CC BY
25
ГРНТИ 55.16.03 Е. С. Аскаров
к.т.н, профессор, кафедра «Стандартизация, сертификация и технология машиностроения», Казахский национальный исследовательский технический университет имени К. И. Сатпаева, г. Алматы, 050013, Республика Казахстан e-mail: [email protected]
КУЛАЧКОВО-ВИНТОВОЙ ПРЕСС С НИЖНИМ РАСПОЛОЖЕНИЕМ ПРИВОДА
Рассмотрена оригинальная схема механического пресса нового типа — кулачково-винтовой. Предлагается схема с нижним расположением привода. Это позволит уменьшить высоту пресса в 2 раза, металлоемкость понизится на 20 %.
Ключевые слова: кривошипный пресс, кулачково-винтовой пресс с нижним приводом, штамповка.
ВВЕДЕНИЕ
Обработка металлов давлением занимает заметное место в машиностроении. Её эффективность в значительной мере зависит от оборудования - прессов. Более половины парка механических прессов в современном машиностроении занимают кривошипные прессы.
Рассмотрим кинематическую схему классического кривошипного пресса (рисунок - 1). Пресс состоит из вала - 1, на котором имеется кривошип - 2. На кривошипе - 2 шарнирно закреплен шатун - 3, на конце которого шарнирно закреплен ползун - 4, который имеет возможность перемещаться вертикально в направляющих станины - 8. Электромотор - 5 через ременную передачу - 6 вращает маховик - 7, который свободно проворачивается относительно вала - 1 в холостом режиме (пресс не работает). Для осуществления рабочего цикла работник нажимает педаль. В это время срабатывают две муфты. Кулачковая муфта замыкается перемещением подвижной полумуфты - 9 к полумуфте - 1 установленной на маховике - 7. Вал 1 начинает вращаться вместе с маховиком 7, фрикционная муфта - 11 в этот момент размыкается. Вал - 1 вращается, шатун - 3 двигается вначале вниз (рабочий ход - угол поворота 1800), затем вверх (холостой ход - угол поворота 1800). После полного поворота вала фрикционная муфта - 11 замыкается и останавливает вал - 1, полумуфты 9 и 10 размыкаются. Пресс переходит в холостой режим.
Для подачи рулонного листового материала в зоны штамповки в прессе часто применяют валковую подачу. Тяга - 12 валковой подачи эксцентрично крепится к маховику - 7, через рычаг тяга вращает валки - 13, которые дискретно протягивают стальной лист в зону обработки.
Рисунок 1 - Схема классического кривошипного пресса
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ
Несмотря на длинную историю использования кривошипного пресса он имеет множество недостатков, что мешает его работе на заводах. Рассмотрим их:
1 Включение двух муфт кулачковой и фрикционной в определенный момент времени, синхронно, на большой скорости вращения вала (частота вращения 60.. .150 мин-1) создает множество проблем. Муфты быстро ломаются, не всегда срабатывают.
Эту проблему решали разными способами. В основном работы велись в направлении усиления прочности муфт. Но данный подход увеличивает стоимость муфт и всего пресса в целом. В работе [1] сделан попытка создать механический безмуфтовый пресс на основе рычажного механизма переменной структуры. Но данный пресс имеет сложную структуру механизма, что понижает его жесткость, также переход из одного режима пресса в другой может произойти самопроизвольно.
2 Вследствие изменения угла передачи силы в рычажном ползунном механизме, который используется в кривошипном прессе при подходе к крайнему нижнему положению, полезная сила давления на заготовку уменьшается, и в крайнем нижнем положении она равна нулю. Вследствие этого при подходе к этому положению силы давления может не хватить, чтобы деформировать заготовку, и пресс может заклинить. Он входит в положение «распора» [2, с. 300, 3, 4].
3 Кривошипный пресс имеет большую высоту, так в его составе есть длинная деталь шатун. Компоновка пресса в основном вертикальная. Вследствие этого, если в составе цеха есть большой пресс, для него одного приходится строить цех с высоким потолком, что экономически не выгодно. Также высокие прессы с верхним приводом имеют и другой недостаток. Высоко расположенный центр тяжести обуславливает их недостаточную устойчивость и вибрацию в период рабочего хода и при включении муфты. Для устранения этого недостатка применяют прессы с нижним приводом [5, с. 38].
4 Обычно кривошипный механизм пресса имеет равное время движения ползуна вниз и вверх, то есть 1800 поворота кривошипа вниз и 1800 поворота кривошипа вверх. Следовательно, рабочее время воздействия инструмента на заготовку равно времени движения инструмента вверх в исходную позицию. Время рабочего хода равно времени холостого хода. Это очень не выгодно в скоростных прессах-автоматах.
