6 МОЛОТЫ
Технология ковки, является одним из старейших методов обработки ме- таллов, который до сих пор широко используется в производстве. Для силового воздействия на заготовку в основном используются молоты. При разработке молотов учитываются многие требования, такие как эксплуатационная надеж- ность и долговечность, простота использования, безопасность, статическая же- сткость и динамическая устойчивость. Важным требованием является произво- дительность, основным показателем которой для молотов является количество поковок в единицу времени. С производительностью тесно связана точность из- готовления поковок и необходимое количество финишных операций.
Молоты применяются для осуществления многих технологических про- цессов современного кузнечно-штамповочного производства и металлообра- ботки: ковки, объемной и листовой штамповки, для разрезки сортового прока- та.
кая скорость, при которой в поковке из низкоуглеродистой стали в холодном состоянии (ρ = 7,8-103 кг/м3, c = 5,2·103 м/с) создаются контактные напряжения, равные пределу текучести (σт = 300 МПа):
.
При взаимодействии масс со скоростью 0,1[v] в стали, нагретой до ковоч- ной температуры 1 200 °С, возникают контактные напряжения σ = 25 МПа, а при взаимодействии со скоростью 10[v] – контактные напряжения в десять раз превышают предел текучести для низкоуглеродистой стали в холодном состоя- нии, т.е. 3 000 МПа. Штамповых материалов, способных работать при таких напряжениях, пока нет. Лучшие современные инструментальные стали харак- теризуются σ = 2 000 МПа, поэтому максимальная скорость рабочих масс не превышает 50 м/с. В основном же для штампов молотов применяют стали с до- пускаемым напряжением по пределу текучести 800 МПа, и поэтому макси- мальная скорость взаимодействия не превышает 20 м/с.
Ударное деформирование начинается с момента встречи взаимодействую- щих масс с поковкой и заканчивается в момент прекращения взаимодействия.
Полное время ударного деформирования состоит из продолжительности двух этапов: нагрузочного, когда усилие деформирования в зоне контакта возрастает от нуля до максимального значения и разгрузочного, когда в результате упру- гой разгрузки усилие снова падает до нуля.
Молоты можно классифицировать по нескольким различным признакам:
- по технологическому признаку (ковочные, штамповочные, листоштампо- вочные);
- по типу энергоносителя (паровоздушные, газовые, пневматические, ме- ханические, гидравлические, электрические, взрывные);
- по способу удара (с одной стороны, с двух сторон);
- по принципу действия (простого действия, двойного действия);
- по конструктивному исполнению (одностоечные, двухстоечные, колон- ные);
- по типу шабота (с неподвижным шаботом, виброизолированные, с под- вижным шаботом).
Для привода молотов используется энергия:
- водяного пара;
- сжатого воздуха;
- сжатого до высокого давления газа;
- жидкости высокого давления;
- горючих смесей и взрывчатых веществ;
- механическая;
- электрическая.
Паровоздушный молот (рисунок 6.1, а) – типичная паровая машина с ра- бочим цилиндром, в нижнюю и верхнюю полости которого попеременно впус- кается или выпускается пар или сжатый воздух. Тем самым обеспечивается возвратно-поступательное движение вверх-вниз поршня, образующего с ци- линдром двигательный механизм, штока (передаточный механизм) и бабы (ис- полнительный орган) с верхним бойком или штампом. Поршень, шток и бабу принято объединять в одном конструктивном узле подвижных или падающих частей.
а б в г д е
а – паровоздушный; б – газовый; в – пневматический; г – с доской;
д – рессорный; е – канатный
Рисунок 6.1 – Принципиальные схемы молотов
Источники водяного пара (котельная) или сжатого воздуха (компрессорная станция) обеспечивают групповое энергоснабжение молотов.
У паровоздушных молотов максимальная скорость подающих частей при ходе вниз не превышает обычно 7-8 м/с, что объясняется относительно не- большой удельной концентрацией энергии в приводе.
Для высокоскоростных молотов в качестве интенсивного ускорителя ис- пользуется энергия расширения инертных газов, сжатых под большим давлени- ем, либо энергия взрыва горючих газовых смесей или взрывчатных веществ (ВВ). Примерная схема высокоскоростного газового молота показана на ри- сунке 6.1, б. Верхний цилиндр служит газовым аккумулятором. При открытии проходного отверстия начинается интенсивное перетекание газа в нижний ци- линдр. Давление газа передается на поршень, непрерывно ускоряя подвижные части до 5-6 м/с. Для подъема подвижных частей предназначается нижняя по- лость цилиндра.
