автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.09, диссертация на тему:Совершенствование способов предохранения кривошипных прессов от перегрузок при штамповке

На правах рукописи

Матвеев Алексей Григорьевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СПОСОБОВ ПРЕДОХРАНЕНИЯ КРИВОШИПНЫХ ПРЕССОВ ОТ ПЕРЕГРУЗОК ПРИ ШТАМПОВКЕ

Специальность 05.02.09 - Технологии и машины обработки давлением

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

6 !';СМ ¿01

005060820

Москва 2013

005060820

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Московский государственный индустриальный университет»

Научный руководитель:

кандидат технических наук, доцент, Свистунов Владимир Ефимович

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Крук Александр Тимофеевич, доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет», профессор кафедры «Автоматизированное оборудование машиностроительных производств»

Проскуряков Николай Евгеньевич доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет», профессор кафедры «Технология полиграфического производства и защиты информации»

ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН»

Защита состоится «18» июня 2013 г. в 14® часов на заседании диссертационного совета Д 212.271.01 при ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет» по адресу: 300012, г. Тула, просп. Ленина, 92 (9-101)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Тульский государственный университет»

Автореферат разослан «17» мая 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Черняев Алексей Владимирович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследований

Кривошипные прессы составляют более половины парка и выпуска кузнечно-прессовых машин машиностроительного производственного цикла. Их преимущества и недостатки предопределены принципом действия, основанном на сочетании нереверсируемого в рабочих режимах электромаховичного главного привода с рычажным (реже кулачковым, кулачково-рычажным или зубчато-рычажным) исполнительным механизмом. К преимуществам относятся: наивысшая производительность штамповки и резки штучных изделий (вследствие нереверсируемости главного привода); точность получаемых изделий (вследствие фиксированного крайнего рабочего положения исполнительного механизма и высокой жесткости замкнутой силовой системы); доступная автоматизируемость (вследствие циклового характера движения исполнительного механизма).

Указанные преимущества обеспечивают эффективность применения кривошипных прессов в той мере, в какой удается избавиться от их недостатков. В настоящее время найдены и успешно применяются способы борьбы с разрушающими последствиями собственных и вынужденных колебаний, теплового старения и потери прочности фрикционных элементов системы включения, потери цикловой устойчивости системы «пресс-инструмент-изделие» и тепловой устойчивости главного двигателя при штатном технологическом нагружении. Существенно хуже решена задача предохранения кривошипных прессов от перегрузок, возникающих вследствие стремления подвижных масс к преодолению крайнего рабочего положения при любых отклонениях от нормативного протекания процесса штамповки и независимо от причин этих отклонений: понижения температуры заготовки при горячей штамповке, ошибки при наладке, нарушения ориентации изделия в процессе подачи, увеличения объема заготовки, износа инструмента и т.д. Существующие устройства предохранения имеют узкую специализацию: гидравлические - для тихоходных ли-стоштамповочных прессов, пружинно-рычажные - для дополнительных исполнительных механизмов горизонтально-ковочных машин и холодно-высадочных автоматов, ломкие — для прессов, выполняющих разделительные операции. Ни одно из этих устройств не обладает всей совокупностью необходимых свойств, поэтому они не могут применяться в наиболее производительных и перспективных кривошипных прессах — быстроходных листоштамповочных автоматах с верхним приводом, КГШП с повышенной жесткостью и частотой непрерывных ходов.

Повышение эффективности кривошипных прессов в направлениях: увеличения производительности и точности, расширения области применения (на мелкосерийное производство, штамповку особо крупных или низких (молотовых) поковок и пр.) — невозможно при отсутствии универсальных способов и устройств предохранения, поскольку в противном случае частота и уровень перегрузок при штамповке исключают достижение положительных экономических результатов. Вместе с тем достигнутый уровень науки и техники позволяет решить задачу создания универсальных способов предохранения кривошипных прессов от перегрузок.

Работа частично выполнена по НИР № 7.714.2011 от 01.02.2012 в рамках государственного задания на 2012/2013 годы.

Цель работы: повышение эффективности кривошипных прессов путем разработки способов предохранения от перегрузок при штамповке.

Задачи работы:

1. Разработать математическую модель нагружения кривошипных прессов, охватывающую традиционные и компактные формы исполнительных механизмов, позволяющую оценить силовые факторы в элементах линейного и крутильного контуров прессов.

2. Установить закономерности влияния на силовые факторы в элементах линейного и крутильного контуров кривошипных прессов их конструктивных параметров и параметров технологического нагружения.

3. Разработать способ и устройство предохранения линейного контура кривошипных прессов от перегрузок по силе на ползуне.

4. Экспериментально проверить характер зависимости силы от деформации для устройства, реализующего упругопластический способ предохранения от перегрузок.

5. Разработать способ предохранения крутильного контура кривошипных прессов от перегрузок по крутящему моменту на главном валу.

6. Разработать рекомендации по определению допустимых и номинальных параметров быстроходных кривошипных прессов с учетом сил инерции.

Объект исследования: кривошипные прессы, а именно быстроходные вырубные автоматы с верхним приводом, кривошипные горячештамповочные прессы.

Предмет исследования: способы и устройства предохранения кривошипных прессов от перегрузок, возникающих при штамповке.

Методы исследования: все разделы работы выполнены на основе единых методологических позиций с использованием основных положений теории дискретных динамических моделей механических систем, теории механизмов и машин, численно-аналитических методов вычислительной математики и программирования, основ дифференциального исчисления и физических методов моделирования.

Научная новизна

- выявлены закономерности влияния на силовые факторы в элементах линейного и крутильного контуров кривошипных прессов их конструктивных параметров и параметров технологического нагружения на основе разработанной математической модели;

- установлено, что с повышением частоты вращения входного звена исполнительного механизма пресса допустимую силу на ползуне необходимо отображать в виде трехмерной поверхности в координатах п).