Для повышения доли рабочего хода применяют вращение рабочего вала пресса с двумя частотами вращения- рабочий ход на медленной, а холостой ход на быстрой частоте вращения. Для этого например, применяют специальные двухскоростные муфты. В приводе со специальными муфтами применяют двухскоростные фрикционные со встроенной планетарной передачей или электромагнитные муфты [5, с. 39].
Фрикционные муфты имеют общий недостаток - быстрый износ фрикционных элементов, особенно муфты ускоренного хода, включение которой происходит дважды в течение одного двойного хода.
Частота вращения в электромагнитных муфтах изменяется в результате управляемого скольжения ведомых частей относительно ведущих. Варьируя электромагнитные поля, индицируемые в муфте и тормозе, проскальзывание доводят до 50 % угловой скорости холостого хода. Недостаток такой муфты -непроизводительные потери энергии при торможении маховых масс.
Иногда применяются сдвоенные приводы. На рабочем валу устанавливают две раздельные муфты - маховики разного диаметра. Частота вращения изменяется попеременным подключением разных маховиков. Естественно наличие двух маховиков в одном прессе увеличивает его массу и стоимость [5, с. 40].
Кроме описанных недостатков кривошипного пресса имеются и другие, менее важные. Это неравномерность скорости хода ползуна, сложность конструкции, низкий КПД и т.д.
Работы по устранению этих недостатков ведутся давно. Они уменьшают влияние проблем кривошипного пресса на эффективность его работы, но полностью убрать проблемы не могут [6-9]. Специфика самой схемы кривошипного механизма не позволяет сделать это.
В работах [10-19] автор предлагает оригинальный кулачково-винтовой механический пресс. Пресс имеет высокий уровень оригинальности, в его основе принципиально новый механизм.
Кулачково-винтовой пресс состоит из следующих частей (рисунок - 2): приводного вала - 1, на котором соосно расположен цилиндр - 2 с конической винтовой поверхностью - 3 с углом наклона образующей АЕ к оси вала - 1, равным а. Поверхность имеет скос под углом в к горизонтали. Под цилиндром
- 2 установлен ползун - 4, имеющий возможность свободного вертикального осевого движения в корпусе - 5. В верхней части ползуна - 4 имеется вогнутая поверхность - 6, выполненная с возможностью контакта с винтовой поверхностью
- 3 и имеющая угол наклона к горизонтали, равный р.
Рисунок 2 - Схема пресса.
Рисунок 3 - Спираль Архимеда конической винтовой поверхности
в плоскости YOZ
Пресс работает следующим образом. Приводной вал - 1 совместно с цилиндром - 2 вращается от привода. Нижняя образующая АВ винтовой поверхности - 3 двигается вдоль оси вала - 1, приближаясь к поверхности - 6. При перемещении АВ на длину Lx она вступает в контакт с образующей CD поверхности - 6, винтовая поверхность - 3 и поверхность - 6 вступают в контакт и между ними образуется площадка контакта. Винтовая поверхность - 3 давит на поверхность - 6 и ползун - 4, который перемещается вниз, сжимая пружину - 7. Вместе с ползуном - 4 двигается инструмент - 8, который производит вдавливание в заготовку W. Ползун - 4 двигается вниз до тех пор, пока точка А образующей АВ не совместится с точкой D образующей CD. Нижняя образующая АВ в это время проходит рабочую длину Lp.
После этого контакт поверхности - 3 с поверхностью - 6 размыкается и ползун - 4 вместе с поверхностью - 6 и инструментом - 8 под действием пружины - 7 поднимается вверх в исходную позицию. После этого точка А еще проходит расстояние, равное Lc , после чего винтовая поверхность - 3 завершает свой полный
оборот и весь цикл снова повторяется. Для свободного движения поверхностей - 3 и - 6 относительно друг друга, уменьшения сил трения эти поверхности постоянно смазываются маслом.
Для отключения пресса и работы его в холостом режиме необходимо механизмом переключения - 10 подать цилиндр - 2 вправо. кулачки - 11 цилиндра
- 2 выходят из зацепления с пазами - 12 полумуфты, и цилиндр - 2 свободно проворачивается относительно вала - 1. Если цилиндр - 2 поджать пружиной
- 9, стремящейся вывести его из зацепления с валом 1, то размыкание контакта поверхностей - 3 и - 6 будет происходить автоматически после окончания каждого цикла. Смыкание кулачков - 11 и пазов -12 производится движением механизма
- 10 влево.
РАБОЧИЙ ХОД-ЗОНА ЭФФЕКТИВНОЙ СИЛЫ__ХОЛОСТОЙ ХОД
1 - кривошипный пресс, 2 - кулачково-винтовой пресс, 3 - сжатие пружины возврата кулачково- винтового пресса.
Рисунок 4 - Графики зависимости силы Р от угла поворота вала ф
Предложенный пресс заметно превосходит по своим эксплуатационным и функциональным показателям существующий в настоящее время кривошипный пресс.
