Живов_Кузнечно-штамповочное оборудование

Раздел I. КРИВОШИПНЫЕ ПРЕССЫ

Чтобы избежать дифференцирования сложной функциональной зависимос­ ти р =/(ос) при определении угловой скорости со1? рассмотрим векторный четы­ рехугольник, построенный на сторонах контура механизма ~с + R + L -М. Про­ ецируя векторную сумму на направление СО, имеем

Дифференцирование уравнения (2.4) по времени позволяет привести его к виду

где со, со19 со2 -угловые скорости соответственно кривошипа, коромысла и шату­ на. Из угловых величин, входящих в уравнение (2.5), вычитаем угол (р2, что со­ ответствует повороту координатных осей на общий угол ф = ф2. Тогда

Синтез кривошипно-коромыслового механизма проводят по данным техно­ логических расчетов при некоторых конструктивно заданных параметрах кине­ матической схемы.

ГОСТ 6282 на ножницы и нормали на костыльные автоматы не регламенти­ рует полный ход главного исполнительного органа Sa max. ЭТОТ параметр является расчетным и зависит от размера разрезаемого материала или высаживаемого кос­ тыля. Технологически известен угол р1? определяющий положение инструмента в конце процесса деформации, а по конструктивным соображениям следует задать длину коромысла Ми положения неподвижных шарниров ^ и С н а станине прес­ са. В существующих типах кривошипно-коромысловых механизмов отношение X = R/L лежит в пределах: 0,115...0,135 для ножниц и 0,100...0,110 для автома­ тов. Тогда количество заданных величин оказывается достаточным, чтобы ре­ шить систему из трех уравнений и определить параметры механизма:

Правильность синтеза можно проверить по соотношению размеров звеньев механизма при условии, что кривошип совершает полный поворот. При этом ра­ диус кривошипа должен быть наименьшим из всех звеньев:

R<L,M, с,

70

Глава 2. Кинематические свойства и проектирование исполнительных механизмо

ъ сумма длин наибольшего и наименьшего звеньев должна быть меньше суммы двух других звеньев:

R + c<L + M.

Необходимо провести также проверку на скоростную характеристику меха­ низма ножниц. При большой скорости резания металла качество заготовок луч­ ше: срез получается более ровным. При замедленном движении ножей возможно затягивание металла между ножами, особенно при резании тонколистового ме­ талла, вследствие чего срез получается с заусенцем. Практически средняя ско­ рость движения ножей равна 25 ...50 мм/с.

В костыльных автоматах скорость в меньшей степени влияет на качество вы­ саживаемых изделий, поэтому для повышения производительности машины сред­ нюю скорость движения высадочного пуансона принимают от 250 до 350 мм/с.

2.2. Прессы с кривошипно-ползунным механизмом

Кривошипно-ползунный механизм применяют в двух модификациях: в виде аксиального (центрального) и дезаксиального (смещенного). У аксиального меха­ низма ось возвратно-поступательного движения ползуна проходит через центр вращения кривошипа (рис. 2.2, а). У дезаксиального - ось движения ползуна сме­ щена по отношению к оси вращения кривошипа (рис. 2.2, б). Основными размерами механизма являются радиус кривошипа R = OA, длина шатуна L = АВ и значение дезаксиала Е. В качестве обобщенных относительных размеров принимают отноше­ ние радиуса к длине шатуна X = R/L и степень дезаксиальности гд = E/L.

Аксиальный механизм. Выберем за начальную точку отсчета крайнее (на­ пример, правое) положение ползуна (см. рис. 2.2, а). Тогда его ход

S =R + L-xB = R (1 - cos а) +—(1 - cos(3)

где Р - угол между шатуном и осью движения ползуна.

хв ,5,

Рис. 2.2. Кинематические схемы пресса с аксиальным (а) и дезаксиальным (б) кривошипно-ползунным механизмом

71

Раздел L КРИВОШИПНЫЕ ПРЕССЫ

Если представить это выражение только как функцию угла поворота веду­ щего кривошипа а, приняв во внимание, что

то можно получить уравнение, воспроизводящее точное решение для определе­ ния хода ползуна:

Для практических расчетов применяют упрощенное уравнение S =Да), по­ лученное разложением корня в биномиальный ряд:

S =R\ (l-cosa) +—sin a

2

При энергетических, прочностных и технологических расчетах возникает обратная задача: по известному положению ползуна S определить положение кривошипа, фиксируемого углом его поворота а. Из треугольника ОАВ, образо­ ванного контуром механизма (см. рис. 2.2, я), находим

После двукратного дифференцирования уравнения хода ползуна по времени и с учетом угловой скорости вращения ведущего кривошипа со= da/dt получа­ ем следующие выражения для скорости и ускорения:

Используя формулы (2.10), (2.12) и (2.13), можно построить кинематические диаграммы пути S, скорости v и ускорения у для одного цикла возвратно-поступа­ тельного движения ползуна кривошипно-ползунного механизма (рис. 2.3).

