Живов_Кузнечно-штамповочное оборудование

У паровоздушных молотов максимальная скорость падающих частей при ходе вниз не превышает обычно 7...8 м/с, что объясняется относительно не­ большой удельной концентрацией энергии в приводе.

Высокоскоростные молоты. В качестве интенсивного ускорителя в них используют энергию расширения инертных газов, сжатых под большим давле­ нием, взрыва горючих газовых смесей и взрывчатых веществ (ВВ). Примерная схема высокоскоростного газового молота показана на рис. 15.1, б. Верхний ци­ линдр служит газовым аккумулятором. При открытии проходного отверстия происходит интенсивное перетекание газа в нижний цилиндр и его давление на поршень. Подвижные части ускоренно двигаются вниз. Их подъем осуществляет давление газа, находящегося в нижней полости цилиндра.

Взрывной молот по принципу действия подобен двигателю внутреннего сгорания с использованием в качестве рабочего тела горючих смесей. Взрывной молот, работающий на ВВ, аналогичен огнестрельной системе (пушке) и содер­ жит казенную часть, в которую закладывают дозированный заряд (например, в виде патрона), и затвор с детонатором электрического или ударного действия. При взрыве газовые продукты с большим давлением действуют на боек, ускоряя его до десятков метров в секунду.

Пневматический молот (рис. 15.1, в) имеет встроенный компрессорный ци­ линдр для перекачки воздуха в нижнюю или верхнюю полости левого рабочего цилиндра.Сжатый воздух, выполняя функции рабочего тела, упруго связываю­ щего компрессорный и рабочий поршни, принуждает падающие части к цикли­ ческому возвратно-поступательному перемещению. У пневматических молотов привод индивидуальный от электродвигателя, вращательное движение которого преобразуется в прямолинейное возвратно-поступательное компрессорного порш­ ня с использованием кривошипно-ползунного механизма.

360

Глава 15. Общие сведения о молотах

Приводные молоты. Механические молоты также имеют индивидуальный привод от электродвигателя, причем передача движения от конечного звена привода к падающим частям (бабе со штампом или бойком) осуществляется при помощи механических связей жесткого, упругого или гибкого типа. Первый тип связей применяют во фрикционных молотах с доской (рис. 15.1, г), в которых подъем бабы обеспечивают силы сцепления, возникающие между вращающи­ мися в разные стороны роликами и доской. Движение вниз осуществляется под действием силы тяжести при разведенных роликах.

Врессорно-пруэюинных молотах (рис. 15.1, Э) рессора служит не только для преобразования вращательного движения от электродвигателя в возвратнопоступательное движение бабы, но и является накопителем потенциальной энергии, ускоряющим движение падающих частей вниз.

Вкачестве гибкой связи, преобразующей вращательное движение приводного вала в поступательное движение бабы вверх, используется канат, цепь или ремень (рис. 15.1, е). При отсоединении звездочки или наматывающего барабана от ведуще­ го вала падающие части молота совершают ход вниз под действием силы тяжести.

Вгидравлическом молоте рабочим телом служит жидкость высокого давления (от индивидуального насосного привода), впускаемая в полость рабочего цилиндра под поршнем при ходе вверх или над поршнем при ходе вниз. Таким образом, мо­ лот работает по схеме, подобной указанной на рис. 15.1, а.

Вэлектрическом молоте используют энергию поля, образуемого обмотками электромагнита, втягивающего металлический сердечник-шток и поднимающего падающие части вверх.

Молоты применяют для выполнения многих технологических процессов куз- нечно-штамповочного производства и металлообработки: ковки, объемной и лис­ товой штамповки, а так называемые импульсные ножницы, т. е. взрывные молоты, - для разрезки сортового проката.

Технологическое назначение. В соответствии с технологическим назначе­ нием различают ковочные, штамповочные и листоштамповочные молоты.

Отраслевое назначение молотов очень широко. Их можно использовать на заводах, в деревенских кузницах и даже на кораблях (корабельные пневмати­ ческие молоты).

Конструктивное исполнение. Многообразие привода молотов не дает воз­ можности подробно классифицировать их по конструктивному исполнению, как, например, кривошипные прессы. Однако имеются признаки, позволяющие обособить большинство молотов по общим конструктивным группам: способу удара подвижных частей; кратности действия энергоносителя; конструкции ста­ нины; устройству фундамента.

Способ удара подеиэюных частей характеризует перемещение их по отно­ шению к обрабатываемому металлу: с одной или с двух сторон.

