Глава 4. Создание и исследование устройств для

РАСКЛИНИВАНИЯ КРИВОШИПНЫХ ГОРЯЧЕ-

ШТАМПОВОЧНЫХ ПРЕССОВ С ЦЕЛЬНОЙ СТАНИНОЙ

4.1 Актуальность задачи. Обзор применяемых конструкций и

предлагаемых способов и устройств для расклинивания

Несмотря на широкий спектр проводимых мероприятий по борьбе с перегрузками и заклиниваниями, в некоторых случаях, в силу специфики конструкции прессов и особенностей, выполняемых на них технологических операций, вопрос вывода из состояния заклинивания остаётся пока актуальным как для создаваемых, так и для эксплуатируемых прессов.

В первую очередь, этот вопрос остается актуальным для прессов с цельной станиной вообще и кривошипных горячештамповочных прессов (КГШП), в частности. Обусловлено это следующими обстоятельствами.

Во-первых, тем, что после создания «гидрогаек» [9, 35], обеспечивающих гидрозатяжку шпилек, стягивающих элементы разъемных (составных) станин, появилась возможность использовать эти устройства и для вывода прессов из состояния заклинивания.

Таким образом, для прессов с составной станиной рассматриваемая проблема оказалась практически решенной, чего нельзя сказать о прессах со станиной цельной.

Во-вторых, для горячештамповочного пресса типовой операцией является операция с резким (практически пиковым) ростом силы вблизи крайнего нижнего положения ползуна (кривошипа), обеспечивая требуемую точность изготавливаемых поковок, что требует от этих прессов повышенной (по сравнению с прессами других типов) жесткости, что обуславливает большие диаметры эксцентриковых валов, а, следовательно, и их подшипников.

То есть, с одной стороны, характер технологической операции, выполняемой на КГШП, наиболее благоприятен для возникновения заклинивани поскольку у прессов этого типа, как было отмечено, наибольшие силы возникают вблизи крайнего нижнего положения кривошипа, а с другой – большие диаметры подшипников элементов КШМ предопределяют большую величину максимального угла трения, что в свою очередь повышает вероятность возникновения заклинивания пресса.

Именно склонность к заклиниваниям является одним из наиболее серьезных недостатков КГШП с густой смазкой [5], [33], а нерешенность задачи вывода из состояния заклинивания таких прессов с цельной станиной, делает эту задачу весьма актуальной.

Очевидно, что наличие цельной станины предопределяет два основных направления создания устройств для вывода такого пресса из состояния стопора: проворот кривошипного вала и изменение закрытой высоты пресса (увеличение) или штампа (уменьшение) в момент расклинивания.

Рассмотрим применяемые и предлагаемые различными авторами и фирмами технические решения, соответствующие этим двум направлениям, а, следовательно, которые можно использовать при расклинивании кривошипных прессов с цельной станиной, в том числе горячештамповочных.

Первым действием, к которому прибегают для расклинивания, является включение привода в сторону, благоприятную для расклинивания без повышения момента, передаваемого муфтой включения. Этот способ наиболее прост, не требует много времени и затрат средств. Для его осуществления не требуется никаких устройств, кроме имеющихся на прессе.

Однако, как показывает практика, расклинить пресс таким способом можно лишь при слабом заклинивании. Объясняется это весьма просто.

Момент, передаваемый муфтой включения, рассчитывается на преодоление номинальной силы при вращении кривошипного вала, т.е. в условиях действия в подшипниках кривошипно-шатунного механизма коэффициента трения движения. Как известно, в заклиненном прессе в результате перегрузки действует существенно большая сила (например, для прессов кривошипных горячештамповочных, примерно в 1,5 – 1,8 раза [5], [6], [8]) и коэффициент трения покоя в подшипниках для пары сталь–бронза также в 2–3 раза больше коэффициента трения движения [23]. Это предопределяет невозможность вывода пресса из состояния стопора рассматриваемым способом.

