2.3 Силовой анализ кривошипно-шатунного механизма
2.3.3 Жесткость кривошипных прессов
Под действием нагрузок детали машин претерпевают упругое изменение размеров и формы. В кривошипных прессах в период рабочего хода под на- грузкой оказываются детали главного исполнительного механизма и станины.
В зависимости от характера приложенной нагрузки эти детали испытывают различную деформацию: растяжение, сжатие, изгиб, контактное смятие. Так, кривошипный вал изгибается, стойки станины растягиваются, шатун сжимает- ся, плита стола прогибается и т.д. Все эти деформации суммируются в направ- лении движения ползуна, искажая характер его движения и изменяя взаимное расположение рабочих частей штампа, полученное при наладке. Ход ползуна SУ
с учётом упругой деформации определяется как сумма рабочего хода ползуна S, и удлинения Δl элементов машины за счёт упругой деформации
SУ = S + Δl.
Величина упругой деформации Δl определяется, исходя из характеристики жёсткости кривошипного пресса (рисунок 2.21), которая представляет собой зависимость между величиной упругой деформации машины Δl и величиной нагрузки Р в диапазоне нагрузок от 0 до РН.
Видно, что начальный участок графика имеет нелинейный характер. В са- мом начале нагружения это объясняется выборкой зазоров в сочленениях глав- ного исполнительного механизма, а затем – нелинейной упругой деформацией стыков. Сила, соответствующая нелинейной деформации, обычно не превыша- ет (25...30) % от номинальной.
Рисунок 2.21 – Характеристика жесткости кривошипного пресса
После окончания рабочего хода, когда нагрузка падает до нуля, упругая деформация деталей пресса исчезает, их размеры и форма восстанавливаются.
Жесткость – это способность пресса сопротивляться упругому деформи- рованию под нагрузкой. Эту способность характеризуют коэффициентом же- сткости
,
где Δl – суммарная упругая деформация, равная увеличению расстояния между рабочими частями штампа.
Свойство пресса упруго изменять свои размеры под действием нагрузки в период рабочего хода называют упругой податливостью. Это свойство харак- теризуют величиной, обратной коэффициенту жесткости, – коэффициентом податливости
Значения коэффициента податливости, которые необходимы для построе- ния линеаризованных графиков жесткости, выбирают на основе практических данных. В открытых кривошипных прессах для листовой штамповки коэффи- циент податливости может достигать 1-2 мм на 1 МН нагрузки, в закрытых двухстоечных кривошипных прессах для листовой штамповки 0,5-1,0 мм на 1 МН нагрузки. В кривошипных чеканочных прессах большие значения упру- гой деформации недопустимы из-за необходимости обеспечить достаточную точность размеров штампуемой поковки и из-за потери энергии, поэтому у та- ких прессов коэффициент податливости составляет 0,10-0,35 мм на 1 МН на- грузки.
Точность штамповки на кривошипных прессах в основном зависит от двух факторов: суммарной упругой деформации деталей пресса и штампов под на- грузкой и перекоса ползуна под воздействием внецентренного приложения де- формирующего усилия. Перекосы ползуна вызывают наклон поверхности и не- перпендикулярность торцов поковки, а недостаточная жесткость пресса влияет на погрешность ее размеров по высоте. Перекосы при внецентренном приложе- нии нагрузки меньше у прессов с двумя и четырьмя шатунами благодаря луч- шему направлению ползуна и меньшим нагрузкам на направляющие по сравне- нию с прессами с одним шатуном.
Суммарная упругая деформация зависит от жесткости конструкции пресса и штампов. Упругая деформация деталей кривошипно-шатунного механизма примерно вдвое больше, чем станины пресса. В связи с тем, что жесткость штампов обычно меньше жесткости пресса, возможная упругая деформация конструкции штампов может быть значительной.
В процессах горячей объемной штамповки на КГШП большое влияние на суммарную упругую деформацию и соответствующие отклонения размеров по- ковок по высоте оказывает нестабильность деформирующей силы, вызванная отклонениями температуры и объема заготовок от расчетных значений. В связи с этим для стабилизации деформирующей силы и повышения точности штам- повки используются системы программно-адаптивного управления.
