CC BY
51
УДК 621.735.32
РАСЧЕТ ЭНЕРГОСИЛОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПРЕССА ДЛЯ ШТАМПОВКИ
С КРУЧЕНИЕМ
А.Д. Хван, В.В. Ковалев
В статье на основе решения задачи по осадке с кручением цилиндрических заготовок получено соотношение для расчета потребной мощности при реализации процесса осадки с кручением цилиндрических заготовок, зависящей от свойств материала, геометрических параметров заготовки, относительной деформации, линейной и угловой скорости перемещения нагружающего пуансона. Для удобства счета вводится коэффициент, характеризующий отношение угловой скорости к линейной. Установлено, что с увеличением угловой скорости указанная выше мощность возрастает. Знание мощности необходимо для проектирования силовых элементов пресса и его привода. Рассматривается конструкция пресса для реализации указанного процесса
Ключевые слова: мощность, деформирующая нагрузка, напряжение, деформация, линейная и угловая скорости
В последние десятилетия интенсивно разрабатываются технологии для повышения эксплуатационных свойств элементов конструкции на основе термомеханической обработки (ТМО) [1]. При этом как показали исследования [2,3] высокоэффективным является использование в качестве пластической обработки осадка с кручением обеспечивающее в условиях ТМО наибольшее повышение прочности,
износостойкости и стойкости (инструментов).
Для реализации процесса осадки с кручением цилиндрических плоских заготовок важным является расчет потребной мощности, знание которой необходимо для проектирования соответствующего прессового оборудования [4,5].
Целью настоящей работы является получение решения задачи по определению указанной мощности при деформировании заготовки при комнатной температуре.
На рис. 1 представлена схема осадки с
кручением заготовки 1 в цилиндрической системе координат г , р , р,
Рис. 1
Хван Александр Дмитриевич - ВГТУ, канд. техн. наук, доцент, тел. 8(473)252-74-80
Ковалев Виктор Васильевич - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, тел. 8(473)252-74-80, e-mail: tpm@vorstu.ru
согласно которой последняя деформируется перемещением жесткой нагружающей плиты (пуансона) 2 со скоростью V вдоль оси г и вращением с угловой скоростью О относительно этой оси. Здесь Н0, Н - исходная и текущая высоты заготовки; Ко, К - исходный и текущий радиусы заготовки.
На основе кинематического анализа и уравнений состояния в соответствии с теорией течения [6] получены соотношения для расчета нормального Гг и касательного т напряжений [7].
Г = Г (е)-Д-1;
t = s0 (е)———-Д 1 р. 0W 3Re
(1)
Здесь (Го - интенсивность напряжений; е -относительная деформация осадки; р - расстояние от оси г до рассматриваемой точки в поперечном сечении заготовки; у - угловая деформация на поверхности заготовки ( р= К ),
Д = .
1 —2 (1 -e)2 ,
V 3 R 2e2 р ’ накопленная деформация.
e = ln-
1
1 -e
■•Д
Деформирующие нагрузки - сила сжатия Р и скручивающий момент М согласно статическим уравнениям равновесии будут равны К К
P = 2pf szpdp ; M = 2ж\тр dp.
(2)
Тогда с учетом соотношений (1) эти нагрузки будут определяться по следующим формулам
К
Р = 2п\а0 (e)ДГlрdр■; о
.К
Го (е)Д-'^ р
M = — fs0 (е)Д 1 ——e)p3dp.
3 0 Re
(3)
Потребная мощность для обработки заготовки может быть определена согласно законам механики по соотношению
N = PV + Ма . (4)
00
Тогда с учетом уравнений (3) это соотношение можно записать в виде
N = 2р
К К
V | <г0 (е)А~х рйр + | <г0 (в)А-1рлёр
(5)
оо
Относительную и угловую деформацию можно
выразить как функцию соответственно линейной
(V ) и угловой (О ) скоростей.
Vt а(
е =---; у =-------К. (6)
Но Но - V ^
Здесь t - время деформирования; Vt = ДН -изменение высоты заготовки.
Если принять коэффициент, определяющий отношение угловой скорости к линейной
Р = ^,
И V
то второе уравнение в (6) запишется в виде
г=-
ре0
(7)
(8)
(1 -е)л/1 -е
Значение А в уравнениях (1) с учетом выражений (6) и (7) будут определяться по следующей формуле
а=111+Р р2-
(9)
При выводе этой формулы учтено, что текущий радиус заготовки равен
К = К
1
1 -е
(10)
В выражениях (1), (3) и (5) интенсивность напряжений можно с целью удобства счета на ЭВМ представить в виде аппроксимации А. Надаи
Г = Аеп, (11)
где А, п - характеристики материала, определяемые статистической отработкой опытной кривой течения.
