CC BY
76
УДК 621974
Ю.В. Колотов, канд. техн. наук, доц., 8(499)730 9378, [email protected] (Россия, Москва, МГТУ «Станкин»)
НОВЫЕ КОНСТРУКЦИИ ОТЕЧЕСТВЕННЫХ ШТАМПОВОЧНЫХ МОЛОТОВ
удар.
Приведена конструктивная схема шаботного молота с гидроприводом. Ключевые слова: молот, масса, привод, гидравлический, пневматический,
За последние годы сложилось трудное положение со штамповочными молотами в отраслях по производству монтажного и медицинского инструмента. Шаботные молоты с паровоздушным, пневматическим и газогидравлическим приводом, которые эксплуатируют на российских предприятиях, оказались нерентабельными в новых экономических условиях из-за высокой стоимости энергоносителя.
В настоящее время в МГТУ «Станкин» на кафедре «Системы пластического деформирования» разработаны чертежи и начато изготовление шаботного молота с гидравлическим приводом с падающей массой 50 кг марки ГШМ (гидравлический штамповочный молот), являющегося действующей моделью шаботного молота с падающей массой в 1000 кг. Его принципиальная схема представлена на рис. 1.
Рис. 1. Принципиальная схема гидравлического шаботного молота
модели ГШМ-50
Молот имеет насосно-аккумуляторный привод. Сжатый воздух, являющийся источником энергии при разгоне, закачан в аккумулятор 1 с резиновым мешком. Насосный привод 2 работает по замкнутому циклу: насос-
аккумулятор-молот-бак-насос. Подпоршневая полость 3 рабочего цилиндра 4 постоянно соединена с давлением аккумулятора 1. Сила давления жидкости в полости 3 удерживает массу 5 в крайнем верхнем положении.
Для совершения разгона соединяют полость 6 цилиндра 4 клапаном
7 с давлением аккумулятора 1 и полости 3. Происходит разгон ударной массы 5 под действием силы давления, действующей по площади штока цилиндра 4 и сил тяжести падающих частей. На некотором пути разгона, ещё до удара, клапан удара 7 закрывают, чтобы открыть клапан слива 8. За время между переключениями клапанов 7 и 8 ударная масса 5, движущаяся со скоростью, близкой к но минально й скорости удар а (7 м/с), может совершить путь, равный трети её пути при разгоне. В полости 6, отсоединённой от источника давления и атмосферы, произойдёт падение давления ниже атмосферного. Для исключения разряжения в полости 6 к ней подсоединён компенсатор 9, поршень 10 которого вытеснит жидкость из компенсатора 9 через клапан 11 в полость 6.
По завершению удара ударная масса 5 отскочит вверх и вытеснит поршнем 13 часть жидкости из полости 3 в аккумулятор 1 через обратный клапан 7. Ввиду давления жидкости в полости 3, поддерживаемого давлением аккумулятора 1, ударная масса зависнет в промежуточном положении, что исключит повторный, произвольный удар по заготовке.
Затем переключают клапан 8 на слив. Масса 5 осуществит возвратный ход в исходное для удара положение под действием силы давления в полости 3. Перед крайним верхним положением (КВП) ударной массы 5, клапан 8 закрывают, тормозя её движение вверх по инерции силой сопротивления истечению жидкости из полости 6 через клапан 12 в аккумулятор 1. В КВП массу 5 останавливают и цикл повторяют.
В технической литературе известна аналогичная схема шаботного молота типа HOG с гидроприводом фирмы {^umuco» (Германия) [1]. О её реализации в промышленности информации нет.
В настоящее время на кафедре СПД «Станкин» проводят теоретические исследования разных по конструкции бесшаботных молотов с гидравлической связью масс (БШМГС).
