CC BY
13
УДК 621.73.06:621.979.82
О ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТИ СОЗДАНИЯ НЕСТАНДАРТНОГО МАЛОГАБАРИТНОГО ПРЕССОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ
А.М. Дмитриев, чл.-корр. РАН (МГТУ им. Н.Э. Баумана, 105005, г. Москва, 2-я Бауманская ул., 5)
Обсуждены задачи, которые решались кузнечно-прессовым машиностроением в Советском Союзе, показана работа научной школы, возглавляемой профессором А.И. Зиминым.
Обоснована целесообразность разработки и создания специализированного, в частности, малогабаритного прессового оборудования на современном этапе развития отрасли.
На примере развития технологии холодной объемной штамповки выдавливанием с активным действием сил контактного трения продемонстрированы созданные в России для этой технологии образцы специализированных малогабаритных гидравлических прессов.
Ключевые слова: холодная объемная штамповка, выдавливание, малогабаритные гидравлические пресса.
The Feasibility of Oreating a Oustom Oompact Press Equipment. A.M. Dmitriev.
The paper discusses the problems that were solved in the forging and pressing machine-building industry in the Soviet Union, and also presents the work of the scientific school headed by Professor Anatoliy Zimin.
At the present stage of the industry development in the Russian Federation it is advisable to develop and create small-sized press equipment.
On the basis of the development of cold extrusion technology with active effect of forces of contact friction, specialized small-sized hydraulic presses were created in Russia to implement this technology.
Key words: cold extrusion, extrusion, small-sized hydraulic presses.
В годы первых советских пятилеток, в период индустриализации нашей страны сформировалось справедливое в те годы представление, что нашу машиностроительную промышленность необходимо насытить универсальным технологическим оборудованием. Таким оборудованием, которое позволяло бы выпускать широкую номенклатуру изделий. Для каждого из изделий технологи подбирали режимы резания на металлорежущих универсальных станках или создавали штампы и таким образом реализовывали процессы штамповки для производства конкретных поковок. Примером первых отечественных универсальных токарных станов являлись станки марки ДИП, что расшифровывалось как «догоним и перегоним». Можно догадаться, какая из стран должна быть названа после этих слов.
Указанный подход в своем развитии привел к тому, что в 60-е годы в нашей стране был осуществлен выпуск двух крупнейших в мире универсальных гидравлических штамповочных прессов силой 75 тыс. тс (750 МН). Главным конструктором проекта являлся выпускник кафедры МВТУ им. Н.Э. Баумана, проф. Б.В. Розанов. Несколько позже под его руководством был разработан проект штамповочного гидравлического пресса силой 65 тыс. тс (650 МН) по заказу Франции для авиационной промышленности. При этом Советский Союз выиграл конкурс на создание этого пресса у США, ФРГ, Японии, Италии. Пресс был построен на Новокраматорском машиностроительном заводе.
Надо ли было создавать такие крупнейшие в мире прессы? Да, надо. Почему же такие
огромные прессы не строили капиталистические страны? По нашему мнению, только пятилетнее планирование развития народного хозяйства в Советском Союзе позволяло сосредоточить средства для реализации таких проектов. В капиталистических странах отдельным прессостроительным фирмам это было не по силам.
После спада машиностроительного производства в России создание в новых экономических условиях тяжелого кузнечно-прессо-вого оборудования нашей стране также стало не по силам. Однако это не мешает воспользоваться теми научными принципами конструирования, которые были разработаны отечественными учеными. Даже, напротив, мировой кризис подвигает сегодняшних ученых-конструкторов к использованию накопленного ранее в нашей стране научного потенциала. Это относится и к уже несколько утраченным методам подготовки специалистов-конструкторов.
В доперестроечный период машиностроительную продукцию выпускали различные предприятия, укомплектованные оборудованием, произведенным на специализированных прессостроительных заводах. Такие заводы были заинтересованы в выпуске крупного универсального оборудования. О чем свидетельствуют номенклатурные каталоги выпускаемой продукции этих предприятий.
Предполагалось, что на прессе с большим запасом по силе и установочной мощности при необходимости можно изготовить сравнительно небольшие штампованные изделия, если установить соответствующие штампы. Это характерно не только для отечественной промышленности, но и для зарубежной. Автору в начале 90-х годов прошлого века довелось участвовать в обсуждении заказа из США, в котором серебряный клапан для флейты предполагалось штамповать выдавливанием на гидропрессе силой 8 МН, хотя потребная для штамповки сила была в 50 раз меньше.