1 Пресс потребляет в зависимости от вида обработки электроэнергии в 1,5 -2 раза меньше чем, кривошипный, так как усилие на ползун во время всего рабочего цикла передается равномерно с небольшими потерями. У кривошипного пресса усилие увеличивается до угла 900, а затем уменьшается до угла 180. Зона эффективной силы размещается от 30 до 150 (рисунок 4).
2 Пресс имеет небольшое время холостого хода, на уровне 15-20 %, кривошипный пресс имеет долю времени холостого хода равную 50 % (рисунок 4). Следовательно, производительность нового пресса будет выше.
3 Пресс имеет равномерность движения ползуна во время рабочего хода, ползун кривошипного пресса двигается неравномерно с ускорением. Равномерное движение ползуна позволяет снизить скорость износа инструмента, примерно на 20 %.
4 Рабочее усилие на ползуне нового пресса во время всего рабочего хода поддерживается равномерным. Также при подходе ползуна к крайнему нижнему положению усилие пружины становится максимальным и при размыкании контакта ползуна и винтовой поверхности усилие пружины позволяет вернуть ползун вместе с инструментом в исходное положение, преодолевая сопротивление обработанной заготовки. Вероятность заклинивания нового пресса в нижнем положения нулевая. У кривошипного пресса зона вращения кривошипа 175.. .185 характерна малой величиной полезной силы вдавливания и вывода ползуна, что ведет к заклиниванию пресса (вход в «Стопор») (рисунок 4).
5 Кинематическая схема пресса не имеет специального узла тормоза, как в кривошипном прессе, его функции выполняют поверхности 3 и 6 (рисунок 4). Механизм пресса обеспечивает автоматическое отключение ползуна в его верхнем положении прессе. Это повышает надежность остановки пресса в конце цикла, снижает затраты энергии на торможение механизма, снижает его износ.
6 Работа муфты пресса осуществляется в облегченных условиях, при ее включении она подвергается динамическим усилиям, ослабленным примерно в 2 раза. Уменьшение динамических усилий достигнуто за счет того, что в новом прессе не требуется останавливать вал пресса, который имеет постоянное вращение, в прессе нет шатуна.
7 Пресс не имеет шатуна, что позволяет уменьшить общую высоту пресса ориентировочно на 15-20 %.
8 Кинематическая цепь нового пресса имеет всего два звена - винтовой цилиндр и ползун, кривошипный пресс имеет в цепи три звена - кривошип, шатун и ползун. Новый пресс будет иметь более высокую жесткость, что естественно увеличит его точность и долговечность.
9 Износ контактирующих поверхностей 3 и 6 практически не влияет на работоспособность пресса.
10 Кинематически новый пресс намного проще кривошипного, в его составе меньше деталей. Это позволяет утверждать, что в серийном производстве его изготовление будет дешевле.
Для повышения эффективности нового пресса предлагается расположить привод внизу. На рисунке 5А показана схема пресса с нижним расположением привода. Это уменьшает металлоемкость пресса, его высоту, повышает динамическую устойчивость оборудования. Кривошипные пресса с нижним расположением привода практически не делаются. В кривошипной схеме имеется длинный шатун, что увеличивает высоту пресса с нижним приводом. Также в кривошипном прессе значительно возрастает возможность заклинивания при начале подъема плиты-ползуна - 8 с инструментом-пуансоном - 9 в исходную
позицию (зона вывода инструмента 1800-1850, рисунок - 3), так как масса плиты - 8 достаточно большая.
Новая схема пресса позволяет расположить ось вращения вала - 2 перпендикулярно по отношению к зоне нахождения рабочего, так как нет фрикционного тормоза-муфты. Такая компоновка повышает безопасность и удобство работы, маховик - 6 пресса находится сзади пресса. В данной схеме возможно подключение валковой подачи - 11 к ползуну - 8 пресса, что упрощает ее конструкцию, дает возможность подключения с любой стороны.
На рисунке 5Б показана схема кулачково- винтового многопозиционного пресс-автомата с валковой подачей
А) Кулачково-винтовой пресс с нижним расположением привода, Б) кулачково-винтовой многопозиционный пресс-автомат с нижним расположением привода, 1 - станина, 2 - вал, 3 - кулачково-винтовой цилиндр, 4 - механизм включения, 5 - кулачковая муфта, 6 - маховик, 7 - инструмент-матрица на рабочем столе, 8 - плита- ползун, 9 - инструмент-пуансон, 10 - скалка направляющая с возвратной пружиной, 11 - валковая подача,
12 - рулон стальной ленты. Рисунок 5
ВЫВОДЫ
Предлагается новая компоновка кулачково-винтового пресса с нижним расположением привода. Это позволит упростить конструкцию пресса, уменьшить высоту в 2 раза, уменьшить металлоемкость примерно на 20 %. Возможна схема с перпендикулярным расположением оси вала по отношению к рабочему. Это повысит удобство и безопасность работы.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1 Авт. свидетельство СССР 1774921, Безмуфтовый пресс / Абдраимов С. и др., МПК В 30 В 15/14, опубл. 07.11.92., Бюл. 41.