Чтобы избежать отрицательных последствий (понижение точности штам- повки, уменьшение стойкости деталей пресса и инструмента, увеличение затрат энергии), конструкторы стремятся повысить жесткость современных криво- шипных прессов. Для этого они применяют новые кинематические схемы с увеличенной жесткостью главного исполнительного механизма, используя, на- пример, кривошипно-эксцентриковый механизм в КГШП или кривошипно- круговой механизм в вырубных прессах.
2.4 Энергетика кривошипных прессов
Высокая энергоемкость технологических операций пластического дефор- мирования и цикличность работы кривошипных прессов определяют специфи- ку их энергетической системы, которая заключается в следующем:
- импульсный характер потребления энергии, приводящий к необходимо- сти применения электроприводов с маховиком;
- значительные потери энергии в процессе пластического деформирования;
- нестабильность КПД пресса;
- ограничение величины полезной отдачи энергии за цикл.
Кривошипные прессы эксплуатируются с разной степенью интенсивности.
Различают одиночный ход пресса и работу пресса на последовательных или ав- томатических ходах. При одиночном ходе после выполнения цикла работы и достижения ползуном верхнего положения муфта сцепления выключается и следует пауза. Следующий ход совершается лишь после нового включения муфты. Таким образом, для работы пресса на одиночных ходах характерно на- личие пауз между ходами, а также включение и выключение муфты. При по- следовательных или автоматических ходах отсутствуют паузы между ходами, а
где – частота одиночных ходов ползуна; – частота непрерывных ходов ползуна.
Коэффициент использования ходов имеют разные значения для разных ти- пов прессов.
Листоштамповочные прессы:
- универсальные простого действия...0,40–0,80 - вытяжные двойного действия...0,70–0,80 Прессы для объемной штамповки:
- горячештамповочные...0,10–0,20 - горизонтально-ковочные...0,15–0,30 - кривошипно-коленные чеканочные...0,60–0,80 Ножницы...0,70–0,80
2.4.1 Энергетическая диаграмма (циклограмма) кривошипного пресса
Для конкретного пресса с известными характеристиками системы электро- двигатель – маховик величина полезной отдачи энергии определяется характе- ром выполняемой технологической операции, режимом эксплуатации пресса (автоматические или одиночные ходы при определенном коэффициенте ис- пользования ходов), временем выполнения технологической операции в про- цессе всего цикла.
Кривошипные прессы и автоматы оборудуются приводом с маховиком от асинхронного электродвигателя, развиваемая мощность которого меньше мощ- ности исполнительного механизма во время рабочего хода. Дополнительный приток энергии получается за счет использования во время рабочего хода кине- тической энергии вращающегося маховика. При этом, по мере того как маховик отдает свою кинетическую энергию, его угловая скорость снижается до вели- чины, ограниченной допустимым скольжением электродвигателя. К началу ка- ждого следующего хода электродвигатель должен восстановить частоту враще- ния маховика, в противном случае, вследствие не возобновляемого расхода энергии маховика, кривошипно-шатунный механизм после совершения некото- рого числа ходов может остановиться или войти в состояние заклинивания.
Работу маховичного привода кривошипных прессов и автоматов анализи- руют обычно по изменению кинетической энергии рабочих частей – энергети- ческой диаграмме (рисунок 2.22).
1 – кривая расхода энергии пресса за один цикл;
2 – кривая затрат энергии на пластическое формоизменение заготовки;
a, b, c, d, e, g – характерные точки цикла; ЕН – начальная энергия (до включения муфты); ЕМ – энергия после включения муфты;
ЕК – минимально допустимая энергия (после рабочего хода);
tп, tд, tв, tт, tм, tц – длительность ходов ползуна
(время приближения, рабочего хода, возвратного хода, технологической паузы, машинного цикла, технологического цикла соответственно)
Рисунок 2.22 – Энергетическая диаграмма (циклограмма) кривошипного пресса
Энергетическая диаграмма, как правило, состоит из четырех участков:
- участка a–b, на котором происходит снижение кинетической энергии ма- ховика от начального уровня ЕН до ЕМ из-за потерь при включении фрикцион- ной муфты вследствие трения между ее дисками и разгона ведомых частей;
- участка b–c, на котором за время tп происходит полное восстановление энергии маховика электродвигателем;
- участка c–d, на котором происходит падение уровня энергии маховика во время рабочего хода tд до допустимого уровня ЕК. Из общего изменения энер- гии ΔE большая часть расходуется непосредственно на пластическое формоиз- менение заготовки (кривая 2), остальные расходы вызваны потерями на трение и упругое деформирование пресса и инструмента;
- участков d–e–g, на которых уровень энергии восстанавливается до перво- начального.