Практическая значимость работы

На основе теоретических и экспериментальных исследований разработаны способы, позволяющие ограничить перегрузки в линейном и крутильном контурах кривошипных прессов на заранее заданном уровне при любых отклонениях процесса штамповки от штатного протекания и любых практически достижимых скоростях деформирования обрабатываемого изделия. Даны практические рекомендации по выбору параметров устройства, реализующего упругопластический способ предохранения линейного контура кривошипных прессов.

Достоверность результатов

Достоверность результатов обеспечена обоснованным использованием теоретических зависимостей, допущений и ограничений, корректностью постановки задач, применением апробированных математических методов и подтверждается качественным согласованием результатов теоретических исследований с экспериментальными данными.

На защиту выносятся:

- результаты теоретических исследований нагружения кривошипных прессов по разработанной математической модели;

- способ предохранения линейного контура кривошипных прессов от перегрузок при штамповке;

- результаты экспериментальной проверки характера зависимости силы от деформации для устройства, реализующего упругопластический способ предохранения от перегрузок;

- практические рекомендации по выбору параметров устройства, реализующего способ предохранения линейного контура кривошипных прессов;

- способ предохранения крутильного контура кривошипных прессов от перегрузок при штамповке.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на VI Международной научно-практической конференции «Участие молодых ученых, инженеров и педагогов в разработке и реализации инновационных технологий» (Москва -МГИУ, 2006 г.). В полном объеме диссертация обсуждалась на кафедре «Машины и технология обработки металлов давлением ФГБОУ ВПО «МГИУ», на кафедре «Системы пластического деформирования» ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН», на кафедре «Кузовостроение и обработка металлов давлением» ФГБОУ ВПО «Московский государственный машиностроительный университет (МАМИ)».

Публикации

По теме диссертации опубликовано 4 статьи, из них 3 в рецензируемых изданиях, внесенных в список ВАК, получено 2 патента РФ.

Структура и объем работы

Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 181 наименования, 1 приложения и содержит 163 страницы машинописного текста, включая 73 рисунка, 11 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, определены цель и задачи исследований, сформулирована научная новизна и практическая значимость работы, приведены положения, выносимые на защиту.

В первой главе проанализированы основные направления развития универсальных кривошипных прессов. Выполнен аналитический обзор существующих способов и устройств предохранения кривошипных прессов от перегрузок, который

показал, что на сегодняшний день нет устройств, способных эффективно предохранять все многообразие кривошипных прессов от любых механических перегрузок, но есть ряд устройств, имеющих достаточно узкую область применения.

Показано, что для разработки эффективных способов предохранения необходимо изучить процесс нагружения кривошипных прессов как динамический. Проанализированы работы по исследованию процессов нагружения кривошипных прессов с позиции динамики, выполненные под руководством Волковицкого В.Ф., Власова В.И., Живова Л.И., Ланского E.H., Навроцкого Г.А., Складчикова E.H. и др.

Во второй главе обоснован выбор объектов исследования и разработана математическая модель нагружения кривошипных прессов, охватывающая традиционные и компактные формы исполнительных механизмов, позволяющая оценить силовые факторы в элементах линейного и крутильного контуров прессов.

Исследования проводились для кривошипных прессов, относящихся к гаммам, наиболее склонным к перегрузкам по условиям их эксплуатации. КГШП традиционной конструкции номинальной силой 25 МН, параметры которого соответствуют ГОСТ 6809-87, КГШП той же номинальной силы на базе компактного кривошипно-ползунного исполнительного механизма с наклонным шатуном нулевой кривизны поверхности его сопряжения с ползуном. Его жесткость в 1,5 раза превышает жесткость первого КГШП. В-третьих, быстроходный листоштамповочный автомат с верхним приводом в исполнении гибкого производственного модуля номинальной силой 1 МН с бесступенчатой регулировкой частоты непрерывных ходов от 100 до 500 мин"1. В данном прессе конструкция компактного кривошипно-ползунного механизма применена как в качестве исполнительного механизма, так и в качестве механизма динамического уравновешивания.

Дискретная динамическая модель нагружения кривошипных прессов представлена на рисунке 1. Она включает в себя два контура: замкнутый линейный контур, в котором сила на ползуне замыкается на станину, и открытый крутильный контур, и охватывает традиционные и компактные формы кривошипно-ползунных исполнительных механизмов и систем их динамического уравновешивания. При разработке модели приняты следующие допущения: радиусы трения несоизмеримо меньше кинематических размеров звеньев исполнительного механизма и находятся как произведения геометрических радиусов шарниров на коэффициенты трения в этих шарнирах; соединения в кинематических парах исполнительного механизма, системы включения и главного привода беззазорные; диссипативными факторами, кроме трения в кинематических парах исполнительного механизма и дисках муфты, пренебрегаем; равнодействующая гравитационных сил и сил гравитационного урав-новешивателя равна нулю; внешний момент сил (от электродвигателя) пренебрежимо мал для учета его влияния на изучаемые процессы. Система уравнений включает в себя кинематические соотношения, уравнения равновесия звеньев линейного и крутильного контуров, соотношения упругости элементов модели и общее уравнение динамики. Решение системы уравнений проводилось численным методом на основе разработанной программы. Для принципиальной оценки уровня динамичности различных вариантов нагружения элементы модели признавались не разрушаемыми.