Впервом случае заготовку устанавливают на нижней половинке рабочего инструмента (штампе, бойке и т. п.), закрепленного переходными деталями не-

361

значена ли она только для подъема падающих частей, а движение вниз совершается под действием земного притяжения, или же и при ходе вниз внешняя энергия ис­ пользуется для создания дополнительного ускоряющего силового воздействия на падающие части. Первую группу называют молотами простого действия, или па­ дающими, вторую - молотами двойного действия.

Конструкция станины, служащая для компоновки всех узлов, является объ­ единяющим признаком. По конструктивному оформлению она может быть од­ ноили двухстоечной, рамного, арочного или мостового типа.

Устройство фундамента - важный дополнительный признак для шаботных молотов (самой многочисленной группы молотов). Если его подошва покоится на грунте, то молот имеет обычное основание; если же на амортизаторах, то - виброизолированное.

По общим особенностям принципа действия и устройства современные моло­ ты можно подразделить на три класса: паровоздушные, высокоскоростные и при­ водные с последующим углублением по наиболее характерным признакам.

15.2. Циклы подвижных частей

причин. Пауза в крайнем верхнем положении (КВП) может произойти из-за осо­ бенностей энергетики машины - аккумуляции энергоносителя в цилиндре высо­ коскоростного молота. Технологические паузы связаны с необходимостью мани­ пуляций с обрабатываемой заготовкой, например переложить ее из ручья в ручей штампа или перевернуть.

Если циклы возвратно-поступательного движения происходят с остановками (паузами) в крайних положениях, то их называют единичными ходами. Они могут

362

г л ава 15, Общие сведения о молотах

быть с верхней или нижней либо с верхней и нижней паузами. Если остановок нет, то такие циклы движения называют последовательными ходами.

Для начала хода подвижных частей молота при любом цикле необходимо обеспечить возникновение подъемной силы и соответствующего ей положитель­ ного ускорения, направленного в сторону движения (рис. 15.3, а, кривые 2 VL4 соответственно для единичного и последовательного ходов). Под действием подъемной силы подвижные части ускоряют свое движение вверх, а их скорость повышается (кривые 7 и 3). В определенный момент движения управляющий ме­ ханизм молота обеспечивает создание тормозящей силы (отрицательного ускоре­ ния). В результате при подходе к КВП скорость хода гасится до нуля, чтобы не произошло удара подвижных частей в ограничивающие элементы конструкции. Однако конечные силовые условия в КВП для обоих циклов неодинаковы. При единичном ходе длительная остановка означает, что все силы, действующие на подвижные части, должны быть уравновешены, а ускорение равно нулю. В цикле последовательных ходов остановка исключена, а должен последовать немедлен­ ный реверс движения. Значит, при приближении к КВП должна возрасти тормо­ зящая сила, которая после мгновенной остановки обеспечит движение вниз.

В начале хода вниз в рассматриваемых циклах на подвижные части действует максимальная движущая сила и, следовательно, положительное ускорение. При единичном ходе с максимумом скорости в крайнем нижнем положении (КНП) это ускорение должно быть направлено в сторону движения в течение всего хода (рис. 15.3, б, кривые 1 vi 4 соответственно для скорости и ускорения). При осу­ ществлении последовательного хода остановка внизу недопустима и подвижные части после погашения скорости в КНП тотчас должны начать подъем. Это, как и при ходе вверх, должно быть обеспечено созданием достаточно большой тормо­ зящей силы. Поэтому в цикле последовательного хода в конце его ускорение до­ стигает наибольшего отрицательного значения, а скорость оказывается максималь­ ной где-то посредине хода в точке изменения знака ускорения (кривые 6 и 2). Для уменьшения конечной скорости в цикле единичного хода также нужно создать тормозящую силу. В результате перемещение подвижных частей замедлится и ско­ рость в КНП окажется меньшей, чем в середине пути (кривые 5 и i).

Рис. 15.3. Изменение скоростей и ускорений движущихся частей молота в циклах еди­ ничных {а) и последовательных (б) ходов (ударов)

363

Раздел IV. МОЛОТЫ

Динамическое равновесие подвижных частей в любой момент движения отображает уравнение

P = m{d^xldt^),

где Р - равнодействующая всех внешних сил, движущих (активных) или тормозя­ щих подвижные части молота с массой т. В зависимости от требуемого характера движения на одних этапах могут преобладать активные силы, на других - тормо­ зящие. В результате их равнодействующая будет разгоняющей или тормозящей,

а ускорение j =d^xldt^ - соответственно положительным или отрицательным.

