Способ создания усилия прессования и термопресс, реализующий этот способ

 

Изобретение относится к металлургии, конкретно к обработке материалов давлением, и предназначено для прессования заготовок. Способ создания усилия прессования заключается в том, что для обеспечения продольного усилия и продольного хода ползуна с пуансоном к нему прикладывают усилие в направлении перемещения к подлежащему деформации изделию. Указанные усилие и ход получают за счет нагрева штока при условии, что его конец, противоположный концу размещения пуансона, зафиксирован в прессе от перемещения вдоль своей продольной оси. Предлагаемый в соответствии со способом термопресс содержит шток с ползуном и пуансоном на его незакрепленном конце и снабжен устройством нагрева штока до 600^oС. Использование изобретения позволит расширить средства, реализующие создание усилия прессования, и обеспечить простоту их конструкции. 2 с. и 3 з. п. ф-лы, 19 ил.

Изобретение относится к области металлургии, конкретно к обработке материалов давлением, и предназначено для прессования заготовок. Наиболее простой способ создания силового хода ползуна пресса осуществляется с помощью вращения винтового штока внутри рамы винтового пресса. (С. Тимошенко и другие. Инженерная механика, Машгиз, М. , 1960, с. 217. ).

Известен также способ создания усилия прессования, заключающийся в том, что для обеспечения силового продольного хода штока с пуансоном в направляющих пресса с помощью соответствующего специального механизма прикладывают к указанному штоку усилие в направлении его перемещения к подлежащему деформации изделию.

Этот способ, в частности, осуществлен в известном механическом прессе с кривошипным многозвенным механизмом для движения штока с пуансоном на его конце, установленного в направляющих пресса, с возможностью его возвратно-поступательного силового продольного перемещения (А. Ф. Крайнев. Словарь-справочник по механизмам, М. , Машиностроение, 1981, с. 120, 127, "Ковочно-штамповочный механический пресс", рис. в).

Недостатком данного способа является необходимость применения отдельного устройства для привода оси кривошипа. Изобретение направлено на решение технической задачи по расширению средств, реализующих создание усилия прессования. Достигаемый при этом технический результат заключается в обеспечении простоты конструкции. Указанный технический результат достигается тем, что в способе создания усилия прессования, заключающемся в том, что для обеспечения продольного усилия и продольного хода конца штока в направляющих пресса, несущего ползун с пуансоном, прикладывают к указанному штоку усилие в направлении перемещения штока с ползуном и пуансоном к подлежащему деформации изделию, при этом указанные усилия и ход конца штока с ползуном и пуансоном создают за счет нагрева до определенной температуры штока, при условии, что конец штока, противоположный концу размещения пуансона, соединен с прессом.

При этом, согласно изобретению, для многократного увеличения хода, превышающего удлинение штока при его нагреве, и для получения достаточной силы давления на ползун используют несколько дополнительных нагреваемых штоков и осуществляют последовательное шарнирное соединение этих штоков между собой рычагами 1-го рода, имеющими передаточные числа не меньше единицы.

При этом, согласно изобретению, для увеличения хода штока с пуансоном все подлежащие нагреву штоки шарнирно со скольжением соединяют с рычагами 1-го рода и вертикально устанавливают в направляющих пресса. Указанный технический результат достигается также тем, что термопресс, содержащий шток с ползуном и пуансоном на его конце, установленный в направляющих пресса с возможностью перемещения в направлении к подлежащему деформации изделию, согласно изобретению, снабжен устройством нагрева до 600^oC выполняемого стальным штока, а для создания продольной силы давления и продольного хода конец штока, противоположный концу, на котором закреплен ползун с пуансоном, соединен с прессом.

При этом, согласно изобретению, для реакции хода при достаточно большой силе давления термопресс снабжен, по крайней мере, двумя взаимно параллельными, подлежащими нагреву дополнительными штоками, шарнирно поворотно- соединенными между собой поперечно располагаемыми рычагами 1-го рода с шарнирными опорами в станине, шток, оснащенный ползуном и пуансоном, выполнен с возможностью перемещения ползуна в направляющих станины.