В 1974 г. в СССР был разработан и изготовлен БШМГС модели БМ-1500, который и в настоящее время находится в опытнопромышленной эксплуатации на Чебаркульском металлургическом заводе (ЧМЗ, г. Чебаркуль, Челябинская обл.). Аналогичные по конструкции молота выпускают фирмы «Beche Grochs» и «Genrih Rau» (Германия) и «Di-jep» (Венгрия).
Общий вид и конструктивная схема БМ-1500 представлены на
рис. 2.
БМ-1500 развивает энергию удара до 1500 кДж, а скорость удара -до 6 м/с. Его технологические возможности при штамповке поковок балок и коленчатых валов превосходят технологические возможности самого мощного в стране пресса силой до 750 МН. Конструктивная схема и принцип работы такого типа БШМГС даны в учебниках по кузнечноштамповочному производству и другой технической литературе [1].
а б
Рис. 2. Общий вид (а) и принципиальная схема (б) молота БМ -1500
К положительным качествам БМ-1500 можно отнести простоту конструктивной схемы и конструкцию станины. В процессе экспериментальной эксплуатации БМ-1500 [2] обнаружены его следующие недостатки:
1. Низкий КПД привода, вызванный выбросом сжатого воздуха за каждый цикл.
2. Низкая работоспособность верхней ударной массы 2, выполненной заодно с толстым штоком. При внецентренных ударах вследствие деформации стоек станины 4 и защемления поршня со штоком в цилиндре 1 при изгибе штока возникают в галтели ударной массы 2 растягивающие напряжения, приводящие при жёстких ударах к её разрушению.
3. Низкая работоспособность резинометаллических амортизаторов
8 и 9, установленных между штоками 5 и 6 и ударными массами 2 и 3.
Теоретическим анализом БМ-1500 при рабочем ходе, проведённым в МГТУ «Станкин», установлено, что боковые штоки 5 наносят при отскоке удар по амортизаторам 8 верхней ударной массы 2 со скоростью, в 2 раза превышающей их скорость при разгоне. Это подтверждают результаты экспериментальных исследований БМ-1500, проведённых в начальной стадии его эксплуатации [2]. Теоретическими исследованиями установлено, что для снижения сил удара в узле шток 5 - масса 2, нужно создать при ударе давление жидкости в полостях 7 гидросвязи, которое бы сокращало длительность отделения штока 5 от массы 2 и обеспечивало бы их совместное движение вверх при одновременном отскоке ударных масс 2 и 3.
4. Рост давления жидкости в гидросвязи при отскоке за счёт энергии отражения ударной массы 3 и сил тяжести нижних подвижных частей, воздействующих на корпус гидросвязи 4 и его крепление к станине.
Для уменьшения сил давления в гидросвязи при отскоке целесообразно установить в её центральном штоке 6 гидравлический демпфер, поглощающий частично или полностью энергию отражения нижней массы 3.
В те же годы в Российской Академии наук была создана гамма БШМГС модели МШ (молот штампово чшй) с энер шей удар а от 4 до 250 кДж и скоростью удара до 15 м/с [3]. Разработку моделей МШ вели с учётом недостатков конструкций БШМГС фирмы «ВесЬе ОгосЬб», сделанных на основе анализа её патентов. Они оказались аналогичными недостаткам, которые были обнаружены позднее на БМ-1500.
Общий вид МШ-250 и принципиальная схема, по которой выполнены все модели МШ, представлены на рис 3.
Рис. 3. Принципиальная схема конструкции МШ (а) и общий вид МШ-250(б)
БШМГС моделей МШ имеют равные по весу ударные массы; скорость удара до 10.. .15 м/с; массу от 4 до 80 тонн; пневмопривод плунжерного типа; давление воздух а до 8 МПа; гидропривод с давлением до 32 МПа; рабочую жидкость - масло или эмульсию; нижний выталкиватель 9; управление ручное и автоматическое; защитные шторки и упоры, предотвращающие произвольный удар и используемые для удара в упоры при срыве технологического цикла.