В работе [38] экспериментально и теоретически доказано, что если горячештамповочный пресс с густой смазкой силой в 6,3 МН (630 тс) модели К862С заклинить в крайнем нижнем положении ползуна, то без увеличения момента, передаваемого муфтой включения, данным способом его можно расклинить при силе на ползуне равной 2,8 – 2,9 МН (280 – 290тс). У пресса с силой 16 МН (1600тс) это же возможно при силе на ползуне равной, примерно, 7 МН (700 тс). И так практически у всех кривошипных прессов. Даже при заклинивании в положении кривошипа на границе угла трения такое расклинивание возможно при силе меньшей номинальной. Т.е. вывести пресс из состояния стопора включением привода при сильном заклинивании невозможно ввиду проскальзывания дисков муфты.

Фирмы «Eumuco» и «Kieserling» (Германия) в свое время предложили при расклинивании увеличивать передаваемый муфтой крутящий момент в 2–2,5 раза, по сравнению с номинальным, путем повышения давления в рабочей полости [31, 32].

Теоретическое исследование предложенного способа изложено в работе [29]. Проведенные расчёты с использованием в указанной работе формул и экспериментальная проверка [38] показали, что для вывода кривошипного пресса из распора момент муфты, а, следовательно, и давление воздуха по сравнению с номинальным нужно увеличить от 3,2 до 4-х раз, что существенно больше величин, рекомендуемых выше упомянутыми фирмами.

Сказанное определяет, что рассматриваемый способ, хоть и позволяет вывести пресс из стопора при любой силе на ползуне, однако, реализация его вряд ли целесообразна из-за опасной перегрузки деталей привода, муфты и главного вала в процессе расклинивания.

Заранее рассчитывать на перегрузку нагружаемые при таком расклинивании детали, естественно, нецелесообразно из-за относительно редкого использования в работе заложенного для этого в конструкцию прочностного потенциала.

Кроме того, серьёзным недостатком описанного способа является также необходимость постоянной переналадки имеющихся на многих прессах фрикционных предохранителей по моменту, встраиваемых в маховик и предохраняющих детали привода от перегрузки.

Чтобы чрезмерно не перегружать детали муфты и привода, предлагается оснащать прессы специальными дополнительными приводами, предназначенными для проворота кривошипного вала в процессе расклинивания. Примерами таких устройств могут служить устройства, кинематические схемы которых показаны на рис. 4.1. Устройство на рис.4.1.а, предложенное в работе [4], предназначено для использования при расклинивании одновременно с включением основного привода.

При нормальной работе пресса корпус 1 фрикционного дискового тормоза 2, являющийся одновременно и шкивом перекрёстной плоскоременной передачи, удерживается неподвижно на станине с помощью стопора 6. Жёсткая кулачковая муфта, одна ступица 4 которой жёстко связана с приводным валом 7, а вторая 5 – составляет одно целое с другим шкивом ременной передачи 3 и свободно сидит на валу 7, выключена.

Для расклинивания пресса необходимо расстопорить корпус 1 тормоза, выводя стопор 6 из гнезда этого корпуса, выключить тормоз 2 и включить кулачковую муфту на валу (соединить ступицы 4 и 5). После этого одновременное включение муфты 8 и тормоза 2, по замыслу автора предложения, позволит вывести пресс из распора, поскольку прикладываемый к кривошипному валу момент будет увеличен вдвое по сравнению с номинальным моментом муфты [4].

Сразу же стоит заметить, что указанного увеличения момента, как было показано выше, при сильном заклинивании во многих случаях будет недостаточно для выведения пресса из стопора, что говорит не в пользу данного устройства.

Кроме того, можно отметить и целый ряд недостатков конструктивного характера. И в первую очередь, это – необходимость соблюдения равенства передаточных отношений от промежуточного вала к кривошипному с обоих концов последнего.

Что это значит можно проследить на примере пресса кривошипного горячештамповочного, кинематическая схема которого аналогична показанной на рис. 4.1.а.

Зубчатая шестерня привода пресса, расположенная на валу промежуточном, отличается по диаметру с этим валом весьма незначительно. Если даже принять, что и малый шкив ременной передачи устройства будет равен диаметру шестерни, то диаметр корпуса тормоза, ввиду отмеченного выше, должен быть равен диаметру большого зубчатого колеса, что делает анализируемое устройство весьма громоздким.