Если расход энергии на пластическое формоизменение и другие состав- ляющие велик, как при работе КГШП одиночными ходами, то восстановление энергии за время возвратного хода tв может не произойти. В таком случае раз- гон маховика при работающем электродвигателе и выключенной муфте про- должается во время технологической паузы tт. По истечении времени tт = tц – tм
где tм – время машинного цикла (двойного хода ползуна).
При работе прессов-автоматов при постоянно включенной муфте tц = tм. 2.4.2 Затраты энергии и коэффициент полезного действия
кривошипного пресса
Затраченная энергия (работа) при совершении прессом операции деформи- рования составляется из энергии, пошедшей непосредственно на деформацию Aд, энергии, израсходованной на преодоление сил трения в кривошипно- шатунном механизме Aк за период рабочего хода, энергии на преодоление сил трения в приводе от электродвигателя до главного вала во время рабочего хода Aп, потери в муфте при ее включении Aвм, потери энергии на упругую деформа- цию пресса Aу и энергии, израсходованной на преодоление сил трения за время холостого хода пресса Aхх. Таким образом, затраченная работа выражается со- отношением
А = Aд + Aк + Aп + Aвм + Aу + Aхх.
Полную количественную характеристику расхода энергии в период рабо- чего хода в реальном процессе обработки на прессе дает диаграмма крутящих моментов Mk = f(α). Эту диаграмму можно построить с помощью уравнения
Mk(α) = PD(α)·mk(α),
где PD(α) – сила на ползуне пресса при заданном положении механизма, опре- деляемая из нагрузочного графика пресса; mk(α) – текущее значение приведен- ного плеча силы.
Работу деформации Aд можно определить по конкретной диаграмме кру- тящих моментов Mk = f(α), соответствующей выполняемой на прессе техноло- гической операции. По площади диаграммы Mk(α) в пределах рабочего хода по- лучают значения работы, произведенной на ведущем валу,
,
где αк – угол конца рабочего хода; αн – угол начала рабочего хода.
Расходы энергии Aвм на включение муфты необходимо определять при ра- боте пресса в режиме одиночных ходов. Для обычных фрикционных муфт ра- бота включения складывается из работы разгона ведомой части привода и ра-
боты на преодоление сил трения при проскальзывании дисков муфты при включении, т.е. от их соприкосновения до тех пор, пока угловые скорости ве- дущих и ведомых дисков не сравняются между собой. Расход энергии на одно включение муфты составит
,
где Jв – момент инерции ведомой части привода, приведенный к валу муфты;
ωном – угловая скорость вала муфты при номинальном скольжении электродви- гателя.
Полное время включения фрикционной пневматической муфты исчисляет- ся от 0,03 с для небольших быстроходных листоштамповочных прессов до 0,6 с для аналогичных крупных машин и от 0,045 с для легких кривошипных горя- чештамповочных прессов и горизонтально-ковочных машин до 0,10-0,12 с для соответствующих тяжелых машин.
При автоматической работе машины без включения муфты потери энергии в муфте Aвм при включении можно принять равными нулю.
Величина расхода энергии при холостом ходе Aхх обусловлена следующи- ми потерями:
- на преодоление сил трения в опорах и направляющих главного исполни- тельного механизма и маховика, а также на преодоление сил трения в зацепле- нии и опорах зубчатых передач;
- на разгон маховика до номинальной частоты вращения и проскальзыва- ния ремней в клиноременной передаче;
- на перемещение деталей вспомогательных механизмов пресса и преодо- ление сил тяжести.