Внешняя нагрузка Рт задавалась через коэффициент жесткости С системы «пресс - инструмент - изделие» и недоход S в виде Рт = CS, при этом

1 /С = 1/Сг + 1/СЭф + 1/Си, где Ст - коэффициент жесткости технологической операции, СЭФ — коэффициент эффективной жесткости пресса, Сц - коэффициент жесткости инструмента. Для КГШП коэффициент жесткости технологической операции определялся на основе зависимостей Рт(5), полученных в программе С^огт для различных поковок, в качестве варьируемых параметров принимались начальная температура (±50"С от номинальной температуры) и объем (±1,5% от номинального объема) заготовки. Для листоштамповочного автомата коэффициент жесткости технологической операции определялся на основе типового линеаризованного графика операции вырубки.

Рисунок 1 — Дискретная динамическая модель нагружения кривошипных прессов: 1 - станина; 2, 5, 7 — элементы с линейной податливостью: системы «пресс - инструмент — изделие», шатуна и шатунных опор главного вала, коренных опор и главного вала; 3 — ползун; 4 — шатун; 6 — главный вал; 8 - механизм динамического

уравновешивания; 9, 12 - элементы с крутильной податливостью: главного вала, приемного вала; 10 - ведомые массы главного привода, приведенные к главному валу; 11 — ведущие массы главного привода, приведенные к главному валу; 13,14 -приведенные к маховику, ведущие массы главного привода, разделенные предохранительным устройством в маховике; I-I - муфта; II-II - предохранительное устройство в маховике

В третьей главе рассмотрены результаты теоретических исследований динамики нагружения кривошипных прессов, а также приведены результаты экспериментальных исследований характера зависимости силы от деформации при упруго-пластическом способе предохранения.

При протекании процессов перегрузки следует различать два контура: контур, связанный с линейными колебаниями и контур, связанный с крутильными колебаниями. Процесс перегрузки принципиально отличается от штатного технологиче-

ского нагружения разрывом кинематической и силовой связи между линейным и крутильным контурами кривошипных прессов.

При проведении теоретических исследований варьировались параметры: частота вращения кривошипа; обобщенная координата начала нагружения пресса; коэффициент жесткости системы «пресс-инструмент-изделие»; приведенный коэффициент трения в шарнирах исполнительного механизма; коэффициент жесткости элементов линейного и крутильного контуров; момент инерции ведущих и ведомых масс и их структурных элементов; коэффициент запаса сцепления фрикционной муфты; структура машин в виде наличия или отсутствия предохранительных и уравновешивающих устройств.

Максимально возможные отклонения динамических нагрузок исследуемых объектов от расчетных величин, определяемых по существующим методикам исходя из квазистатического характера протекания процесса нагружения, приведены в таблице 1, где Ртах и ^тах ~ максимальная сила на ползуне и приведенный к главному валу максимальный крутящий момент, соответственно; Рн и МКР — номинальная сила пресса и расчетный крутящий момент сил на главном валу, соответственно. Из таблицы 1 следует, что применительно к КГШП перегрузки по крутящему моменту существенно выше, чем перегрузки по силе. Конструктивное совершенствование КГШП в направлении повышения эффективной жесткости приводит к увеличению динамических нагрузок в линейном контуре, что видно из результатов исследования КГШП на базе компактного исполнительного механизма. В листоштамповочном автомате величины перегрузок в линейном и крутильном контурах существенно зависят от частоты непрерывных ходов.

Таблица 1

Максимально возможные отклонения динамических нагрузок исследуемых объектов от расчетных величин

Объект рДин /р гпах/ ГН М^/МКР

КГШП традиционной конструкции 1,1 4,3

КГШП на базе компактного исполнительного механизма 1,4 3,5

Листоштамповочный автомат:

п = ЮОмин'1 2,8 1,9

п = 500мин'1 4,5 3,8

Теоретические исследования показали, что величины наибольших сил и моментов в опасных точках конструкции определяются при прочих равных условиях не всей зависимостью Рт(5), а коэффициентом жесткости последней фазы нагружения. Например, в процессах горячей объемной штамповки это стадия доштамповки при открытой и стадия заполнения углов при закрытой штамповке.

На рисунке 2 изображены кривые нагружения линейного контура листоштам-повочного автомата при «глухом ударе» при п = ЮОмин-1, построенные в зависимости от недохода ползуна Б или угла <р поворота кривошипа от крайнего исходно-

го положения. Наибольшая перегрузка при отсутствии предохранения соответствует крайней левой кривой 1 (Р^/Рн =1,8 - см. таблицу 1), при упругопластическом способе предохранения - второй слева кривой 2 (Р^/Р„ =1,2). Пять левых кривых характеризуют процессы, оканчивающиеся исчерпанием энергии ведомых масс, две правых — процессы, при которых ползун минует крайнее рабочее положение.

Рисунок 2 - Зависимость относительной силы на ползуне от обобщенной координаты исполнительного механизма для листоштамповочного автомата при «глухом ударе» при п = 100 мин-1: 1 - без предохранения;

2 - упругопластический способ предохранения

На рисунке 3 изображены кривые нагружения крутильного контура КГШП традиционной конструкции, построенные в зависимости от недохода ползуна 5" или угла <р поворота кривошипа от крайнего исходного положения. Сплошные линии 1 и 2 отображают результирующие кривые нагружения при «глухом ударе» и выполнении типовой технологической операции, соответственно. Амплитуды собственных колебаний особенно велики на больших недоходах ползуна до крайнего рабочего положения, т.е. при большом плече крутящего момента сил. По мере уменьшения недохода, величина амплитуды идет на убыль. При этом затухания носят в значительной мере случайный характер из-за наложения процессов собственных колебаний отдельных элементов крутильного контура, что объясняет образование изгиба на кривой 1.

