Устройство для формообразования

 

Изобретение относится к обработке металлов давлением, в частности к устройствам для формообразования изделий в режиме ползучести из листовых материалов на основе титана. Устройство содержит стержневые элементы формообразования, контактирующие в печном пространстве с обрабатываемым материалом, а за пределами термокамеры - управляющие приводы, у которых контактирующие и взаимно перемещающиеся детали изолированы от печного пространства увеличением длины тепловых цепей и уменьшением их сечений. Приводы, задающие деформацию заготовки, частично разгружены от усилий нагружающих приводов тормозными системами и связаны с компьютером. Каждому приводу, нагружающему или управляющему, соответствуют три стержневых элемента, опирающихся на шаровые опоры, расположенные в одной плоскости симметрично. Концы стержневых элементов в печном пространстве оканчиваются выпуклыми наконечниками с кривизной, близкой кривизне изделия. 3 з.п. ф-лы, 12 ил.

Изобретение относится к обработке металлов давлением и может быть использовано, в частности в авиационной, автомобильной и судостроительной промышленности для изготовления из листов и панелей деталей с фасонными поверхностями, и касается устройств для изготовления деталей из сплавов на основе титана и алюминия в режиме ползучести.

Известно устройство для изготовления деталей из сплавов на основе алюминия и магния в режиме ползучести по авт. св. СССР с приоритетом от 23.05.83. N 1147471 В 21 Д 11 20.

Известное устройство является жестким автоматом для изготовления деталей одного размера и одной формы и содержит совокупность штоков, расположенных по одну сторону поверхности обрабатываемого материала и имеющих возможность перемещения, которое задается винтовыми парами и шестеренными передачами, связанными с общим приводом. Вторая группа штоков расположена с другой стороны обрабатываемого материала и создает нагрузку деформирования, перемещаясь только в зависимости от перемещений первой группы. Штоки обеих групп взаимодействуют с обрабатываемым материалом через накладки, связанные со штоками шаровыми шарнирами.

В известной конструкции упорная резьба винтов выполнена непосредственно на штоках, а гайки и шестерни скреплены между собой. Вторые концы штоков располагаются в печном пространстве.

Учитывая, что процесс обработки материала в режиме ползучести имеет длительность не менее получаса, а сечения штоков увеличены из соображений устойчивости при сжатия, резьбы винтовых пар и шестерни во время изготовления детали работают при температуре, близкой к температуре печного пространства.

Отсутствие конструктивных мер, обеспечивающих уменьшение теплопередачи из печного пространства к индивидуальным приводам, т.е. к винтовым и шестеренным передачам, является причиной незащищенности передач от действия температуры печного пространства и их недостаточной смазки.

Температура печного пространства в известном устройстве ограничена термостойкостью высокотемпературной смазки, что ограничивает технологические возможности устройства выбором обрабатываемых материалов.

В предлагаемом устройстве подвижные контактирующие соединения привода штоков вынесены за пределы печного пространства и надежно от него термоизолированы, что существенно расширяет технологические возможности устройства, т. к. температура печного пространства может быть существенно повышена и выбор материалов для обработки расширен.

Если в известном устройстве устойчиво деформируются материалы на основе магний-алюминиевых сплавов (из-за недостаточной термостойкости применяемых смазок, температуры печного пространства, в известном устройстве ограничено пределами в 200-300^oC), то в предлагаемом устройстве температура печного пространства ограничена только термостойкостью материалов штоков и термокамеры, что позволяет устойчиво обрабатывать более тугоплавкие сплавы, например, сплавы на основе титана.

Технологические возможности предлагаемого устройства существенно расширены не только в выборе материалов, но и в выборе формы изготавливаемых изделий.

Достигается это применением для каждого задающего деформацию элемента управляемого от компьютера шагового двигателя.

В известном устройстве по авт.св. N 1147471 приводы группы задающих деформацию штоков воспринимают всю суммарную нагрузку, создаваемую второй группой штоков.

В предлагаемом устройстве приводы группы задающих деформацию штоков воспринимают только малую часть нагрузки, что позволило вместо общего привода всей группы применить для каждого из задающих деформацию элементов маломощные шаговые двигателя.

В предлагаемом устройстве вынесением всех подвижных контактирующих пар за пределы действия температур печного пространства и другими мерами увеличена надежность срабатывания всех приводов как задающих деформацию обрабатываемой заготовки, так и создающих нагрузку.

