500 х 400 до 1250 х 1000 мм и соответственно с цикловой производительностью от 100 до 50 форм/ч.
5. Формовочный автомат EFA-S с рольгангом и челночным механизмом для замены модельных плит и поочередного изготовления верхней и нижней полуформ многоплунжерной головкой. Наполнение опоки формовочной смесью происходит внутри машины через бункер-дозатор. Транспортировка опок осуществляется автоматически на рольганге от гидравлического привода. Размер опок в свету от 1000 х 800 до 2500 х 2000 мм. Цикловая производительность от 60 до 20 форм/ч соответственно.
6. Формовочный автомат EFA-SD отличается от предыдущего наличием двухпозиционного поворотного стола для изготовления верхней и нижней полуформ. Размеры опоки в свету от 500 х 400 до 1600 х 1250 мм, при этом цикловая производительность составляет от 140 до 80 форм/ ч соответственно.
7. Формовочный автомат ZFA-S представляет собой сдвоенный автомат EFA-S, что позволяет одновременно изготавливать верхнюю и нижнюю полуформы. Размеры опок в свету от 500x400 мм до 1250 х 1000 мм, и соответственно производительность автомата составляет от 250 до 160 форм/ч.
8. Формовочный автомат ZFA-SD является сдвоенным автоматом EFA-SD с теми же характеристиками, что и формовочный автомат ZFA-S.
Технические характеристики автоматических формовочных линий некоторых зарубежных производителей представлены в табл. 5.3.3.
Технические характеристики автоматических опочных формовочных линий, выпускаемых отечественными производителями, приведены в табл. 5.3.4.
На рис. 5.3.6 представлена планировка автоматического формовочного модуля АМ20320 (ОАО •’ВНИИЛИТМАШ”), предназначенного для изготовления отливок из чугуна, стали и цветных сплавов широкой номенклатуры в серийном и крупносерийном производствах. Модуль представляет собой законченный технологический комплекс, обеспечивающий полную автоматизацию операций засыпки смеси в опоку, формовки, транспортировки опок и полуформ, сборки форм и распаровки опок. Модуль может работать как с периодическим, так и с непрерывным конвейером, а также при рольганговой системе транспорта. Основные узлы модуля: формовочный автомат, участок сборки и выдачи готовых форм, участок подачи пустых опок, электро- и пневмооборудование. Способ уплотнения форм - пескодувно-прессовый с одновременным виброударным воздействием. Конструкция формовочного автомата позволяет реализовать по требованию заказчика другие методы уплотнения, в том числе встряхивание с прессованием, импульсный и широкозахватной пескометной формовкой. Смена модельной оснастки с помощью средств механизации производится в течение 3...5 мин. В табл. 5.3.5 представлены технические характеристики формовочных модулей, выпускаемых отечественными и зарубежными фирмами.
5.33. Автоматические формовочные линии зарубежных производителей
Наименование, модель Габариты опоки в свету, мм Высота опоки, мм Производительность, форм/ч Максимальная масса отливки, кг Страна-изготовитель, фирма
SP0-1100/750 1100x750 300 140 100 CE-Cast, США
SPQ-900/700 900x700 300 160 60
SPQ-800/700 800x700 250 180 40
Автоматическая линия на базе трехпозиционного встряхи-вающе-прессового автомата 1100x750 300 240 140 Kiinrel-Wagner, ФРГ
Автоматические линии моделей 205-245, на базе воздушноимпульсных формовочных машин "Ароматик" от 600x500 до 2000x1600 от 220 до 500 от 40 до 160 до 200 DISA-BVD, ФРГ
5.3.4. Линии опочные формовочные
Наименование линии Модель Размер опоки в свету, мм Высота опоки, мм Цикловая производительность, форм/ч Мощность, кВт Масса, т Завод-изготовитель, проектная организация
Автоматические линии формовки на базе трехпозиционных челночных встряхивающих прессовых формовочных автоматов с комбинированным уплотнением (массовое и крупносерийное производство отливок из чугуна и стали)
Линия для изготовления отливок массой до 120 кг Л450 1000x800 300 180 450 600 СКБ '’Тяжлитмаш", завод "Сиблитмаш"
То же, до 250 кг Л451 1250x1000 350 150 700 800
То же, до 1000 кг Л453 1600x1200 400 120 900 1100
Линия на базе двух проходных формовочных автоматов для отливок массой до 120 кг Л7501 1100x750 300 240 735 1100 НИИТАвтопром. Завод "Сиблитмаш"
Линия на базе четырехпозиционных карусельных встряхивающе-прессовых автоматов с комбинированным уплотнением для отливок массой до 75 кг Л22843 800x700 300 100 142 265 ВНИИЛитмаш, завод Литмаш, Ивано-Франковск
Линия на базе двух встряхивающе-прессовых автоматов для отливок массой до 50 кг Л2301 700x650 250/200 300 55 210 ГАЗ, г. Н.Новгород ПО КП и ЛАЛ, г. Пинск
Автоматические линии формовки на базе многопозиционных встряхивающее-прессовых формовочных установок с комбинированным уплотнением и "плавающей" оснасткой для мелкосерийного и единичного производства
Линия для изготовления отливок массой до 120 кг Л650 1000x800 300 120 600 800 Завод "Сиблитмаш"
То же, до 200 кг Л651 1250x1000 400 60 700 900
То же, до 700 кг Л653 1600x1250 500 40 800 1000
АВТОМАТИЧЕСКИЕ ЛИНИИ ОПОЧНОЙ ФОРМОВКИ 899
Рис. 53.6. Автоматический формовочный модуль модели AM с двумя базовыми формовочными машинами:
1 - система транспорта; 2 - базовая формовочная машина модели 203Н20; 3 - механизм распаровки опок;
4 - механизм сталкивания пустых опок; 5 - механизм подачи пустых опок; 6 - базовая формовочная машина модели 203Н20;
7 - механизм выдачи готовых форм; 5- механизм сборки форм
Глава 5.3. АВТОМАТИЧЕСКИЕ ФОРМОВОЧНЫЕ ЛИНИИ
АВТОМАТИЧЕСКИЕ ЛИНИИ ОПОЧНОЙ ФОРМОВКИ
901
5.3.5. Техническая характеристика формовочных модулей
Модель Габарит опоки в свету, мм Высота опоки, мм Производительность, форм/ч Масса отливки, кг Габаритные размеры линии, мм Масса модуля, кг
AM 22853 800x700 300 100 до 75 23 340x8800x4360 82 500
СМ203Н10 630x500 175 75 до 20 7100x6290x3835 36 000
AM 20320 900x600 300 150 до 40 16 260x10 550x4795 110 000
Модуль широкозахватной пескометной формовки ЛП100* 780x700 120 100 30 6650x5650x3800 25 600
Модуль импульсной формовки Л23813* 800x700 200...400 128 — 17 440x7320x4445 48 800
Тоже, модели Л23815* 1000x800 200...400 123 — 17 440x7320x4445 50 500
Примечание. * Модули формовочные изготавливает завод литейных машин, г. Павлоград (Украина).
Рис. 5.3.7. Планировка комплексно-механизированной линии ИФЛ72С:
1 - перестановщик опок; 2 - вибростол; 3 - механизм срезания излишков смеси; 4 - поворотно-вытяжная машина; 5 - сборщик форм; 6 - стол передаточный; 7 - механизм очистки подопечных плит;
8 - роликовая пригрузка; 9 - стол подъемный; 10- выдавливатель кома; 11 - выбивная установка. Участки линии: I - формовка; II - простановка стержней; III - сборка формы; IV - заливка; V - выбивка
На рис. 5.3.7 представлена планировка комплексно-механизированной линии типа ИФЛ70С, предназначенная для изготовления отливок из чугуна, стали и цветных металлов в формах из самотвердеющих смесей в условиях единичного и мелкосерийного производства.
Линия комплектуется на базе унифицированных агрегатов и роликовых конвейеров. В линию могут быть включены формообразующие агрегаты и установки, в которых используются холодно-твердеющие смеси (ХТС), жидкие самотвердеющие смеси (ЖСС) и другие само-
902
Глава 5.3. АВТОМАТИЧЕСКИЕ ФОРМОВОЧНЫЕ ЛИНИИ
твердеющие смеси. В состав линии входят агрегаты: вибростолы, кантователи, механизмы срезки излишков формовочной смеси, поворотно-вытяжные машины, перестановщики опок, выбивные устройства и др. В табл. 5.3.6 представлены технические характеристики линий серии ИФЛ.
Механизированные линии серии ЛФ предназначены для изготовления крупных отливок из чугуна и стали в условиях мелкосерийного и единичного производств. Линии созданы на базе унифицированных роликовых конвейеров и формовочных установок с использованием пескометов и установок ХТС и
ЖСС. Технологический цикл состоит из следующих операций: приготовление самотвер-деющей формовочной смеси, установка модельных плит и спаривание их с опоками, заполнение ХТС и твердение смеси, срезание излишков смеси, поворот полуформ и вытяжка моделей, сборка формы. В табл. 5.3.7 представлены технические характеристики линий серии ЛФ.