Окончательно уравнение мощности (5) с учетом всех приведенных соотношений можно записать в виде
( 1 \п К —2 К
N = V 2яА[1п-----I \ Дn-1рdр + — | Дn-1р4dр
V 1-е) о 3 о
(12)
Если будет рассматриваться материал заготовки идеально жестко-пластическим (п = о, А = ат - предел текучести), то это соотношение примет вид
"к —2 к ~
N = V2ргт | Д-1рdр + — |ДГ1р4dр У о 3 о _
В качестве примера расчета потребной мощности при обработке заготовки размером 01оо мм из инструментальной стали Х12М (А = 18ЮМПа, п = о,35 [8]). Пусть линейная
скорость перемещения нагруженной плиты
V = 1мм/сек, а — = о, о,о 15, о,о3о, о,о45 1/мм.
На рис. 2 представлены графики изменения мощности N в зависимости от относительной
(13)
деформации осадки Є для различных значений коэффициента Р : здесь 1 - 0; 2 - 0,015; 3 - 0,030; 4 - 0,045.
Из рисунка следует, что потребляемая мощность для реализации процесса пластической обработки монотонно возрастает с увеличением степени осадки и угла закручивания заготовки. Например, при е = 0,5 N = -5кВт (Р = 0);
N = -8кВт (Р = 0,015); N = 38кВт (Р = 0,030);
N = 55кВт (Р = 0,045). Результаты расчета
мощностей N получены для линейной скорости движения нагружающей плиты пресса (или
нагружающего пуансона) V = 1. Если же
сек
потребуется определять мощность при других скоростях, то необходимо все значения ординат на указанном рисунке увеличить на величину этой скорости.
Рис. 2
На рис. 3 представлены графики изменения мощности N = N (е), построенные согласно уравнению (13) при Гт = 1 оо МПа, V = 1мм/сек.
Рис.3
Здесь номера кривых соответствуют значениям Р на рис. 2. Как видим, характер изменения мощности для заготовки из идеально жестко пластичного тела такой же, что и для заготовок из упрочняющегося материала.
При рассмотрении материала заготовки с другими значениями предела текучести (/т и линейной скорости деформирования V' необходимо значения ординат, представленных на рис. 3
графиков изменить на коэффициенты «1 = ат /от , а- = V' / V , тогда соотношение (12) запишем в виде
N = V-пота1а-
к Р2 К
/ А-1рЛр + Р— / А-1р4 Лр
0 3 0
(14)
При указанной выше относительной деформации максимальный сдвиг на поверхности заготовки согласно формуле (6) и указанных значениях коэффициента — равен соответственно о, 1,об, 2,12, 3,18, а максимальная накопленная
деформация согласно выражениям (1) и (9) составит соответственно - о,693, о,725, о,813, о,941.
Таким образом, значение требуемой мощности для реализации пластической обработки заготовок позволит провести силовой расчет всех основных элементов пресса, а также установить мощность электродвигателя его привода Nэл, которую можно рассчитать по формуле
N. =
N
(15)
где Щ,Л2 - соответственно к.п.д. всех
кинематически связанных элементов пресса и привода.
Для реализации процесса штамповки с кручением в условиях крупного серийного и массового производства в статье дополнительно рассматривается конструкция соответствующего пресса.
На рис. 4 представлен фронтальный разрез пресса, содержащий расположенный на станине 1 привод, муфту, тормоз (не показаны). В станине установлен связанный с приводом маховик 2, в центральном резьбовом отверстии которого установлен с возможностью перемещения параллельно оси маховика винт 3 с верхней концевой частью некруглого сечения, по которой винт вставляется в соответствующее некруглое отверстие установленного по скользящей посадке в станине верхнего маховика 4 для образования с ним поступательной пары. На подпятнике 5 ползуна 6 дополнительно закреплены параллельно оси винта 3 по крайней мере два цилиндрической формы упора 7, свободные концы которых установлены по скользящей посадке в соответствующих отверстиях маховика 2. Винт 3 другой концевой частью закреплен посредством болта 8 на нижнем подпятнике 5 для образования с ним цилиндрической шарнирной пары. При этом подпятник 5 может вращаться относительно болта 8, жесткого соединенного с винтом 3. В основании 124
корпуса 1 пресса устанавливается нижняя часть штампа 9 с необходимыми матрицами (они не показаны), а в самом корпусе 1 установлены в радиальном направлении по крайней мере два стопорных винта 1о, поджатием которых к маховику 4 производится торможение его вращательного движения.
