Д.В. Хван, а.А. Воропаев, ю.Б. Рукин повышение несущей способности пресса для осадки с кручением
В статье предлагается схема модернизации разработанного ранее пресса для штамповки с кручением с целью увеличения нагрузки на обрабатываемую заготовку, то есть повышения его несущей способности
В обработке металлов давлением придается большое значение разработкам конструкций прессового оборудования для комбинированной штамповки заготовок. В частности имеются прессы для штамповки с кручением [1-3], которые позволяют осаживать цилиндрические заготовки до значительно более высоких степеней деформаций. Данные прессы, однако, обладают определенными недостатками - это сложность конструкции и невозможность плавно изменять соотношения между линейными и угловыми деформациями в обрабатываемой заготовке.
В работе [4] представлена конструкция пресса (рис. 1) для штамповки с кручением, в котором предусмотрена возможность деформирования заготовки с заданным соотношением между линейной скоростью осадки и угловой скоростью кручения. Для этого в станине 1 установлен связанный с приводом маховик 2, в центральном резьбовом отверстии которого установлен винт 3 с возможностью его перемещения параллельно оси маховика. Верхняя концевая часть винта имеет некруглое сечение и вставляется в соответствующее некруглое отверстие установленного по скользящей посадке в станине верхнего маховика 4 для образования с ним поступательной пары. На подпятнике 5 ползуна 6 дополнительно закреплены параллельно оси винта 3, по крайней мере, два цилиндрической формы упора 7, свободные концы которых установлены по скользящей посадке в соответствующих отверстиях маховика 2. Винт 3 другой концевой частью закреплен посредством болта 8 на нижнем подпятнике 5 для образования с ним цилиндрической шарнирной пары. При этом подпятник 5 может вращаться относительно болта 8, жесткого соединенного с винтом 3. В основании корпуса 1 пресса устанавливается нижняя часть штампа 9 с необходимыми матрицами (они не показаны), а в самом корпусе 1 установлены в радиальном направлении, по крайней мере, два стопорных винта 10, поджатием которых к маховику 4 производится торможение его вращательного движения.
Рис. 1. Схема пресса для штамповки с кручением
Пресс работает следующим образом. При вращении маховика 2 через упоры 7 вращательное движение передается подпятнику 5. В свою очередь последний благодаря винтовой паре маховик-винт будет перемещаться вместе с ползуном 6 вниз или вверх, т.к. винт 3 может совершать возвратно-поступательное движение в зависимости от направления вращения маховика 2. При этом крутящий момент будет передаваться заготовке до необходимой степени деформации сдвига.
Наиболее ответственными с точки зрения несущей способности такого пресса являются цилиндрические упоры 7, через которые передается вращательное движение от приводного маховика 2 нижнему подпятнику 5, жестко связанному с пуансоном для пластической обработки заготовки.
Эти
упоры установлены неподвижно одним
концом на нижнем подпятнике, и в связи
с этим можно рассматривать их как
консольную балку (рис. 2) с общей длиной
(
),
нагруженную силой
от приводного маховика на расстоянии
от опоры (нижний подпятник).
Рис. 2. Расчетная схема крепления упоров без дополнительной опоры
Данная
схема крепления упоров является с точки
зрения их несущей способности
нерациональной. Поэтому в вышеуказанном
прессе необходимо в качестве дополнительной
опоры для упоров установить в станине
пресса дискообразной формы кольцо
(допол. поз. 11) по скользящей посадке, в
соответствующие отверстия которого
вставляются также по скользящей посадке
свободные концевые части упоров на
расстоянии
от приводного маховика. При этом расчетная
схема установки упоров в прессе может
быть представлена по двум вариантам
(рис. 3, 4). В случае первого варианта
концевая часть упоров устанавливается
в кольце, как в шарнирной подвижной
опоре, а во втором – как в подвижной в
осевом направлении заделке.
Представленные на рисунках схемы установки упоров в нижнем подпятнике и кольце являются статически неопределимыми балками: на рис. 3а – один раз статически неопределимой; на рис. 4а – два раза статически неопределимой.
Рис. 3. Расчетная схема (1) крепления упоров с дополнительной опорой
Рис. 4. Расчетная схема (2) крепления упоров с дополнительной опорой
Раскрыв статическую неопределимость представленных балок методом сил [5], можно доказать, что величины нагрузок на упоры будут находиться между собою в следующих соотношениях
.
(1)
На
рис. 1б,
2б,
3б представлены
эпюры изгибающих моментов
,
построенных на основе решения
соответствующих задач методами
сопротивления материалов [6]. Здесь
буквами
,
,
отмечены изгибающие моменты соответственно
в левой опоре, в точке приложения нагрузок
и на правой опоре (индексы
1;
2; 3 – указывают на номера рисунков).
Значения
,
,
будут равны
(2)
где
.
На основе анализа эпюры изгибающих моментов на рис. 2б приходим к выводу, что
,
при
,
(3)
то
есть изгибающий момент в точке приложения
нагрузки
будет больше изгибающего момента в
левой опоре при условии, что
.