Рисунок 3 - Зависимость относительного крутящего момента на главном валу от обобщенной координаты исполнительного механизма для КГШП традиционной конструкции: 1 - при «глухом ударе»; 2 - при типовой технологической операции

На рисунке 4а, б изображены результирующие кривые нагружения крутильного контура листоштамповочного автомата при п = ЮОмин-1 и п = 500мин-1. Кривая 1 соответствует муфте, выполненной с двукратным запасом по моменту сцепления; кривая 2 - муфте, выполненной без запаса по моменту сцепления; кривая 3 — муфте, выполненной без запаса по моменту сцепления, момент инерции ведомых масс снижен в 2 раза.

Приведенные зависимости показывают, что существенное влияние на величину перегрузок оказывает момент инерции ведомых масс, т.е. величина начальной кинетической энергии ведомых, а не ведущих масс, хотя величина приведенного момента инерции и кинетической энергии ведомых масс на порядки меньше соответствующих величин ведущих масс, особенно если муфта расположена на главном валу. Этот объясняется следующим образом. Во время перегрузки фрикционный предохранитель, встроенный в маховик, (сечение П-П рисунок 1) не срабатывает, слишком далеко он отстоит от очага технологического нагружения. Пробуксовка в сечении П-П если и происходит, то на много позже, когда процесс перегрузки уже произошел. Элементу 10 сообщается значительное по абсолютной величине ускорение, образуется крутящий момент сил инерции, превосходящий по величине расчетной крутящий момент. Таким образом, элемент 10 становится основным движителем процесса. В это время элементы 11-14 замедляются с незначительным по величине угловым ускорением, не образующим существенного крутящего момента сил инерции.

1.9 1

1.7 1.6 1.5 1.4 1.3 1.2 1.1 1.0

М^Мк,

140

145

150

155

160

7.2

5.9

4.7

З.б

а)

2.6

170^ым

1.9

1.2

моим*?:

Ч\ V"1

Ф,-

140

145

150

155

160

165

170

7.2

5.9

4.7

3.6 б)

2.6

1.9

1.2

Рисунок 4 - Результирующие кривые нагружения крутильного контура листоштамповочного автомата: а) п = 100 мин-1; б) п = 500 мин-1

Экспериментальные исследования проводились с целью подтверждения характера зависимости силы от деформации для устройства, реализующего упруго-пластический способ предохранения. Схема экспериментальной установки приведена на рисунке 5. Сила от гидравлического домкрата 1 через подкладную плитку 2 передается на раму, состоящую из основания 3, верхней плиты 4, стоек 5 стянутых

между собой шпильками 6. Текущая сила определяется по манометру в корпусе домкрата 1. Текущая деформация измеряется с помощью индикатора часового типа 7. Проведенный эксперимент подтвердил теоретический характер зависимости силы от деформации системы.

Рисунок 5 - Экспериментальная установка

В четвертой главе рассматриваются способы и устройство предохранения кривошипных прессов от перегрузок в линейном и крутильном кинематических контурах.

В линейном контуре меры борьбы с перегрузками могут быть сведены к применению упругопластического способа предохранения, что, как показали исследования, позволяет ограничить перегрузки в данном контуре на уровне 20% от номинальной силы прессов.

Суть данного способа предохранения сводится к следующему (рисунок 6,а): разъемная станина 1 стягивается шпильками 2. Затяжка шпилек ведется из расчета раскрытия стыка при любом превышении силой на ползуне 4 номинальной величины. При этом диаметр средней части шпилек выбирается из условия падения жесткости силового контура, создаваемого обрабатываемым изделием 3, инструментом, исполнительным механизмом, состоящем из ползуна 4, шатуна 5 и кривошипа 6, и станиной 1 до величины 10 - 30% от эффективной жесткости пресса.

Кривая развития перегрузок при упругопластическом предохранении носит характер, показанный на рисунке 6,6. По вертикальной оси отложена текущая сила на ползуне пресса Р, по горизонтальной - недоход ползуна 5 до крайнего рабочего положения. Точка а соответствует началу деформации обрабатываемого изделия, точка б - раскрытию стыка станины, и характеризуется критической силой Ркр, точка в - переходу центральной части шпилек 2 в пластическую область, точка г - переходу ползуна через крайнее рабочее положение. Угол 0 характеризует эффективную жесткость пресса, угол у - линейную жесткость пресса после раскрытия стыка станины, угол 9 - линейную жесткость пресса при переходе центральной части шпилек в пластическую область. В зависимости от соотношений параметров пресса

и шпилек пластическая область может отсутствовать (например, для прессов с относительной малой величиной хода ползуна). При раскрытии стыка установленные на каждую из четырех шпилек датчики силы 7 отключают пресс так, что ее рабочий орган приходит в крайнее исходное положение с сигнализацией о факте перегрузки. Гидрогайка 8 перезатягивает шпильки, восстанавливая расчетную силу срабатывания в соответствии с измеренной деформацией в режиме ручного дистанционного или автоматического управления. Процесс перегрузки пресса без предохранения характеризуется прямой а-е.

Рисунок б - Принцип действия упругопластического предохранения (а), кривая развития перегрузок при упругопластическом способе предохранения (б)

Способ предохранения крутильного контура включает в себя совокупность конструктивных мероприятий, направленных на увеличение усталостной прочности главного вала, как наиболее слабого звена крутильного контура, с одновременным уменьшением величин перегрузок.

Повышение усталостной прочности главного вала достигается переходом на сборный вал, представляющий собой цилиндрический бесступенчатый стержень, на который насажены (посредствам посадок с натягом) все необходимые конструктивные элементы, включая эксцентрик. Такая конструкция вала, как показали исследования Семенова Е.И., Нистратова А.Ф., Тынянова В.Н., является работоспособной и имеет ряд преимуществ перед традиционной, в том числе технологических, а также позволяет управлять величиной эффективного коэффициента концентрации напряжений путем изменения геометрии насаживаемых элементов. Как показали результаты моделирования, применительно к эксцентриковой шейке главного вала возможно двукратное увеличение усталостной прочности.