Пресс работает следующим образом. При вращении маховика 2 через упоры 7 вращательное движение передается подпятнику 5. В свою очередь последний благодаря винтовой паре маховик-винт будет перемещаться вместе с ползуном 6 вниз или вверх, т.к. винт 3 может совершать возвратнопоступательное движение в зависимости от направления вращения маховика 2. При этом крутящий момент будет передаваться заготовке до необходимой степени деформации сдвига.
Для плавного изменения в широких пределах соотношения между деформациями осадки и сдвига в обрабатываемой заготовке предусмотрена в прессе возможность вращения винта 3 совместно с маховиком 4 относительно приводного маховика 2 с угловой скоростью О3 , вызванного действием тормозного момента Мт (рис. 5). Этот момент возникает вследствие поджатия стопорных винтов 1о к маховику 4 радиальными силами К , и направлен против вращения приводного маховика 2 с угловой скоростью О2 .
Рис. 5
Величину указанного момента можно рассчитать по формуле
Мт = ТВ = КБ/ . (16)
Здесь Т = КЕ - сила трения, где / - коэффициент трения на поверхности контакта винта 1о с маховиком 4; В - диаметр последнего.
На основании законов механики можно получить для расчета угловой скорости ю3 следующее соотношение
а = КD/t / J (17)
где J - момент инерции винта 3 с маховиком 4; t -время процесса торможения маховика 4, отсчитываемое с момента начала действия силы К .
Из кинематического анализа взаимодействия всех подвижных пар пресса можно определить величину осевого перемещения £ винта 3 и его линейную скорость движения V соответственно по соотношениям
RDfPzt2 . 2pJ ’ RDfPzt
S =
V =
2pJ
(18)
(19)
где рг - шаг винтовой линии резьбы.
Если же стопорные винты 1о не будут прижаты к маховику 4 ( К = о ), то последний с винтом 3 будет как одно целое с маховиком 2 вращаться с угловой скоростью О2 . В связи с этим винт 3 вместе с подпятником 5 не будет перемещаться в осевом направлении относительно маховика 2. При этом указанный подпятник
благодаря наличию жесткой связи с маховиком 2 посредством упоров 7 будет совершать только вращательное движение с угловой скоростью w ■
Таким образом на основе решения задачи по осадке с кручением цилиндрической заготовки получено соотношение для определения потребной мощности для реализации указанной пластической обработки. Полученные значения необходимы для силового расчета основных элементов пресса и его привода.
Литература
1. Бернштейн Л.М., Термомеханическая обработка металлов и сплавов. М.: Металлургия. 1985, - 117 с.
2. Хван Д.В., Токарев А.В., Повышение стойкости инструментов осадкой с кручением. Кузнечноштамповочное производство, 2002. №11. - с. 44-46.
3. Токарев А.В., Разработка процессов и
определение параметров осевого инструмента на основе пластической деформации: дис. канд. техн. наук.
Воронеж, 2006. 160 с.
4. Хван А. Д., Панин П. М. Пресс для осадки с кручением. Кузнечно-штамповочное производство, ОМД, 2011. №10
5. Патент РИ№2252269 «Способ улучшения свойств инструментальной стали/ Токарев А.В., Хван Д.В. и др./ Бюл. №14 от 20.05.2005.
6. Качанов Л.М. Основы теории пластичности. М.: Физметгиз, 1970. - 420с.
7. Хван Д.В., Хван А.Д., Воропаев А.А., Амрахов И.Г., Технологические задачи пластического кручения. Изд. Воронежский государственный университет, 2002. -158 с.
8. Хван Д.В. Повышение эффективности в обработке металлов давлением. Изд. Воронежский государственный университет, 1995. - 224 с.
Воронежский государственный технический университет
CALCULATION OF POWER POWER CHARACTERISTICS OF THE PRESS FOR PUNCHING WITH TORSION
A.D. Rhvan, V.V. Kovalev
In article on the basis of the solution of a task after a deposit with torsion of cylindrical preparations the ratio for calculation of potrebny capacity at process realization a precipitation with torsion of the cylindrical preparations, depending on properties of a material, geometrical parameters of preparation, relative deformation, linear and angular speed of moving of a loading punch is received. For convenience of the account the factor characterizing the relation of angular speed to the linear is entered. It is established that with increase in angular speed the capacity specified above increases. The knowledge of capacity is necessary for design of power elements of a press and its drive. The press design for realization of the specified process is considered
Key words: the capacity, deforming loading, tension, deformation, linear and angular speeds