Сущность изобретения проясняется чертежами на которых: на фиг. 1 изображен шток при стесненном нагреве, на фиг. 2 изображен шток при свободном нагреве, на фиг. 3 шток при продольном изгибе, на фиг. 4 - показана зависимость усилия от нагрева, на фиг. 5 - схема крепления штока с ползуном и пуансоном, на фиг. 6 - схема шарнирной рычажной системы с двумя штоками до нагрева, на фиг. 7 - схема шарнирной рычажной системы с двумя штоками после нагрева, на фиг. 8 - схема шарнирной рычажной системы со штоками до нагрева, на фиг. 9 - схема шарнирной рычажной системы со штоками после нагрева,
на фиг. 10 - схема крепления рычажной системы со штоками в станине пресса, вид сбоку,
на фиг. 11 - схема крепления рычажной системы со штоками в станине пресса, продольный вид,
на фиг. 12 - схема шарнирной со скольжением рычажной системы со штоком до нагрева;
на фиг. 13 - схема шарнирной со скольжением рычажной системы со штоком после нагрева,
на фиг. 14 - конструктивный вариант муфты для шарнирного соединения двух стержней,
на фиг. 15 - конструктивный вариант шарнирного крепления штока в станине пресса,
на фиг. 16 - конструктивный вариант шарнирного соединения рычага со штоком,
на фиг. 17 - схема размещения электронагревателя вблизи штока,
на фиг. 18 - схема размещения газового нагревателя вблизи штока,
на фиг. 19 - конструкция и форма рычага с односторонней опорой.

Способ создания усилия прессования заключается в том, что к концу штока, несущего ползун с пуансоном, прикладывают усилие в направлении перемещения к подлежащему деформации изделию. При этом одним из необходимых условий создания усилия должно быть соединение противоположного конца штока с прессом (фиг. 1,2). Величина продольного усилия сжатия, равная величине силы P, не должна нарушать прочности штока и не должна вызывать продольный изгиб, показанный на фиг. 3.

Термопресс (фиг. 5) содержит шток 1 с ползуном и пуансоном 3 на его конце, установленный в направляющих 2 пресса с возможностью перемещения в направлении к подлежащему деформации изделию 4, и снабжен устройством нагрева до 600^oC, с помощью электроспиралей (фиг. 17) или газовых горелок (фиг. 18), шток выполнен стальным цилиндрическим, устойчивым против продольного изгиба, если его длина не больше 20 его диаметров, а для создания продольной силы давления и продольного хода конец штока, противоположный концу, на котором находится ползун с пуансоном, связан по своему торцу с прессом. Для связи ползуна с пуансоном и торцем штока предусмотрена пружина.

Для увеличения полученного по выше указанному способу хода пуансона может использоваться редукция смещения с помощью рычажной передачи, которая, увеличивая смещение, соответственно уменьшает полученное усилие. Могут также использоваться дополнительные нагреваемые штоки, которые позволяют с помощью равноплечих рычагов увеличивать ход пуансона пропорционально числу штоков, без уменьшения усилия P на пуансоне.

Схемы систем, в частности, с двумя штоками 1,6 и с тремя штоками 1,6,9 показаны соответственно с двумя штоками 1,6 и с тремя штоками 1,6,9 показаны соответственно на фиг. 6,7,8,9. На этих фигурах показаны схемы двух- и трехштоковых систем до нагрева и после нагрева. Их этих схем видно, что шарнирные соединения штоков и рычагов 8 обеспечивают отсутствие изгибающих нагрузок на штоки во время рабочего хода пресса.

Термопресс (фиг. 10,11) снабжен, по крайней мере, двумя взаимно параллельными, подлежащими нагреву, дополнительными штоками 6,9, при помощи шарнирных связей 4 соединенными между собой и поперечно располагаемыми рычагами 8 1-го рода, с шарнирными опорами 10 в станине 11, при этом шток 1, оснащенный ползуном и пуансоном 3, выполнен с возможностью перемещения в направляющих станины пресса.

Схемы систем с тремя штоками (1,6,9 ) до и после нагрева показаны на фиг. 12,13.

Такие системы имеют те же возможности, как и предыдущие, для редукции хода и получения достаточного усилия P на пуансоне, однако конструктивно они сложнее и слабее из-за поперечных нагрузок на концы штока. В связи с этим последний шток (9) может крепиться и шарнирно по схеме фиг. 12.

Ниже приводятся расчеты, обосновывающие возможность создания усилия прессования и продольного хода штока.