На фиг. 1 схематически показано предлагаемое устройство, содержащее термокамеру 1 с источниками нагрева 2, связанными с устройством для поддержания температурного режима печного пространства. На двух противоположных стенках 3 и 4 термокамеры выполнены соосные отверстия 5 для элементов формообразования, на стенках 6 и 7 проемы 8 для размещения в печном пространстве обрабатываемого материала и для его удаления из термокамеры после обработки.

К стенке 3 примыкает корпус 9 силовых элементов формообразования, а к стенке 4 соответственно корпус 10 управляемых элементов формообразования.

Система контроля 11 положения силовых элементов, а вместе с ними и обрабатываемого материала, примыкает к корпусу 9, а дублирующая система 12 контроля положения управляемых элементов формообразования совпадает с задающими движение элементами электрического привода.

На фиг. 2 показано решение связи элементов формообразования с приводом для их перемещения. И в корпусе 9, и в корпусе 10 выполнены тройки сквозных отверстий, центры которых расположены в вершинах правильных треугольников. Через отверстия пропущены гильзы 13, содержащие по два подшипника аксиального перемещения 14 в каждой гильзе. Расстояние L между подшипниками в гильзе 13 выбрано большим холостого хода формообразующих элементов.

Через каждую из гильз проходит шток 15, один конец которого, обращенный в печное пространство, имеет выпуклое донышко, кривизна которого несколько больше максимальной кривизны отформованного изделия, а второй конец штока выполнен плоским.

Плоские концы штоков 15 опираются на шаровые опоры, шары 16 которых заключены в сепараторах, допускающих вращение шара 16 в сепараторе и перекатывание его по плоскому концу штока 15. Такая конструкция шаровой опоры позволяет исключить изгибающие нагрузки на шток 15 со стороны его плоского конца. Шаровые опоры для каждой тройки штоков расположены на консолях 17 шарнирного узла, содержащего карданов подвес 18. Плоскость Р, проведенная через центры шаров 16, проходит через центр 18 данного шарнирного подвеса тройки штоков.

Карданов подвес 18 закреплен на тяге 19, через которую сила передается на приводы штоков 15. Очень существенно, что на карданов подвес и тягу 19 не действуют изгибающие усилия.

На фиг. 3 показан шарнирный подвес ведомых штоков. Посредством ведомых штоков 15 определяется фактическое положение обрабатываемого материала в печном пространстве. Поэтому тяги 19, нагружаемые приводом, выполняют и функцию носителей расстояний для измерительной системы 11. Для осуществления такой функции тяги 19 пропущены через сквозное отверстие 20 в крестовине карданова подвеса 18.

На фиг. 4 показан привод ведомых штоков. Привод ведомых штоков расположен в корпусе 9, емкость которого содержит два днища 21 и 22 и перегородку 23 между ними. Днища 21 и 22 и перегородка 23 скреплены между собой гильзами 13 как шпильками. Боковые стенки между днищем 21 и перегородкой 23 и соответственно между перегородкой 23 и днищем 22 выполнены из цилиндрической трубы для исключения изгибающих нагрузок на днище 21 и 22 и перегородку 23 при подаче давления. Соединения гильз 13, перегородки 23 и днищ 21 и 22 емкости корпуса 9 выполнены герметичными.

В перегородке 23 и днище 21 выполнены подшипники аксиального перемещения 24 и 25 и соосно с ними уплотнения 26 и 27. Оси подшипников 24 и 25 и соответственно соосных с ними уплотнений 26 и 27 расположены в центрах троек гильз 13. В каждой паре соосных подшипников 24 и 25 помещен ступенчатый вытеснитель 28.

Днище 22 выполнено съемным для управления изготовления корпуса 9 и для упрощения ухода за уплотнениями 26 и 27.

Вытеснитель 28 выполнен ступенчатым, причем длина каждой ступени выполнена большей хода вытеснителя. Ход вытеснителя определяется расстоянием между днищами 21 и 22 и перегородкой 23.

Ступень меньшего диаметра является одновременно тягой 19, на конце которой закреплен датчик перемещения 29, а в средней части закреплен карданов подвес 18.

При давлении р₁ в емкости корпуса 9 между днищем 21 и перегородкой 23 усилие, передаваемое тягой 19, определяется из соотношения P₁=p₁·0,25π(D²₂-D²₁), где D₂ и D₁ диаметры ступеней вытеснителя.