Уменьшение величин перегрузок крутильного контура возможно за счет снижения момента инерции ведомых масс. Конструктивно это достигается совокупностью следующих решений: применением малоинерционных конструкций муфт и

тормозов; повышением давления сжатого воздуха, их питающего; отказом от избыточного момента сцепления муфты; выполнением ведомых дисков муфт и тормозов из легких сплавов; снижением коэффициента трения в шарнирах исполнительного механизма.

Давление воздуха ограничено прочностью фрикционных элементов, для которых характерны поверхностные и объемные разрушения. Количественным критерием поверхностного разрушения является коэффициент И.С. Победина, объемного разрушения - показатель ударной прочности.

Указанная совокупность конструктивных решений позволяет снизить максимальные величины перегрузок крутильного контура (см. таблицу 1) для КГШП традиционной конструкции в 3,7 раза, для лисгоштамповочного пресса-автомата в 2,5 раза, для КГШП на базе компактного исполнительного механизма в 2,8 раза.

Проведенные теоретические исследования показали, что нагружение высокоскоростных прессов (по типу рассматриваемого лисгоштамповочного автомата) в штатных режимах приводит к перегрузкам в линейном и крутильном контурах прессов, т.е. расчет допустимых и номинальных параметров, который в настоящее время основан на допущении о квазистатическом характере нагружения, не учитывает реальных нагрузок, и должен быть скорректирован путем ограничения частоты непрерывных ходов и(или) ограничением уровня нагружения. В связи с этим, предлагается перейти от кривой допустимых сил к поверхности, т.е. зависимости допустимой силы от обобщенной координаты и частоты вращения кривошипа.

На рисунке 7 приведена поверхность допустимых сил для рассматриваемого листо штамповочного автомата. Суть построения сводиться к следующему: определяются силовые факторы (сила, крутящий момент) при данной скорости вращения кривошипа, которые в качестве исходных данных затем закладываются в общеизвестную методику расчета допустимых параметров. Расчет ведется от п = птах до п яг 0. Таким образом, получаются сечения представленной поверхности плоскостями, параллельными плоскости (Р/Рн; 5/Я), которые затем объеди- Рисунок 7 - Поверхность допустимых сил няются в поверхность.

В заключении приведены основные результаты работы и выводы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработана математическая модель нагружения кривошипных прессов, охватывающая традиционные и компактные формы исполнительных механизмов, структуру прессов в виде наличия или отсутствия предохранительных и уравновешивающих устройств и учитывающая внешнее технологическое нагружение, упругие и инерционные свойства элементов линейного и крутильного контуров, трение в

£7/.

исполнительном механизме.

2. Установлено, что процесс перегрузки кривошипных прессов принципиально отличается от процессов штатного технологического нагружения разрывом кинематической и силовой связи между линейным и крутильным контурами. В зависимости от сочетания конструктивных параметров прессов и параметров технологического нагружения величины перегрузок могут достигать в линейном контуре 4,5 от номинальной силы пресса, в крутильном контуре - 4,3 от расчетного крутящего момента.

3. Установлено, что наличие или отсутствие фрикционного предохранителя в маховике прессов, устройств динамического уравновешивания исполнительного механизма, а также величина момента инерции ведущих масс не оказывают существенного влияние на величины перегрузок в практике могут не учитываться. Существенное влияние на величины перегрузок оказывают следующие параметры: момент инерции ведомых масс, частота вращения кривошипа в начале процесса нагружения, обобщенная координата начала нагружения, коэффициент жесткости системы «пресс — инструмент — изделие».

4. Разработан способ предохранения линейного контура кривошипных прессов от перегрузок, позволяющий ограничить перегрузки по силе на ползуне на уровне 20% от номинальной силы пресса при любых отклонениях технологического процесса от штатного протекания и любых практически достижимых скоростях деформирования обрабатываемого изделия. Даны практические рекомендации по выбору параметров устройства, реализующего данный способ.

5. Выполнены экспериментальные исследования, подтвердившие качественный характер зависимости силы от деформации для устройства, реализующего упруго пластический способ предохранении.

6. Разработан способ предохранения крутильного контура кривошипных прессов на основе совокупности конструктивных мероприятий, направленных на увеличение усталостной прочности главного вала, с одновременным уменьшением величин перегрузок. Повышение усталостной прочности главного вала достигается переходом на составной вал, что позволяет управлять величиной эффективного коэффициента концентрации напряжений путем изменения геометрии насаживаемых элементов. Уменьшение величин перегрузок крутильного контура возможно за счет снижения момента инерции ведомых масс: применением малоинерционных конструкций муфт и тормозов; повышением давления сжатого воздуха, их питающего; отказом от избыточного момента сцепления муфты; выполнением ведомых дисков муфт и тормозов из легких сплавов; снижением коэффициента трения в шарнирах исполнительного механизма. Совокупность указанных мероприятий позволяет снизить максимальную перегрузку для КГШП традиционной конструкции в 3,7 раза, для листоштамповочного пресса-автомата в 2,5 раза, для КГШП на базе компактного исполнительного механизма в 2,8 раза.

7. Даны рекомендации по определению допустимых параметров быстроходных кривошипных прессов и построению поверхности допустимых сил на ползуне в виде трехмерной поверхности в координатах /3(5;п).

ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ СЛЕДУЮЩИЕ РАБОТЫ

1. Чубуков В.А., Матвеев А.Г. Исследование динамики перегрузки и распора го-рячештамповочных прессов простого действия. Сборник научных докладов VI Международной конференции "Участие молодых ученых, инженеров и педагогов в разработке и реализации инновационных технологий". - М.: МГИУ, 2006, С. 134 -138.

2. Свистунов В.Е., Чубуков В.А., Матвеев А.Г., Гартвиг A.A. Проектирование кривошипных кузнечно-прессовых машин с использованием соотношений подобия// Заготовительные производства в машиностроении (кузнечно-штамповочное, литейное и другие производства). 2009. № 9. С. 30 - 37.

3. Свистунов В.Е., Чубуков В.А., Матвеев А.Г., Гартвиг A.A. Совершенствование конструкций кривошипных штамповочных машин на основе исследования динамики их экстремального нагружения//Заготовительные производства в машиностроении (кузнечно-штамповочное, литейное и другие производства). 2012. № 4. С. 23-30.

4. Свистунов В.Е., Чубуков В.А., Матвеев А.Г., Гартвиг A.A. Предохранение кривошипных листоштамповочных прессов от перегрузок // Машиностроение и инженерное образование. 2012, №.2. С. 2 - 11.

5. Пат. 2427466 Российская Федерация, МПК7 В 30 В 15/28. Способ предохранения кривошипных прессов от перегрузок по усилию на ползуне/ Свистунов В.Е., Чубуков В.А., Матвеев А.Г. ГОУ ВПО Московский государственный индустриальный университет. Заявл. 23.12.2009. Опубл. 02.08.2011 Бюл. №24.

6. Пэт. 105616 Российская Федерация, МПК7 В 30 В 15/28. Кривошипный пресс/ Свистунов В.Е., Чубуков В.А., Матвеев А.Г. ГОУ ВПО Московский государственный индустриальный университет. Заявл. 23.12.2010. Опубл. 20.06.2011 Бюл. №17.

Подписано в печать 13.05.13 Формат бумаги 60x84/16. Усл. печ. л. 1,0. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100. Заказ № 112

Издательство МГИУ, 115280, Москва, Автозаводская, 16

www.izdat.msiu.ru; e-mail: izdat@msiu.ru; тел. (495) 276-33-67

Отпечатано в типографии издательства МГИУ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный индустриальный университет»

ФГБОУ ВПО «МГИУ»

На правах рукописи

04201358552

Матвеев Алексей Григорьевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СПОСОБОВ ПРЕДОХРАНЕНИЯ КРИВОШИПНЫХ ПРЕССОВ ОТ ПЕРЕГРУЗОК ПРИ ШТАМПОВКЕ

Специальность 05.02.09 - Технологии и машины обработки давлением

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель к.т.н., доцент Свистунов В.Е.

Москва 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.................................................................................................................4

1. СУЩЕСТВУЮЩЕЕ ПОЛОЖЕНИЕ В ОБЛАСТИ

КОНСТРУИРОВАНИЯ КРИВОШИПНЫХ ПРЕССОВ.................................10

1.1 Основные направления развития конструкций кривошипных прессов.....10

1.2 Предохранительные устройства кривошипных прессов.............................17

1.3 Теоретические основы динамики кривошипных прессов...........................27

1.4 Выводы..............................................................................................................40

2. МОДЕЛИ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ..................................................42

2.1 Объекты исследования....................................................................................42

2.2 Математические модели перегрузки..............................................................50

2.3 Задание внешней нагрузки и решение системы уравнений........................65

2.4 Выводы..............................................................................................................70

3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ.................................................................72

3.1 Результаты исследований динамики нагружения КГШП традиционной конструкции............................................................................................................72

3.2 Результаты исследования динамики нагружения листоштамповочного пресса-автомата......................................................................................................80

3.3 Результаты исследования динамики нагружения КГШП на базе компактного исполнительного механизма..........................................................90

3.4 Экспериментальные исследования.................................................................94

3.5 Выводы............................................................................................................100

4. РАЗРАБОТКА СПОСОБОВ ПРЕДОХРАНЕНИЯ КРИВОШИПНЫХ ПРЕССОВ ОТ ПЕРЕГРУЗОК.............................................................................102

4.1 Способ предохранения линейного контура кривошипных прессов.........102

4.2 Способ предохранения крутильного контура кривошипных прессов.....119

4.3 Принципы расчета допустимых и номинальных параметров кривошипных прессов...................................................................................................................137

4.4 Выводы.............................................................................................................142

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.....................................................................................................144

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...................................................................................146

ПРИЛОЖЕНИЕ А.................................................................................................162

ВВЕДЕНИЕ

Обработка металлов давлением, являясь одной из составляющих машиностроительного производства, обладает наилучшими показателями по производительности труда, а в ряде случаев - по геометрической точности, шероховатости поверхности и прочности получаемых изделий. Она базируется на различных видах кузнечно-прессовых машин, которые по принципу действия принято делить [118] на машины с силовым, энергетическим и комбинированным (силовым и кинематическим) воздействием на объект обработки (рисунок В1).

Ведущее место в парке кузнечно-прессовых машин машиностроительного производственного цикла занимают кривошипные прессы, составляющие более половины эксплуатируемого парка и выпуска, причем их доля непрерывно увеличивается.

Преимущества и недостатки кривошипных прессов предопределены их принципом действия, основанном на сочетании нереверсируемого в рабочих режимах электромаховичного главного привода с рычажным (реже - кулачковым, кулачково-рычажным или зубчато-рычажным) исполнительным механизмом, имеющим крайние положения. К преимуществам, обеспечивающим им практически монопольное положение в парке кузнечно-прессовых машин машиностроительного цикла массового и крупносерийного производства относятся: наивысшая производительность среди машин, работающих штампами или ножами; возможность осуществлять все виды штамповки и упругопластическо-го разделения; высокая точность получаемых изделий, вследствие фиксированного крайнего рабочего положения подвижного инструмента в пределах упругой деформации системы «пресс - инструмент»; доступная автоматизируе-мость, вследствие циклового характера движения исполнительного механизма.