Определим расчетные значения усилия P в штоке при нагреве.

Для стального стержня цилиндрической формы его общее удлинение Δl, как известно из книги В. М. Яворский и А. А. Детлаф "Справочник по физике", издание "Наука". М. , 1965, стр. 256, пропорционально его длине l и изменению температуры на Δτ, т. е.

Δ1 = α•l•Δτ (1)
где α- физическая постоянная, зависящая от материала стержня и, как известно из ранее упомянутой книги, стр. 256, α ≈ 10^-5 градус.

Продольное усилие P, развиваемое штоком во время его нагрева при неподвижных его обоих торцах (фиг. 1), определяется напряжением σ от сжатия, а напряжение σ в свою очередь определяется удлинением Δl в свободном штоке (фиг. 2) при нагреве, которое затем аннулировано сжатием.

При этом исходят из того, что упругие свойства материала штока до Δτ_max = 500^o - 600^o не меняются и усилие P равно:
P = σ•F, σ = ε•E, ε = Δl/l, F = πd²/4, (2)
где F - площадь поперечного сечения штока;
ε - относительное удлинение или сжатие штока;
E - модуль упругости материала штока, который для стали У8 имеет значение E= 2,1 • 10⁶ кг/см².

Согласно (1), (2), имеем при нагреве штока
P = ε•E•F, ε = α•Δτ, Δl=l•ε (3)
Из (3) видно, что усилие P, создаваемое штоком при его стесненном нагреве, не зависит от длины штока l.

Увеличение усилия P при стесненном нагреве относительно длинного штока ограничено так называемым продольным изгибом (фиг. 3), который приводит к нарушению его прочности.

Согласно теории Эйлера, продольный изгиб не наступает, если сила
P ≅ N, N = π²•E•I/l², I = π•d⁴/64, (4)
где I - момент инерции сечения штока.

Например, для стального штока из стали У8 диаметром d= 4 cм, длиной l= 70 см из (4) находим, что N= 53078 кг.

Сжатие штока продольной силой P должно происходить в пределах, когда напряжение σ ≅ σ₁, где σ₁ - допустимое напряжение сжатия для материала штока. В частности, для штока из стали У8 . Когда σ = σ₁ из (2), (3), имеем силу P, удлинение Δl₁ , при нагреве на Δτ₁,
где P₁= σ₁•F, Δl₁= l•σ₁/E, Δτ₁= σ₁/α•E (5)
Например, для стального штока с размерами l = 70 см и d = 4 см при указанных значениях σ₁, α, E из формул (5) получим:
P₁ = 50260 кг, Δl₁ = 0,133 см, Δτ₁ = 190^o.

Из этого примера видно, что сила P ≅ P₁ будет допустимой для указанных размеров штока, при его нагреве в пределах Δτ₁ = 190^o и если она не вызовет продольный изгиб штока, т. е. когда P₁ ≅ N.

Заменяя P₁ и N их значениями по формулам (4) и (5), получим для указанных выше постоянных E и σ₁ простое условие
l ≅ 18d, (P ≅ N, σ < σ₁) (6)
которому должны удовлетворять размеры штока, работающего в пределах допустимых напряжений без продольного изгиба.

Из последнего примера также видно, что достигается довольно большая сила P₁ при небольшом нагреве Δτ₁ штока.

Определим возможный ход Δ штока при прессовании.

Когда нижний торец штока подвижен и при нагреве на Δτ = Δτ₁, нагружается силой P= P₁, то для пластической деформации заготовки этой силой, продолжая нагрев до Δτ_max (фиг. 4), т. е. на
Δτ₂= Δτ_max-Δτ₁ (P = P₁) (7)
шток удлинится на Δl и его нижним торец опустится на Δ = Δ1 как y свободного штока. Согласно (1) и выше приведенным данным (α, l, Δτ₁ , Δτ_max ),
Δ = 10^-5 • 70 • (500-190) = 0,217 см.

Такую же величину Δ получим и тогда, когда прессуется упругая заготовка усилием P= P₁, но это усилие возникнет не в начале, а в конце хода, при Δτ = Δτ₂ (см. пунктир на фиг. 4).

В том случае, когда начальное усилие P на нижнем торце штока мало, ход Δ определяется как у свободного штока, по формуле (1), при Δτ = Δτ_max, т. е.