При давлении р₂ в емкости корпуса 9 между днищем 22 и перегородкой 23 усилие возврата вытеснителя 28 определяется площадью большей ступени: P₂=p₂·0,25πD²₂ Переключение емкостей корпуса 9 и сброс из них давления осуществляют через мостовую схему четырех элементов 30 запорной арматуры.

На фиг. 5 показана схема управления вытеснителями. Емкость корпуса 9 между днищем 21 и перегородкой 23 сообщена с выходом А мостовой схемы. Емкость корпуса 9 между днищем 22 и перегородкой 23 сообщена с выходом В.

Узлы схемы С и Д сообщены соответственно с источниом давления Р и атмосферой. В плечах АД, ДВ, ВС и АС в качестве элементов 30 запорной арматуры установлены дроссели переменного сопротивления, управляемые по программе, соответствующей режиму нагружения обрабатываемой заготови.

На фиг. 6 показан привод ведущего штока, включающий шаговый двигатель 31, муфту Ольдгема 32 на его оси, подшипниковый узел 33, винт 34, головка которого опирается на шаровую опору 35 подшипникового узла 36; на резьбе винта помещена гайка 37, заключенная в обойму 38 с тремя консолями 39, 40 и 41, лежащими в одной плоскости и расположенными симметрично. Вторая деталь 42, имеющая консоли 43, 44 и 45, связана с деталью 38 стойками 46, 47 и 48, которые соединяют консоли обеих деталей 42 и 38, образуя конструкцию, передающую усилия сжатия. На детали 42 выполнена полая цилиндрическая опора 49, имеющая сквозное отверстие 50, в котором размещается тяга 19.

Шаговый двигатель 31 и подшипниковый узел 33 расположены на плите 51 с разных ее сторон. Подшипниковый узел 36 расположен на плите 52, имеющей сквозные отверстия для стоек 46, 47 и 48.

Плиты 51 и 52 скреплены между собой и с корпусом 10 стойками 53 и 54. Для удобства монтажа плиты 51 и 52 выполнены в виде узких полос. Связь между приводом и штоками 15 тягой 19 осуществляется через тормозную систему, опирающуюся одним концом на опору 49, а на втором тормозная система нагружена тягой 19 посредством шайбы 55, на которой закреплен конец тяги 19.

На фиг. 7 показана тормозная система из трех ступеней. Каждая ступень тормозной системы содержит распорный конус 56 и контактирующие с ним и со стенками тормозного цилиндра 57 сухари 58.

Угол распорного конуса удовлетворяет соотношению: где f₁ коэффициент трения покоя пары тормозной цилиндр-сухари, f_o коэффициент трения покоя пары конус-сухари и λ коэффициент уменьшения нагрузи покоя на последующие механизмы после ступени.

Материалы пар трения тормозной цилиндр сухари и сухари распорный конус удовлетворяют соотношению f₁>f_o.

В глухом центральном гнезде 59 конуса 56, выполненном со стороны его меньшего диаметра, помещена пружина сжатия 60, при этом пружина 60 и сухари 58 опираются на большее основание распорного конуса 60 следующей ступени, а пружина 60 и сухари 58 последней ступени опираются на плоскую часть подвижной опоры 49, связанной с линейно перемещаемой частью винтовой пары. Тормозные системы приводов ведущих штоков 15 расположены в корпусе 10.

На фиг. 8 показано расположение в корпусе 10 тормозной системы, штоков 15 и их связи.

Корпус 10 включает два днища 61 и 62, соединенные гильзами 13. Гильзы 13 расположены в вершинах правильных треугольников. Гильзы тройки расположены вокруг тормозного цилиндра 57, фланец которого опирается на днище 62, обращенное к печному пространству. Гильзы 13 выполняют в конструкции роль распорок и при работе устройства нагружены силами сжатия, тормозные цилиндры 57 под действием сил торможения работают на растяжение.

В гильзах 13 размещены штоки 15, идентичные штокам ведомой группы в корпусе 9.

На фиг. 9 показана конструкция штока 15.

Шток 15 имеет телескопическую конструкцию и содержит стержень 63, имеющий буртики 64 на цилиндрической поверхности и плоские торцы на концах. С двух сторон стержня 63 на него помещены полые детали 65 и 66. Полая деталь 65 имеет плоское с двух сторон донышко 67, на которое помещена керамическая цилиндрическая деталь 68, имеющая выемку для размещения шара 69. На шар 69 опирается торец стержня 63.

