3.4.1. Конструкция и расчет гидравлических прессов

Оборудование гидропрессовых цехов для прессования труб, прутков и профилей можно разделить на следующие группы:

подготовительное — для механической обработки слитков и заготовок для прес­сования; для предварительной и окончательной термобработки слитков; для нагрева и прессования; отделочное.

Подготовительное оборудование цехов включает механическую обточку слитков и заготовок. На поверхности слитков не допускаются дефекты глубиной более Змм. При прессовании труб из твердых сплавов заготовки поступают с предварительной расточкой внутренней поверхности. Дальнейшая обработка заготовок зависит от последующего технологического процесса. Так, при необходимости осуществления волочения или прокатки заготовки режут на мерные длины и при необходимости правят. Обработанные заготовки направляют в нагревательное устройство и затем прессуют.

Прессование осуществляют на гидравлических прессах горизонтального или вер­тикального исполнения. На рис. 3.80 представлена конструкция горизонтального пресса для прессования труб, профилей и прутков.

Пресс состоит из передней 1, задней 10 неподвижных траверс, скрепленных колоннами 3 в единую конструкцию на раме 34 и плите 33. Рабочие цилиндры 11 с плунжерами, тягами 7 и возвратные цилиндры 32 с плунжером 14 предназначены для поступательного перемещения подвижной траверсы 24. Главный цилиндр 13 и возвратные цилиндры 32 консолью 8 соединены с траверсой 24- В траверсе 25 расположен контейнер 4, перемещения которого осуществляют плунжеры 5 от тра­версы 15. На прессующей траверсе 24 размещен главный цилиндр 13 с плунжером 12, на торце которого закреплен пуансон 6. Внутри пуансона 6 смонтирована прошивная игла 9, закрепленная к концу кольцевого штока 18, проходящего по телескопической системе через трубный отросток 16 главного плунжера 12. По внутреннему каналу концевого штока подается вода для охлаждения иглы ft Указанная телескопическая система смонтирована в корпусе 17. Кольцевой шток 18 закреплен к подвижной стойке 19, перемещающейся рабочим цилиндром 21 и двумя возвратными цилин­драми 20. Штоки цилиндров 20 неподвижны и закреплены к корпусу главного рабочего цилиндра 13. Подвижная стойка 19 и траверса 15 отвода контейнера 4 перемещаются по направляющим 23. Их соосность с главным рабочим плунжером 12 и цилиндром 21 осуществляется клиновыми устройствами 22.

Для подачи заготовки из нагревательной печи на прессе используется приемный лоток 29 захвата 31, перемещающийся от податчика слитков 30.

Пресс снабжен отрезным устройством (пила трения) 2 для отрезки пресс-остатка от трубы или профиля. Перемещение отрезного устройства производится гидравли­ческим приводом.

Технологический инструмент из сменной матрицы 27, опорного клина 28 и пли­ты 26 позволяет с помощью гидромеханизма 35 регулировать положения инструмен­та и осуществлять его смену.

Рабочий цикл горизонтального гидропресса последовательно осуществляет сле­дующие этапы:

1. На лоток перед контейнером устанавливается планшайба.

2. Нагретая заготовка захватом подается на тот же лоток на линию контейнера.

Рис. 3.80. Горизонтальный гидравлический пресс

3. Плунжер главного цилиндра заталкивает пресс-шайбу и заготовку в предвари­тельно подогретый контейнер со скоростью холостого хода.

4. Перед контейнером устанавливается ограничитель хода подвижной траверсы, определяющий размер пресс-остатка.

5. Производится прошивка слитка иглой под действием рабочего давления 32 МПа при регулируемой скорости от 2 до 150 мм/с.

6. Пресс-штемпель через пресс-шайбу выдавливает металл через зазор образован­ный профилем матрицы и иглой.

7. При подходе к ограничителю скорости подвижной траверсы происходит пере­ключение специального дросселя в гидроаппаратуре. Это приводит к замедлению движения траверсы с последующей ее остановкой.

8. Обратное движение прошивной и прессующей траверсы к исходному положе­нию. После чего ограничитель хода траверсы отключается.

9. Отвод контейнера от передней траверсы и отрезка пресс-остатка.

10. Подход контейнера к матрице и выталкивание пресс-остатком трубы из мат­рицы.

11. Выталкивание из контейнера пресс-остатка с пресс-шайбой и отделение нож­ницами пресс-шайбы.

12. Выдвижение иглы в переднее положение для ее очистки и смазки.

13. Смена матрицы.

14. Установка всех механизмов в исходное положение.

б

На рис. 3.81 показана конструкция контейнера и инструмента для прессования профилей (рис. 3.81, а) и труб (рис. 3.81, б).

Конструкция инструмента состоит из каретки 1, матрицедержателя 2, подклад­ного кольца 3, матрицы 4- Для смены матрицы используется специальное гидрав­
лическое устройство, смещающее каретку. Для предотвращения осевого смещения инструмента применяется специальное конусное устройство 14 и запор-фиксатор 15. Прессующим инструментом при производстве профилей служат пресс-штемпель 9 с пресс-шайбой 8. Они вначале распрессовывают в контейнере слиток и при дальней­шем движении проталкивают его через матрицу.

