Рей М.Р.

Восточноукраинский национальный университет им. В. Даля, Украина

 Методика аналитического расчета Энергетики рабочего хода кривошипного  горячештамповочного  пресса

 

В настоящее время затраты энергии на рабочий ход определяются графоаналитическим методом с использованием нагрузочных графиков усилий на ползуне пресса. Конец рабочего хода согласно данным Л.И.Живова [1], [2] соответствует крайнему нижнему положению. На основе графиков крутящих моментов за время рабочего хода определяется работа рабочего хода, которая включает работу пластической деформации, работу упругой деформации пресса по закрытой высоте и сопутствующие потери на трение. В отличие от методики изложенной в [1],  Е.Н.Ланской предлагает рассчитывать работу технологической и упругой деформации аналитически, а сопутствующие потери энергии на трение графоаналитически. В работе [6] В.И.Власов и Ю.Т.Гурьев предлагают определять работу рабочего хода аналогично методике [2] с учетом потерь энергии на трение при упругой разгрузке пресса в пределах угла трения и возврата части упругой энергии в привод пресса.

Процесс штамповки на кривошипных прессах осуществляется в несколько переходов. Л.И.Живов в 1966 г. [1] предложил в основу энергетического расчета пресса положить двухпереходную штамповку по совмещенному графику усилий штамповки, в котором график усилий первого перехода накладывался на график усилий второго перехода,  рабочий ход заканчивался в крайнем нижнем положении ползуна. В это же время такой же график усилий деформации находим в работе Е.Н.Ланского и А.Н.Банкетова [2]. Такой же график находим в более поздних работах этих же авторов [3],  [4],  [5].  В.И. Власов в работе [6] приводит такой же график нагрузки  и выполняет теоретический анализ усилий и крутящих моментов с учетом  разгрузки пресса. Отмечены значительные затраты энергии при упругой разгрузке пресса и только при коэффициентах трения  0,001 и 0,01 появляются отрицательные крутящие моменты и часть энергии упругой деформации пресса возвращается в привод.

Затраты на упругую деформацию пресса  предлагаются не учитывать, так как площадь петли гистерезиса  процесса нагрузки-разгрузки стали не превышает 2% от площади графика нагрузки, но при этом учитывать потери на трения в исполнительном механизме  пресса связанные  с упругой деформацией  как при нагрузке, так и при разгрузке пресса. Энергетические затраты на каждый переход штамповки рассчитываются раздельно. Первый переход штамповки является осадкой.  Усилие нагрузки на ползуне пресса в функции перемещения ползуна с учетом упругой деформации  пресса  и графиков усилий деформаций, приведенных  в работах [3],  [5],  [6] можно представить

 

                                             (1)

 

где  - усилия в начале и в конце процесса осадки;

         - абсолютная деформация осадки;

            с – технологическая жесткость пресса;

         S – ход ползуна пресса.

Угол рабочего хода процесса осадки с учетом упругой деформации пресса по закрытой высоте определяется по зависимости

 

                                               (2)

где

 - радиус кривошипа и длина шатуна.

Угол упругой разгрузки пресса после перехода ползуна через крайнее нижнее положение будет равен

 

                                                (3)

 

где  - коэффициент кратности шатуна.

Затраты энергии на рабочий ход пресса при выполнении процесса осадки заготовки составляют величину

 

                                         (4)

 

где Аш - работа пластической деформации при осадке;

        - приведенное плечо сил трения;

 - среднее значение усилия на ползуне в функции угла поворота главного вала при осадке заготовки;

- среднее значение усилия на ползуне в функции угла  поворота главного вала при упругой разгрузке пресса.

Для решения зависимости (4) необходимо определить средние значения  усилий на ползуне в функции угла поворота при активной нагрузке пресса  и упругой разгрузке пресса .

Для определения среднего значения усилий на ползуне при активной нагрузке рабочий угол пресса разбивается на (n) участков и определяются угловые положения вала соответствующие средним (n) участков.

 

                                             (5)

 

где n – число участков, n =10…20, i = 1, 2, 3…n.

Затем определяется расстояние ползуна до его крайнего нижнего положения по зависимости

 

                                    (6)

 

подстановкой значений в (1) находят n значений и определяют средние значения усилия на ползуне в функции угла поворота главного вала

 

                                                 (7)

 

Второй переход при двухпереходной штамповке характерен развитием значительных усилий при малых величинах абсолютной деформации, величина которых соразмерна с упругой деформацией пресса по закрытой высоте. Так при штамповке поковки диаметром до 100 мм Л.И.Живов [3]  дает значение абсолютной деформации поковки  = 1,5…2 мм. Штамповка такой поковки может быть осуществлена на прессе с номинальным усилием 10МН, технологическая жесткость которого согласно данным Е.Н. Ланского [5]  находится на уровне 4000 МН/м, упругая деформация пресса по закрытой высоте составит  =2,5мм. Согласно данным авторов [3],  [5],  [6] усилие штамповки апроксимируется линейной зависимостью в функции абсолютной деформации. Усилие на ползуне пресса в зависимости от перемещения ползуна с учетом упругой деформации пресса по закрытой высоте можно представить в виде

 

                                                           (8)

 

где   -  абсолютная деформация поковки;

       - упругая деформация пресса по закрытой высоте;

        - текущее значение хода ползуна.

Угол рабочего хода составит величину

 

                                          (9)

 

а угол упругой разгрузки пресса

 

                                              (10)

 

Затраты энергии рабочего хода на конечной стадии штамповки определятся по зависимости

                         (11)

 

 где - работа пластической деформации, технологическая работа;

      - средние значения усилий на ползуне при рабочем ходе  и упругой разгрузке пресса в функции угла поворота главного вала.