2 Свистунов, В. Е. Кузнечно-штамповочное оборудование. Кривошипные прессы. Учебное пособие. - М. : МГИУ, 2008, 680 с.
3 Жуматаев, А. К., Олжабаев, Р. О. Повышение надежности оборудования // Наука и техника Казахстана. Павлодар - 2010. - №2. - С. 52-54.
4 Патент РФ 2320486, Устройство для вывода кривошипного пресса из заклинивания/ Корнилов В.В, МПК В30В15/28, опубл. 15.05.94, Бюл.20
5 Живов, Л. И., Овчинников, А. Г., Складчиков, Е. Н. Кузнечно-штамповочное производство. Учебник для вузов / под ред. Л.И.Живова. - М. : изд. МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2006. - 560 с.
6 Патент РФ 2136502, Устройство для затяжки разъемной станины пресса и выведения пресса из распора / Авилов В. И., Дибнер Ю. А., Старых О. В. МПК В30В15/28, опубл. 15.06.93, Бюл.18.
7 Патент РФ 2033877, Устройство для затяжки разъемной станины пресса и выведения пресса из распора / Горожанин В. Н. МПК В30В15/28, опубл. 30.01.93, Бюл.5.
8 Авт. свидетельство СССР 487788, Устройство для предохранения кривошипных прессов от перегрузки и заклинивания / Мороз П. З., Ермоленко А. А., МПК В30В15/28, опубл. 15.10.1975, Б. 38.
9 Свистунов, В. Е., Чубаков, В. А., Матвеев, А. Г., Гартвиг, А. А. Предохранение кривошипных листоштамповочных прессов- автоматов от перегрузок // Машиностроение и инженерное образование. М. : 2012, № 2, С. 2-11.
10 Аскаров, Е. С. Патент 2627 РК, МКИ B30B01/26, Механический пресс Аскарова / Аскаров Е. С. (РК): заявл. 26.07.93, опубл. 15.06.98, Бюл. № 5 - 4 с.
11 Абдрахманов, Е. С., Дейграф, И. Э., Тусупбекова, М. Ж., Аубакиров, А. Ж. Инженерный метод расчета пневматического ударного цилиндра установки ВСП-Комби // Наука и техника Казахстана. Павлодар - 2015. - № 1-2. - С. 6-11.
12 Ахметов, Ж. Е. Разработка конструкции газимпульсного прессового оборудования для производства тротуарных плит из полусухой смеси // Наука и техника Казахстана. Павлодар - 2010. - № 4. - С. 11-15.
13 Askarov, E. S. Mechanical press based on a cam mechanism with an enlarged contact spot // Russian Engineering Research - Allerton Press, 2003, № 12, P. 1-8.
14 Аскаров, Е. С. Новый кулачково-винтовой механический пресс // Вестник машиностроения, - М. : 2015, № 4, С. 32-35.
15 Аскаров, Е. С. Новый кулачково-винтовой механический пресс. Исследование и анализ. Монография. - Алматы, Экономика, 2016, 58 с.
16 Erlan Askarov, Algazy Zhauyt, Zhastalap Abilkaiyr, Adilet Zhankeldi, Batyr Naurushev. New nype cam-screw mechanical press // 17 International Scientific Conference- Engineering for rural development. Latvia, Jelgava, 24.05.2017, P. 36-41.
Материал поступил в редакцию 15.05.18.
Е. С. Асцаров
Теменп жетепнде орналаскан журьщша-бурандалы баскыш
К. Сэтбаев атындаFы Казак улттык зерттеу техникалык университетi,
Алматы к., 050013, Казахстан Республикасы.
Материал баспаFа 15.05.18 тYстi.
E. S. Askarov
Cam-screw press with the lower arrangement of the drive
K. Satpayev Kazakh National Research Technical University, Almaty, 050013, Republic of Kazakhstan.
Material received on 15.05.18.
Жудырыцша-бурандалы механикалыц басцыштыц жаца турШц эмбебап сызбасы царастырылган. TeMerni жетегШц орналасцан сызбасы усынылган. Бул эдю басцыштыц бшктшн 2 есе азайтады, металл сыйымдылыгыныц 20 % темендеуте мумктдж бeрeдi.
The original scheme of a mechanical press of new type — a cam screw is considered. The scheme with the lower arrangement of the drive is offered. It will allow to reduce press height twice, the metal consumption will go down for in 20 %.