Процессы штамповки на МШ можно механизировать и автоматизировать. Так, на базе МШ-4 была создана автоматическая линия для штамповки корпуса распылителя двигателя трактора, а на базе МШ-250 -механизированный комплекс для штамповки специзделия.
В советское время создано порядка восьми БШМГС модели МШ с энергиями удара 4, 6,3, 16 и 250 кДж. Модели МШ-6,3; МШ-16 и МШ-250 находятся в настоящее время в опытно-промышленной эксплуатации.
Принцип работы конструкции МШ состоит в следующем (см. рис.3,а). Ударные массы 3 и 4 удерживают в исходном положении силой давления жидкости в управляющей полости 10. Для осуществления разгона соединяют полость 10 цилиндра 16 с атмосферой. Под действием силы привода 5 происходит встречное движение ударных масс 3 и 4 для удара. В конце разгона, перед началом нагрузочной фазы рабочего хода тормозят и останавливают центральный шток 19 с поршнем. В дальнейшем нижняя масса 4 движется вверх до удара по инерции, а верхняя масса 3 и боковые штоки 7 движутся вниз под действием сил привода 5. Штоки 7, двигаясь вниз, сжимают жидкость в полостях 11 и 12 до давления, при котором сила давления жидкости в полости 14 станет больше силы давления сжатого воздуха в полости 15 и сместит поршень 13 вниз, увеличивая объём полости 14 гидросвязи. При этом вследствие высокой сжимаемости воздуха и малого перемещения поршня 13 давление жидкости в полости 14 гидросвязи
^5 т
рж =aPo—, С1)
Л 4
где а - коэффициент расширения воздуха в пневмоприводе 5, определяющий величину давления в конце разгона; Б4 и Б4 площади полостей 13 и 14 компенсатора соответственно; р0 - давление сжатого воздуха в пневмоприводе 5 в исходном для удара положении.
При теоретическом анализе рекомендуют принимать а=0,8 [1].
Давление рж создаст силу, которая остановит движение бокового штока 7 вниз на нагрузочной фазе и прижмёт его верхний торец к нижней
плоскости верхней ударной массы 3 ещё до начала отскока ударных масс 3
и 4 друг от друга. Благодаря силе давления рж боковой шток 7 и ударная масса 3 будут двигаться при отскоке вверх одновременно.
Энергию отскока нижней ударной массы 4 погасит частично или полностью гидравлический демпфер, встроенный в конструкцию центрального штока 19 (на рис. 3,а не показано).
Таким образом, благодаря высокому давлению жидкости в гидросвязи на нагрузочной фазе и гидравлическому демпферу, встроенному в шток 19 нижней массы 4, обеспечена в конструкции МШ работоспособность узлов контакта шток - ударная масса без резинометаллических амортизаторов, являющихся слабым местом других конструкций БШМГС.
Возвратный ход начинают, переключая клапан 18 в положение, при котором соединяют управляющую полость 10 с давлением гидропривода, под действием которого и сил тяжести центральный шток 19 и нижняя масса 4 будут двигаться вниз.
Верхною ударную массу 3 и штоки 7 перемещают вверх при возвратном ходе давлением жидкости в полостях 11 и 12, создаваемом силой давления привода в полости 10, когда её соединяют с приводом. В конце возвратного хода сначала останавливают центральный шток 19 с нижней массой 4, а затем силой привода 5 - верхнюю ударную массу 3 в исходном для удара положении. Затем цикл повторяют.
К достоинствам конструкции МШ относятся:
1) работа пневмопривода без выброса сжатого воздуха в атмосферу за цикл;
2) выполнение ударных масс 3 и 4 раздельно от приводных штоков;
3) нанесение жёстких, неоднократных ударов штампа о штамп без разрушения конструкции;
4) применение пневмоцилиндров и гидроцилиндров плунжерного типа;
5) высокий КПД гидромеханической системы конструкции, составляющий 77.78 %;
6) оснащение конструкции гидротормозами, сглаживающими соударения масс и штоков при их останове в крайних исходных положениях (на рис. 3,а не показаны);
7) исполнение узлов контакта шток - ударная масса без амортизаторов;
8) исполнение центрального штока 19 гидросвязи с демпфером, снижающим силы, возникающие при его столкновении нижней ударной массой 4 при отскоке.
