Развитие механических прессов с клиношарнирным механизмом для разделительных операций Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.979.1

Д-р техн. наук Л. Л. Роганов, канд. техн. наук Н. В. Чоста, Т. В. Кириенко Донбасская государственная машиностроительная академия, г. Краматорск

РАЗВИТИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРЕССОВ С КЛИНОШАРНИРНЫМ МЕХАНИЗМОМ ДЛЯ РАЗДЕЛИТЕЛЬНЫХ ОПЕРАЦИЙ

Рассмотрены требования к оборудованию для разделительных операций сдвигом и ломкой. Для этой цели предложен новый клиношарнирный механизм с вогнутым клином и ряд схем прессов с таким механизмом.

Ключевые слова: клин, шарнир, разделение, сила, пресс, прокат.

Выбор оборудования для реализации различных процессов обработки материалов давлением (ОМД) определяется, прежде всего, характером изменения сил сопротивления заготовки в процессе рабочего хода инструмента. Так, гидравлические прессы целесообразно применять при выполнении операций с большим ходом, плавными колебаниями нагрузки, большим коэффициентом заполнения графика сил. К таким операциям относятся: вытяжка листового материала, прессование, выдавливание. Кривошипные прессы по характеру развиваемых усилий более всего подходят к технологическим операциям объемной штамповки, гибки, чеканки, где требуется обеспечить сравнительно небольшой ход и резкое повышение силы к концу рабочего хода. Молоты целесообразнее применять в операциях с коротким рабочим ходом, резким повышением и спадом рабочего усилия, что характерно для операций вырубки-пробивки, прошивки, разрезки заготовок, чеканки и калибровки.

Особое положение среди техпроцессов ОМД занимают разделительные операции. Процесс отрезки начинается после прохождения инструментом пути, на котором выбираются зазоры и происходит упругая деформация инструмента и машины, когда сила достигает максимума. Далее от максимального значения идет спад силы по мере уменьшения оставшейся площади среза. Поэтому для разделительных операций выбирают либо гидропрессы, либо механические (кривошипные) прессы. Недостатком такого выбора будет несоответствие графиков сил машины и техпроцесса, и, как следствие, перегрузка гидропрессов и механических прессов при резком сбросе технологической силы при отрезке за счет накопления упругой энергии, что приводит к динамическим явлениям в машинах.

Поэтому задача выбора исполнительного механизма машины для разделительных операций с таким видом передаточного звена, который обеспечивал бы

изменение силы деформирования на всем пути нагружения, максимально приближенное к типовому графику сил при разделительных процессах ОМД, является актуальной.

В Донбасской государственной машиностроительной академии (ДГМА) разработан принципиально новый исполнительный механизм пресса - клиношарнирный механизм (КШМ). Его особенность - криволинейная (цилиндрическая) поверхность клина с промежуточным шарниром на ползуне. Такая схема механизма позволяет впервые получить клиновой механизм с переменным углом клиновидности: от угла, примерно, 30-35° до нуля. Эта особенность обеспечивает переменное соотношение между приводным (на клине) и рабочим (на ползуне) усилиями механизма. Привод клина в КШМ возможен от любого механизма, обеспечивающего возвратно-поступательное движение выходного звена: кривошипного, коленно-рычажного, винтового, гидроупругого, гидро-, пневмоцилиндра и т.п., что расширяет универсальность привода [1].

Были разработаны КШМ с выпуклым, вогнутым клиньями, с наклонной одной из поверхностей клина, с дополнительным обычным клином и т.п. Проведены исследования различных типов КШМ, которые доказывают его эффективность для применения в различных процессах обработки металлов давлением.

Установлено, например, что КШМ с вогнутым клином и дополнительным обычным клином, угол которого меньше угла самоторможения (меньше 7°), впервые обеспечивает схему нагружения заготовки от максимума, в начале хода КШМ, с умень -шением силы при дальнейшем ходе ползуна. Такая схема нагружения характерна для разделительных операций ОМД. При этом ход приближения ползуна к заготовке, выборку зазоров и упругую деформацию машины необходимо обеспечивать обычным клином.

© Л. Л. Роганов, Н. В. Чоста, Т. В. Кириенко, 2010 118

Силовой анализ клиношарнирного механизма с вогнутым клином

Силовой анализ клиношарнирного механизма проведем с помощью построения кругов трения, аналогично методике при определении кинетостатических характеристик для кривошипных прессов, приняв при этом следующие допущения [2]:

- усилие уравновешивателя обеспечивает отсутствие раскрытия стыков в шарнирах и сочленениях клина с верхней плитой;

- весом и силами инерции звеньев механизма пренебрегаем, т. к. они сравнительно малы и их учет незначительно влияет на конечный результат;

- коэффициенты трения в шарнирах равны между собой, как и коэффициенты трения в направляющих клина и ползуна.