Пневматический молот (рисунок 6.1, в) имеет встроенный компрессорный цилиндр для перекачки воздуха в нижнюю или верхнюю полости левого рабо- чего цилиндра. Сжатый давлением 0,4-0,6 МПа воздух, выполняя функции ра- бочего тела, упруго связывающего компрессорный и рабочий поршни, принуж- дает падающие части к циклическому возвратно-поступательному перемещению. У пневматических молотов имеется индивидуальный привод от
связей жесткого, упругого или гибкого типа. Первый тип связей применяется во фрикционных молотах с доской (рисунок 6.1, г), в которых подъем падающих частей обеспечивается за счет сил сцепления, возникающих между вращающи- мися в разные стороны роликами и доской. Движение вниз со скоростью 4,0- 5,5 м/с осуществляется под действием силы тяжести при разведенных роликах.
В рессорных молотах (рисунок 6.1, д) упругая рессора служит не только для преобразования вращательного движения электродвигателя в качательное и далее в прямолинейное возвратно-поступательное движение падающих частей, но и является накопителем потенциальной упругой энергии, ускоряющим дви- жение этих частей вниз.
В старых конструкциях молотов в качестве гибкой связи, преобразующей вращательное движение приводного вала в поступательное движение падаю- щих частей вверх, применялся канат, а в современных конструкциях – цепь или ремень (рисунок 6.1, е). При отсоединении звездочки или наматывающего ба- рабана от ведущего вала падающие части совершают ход вниз под действием силы тяжести.
В гидравлическом молоте рабочим телом служит жидкость под высоким давлением (от индивидуального насосного привода), впускаемая под поршень рабочего цилиндра при ходе падающих частей вверх или в полость цилиндра над поршнем при ходе вниз. Скорость рабочих масс перед ударом составляет 4- 6 м/с. Таким образом, молот работает по схеме, подобной указанной на рисун- ке 6.1, а.
В электрическом молоте используется энергия поля, образуемого обмот- ками электромагнита, втягивающего металлический сердечник-шток удельным усилием 0,1-0,5 МПа и тем самым принуждающего двигаться падающие части вверх. Такие молоты используются в основном в лабораториях.
Взрывной молот, использующий горючие смеси, по принципу действия подобен двигателю внутреннего сгорания и помимо дозирующих устройств должен иметь запальные свечи. Взрывной молот содержит камеру, куда закла- дываются дозированное количество взрывчатых веществ и детонатор. При взрыве газовые продукты с большим давлением действует на боек, ускоряя его до 20 м/с и более.
В соответствии с технологическим назначением различают ковочные, штамповочные и листоштамповочные молоты.
К признакам, позволяющим классифицировать молоты по конструктивно- му исполнению, относятся: а) способ удара подвижных частей; б) кратность действия энергоносителя; в) устройство станины; г) устройство фундамента.
Способ удара подвижных частей характеризует перемещение их по отно- шению к обрабатываемому металлу: с одной или с двух сторон.
В первом случае металл располагается на нижней половине рабочего инст- румента (штампе, бойке и т.п.), закрепленного через переходные детали непо- средственно на массивном неподвижном основании М молота (шаботе). Под- вижная часть молота (баба) массой т с другой половиной инструмента получает одностороннее движение в направлении металла. Это так называемые шаботные молоты (рисунок 6.2, а). У молотов с нижним ударом металл лежит на инструменте, движущемся снизу вверх, но верхняя поперечина, соединенная тягами с шаботом, неподвижна и, следовательно, принципиальных отличий у такого молота от обычного шаботного с верхним ударом нет. Во втором случае по направлению к металлу, располагающемуся посредине, с двух противопо- ложных сторон движутся с соизмеримой скоростью близкие по массе подвиж- ные части т и М с инструментом. Это так называемые бесшаботные молоты (рисунок 6.2, б).
а – шаботный; б – бесшаботный
Рисунок 6.2 – Схемы молотов с различным характером удара
Кратность действия энергоносителя характеризует условия использова- ния внешней энергии: предназначается ли она только для подъема падающих частей, а движение вниз совершается под действием энергетического потен- циала гравитационного поля, или же и при ходе вниз внешняя энергия исполь- зуется для создания дополнительного ускоряющего силового воздействия на падающие части. Первая группа молотов называется молотами простого дей- ствия, или падающими молотами, вторая – молотами двойного действия.
Все молоты, несмотря на все разнообразие привода, можно объединить по конструктивному оформлению станины, служащей для компоновки всех узлов.
Она может быть одностоечной или двухстоечной, рамного, арочного или мос- тового типа.
Для шаботных молотов (самой многочисленной группы молотов) важным дополнительным признаком является устройство фундамента. Если фундамент подошвой покоится на грунте, то молот имеет обычное основание; если же фундамент располагается на амортизаторах, то – виброизолированное основа- ние.