Для определения среднего значения усилия на ползуне при рабочем ходе пресса, рабочий угол разбивают на (n) участков и определяют угловое положение главного вала, соответствующее средине каждого участка

 

                                                (12)

                       i=1,2,3…n.

 

Определяют положения ползуна, соответствующие углу αi

 

                                                                       (13)

 

значения усилий на ползуне соответствующие положениям  ползуна Si

 

                                                              (14)

 

Среднее значение усилия на ползуне в функции угла поворота главного вала при активной нагрузке будет равно

 

                                                            (15)

 

Для расчета среднего значения усилия на ползуне в функции угла поворота главного вала на этапе упругой разгрузки пресса разбивают угол упругой разгрузки (αу) на (n) участков и определяют угловые положения вала соответствующие средине каждого участка 

 

                                                (16)

                       i=1,2,3…n.

 

Определяют положения ползуна соответствующие угловым положениям вала  αi

                                                           (17)

 

и усилия на ползуне, соответствующие угловым положениям вала    αi

 

                                            (18)

 

     Среднее значение усилия на ползуне при упругой разгрузке пресса в функции угла поворота главного вала будет равно

 

                                               (19)

 

     Таким образом, определены значения всех, входящих в (11), физических величин для определения затрат энергии на рабочий ход пресса с учетом потерь на этапе упругой разгрузки пресса для последнего перехода штамповки.

     К.п.д. рабочего хода на операции осадки заготовки рассчитывался по зависимости

 

                              (20)

 

где  - потери энергии на трение при прямом ходе ползуна и при упругой разгрузке пресса после перехода ползуна через крайнее нижнее положение.

     Аналогично определяется к.п.д. рабочего хода на переходе окончательной штамповки

 

                            (21)

 

где - работа пластической деформации на переходе окончательной штамповки;

     - потери энергии на трение при прямом ходе и упругой разгрузке пресса.

     Рассчитывался так же обобщенный к.п.д. рабочего хода пресса для двухпереходой штамповки, учитывающий работы пластической деформации при осадке и окончательной штамповке и все сопутствующие потери на трение

 

                          (22)

 

     где - сумма потерь энергии на трение при прямых ходах ползуна при осадке и штамповке и упругих разгрузках пресса на этих же операциях.

     По изложенной выше методики рассчитаны энергетические параметры рабочих ходов гаммы прессов с номинальными усилиями 6,3; 10; 16; 25; 40; 63  и 125 МН.  К.п.д. рабочего хода на операции осадки находится в пределах 0,5…0,63, а к.п.д. рабочего хода на операции окончательной штамповки составляет величины 0,14…0,19. Такое положение объясняется тем, что угол рабочего хода на операции осадки находится в пределах 45…50°, а угол рабочего хода  на операциях окончательной штамповки (последний переход) равен 13…18°, а как известно [5], мгновенный к.п.д. кривошипного механизма тем ниже, чем меньше угол, к которому относится это значение.

     Обобщенный к.п.д. рабочего хода за технологический  цикл пресса, рассчитанный для указанной гаммы прессов, находится в пределах 0,26…0,38. К.п.д. рабочего хода кривошипных горячештамповочных прессов по данным Л.И. Живова [3] находится в пределах 0,3…0,4, Е.Н.Ланской [5] приводит значения  цикловых к.п.д. на уровне 0,28…0,35, что не противоречит  полученным в настоящей работе результатам.

     Анализ потерь энергии на трение в период упругой разгрузки пресса показал, что на  переходе осадки работа трения превышает работу упругой деформации пресса в 7…8 раз при усилии осадки составляющем 0,2 от номинального, а при окончательной штамповке, при усилии равном номинальному пресса, работа трения в 3,5…4 раза больше работы упругой деформации, что подтверждает гипотезу о целесообразности   учитывать потери на трение в период упругой разгрузки пресса при расчете энергетических параметров рабочего хода пресса.

 

     Выводы:

1.    Предложенная методика аналитического расчета энергии рабочего хода пресса позволяет использовать персональные компьютеры, снизить трудоемкость расчета и повысить объективность результатов расчета.

2.    Наличие методики аналитического расчета позволяет расчет затрат энергии на технологический цикл вести по каждому из переходов штамповки, что дает возможность учесть все этапы  процесса, связанные с затратами энергии.

3.    В энергетическом расчете следует учитывать потери энергии на трение при упругой разгрузке пресса, так как они могут в 3,5…8 раз превышать работу упругой деформации пресса по закрытой высоте.

 

Литература:

 

1.   Живов Л.И., Овчинников А.Г. Кузнечно-штамповочное оборудование. Пресса.- Харьков: Изд-во при Харьков. ун-те, 1966.- 456 с.

2.   Ланской Е.Н., Банкетов А.Н. Элементы расчета деталей и узлов кривошипных прессов. - М. : Машиностроение, 1966.-380 с.

3.   Кузнечно-штамповочное оборудование. Пресса Живов Л.И., Овчинников А.Г.- 2-е изд. Киев.: Вища школа. 1981.-376 с.

4.   Банкетов А.Н., Бочаров Ю.А., Добринский Н.С. и др. Кузнечно-штамповочное оборудование. - М. : Машиностроение, 1970.- 602 с.

5.   Кузнечно-штамповочное оборудование. Банкетов А.Н., Бочаров Ю.А., Добринский Н.С. и др. под ред. А.Н.Банкетова, Е.Н.Ланского - 2-е  изд. перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1982.-576 с.

6.   Кривошипные кузнечно-прессовые машины. В.И.Власов, А.Е. Борзыкин, И.К.Букин-Батырев и др. под. ред. В.И.Власова. - М.: Машиностроение, 1982.- 424 с.