Полая деталь 66 имеет с внутренней стороны плоское донышко 70, наружная часть которого выполнена выпуклой, очерченной по шаровой поверхности, кривизна которой несколько больше максимальной кривизны изготавливаемых деталей, обеспечивая при изготовлении вогнутых деталей максимальную площадь контакта конца штока и обрабатываемого материала.

На плоской стороне донышка 70 размещена керамическая деталь 68 и в ней шар 69.

Такая конструкция штока обеспечивает минимальную теплопроводность штока и надежно защищает аксиальные подшипники 14 в гильзах 15 от теплового воздействия печного пространства.

Буртики 64 на стержне 63, по два для каждой из деталей 65 и 66, удерживают эти детали от радиальных смещений относительно оси стержня. Для уменьшения теплопроводности стержень 63 выполнен полым.

Между деталями 65 и 66 обеспечен зазор, для исключения контакта деталей 65 и 66. Деталь 66 частично размещена в печном пространстве, деталь 65 цилиндрической частью контактирует с подшипниками 14, а наружной частью плоского донышка 67 с шаровой опорой 16 на консоли 17 шарнирного узла с кардановым подвесом 18.

При совместном движении штоков ведомой и ведущей группы неразрывность цепочек деталей штоков и их приводов обеспечена их взаимным контактом.

При самостоятельном движении штоков ведомой и ведущей группы, а именно при движении из печного пространства, на каждом штоке 15 со стороны его плоского донышка 67 выполнено подвижное крепление, например, в виде петли 71, которой с зазором охвачена консоль 17 шарнирного узла с кардановым подвесом 18.

Действие устройства происходит в такой последовательности.

В термокамере 1 на стенках 6 и 7 открывают проемы 8 для размещения в печном пространстве обрабатываемого материала и для его удаления после обработки.

Путем включения проводов из печного пространства выводят силовые и управляемые элементы формообразования штоки 15.

Через проемы 8 (при горизонтальном расположении штоков 15) помещают в печное пространство заготовку, например плоскую, и удерживают ее в висячем положении, например, на тросовой подвеске с зажимами для удержания заготовки, после чего проемы 8 закрывают.

Затем включают приводы ведущих штоков 15 на обратный ход и выводят концы штоков в крайнее положение, до касания с заготовкой (см. фиг. 1).

Путем подачи давления в емкость корпуса 9 между днищем 21 и перегородкой 23 вытеснителя 28 движут через шарнирный узел штоки 15 до касания с заготовкой, создавая нагрузку фиксации заготовки.

Затем включают источники нагрева, связанные с устройством для поддержания температурного режима печного пространства (см. фиг. 4).

При достижении требуемой температуры заготовки включают приводы ведущих управляемых элементов формообразования штоков 15 в корпусе 10.

После окончания программы формообразования открывают проемы 8 и выводят из печного пространства термокамеры 1 штоки 15 ведомой и ведущей групп, и отформованное изделие удаляют из печного пространства (см. фиг. 1).

Каждый из механизмов при этом действует так.

Связь элементов формообразования с приводом (см. фиг.2) при самостоятельном движении из печного пространства штоков 15, в момент начала движения терпит разрыв, а именно плоские наружные концы штоков остаются (при горизонтальном расположении штоков) на месте, а консоли 17 шарнирного узла и шаровые опоры с шарами 16 на них осуществляют движение в пределах люфта, образованного петлей 17, закрепленной на штоке 15 и охватывающей консоль 17. После того, как люфт выбран, штоки 15 движутся совместно с шарнирным узлом.

Кроме указанного разрыва непрерывности движения штоков 15, имеющего место для обеих групп приводов ведущего и ведомого, для группы ведущих приводов имеет место и второй разрыв непрерывности движения, а именно, между опорами 49 и тормозными системами.

При снятии нагрузки тормозная система пружинами сжатия 60 и упругостью стенок тормозного цилиндра 57 (см. фиг. 7) приводится в разомкнутое состояние.

Распорные конусы 56 и сухари 58 пружинами сжатия 60 смещаются вдоль тяги 19, которая проходит через сквозное отверстие в конусах 56.

При неподвижной опоре 49 размыкание тормозной системы приводит к смещению шайбы 55, а вместе с ней и тяги 19 с шарнирным узлом и опирающиеся на него штоками 15 в сторону печного пространства.

