Пресс кривошипный с клиновым приводом

 

Изобретение относится к машиностроению, в частности к кузнечно-прессовым машинам. Кривошипный пресс содержит станину, кривошипный вал с приводом его вращения, шатун и клиновой механизм в виде ведущего ползуна и кинематически связанного с ним ведомого ползуна. Ведущий ползун кинематически связан со станиной по клиновым поверхностям посредством звена в виде опоры с шаровой поверхностью. Опора с шаровой поверхностью может быть расположена в станине или в ведущем ползуне. Шаровая поверхность опоры образована шаровыми поверхностями нескольких опор, равномерно распределенных по сопрягаемым поверхностям ведущего ползуна или станины. Это позволит снизить трудоемкость изготовления и пригонки деталей, особенно с клиновыми поверхностями, а также повысить жесткость и точность пресса, сохраняя ее в процессе эксплуатации. 3 з.п.ф-лы, 2 ил., 2 табл.

Изобретение относится к машиностроению, а более конкретно к кривошипным кузнечно-прессовым машинам (КПМ) большой мощности.

Специфика работы КПМ большой мощности отличается тем, что посредством их штампуют крупногабаритные изделия, требующие: - большого штамповочного усилия, например современные горячештамповочные кривошипные прессы развивают усилие до 160000 кН (16000 т.c.); - большой площади рабочих поверхностей штампов, а, следовательно, стола и ползуна пресса; - высокой прочности и жесткости системы деталь-штамп-исполнительный механизм-станина; - штампового пространства, допускающего не только центральное, по оси пресса, приложение штамповочного усилия, но и эксцентрично приложенное штамповочное усилие со смещением от оси пресса.

Перечисленным требованиям в большей степени отвечают кривошипные прессы с клиновым исполнительным механизмом. Мощные прессы такого типа освоены, например, немецкой фирмой "EUMUCO" (см. А.А.Игнатов, Т.А.Игнатова. Кривошипные горячештамповочные прессы. М.: Машиностроение, 1974. [1]) В качестве прототипа в предлагаемой заявке принят кривошипный пресс с клиновым приводом, описанный в книге И.А.Игнатов, Г.А.Игнатова. Кривошипные горячештамповочные прессы. М.: Машиностроение, 1974, с. 26-29, рис. 17(в). [1].

Основным недостатком указанного пресса является большая трудоемкость изготовления и пригонки кинематических пар, связывающих ведущий и ведомый ползуны между собой и станиной. Особенно это касается изготовления и пригонки сопрягаемых клиновых поверхностей с большой протяженностью линейных размеров. Недостаточно точная пригонка неизбежно проявляет себя при работе пресса, резко снижая характеристики пресса, касающиеся жесткости и точности пресса. Следует заметить, что даже суперточная пригонка в процессе монтажа пресса у изготовителя в процессе эксплуатации пресса у потребителя может нарушиться из-за перераспределения остаточных напряжений в деталях пресса, особенно литых, сварных, сварно-литых, сварно-кованных, имеющих большую массу и габариты. Проверка кинематики пресса прототипа на степень подвижности W по уравнениям Чебышева П.Л.

W=3n-2p (1) и Малышева А.П.[3] W=6n-5p₁-4p₂-3p₃-2p₄-1p₅ (2) обнаруживает, что его строение не отвечает современным представлениям о теории образования структуры механизмов. В частности, он не отвечает принципу Л. В.Ассура образования механизмов и является статически неопределимым механизмом. При количестве подвижных звеньев n=4 и кинематических пар, их связывающих, р=6 структурная степень подвижности механизма равна Wc=3n-2p=3•4-2•6=0
В то же время фактическая степень Wф подвижности механизма равна единице, т.е. Wф=1. В механизмах Ассура значение Wс и Wф всегда равны, т.е. Wc= Wф= l. Значение Wc= 0 свидетельствует о том, что механизм пресса прототипа содержит так называемые избыточные (недостающие) связи. Строго говоря, механизм пресса прототипа содержит не шесть (р=6) кинематических пар, а семь (р= 7) при четырех (n=4) подвижных звеньях. Однако одновременно работают в механизме всегда только шесть (р=6) пар. Пара, образованная шатунным пальцем (см. чертежи пресса в книге [1]), жестко связанным с ползуном и втулкой малой головки шатуна, работает только при обратном не нагруженном ходе ползунов. При рабочем ходе работает пара, образованная внешней поверхностью головки шатуна и соответствующей поверхностью ползуна. Таким образом, при определении W учитывать следует шесть кинематических пар.