Недостатками данного устройства является также необходимость сильного натяжения ремня (3), что неизбежно приведёт к дополнительному нагреву (если не перегреву) подшипников как промежуточного, так и кривошипного валов и, при наличии в конструкции привода предохранителя по моменту (как показано на рис. 4.1.а), необходимость его частой переналадки.

Устройство, кинематическую схему которого иллюстрирует рис.4.1.б, запатентовано фирмой «Wagner» (Германия) [36].

В этом решении корпус тормоза 5, расположенный на кривошипном валу, является одновременно и червячным колесом 2, опоры которого закреплены на станине пресса. Вращение червяка 2 осуществляется приводом от отдельного дополнительного электродвигателя 1.

При нормальной работе пресса червячное колесо неподвижно, так как оно зафиксировано самотормозящимся червяком.

В случае необходимости выведения пресса из распора эта операция осуществляется путем проворота кривошипного вала в результате включения в работу червячной передачи при включенном тормозе и дополнительном увеличении передаваемого им крутящего момента, обеспечиваемом соединением корпуса 5 и диска 4 штырем 3.

Очевидными недостатками этого устройства являются неприемлемо большие по сравнению с габаритными размерами пресса размеры червячной передачи, значительное усложнение конструкции тормоза, наличие динамических воздействий на саму червячную пару и ее подшипники при каждом срабатывании тормоза (при работе пресса), значительная перегрузка деталей тормоза при расклинивании.

Отмеченные недостатки обоих устройств не умаляют, однако, основного достоинства способа расклинивания дополнительным приводом – возможность расклинивания при определенных условиях без перегрузки деталей привода пресса, муфты и тормоза.

Поэтому дальнейшие работы в данном направлении следует вести по пути создания более простых по конструкции и компактных устройств, связанных непосредственно с кривошипным валом, а не через детали муфты и тормоза.

В этом плане представляет интерес, предложенный принципиально новый способ расклинивания силой, прикладываемой к кривошипно-шатунному механизму (рис. 4.2) [68 – 70].

Суть этого способа заключается в том, что на кривошипном валу заклиненного пресса прикладываемой силой создается необходимый для его проворота крутящий момент.

В зависимости от места приложения расклинивающей силы можно выделить три разновидности этого способа: когда расклинивающая сила прикладывается к шатуну (рис.4.2.а), к кривошипу (рис. 4.2.б) или к рычагу, закрепленному на кривошипном валу (рис. 4.2.в).

На приведенном рисунке, кроме силы , действующей на ползун заклиненного пресса, расклинивающие силы, прикладываемые к шатуну, кривошипу или рычагу, обозначены − , и .

Как видно из рис. 4.2, при расклинивании таким способом исключается перегрузка всех колес и валов привода, расположенных между двигателем и кривошипным валом.

Рис. 4.2. Схемы приложения расклинивающей силы к

кривошипно-шатунному механизму

Это весьма важно для прессов, так как необходимое для расклинивания увеличение крутящего момента в 3,2 – 4 раза по сравнению с номинальным может привести к поломке валов или зубчатых колес привода.

Осуществлению этого метода не препятствует и наличие в приводе специального предохранителя по моменту (встроенного в маховик), так как устройство, реализующее этот способ, функционирует без связи с этим предохранителем.

Целесообразность применения предложенного способа для расклинивания той или иной группы прессов в значительной степени зависит от величины требуемой силы.

При этом логичным является проведение детального теоретического и при необходимости экспериментального исследования этого способа, с целью выявления целесообразности его применения на прессах вообще и на горячештамповочных, в частности.

Рассмотренные способы и устройства являются примерами реализации первого из ранее определенных направлений – поворота кривошипного вала.

Из технических решений второго направления (изменение закрытой высоты пресса или штампа) следует, в первую очередь, отметить технические решения, в основе которых используется клиновая конструкция устройства для регулировки закрытой высоты пресса (клиновые столы).