Целесообразность параллельного создания мелких прессов подтвердил опыт Оренбургского завода гидропрессов, выпустившего в конце 80-х годов партию прессов силой 50 кН. Эти прессы вызвали активный спрос
потребителей, и обладатели этих прессов успешно эксплуатируют их и в настоящее время.
При использовании крупных универсальных прессов для штамповки небольших деталей предъявляются повышенные требования к жесткости штампов. Направляющие ползуна крупного пресса невозможно отрегулировать с точностью, требуемой при производстве мелких поковок. Необходимую точность приходится обеспечивать за счет направляющих элементов штампов. Последние должны компенсировать перекосы и смещения ползуна крупного пресса, чтобы не допустить поломки деформирующего заготовку инструмента.
При создании малогабаритного пресса его во многих случаях целесообразно разрабатывать для изготовления определенной детали или группы деталей. При этом возможно вообще отказаться от штампа и даже ползуна пресса, что будет подтверждено ниже.
Габариты вновь создаваемого пресса и трудоемкость его изготовления становятся близки к трудоемкости изготовления и стоимости штампа для универсального пресса.
Разработка обобщенных показателей и энергетическая классификация кузнечно-штамповочных машин (КШМ) - основа инновационных разработок*. Поэтому должна быть завершена начатая и в значительной степени развитая одним из основоположников куз-нечно-прессового машиностроения в нашей стране проф. А.И. Зиминым система обобщенных показателей и критериев для сравнительного анализа кузнечно-штамповочных машин. Согласно системе А.И. Зимина, структура машин во многом определяется компонентами эффективной энергии рабочих частей. Такими компонентами являются: энергия давления (гидропрессы, гидростаты), кинетическая поступательная энергия (молоты), вращательная (кривошипные и ротационные прессы и машины), поступательная и вращательная (винтовые прессы), импульсная энер-
* Примечание научного редактора. При условии, что энергетическая классификация машин охватывает обслуживание инновационных технологических процессов ОМД, в том числе с кинематико-силовым использованием деформационного трения.
гия (электромагнитные импульсные машины, электрогидравлические машины). Комбинируя и объединяя эти виды энергий, можно прогнозировать развитие многих конструкций инновационных новаторских кузнечно-штамповочных машин.
С тем, чтобы продолжать планомерную разработку новых прототипов и конструкций КШМ, запущен алгоритм этих работ в системе Министерства образования и науки: принципиальная схема, расчеты, студенческие курсовые и дипломные проекты, эскизно-технический проект конструкции, рабочий проект, изготовление экспериментального прототипа, образца, сборка и отладка, экспериментальные исследования, сопровождающиеся развитием теории и методов расчета. Все эти работы предусматривают успешную защиту курсовых и дипломных проектов, кандидатских диссертаций.
Такая схема работы на протяжении многих лет успешно практиковалась на кафедре «Машины и автоматизация обработки давлением» МВТУ им. Баумана, возглавляемой проф. А.И. Зиминым. В относительно короткий период аспирантами и инженерами в МВТУ разработаны и исследованы варианты конструкций следующих кузнечно-штамповочных машин.
Гидровинтовые пресс-молоты. Новые конструкции гидровинтовых пресс-молотов создавали с объединением трех видов энергии - кинетической энергии поступательного движения, вращательного движения и энергии давления:
- с наружной резьбой винтового цилиндра (Ю.А. Бочаров);
- с внутренней резьбой винтового цилиндра (В.М. Морогов);
- гидровинтовой кривошипный пресс (С.С. Гужин);
- гидровинтовой коленный пресс (Ю.М. Артёмов);
- гидровинтовой скоростной пресс-молот (А.М. Ларионов);
- специализированный скоростной пресс-молот (А.В. Сафонов);
- гидровинтовой бесшаботный пресс-молот (М.Т. Брежнев);
- гидровинтовой импульсный бесшаботный пресс-молот (Ю.А. Фофлин);
- гидровинтовой импульсный пресс-молот (А.Ф. Соколов);
- гидровинтовой пресс с гидромоторным приводом (Н.М. Ларионов).