Рисунок В1 - Классификация кузнечно-прессовых машин машиностроительного производственного цикла

Указанные преимущества обеспечивают эффективность применения кривошипных прессов в той мере, в какой удается избавиться от их недостатков. В настоящее время найдены и успешно применяются способы борьбы с разрушающими последствиями собственных и вынужденных колебаний, теплового старения и потери прочности фрикционных элементов системы включения, потери цикловой устойчивости системы «пресс - инструмент - изделие» и тепловой устойчивости главного двигателя при штатном технологическом нагружении. Существенно хуже решена проблема предохранения кривошипных прессов от перегрузок, возникающих вследствие стремления подвижных масс к преодолению крайнего рабочего положения при любых отклонениях от нормативного протекания процессов штамповки и наладки независимо от причин этих отклонений: понижения температуры заготовки при горячей штамповки, ошибки при наладке, нарушения ориентации изделия в процессе подачи, увеличения объема заготовки, износа инструмента и т.д. Существующие устройства предохранения узкоспециализированы: гидравлическое - на тихоходных листоштамповочных прессах, пружинно-рычажное - на дополнительных исполнительных механизмах горизонтально-ковочных машин и холодно-высадочных автоматах, ломкое - на прессах, выполняющих разделительные операции. Ни один из этих способов не обладает всей совокупностью необходимых свойств: малой инерционностью, компактностью, точностью, самовосстанавливаемостыо. Поэтому они не могут применяться в наиболее производительных и перспективных прессах - высокоскоростных листоштамповочных автоматах с верхним приводом, кривошипных горячештампо-вочных прессах.

Повышение эффективности кривошипных прессов в направлениях: увеличения производительности и точности, расширения области применения (на мелкосерийное производство, производство особо крупных изделий, на горячую штамповку низких (молотовых) поковок и пр.) - невозможно при отсутствии универсальных способов и устройств предохранения, поскольку в противном случае частота и уровень перегрузок при штамповке и наладке исключают достижение положительных экономических результатов. Вместе с тем достигнутый уровень

науки и техники позволяет решить проблему создания универсальных способов предохранения кривошипных прессов от перегрузок.

Работа выполнена в рамках одного из научных направлений кафедры «Машины и технология обработки металлов давлением» Московского государственного индустриального университета и частично по НИР № 7.714.2011 от 01.02.2012 в рамках государственного задания на 2012/2013 годы.

Цель работы: повышение эффективности кривошипных прессов путем разработки способов предохранения от перегрузок при штамповке.

Задачи работы:

1. Разработать математическую модель нагружения кривошипных прессов, охватывающую традиционные и компактные формы исполнительных механизмов, позволяющую оценить силовые факторы в элементах линейного и крутильного контуров прессов.

2. Установить закономерности влияния на силовые факторы в элементах линейного и крутильного контуров кривошипных прессов их конструктивных параметров и параметров технологического нагружения.

3. Разработать способ и устройство предохранения линейного контура кривошипных прессов от перегрузок по силе на ползуне.

4. Экспериментально проверить характер зависимости силы от деформации для устройства, реализующего упругопластический способ предохранения от перегрузок.

5. Разработать способ предохранения крутильного контура кривошипных прессов от перегрузок по крутящему моменту на главном валу.

6. Разработать рекомендации по определению допустимых и номинальных параметров быстроходных кривошипных прессов с учетом сил инерции.

Методы исследования

Все разделы работы выполнены на основе единых методологических позиций с использованием основных положений теории дискретных динамических моделей механических систем, теории механизмов и машин, численно-

аналитических методов вычислительной математики и программирования, основ дифференциального исчисления и физических методов моделирования.

Научная новизна

- выявлены закономерности влияния на силовые факторы в элементах линейного и крутильного контуров кривошипных прессов их конструктивных параметров и параметров технологического нагружения на основе разработанной математической модели;

- установлено, что с повышением частоты вращения входного звена исполнительного механизма пресса допустимую силу на ползуне необходимо отображать в виде трехмерной поверхности в координатах Р {Б; п).

Практическая значимость работы

На основе теоретических и экспериментальных исследований разработаны способы, позволяющие ограничить перегрузки в линейном и крутильном контурах кривошипных прессов на заранее заданном уровне при любых отклонениях процесса штамповки от штатного протекания и любых практически достижимых скоростях деформирования обрабатываемого изделия. Даны практические рекомендации по выбору параметров устройства, реализующего упругопластический способ предохранения линейного контура кривошипных прессов.

Достоверность результатов

Достоверность результатов обеспечена обоснованным использованием теоретических зависимостей, допущений и ограничений, корректностью постановки задач, применением апробированных математических методов и подтверждается качественным согласованием результатов теоретических исследований с экспериментальными данными.

На защиту выносятся:

-результаты теоретических исследований нагружения кривошипных прессов по разработанной математической модели;

- способ предохранения линейного контура кривошипных прессов от перегрузок при штамповке;

- результаты экспериментальной проверки характера зависимости силы от деформации для устройства, реализующего упругопластический способ предохранения от перегрузок;

- практические рекомендации по выбору параметров устройства, реализующего упругопластический способ предохранения линейного контура кривошипных прессов;

- способ предохранения крутильного контура кривошипных прессов от перегрузок при штамповке.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на VI Международной научно-практической конференции «Участие молодых ученых, инженеров и педагогов в разработке и реализации инновационных технологий» (Москва - МГИУ, 2006 г.). В полном объеме диссертация обсуждалась на кафедре «Машины и технология обработки металлов давлением ФГБОУ ВПО «МГИУ», на кафедре «Системы пластического деформирования» ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАН-КИН», на кафедре «Кузовостроение и обработка металлов давлением» ФГБОУ ВПО «Московский государственный машиностроительный университет (МАМИ)».