График пути ползуна S =f{v) представляет собой синусоидальную кривую с максимальным отклонением, равным полной длине хода ползуна при повороте ве­

72

Глава 2. Кинематические свойства и проектирование исполнительных механизмо

Рис. 2.3. Кинематическая диаграмма пути S, скорости v и ускорения у при возвратно-поступательном движении аксиального кривошипно-ползунного механизма

Функция скорости ползуна кривошипно-ползунного механизма выражается несимметричным синусоидальным графиком. Экстремальные значения скорости ползуна - максимум при прямом ходе и минимум при обратном - достигаются

при углах поворота ведущего кривошипа осэкстр в момент изменения знака уско­ рения при переходе его значения через нуль:

j = co2tf(cosa3KCTP + X c o s 2 a ) = 0.

Учитывая, что косинус изменяется в пределах от - 1 до +1, и применяя би­ номиальное разложение, находим два значения угла:

Максимальное и минимальное значения скорости можно найти, подставив в уравнение (2.12) соответствующее значение угла аэкстр:

73

ет на максимальный ход ползуна, увеличение максимума скорости vmax при изме­ нении X совершенно незначительно, а ускорение утах возрастает на 50 %. Таким образом, только увеличивая скорость движения ползуна в период холостого хода, можно повысить производительность кривошипного пресса.

На рис. 2.4 видно, что кинематические свойства пресса улучшаются не толь­ ко потому, что обеспечивается технологически допустимая скорость в процессе вытяжки, но и само ее изменение не является слишком резким, что создает более благоприятные условия для деформации металла. Вместе с тем производитель­ ность пресса при этом повышается на 40 %.

Дезаксиальный механизм. Ход ползуна S, измеряемый расстоянием от его произвольного положения до крайнего (например, правого) (см. рис. 2.2, б), опре­ деляем по уравнению

74

Глава 2. Кинематические свойства и проектирование исполнительных механизмов

Из рассмотрения текущего контура механизма заключаем, что полный ход ползуна

или после биномиального разложения квадратных корней с точностью до второго члена ряда (ед < X) и упрощения

Из формулы (2.20) следует, что полный ход ползуна Smax в дезаксиальном кривошипно-ползунном механизме несколько больше 2R и зависит от геометри­ ческих соотношений между звеньями. Однако для реальных механизмов влия­ ние геометрии на изменение хода ползуна крайне незначительно.

Текущие скорость v и ускорение j ползуна в зависимости от угла поворота кривошипа а определяем по формулам

Особенностью дезаксиального механизма по сравнению с аксиальным явля­ ется незначительное смещение экстремальных и нулевых значений пути, скорос­ ти и ускорения, связанное с тем, что крайние положения ползуна достигаются при углах поворота кривошипа, отличных от 0 и 180°:

Дезаксиальный механизм, не имея особых кинематических свойств, способ­ ствует лучшему направлению главного ползуна. Это объясняется тем, что сила, действующая по шатуну дезаксиального механизма, в любом его положении в период рабочего хода прижимает ползун к направляющим, тем самым предо­ храняя его от опрокидывания.

Кривошипно-ползунный механизм. Исходной величиной для геометричес­ кого синтеза аксиального кривошипно-ползунного механизма является полный ход ползуна, значение которого задано в ГОСТе на основные параметры и раз­ меры или рассчитано из технологических соображений для тех типов прессов (автоматы, ножницы и др.), для которых Smax в ГОСТе не оговорено. Тогда ради­ ус кривошипа, как это следует из формулы (2.14), будет равен половине полного хода ползуна: R = Smax/2.

75

Раздел I КРИВОШИПНЫЕ ПРЕССЫ

Для определения длины шатуна необходимо задать значение X, при выборе ко­ торого следует руководствоваться следующим соображением. Чем больше значение X при заданном полном ходе, тем меньше габаритный размер кривошипного пресса в направлении оси движения ползуна. Поэтому для прессов с большим ходом, осо­ бенно при плунжерной подвеске ползуна, значение X приходится выбирать по верхнему пределу, чтобы уменьшить размеры пресса. Но силовые условия работы

механизма с увеличенным отношением RJL ухудшаются - возрастают сила, дейст­ вующая вдоль шатуна, а также давление на направляющие и крутящий момент.