Из
сопоставления величин изгибающих
моментов в опорах и точке приложения
нагрузки
можно отметить, что соотношения между
значениями
,
,
зависят от параметра
.
Эти изгибающие моменты будут наименьшими
и равными друг другу при
и принимают значение
.
(4)
При
.
(5)
Таким
образом, с целью повышения несущей
способности упоров 7 согласно 3-й схеме
приложения последних в станине пресса
необходимо приводной маховик 2
устанавливать посередине между нижней
пятой 5 и опорным кольцом. При этом
следует отметить, что при работе пресса
нижний подпятник будет смещаться вниз
и параметр
будет уменьшаться (
)
и тогда расчетный изгибающий момент в
правой опоре (
)
будет наибольшим по величине по сравнению
с
и
.
Однако рабочий ход нижнего подпятника
с пуансоном будет незначительным и по
величине меньше высоты обрабатываемой
заготовки, в связи с чем увеличение
момента
относительно
будет также незначительным.
Для сравнения нагрузок на упоры, установленные в станине пресса по трем представленным схемам необходимо принять условие равенства расчетных изгибающих моментов
.
(6)
Подставив
в это выражение значения
,
(при
)
и
(при
),
получим следующие соотношения между
нагрузками
,
,
;
;
. (7)
Таким образом, из этих выражений следует, что наиболее рациональным с точки зрения увеличения несущей способности упоров, а тем самым и всего пресса, является третья схема балки, согласно которой устанавливают упоры в станине с дополнительно размещенным в ней кольцом.
В
связи с этим при проектировании пресса
для штамповки с кручением будет
использоваться третья схема балки, и
нагрузка на упоры в дальнейшем будет
обозначаться буквой
без индекса.
Значение этой нагрузки необходимо для расчета крутящего момента, прикладываемого к обрабатываемой заготовке посредством пуансона.
В
работе [7] представлено решение задачи
об осадке с кручением заготовок с
исходными диаметром
и высотой
.
При этом получено соотношение для
расчета силы и крутящего момента в виде
(8)
Здесь
– относительная деформация в заготовке;
– сдвиг на поверхности заготовки;
– текущий радиус заготовки, где
– ее исходный радиус;
– координата произвольной точки в
поперечном сечении заготовки;
,
– характеристики материала в аппроксимации
кривой течения по А. Надаи;
;
– логарифмическая деформация.
В свою очередь крутящий момент будет равен
,
(9)
где
– расстояние между осями упоров в
диаметральном направлении;
2,
4, 6, … – число упоров.
Из уравнений (8) и (9) получим соотношение для расчета нагрузки на упоры
.
(10)
Рассматривая прочность упоров как двухопорной балки согласно третьей схеме, получим методами сопротивления материалов в соответствии с формулой (4) и учетом условия прочности при изгибе [8]
,
(11)
где
– допускаемое напряжение материала
упора.
Если
диаметр
назначается из конструктивных соображений,
то на основе уравнений (4), (9) и условия
прочности при изгибе можно получить
формулу для расчета прикладываемого
пуансоном к заготовке скручивающего
момента
.
(12)
Примеры:
1. Расчет крутящего момента, развиваемого приводным маховиком.
Пусть
100
мм, тогда из (12) получим
кНм.
2.
Расчет диаметра упоров. Подставив все
представленные числовые данные в формулу
(11), приняв при этом
0,5;
,
получим с помощью выражения (11)
57мм.
Согласно предпочтительному ряду чисел принимаем 55мм.
Выводы
1. Предложена модернизированная конструкция пресса для штамповки с кручением, включающего в качестве дополнительной опоры к упорам плоское кольцо и тем самым позволяющего увеличивать нагрузку на обрабатываемую заготовку;
2. Даны примеры расчета диаметра упоров и скручивающего момента на заготовку.
Литература
1. А.С.СССР №1117226, В30В1/26. Пресс для штамповки с кручением/ Сафонов А.В., Степанов Б.А., Субич В.Н. и др./ опубл.07.06.1984. Бюл.№37.
2. А.С.СССР №1131129, В30В1/26. Пресс для штамповки с кручением/ Сафонов А.В., Степанов Б.А., Субич В.Н. и др./ опубл.22.08.1984. Бюл.№38.
3. Патент RU №2303527 С2В30В1/26. Пресс для штамповки с кручением/ Бойко А.П., Семеноженков М.В./ Опубликован 27.07.2007г. Бюл.№37.
4. Хван А.Д., Панин П.М. Пресс для комбинированного нагружения при обработке металлов давлением// КШП. ОМД. 2011, № 10. С. 36 – 39.
5. Феодосьев В.И. Сопротивление материалов. М.: Наука, 1986. 510 с.
6. Там же. С. 277.
7. Дмитриев А.М., Крук А.Т., Хван А.Д. Улучшение эксплуатационных и технологических свойств элементов конструкций пластическим деформированием: монография. Воронеж: Изд-во ВГУ, 2011. 216 с.
8. Феодосьев В.И. Сопротивление материалов. С. 159.
Воронежский государственный технический университет
УДК 621.314:62-83