На рис. 5.3.8 представлена автоматическая линия АЛ1012М стопочной формовки из песчано-глинистой смеси, предназначенная для изготовления мелких стержневых и безстержневых отливок в вертикальных стопочных формах.
5.3.6. Техническая характеристика механизированных линий серии ИФЛ
Параметры линии Модель
ИФЛ70С ИФЛ71С ИФЛ72С ИФЛ73С
Размер опоки в свету, мм 1000x800 1200x1000 1400x1000 1600x1200
Высота опоки, мм 350 400 400 500
Цикловая производительность, форм/ч 25 15 20 10
Грузоподъемность вибростола, кг 1500 - 2500 -
Развес отливок, кг 1,5...200 10...350 10...500 10...1000
Установленная мощность, кВт 665 400 760
Габаритные размеры линии в плане, м 44x14,1 137,5x13,2 64,8x17,1 137,5x13,2
Примечание. Линии серии ИФЛ поставляются Ивано-Франковским заводом литейных машин (Украина).
5.3.7. Техническая характеристика линий серии ЛФ
Параметры Модель
ЛФ665С ЛФ665 ЛФ666 ЛФ665Р
Размер опоки в свету, мм 1800x1400 2250x1600 2500x2000 2500x2000
Высота опоки, мм 250...600 300...600 700 400...700
Цикловая производительность, форм/ч 6 10 2 6
Скорость перемещения форм по роликовому конвейеру, м/мин 14,8 8,15
Габаритные размеры линии в плане, м 52,2x23,7 41,6x15,5 80,2x15,7 121,4x50,1
Масса линии, т 306 156 410 1050
Рис. 53.8. Планировка комплексной автоматической линии АЛ1012М
АВТОМАТИЧЕСКИЕ ЛИНИИ ОПОЧНОЙ ФОРМОВКИ 903
904
Глава 5.4. АВТОМАТИЗАЦИЯ ЛИТЬЯ В МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ФОРМЫ
Техническая характеристика линии АЛ1012М
размер опоки в свету, мм..... 500x400
высота опоки, мм............... 40... 100
наибольшая высота стопки, мм 800 производительность цикловая, форм/ч....................... 600
давление прессования, МПа (кгс/см2)...................... 1,5(15)
наибольшая металлоемкость формы, кг........................ 15
установленная мощность, кВт .... 140
габаритные размеры линии, мм .. 28 130х5570х х4670
масса линии, т............... 72,8
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Сафронов В.Я. Справочник по литейному оборудованию. М.: Машиностроение, 1985. С. 7-55.
2. Матвеенко И.В., Исагулов А.З., Дайкер А.А. Динамические и импульсные процессы и машины для уплотнения литейных форм. Алматы: Гылым, 1998. 345 с.
3. Аксенов П.Н. Оборудование литейных цехов. М.: Машиностроение, 1977.
4. Типаж технологического оборудования для литейного производства на 1986 -1990 гг. М.: ВНИИТЕМП, 1985.
Глава 5.4
АВТОМАТИЗАЦИЯ ЛИТЬЯ В МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ФОРМЫ
5.4.1. ТЕХНИЧЕСКИЕ ЗАДАЧИ АВТОМАТИЗАЦИИ
Комплексная автоматизация литья в металлические формы включает:
автоматизацию цикла работы машины;
автоматизацию управления технологическим процессом;
автоматизацию контроля качества и сортировки отливок;
автоматизированную смену оснастки; автоматизацию диагностики;
автоматизацию ввода и вывода информации (например, на внешнее печатающее устройство) и обеспечение визуального контроля информации о работе системы;
автоматизацию сбора, накопления, обработки и обмена информацией с информационной системой подразделения.
Автоматизация обусловливает изменения и дополнения в конструкции самой машины и необходимость ее комплектации внешними устройствами, агрегатами и машинами.
Достаточно полно и успешно эти задачи решены для машин литья под давлением, причем наиболее просто для машин с горячей камерой прессования, так как заполнение камеры прессования жидким металлом уже заложено в этой разновидности процесса. Многие решения, найденные при автоматизации изготовления отливок на машинах ЛПД, или уже используются или могут использоваться на машинах других типов (способов литья). Поэтому достаточно полно рассмотрим вопросы автоматизации литья под давлением, а для других способов ограничимся лишь характерными особенностями, присущими каждому из них.
5.4.2. АВТОМАТИЗАЦИЯ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ
Автоматизация цикла работы машины. Машины литья под давлением (см. рис. 4.4.4, гл. 4.4) имеют механизмы, обеспечивающие сборку и разборку пресс-формы, заполнение полости формы металлом в выбранном режиме, затвердевание отливки под давлением и выталкивание отливки из формы.
Однако для изготовления отливок в автоматическом или полуавтоматическом режимах необходимо выполнение рада дополнительных технологических операций, т.е. оснащение машины дополнительными агрегатами и устройствами.
Заливка металла в камеру прессования. Машины с холодной камерой прессования комплектуются раздаточными печами (тигельными или ванными) и заливочно-дозирующими устройствами. В качестве последних большинство фирм используют автоматические манипуляторы 2 с заливочным ковшом 3 (рис. 5.4.1). Такие манипуляторы иногда монтируют на передней неподвижной плите машины.
В отечественной практике при изготовлении относительно крупных отливок имеется успешный опыт применения для этой цели пневматических дозаторов и МДН-насосов [11]. Некоторые фирмы ведут работы по использованию пневматических дозаторов с дозированием жидкого металла по объему закрытой камеры прессования.
АВТОМАТИЗАЦИЯ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ
905
Рис. 5.4.1. Автоматический заливочно-дозирующий манипулятор (фирма Buhler, Швейцария):
1 - машина литья под давлением; 2 - манипулятор; 3 - заливочный ковш; 4 - раздаточная печь
Смазка пресс-формы и камеры прессования обычно выполняется методом распыления [4]. Форсунки монтируются на специальной плите (корпусе), образуя распылительную головку 4, которая манипулятором 3 вводится в рабочую зону раскрытой пресс-формы 2 (рис. 5.4.2). В одной головке может быть предусмотрено несколько контуров распыления смазки и обдува сжатым воздухом.
Типы форсунок, режимы их работы и траектория движения головки выбираются в соответствии с конфигурацией рабочей полости пресс-формы.
Смазка камеры прессования может проводиться через заливочное окно отдельной стационарной форсункой.
МГТУ им. Н. Э. Баумана разработана и успешно внедрена на ряде заводов для некоторых отливок система смазки закрытой пресс-формы (рис. 5.4.3). В исходном варианте [2]
Рис. 5.4.2. Манипулятор смазки пресс-формы (фирма Buhler, Швейцария):
I - машина литья под давлением; 2 - пресс-форма; 3 - манипулятор; 4 - распылительная головка
Рис. 5.43. Схема смазки закрытой пресс-формы (МГТУ им. Н.Э. Баумана):
I - пресс-форма; 2 - клапан вентиляционной системы; 3 - бак для смазки; 4,6- редукционные клапаны;
5 - распределитель; 7 - форсунка; 8 - камера прессования
906
Глава 5.4. АВТОМАТИЗАЦИЯ ЛИТЬЯ В МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ФОРМЫ
смазка распыляется форсункой 7 (клапанного типа) в полости камеры прессования 8 над зеркалом жидкого металла после перекрытия заливочного окна прессовым поршнем. Попадающая на зеркало металла смазка испаряется (возгоняется). Распыленная и испарившаяся смазка потоком воздуха через литниковую систему уносится в полость пресс-формы У, где осаждается и конденсируется на ее рабочих стенках.
Для улучшения условий переноса смазки в полость формы и удаления газов вентиляционную систему формы выполняют увеличенного сечения. На время подпрессовки ее выходной канал закрывается специальным клапанным устройством 2.
Необходимые для работы форсунки давления смазки (в емкости 3) и сжатого воздуха устанавливаются редукционными клапанами 4 и 6. Дозирование смазки осуществляется по времени работы форсунки, управляемой распределителем 5.
Система смазки работает без изменения цикла и режима работы прессового механизма машины, обеспечивая резкое улучшение экологической обстановки, снижение расхода смазочного материала и повышение производительности машины (из ее цикла работы исключается технологическое время смазки пресс-формы).
Удаление отливок. Из рабочей зоны машины отливка удаляется автоматическим манипулятором или роботом. При открытой пресс-форме манипулятор вводит схват в пространство между половинами пресс-формы и захватывает пресс-остаток. Синфазным движением плиты толкателей (механизмом машины) и схвата (манипулятором) отливка извлекается из подвижной половины пресс-формы. Манипулятор выносит ее за пределы машины и передает на дальнейшую обработку с необходимой пространственной ориентацией. В некоторых машинах положение подвижной плиты при извлечении отливки из раскрытой пресс-формы жестко фиксируется механическим замком (фирма Italpresse, Италия). На тот же манипулятор часто возлагаются функции простановки вставок в пресс-форму при изготовлении армированных отливок.