Если определить степень подвижности (свободы) кинематических пар, связывающих звенья пресса прототипа, по формуле (2) А.П. Малышева, то получим следующие значения p₁...р₅, сведенные в табл.1.

Все три группы значений p₁...p₅ согласно табл.1 содержат кроме одно- (p₁), двух- (р₂), и трехподвижные (р₃) кинематические пары. Это значит, что в прессе-прототипе, содержащем только одноподвижные (p₁) и двухподвижные (р₂) пары, степень подвижности Wф механизма согласно формулы (2) Малышева не обеспечивается. Не обеспечивается из-за недостаточности (ограниченности) степеней свободы, присущих одноподвижным p₁ и двухподвижным р₂ кинематическим парам.

Однако обеспечить найденные по формуле (2) значения степеней подвижности кинематических пар р₃ в количестве р₃=3, р₃=2 согласно табл.1 в прессе-прототипе, содержащем четыре (n=4) подвижных звена и шесть (р=6) кинематических пар, конструктивно невозможно.

Четырехподвижная пара р₄ в прессе такого назначения вообще не может быть использована, поскольку имеет контакт звеньев по линии, а не по поверхности, т.е. имеет недостаточную для такого пресса нагрузочную способность.

Это обстоятельство требует от фирмы-изготовителя пресса повышенных затрат труда на изготовление и пригонку деталей (звеньев) и их соединений (кинематических пар) клинового механизма, обеспечивающих заданную степень подвижности механизма. Для того, чтобы существенно снизить указанные затраты труда на механическую обработку и пригонку пресса прототипа, учитывая то обстоятельство, что масса обрабатываемых деталей измеряется несколькими десятками тонн и более в зависимости от типоразмера пресса, необходимо исключить из его кинематики избыточные (или ввести недостающие) связи, как это рекомендуют специалисты по теории механизмов и машин (ТММ), например, см. [2, с. 40], [3, с. 1-5].

Определим количество избыточных (недостающих) звеньев n_q и пар p_q в прессе прототипа и затем приведем его структуру в соответствие с принципом Ассура, ее образования. Для определения значения nq и pq используем формулы
n_q=n-(n₀in₁)
p_q=p-(p₀i+p₀₁) (3)
i=(n-n₁)n₀ ^-1
где n_q и p_q - количество избыточных (недостающих) звеньев и пар,
n, p - общее количество звеньев и пар,
n₀=2, р₀=3 - количество звеньев и пар в структурной группе Ассура;
n₁, p₀₁ - количество ведущих звеньев и кинематических пар, связывающих их со станиной.

Для пресса прототипа при n=4, p=6, n₁=l, p₀₁=1, значение nq и pq равны
i=(4-1)•2^-1=l,5
принимаем i=2
n_q=4-(2•2+l)=-1
p_q=6-(3•2+l)=-l
Из формул (3) следует, что в прессе-прототипе недостает одного звена и одной кинематической пары до количества n=4+1=5, р=6+1=7, соответствующего принципу Ассура, что подтверждает и формула (1) Чебышева
Wc=3n-2p=3•5-2•7=1
В этом случае Wc= l, а не нулю, как в прессе прототипа, т.е. Wc равно фактической степени подвижности пресса, равной Wф=l.

Для новой структуры пресса, содержащей n=5 и р=7, в которой нет утраченных звеньев и пар, т.е. n_q=0 и p_q=0, определим степени подвижности кинематических пар p₁...p₅ по уточненной формуле Малышева
5(p⁰ ₁i+p₀₁)+4p⁰ ₂i+3(p⁰ ₃i+p_q)+2p⁰ ₄i+lp⁰ ₅i=6(n₀i+n₁+n_q)-Wф (2.1)
в формуле (2.1) символы означают: p⁰ ₁...p⁰ ₅ - степени подвижности кинематических пар структурной группы Ассура, преобразованной из плоской в пространственную структуру. Значения их следует брать в формулу (2.1) из табл. 2. В табл. 2 приведены значения p₁...p₅ для групп Ассура в пространственном механизме.