Публикации

По теме диссертации опубликовано 4 статьи, из них 3 в рецензируемых изданиях, внесенных в список ВАК, получено 2 патента РФ.

1. СУЩЕСТВУЮЩЕЕ ПОЛОЖЕНИЕ В ОБЛАСТИ КОНСТРУИРОВАНИЯ

КРИВОШИПНЫХ ПРЕССОВ

1.1 Основные направления развития конструкций кривошипных прессов

По технологическому назначению кривошипные прессы (КП) принято разделять на машины для листовой, горячей объемной и холодной объемной штамповки, кроме того, в ряде случаев выделяют машины для разделительных операций [47,70, 75, 118], правильные прессы [151], машины для металлопорошковой штамповки [80] и др.

Развитие КП ведется путем технологической специализации и конструктивного совершенствования [70, 178, 180, 181]. Технологическая специализация, как правило, реализуется путем количественного, а не качественного изменения базовых параметров прессов. Например, на базе кривошипных горячештамповочных прессов (КГШП) общего назначения созданы КГШП для горячего выдавливания (путем увеличения хода ползуна и снижения частоты вращения кривошипа [53]), КГШП для многопозиционной штамповки (путем увеличения размеров стола и ползуна). На базе универсальных листоштамповочных прессов создаются листогибочные прессы, принципиально отличающиеся, весьма длинным и сравнительно узким столом [86] и т.д. В настоящей работе направления технологической специализации не рассматриваются.

Конструктивное развитие КП идет в следующих основных направлениях: повышения частоты непрерывных ходов выходного звена исполнительного механизма (ИМ); предельно полной автоматизации процессов штамповки и наладки; повышения эффективной жесткости; расширения гамм прессов путем роста максимальной величины главного параметра (номинальной силы, размера отрезаемой заготовки и т.д.).

Малые КП обеспечивают до 1500 - 2000 непрерывных ходов в минуту (быстроходные вырубные автоматы с верхним приводом номинальной силой 0,1 -1 МН) и штампуют за каждый ход не менее одного изделия. На сегодняшний день без них невозможно представить производство пластин магнитопроводов различ-

ных электрических машин, фасонных колец сепараторов подшипников качения и других изделий массового и крупносерийного производства.

Повышение частоты непрерывных ходов выходного звена исполнительного механизма КП для ГОШ направлено, в первую очередь, на снижение времени активного контакта поковки со штампом, от которого зависит стойкость штамповых вставок и качество заполнения гравюры [70]. Например, прежняя редакция ГОСТ 6809 устанавливала для КГШП номинальной силой 25 МН частоту непрерывных ходов ползуна не менее 60 мин"1, его действующая редакция [175] не менее 70 мин"1. Та же тенденция наблюдается в КП для листовой и холодной объемной штамповки. Например, прежняя редакция ГОСТ 10026 [176] устанавливала для быстроходных прессов номинальной силой 1-16 МН частоту непрерывных ходов 40-10 мин"1, при ходе ползуна 130 - 400 мм, его действующая редакция 63 -16 мин"1 при неизменных величинах номинальной силы и хода ползуна.

Важную роль в быстроходных КП играет уравновешенность инерционных сил, действие которых влияет на точность получаемых поковок, износ инструмента, уровень шума и вибраций и, в конечном счете, на надежность машины в целом. Динамическое уравновешивание ИМ нашло в настоящее время широкое применение в листоштамповочных прессах-автоматах, и осуществляется контрмеханизмами такой же как ИМ конструкции, движущимися в противофазе [13].

Повышение числа непрерывных ходов неразрывно связано с автоматизацией процессов штамповки и наладки и направлено на увеличение производительности прессов. Совокупность данных направлений развития привела к созданию не только прессов-автоматов (см. например [179]), но и к созданию на их базе сверхпроизводительных гибких производственных линий листовой штамповки [106]. Расчетная производительность одной единицы такого оборудования применительно к условиям производства грузовых автомобилей в объеме ~ 200 тыс. в год эквивалентна совокупной производительности более 100 автоматизированных универсальных прессов с валковой или клещевой подачей [118].

Увеличение эффективной жесткости прессов способствует применительно к прессам для ГОШ расширению номенклатуры штампуемых изделий (за счет

штамповки «низких» поковок), повышению точности поковок по высоте, снижает потери энергии на упругую деформацию прессов, составляющие по данным ЦНИИТМАШа [23] до 40% от работы на главном валу. Применительно к прессам для листовой штамповки это способствует уменьшению энергии колебаний, генерируемых при упругой разгрузке на разделительных и скоротечных формообразующих операциях [118, 122].

При штамповке погрешность высотных размеров поковок зависит от упругой деформации пресса при действии силы в конце деформирования, зависящей от стабильности параметров технологического процесса. Из всех показателей работы пресса, определяемых его жесткостью: КПД [113 - 115], динамические воздействия [118], точность является доминирующим показателем, т.к. характеризует качество продукции. Основной экономический эффект от повышения точности поковок лежит в области последующей механической обработки, на которую затраты значительно выше, чем на штамповку.

К основным технологическим факторам, влияющим на точность поковок, относятся колебания температуры и объема штампуемой заготовки [13], в меньшей степени на точность поковок оказывают влияние смазка и шероховатость рабочей поверхности штампа,