Таким образом, возможный ход штока при нагреве для данных, приведенных в примерах, будет
Δ = 0,21 - 0,35 см,
где нижний предел соответствует силе P= 50 т, а верхний - относительно малой силе Р.

Полагаем, что указанный ход Δ относительно мал, а усилие прессования P достаточное и даже с избытком. В связи с этим необходимо рассмотреть возможности увеличить ход штока, при сохранении или при некотором уменьшении усилия P₁.

Для этого определим усилие и ход в рычажной системе со штоком при нагреве.

Рассмотрим плоскую систему (фиг. 8), состоящую из нескольких (n) штоков, шарнирно связанных между собой рычагами 1-го рода с шарнирными опорами на неподвижном основании (станине пресса) в условиях теплового удлинения штоков. При этом верхний торец первого штока укреплен на шарнире относительно станины, нижний торец стержня последнего (рабочего) штока шарнирно связан с ползуном инструмента (фиг. 10), находящегося в прямолинейных направляющих станины.

Пусть, в частности, система состоит из трех штоков соответственно длиной l₁, l₂, l₃ и двух рычагов с передаточными отношениями i₁, i₂ (фиг. 8). После нагрева штоков они удлинятся, согласно (1), соответственно на Δl₁ Δl₂ Δl₃, при этом произойдут повороты рычагов и смещения торцев штоков (фиг. 9) соответственно будут:

Исключая из этих равенств Δ₁-Δ₄, получим
Δ₅= Δl₁•i₁•i₂+Δl₂•i₂+Δl₃, (i₁= R/r) (9)
В наиболее рациональном частном случае, когда все рычаги и штоки одинаковы и штоки при нагреве одинаково удлиняются, т. е.

Δl_к= Δl, i_к= i (к = 1,2,3...),
вместо (9) получим
Δ₅= Δl(1+i+i²) (n = 3) (10)
Обобщая эту формулу для любого числа n одинаковых штоков и n-1 одинаковых рычагов, имеем:

В более частном случае, когда все рычаги равноплечие, т. е. i = 1, равенство (10) примет простой вид
Δ_2n-1= n•Δl (i = 1) (12)
Это означает, что одинаковые штоки и равноплечие рычаги дают ход рабочего штока, равный сумме удлинений (Δl) всех n штоков при их нагреве.

Далее рассмотрим силы, возникающие в рычажной системе со штоком (фиг. 9). Для первого и второго рычагов имеем их равновесие, когда
P₁ = i₁ • P₂, P₂ = i₂•P₃,
Исключая из этих равенств P₂, получим
P₁ = P₃•i₁•i₂ (13)
В более общем случае при любом числе n штоков и n-1 рычагов с одинаковыми передаточными числами (i) получим равенство:
P₁ = P_n•i^(n-1) (i₁ = i₂ = . . . i) (14)
В частности, при i = 1 имеем из (14) для рабочего штока силу P = P_n,
где P_n = P₁ (i= 1) (15)
Из простых равенств (12), (15) заключаем, что система из n одинаковых штоков и n-1 равноплечих рычагов создает в рабочем штоке такую же силу P, как в первом штоке, и при этом производит увеличение (редукцию) хода в n раз.

Например, рассмотренная система из трех штоков (фиг. 9) даст при i= 1 ход Δ = Δ₅ рабочего штока втрое больше, чем ход Δ₁ в первом штоке без изменения его силы P₁, т. е.

Δ = 3Δl, P = P₁ (i = 1, n = 3) (16)
Полагаем, что целесообразно использовать значения i ≥ 1, так как они увеличивают ход рабочего штока.

В частности, для той же системы (фиг. 9) из (10), (11), (14) находим при i = 2
Δ = 7Δl, P = P₁/4 (i = 2, n = 3), (17)
а при i = 3
Δ = 13Δl, P = P₁/9 (i = 3, n = 3) (18)
Равенства (17), (18) показывают, что редукция увеличения хода значительно больше, чем редукция уменьшения усилия в рабочем штоке рычажной системы со штоками при числах i больше единицы.

Заметим, что для системы связанных рычагов работа силы на "входе" и на "выходе" должна быть (по закону сохранения энергии) одинакова, т. е. P₁•Δl₁= P•Δl или одинаковы по величине редукция силы и перемещения. Поэтому, когда нагревается только один первый шток в трехштоковой системе вместо (18), получим Δ = 9Δl, P = P₁/9.