i - количество групп Ассура в новом механизме равно
i=(n-n₁)n₀ ^-1=(5-1)•2^-1=2
Тогда теоретически возможные значения p₁...p₅ в новом механизме определятся следующим образом:
1) при значениях p₁ ⁰=1; р₂ ⁰=1; р₃ ⁰=1
5(1•2+1)4•1•2+3(1•2+0)+2•0•2+1•0•2=6(2•2+1+0)-1
5•3+4•2+3•2+0+0=6•5-1
29=29
p₁=3, p₂=2, р₃=2 (р=7)
2) при значениях p₁ ⁰=p₃ ⁰=p₄ ⁰=p₅ ⁰=0, p₂=3
5(0•2+1)+4•3•2+3(0•2+0)+2•0•2+1•0•2=6(2•2+1+0)-1
5•1+4•6+0+0+0=6•5-1
29=29
p₁=1, p₂=6, (p=7)
3) при значениях p₁ ⁰=2, p₄ ⁰=1, p₂ ⁰=p₃ ⁰=p₅ ⁰=0
5(2•2+1)+4•0•2+3(0•2+0)+2•1•2+1•0•2=6(2•2+1+0)-1
5•5+0+0+2•2+0=6•5-1
29=29
p₁=5, p₄=2, (p=7)
Из найденных и теоретически возможных степеней подвижности наиболее предпочтительными, с точки зрения конструктивной и производственной, являются значения
p₁=3, р₂=2, р₃=2
Именно они приняты в конструкции предлагаемого по заявке пресса с клиновым исполнительным механизмом в качестве необходимых для обеспечения работоспособности его степеней подвижности кинематических пар. Таким образом, предлагаемая структура исполнительного механизма пресса по заявке отвечает требованиям Чебышева-Ассура (n= 5, p=7, n_q=0, p_q=0) и требованиям Малышева p₁=3, p₂=2, р₃=2 при Wф=1.

Пресс с клиновым приводом согласно заявки отличается от известного пресса прототипа следующими признаками:
содержит пять подвижных звеньев n=5 и семь кинематических пар р=7. Пресс-прототип имеет n=4 и р=6.

Степень подвижности (свободы) кинематических пар предлагаемого по заявке пресса распределяется следующим образом:
пар одноподвижных - p₁=3, двухподвижных - р₂=2, трехподвижных - p₃=2.

В прессе-прототипе содержатся только одноподвижные - p₁=5 и двухподвижные - р₂=1 пары. Последнее, как это следует из уравнения (2) А.П.Малышева, не обеспечивает степень подвижности Wф механизма. Требует высокой трудоемкости изготовления и пригонки кинематических пар пресса прототипа. Особенно это касается ползунов с клиновой поверхностью кинематической их связи. Однако даже суперточная пригонка сопрягаемых элементов кинематических пар не гарантирует сохранения достигнутой точности пригонки в связи с перераспределением остаточных напряжений в уникальных по массе и габаритам литых, сварных и сварно-литых-кованных деталей в процессе эксплуатации пресса.

Предлагаемые по заявке кинематические пары соответствуют требованиям уравнения (2) А.П.Малышева и позволяют выполнить указанные связи самоустанавливающимися. Для этого в прессе кривошипном с клиновым приводом исполнительного механизма, содержащем станину, кривошипный вал с приводом его вращения, шатун и клиновой механизм в виде ведущего ползуна, кинематически связанного со станиной по клиновым поверхностям, и кинематически связанного с ведущим ползуном ведомого ползуна, кинематическая связь ведущего ползуна со станиной выполнена посредством звена в виде опоры с шаровой поверхностью.

Опора с шаровой поверхностью расположена в станине или в ведущем ползуне. Шаровая поверхность опоры образована шаровыми поверхностями нескольких опор, равномерно распределенных по сопрягаемым поверхностям ведущего ползуна или станины.

Эти признаки позволяют:
- существенно сократить трудоемкость изготовления прессов большой мощности, учитывая их габариты и массу;
- существенно повысить точность изготовления, что в итоге повышает качество штампуемых изделий и межремонтные сроки эксплуатации прессов;
- исключить зависимость надежности и долговечности работы кинематических пар от качества и точности их пригонки, т.к. она не сохраняется в связи с перераспределением напряжений в деталях, особенно сварных, литых, сварно-литых, сварно-кованных, неизбежно возникающих при эксплуатации пресса, особенно если детали пресса не подвергались старению или другим видам снятия остаточных напряжений.