Работа холостого хода Aхх или расход энергии при холостом ходе характе- ризуют качество изготовления пресса. Для каждого типоразмера пресса суще- ствует своя нормативная работа холостого хода, отвечающая удовлетворитель- ному качеству его изготовления. Качество изготовления пресса при приемке проверяют, замеряя число ходов ползуна при выбеге маховика, т.е. при отклю- ченном электродвигателе, и сравнивая нормативное число с полученным при выбеге. Приближенно работу холостого хода Aхх определяют в долях от работы пластического деформирования Aд, расходуемой в процессе формоизменения,
Aхх = k Aд,
где k = 0,3-0,4 для универсальных листоштамповочных и обрезных закрытых прессов, k = 0,4-0,5 для кривошипных горячештамповочных прессов, k = 0,6 для чеканочных прессов и k = 1,5-2,5 для холодновысадочных прессов-автоматов.
При упругом деформировании пресса увеличивается и угол поворота ко- ленчатого вала, который необходим для перемещения ползуна до достижения максимального усилия, что увеличивает потери на трение. В дальнейшем упру- гая деформация пресса Aу играет роль некоторого аккумулятора энергии: при падении усилия сопротивления деформации упругая система отдает свою энер- гию, а при росте – потребляет. Потенциальная энергия упругой системы всегда
.
У кривошипных прессов полезно используемой работой является работа деформирования металла Aд в конкретной технологической операции. Затра- ченная за один технологический цикл работа Aц кривошипного пресса включает в себя полный расход энергии в приводе на штамповку одного изделия. Эта ра- бота состоит из работы, затраченной на совершение рабочего хода, то есть ра- боты, пошедшей непосредственно на деформирование Aд, и работы, израсходо- ванной на преодоление сил трения Aк в кривошипно-шатунном механизме во время рабочего хода, работы, затраченной на преодоление сил трения во время холостого хода машины Aхх, потери энергии в муфте при ее включении Aвм. От- носительная доля полезно используемой работы на пластическое деформирова- ние Aд составляет средний КПД технологического цикла
.
Удобным для исследования энергетических параметров пресса является КПД рабочего хода ηрх, который учитывает совокупные потери в механизме на трение и упругое деформирование деталей пресса
.
Условность этой величины состоит в том, что в качестве ведущего звена в прессе в период рабочего хода необходимо принимать не вал электродвигателя, а кривошипный вал, то есть следует рассматривать кинетическую энергию ма- ховых масс как работу движущих сил.
Значения КПД рабочего хода для кривошипных прессов обычных конст- рукций (нормальная упругая податливость, обычные условия трения в опорах μ = 0,04-0,06) приведены ниже.
Универсальные листоштамповочные прессы простого действия:
- вырубка...0,55–0,65 - вытяжка...0,70–0,80 Вытяжные листоштамповочные прессы двойного действия……0,75–0,85 КГШП...0,30–0,40 ГКМ...……….………...0,35–0,45 Обрезные прессы...0,50–0,55
2.5 Графики рабочих нагрузок
Основой энергетического расчета пресса с учетом его технологического назначения является график рабочих нагрузок (график деформирующей силы), построенный на базе теоретических или экспериментальных данных. Графиком рабочих нагрузок называется приближенное графическое изображение зависи- мости величины усилия деформации при данной технологической операции от перемещения деформирующей плоскости, поверхности инструмента. Площадь графика в известном масштабе определяет работу, требуемую для пластическо- го формоизменения. Определение работы пластического деформирования не- обходимо в двух случаях: для энергетического расчета универсальных и спе- циализированных машин при проектировании и для выяснения возможности выполнения на данном прессе по его энергетическим показателям той или иной заданной штамповочной операции.
В первом случае расчет основан на энергетическом анализе обработки оп- тимальной расчетной заготовки. При этом выбирается технологическая опера- ция, которая наиболее вероятна в практической эксплуатации пресса, а размеры заготовки или детали выбираются так, чтобы силовые, энергетические, геомет- рические и другие параметры технической характеристики пресса использова- лись наиболее полно.
Второй случай – выяснение возможностей выполнения на данном прессе конкретной технологической операции – более сложен, поскольку не для вся- кой операции удается достаточно точно задать характер графика рабочих на- грузок.