Такие конструкции столов характерны как раз для кривошипных горячештамповочныx прессов. Первоначально столы этих прессов выполнялись как одноклиновые. Пример одного из таких решений приведен на рис. 4.3.

Рис. 4.3. Конструкция одноклинового стола КГШП

модели К862С силой 6,3 МН (630 тс)

Основное назначение клиновых столов двоякое: регулировка закрытой высоты пресса путем перемещения клина 1 по наклонной плоскости на станине при наладке штампов и расклинивание путем выбивки этого клина из-под штампа.

Угол наклона клина выполнялся равным 14–16°, что соответствует (примерно) границе его самоторможения для пары: сталь по стали.

Однако, как показывает опыт эксплуатации горячештамповочныx прессов, расклинить пресс выбивкой клина при сильном заклинивании в большинстве случаев не удается.

Одна из основных причин этого обусловлена действием больших ударных нагрузок, передаваемых от ползуна столу при работе пресса, что вызывает потерю плоскостности верхней плоскости клина в результате «вдавливания» в него нижней половины штампового блока и расклёпывание верхней части клина в горизонтальном направлении (перпендикулярно направлению движения клина при расклинивании), в результате чего клин стопорится в своём посадочном месте на станине.

Можно сослаться на данные Токмакского кузнечно-штамповочного завода, где после 2–3-х лет эксплуатации КГШП модели К864 силой 16 МН (1600 тс) Челябинского станкостроительного завода для восстановления плоскостности клиньев вынуждены были их фрезеровать на 2 мм. На этих же прессах и прессах модели К866С силой 25 МН (2500 тс) Воронежского завода тяжёлых механических прессов пришлось фрезеровать клинья и по боковым поверхностям, убирая расклёпывание, которое достигало почти одной трети толщины клиньев.

Для горячештамповочных прессов невозможность выбивки клина усугубляется попаданием окалины и технологической смазки на сопряжённые поверхности штампа с клином и клина со станиной. В результате частицы окалины, имея большую твердость, наштамповываются в эти поверхности и подобно шпонкам препятствуют смещению клина, а смазка, высыхая, прочно склеивает детали друг с другом, что значительно увеличивает необходимую силу выбивания клина при расклинивании.

Впоследствии, в конструкциях КГШП стали применяться столы с двумя опорными клиньями. Основным назначением такого исполнения столов была регулировка закрытой высоты пресса без разрушения крепления нижней половины штампа.

Причем, если в отечественных прессах такой стол использовался только для регулировки закрытой высоты (прессы моделей К8542, К8544 и др.), то у прессов фирм «Kieserling» и «Erfurt Umformtechnik» (Германия) он предназначался и для расклинивания путем выбивки нижнего клина (рис. 4.4) [40].

Рис. 4.4. Конструкция клинового стола КГШП

фирмы «Kieserling» (Германия)

Для облегчения выбивки клина еще одна германская фирма «Eumuсo» предложила [43] техническое решение проблемы, показанное на рис. 4.5.

На поверхности соприкосновения нижнего клина 2 с верхним 1 и основанием 3 пресса делаются канавки, в которые перед расклиниванием нагнетается масло под высоким давлением. Нижний клин при этом как бы всплывает на масляных подушках. В таком случае, по мнению фирмы, даже при сильном заклинивании клин можно будет относительно легко выбить.

Рис. 4.5. Конструкция клинового стола фирмы «Eumuco» (Германия)

Однако очевидно, что и этот способ не устраняет ни один из недостатков, присущих клиновому столу, как устройству для расклинивания.

Расчёты, проведённые применительно к прессам силой 6,3 и 25 МН (630 и 2500 тс), показывают, что давление подводимого масла, необходимое для того чтобы клин «всплыл», должно быть 40–50 МПа (400–500 кг/см²) [39].

Кроме того, возможность прорыва масла в щели и трудности уплотнения всей полости делают этот способ опасным для обслуживающего персонала.