На фиг.1а изображена кинематическая схема предлагаемого по заявке пресса с одной опорой 5 шаровой связи ползуна 3 со станиной 6, на фиг.16 - с двумя опорами. В принципе количество опор 5 определяется размерами пресса и производственными возможностями изготовителя.

На фиг.2 изображена структурная схема предлагаемого пресса.

Устройство пресса понятно из схем по фиг.1 и фиг.2. Обратим внимание на устройство кинематических пар, связывающих звенья механизма между собой и станиной.

Кинематические пары, связывающие:
ведущее звено 1 со станиной 6, ползун 3 с ползуном 4, ползун 4 со станиной 6 - выполнены одноподвижными - p₁=3;
ведущее звено 1 с шатуном 2, ползун 3 с шаровой опорой 5 - выполнены двухподвижными - р₂=2;
звено 2 - шатун с ползуном 3, ползун 3 со станиной 6 - выполнены трехподвижными - р₃=2.

Ведомый ползун 4, несущий на себе подвижную часть штампа, кинематически соединен со станиной посредством одноподвижной пары p₁. Одноподвижной парой p₁ ползун 4 соединен с ведущим ползуном 3. Таким образом, ползуны 3 и 4 строго ориентированы относительно станины 6, а, следовательно, и неподвижной части штампа посредством одноподвижной пары. В то же время ползун 3 кинематически соединен с приводным шатуном 2 и приводной клиновой поверхностью станины 6 посредством трехподвижной пары р₃. В этом случае не требуется, как в прессе-прототипе, обеспечивать точную геометрическую связь звеньев 2-3 и 3-6, т. е. не требуется обеспечивать параллельность, перпендикулярность, соосность и т.д. сопрягаемых поверхностей указанных звеньев. Ползун 3 в этом случае как бы самоустанавливается посредством пар p₃ относительно звена 2 и звена 6. В этом заключено принципиальное отличие предлагаемого пресса от пресса прототипа. Это и составляет сущность предлагаемого изобретения.

Описание работы пресса. Вращательное движение от привода 7 передается эксцентриковому валу 1, а от него через шатун 2, выполненный совместно с опорой 8 с шаровой поверхностью в виде винта, связывающего шатун 2 с ведущим ползуном 3, вращательное движение преобразуется в поступательное ползуна 3. Ползун 3 клиновой поверхностью контактирует с рабочей поверхностью опоры 5 с шаровой поверхностью. При этом опора 5 с шаровой поверхностью может быть выполнена как в станине 6, так и ползуне 3. В результате связи ползуна 3 со станиной 6 посредством опоры 5 с шаровой поверхностью ползун 3 самоустанавливается по рабочей поверхности ведомого ползуна 4, перемещающегося в жесткой одноподвижной кинематической паре p₁, связывающей его со станиной. Рабочая плоскость ползуна 4 всегда строго параллельна рабочей плоскости стола пресса. На эти плоскости монтируется инструмент-штамп. Ползун 3 посредством клиновой поверхности сообщает движение ползуну 4, который, опускаясь вниз, производит штамповку изделия (не показан). Регулирование расстояния между ползуном 4 и столом станины 6 производится посредством винта-опоры 8 с шаровой поверхностью.

ИСПОЛЬЗУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. А.А.Игнатов, Т.А.Игнатова. Кривошипные горячештамповочные прессы. М.: Машиностроение, 1974.

2. И.И.Артоболевский. Теория механизмов и машин. М.: Наука, 1988.

3. Л.Решетов. Самоустанавливающиеся механизмы. Справочник. М.: Машиностроение, 1985.

Формула изобретения

1. Пресс кривошипный с клиновым приводом исполнительного механизма, содержащий станину, кривошипный вал с приводом его вращения, шатун и клиновой механизм в виде ведущего ползуна, кинематически связанного со станиной по клиновым поверхностям, и кинематически связанного с ведущим ползуном ведомого ползуна, отличающийся тем, что кинематическая связь ведущего ползуна со станиной выполнена посредством звена в виде опоры с шаровой поверхностью.

2. Пресс по п. 1, отличающийся тем, что опора с шаровой поверхностью расположена в станине.

3. Пресс по п. 1, отличающийся тем, что опора с шаровой поверхностью расположена в ведущем ползуне.

4. Пресс по п. 1, отличающийся тем, что шаровая поверхность опоры образована шаровыми поверхностями нескольких опор, равномерно распределенных по сопрягаемым поверхностям ведущего ползуна или станины.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4