Предусматривается также свободное падение отливок в тару или на транспортер, удаляющий их из рабочей зоны. В станине машины для этого выполняется специальное окно или склиз. Однако потеря ориентации отливки
вызывает затруднения с автоматизацией последующей их обработки.
Регулирование температуры пресс-формы на современных машинах выполняется с помощью специальных регуляторов, имеющих до шести контуров терморегулирования (рис. 5.4.4). Регулятор может работать в режимах охлаждения или нагрева. Режим нагрева используют в начале работы и для локального подогрева отдельных областей пресс-формы, в которых формируются особо тонкие стенки отливок.
В качестве рабочей жидкости (теплоносителя) в регуляторе используют синтетические масла, допускающие температуру нагрева более 300 °C.
В режиме нагрева пресс-формы при включении насоса 4 рабочая жидкость циркулирует в контуре нагрева, проходя через нагреватель 3 и каналы системы терморегулирования пресс-формы 1.
Температура пресс-формы, необходимая в нормальном режиме изготовления отливок, обычно обеспечивается термостатированием рабочей жидкости в терморегуляторе, работающем в режиме охлаждения. При включенном насосе 5 она циркулирует в контуре охлаждения, проходя через термостат-охладитель 2 и элемент "ИЛИ" 6, минуя нагреватель 3. Клапанный распределитель 9 управляет подачей охлаждающей воды к теплообменнику термостата. Необходимые температуры контролируются датчиками 7, а минимальный уровень масла в термостате - датчиком 8.
Рис. 5.4.4. Схема одного контура системы терморегулирования пресс-формы (фирма Italpresse, Италия):
/ - пресс-форма; 2 - термостат; 3 - нагреватель; 4 - насос контура нагрева; 5 - насос контура охлаждения; 6 - элемент "ИЛИ" (гидравлический); 7 - датчики температуры; 8 - датчик уровня масла; 9 - распределитель
АВТОМАТИЗАЦИЯ ЛИТЬЯ ПОД ДАВЛЕНИЕМ
907
При полной автоматизации температура теплоносителя может корректироваться по результатам измерения температуры пресс-формы.
Для прессового поршня используется только режим охлаждения.
Оснащение машины. Для стабильной работы механизмов машины стабилизируется температура рабочей жидкости в ее гидросистеме. Электрические нагреватели и теплообменники водяного охлаждения монтируются в гидробаке (станине) машины и омываются рабочей жидкостью за счет ее движения при работе механизмов машины и естественных конвективных потоков.
Для надежной работы в автоматическом режиме машина оборудуется системой автоматической централизованной смазки направляющих и шарниров рычажного запирающего механизма.
При автоматизации машин литья под давлением реализуется принцип: измерять -регулировать - управлять, причем стремятся к тотальному (сплошному) контролю, для чего машина оснащается различными датчиками, в том числе специальными для измерения параметров работы механизмов машины.
Запирающий механизм машины оснащается датчиками усилия запирания пресс-формы (индуктивными или тензометрическими датчиками деформации колонн) и датчиками положения подвижной плиты машины (до шести переставляемых бесконтактных и контактных конечных выключателей). Усилие перемещения подвижной плиты машины контролируется по давлению в гидросистеме.
Для контроля скорости и перемещения прессового поршня машина оснащается специальным датчиком перемещения, позволяющим выбирать до 16 точек по ходу поршня для начала и окончания фаз работы прессового механизма. Усилия контролируются по давлению. Эти датчики для измерения параметров работы прессового механизма должны быть "безынерционными", т.е. иметь максимально возможную собственную частоту. Крайние положения элементов механизма контролируются конечными выключателями. Момент начала заполнения формы фиксируется термопарой, устанавливаемой в районе питателей.
В механизмах выталкивания контролируются крайние положения (конечные выключатели) и усилие выталкивания отливки (давление в гидросистеме).
Система управления машины строится на базе микропроцессорной техники - коман-
доконтроллера. Машина комплектуется дисплеем с клавиатурой в защищенном исполнении и кнопочным пультом управления.
Основные функции командоконтроллера: прием информации от датчиков, логическая обработка сигналов и выдача команд исполнительным органам, т.е. управление циклом работы машины.
Вычислительное устройство командоконтроллера обрабатывает информацию с датчиков и клавиатуры дисплея. Результаты обработки используются для управления циклом работы машины. На дисплей выводится вся необходимая информация о работе машины. Как правило, предусматривается несколько страниц, посвященных отдельным механизмам или различным вопросам.
Кнопочный пульт управления используется для переключения режимов работы и управления механизмами в наладочном режиме.
В таком оснащении и комплектации машина может работать в автоматическом режиме, и большинство фирм предлагают ее как базовый вариант машины. Однако необходимые регулировки выполняются оператором в наладочном режиме.
Полная автоматизация процесса изготовления отливок. При полной автоматизации (автоматизации на более высоком уровне) решается ряд дополнительных задач:
Завершение автоматизации управления технологическим процессом - автоматизация ввода заданных параметров работы механизмов машины и полей их допусков и поддержание необходимого силового и скоростного режимов работы механизмов машины. Для этого гидравлические регуляторы с ручным управлением заменяются на быстродействующие пропорциональные клапаны с электрическим управлением (например, фирмы Parker), а в систему управления вводится дополнительное устройство обработки информации - компьютер типа обычного персонального, на который возлагаются и другие функции информационного обеспечения работы машины. Например, на дисплей системы управления машины выводится "осциллограмма" работы прессового механизма машины для каждого цикла работы с возможностью вывода численных значений параметров для любого момента времени.
С помощью быстродействующих пропорциональных клапанов с большими проходными сечениями иногда реализуется также гидравлическое торможение прессового механизма
908
Глава 5.4. АВТОМАТИЗАЦИЯ ЛИТЬЯ В МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ФОРМЫ
крупных машин (фирма Italpresse, Италия) при окончании заполнения пресс-формы. С целью распределения возникающих нагрузок клапаны монтируются на входе и выходе основного цилиндра прессового механизма машины.
Завершение технологического цикла изготовления отливки обусловливает дополнительное оснащение и комплектацию машины (рис. 5.4.5).
Дополнительное охлаждение отливок вне машины. Известны три решения: на охладительном транспортере, "замачиванием” в ванне с водой и "душированием” в специальной камере. На стенках камеры размещаются форсунки для подачи воды и воздуха, в нижней части камеры - ванна для стекающей воды, в верхней - отсос паров воды и воздуха.
Режим охлаждения подбирается подачей воды и воздуха через соответствующие форсунки. На заключительной стадии отливка обдувается воздухом. Отливка вводится в камеру охлаждения манипулятором, удаляющим ее из машины.
Отделение литниковой системы. После охлаждения тот же манипулятор подает отливку на специальный пресс для обрезки литниковой системы. Готовые отливки и литниковые системы направляются по своим потокам (или в тару).
Контроль качества и сортировка отливок. По результатам измерений параметров работы машины в каждом цикле проводится
предварительная сортировка отливок на годные и условный брак. Эта сортировка может проводиться сразу после извлечения отливки из пресс-формы. Дополнительно может вводиться контроль "сплошности" отливки "по штырям" или методом просвечивания и взвешивание на электронных весах (после отрезки литниковой системы).
Автоматизированная смена пресс-форм вводится для сокращения потерь времени на переналадку. Для этого одна или обе верхние колонны машины выполняются выдвижными.
На машине предусматриваются механизмы закрепления и раскрепления колонн с разъемными гайками и зажимы колонн на подвижной плите. Необходимые перемещения колонн осуществляются запирающим механизмом. Плиты машины и пресс-формы оборудуются механическими и гидравлическими стыковочными узлами. Для подачи и удаления пресс-форм машина может быть оборудована специальным транспортным устройством.
Система автоматической диагностики. На основе контроля параметров работы механизмов и агрегатов и специальной обработки информации проводится диагностика машины. Может определяться, например, "расшатывание" электрических контактов. Результаты диагностики выводятся также на дисплей системы управления машины.
5.4.5. Автоматизированный комплекс литья под давлением (фирма Weingarten, Германия):
I - машина литья под давлением с холодной камерой прессования; 2 - манипулятор смазки пресс-формы;
3 - заливочный манипулятор; 4 - раздаточная печь; 5 - манипулятор для съема и удаления отливок;
6 - ванна для охлаждения отливок; 7- передвижной стол обрезного пресса; 8 - обрезной пресс;
9 - промежуточный контейнер для отливок; 10 - транспортер отходов; 11 - контейнер для отходов;
12 - стол контроля; 13 - контейнер для готовых отливок
АВТОМАТИЗАЦИЯ ЛИТЬЯ В КОКИЛЬ
909
Рис. 5.4.6. Структурная схема системы управления комплекса ЛПД (фирма Buhler, Швейцария)
При таком оснащении и комплектации возникает законченный комплекс автоматического или автоматизированного изготовления отливок литьем под давлением или производственный модуль (рис. 5.4.5). В литературе [9] он может иметь различные названия в зависимости от того, какую его сторону хотят подчеркнуть (технологическую гибкость, интегрирование на основе компьютерной техники, завершенность технологического цикла изготовления отливки и Т.Д.).