При включении привода ведущих штоков линейно перемещаемая часть винтовой пары отводит опору 49 от тормозной системы в пределах люфта, образующегося между опорой 49 и упором на тяге 19, после чего опора 49 и ступени тормозной системы перемещаются совместно (см. фиг. 6).

При обратном ходе ведущих приводов линейно перемещаемые части винтовых пар смещают опоры 49 вдоль тяг 19, выбирая люфты, после чего опоры 49 контактируют с тормозными системами и через цепочки пружин 60 и конусов 56 передают движение на шайбы 55 и тяги 19, после чего выбираются люфты между шаровыми опорами на консолях 17 и плоскими концами штоков 15.

До момента касания с заготовкой консоли 17 шарнирного узла ориентированы относительно тяги 19 случайным образом. При касании заготовки одним из штоков 15 он останавливается, остальные два штока 15 тройки продолжают движение. Остановившийся шток 15 воздействует на консоль 17, поворачивая шарнирный узел соответствующим образом. Шарнирный узел с кардановым подвесом 18 находится в движении до тех пор, пока все штоки 15 тройки не коснутся заготовки.

Прямой ход ведомых штоков 15 осуществляется путем подачи давления в емкость корпуса 9 между днищем 21 и перегородкой 23 (см. фиг. 4).

При подаче давления Р в мостовую схему (см. фиг. 5) управляемый дроссель 30 в плече АС открыт, дроссель 30 в плече ВС закрыт и соответственно дроссель 30 в плече АД закрыт и дроссель 30 в плече ВД открыт.

Давление Р₂, преобразованное дросселями в плечах АС и ВД из давления Р, действует на площадки вытеснителей 28, S=0,25π(D²₂-D²₁) с усилием P = p₁·S=p₁·0,25π(D²₂-D²₁) и приводит их в движение в сторону печного пространства. При этом между плоскими опорами штоков 15 и консолями 17 с шаровыми опорами выбираются люфты, после чего штоки 15 движутся совместно с вытеснителями 28, у которых ступени меньшего диаметра являются тягами 19.

До момента касания с заготовкой штоков 15 консоли 17 шарнирного узла ориентированы относительно тяги 19 случайным образом. После касания всех штоков 19 заготовки, штоки 15 поворачивают консоли 17 в соответствии с формой заготовки.

После касания заготовки всеми штоками 15 ведомой и ведущей групп заготовка оказывается зафиксированной. Дальнейшее движение приводов осуществляется совместно.

При выключении приводов ведущих штоков 15 их движение осуществляется под нагрузкой. Штоки 15 ведущей группы движутся из печного пространства, штоки 15 ведомой группы движутся в печное пространство.

Под нагрузкой, определяемой для каждой тройки ведущих штоков 15 перераспределением усилий штоков 15 ведомой группы при деформации заготовки, тормозные системы каждого ведущего привода замыкаются. При этом пружины 60 сжимаются, конусы 56 прижимают сухари 58 к стенкам тормозного цилиндра 57. Усилие, действующее на линейно перемещаемую часть винтовой пары, уменьшается за счет возникновения сил трения между стенками тормозного цилиндра 57 и сухарями 58.

В соответствии с изменяемой формой заготовки консоли 17 шарнирных узлов обеих групп приводов принимают положение, определяемое касанием заготовки штоками 15.

Контроль за положением центров плоскостей касания заготовки каждой тройкой штоков, связанных общим кардановым подвесом, для ведомой группы штоков и соответственно для ведущей, осуществляется различным образом.

Контроль за положением центров плоскостей касания заготовки каждой тройкой штоков 15 для ведомой группы штоков осуществляется измерением положения ступеней меньшего диаметра вытеснителей 28, например, относительно их общего корпуса.

Контроль за положением центров плоскостей касания заготовки каждой тройкой штоков 15 для ведущей группы штоков осуществляется измерением положения гаек относительно винтов привода и в конечном итоге по числу оборотов управляющих шаговых двигателей.

При оговоренных ранее ограничениях на конструкцию карданова подвеса, а именно, что центры шаров 16 на консолях подвеса и центр карданова подвеса расположен в одной плоскости, расстояние центра плоскости касания заготовки тройкой штоков 15 от центра карданова подвеса определяется из соотношения L = L_o-R_o(1-cosα),
где L_o суммарная штока 15 и радиуса шара 16 L_o=l+r, где l длина штока 15 и r радиус шара 16, α-угол между нормалью N к плоскости Р' и осью штока 15, R_o радиус шаровой поверхности донышка 70 на конце штока 15.