Гидроимпульсные пресс-молоты:
- гидроимпульсный пресс-молот (А.Ф. Ка-гарманов);
- гидроимпульсный пресс-молот (Э.Б. Берд-ников).
Гидравлические и гидропневматические молоты:
- штамповочный гидромолот (А.А. Хоры-чев);
- гидравлический молот (В.И. Лукашин);
- гидропневматический молот (А.И. Пога-лов);
- гидропневматический молот (Н.Б. Бабин);
- гидропневматические молоты (Ю.В. Ко-лотов).
Каждое исследование заканчивалось методиками проектного и аналитического расчета новой машины и рекомендациями по ее внедрению, применению в промышленности.
Дальнейшей разработкой КШМ является создание систем дозирования энергии, числового программного и программно-адаптивного их управления.
На современном уровне это означает, что КШМ должны быть оборудованы системами программного и программно-адаптивного управления, мониторинга и диагностики параметров на основе электроники, компьютерной техники, информационных технологий.
В МГТУ им. Баумана разработаны и исследованы соответственно КШП следующие системы:
- дозирования энергии электровинтового пресса (И.В. Бовыкин);
- управления гидровинтового пресса (А.И. Башкин, Н.Н. Антипов);
- адаптивного (по температуре заготовки) управления гидровинтового пресса с горизонтально-встречным движением ползунов (В.П. Перевертов);
- программно-адаптивного (по массе и температуре заготовки) управления гидровинтовых прессов на основе имитационной модели (В.Е. Пашин);
- программного управления приводных пневматических молотов (Л.С. Петросян);
- программного управления ковочных комплексов с обратной связью по высоте поковки (В.А. Бороздин);
- программного управления паровоздушным штамповочным молотом (Н.Б. Бабин);
- адаптивного (по параметрам энергоносителя) управления для паровоздушных штамповочных молотов (Е.А. Юданов);
- программного управления для винтовых муфтовых прессов (М.Е. Маркушин);
- программного управления для гидровибрационных прессов (А.П. Терещенко);
- программно-адаптивного (по массе и температуре заготовки) управления для гидропневматических молотов серии МШ (А.В. Герасимов);
- программно-адаптивного (по высоте поковки)управления для гидропневматических штамповочных молотов (В.А. Антимонов);
- программно-адаптивного (по массе и температуре заготовки) управления для кривошипных горячештамповочных прессов и комплексов (Ю.А. Гладков).
Как следует из приведенного перечня инновационных разработок, в МГТУ им. Баумана имеется отработанная длительным периодом система научно-исследовательских и прикладных работ по созданию базы данных для развития отечественного кузнечно-прессово-го машиностроения.
Как известно, наряду с созданием крупного универсального прессового оборудования, существует направление на изготовление узкоспециализированного оборудования, которое на протяжении всего срока службы будет использоваться для крупносерийного выпуска только одного типоразмера поковок, например корпуса боеприпаса. В этом случае конструкция такого пресса может быть принципиально упрощена по сравнению с конструкцией универсально пресса. Габариты специализированного пресса должны быть минимально необходимыми для выполнения его технологического назначения.
Продолжение работ по созданию и использованию таких прессов, наряду с универсальными, актуально для современного состояния нашего возрождающегося машиностроения.
Ниже на примере развития разработанной новой технологии* - выдавливания с активными силами контактного трения - показан изложенный нами общий подход к конструированию системы пресс-штамп.
Использование активных сил контактного трения позволяет расширить область применения перспективной технологии холодной объемной штамповки. До настоящего времени последняя находит значительно более узкое применение, чем горячая объемная штамповка, хотя с позиций наименьших энергетических затрат она является наиболее целесообразной.
Среди ряда существенных позиций, определяющих преимущества и недостатки горячей объемной и холодной объемной штамповок, отметим, что до недавнего времени в разграничении их областей существовал, наряду с практическим, психологический фактор. Крупные машиностроительные предприятия обладали парком нагревательного оборудования, металлорежущих станков. Металл стоил дешево. Ветераны технологических бюро, в течение многих лет разрабатывавшие процессы горячей объемной штамповки, не были заинтересованы в своей переквалификации, и приходящих на предприятия молодых специалистов подключали к работам по горячей штамповке.