Рис. 4. Поковки, отштампованные на МШ: а - поковка наголовника для тепловыделяющих элементов реакторов, изготавливаемая из коррозионно-стойкого материала, штампуемая в настоящее время для предприятия Минатома; б - поковка фланца из стали 30ХГСА; с - поковка носовой части ракеты из алюминиевого сплава
В процессе создания и исследования конструкции МШ разработана методика проведения сдаточных, приёмочных и ресурсных её испытаний. Рабочие чертежи на конструкции моделей МШ-250 и МШ-6,3 выполнены в соответствии с Сертификатом на промышленный образец [3]. Эти молоты, а также МШ-16 находятся в опытно-промышленной эксплуатации на предприятии Российской Академии наук.
Крупные поковки (см. рис. 4, а,б,) отштампованы на МШ-250 многоударной штамповкой за один нагрев. Регулирование энергии удара осуществляют путём изменения между ударами сопротивления сливу из по-
лости 10 при разгоне путём изменения площади сливного отверстия клапана 18. Средние по размеру поковки отштампованы на МШ-250 одноударной штамповкой. Мелкие поковки деталей ракетостроения из легированных сталей и сплавов массой от 15 до 350 г изготовлены горячей, одноударной штамповкой на моделях МШ-4, МШ-6,3 и МШ-16. При их изготовлении коэффициент использования материала был повышен с 0,15 до 0,7.
Список литературы
1. Машиностроение: энциклопедия. Машины и оборудование кузнечно-штамповочного производства / Ю.А. Бочаров, [и др.]. М.: Машиностроение. 2005. 960с.
2. Поиск новых решений и выдача предложений по амортизации молота, обеспечивающего надёжную работу амортизаторов: Отчёт / ВНИИ-метмаш. Рук. работы Ю.А.Зимин. № ГР 81234938; Инв. № 0282.2024591. М.: 1978. 100 с.
3. Колотов Ю.В. Разработка новой конструкции и методики проектирования бесшаботного молота с гидравлическим механизмом связи ударных масс: дис... канд.техн. наук. М., 1984, 208 с.
U. Kolotov
New designs of the domestic stamping hammers
A constructive scheme of a special hammer with hydraulic is proposed.
Keywords: hammer, mass, drive, hydraulic, pneumatic, blow.
Получено 07.04.10
УДК 621.983:539.974
С.П. Яковлев, д-р техн. наук, проф., (4872) 35-14-82, [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ),
В.Н. Чудин, д-р техн. наук, проф., (499) 901-51-44, [email protected] (Россия, Москва, МИИТ),
А.В. Черняев, канд. техн. наук, доц., (4872) 35-14-82, [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ)
ОСЕСИММЕТРИЧНОЕ ВЫДАВЛИВАНИЕ ФЛАНЦЕВЫХ ЗАГОТОВОК ПРИ ВЯЗКОПЛАСТИЧНОСТИ
Предложены соотношения для расчёта силовых и деформационных режимов осесимметричного изотермического выдавливания заготовок с фланцем. Выполнены теоретические исследования влияния технологических параметров на величины давления и повреждаемости при выдавливании фланцевых заготовок из алюминиевых и титановых сплавов.
Ключевые слова: выдавливание, вязкость, высокопрочные материалы, давление, температура, повреждаемость.
Детали с фланцевыми утолщениями используют в арматуре трубопроводов двигательных установок летательных аппаратов. Материалы этих деталей - высокопрочные сплавы, и их горячая обработка давлением