Поправка ΔL=R_o(1-cosα) путем сравнения замеров положения датчиков 29 ведомой группы штоков 15 может быть учтена, поэтому измерений α, касающихся положения нормалей относительно осей штоков 15 не производится.

На фиг. 10 показано уменьшение расстояния между центрами карданова подвеса и плоскости касания тройки штоков 15 обрабатываемой заготовки в зависимости от угла α между нормалью N к плоскости Р' и осью штока 15.

Дублирующая система измерения 12 позволяет вести контроль за концами штоков 15 ведущей группы, которые касаются заготовки с некоторым опозданием, и определяют не само положение заготовки в каждый момент, а только поверхность, задаваемую системой управления.

Сравнение показателей положения концов штоков ведомой группы штоков 15 и ведущей позволяет обнаруживать недодеформирование заготовки, и соответственно корректировать длительностью нагружения и температурой процесс обработки заготовки.

Дублирующая система измерения 12 положения центров кардановых подвесов управляемой группы штоков 15 функционирует путем счета оборотов приводов 31, связанных с винтовой парой.

При этом расстояние, проходимое линейной частью винтовой пары l=n·s, где n число оборотов, s вход винта (см. фиг. 6).

Выбор конструктивных решений при проектировании ведущей группы штоков 15 определяется требованиями повышения надежности всех механических цепей от шаговых двигателей 31 до штоков 15. Это достигается, с одной стороны - уменьшением проводимости тепловых цепей из печного пространства к приводу и с другой усовершенствованиями в механических цепях, передающих движение от приводов к деформируемой заготовке. В механической цепи передачи движения от ведущего привода к заготовке применена тормозная система, позволившая использовать электродвигатель 31 не в качестве силового, а в качестве управляющего (средства автоматики прецизионные шаговые двигатели).

Критерии для тормозной системы определяются из анализа сил, действующих на ее элементы. На фиг. 11 показана схема сил, действующих на распорный конус 56 при его взаимодействии с сухарями 58 под осевой нагрузкой Q.

Из условия равновесия осесимметричной системы сил имеем

F_тр.i и N_i силы трения и нормальная реакция i-го сухаря; F_тр.(i)=N_i·f_o коэффициент пары трения конус - сухари, n число сухарей, n > 1. Нормальная реакция

На фиг. 12 показана система сил, действующих на отдельно взятый сухарь 58 при взаимодействии его с распорным конусом 56 и стенками тормозного цилиндра 57.

Здесь Р_i реакция стенки тормозного цилиндра, -
сила трения сухаря 58 о стенку тормозного цилиндра 57, сила трения между конусом 56 и сухарем 58, N_i нормальная реакция, F_ост.(i) остаточная сила, f₁ коэффициент трения пары сухарь 58 стенка тормозного цилиндра 57.

Из условия равновесия


и распорная сила сухарей одной ступени



коэффициент выходной нагрузки после ступени торможения.

При проектировании тормозной системы отношение может быть задано как путем подбора материалов пар трения, так и выбором угла α..

Задаваясь величинами λ, f_o и f₁, можно найти a. таким, чтобы удовлетворялось условие неразрывности механической цепи при трогании, т.к. при F_ост.<o управление перемещением штоков 15 становится невозможным (см. фиг. 6). Задаваясь, f₁>f_o коэффициенты трения покоя, l<1, находим

такое, что F_ост.>o.

С другой стороны, на величину λ должны накладываться ограничения, связанные с надежностью отключения ступени торможения при снятии нагрузки Q. Чтобы исключить заклинивание тормозных ступеней от воздействия упругих сил стенок цилиндра 57, экспериментально найдено ограничение на угол конусности сухарей
r_o< α≅ 2 arctgf_o.
Обозначая arctgf_o=ρ_o угол трения и учитывая, что

Подставив


С другой стороны, из условия незаклинивания сухарей с конусом получим

Откуда

Окончательно

В то же время, остаточная нагрузка после всех ступеней торможения должна быть достаточно малой, чтобы осуществлялось безотказное вращение винтовой пары маломощным шаговым двигателем 31. При скольжении f₁ покоя >f₁ скольжения, и f_o покоя >f_o скольжения, так что λ покоя <λ^* скольжения и F_ост. покоя <F_ост скольжения. Учитывая, что остаточная нагрузка после ступеней торможения, у которых λ и λ^* одинаковы для всех ступеней и соответственно F^*(n)_{ост.скольж.}=Q·λ^*n, Fⁿ_{ост.покоя}= Qλⁿ путем подбора достаточного количества ступеней торможения можно всегда согласовать шаговый двигатель 31 с винтовой парой, каким бы малым момент трогания у него ни был.