К этим силам относят переменную или постоянную активную силу Р' от при­ вода (сила пара, сжатого воздуха, газа и т. д.); переменные или постоянные проти­ водействующие движению силы Р" и Р^ от привода и трения в сочленениях соответственно. Сила тяжести G, действующая на подвижные части вертикально­ го молота, может проявляться как активная или тормозящая сила в зависимости от того, совпадает ли ее ускорение g с направлением скорости движения или проти­ воположно ему.

При остановках подвижных частей равновесие становится статическим: Р = 0, Например, при единичном ходе в КВП оно характеризуется уравнением

тогда как при динамическом равновесии справедливо выражение

15.3. Коэффициент полезного действия удара

Процесс физического удара двух упругих тел разделяют на две фазы. В те­ чение первой - нагрузочной - происходит монотонное нарастание ударных сил, так как кинетическая энергия переходит в энергию упругого деформирования сталкивающихся тел в точках их контакта. После максимального сближения, соответствующего максимуму ударной силы, начинается вторая фаза процесса - разгрузочная - с монотонным спадом ударных сил вплоть до прекращения кон­ такта тел. Размеры и форма их восстанавливаются. В идеальной системе при раз­ грузке энергия деформированного состояния полностью восстанавливает свой первоначальный уровень, в реальной - только частично.

Для центрального удара двух свободных масс т и т' со скоростями VQ И V^/Q в начале соударения, скоростью v^ в конце первой фазы, когда обе массы двига­ ются как единая система, и скоростями v^ и v^.^ в конце второй фазы, условие постоянства количества движения имеет вид

Нормальные нагрузочный и разгрузочный импульсы, воздействующие на любую из масс, соответствуют изменению количества движения:

364

Глава 15. Общие сведения о молотах

При идеально упругом ударе (без учета каких-либо потерь), когда /разг"^ ^наг?

дополнительным уравнением для определения скоростей соударяющихся тел является условие сохранения кинетической энергии:

2 2 2 2 *

Динамика системы, состоящей из двух сталкивающихся масс молота в условиях так называемого жесткого удара лишь с определенной степенью приближения, мо­ жет быть охарактеризована скоростными соотношениями (15.1)-(15.4). В нор­ мальных условиях эксплуатации между сталкивающимися массами закладывают металл и развивающиеся ударные силы вызывают в нем пластическое течение. Это уже не соударение твердых упругих тел, а упругопластический удар со своими зако­ номерностями. Однако можно полагать, что система замкнута, так как силы, дейст­ вующие на металл, уравновешены реакцией связи основания (шабота), встречных подвижных частей или рамы. Следовательно, количество движения осталось без из­ менения, произошло только его перераспределение между столкнувшимися масса­ ми. Однако после удара общий уровень кинетической энергии в системе умень­ шается вследствие необратимых потерь, обусловленных пластической деформацией (не учитывая рассеяния энергии на колебания и т. п.). Поэтому для реального удара вводят эмпирический коэффициент восстановления (отскока), устанавливающий соотношение между проекциями скоростей на линию центров до и после удара:

, _ ^разг _ ^т^к ~ ^к

наг

Для идеально упругого удара разгрузочный импульс равен нагрузочному

ик^^= 1.

Для шаботного молота начальная скорость шабота v^^ = О, поскольку по­ следний опирается на подшаботную прокладку, фундамент и грунт. Подшаботная прокладка, обладая определенной жесткостью, вызывает отпор.

Опыт показывает, что влияние отпорного импульса отпора невелико, поэто­ му при анализе энергетики им можно пренебречь и считать шабот свободным. Тогда получаем систему уравнений:

365

Раздел IV. МОЛОТЫ

на основании которой определяем скорости на заключительном этапе удара:

устанавливаем работу пластического деформирования

т + т

Следовательно, энергетический КПД удара, т. е. отношение полезно исполь­ зуемой энергии к ее начальной величине,

где ^^- = m'jm - коэффициент масс шабота т' и падающих частей т.

Из формулы (15.5) следует, что при ^^^ < 5 КПД удара резко падает вплоть до нуля, а при отношении ^^^ > 10 значение Г|у мало зависит от m'/m . Поэтому конструкторы шаботных молотов, чтобы не утяжелять машину, но и не снижать КПД, принимают ^^. - 10... 20.

Если бы обрабатываемый материал обладал идеальной пластичностью, а эле­ менты конструкции молота были абсолютно твердыми, то разгрузочный им­ пульс отсутствовал и вторая фаза удара характеризовалась бы условием к^^ = ^, В действительности к^^ > О, и тем больше, чем выше деформирующая сила.