Форма графика рабочих нагрузок определяется расчетными методами, известным из теории обработки металлов давлением, или с помощью экспери- ментальных данных. В зависимости от характера деформирующего усилия тех- нологические процессы и соответствующие им графики можно разделить на шесть групп (рисунок 2.23).
1) Вытяжка листового металла (рисунок 2.23, а).
В расчетах по определению энергетических показателей для вытяжных прессов двойного действия в качестве исходной величины обычно принимают рабочий ход Smax, равный части полного хода внутреннего ползуна по цикло- грамме пресса. Максимальная допускаемая сила в этом случае должна быть меньше номинальной, указанной в паспорте, и определяться по условию проч- ности и работе деформирования, выполняемой прессом за один ход.
2) Разделительные процессы штамповки (рисунок 2.23, б, где 1 – вырубка- пробивка при штамповке из листа, обрезка заусенцев и прошивка отверстий; 2 – резка прутков на мерные заготовки на сортовых ножницах и др.).
При расчете РD следует принимать Рmax = PH. Рабочий ход Smax определяют в зависимости от толщины срезаемого металла Smax = kt, где k – поправочный коэффициент; t – толщина вырубаемого листа или срезаемого материала при обрезке.
а – вытяжка листового металла (1, 2 – первая и вторая вытяжки;
3 – вытяжка с утонением стенки); б – разделительные операции (1 – вырубка-пробивка, 2 – разрезка прутков); в – чеканка и калибровка;
г – прессование и выдавливание; д – прямое прессование; е, ж – объемная штамповка в открытых и закрытых штампах; з – гибка в штампах Рисунок 2.23 – Экспериментальные графики рабочих нагрузок 3) Чеканка, калибровка (рисунок 2.23, в).
Рабочий ход Smax для этих операций достаточно мал и измеряется шириной оставленного при штамповке припуска. Деформирующая сила возрастает от начального значения Р0 до максимального в конце операции Рmax ≤ РH. Соглас- но экспериментальным данным, Р0 ≤ (0,80-0,85)РH.
4) Прессование и выдавливание (рисунок 2.23, г).
Особенностью силового режима прессования и выдавливания является то, что деформация материала протекает при более или менее постоянной дефор- мирующей силе на ползуне пресса. Как элемент горячей штамповки поковок
г
а б
в д
е ж
з
фланцевого типа прямое прессование характеризуется более резким изменени- ем деформирующей силы в конечный момент штамповки в связи с небольшой высотой фланца (рисунок 2.23, д).
5) Объемная штамповка в открытых и закрытых штампах (рису- нок 2.23, е, ж).
Процесс штамповки на КГШП в открытых штампах осуществляют, как правило, за несколько переходов. Поэтому единый для удобства построения график деформирующей силы при последующих энергетических расчетах нуж- но разбить на несколько, каждый из которых будет отражать особенности сило- вого режима на соответствующем переходе. Для упрощения принимают двух- переходную штамповку с заменой действительной зависимости РD = f(S) двумя близкими к линейным участками графика с изменением силы: от начальной P0
до конечной РК на первом участке и от РК до максимальной Рmax в конце штам- повки на втором. Рабочий ход Smax устанавливают в предположении, что он со- ответствует углу поворота главного вала на угол αр = 45…50°.
При выборе специализированных машин, например холодновысадочных автоматов, используют график, приведенный на рисунке 2.23, ж. Рабочий ход в этом случае должен быть уменьшен и соответствовать углу поворота кривоши- па на угол αр = 20…30°.
6) Гибка в штампах (рисунок 2.23, з).
График имеет два участка: в начале гибки деформирующая сила плавно возрастает до и столь же плавно снижается, а затем резко возрастает, достигая максимального значения Рmax. При расчете принимают Рmax = PH причем первый максимум должен быть ниже второго. Рабочий ход Smax устанавливают соответ- ствующим ходу ползуна при повороте главного вала на αр = 60°.