Схема сил, действующих в реальном клиношарнирном механизме, представлена на рис. 1, а. Трение в поступательных кинематических парах учитывается тем, что сила нормального давления отклоняется от нормали к поверхности на угол трения p(/gp = f). Рассмотрим результирующую силу по шарниру

Fab = F23 . Сила Fab направлена по касательной к

кругам трения, расположенным в центрах цилиндрических поверхностей клина и шарнира. Общий угол

наклона силы Fab к вертикали составляет (ф + у).

Угол у учитывает потери на трение между сопрягаемыми парами клин-шарнир и шарнир-ползун. Выражение для определения величины этого угла найдено из прямоугольного треугольника АВС:

sin у = f

R + r

R '

(1)

Рассмотрим равновесие ползуна 3. На него действуют силы Foз и F23 со стороны отброшенных звеньев, а также сила полезного сопротивления Fв . Урав-нение равновесия звена 3 имеет вид:

Fb + Foз + F^ = 0.

2З

(2)

где ^23 = FAB .

Построив замкнутый силовой треугольник для этих сил (рис. 1, б), запишем, согласно теореме синусов, соотношение между ними:

Fb

F

2З

sin( 90 - ф - p - у) sin( 90 + p)

(З)

Рассмотрим равновесие звена 2, учитывая, что

F32 = —F23 :

2З

Fз2 + ^12 — 0, откуда Fl2 — —Fз2. (4)

Уравнение равновесия звена 1 с учетом того, что

F21 = -F12 , имеет вид:

12

F21 + F01 + Fr = °.

(5)

Это уравнение также решается построением плана сил (см. рис. 1, б). Используя теорему синусов, получим:

Fr

F

21

sin^ + p + у) sin(90 -p)

(б)

Из рассмотренных уравнений равновесия звеньев клиношарнирного механизма можно сделать вывод,

а б

Рис. 1. Силовой анализ КШМ с вогнутым клином

ISSN 1607-6SS5 Нові матеріали і технології в металургії та машинобудуванні №1, 2010

119

что силы F2з; Fз2; F12; F21 одинаковы по модулю. Следовательно для того, чтобы найти соотношение между движущей силой Fг и силой полезного сопротивления Fв , необходимо выразить из уравнений (3), (6)

силы F2з и F21, и полученные выражения приравнять. Тогда получим:

Fr sin(90 — р) = Fb sin(90 + р) в1п(ф + р + у) sin(90 — ф —р —у)

Используя тригонометрические зависимости:

Fr cos р Fb cos р

sin( ф + р + у ) cos( ф + р + у )

Следовательно, искомое соотношение:

Fb

1

или

Fb =-

Fr

Fr tg (ф + р + у)

Fr

(7)

(8)

(9)

&(ф+р + у) A , , ,, -(f R+r

tg\ ф + arctgf + arcsin\ f ~r~

.(10)

Перспективные схемы машин с КШМ для холод -ной ломки изгибом и отрезки сортового проката сдвигом

Некоторые конструктивные схемы установок для сдвиговой отрезки и холодной ломки изгибом проката представлены на рис. 2 [3]. На схемах показана силовая рама 1 со штампом 2, куда введен прокат 3, подвижный нож 4 закреплен в ползуне 5 с шарниром 6, контактирующим с рабочим клином 7 вогнутой поверхностью (рис. 2, а), выпуклой поверхностью (рис. 2, б, в). Соответственно клин 7 имеет выпуклую (см. рис. 2, а) или вогнутую (см. рис. 2, б, в) поверхность. Устройство снабжается вспомогательным клином 8 (см. рис. 2, а, б, в). Привод вспомогательного и рабочего клиньев выполняется либо гидроцилиндрами 9 и 10, либо кривошипным механизмом (на схемах не показан).

Работают устройства следующим образом. Приводится в движение вспомогательный клин 8 при неподвижном клине 7, который удерживается гидроцилиндрами 15 или штамповыми полостями гидроцилиндров 9 (см. рис. 2, а, б). При этом происходит касание подвижного ножа 4 с прокатом 3, выборка зазоров и упругая деформация силовых элементов (поз. 1, 2, 3 ,4, 5, 6, 7, 8). Приводится в движение рабочий клин 7 гидроцилиндрами 9. Происходит разделение проката. Возврат клиньев 7 и 8 производится цилиндрами 9 и 10.