Система управления комплексом. Входящие в комплекс внешние (периферийные) устройства и машины имеют собственные системы управления (СУ). Для их объединения вводится компьютерный терминал обработки данных (терминал ОД) по работе этих внешних машин. Структура системы управления комплекса приобретает вид, показанный на рис. 5.4.6.
Кроме рассмотренных функций управления на главный компьютер комплекса возлагается накопление, обработка и хранение всей необходимой информации, выдача необходимых значений параметров для всех машин и устройств, выдача информации на внешнее печатающее устройство и обмен информацией с информационной системой подразделения.
На систему управления возлагаются также функции различного рода защиты и сигнализации при выходе за допустимые границы режимов работы комплекса.
5.4.3. АВТОМАТИЗАЦИЯ ЛИТЬЯ В КОКИЛЬ
Технологические особенности. Различия машин по способам литья обусловлено своеоб
разием процессов формирования отливки, т.е. технологического процесса и его операций.
Заливка кокильных форм автоматизируется такими же средствами (заливочными манипуляторами, пневматическими дозаторами или МДН - насосами), что и заливка металла в камеру прессования машины ЛПД. Однако требования к ним совершенно другие - обеспечение подачи жидкого металла в соответствии с расходной характеристикой формы.
Наибольшие трудности с автоматизацией заливки возникают на поворотных кокильных машинах (при расходной характеристике формы, изменяющейся в процессе заливки). Альтернативным решением может быть переход на литье под регулируемым низким давлением, уже реализованный фирмами KWC Engineering, Швейцария, и IMR, Италия, для литья мелких латунных сантехнических деталей.
Окрашивание кокильных форм осуществляется методом распыления кокильной краски или "замачиванием" металлических стержней и других элементов формы в ванне с кокильной краской.
Регулирование температуры кокиля. "Замачивание" связано с интенсивным охлаждением элементов кокиля и может быть основным способом регулирования температуры кокиля. В иных случаях регулирование температуры кокиля выполняется специальными терморегуляторами (см. рис. 5.4.4).
Простановка стержней в кокили и удаление отливок из них реализуется автоматическими манипуляторами.
Производственные комплексы (модули). Как и для машин литья под давлением, дополнительное оснащение кокильных машин и их комплектация внешними агрегатами и устройствами с целью автоматизированного изготовления отливок приводит к созданию производственных комплексов (модулей) кокильного литья.
Задачи и проблемы построения таких модулей и методы их решения аналогичны таковым при литье под давлением. Однако есть некоторые особенности, обусловленные технологическим процессом и широким разнообразием конструкций кокильных машин.
1. Выбивка песчаных стержней, термообработка отливок и, иногда, специальные методы отделения литниковой системы приводят к необходимости завершения технологического цикла изготовления отливок вне основного производственного модуля, т.е. на автоматических или автоматизированных линиях кокиль
910
Глава 5.4. АВТОМАТИЗАЦИЯ ЛИТЬЯ В МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ФОРМЫ
ного литья. Другими словами, производственные модули кокильного литья служат базовыми элементами автоматических или автоматизированных линий кокильного литья.
2. Широкая номенклатура кокильных машин позволяет создать производственные модули кокильного литья различного типа и назначения. На сегодня можно выделить три типа таких модулей.
Специализированные модули для массового производства сложных отливок строятся на базе многопозиционных, обычно карусельных, кокильных машин. Одна из первых линий с такими модулями для литья чугунных стоек тракторных плугов (разработана НИИСЛ, Одесса) многие годы успешно работала на Одесском заводе сельскохозяйственного машиностроения им. Октябрьской революции [8]. Модули укомплектованы двухпозиционными заливочными машинами и манипуляторами удаления отливок.
Специализированный модуль такого типа фирмы Daimler Benz (ФРГ) предназначен для изготовления головок блока цилиндров дизельного двигателя из алюминиевого сплава [15].
При непрерывном вращении карусели он имеет такт 30 с. Модуль укомплектован специальными регулятором температуры кокиля, заливочной установкой и манипуляторами простановки песчаных стержней, окраски кокилей и удаления отливок.
Пример компоновки одного из предлагаемых на рынке модулей такого типа приведен на рис. 5.4.7. Производственный модуль предназначен для изготовления головок блока цилиндров 4-цилиндрового дизельного двигателя из алюминиевого сплава. Такт работы 1 мин.
На смежном участке 8 собирается (склеивается) блок стержней, который цепным конвейером 9 подается к манипулятору 10 простановки стержней в кокили. На участке 3 проводится выбивка стержней и отделение литниковой системы.
Гибкие производственные модули на базе универсальных кокильных машин (рис. 5.4.8). Модули имеют линейную компоновку. Особенностью их построения является применение универсальных перепрограммируемых автоматических манипуляторов или роботов, используемых для обслуживания нескольких кокильных машин.
Рис. 5.4.7. Специализированный модуль кокильного литья со смежными участками (фирма ETFA, Франция):
1 - карусель; 2 - кокильная секция; 3 - участок финишной обработки отливок;
4 - конвейер для удаления литниковой системы; 5 - охладительный туннель; 6 - информационное световое табло; 7 - манипулятор съема и удаления отливок; 8 - участок сборки и склеивания стержней;
9 - трехуровневый цепной конвейер подачи готовых стержней; 10- манипулятор простановки стержней, 11 - раздаточная печь; 12 - заливочный манипулятор
АВТОМАТИЗАЦИЯ ЛИТЬЯ ПОД РЕГУЛИРУЕМЫМ НИЗКИМ ДАВЛЕНИЕМ
911
Рис. 5.4.8. Гибкий производственный модуль кокильного литья линейной компоновки (фирма MECANA, Швейцария):
I - раздаточная печь; 2 - заливочный манипулятор; 3 - манипулятор удаления отливки и простановки в кокиль вставок-фильтров для металла; 4 - кокильная машина; 5 - конвейер для отливок;
6 - агрегат удаления литниковой системы (отрезки прибылей)
В качестве фундаментального положения для создания таких модулей швейцарская фирма MECANA рекомендует включение в состав модуля минимум двух кокильных машин и манипуляторов заливки металла и удаления отливок. Модуль на рис. 5.4.8 фирма предлагает как оптимальный для серийного производства отливок неширокой номенклатуры, таких как алюминиевые поршни дизельного двигателя, диаметром около 110 мм, или небольших партий головок и блоков цилиндров тех же двигателей.
Кокильный комплекс для изготовления отливок автотракторных двигателей аналогичного типа модели 4973АК выпускает БелНИИлит (г. Минск) [10].
Роторные модули кокильного литья. В последние годы наметилась тенденция к созданию роторных модулей (часто их называют линиями) для массового производства относительно простых, в основном мелких отливок.
В принципе к роторным [1, 7] модулям следует отнести упоминавшийся выше модуль фирмы Daimler Benz. Однако обычно, когда речь идет о роторных машинах и линиях, предполагают наличие двух технологических роторов (заливки металла в кокили и отрезки литниковой системы) и одного объединяющего их транспортного ротора (см. аналогичный пример на рис. 5.4.12).
5.4.4. АВТОМАТИЗАЦИЯ ЛИТЬЯ ПОД РЕГУЛИРУЕМЫМ НИЗКИМ ДАВЛЕНИЕМ
В установках литья под регулируемым низким давлением автоматизирован процесс заполнения полости формы из металлораздатчика, яв
ляющийся одной из основных составных частей рабочего процесса самой установки. Другими словами, установки ЛНД являются автоматизированными. Их дополнительное оснащение внешними устройствами и машинами, как при литье в кокиль, приводит к созданию автоматизированных или автоматических производственных комплексов.
Например, автоматизированный комплекс КАШ БелНИИлит для получения поршней с неризистовой вставкой состоит из двух установок ЛНД, сушильного шкафа предварительной подготовки вставок, устройства для алитирования вставок и манипулятора их простановки в форму [10].
Комплексы на базе многопозиционных установок ЛНД. В многопозиционных, обычно карусельных установках ЛНД [3], разделение кокиля с металлопроводом происходит после затвердевания отливки и обычно реализуется опусканием металлораздатчика на 25...30 мм. Дальнейшее охлаждение отливки, ее извлечение из формы и сборка кокиля происходят на других позициях карусели, как на обычных кокильных машинах.
Фирмы K.WC Engineering, Швейцария, и IMR, Италия, предлагают четырехпозиционные установки для литья под низким давлением латунных сантехнических отливок оригинальной компоновки.
В такой установке фирмы K.WC Engineering (рис. 5.4.9) на портальной части 4 металлоконструкции 2 смонтирована траверса 5 с механизмами ее подъема и периодического поворота вокруг вертикальной оси на 90°. Траверса 5 несет одну или две кокильные секции, имеющие механизмы поворота кокиля и его половин в нескольких плоскостях.