Рассмотрим некоторые рациональные конструктивные узлы этих схем.

Для передачи в деталях термопресса значительных продольных сил нужно обеспечить прочность их связей. Поэтому считаем, что каждое шарнирное соединение должно нагружать свою шарнирную ось 13 шарнира 14 не как консоль, а как двухопорную балочку, ибо тогда (при тех же его размерах) будет вдвое меньше усилие на срез (ρ = P/2) и вдвое меньше изгибающий момент (M= P•L/4) (фиг. 10, 11).

Варианты конструкций для двухопорных шарнирных связей представлены на фиг. 10, 11, 14, 15, 16.

На фиг. 10, 11 видно, что опорами 10 и 13 рычажных шарниров являются боковые панели станины 11 термопресса.

На фиг. 14 показано, что шарнир 14 опирается на вилку 15, соединяя вкладышем 16 концевую часть штока 1 и цилиндрическую часть ползуна 3.

На фиг. 15 показано как станина 11 пресса с помощью оси 13 и вилки 15 создают шарнир для штока 1.

На фиг. 16 показано как рычаг 4 вилкой 15 с шарнирной осью 13 соединяются со штоком 1.

Рациональная конструкция рычага должна обеспечить его достаточную прочность от действия изгибающего момента P•r и относительно небольшой продольный габарит (R + r). Поскольку рычаг нагружается только в одном направлении (нижний - вниз, верхний - вверх), то опорная связь может быть односторонней (полушарнирной) и находиться на его контуре (фиг. 19).

Для организации нагрева штоков можно использовать схему по фиг. 17, где электроспираль 17 с большим сопротивлением помещается вблизи поверхности штока вдоль его длины, но без контакта с ним, и закрепляется с помощью каких-либо изоляторов (не показаны).

Возможен также нагрев по схеме фиг. 18, где газовая трубка 18 с боковыми отверстиями располагается вдоль штока и при горении газа греет его.

Полагаем, что электронагрев более рационален, особенно для маломощных термопрессов, так как его легче регулировать.

Настоящее изобретение позволит расширить арсенал средств, обеспечивающих создание продольного перемещения штока пресса и усилия давления на его конце.

Формула изобретения

1. Способ создания усилия прессования, заключающийся в том, что для обеспечения продольного усилия и продольного хода конца штока в направляющих пресса, несущего ползун с пуансоном, прикладывают к указанному штоку усилие в направлении перемещения ползуна с пуансоном к подлежащему деформации изделию, отличающийся тем, что указанные усилие и ход конца штока с ползуном и пуансоном создают за счет нагрева до определенной температуры штока при условии, что конец штока, противоположный концу размещения пуансона, соединяют с прессом.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для многократного увеличения хода, превышающего удлинение хода штока при его нагреве, и для получения достаточной силы давления на ползун используют несколько дополнительных нагреваемых штоков и осуществляют последовательное шарнирное соединение этих штоков между собой рычагами 1-го рода, имеющими передаточные числа не меньше единицы.

3. Способ по любому из пп. 1 и 2, отличающийся тем, что для увеличения хода штока с пуансоном все подлежащие нагреву штоки шарнирно со скольжением соединяют с рычагами 1-го рода и вертикально устанавливают в направляющих пресса.

4. Термопресс, содержащий шток с ползуном и пуансоном на его конце, установленный в направляющих пресса с возможностью перемещения в направлении к подлежащему деформации изделию, отличающийся тем, что он снабжен устройством нагрева до 600^oС выполняемого стальным штока, а для создания продольной силы давления и продольного хода конец штока, противоположный концу, на котором закреплен ползун с пуансоном, соединен с прессом.

5. Термопресс по п. 4, отличающийся тем, что для редукции хода при достаточной большой силе давления он снабжен, по крайней мере, двумя взаимно параллельными, подлежащими нагреву, дополнительными штоками, шарнирно поворотно соединенными между собой поперечно расположенными рычагами 1-го рода с шарнирными опорами в станине, шток, оснащенный ползуном и пуансоном, выполнен с возможностью перемещения ползуна в направляющих станины.

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, Рисунок 13, Рисунок 14, Рисунок 15, Рисунок 16, Рисунок 17, Рисунок 18, Рисунок 19