Рис. 2. Конструктивные схемы оборудования и оснастки с клиношарнирным механизмом

На экспериментальных моделях проверена работоспособность новых клиношарнирных механизмов с вогнутым клином при операциях сдвиговой отрезки круглых заготовок. Установлено значительное влияние сил трения в механизме на его коэффициент полезного действия (КПД). Например, при коэффициенте трения f = 0,1, КПД равен 0,52 (при угле ф = 16 °), при f = 0,1 и при том же угле, КПД равен 0,92. Найдены методы снижения коэффициента трения до f = 0,002,

б

в

что значительно увеличивает эффективность КШМ.

Рекомендации и выводы

Разработан и исследован клиношарнирный механизм с вогнутым клином, у которого в положении на оси пресса угол клина составляет 0 °. Такой механизм позволяет в начале хода отрезки иметь максимальную силу на прессе, что соответствует большинству техпроцессов разделительных операций. Ход приближения ножа к заготовке, выборку зазоров и частично упругую деформацию системы «заготовка - инструмент -пресс» обеспечивает обычный клин с независимым приводом. Такая схема механического пресса для разделительных операций разработана впервые и может быть рекомендована для создания машин, обеспечивающих отрезку заготовок. Привод КШМ и клина может производиться любым видом механизма с возвратно-поступательным движением выходного звена.

КШМ позволяет значительно расширить технологические возможности механических прессов.

Перечень ссылок

1. Чоста Н. В. Механические системы с переменной кли-новидностью / Н. В. Чоста // Совершенствование процессов и оборудования обработки давлением в металлургии и машиностроении : сб. научн. тр. - Краматорск : ДГМА, 1998. - Вып. 4. - С. 393-395.

2. Роганов Л. Л. Теоретический анализ возможностей клиношарнирного механизма с вогнутым клином / Л. Л. Роганов, Е. А. Корнева, Н. В. Чоста // Сб. научн. статей. - Краматорск : ДГМА, 1996. - Вып. 3. - С. 122131.

3. Роганов Л. Л. Перспективные конструктивные схемы машин для разделения проката с клиношарнирным механизмом / Л. Л. Роганов, Н. В. Чоста // Удосконалення процесів та обладнання обробки тиском у машинобудуванні та металургії : зб. наук. пр. - Краматорськ-Сло-в’янськ : ДДМА, 2000. - С. 437-439.

Одержано 12.10.2009

L. L. Roganov, N. V. Chosta, T. V. Kirienko THE DEVELOPMENT OF MECHANICAL PRESSES WITH WEDGEBAR MECHANISM

FOR UNDERBAR OPERATION

Розглянуто вимоги до встаткування для розділювальних операцій зсувом і ламанням. Для цієї мети запропонований новий клиношарнірний механізм із увігнутим клином і ряд схем пресів з таким механізмом.

Ключові слова: клин, шарнір, розділювання, сила, прес, прокат.

The requirements to the equipment for underbar operation by shift and breaking were considered. For this aim new wedgebar mechanism with concave wedge and several schemes of presses with such mechanism is offered.

Key words: wedge, joint, division, power, press, rolling.

УДК 539.374.001.8.621.7-11

Д-р техн. наук В. В. Чигиринський1, С. А. Силенко1, А. Ю. Матюхін2 1 Национальный технический университет, 2 ОАО «Мотор Сич», г. Запорожье

РІШЕННЯ ОСЕСИМЕТРИЧНОЇ ПЛОСКОЇ ЗАДАЧІ ТЕОРІЇ ПЛАСТИЧНОСТІ В НАПРУЖЕННЯХ

Показано рішення плоскої осесиметричної задачі теорії пластичності в аналітичному вигляді. Має місце асиметричний розподіл напруг у зоні деформування.

Ключові слова: деформація, напруження, осесиметрія, пластичність, сила, рівняння, контакт.

Зазвичай осесиметричну задачу використовують при вивченні напружено-деформованого стану тіл обертання. При цьому, мають місце спрощення, що дозволяють виключити з розгляду деякі компоненти тензора напружень і швидкостей деформацій. Умова пластичності Губера-Мизеса приймає вигляд

(СТР-СТФ) + (стф-стг^ + ( -Стр)2 = 6(к2 -Т2рг).

З умови видно, що різниці нормальних напружень визначаються одним дотичним напруженням тр2 і

опором зрушення к. Замість трьох рівнянь рівноваги з’являються два [1]. Вони містять три нормальних напружень й одне дотичне. Тобто, маємо три рівняння і чотири невідомих, що зводить задачу до статично не-визначеної.

© В. В. Чигиринський, С. А. Силенко, А. Ю. Матюхін, 2010

ІББК 1607-6885 Нові матеріали і технології в металургії та машинобудуванні №1, 2010

121