В интервале температур ковки-штамповки для схем деформации с невысокими значениями напряжений (операции ковки, заготовительные переходы объемной штамповки) А:^^ = 0,15...0,40, тогда как при доштамповке в окончательном ручье молотового штампа к^^ = 0,50...0,65, а при очень жестких ударах (штамп по штам­ пу) ^^=0,75...0,80.

Глава 1 6. ТИПОВЫЕ КОНСТРУКЦИИ ПАРОВОЗДУШНЫХ МОЛОТОВ

16.1. Типы молотов и их применение

Область применения паровоздушных молотов охватывает все три главных технологических комплекса: ковку, объемную горячую и листовую штамповку.

366

Глава 16^. Типовые конструкции паровоздушных молотов

Паровоздушный ковочный молот, обладая такими важными преимуществами, как простота устройства и управления при универсальности технологических воз­ можностей, является ведущей машиной в индивидуальном и мелкосерийном произ­ водстве поковок. Однако наметившаяся тенденция к замене паровоздушных ковоч­ ных молотов по-прежнему продолжает существовать. Считают, что вместо ковочных молотов с массой падающих частей (МПЧ) более 3000 кг в кузнечных цехах ма­ шиностроительных заводов целесообразно устанавливать гидравлические прессы соответствующего номинала, а с МПЧ меньше 1000 кг - пневматические молоты.

Основные размеры и параметры паровоздушных ковочных молотов двойного действия регламентированы ГОСТ 9752. Предусмотрено изготовление молотов арочного и мостового типа с МПЧ 1000... 8000 кг при эффективной энергии удара 25...200 кДж. Стандартом установлено, что масса шабота равна 15-кратной номи­ нальной МПЧ.

Аналогично обстоит дело и со штамповочными молотами. В новых цехах пред­ почитают устанавливать КГШП, доступные самой широкой механизации и автома­ тизации. Однако во многих кузнечно-штамповочных цехах ведущей машиной пока остается паровоздушный молот; создание фундамента на виброизолированном основании и некоторые другие нововведения в ряде случаев побуждают проекти­ ровщиков к традиционным решениям. Поэтому в условиях серийного производ­ ства целесообразно применять штамповочные молоты с МПЧ до 25 000...40 000 кг. Для штамповки очень крупных поковок применяют бесшаботные молоты.

Паровоздушные штамповочные молоты двойного действия изготовляют со­ гласно ГОСТ 7024 с номинальной МПЧ 630...25 000 кг ( 4 = 16...630кДж) при полном ходе 1000... 1600 мм, причем превышение массы шабота должно быть 20-кратным. Давление пара или воздуха, предусмотренное вышеуказанными стандартами для молотов двойного действия, равно 0,6...0,9 МПа.

Изготовление облицовочных и других деталей летательных аппаратов из не­ железных листовых сплавов требует специфического механического режима об­ работки. Наиболее подходящим оборудованием для этого оказываются листоштамповочные молоты.

16.2.Требования к конструкции ковочных

иштамповочных молотов

Общая компоновка и конструкция отдельных деталей ковочного молота (рис. 16.1) отличаются от таковых у штамповочного молота (рис. 16.2). К опреде­ ляющим технологическим факторам относят габариты поковок и зависящие от них линейные размеры рабочего пространства, точность и жесткость удара.

Например, на ковочном молоте с МПЧ 5000 кг можно обработать гладкий вал массой до 1500 кг из заготовки 250 х 250 х 3200 мм, а на штамповочном моло­ те с такой же МПЧ - вал массой не более 25 кг из круглой заготовки 75 х 850 мм. Чтобы обеспечить отковку столь большого изделия, линейные размеры ковочно-

367

г л ава 16. Типовые конструкции паровоздушных молотов

го молота должны быть увеличены. Так, в первом случае расстояние на свету между стойками составляет 3200 мм, а во втором - 1000 мм.

Плоская форма рабочей поверхности бойков ковочного молота требует лишь их параллельности при ударе, не предъявляя жестких условий по относительному сдвигу в горизонтальной плоскости. Иначе у штамповочных молотов: смещение верхнего штампа относительно нижнего искажает форму полости окончательного ручья и приводит к неисправимому браку. Поэтому у штамповочного молота должно быть обеспечено не только хорошее вертикальное направление падающих

Рис. 16.2. Схема штамповочного молота (1-8 см. на рис. 16.1)

369