В настоящее время при организации новых предприятий отказ от приобретения парка нагревательных устройств и станков для обточки припусков на горячештампованных поковках, с учетом возрастания стоимости металла, делает холодную объемную штамповку значительно более привлекательной.
Как показывает опыт международных научно-технических конференций, область холодной штамповки в странах Запада также постоянно расширяется.
Для уменьшения анизотропии свойств заготовок, изготавливаемых холодной штамповкой из металлопроката, перспективна
* Примечание научного редактора. Как известно, наша страна обладает пионерскими разработками с использованием эффекта технологически активного трения в области выдавливания, прессования, штамповки и брикетирования (основные разработчики, помимо МГТУ, ОАО ВИЛС, МИСиС, КЗТС, Тяжстанкогидропресс).
штамповка деталей из металлических порошков, поскольку химическую однородность отдельных частиц порошка, их размеры и кристаллическое строение обеспечить значительно проще.
Другое преимущество порошковой металлургии заключается в том, что оказывается возможным получать новые технические материалы, которые нельзя или невыгодно изготавливать другими способами. К числу преимуществ порошковой металлургии относится также возможность использования отходов (окалина, стружка) для получения порошков.
Холодное выдавливание позволяет изготовлять поковки, размеры и качество поверхности которых удовлетворяют требованиям, предъявляемым к машиностроительным деталям, или близки к ним. Благодаря этому последующая обработка резанием и отходы металла сведены к минимуму. Однако для выполнения холодного выдавливания необходимо создавать удельные силы, величина которых в ряде случаев составляет четыре и более значений напряжения текучести материала деформируемой заготовки. Это обстоятельство является одной из причин, затрудняющих применение операции холодного выдавливания для среднеуглеродистых сталей и подобных по прочности сплавов, так как стойкость инструмента (в первую очередь, пуансонов) является недостаточной, чтобы технологический процесс был конкурентоспособным по сравнению с другими.
Практикой установлено, что величина удельной силы, воспринимаемая пуансонами из сталей Р9М4, Р6М3, Р6М5, ЭП761, твердость которых ЬШС 61-63, не должна превышать 2500 МПа.
В настоящее время для снижения деформирующей силы наряду с применением различных смазок и способов обработки поверхности заготовок, позволяющих уменьшить силы контактного трения, проводят выдавливание с активными силами трения (рис. 1).
Если скорость перемещения матрицы v1 больше скорости истечения металла V , то
^ ист'
направление сил трения на контакте с матрицей способствует течению металла и позволяет снизить удельную силу выдавливания на
15-25 %. Снижение удельной силы на такую величину позволяет вдвое и более повысить стойкость выдавливающих пуансонов.
Рис. 1. Схема выдавливания с активными силами трения:
1 - пуансон; 2 - заготовка; 3 - матрица; 4 - выталкиватель
Выдавливание по приведенной на рис. 1 схеме можно осуществлять на универсальных прессах в штампах, имеющих дополнительную траверсу с отдельным гидроприводом для перемещения матрицы в процессе выдавливания. Однако такие штампы громоздки, для их установки приходится выбирать прессы с большими размерами штампового пространства и соответственно большими, чем необходимо, номинальной силой и установочной мощностью электропривода. Это снижает КПД работы прессов.
Практика конструирования штампов для выдавливания с активными силами трения показала, что поскольку в любом случае требуется дополнительная траверса с отдельным гидроприводом, целесообразно отказаться от установки такого штампа на универсальный пресс, а предусмотреть в самом штампе гидроцилиндр, создающий деформирующую заготовку силу. Конструкция автономного штампа или специализированного экспериментального пресса для выдавливания с активными силами контактного трения приведена на рис. 2.
В прессе, если матрицу, установленную в траверсе 2, с помощью гидроцилиндров 3 перемещать в направлении течения материала со скоростью, превышающей скорость течения, то силы трения на границе заготовки с
Рис. 2. Конструкция пресса для выдавливания с активными силами трения
матрицей будут способствовать течению и разгрузят пуансоны. Функцию ползуна пресса выполняет плунжер 1 главного гидроцилиндра, непосредственно на котором без штампо-вой плиты размещен выдавливающий пуансон.