912
Глава 5.4. АВТОМАТИЗАЦИЯ ЛИТЬЯ В МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ФОРМЫ
Рис. 5.4.9. Четырехпозиционная установка ЛНД (фирма KWC Engineering, Швейцария):
I - позиция заливки; II - позиция удаления отливки; III - позиция "замачивания" полуформ; IV - позиция простановки стержней; / - пульт управления;
2 - металлоконструкция; 3 - металлораздатчик;
4 - портальная часть металлоконструкции;
5 - траверса; 6 - бак с кокильной краской
На нижней части металлоконструкции 2 диаметрально противоположно по отношению к оси вращения траверсы 5 размещены металлораздатчик 3 и ванна с кокильной краской 6.
Индукционная печь металлораздачика имеет тиристорный преобразователь и используется как плавильная и как заливочная. Кокильная секция может нести один или два кокиля. В последнем случае металлораздатчик имеет два металлопровода. Ванна с кокильной краской оснащена системой терморегулирования.
Положение элементов кокиля на различных позициях установки показано на рис. 5.4.9. На позиции I выполняются операции:
- соединение собранной формы с метал-лораздатчиком - кокиль опускается и прижимается к металлопроводу;
- заливка - заполнение полости формы расплавом;
- затвердевание отливки;
- разъединение кокиля с металлораздат-чиком - подъем кокиля после затвердевания отливки;
па позиции II:
- разборка кокиля;
- выталкивание отливки из кокиля и ее удаление;
на позиции III:
- окрашивание и охлаждение кокиля методом "замачивания" - погружения кокиля рабочими поверхностями в ванну с кокильной краской;
на позиции IV:
- простановка стержней;
- сборка формы (закрывание кокиля).
Заливка форм производится при плавном нарастании давления в печи металлораздатчика, обеспечивая плавное безвихревое заполнение полости формы, что является одним из основных технологических требований при литье медных сплавов.
Неотъемлемой частью установки является защитное ограждение и микропроцессорная система управления с пультом управления, имеющим клавиатуру для ввода параметров.
Для каждого кокиля вводятся:
- время заливки;
- время затвердевания отливки;
- давление в печи металлораздатчика и закон его изменения;
- температура и время охлаждения кокиля;
- концентрация кокильной краски.
В рассмотренном здесь базовом варианте установки фирмы K.WC Engineering ручная простановка стержней, т.е. установка полуавтоматическая. Возможна автоматическая простановка стержней специальным манипулятором.
Для повышения уровня автоматизации фирма предлагает внешние комплектующие устройства и агрегаты:
- агрегат приема и удаления отливки -приемный стол, имеющий горизонтальное и вертикальное перемещение (для приема и выноса отливки за пределы машины) и поворот вокруг горизонтальной оси (для сброса отливки в тару или на конвейер);
- дробеструйный аппарат для очистки рабочих поверхностей кокиля, выполняемой один-два раза за час работы установки. Аппарат специально разработан для очистки нагретых кокилей непосредственно на установке и имеет систему удаления пыли (отходов);
- электрический подогреватель кокилей в начале работы;
- агрегат быстрой замены кокильных форм, обеспечивающий установку уже подогретых кокилей;
- автоматический блок загрузки печи слитками с конвейером и блоком памяти рас
АВТОМАТИЗАЦИЯ ЛИТЬЯ ВЫЖИМАНИЕМ
913
положения слитков на конвейере (до 40 мест) в различных сочетаниях;
- малый подъемный кран для монтажа металлораздатчика;
- интерфейс персонального компьютера для создания системы управления комплексом и интегрирования в информационную систему подразделения.
Для удаления отливок может использоваться автоматический манипулятор со схватами.
5.4.5. АВТОМАТИЗАЦИЯ ЛИТЬЯ ВЫЖИМАНИЕМ
Формирование конфигурации отливки (рабочей полости формы) является основной составной частью рабочего процесса машин литья выжиманием и может выполняться только как автоматизированный процесс.
Необходимый закон движения полуформ в первых машинах обеспечивался кинематикой механизмов их перемещения. В более совершенных машинах со следящим гидравлическим приводом он задавался кулачковыми механизмами управления. В современных машинах с гидравлическим приводом и микропроцессорным управлением эта задача решается программными средствами для каждой конкретной отливки.
Заливочное устройство подает расплав в металлоприемник, в качестве которого может использоваться и часть рабочей полости формы. В машинах для изготовления крупногабаритных отливок используются два заливочных устройства, подающих расплав в металлоприемник с помощью заливочных воронок через
боковые щеки. Требования точности и времени дозирования здесь менее жесткие, чем при литье под давлением. Непосредственное влияние этих факторов на формирование отливки здесь меньше.
По размерам металлические полуформы при литье выжиманием уникальны. Регулирование их температуры, а также температуры металлоприемника осуществляется с помощью электрических нагревателей, распределенных по площади полуформы.
Наиболее трудная проблема при изготовлении крупногабаритных тонкостенных (панельных) отливок - автоматизация простановки песчаных стержней и удаления отливок. Дополнительно осложняет ситуацию относительно малая серийность отливок.
Роторный комплекс лнтья выжиманием. Для массового производства мелких отливок из алюминиевых сплавов (посуды) СКБТЛ (г. Тирасполь) предлагает [5] роторный комплекс (линию) литья выжиманием, имеющий два технологических и два транспортных ротора (рис. 5.4.10).
Основной технологический ротор РП, названный авторами "ротором прессования" имеет восемь инструментальных блоков, в каждый из которых устанавливается двухэлементный кокиль с горизонтальной плоскостью разъема.
В зоне I ротора РП МДН-насос заливает дозу расплава в нижнюю половину открытого кокиля. В зоне II опускается верхняя половина кокиля, форма закрывается - идет процесс выжимания. Излишний металл вытесняется на свободную верхнюю поверхность нижней полуформы (перелив).
Рис. 5.4.10. Роторная линия литья выжиманием СКБТЛ (г. Тирасполь)
914
Глава 5.4. АВТОМАТИЗАЦИЯ ЛИТЬЯ В МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ФОРМЫ
В зоне III отливка затвердевает и охлаждается. В зоне IV продолжается охлаждение отливки "на воздухе" (в открытом кокиле). В зоне V отливка выталкивается из кокиля и передается на транспортный ротор ТР. Зона X отведена для восстановления покрытия формы.
Первый транспортный ротор ТР переносит отливку на второй технологический ротор -ротор обрубки РО с восемью обрезными штампами. Здесь в зоне VI отливка устанавливается в штамп, обрезается (зона VII) и сбрасывается в тару (зона VIII). Облой остается на матрице штампа.
Второй транспортный ротор ТР передает облой на конвейер уборки отходов.
Производительность комплекса 300 отли-вок/ч, максимальный размер отливки 300 мм.
5.4.6. АВТОМАТИЗАЦИЯ ЦЕНТРОБЕЖНОГО ЛИТЬЯ
Машины центробежного литья отличаются разнообразием способов регулирования температуры (охлаждения) металлических форм. На сегодня применяется охлаждение на воздухе, "душированием", потоком воды или специальных теплоносителей через рубашку вокруг формы.
Путем соответствующего оснащения внешними устройствами и машинами и современной системой управления на базе любой центробежной машины могут быть созданы автоматизированные технологические комплексы (модули) центробежного литья. Правда, это потребует и кардинальных изменений
конструкции самой машины при сохранении ее принципиальной конструктивной схемы.
Законченными технологическими комплексами, по существу, являются труболитейные машины [6]. Отлитые трубы по наклонным путям скатываются на участок контроля и окончательной отделки (покрытия специальным составом методом погружения в ванну). Для них дополнительно требуется система подачи стержней и оснащение современными техническими средствами контроля, регулирования и управления.
Карусельные машины и технологические комплексы на их базе. Для массового производства отливок используются многопозиционные машины. Обычно это карусельные машины на базе шпиндельных секций. Примером такой машины может быть 12-позиционная машина модели ЛН106 завода Сиблитмаш [12]. Диаметр втулок 76... 152 мм, длина 218... 360 мм, производительность машины 100... 180 шт./ч.
БелНИИлит предлагает [13] гамму карусельных машин центробежного литья с числом позиций от 3 до 11 (модели П1400, 4933, 4947, 4971,4972, 4975).
Технологические комплексы для изготовления гильз цилиндров двигателей внутреннего сгорания в разъемные формы (с теплоизоляционными покрытиями) моделей 3162Э и 3188Э предлагает Павлоградский завод автоматических литейных линий.
Технологические комплексы линейной компоновки. В таком комплексе ВНИИлитмаш для литья стальных трубных заготовок (рис. 5.4.11) восемь машин объединены общими системами заливки и удаления отливок [14].