Количество ступеней торможения в тормозной системе определяют исходя из момента, развиваемого шаговым двигателем, и соответственно из требуемой остаточной нагрузки F^*_ост., которую можно преодолеть при вращении винтовой пары:

где Q_отв.=F^*_ост., ρʹ=arctgμʹ- угол трения в резьбе, μʹ коэффициент трения в резьбе, μ- коэффициент трения фрикционной пары гайка-винт, α угол профиля резьбы, j угол подъема резьбы, d₂ средний диаметр резьбы.

Подбором материалов фрикционной пары и выбором d₂ при проектировании винтовой пары можно согласовать значение F^*_ост.,, чтобы М_отв.<М, где М момент шагового двигателя. Выбор 0,5М=M_отв. дает достаточную надежность привода.

В соответствии с известным способом по авторскому свидетельству СССР N 1147471, обрабатываемая заготовка не имеет других связей, кроме силовых и управляемых механических цепей подвижных деталей-штоков и их приводов. Механические цепи подвижных деталей в силовом отношении замкнуты рамой, расположенной во внешнем пространстве вокруг термокамеры 1, так что термокамера 1 механических нагрузок не несет и может быть поэтому надежно термоизолирована от окружающих неподвижных конструкций применением малых сечений крепежных связей, и их более широкого выбора по теплопроводности, т.к. прочностные свойства несущественны.

Механические цепи подвижных деталей, в особенности штоки 15, из-за необходимых для передачи нагрузок сечений являются и основными цепями тепловых потерь из печного пространства через эти сечения.

При взаимодействии с обрабатываемым материалом штоки 15 подвержены нагрузкам сжатия и изгиба (см. фиг. 1). Телескопическая конструкция штоков позволяет осуществить разделение нагрузок таким образом, что керамические детали 68 воспринимают сжатие, а теплоизолированный металлический трубчатый стержень 63 нагрузки изгиба. Шаровые опоры 69, через которые осуществляется осевой контакт деталей 66 и 65 через керамические детали 68 имеют минимальные площадки контакта по сравнению с другими возможными конструкциями связи деталей 66 и 65 со стержнем 63 (см. фиг. 9).

Деталь 65, контактирующая с подшипниками 14, имеет тепловой контакт с буртиком 64, который, при необходимости, может быть выполнен из отдельных выступов, чередующихся вдоль окружности, или между соседними буртиками 64, не касающимися деталей 66 и 65, может быть расположена керамическая вставка, исключающая контакт между металлическими деталями. Выбор конструктивного решения осуществляется при проектировании в зависимости от выбранных допустимых нагрузок на стержне 15.

Последующие элементы механических цепей работают при рабочем ходе на растяжение и в силу этого имеют минимальные сечения, что также позволяет при выборе деталей 19 из материалов с относительно малой теплопроводностью уменьшить тепловые потоки из печного пространства через механические цепи подвижных деталей и тем самым обеспечить повышение их надежности (см. фиг. 2).

Осуществимость изобретения проверяется путем макетирования наибольшее существенных узлов. В частности испытана ступень тормозной системы, показавшая устойчивую работу при различных нагрузках, испытан макет шаровых опор и показана приемлемая величина теплопроводности через шаровую опору со стороны цельного стального стержня, противоположный конец которого подвергался длительному нагреву в условиях, адекватных работе в режимах ползучести титана и подобных материалов. Замена стального стержня на шток телескопической конструкции, ввиду уменьшения сечений теплопроводности, позволит еще более уменьшить потоки тепла через элементы формообразования из печного пространства.

Производится лабораторное испытание материалов, которые предполагается использовать при изготовлении устройства для формообразования, а также материалов, которые предполагается обрабатывать при помощи устройства.