Значения X для современных кривошипных прессов приведены ниже:

Чтобы определить радиус кривошипа для дезаксиального механизма, необ­ ходимо дополнительно задать ед. Тогда на основании формулы (2.20) имеем

Коэффициент дезаксиальности главного механизма ГКМ ед = 0,06...0,08.

2.3. Прессы с кривошипно-коленным механизмом

Кривошипно-коленный механизм различных модификаций (рис. 2.5) при­ меняют в качестве главного исполнительного механизма в чеканочных прессах, прессах для выдавливания, вытяжных прессах тройного действия, обрезных и холодновысадочных прессах-автоматах.

Наибольшее распространение получил одноколейный центральный меха­ низм (см. рис. 2.5, я), у которого ползун движется вдоль оси, проходящей через центр качания верхнего звена. Многоколенную схему (см. рис. 2.5, б) применяют

76

Глава 2. Кинематические свойства и проектирование исполнительных механизмов

Рис. 2.5. Схемы одноколейного центрального (а), многоколенного (б) и нецент­ рального одноколейного (в) коленно-рычажных механизмов

в прессах для правки крупных деталей, где она необходима для точного направ­ ления длинного по фронту ползуна. В обрезных прессах-автоматах применяют приведенный на рис. 2.5, в одноколейный механизм с осью движения, не про­ ходящей через центр качания верхнего звена.

Аналитическое решение кинематики одноколейного центрального механиз­ ма можно построить, если представить его состоящим из кривошипно-коро- мыслового механизма ОABC с ведущим звеном - кривошипом OA=R - и колен­ но-рычажного механизма CBD (рис. 2.6).

Ведущий кривошип равномерно вращается с угловой скоростью со. Угло­ вая скорость качания щ верхнего звена ВС = М- величина переменная и зави­ сит от положения механизма. Принимая за точку отсчета крайнее нижнее положение ползуна, следует учитывать возможность недохода шарнира В до CD. Тогда звено ВС будет отклонено от CD на угол (3min, а звено BD = N - науголут1п.

Рис. 2.6. Схема одноколейного центрального ме­ ханизма с двухшарнирной верхней призмой

77

cosy = V l - ^ s i n 2 p - 1 -0,5?t2 sin2 p...,

получаем следующее упрощенное уравнение для хода ползуна кривошипноколенного механизма:

Однако уравнение (2.25) остается нераскрытым, поскольку входящий в него угол р не является независимым аргументом, а функционально определяется углом по­ ворота ведущего кривошипа: Р =/(а).

Решение для угла Р можно найти из анализа геометрии четырехзвенника ОАВС, и оно полностью подобно решению кривошипно-коромыслового меха­ низма (см. формулу (2.3)).

По заданным положениям ползуна угол отклонения Р звена ВС от средней линии CD определяем по формуле, аналогичной (2.11):

Угловая скорость щ определяется движением четырехзвенника при постоянной угловой скорости ведущего кривошипа:

В зависимости от соотношения между размерами звеньев возможны два ти­ па кривошипно-коленного механизма: с недоходом шарнира до линии CD (рис. 2.7, а) и с ее переходом (рис. 2.7, б).

78

Глава 2. Кинематические свойства и проектирование исполнительных механизмо

Рис. 2.7. Кинематические схемы кривошипно-коленного механизма с недо­ ходом шарнира до средней линии (а) и с ее переходом (б)

Механизм второго типа принят в конструкциях отечественных чеканочных прессов. Максимальное отклонение ВС влево составляет (З'тах = 32...40°. Пере­ ход линии CD и отклонение звена ВС вправо незначительно: $"тах= 15'...40' (большие значения соответствуют меньшим по усилию прессам). Преимущество подобной схемы механизма - увеличение времени выдержки заготовки под на­ грузкой, так как даже при столь малом угле Р'^ах ведущий кривошип должен по­ вернуться на угол а = 10...30°.

Для обеспечения достаточно большого хода ползуна при незначительном от­ клонении звеньев ВС и CD от средней линии отношение их длин принимают рав­ ным единице (К} - 1), а шарнир В при распрямленном колене располагается на уровне центра вращения кривошипа, т. е. Ъ = М. Отношение радиуса R кривошипа к длине L шатуна для чеканочных прессов X = 0,11 ...0,16.

Дополнительным условием для геометрии кривошипно-коленного меха­ низма является то, что вращение ведущего кривошипа может совершаться только тогда, когда выполнено общее условие, предъявляемое к кривошип- но-коромысловому механизму (см. четырехзвенник ОАВС на рис. 2.6):

где R<L, M, с.

Полученных зависимостей оказывается достаточно для синтеза кривошипноколенного механизма чеканочного пресса по основным параметрам (ГОСТ 5384).

Для холодновысадочных прессов-автоматов с кривошипно-коленным меха­

79