Рис. 5.4.11. Линейный комплекс центробежного литья трубных заготовок:
/ - центробежная машина; 2 - приемная тележка; 3 - стол подготовки литниковой воронки, 4 - рабочий участок пути; 5 - обходной путь; 6 - заливочная тележка
АВТОМАТИЗАЦИЯ ЦЕНТРОБЕЖНОГО ЛИТЬЯ
915
Металл (сталь) подается к машинам 1 самоходной тележкой 6, на которой установлен разливочный ковш с весовым устройством для дозирования металла. Другая тележка 2 служит для приемки и транспортировки готовых отливок.
Тележки движутся по замкнутому рельсовому пути. Рабочий участок 3 этого пути проходит вдоль фронта центробежных машин. Возврат тележек осуществляется по криволинейному обходному пути 5, который соединен с рабочим участком односторонними пружинными стрелками.
В комплексе используются две сталеразливочных тележки: одна проводит заливку последовательно на всех машинах, ковш второй в это время наполняется из сталеплавильной печи.
В конвейерном комплексе для литья канализационных труб (рис. 5.4.12), созданном Липецким труболитейным заводом, в полной мере использовано отсутствие жесткой связи ротора-формы с другими элементами машины [7,14].
Форма представляет собой тонкостенную трубу, вставленную в толстостенный ротор. Две проточки на роторе исключают его смещение при движении по направляющим верхнего
и нижнего ярусов 6 и вращении на опорных роликах позиций заливки 4 и окраски 3.
Передача роторов с верхнего яруса на нижний и обратно осуществляется подъемными устройствами (лифтами 7, 7).
Поток роторов при входе на каждую из позиций разделяется отсекателями с общим приводом 5. На позициях нанесения покрытия и заливки форма приводится во вращение опорными роликами. По направляющим ярусов, имеющим уклон, роторы катятся под собственным весом. Заливка на позиции 4 может производиться с помощью короткого (неподвижного) или длинного (подвижного) желоба.
Готовая труба сначала выталкивается из формы пневматическим устройством на 450 мм, а затем захватывается с раструбного конца и удаляется из формы. На позиции нанесения покрытия 3 во вращающуюся форму вводится штанга с форсунками. При движении вперед производится очистка и продувка форм, при обратном движении - покраска.
Специального охлаждения роторов не проводится. Они охлаждаются на воздухе на верхнем ярусе. Каждая форма в течение часа заливается 3 раза.
Рис. 5.4.12. Конвейерный агрегат центробежного литья канализационных труб:
/, 7- лифты опускания-подъема роторов; 2,8- роторы; 3 - позиция очистки и окраски формы; 4 - позиция заливки; 5 - привод отсекателей; 6 - металлоконструкции верхнего и нижнего ярусов
916
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Технические характеристики агрегата’.
Диаметр отливаемых труб, мм....... 100
Длина отливаемых труб, мм......... 2000
Количество роторов, шт.............. 20
Угол наклона оси вращения......... 1°30'
Скорость вращения ротора: на позиции заливки, об/мин...... 100 и
1000
на позиции нанесения покрытия, об/мин.......................... 300
Общая мощность электродвигателей, кВт............................... 13,1
Производительность, шт./ч........... 60
Габариты агрегата, мм: длина............................ 8950
ширина.......................... 4700
высота.......................... 2800
Масса агрегата (без роторов), кг.. 14 000
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Автоматические роторные линии / И.А. Клусов, Н.В. Волков, В.И. Золотухин и др. М.: Машиностроение, 1987.
2. А.с. 984 658 СССР, B22D17/00. Способ литья под давлением на машинах с горизонтальной камерой прессования / А.М. Зарубин, В.М. Зеленев, Ю.А. Степанов (СССР). № 3245538/22-02; заявл. 12.02.1981; опубл. 01.01.1983//БИ. 1982. №48.
3. Бедель В.Н., Тимофеев Г.И. Литье под низким давлением. М.: Машиностроение, 1968. 259 с.
4. Зеленое В.Н., Кнсиленко Л.Е. Смазка пресс-форм литья под давлением. М.: Машиностроение, 1983. 144 с., ил.
5. Каспревнч В.Н. Роторная линия для литья посуды // Литейное производство. 1992. №5.
6. Комплексная механизация и автоматизация труболитейного производства / А.П. Усачев, С.М. Двоскин, В.Д. Трифонов и др. И Механизация и автоматизация производства. 1974. № 5.
7. Кошкнн Л.Н. Роторные и роторноконвейерные линии. М.: Машиностроение, 1982.
8. Литье в кокиль / С.Л. Бураков, А.И. Вейник, Н.П. Дубинин и др.; Под ред. А.И. Вейника. М.: Машиностроение, 1980. 415 с., ил.
9. Литье под давлением / М.Б. Беккер, М.Л. Заславский, Ю.Ф. Игнатенко и др. 3-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1990. 400 с., ил.
10. Оборудование для изготовления поршней автотракторных двигателей / М.Н. Чу-рик, Н.Е. Бондарик, В.Н. Волков и др. И Литейное производство. 1995. № 3. С. 25.
11. Полищук В.П., Трефняк В.А., Гольдберг М.Ф. Дозирование алюминиевых и цинковых сплавов в машины литья под давлением магнитодинамической установкой МДН-6 // Литейное производство. 1973. № 7.
12. Трифонов В.Д., Нусс В.И. Новые машины завода "Сиблитмаш" И Литейное машиностроение. 1967. № 5, 6.
13. Центробежное литье и экономичность производства литых заготовок / В.Л. Рассудов, А.Н. Селингер, И.М. Черницкий и др. И Литейное производство. 1995. № 3. С. 22.
14. Юдин С.Б. Левин М.М., Розенфельд С.Е. Центробежное литье. Инженерная монография. 1972. 280 с.
15. Eine automatisch arbeitende 12-Stationen -Karussellkokillen - Giessanlage fur Aluminium -Zilinderkopfe. Giesserei, 69 (1981), P. 331 - 335.
ПРИЛОЖЕНИЕ
ПРИЛОЖЕНИЕ
КЛАССИФИКАТОР ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ЛИТЕЙНОГО ПРОИЗВОДСТВА (ТОЛП)
ТОЛП как объект производства и потребления (эксплуатации) характеризуется своими потребительскими свойствами, т.е. возможностью качественно и эффективно выполнять свое служебное назначение. Потребительские свойства ТОЛП характеризуются следующими основными показателями, которые являются концентрированным выражением его служебного (технологического) назначения:
- технологическая группа ТОЛП;
- технологический тип ТОЛП;
- характер производства (по типу цеха, завода: массовое, серийное, единичное);
- показатели производительности (весовые, штучные, объемные и др.).
Технологическая группа ТОЛП характеризуется первой цифрой кода. Технологический и конструктивный типы ТОЛП характеризуются второй и третьей цифрами кода.
Код Наименование оборудования
1. Оборудование для подготовки формовочных материалов и приготовления смесей
1.1. Охладитель
1.1.1. 1.1.2. Смешивающий охладитель Ленточный охладитель
1.1.3. Вибрационный охладитель
1.1.4. 1.1.5. Вертикальный противоточный охладитель Элеваторный охладитель
1.1.6. 1.2. Охладитель в кипящем слое Сито
1.2.1. 1.2.2. Барабанное цилиндрическое сито Барабанное коническое сито
1.2.3. Барабанное полигональное призматическое сито
1.2.4. Барабанное полигональное пирамидальное сито
1.2.5. Плоское вибрационное сито
1.3. Размалывающее оборудование
1.3.1. 1.3.2. 1.3.3. 1.3.4. Дробилки валковые Шаровые мельницы Дробилки роторные Дробилки вибрационные
1.4. 1.4.1. Смеситель Лопастной смеситель
1.4.2. 1.4.3. Шнеколопастной смеситель Чашечный смеситель
1.4.3.1. Лопастной чашечный смеситель
918
ПРИЛОЖЕНИЕ
Продолжение табл.
Код Наименование оборудования
1.4.3.2. 1.4.З.З. 1.4.З.4. 1.4.З.5. 1.4.4. 1.4.5. Комковый чашечный смеситель Центробежный чашечный смеситель Сдвоенный лопастной смеситель Сдвоенный комковый смеситель Турбосмеситель Установка для приготовления и раздачи пластических или жидких самотвердеющих смесей непрерывного действия
1.4.6. Установка для приготовления и раздачи пластических или жидких самотвердеющих смесей периодического действия
1.4.7. 1.5. 1.5.1. 1.5.2. 1.5.3. 1.6. 1.7. 1.8. 1.9. 1.10. 1.10.1. 1.10.2. 1.10.3. 1.10.4. 1.10.5. 1.10.6. 1.10.7. 2. 2.1. 2.1.1. 2.1.2. 2.1.3. 2.1.4. 2.1.5. 2.1.6. 2.1.7. 2.1.8. 2.1.9. 2.1.10. 2.1.11. 2.1.12. Установка для приготовления плакированных смесей горячим способом Разрыхлитель Надленточный аэратор Подленточный аэратор Ножевой разрыхлитель (дезинтегратор) Электромагнитный сепаратор Электрокоронный сепаратор Гомогенизатор Сушило для песка Оборудование для регенерации песков из отработанных смесей Машина оттирочная Чан агитационный для перемешивания пульпы Классификатор воздушный каскадный противоточный Классификатор вибрационно-каскадный противоточный Охладитель бесконтактный трубчатый Охладитель комбинированный (в "кипящем слое" - бесконтактнотрубчатый) Пневморегенератор Оборудование для изготовления форм и стержней Машины формовочные Прессовая формовочная машина Вибропрессовая формовочная машина Встряхивающая с допрессовкой формовочная машина Встряхивающе-прессовая формовочная машина Встряхивающая с допрессовкой формовочная машина с поворотным столом Встряхивающе-прессовая формовочная машина с протяжной рамкой Встряхивающая с допрессовкой формовочная машина со штифтовым съемом Встряхивающая с допрессовкой формовочная машина с протяжной рамой Встряхивающая прессовая формовочная машина с поворотной колонной Встряхивающая с допрессовкой формовочная машина с поворотной колонной Встряхивающая формовочная машина с перекидной плитой Встряхивающе-прессовая формовочная машина с перекидной плитой
ПРИЛОЖЕНИЕ
919
Продолжение табл.