Формула изобретения

1. Устройство для формообразования, содержащее термокамеру с источниками нагрева и узлами регулирования температурного режима, примыкающие с двух противоположных сторон термокамеры, расположенные на общей раме блоки силового воздействия на обрабатываемый материал, механические цепи подвижных элементов связи между приводом и элементами формообразования, выполненными в виде блоков ведущих и ведомых штоков, подвижных вдоль оси, проходящих в печное пространство через соосные отверстия в двух противолежащих стенках термокамеры, включающие винтовые пары, узлы для локального согласования формы изделия и элементов формообразования, узлы для размещения и удаления обрабатывемого материала из печного пространства, проемы на свободных от штоков стенках термокамеры и средства их термогерметизации после погрузки и выгрузки обрабатываемого материала, источники питания приводов ведомых и ведущих элементов формообразования, отличающееся тем, что каждый узел для локального согласования формы изделия и элементов формообразования выполнен в виде трех штоков, шаровых опор, размещенных за пределами печного пространства и установленных с возможностью взаимодействия с плоскими концами штоков, консолей, на которых расположены эти опоры, карданова подвеса, на котором установлены консоли таким образом, что центр подвеса расположен в плоскости центров шаровых опор плоских концов штоков, тяга, на которой установлен подвес, соответствующие блоки силового воздействия снабжены гильзами, оси которых расположены в вершинах равностороннего треугольника, штоки установлены в этих гильзах, а тяга с кардановым подвесом расположена в центре треугольника, штоки и соответственно тяги узлов для согласования формы изделия и элементов формообразования в блоке ведомых штоков соосны штокам и соответственно тягам в блоке ведущих штоков, блок ведомых штоков установлен в корпусе из трех плит, скрепленных гильзами и боковыми стенками с цилиндрической поверхностью, образуя две емкости, одна из которых выполнена с отверстиями меньшего диаметра, выходящими наружу, а другая с соосными с ними отверстиями большего диаметра в центральной плите, со стороны термокамеры плита выполнена съемной, в соосные отверстия двух других плит помещены ступенчатые вытеснители, которыми снабжен блок, длина любой ступени вытеснителя больше расстояния между соседними плитами, образованные замкнутые емкости сообщены с источником давления и атмосферой посредством мостовой схемы, имеющей в плечах управляемые дроссель, которой также снабжен блок, ступень меньшего диаметра вытеснителя связана с тягой с кардановым подвесом, блок ведущих штоков установлен в корпусе из двух плит, скрепленных гильзами и имеющих соосные отверстия, и снабжен многоступенчатым тормозным узлом, содержащим тормозной цилиндр, каждая ступень расположена в тормозном цилиндре, помещенном в соосные отверстия плит и опирающемся фланцами на плиту, обращенную к печному пространству, каждая ступень содержит распорный конус и контактирующие с ним и со стенками тормозного цилиндра сухари, в глухом гнезде конуса, выполненного со стороны его меньшего диаметра соосно сквозному каналу, выполненному в тормозном цилиндре для тяги, установлена пружина сжатия, при этом пружина и сухари опираются на большее основание распорного конуса следующей ступени, пружина и сухари выходной ступени опираются на подвижную опору линейно перемещаемой части винтовой пары, тяга с кардановым подвесом связана с тормозным узлом посредством шайбы, которой он снабжен и которая расположена со стороны входной ступени тормозного узла, при этом привод выполнен в виде шагового двигателя и соединен с выходной ступенью тормозного узла посредством тянущего винта и связывающих его с осью двигателя муфты и подвижной гайки со стержневой толкающей конструкцией, а консоли карданова подвеса узла для согласования формы изделия и элементов формообразования размещены в промежутках между стержнями конструкции.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что половина угла при вершине распорного конуса удовлетворяет соотношению

где f₁ коэффициент трения покоя фрикционной пары тормозной цилиндр сухари;
f₀ коэффициент трения покоя пары конус сухари;
λ коэффициент уменьшения нагрузки покоя на последующие механизмы после ступени торможения.

3. Устройство по пп.1 и 2, отличающееся тем, что каждый шток выполнен в виде телескопической конструкции, внутри которой расположен полый стержень с плоскими торцами, а снаружи с обоих концов на стержне с зазором размещены трубчатые детали, опирающиеся в средней части стержня на керамические прослойки, а на концах на шаровые опоры, термоизолированные от прямого контакта с донышками трубчатых деталей керамическими вставками, причем конец штока, обращенный в печное пространство, имеет шаровую поверхность с кривизной, несколько большей максимальной кривизны изготавливаемых изделий.

4. Устройство по пп. 1 3, отличающееся тем, что оно снабжено измерительной системой, датчики которой расположены на ступенях вытеснителя меньшего диаметра, и дублирующей системой, датчиками которой являются шаговые двигатели управляемого привода, при этом измерительная система расположена со стороны блока ведомых штоков.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12