В заключение отметим, что при посещении специалистами ЭНИКМАШа фирмы «Erfurt Umformtechnik» (Германия) были получены сведения о том, что на фирме произвели испытание указанного способа и пришли к выводу, что этот способ не помогает решить проблему расклинивания.

Ту же цель, а именно, требуемое для расклинивания изменение закрытой высоты пресса или штампа, различными авторами предлагается достичь с помощью разнообразных по конструкции подушек (вставок), помещаемых в штамп или стол пресса (рис. 4.6).

На рисунке приведена наиболее характерная из всей группы устройств конструкция (4.6.а), основным элементом которой является подушка (одна или несколько), заполненная легкоплавким и пластичным металлом или сплавом (или каким-либо другим материалом, приемлемым для работы устройства) [24].

Такая подушка состоит из корпуса 5 и несколько выступающей над его поверхностью крышки 4. Полость корпуса заполнена (как было сказано выше) легкоплавким и пластичным металлом 2, например, свинцом. Сбоку корпус 5 имеет отверстия, закрываемые пробками 1. Сама же подушка размещается между ползуном 3 пресса и штампом 6. Если подушек несколько, то схемы их возможного расположения также приведены на рисунке (4.6.б).

Работа устройства осуществляется следующим образом.

При необходимости расклинить пресс пробки 1 вывинчиваются из корпуса 5. Через открывшиеся отверстия пластичный металл вытекает из корпуса, позволяя опуститься крышке 4. В результате нагружение, возникшее в системе пресс-штамп от действия распорной силы, снимается и пресс расклинивается.

Если свинец находится в недостаточно пластичном состоянии, его можно разогреть через отверстия, открываемые пробками 1.

Очевидно, что одним из основных недостатков устройств с такими подушками является опасность поломки штампа или потери норм точности прессов (особенно для прессов больших номинальных сил) при неравномерном вытекании свинца из разных корпусов. Особенно этот недостаток усугубляется при заклинивании пресса внецентренной силой.

На рисунке приведена также предложенная конструкция устройства (4.6.в) для расклинивания с подушкой, заполненной стальными роликами [19]. Возможен также вариант подушки, заполненной стальными шариками [44].

Проработки показывают, что из-за больших сил заклинивания такие устройства оказываются довольно громоздкими (особенно для прессов больших сил).

Не удается создать надежную, достаточно простую и компактную конструкцию устройства для расклинивания, основанную на использовании

подушки, заполненной жидкостью (по типу конструкции, предложенной в работе [42]).

В силу отмеченных недостатков рассмотренные устройства не нашли практического применения.

Однако при появлении новых материалов, способных выдерживать большие удельные давления и мгновенно превращаться в порошок или принимать пластическое состояние под действием различных факторов (например, электрического тока), возможно, будут созданы такие устройства для расклинивания.

Не исключена также вероятность разработки конструкций подушек с применением уже известных материалов, приемлемых в эксплуатации.

Примером таких технических решений служит предложенная конструкция кривошипных прессов (рис.4.7) [70], у которых для расклинивания используются подушки (рис. 4.7.а и рис. 4.7.б), основным элементом которых является жесткая, удаляемая при расклинивании прокладка, расположенная между заплечиками плунжера и корпусом гидродомкрата, встроенного в стол пресса.

Конструкторские проработки, выполненные в ЭНИКМАШе, показали, что такое решение вполне приемлемо для механического гибочного пресса (по типу конструкции, показанной на рис. 4.7.б).

Поскольку нашей главной целью является расклинивание КГШП, то использование такой подушки (как показано на рис. 4.7.а) усложняет кон-струкцию стола пресса, приводит к увеличению его габаритов и снижению жесткости стола и всего пресса в целом.

К устройствам, обеспечивающим расклинивание пресса путем увеличения закрытой высоты пресса, относится и применённое чешскими прессостроителями на КГШП серии LKM [72, 73] устройство, основанное на использовании эксцентрикового пальца, соединяющего шатун с ползуном (рис. 4.8).

Разработка этого устройства является, в некотором смысле, результатом продолжительных попыток создать надежный механический или механо-гидравлический предохранитель, основным элементом которого является указанный эксцентриковый палец.