Код Наименование оборудования
2.1.13. 2.1.14. 2.1.15. 2.11.1. 2.11.2. 2.12. 2.12.1. 2.12.2. 2.12.3. 2.12.4. 2.12.5. 2.12.6. 2.12.7. 2.13. 2.13.1. 2.13.2. 2.14. 2.14.1. 2.14.2. 2.14.3. Встряхивающая формовочная машина с перекидным столом Безопочная формовочная машина Импульсная формовочная машина Стол вибрационный с неприводным рольгангом Стол вибрационный с приводным рольгангом Пескометы формовочные Пескометная головка Подвесной пескомет Стационарный пескомет Передвижной консольный пескомет Передвижной пескомет Мостовой пескомет Ширококовшевый пескомет Машины для изготовления оболочковых форм Машина для изготовления оболочковых полуформ Машина для склейки оболочковых форм Прочие машины для изготовления стержней Мундштучная стержневая машина Машина стержневая пескодувная* Машина стержневая пескодувная для изготовления стержней в нагревательной оснастке
2.14.4. Машина стержневая пескодувная для изготовления стержней в холодной оснастке продувкой газом отвердителем*
2.14.5. Машины для изготовления оболочковых стержней с отверждением в нагреваемой оснастке
2.15. 3. 3.1. 3.1.1. 3.1.2. 3.1.3. 3.1.4. 3.2. 3.2.1. 3.2.2. 3.2.3. 3.3. Прочее формовочное и стержневое оборудование Оборудование для выбивки форм и удаления стержней Решетки выбивные Решетки выбивные инерционные Решетки выбивные эксцентриковые Решетки выбивные инерционно-ударные Решетки выбивающие-транспортирующие Установки электрогидравлические для удаления стержней из отливок Установки электрогидравлические тупиковые периодического действия Установки электрогидравлические проходные периодического действия Установки электрогидравлические проходные непрерывного действия Прочее оборудование для выбивки форм и удаления стержней
* Исполнение с горизонтальным и вертикальным разъемом.
920
ПРИЛОЖЕНИЕ
Продолжение табл.
Код Наименование оборудования
4. 4.1. 4.1.1. 4.1.2. 4.1.3. 4.2. 4.2.1. 4.2.2. 4.2.3. 4.3. 4.3.1. 4.3.2. Оборудование для очистки отливок Барабаны галтовочные Барабаны очистные галтовочные периодического действия Барабаны очистные галтовочные непрерывного действия Барабаны очистные галтовочные охладительные непрерывного действия Барабаны очистные дробеметные Барабаны очистные дробеметные периодического действия Барабаны очистные дробеметные периодического действия с довыбивкой стержней Барабаны очистные дробеметные непрерывного действия Камеры очистные дробеметные Камеры очистные дробеметные периодического действия с вращающимися столами Камеры очистные дробеметные периодического действия с вращающимися подвесками
4.3.3. 4.3.4. 4.4. 4.5. 4.5.1. 4.5.2. 4.6. 5. 5.1. Камеры очистные дробеметные периодического действия универсальные Камеры очистные дробеметные непрерывного действия с подвесками Аппараты дробеструйные Машины очистные вибрационные Машины очистные вибрационные с прямолинейной рабочей камерой Машины очистные вибрационные с тороидно-винтовой рабочей камерой Прочее оборудование для очистки отливок Оборудование для литья по выплавляемым моделям Машины для приготовления модельного состава, изготовления модельных звеньев (моделей) и блоков
5.2. Оборудование для изготовления комплектов моделей из пенополистирола при производстве литья по газифицируемым моделям
5.3. 5.4. 5.5. 5.6. 7. 7.1. 7.2. 7.3. 7.4. 7.5. 7.6. 7.7. Оборудование для изготовления керамических форм Оборудование для формовки, обжига, заливки, охлаждения блоков и выбивки отливок Оборудование для отделения керамики от отливок и отливок от стояков Прочее оборудование для литья по выплавляемым моделям Оборудование для литья металлов под давлением Машины для литья под давлением с горизонтальной холодной камерой прессования Машины для литья под давлением с вертикальной холодной камерой прессования Машины для литья под давлением с горячей камерой прессования Комплексы автоматизированные для литья под давлением Машины для литья под низким давлением Машины для литья с противодавлением Машины для литья под давлением с центробежной заливкой форм (литье центрифугированием)
7.8. Прочие машины для литья под давлением
ПРИЛОЖЕНИЕ
921
Продолжение табл.
Код Наименование оборудования
8. 8.1. 8.2. 8.3. 8.4. 8.5. 9. 9.1. Оборудование для литья металлов в металлические формы (кокили) Машины кокильные однопозиционные Машины кокильные карусельные Установки для литья в облицованные кокили Установки для непрерывного литья Установки для литья выжиманием Оборудование для центробежного литья Машины для центробежного литья заготовок (втулок) с горизонтальной осью вращения
9.2. 9.3. 10. 11. Машины для центробежного литья заготовок (втулок) с вертикальной осью вращения Машины для центробежной отливки труб Оборудование для обрубки, обдирки и зачистки отливок Оборудование для подготовки шихты, модифицирования чугуна, плавки и заливки черных и цветных сплавов
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
А
Автомат
- горячештамповочный 206
- для изготовления моделей из полистирола 726
- для объемной штамповки 203
- кривошипный 205
- литья выжиманием 913
- литья под регулируемым давлением 911
- пескострельный 672
- холодновысадочный 206
- холодноштамповочный 289
- центробежного литья 914
Автоматизация
- литья в кокиль 909
- литья под давлением 904
- управления 848
Агрегат обжима 323
Аккумулятор 199, 463
Анализ
- динамический КШМ 43
- кинетико-статический главных исполнительных механизмов 210
Аппарат дробеметный 692
- дробеструйный 698
Аэратор 581
Б
Барабан 687,679,692, 701, 710
Быстроходность 26, 228
В
Вал
- коленчатый 285, 306
- эксцентриковый 306
- кривошипный 307
Вальцы
- валково-клиновые 334
- закрытые 332
- ковочные 328 - 336
- консольные 329
Вёнты 645
Вибраторы 597, 598, 605, 608,675
Вибровозбудитель 464
Виброизоляция ВПФМ 619
- молотов 432
Вибростол 732
Винтовые прессы 341
- гидровинтовые 370
- муфтовые 355
- фрикционные 346
- электровинтовые 363
Встряхиватели
- двухударного действия 596, 607, 608
- на воздушной подушке 595, 601 - 604
- с встречным ударом 595, 598
- с ударом стола по станине 595, 607
Г
Гидрокамера 683
Гидропресс 687
Гидропривод 77, 78
- гидропульсаторный 86, 87
- мультипликаторный 85, 88
- насосно-аккумуляторный 79
Гидростаты 89
Гидростатика 829
Гидроцилиндр 194
Главные параметры 25
Головка диафрагменная 591
- многоплунжерная 592
- надувная 670
- пескодувная 620
- пескометная 645
- пескострельная 620, 673
- пескострельно-прессовая 620
- прессовая 596 - 598,607
- роторная 593
д
Динамика КШМ 37
Документооборот 553
3
Заполнение формы 792
И
Имитационная система 537
Импеллер 696
Испытания по назначению 554
- по продолжительности 557
- по уровню проведения 556
- по условиям проведения 557
К
Камера очистная дробеметная 706
Клапаны импульсные 633
Классификация КШМ 17
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
923
Комплекс
- автоматизированный для литья под давлением
- автоматический 172
- горячештамповочный 97
- для прессования легких сплавов 488
- ковочный 94
- робототехнический 474 Конструктивные технологические параметры
- вакуумной системы 659
- пескострельных машин 624
Конструкции прессовых машин 594
Л
Линия
- автоматическая формовочная 888
- безопочной формовки 890
- опочной формовки 892
- поперечного раскроя 478
- продольной резки 478
- роторно-конвейерная 165, 167 Литье
- вакуумным всасыванием 772
- выжиманием 817
- в металлические формы 770
- с применением давления 771, 789
- центробежное 771, 828
М
Манипулятор 476,200 Маркировка КШМ 26
Машины
- вибрационные 439
- гидровибрационные 444, 468