машины, является выдержка подвижных частей в крайнем верхнем положении (КВП) для аккумуляции энергоносителя в цилиндре высокоскоростного молота.
Технологические паузы вызываются необходимостью произвести какие-либо манипуляции с обрабатываемым металлом, например, переложить поковку из ручья в ручей штампа или перевернуть ее.
Циклы возвратно-поступательного перемещения подвижных частей, со- стоящие из отдельных перемещений из одного крайнего положения в другое с разделением паузами, называются единичными ходами. Если же перемещения следуют непрерывно одно за другим без разделения паузами, то такие циклы движения называются последовательными ходами.
Для того чтобы начался ход подвижных частей вверх, в самом начале дви- жения в обоих циклах должна существовать подъемная сила и соответствую- щее ей положительное ускорение, направленное в сторону движения (рису- нок 6.3, кривые 2 и 4 соответственно для единичного и последовательного ходов). Под действием подъемной силы подвижные части ускоряют свое дви- жение вверх, развивая требуемую скорость (кривые 1 и 3). В определенный мо- мент управляющий механизм молота обеспечивает создание тормозящей силы (отрицательного ускорения). За счет этой силы при подходе к КВП скорость хода вверх гасится до нуля, иначе может произойти удар подвижных частей в ограничивающие элементы конструкции молота. Однако конечные силовые ус- ловия в КВП для обоих циклов неодинаковы. При единичном ходе длительная остановка означает, что все силы, действующие на подвижные части, должны быть уравновешены и ускорение равно нулю. В цикле последовательных ходов сколько-нибудь длительная остановка исключается, а должен последовать ре- верс движения. Для этого при подходе к КВП должна развиваться значительная тормозящая сила, которая после мгновенной остановки обеспечивает немед- ленное движение вниз. При этом управляющий механизм молота должен изме- нить силовую ситуацию в приводе и передаточном механизме так, чтобы сила, противодействующая движению вниз, была минимальной.
В начале хода вниз в рассматриваемых циклах на подвижные части воз- действует максимальная движущая сила и, следовательно, максимальное поло- жительное ускорение. При единичном ходе с максимумом скорости в крайнем нижнем положении (КНП) это ускорение должно быть направлено в сторону движения в течение всего хода (рисунок 6.3, б, кривые 4 и 1 соответственно для ускорения и скорости). При осуществлении последовательного хода остановка внизу недопустима и подвижные части, реверсируя после погашения скорости при обработке металла в КНП, тотчас должны начать подъем. Это, как и при ходе вверх, обеспечивается созданием достаточно большой тормозящей силы.
Поэтому в цикле последовательного хода в конце хода вниз ускорение достига- ет 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 нужно создать тормозящую силу. В результате перемещение подвижных частей замедлится, и скорость в КНП окажется меньшей, чем в середине пути (кривые 5 и 3).
а б
а – ход вверх; б – ход вниз
Рисунок 6.3 – Изменение скоростей и ускорений в цикле единичного хода с верхней паузой и в цикле одного последовательного хода
6.3 КПД удара и соотношение ударных масс
Физический удар – совокупность явлений, возникающих при столкновении твердых тел в условиях изменения их скоростей от начальных до конечных за малый промежуток времени, исчисляемый тысячными (или менее) долями се- кунды. В процессе деформации тел при ударе развиваются ударные силы. Им- пульсы этих сил за время удара во много раз больше импульсов всех внешних сил, приложенных к системе соударяющихся тел. Поэтому в процессе удара влиянием внешних сил можно пренебречь и считать, что система соударяю- щихся тел является замкнутой, а ударные силы – внутренними. В такой системе обязательно выполняется закон сохранения количества движения.
Процесс физического удара двух твердых тел разделяется на две фазы. В течение первой – нагрузочной – происходит монотонное нарастание ударных сил, так как кинетическая энергия преобразуется в энергию упругого деформи- рования сталкивающихся тел в месте их контакта. После максимального сбли- жения, соответствующего максимуму ударной силы, начинается вторая фаза процесса – разгрузочная – с монотонным снижением ударных сил вплоть до прекращения контакта тел. Размеры и форма тел восстанавливаются. За счет возврата упругой энергии происходит восстановление уровня кинетической энергии, полное в идеальной и ограниченное в реальной системе.
Динамика системы из двух сталкивающихся масс молота в условиях так называемого «жесткого» удара лишь с определенной степенью приближения может быть охарактеризована скоростными соотношениями. В нормальных ус- ловиях эксплуатации между сталкивающимися массами закладывается металл, и развивающиеся ударные силы вызывают в нем пластическое течение. Проис-