Рис.4.8. Конструкция устройства для расклинивания КГШП

модели LKM фирмы «Smeral» (Чехия)

Рассматриваемое устройство для расклинивания (как и применяемый ранее предохранитель [73]) скомпоновано с механизмом регулировки закрытой высоты пресса и включает в себя эксцентриковый палец 1 (с эксцентриситетом ОО₁), соединяющий шатун 2 с ползуном 3, рычаг 4, жестко связанный с эксцентриковым пальцем 1, регулировочный винт 5, связывающий рычаг 4 с ползуном.

Опора регулировочного винта выполнена в виде контейнера, внутри корпуса 7 которого между плунжером 6 и поджатой снизу клином 11 подкладкой 10 расположена гидропластмасса 9, которая, находясь в закрытом объёме, ведет себя при нагружении как жесткое тело.

Рычаг 4 выполнен двуплечим, гидравлический цилиндр с плунжером 12 встроен во втором его плече.

При необходимости расклинить пресс следует отвернуть пробку 8. Тем самым освобождается отверстие для возможности вытекания гидропластмассы 9. Плунжер 12 гидроцилиндра посредством проставок нужно упереть в тело ползуна пресса, после чего в полость гидроцилиндра насосом следует подать жидкость высокого давления.

Развиваемая плунжером сила стремится повернуть рычаг, создавая тем самым дополнительное давление (к составляющей от распорного усилия) на гидропластмассу, и выдавливает её из-под плунжера 6.

Эксцентриковый палец при этом проворачивается, позволяя тем самым подняться оси О₁, в результате чего происходит увеличение закрытой высоты заклиненного пресса, что и приводит к его расклиниванию.

Как видно, описанное устройство требует необходимости специального материала (гидропластмассы) со специфическими свойствами: материал этот должен легко вытекать в отверстие после отворачивания пробки, обеспечивая процесс расклинивания, и в тоже время не выдавливаться при нормалъной работе пресса в зазоры между плунжером и корпусом контейнера.

При посещении специалистами ЭНИКМАШа фирм и заводов Польши и Чехии были получены сведения, что используемая гидропластмасса вопреки ожиданиям специалистов, создавших эту конструкцию, указанными свойствами не обладала, а именно: при расклинивании она в открываемое отверстие не выдавливалась.

Отсутствие же необходимого материала с требуемыми для этой функции свойствами делает невозможным применение такой конструкции для расклинивания прессов.

Отмеченный недостаток является, однако, недостатком конкретной конструкции и нисколько не свидетельствует против идеи самого способа расклинивания – использовать эксцентриковый палец (или другой вариант технического решения) в соединении шатуна с ползуном.

Для некоторых типов прессов, в первую очередь, горячештамповочных, данный способ представляется одним из наиболее перспективных.

Из-за отсутствия надёжных средств и способов расклинивания криво-шипных прессов с цельной станиной на заводах, столкнувшихся с этой проблемой, вынуждены были порой прибегать к разрезке газовой горелкой штампового инструмента (вставок) или даже шатуна пресса. Это весьма дорогой и небезопасный способ.

Таким образом, проведенный выше анализ конструкций, позволяет констатировать отсутствие достаточно простых и в то же время надежных технических решений по расклиниванию кривошипных прессов с цельной станиной. Можно также отметить, что указанные недостатки применяемых и предлагаемых технических решений, реализующих те или иные способы, нисколько не свидетельствуют против основных идей самих способов.

Поэтому дальнейшие работы по решению проблемы следует вести по обоим выделенным ранее направлениям, то есть как на основе способа проворота кривошипного вала, так и на основе изменения закрытой высоты пресса и штампа.

Применительно к расклиниванию кривошипных горячештамповочных прессов с цельной станиной представляется целесообразным провести работу на основе теоретического и экспериментального исследования обоих способов расклинивания:

– силой, прикладываемой к кривошипно-шатунному механизму;

– применения эксцентрикового пальца, соединяющего шатун пресса с ползуном.