- гидродинамические 451
- гидропульсационные 444,449,468
- горизонтально-ковочные 280
- для изготовления оболочковых форм 740, 753
- для приготовления модельного состава, изготовления моделей 736
- для литья под давлением 805
- для литья выжиманием 819
- для центробежного литья 672, 828
- импульсные 25, 400
- кокильные 772
- кузнечно-штамповочные 12, 17
- литейные 535
- литьевые 155
- магнитно-импульсные 453
- очистные вибрационные 683
- пескострельно-прессовые 620
- радиально-ковочные 206
- радиально-обжимные 317
- ротационные 25, 316
- роторные 834, 840
- стержневые мундштучные 669
- стержневые пескодувные 626, 666
- формовочные вибропрессовые 601
- формовочные прессовые 584, 597
- шпиндельные 834, 836
- электровысддочные 443
Металлопровод 795 Металлораздатчик 794 Механизм
- винтовой рабочий 389
- высадки 281
- гидравлический 784
- зажима 285
- запирания 815
- импульсного уплотнения 628
- исполнительный 324
- прессовый 596
- пневматический 782
- силовой прессовых машин 595 Моделирование 536, 568
- импульсного процесса уплотнения формовочной смеси 570
- математическое и компьютерное рабочего процесса импульсных клапанов 573
- процессов уплотнения литейных форм 571 Модель
- адаптивная 520
- вязкой среды 569
- гидравлической системы 538
- двухосная математическая и компьютерная процесса прессования 576
- двухосная математическая и компьютерная процесса фильтрации 576
- двухосная математическая и компьютерная процессов встряхивания и пневмоим-пульсного уплотнения 577
- динамическая 37, 537
- имитационная 519
- концептуальная 550
- математическая 536, 537, 790, 872
- механической системы 542
- объема формовочной смеси 540, 541
- одномерная процесса пневмоим-пульсного уплотнения 574
- пневматической системы 541, 542
- упругопластической среды 570
- упругой среды 569
Модуль гибкий производственный 164
924
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
Молоты
- бесшаботные 397,421
- высокоскоростные 396,429
- газо-гидравлические 406
- гидравлические 25, 396,406
- ковочные 396, 399
- магнито-импульсные 453, 466, 471
- паровоздушные 396, 399
- приводные пневматические 395, 397
- штамповочные 396, 403
- электрогидравлические 471
Мультипликатор 200
Муфты кривошипных прессов 259, 313
Н
Навье-Стокса закон 569 Ножницы
- листовые 205, 231
- сортовые 206
О
Оборудование
- для подготовки формовочных материалов и приготовления смесей
- для выбивки форм и удаления стержней 566,675,683
- для очистки отливок 567, 601, 674
- для изготовления комплектов моделей из пенополистирола при производстве литья по газифицируемым моделям 721
- для отделения керамики от отливок и отливок от стояков 746
- для центробежного литья 771, 828
- для изготовления форм и стержней 651,664
- для приготовления формовочных песчано-глинистых смесей 578
- для изготовления форм из песчано-глинистых смесей 584
- для отделения литниковых систем от отливок 687, 748
- для исправления дефектов и отделки отливок 712
- для окраски модельных блоков 731
- для приготовления суспензий 738
- для выплавки моделей 742
- для приготовления песчано-смоляных систем 759
- послепрессовое 490
- технологическое 524
Охладитель 581
П
Параметр встряхивающих механизмов 564
Парк ТОЛП 560
Перекладчик грейферный 484
Пескомет 645
- стационарный консольный 647,649
- ширококовшовый 647, 649
- консольный передвижной 649
- мостовой 649
Пески огнеупорные 756
Плакирование 759
Плита модельная 644
Подвспенивание полистирола 722 Показатель
- производительности 531
- надежности 533, 560
- эргономики, технической эстетики и охраны труда 534 Ползун
- высадочный 285
- конструкция 303
Пресс-автомат 160
- гидравлический 168, 172
- однопозиционный листоштамповочный 234,239
- специализированный 236 Пресс
- брикетировочный 147-150
- вибрационный 439
- вытяжной 205,224
- винтовой 25, 246
- гидравлический 24, 53, 65, 170 - 175, 180-184, 596
- гидровинтовой 370
- горячештамповочный 91, 205, 246
- двухстоечный 132
- для прессования 119
- для выдавливания 110, 177
- для прессования пластмасс 151
- для литьевого прессования 153
- для прессования металлопорошков 168
- для гидроформовки 186, 190
- для изотермической штамповки 191
- для синтеза сверхтвердых материалов 182
- координатно-пробивной 458
- кривошипно-коленный 276
- кривошипный 25, 202, 515
- ковочный 91
- листоштамповочный 127, 130 - 135, 205
- лазерный 458
- многоцилиндровый 105
- многоплунжерный 108
- одноцилиндровый 105
- отбортовочный 128, 130
- обтяжной 139, 140
- пруткопрофильный 119
- правильный 137, 139
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
925
- пакетировочный 143, 144
- плазменный 458
- пневматический 596 - 598,604, 608
- специализированный 114, 175, 184
- трубопрофильный 119, 126
- штамповочный 116, 191
- этажный 161
Пресс-молот 451
Прессование 589 - 592
Проектирование
- автоматизированное 546
- КШМ 28, 52
Производительность оборудования 559
Пространство штамповое 102
Процесс
- изготовление форм и стержней 718
- рабочий пескострельных машин 622, 667
- пескострельный 620
- пневмоимпульсный 572
Р
Рабочие органы выжимных машин 823
Регулирование программное 868 - 872
Редуктор привода пресса 308, 309 - 311
Режим импульсной установки 630
Решетки выбивные 675
Роботы-манипуляторы 481
С
САПР КШМ 52
Сейатсу метод 639
Сепаратор 701, 584
Сила
- деформирования 215
- допускаемая 213
- запирания 560
- максимальная пресса 70
- привода 559
Система
- автоматизированного проектирования 546
- синхронизации 106
- смазывания 275
- управления 259
Сито 581
Смолы связующие 757
Смеситель 578,655,737,762
Смесь формовочная 564, 569, 576, 600, 644, 651,654
Снижение шума ВПФМ 619
Станки абразивные отрезные 687
Статы 89
Станина 281,311,398
Средства автоматизации 472
Т
Текучесть смеси 594
Толкатель 673
Тормозы кривошипных прессов 259, 313
Траверса вибрационная 675
У
Управление 495, 496, 504, 848, 872, 876
Управляемость 499
Уравнение дифференциальное уплотнения формы 574
Уравновешиватель 304
Установка
- вибрационно-абразивная 711
- для выбивки опочных форм 680
- комбинированная 804
- литья под регулируемым давлением 794-802
- электрогидравлическая 686
Устройство
- вспомогательное 106
- выталкивающее 314
- прошивное 121
- прижимное 314
- правильное 472
- подающее 472
- регулировочное 314
- разматывающее 472
Ф
Фильтрация 643
Форма
- литейная металлическая 770
- оболочковая 755, 763
Формовка вакуумно-пленочная 657
X
Ход пресса 70,80
ц
Циклограмма 857, 864
Цикл
- работы гидростатов 89
- работы КШМ 43
Ш
Шатун 305
Штамповка 499
СПРАВОЧНОЕ ИЗДАНИЕ
Юрий Александрович Бочаров, Иван Владимирович Матвеенко и др.
МАШИНОСТРОЕНИЕ
ЭНЦИКЛОПЕДИЯ
Том IV-4
МАШИНЫ И ОБОРУДОВАНИЕ КУЗНЕЧНО-ШТАМПОВОЧНОГО И ЛИТЕЙНОГО ПРОИЗВОДСТВА
Лицензия ИД № 05672 от 22.08.2001
Редактор Е.М. Нуждина Художественный редактор Т.Н. Галицына Корректоры С.В. Сидоренко, Т.Н. Масальская Инженеры по компьютерному макетированию: Е.В. Кораблева, И.В. Евсеева, М.Н Рыжкова, М.А. Филатова
Сдано в набор 30.09.2004. Подписано в печать 17.02.2005. Формат 70 х 100 ’/16.
Бумага офсетная. Гарнитура Times New Roman. Печать офсетная.
Усл. печ. л. 75,4. Уч. изд. л. 78,38.
Тираж 1000 экз. Заказ 819
ОАО «Издательство «Машиностроение», 107076, Москва, Стромынский пер., 4
Оригинал-макет изготовлен в Издательско-полиграфическом центре Тамбовского государственного технического университета
392032, г. Тамбов, ул. Мичуринская, 112
Отпечатано в ГУП ППП «Типография «Наука» РАН 121099, Москва, Шубинский пер., 6