Экспериментальный пресс, имеющий номинальную силу 2 МН, приведен на рис. 3. Масса пресса (без приводов) составляет 2 т.
Рис. 3. Экспериментальный пресс для выдавливания с активными силами трения
Как известно, такие прессы можно устанавливать на верхних этажах зданий, что приобретает особое значение при современной стоимости производственных площадей, расположенных на земле. Ранее считалось, что для установки прессов необходима только земля.
Описанная выше конструкция специализированного пресса для выдавливания с активными силами трения имеет тот недостаток, что для его изготовления требуется применение координатно-расточных станков. Более технологична в изготовлении конструкция пресса (рис. 4), в которой все гидроцилиндры
660-3
Рис. 4. Конструкция экспериментального пресса для выдавливания с активными силами трения
размещены на одной общей оси. При ее изготовлении требуются в основном токарные, круглошлифовальные и простые фрезерные работы.
В экспериментальном прессе главный гидроцилиндр 1 расположен под столом 2. Плунжер главного гидроцилиндра является ползуном пресса и штамповой плитой. На нем установлен пуансон 4. Второй пуансон 6 закреплен на опоре 8, которая служит штоком гидроцилиндра 7. К гильзе гидроцилиндра 7 крепят траверсу 5, служащую для перемещения матрицы 3 в процессе деформирования.
Рабочие части пресса приводятся в движение от двух насосов. При подаче рабочей жидкости в поршневую полость А главного гидроцилиндра поршень совершает рабочий ход, а при подаче рабочей жидкости в што-ковую полость Б - обратный ход. Прямой и обратный ходы траверсы осуществляются при подаче рабочей жидкости соответственно в полости Г и В гидроцилиндра привода траверсы пресса, служащей для перемещения матрицы.
В конструкции пресса предусмотрено надежное направление гильзы 5 по опоре 8, что позволяет свести к минимуму несоосность верхнего пуансона и матрицы. Масса этого пресса без гидропривода равна 1,2 т.
На описанных прессах отработана технология штамповки сдвоенных втулок, показанных на рис. 5-7.
Рис. 6. Втулки из стали 15, изготовленные выдавливанием с использованием сил контактного трения для управления соотношением высот стенок
Рис. 5. Схема выдавливания сдвоенных втулок
Рис. 7. Втулки, изготовленные холодным выдавливанием из стали 20Х
При штамповке по схеме на рис. 5 деформирующая сила создается пуансоном, перемещаемым со скоростью уп. В зависимости от направления перемещения матрицы (на схеме условно обозначено V =0 или V =2) можно
мм7
направить течение металла соответственно во внутреннюю или во внешнюю стенку детали и регулировать соотношение высот стенок.
При этом силы трения также используются для снижения удельной деформирующей силы,
что позволяет осуществлять холодное выдавливание деталей даже из легированных сталей (см. рис. 7).
На прессах рассмотренного типа повышается возможность использования так называемых компенсационных полостей в штампах для уменьшения удельных сил, действующих на пуансоны, и создания условий холодного выдавливания легирующих сталей.
На рис. 8 показана схема выдавливания стакана со ступенчатой внешней поверхнос-
Рис. 8. Схема выдавливания с расширяющейся компенсационной полостью в матрице
тью из заготовки, имеющей внешний диаметр 2Я, пуансоном диаметром 2г.
Исходная заготовка имеет диаметр 2Я. Матрица в исходном положении опирается на нижний пуансон, и полость, в которую укладывают заготовку, также равна 2Я. По мере внедрения верхнего пуансона в матрицу последнюю передвигают вверх со скоростью ум При этом на внешней поверхности заготовки действуют активные силы контактного трения, а на уровне ступени матрицы последовательно открывается компенсационная полость, снижающая гидростатическое давление в заготовке и удельную силу выдавливания. Это способствует существенному повышению стойкости инструмента.
Подводя итог, отметим, что изготовление прессов, подобных описанным выше, возможно на предприятиях, которым эти прессы нужны для эксплуатации. Трудоемкость изготовления пресса умеренно превышает трудоемкость изготовления штампа для вы дав-ливания к универсальному прессу. Коэффициент полезного действия специализированных прессов выше, чем универсальных. Масса специализированных прессов существенно меньше, чем универсальных, что позволяет использовать их на верхних этажах зданий.