Поскольку при расчете пресса используют лишь определенные параметры графика (общая площадь, величина и расположение максимума нагрузки), в точном определении формы графика нет необходимости. Поэтому для расчета процессов используют обычно типовые расчетные графики рабочих нагру- зок, вычерчиваемые в виде отрезков прямых. Графики строят в относительных координатах, по оси абсцисс откладывают пути, отнесенные к величине хода ползуна пресса S/H, а по оси ординат – текущие значения усилий, отнесенные к номинальному усилию пресса PH/PD.
Эти графики имеют одну особенность, которая заключается в том, что при совершении технологической операции отсчёт перемещений ползуна по оси абсцисс «0–S/H» идёт справа налево, а изменение величины деформирующей силы – слева направо, т.е. наоборот. Связано это с принятым направлением от- счёта угла поворота главного вала и связанным с ним расчетным перемещением ползуна, которое противоположно направлению его фактического перемеще- ния.
На рисунке 2.24 показаны типовые графики для наиболее распространен- ных операций листовой штамповки.
а – вырубка; б – вырубка при увеличенном ходе; в – вытяжка; г – гибка;
д – вытяжка на прессе двойного действия Рисунок 2.24 – Типовые графики нагрузок для
листоштамповочных прессов
Типовой график (рисунок 2.24, а) используется при расчете операции вы- рубки на однокривошипных прессах простого действия – открытых и закрытых, отличающихся малой длиной хода. При увеличении длины хода берется услов- ный график вырубки, показанный на рисунке 2.24, б. Этот же график использу- ется при расчете двухкривошипных и четырехкривошипных прессов.
При расчете операции вытяжки необходима увеличенная длина хода, и по- этому используется типовой график, показанный на рисунке 2.24, в. Для прес- сов двойного действия график вытяжки характерен большим рабочим ходом и усилием (рисунок 2.24, д).
Типовой график (рисунок 2.24, г) используется при расчете гибочных прессов.
Полезная работа может быть определена по формуле Aпл = δPHH,
где δ – коэффициент; PН – номинальное усилие пресса; H – длина хода ползуна.
Аналогичные графики (рисунок 2.25) используются и при расчете прессов для объемной штамповки.
а б в
г д
а – горячая штамповка; б – горячее выдавливание;
в – холодное выдавливание; г – холодная калибровка-чеканка Рисунок 2.25 – Типовые графики нагрузок прессов для
объемной штамповки
Необходимо отметить, что для реальных графиков рабочих нагрузок мак- симум усилия при разных штамповочных операциях будет соответствовать разным положениям ползуна, то есть разным значениям перемещения S его или разным углам α поворота кривошипного вала.
Графики стоят обычно без учета упругости деталей пресса, поэтому они универсальны для применения к различным типоразмерам машин.
Однако поскольку пресс, его детали под нагрузкой упруго деформируются, зависимость деформации пресса от усилия принимается линейной и характери- зуется коэффициентом жесткости С (рисунок 2.26, а). В реальных условиях эксплуатации под действием нагрузки величина суммарной упругой деформа- ции Δl элементов кривошипного пресса может достигнуть нескольких милли- метров. В результате этого поверхности верхней и нижней половин штампа мо- гут не сомкнуться, что приведёт к недоштамповке заготовки. Чтобы этого не произошло, необходимо увеличить ход ползуна на величину этой упругой де- формации, т.е. совершить дополнительную работу.
В этом случае всякому повышению усилия на графике рабочих нагрузок от нуля до Pmax (при расчете до номинального значения PН) будет соответствовать деформация Δl = Pmax/C, на этом участке графика ползун должен иметь пере- мещение, увеличенное на Δl относительно перемещения на исходном графике рабочих нагрузок. Соответственно на участке падения нагрузки часть переме- щения ползуна будет осуществляться за счет снятия упругих деформаций. Этот участок графика будет иметь уменьшенную базу по оси абсцисс на величину
а б
в г
(рисунок 2.26, б-г).
а б в г
а – график жесткости пресса; б – изменение деформирующей силы при вытяжке; в – при вырубке-пробивке и резке; г – при чеканке, выдавливании
и прессовании, горячей штамповке в открытых штампах, гибке;
1 – без учета жесткости пресса; 2 – с учетом жесткости пресса Рисунок 2.26 – Изменение жесткости пресса и деформирующей силы
по ходу ползуна