Контейнер размещается в подвижной траверсе 16 и состоит из наружной втул­ки 5, средней втулки 6 и рабочей втулки 7. При прессовании труб прессующим инструментом является полые пресс-штемпель 11 и пресс-шайба 10. Внутри пресс- штемпеля размещена прошивная игла 12, закрепленная к валу 13 телескопической передачи.

При необходимости формоизменения с большими усилиями в промышленности находит применение горизонтальный пресс с двусторонним приводом. На рис. 3.82 представлена конструкция кабельного пресса. На фундаменте 10 устанавливается станина 12 пресса рамной конструкции. В двух боковых траверсах 17 станины уста­новлены главные цилиндры 11 поршневого типа. Цилиндрическая группа состоит из поршня 19, штока 18, в передней части которого устанавливается пресс-штемпель 7. Также к прессштемпелю крепится ползушка 13, центрирующая его в направляющих станины. Для синхронизации действия двух цилиндров на штоках смонтированы стойки 1, воздействующие при рабочем движении приводов на синхронизатор 4-

В средней части пресса расположена прессовая головка 3 в которой крепится контейнер 2 и специальная матрица 15. Для подачи в цилиндр жидкости высокого давления используется наполнительный клапан 9, закрепленный к цилиндру корпу­сом 8.

Нагретые заготовки из печи по специальным желобам толкателями и рольгангами подаются на ось прессования захватами 6, срабатывающими от привода 14 и 16. Специальные рычаги 5 регулируют подачу заготовок.

Для двухсторонних прессов прессовая головка является одним из наиболее нагру­женных узлов. Головка крепится в центре станины в мощном корпусе и центрируется двумя шпонками.

Тепловые нагреватели (ТЭН) устанавливаются в корпусе и нагревают контейнер до 400-450° С.

Для защиты от перегрева соседних механизмов прессовая головка покрывается специальным изолятором. По центру прессовой головки 2 (рис. 3.83) проходит сер­дечник кабеля. Формирование оболочки кабеля осуществляют дорн 6 и матрица 7, установленные с натягом соответственно в дорнодержателе 4 и матрицедержателе 8. Их угловую и осевую фиксацию обеспечивают сегментные шпонки 3, 9 и упоры 1, 10, смонтированные в корпусе головки на упорных резьбах. Для создания заданного температурного режима головка снабжена узлами теплозащитного 5 и душирующе - го 11 устройств.

Гидравлический пресс без прошивного устройства показан на рис. 3.84. Пресс состоит из неподвижных передней 1 и задней 9 траверс, скрепленных между собой колоннами 4 и установленных на фундамент. На передней траверсе в подвижной головке 13 смонтирован матричный блок 5, который закрепляется специальным цилиндрическим затворным устройством 2 под действием гидроцилиндра 3. Главный цилиндр пресса 12 выполнен отдельно от задней траверсы 9. В цилиндре размещен мощный плунжер 10 с пресс-штемпелем 6. На передней части плунжера расположена траверса 8 с приводом от цилиндров 11. Контейнер пресса 7 имеет многовтулочную конструкцию и перемещается самостоятельно от подвижной траверсы.

ч\\\Ч\\\\\\Ч ю Рис. 3.82. Конструкция горизонтального гидравлического пресса с двусторонним приводом

Обратный ход плунжера производится возвратными цилиндрами. Отпрессован­ное изделие отводится от пресса рольгангом Ut. Рабочий цикл данного пресса произ­водится в следующей последовательности:

1. В начальном положении контейнер с контейнеродержателем размещается на пресс-штемпеле. Матричный блок находится в рабочем состоянии.

2. Подача нагретой заготовки на линию прессования механизмом захвата перед контейнером.

3. Частичное перемещение контейнера на слиток и отвод от слитка механизма захвата.

4. Окончательное перемещение контейнера к матрицедержателю и установка на пресс-штемпель пресс-шайбы.

5. Прессование слитка через матрицу до подхода к ограничителю хода.

6. Сброс давления прессования и подъем цилиндрического затвора из подвижной головки.

7. Выпрессовка пресс-остатка и пресс-шайбы пресс-штемпелем из контейнера.

8. Обратный отход подвижной головки для освобождения отсекателем пресс - шайбы и подъем ее над контейнером. Выдвижение подвижной головки от передней траверсы и отделение пресс-остатка.

9.
Возврат подвижной головки в переднюю траверсу и замыкание затвора.

На рис. 3.85 показана типовая конструкция гидравлического вертикального прес­са. Пресс имеет стальную цельнолитую станину 1 рамного типа. В нижней части станины смонтирован двухслойный контейнер 8 с индуктором для нагрева до тем­пературы 300-550° С. Под контейнером располагается матрицедержатель с матри­цей 11, запираемый затвором 12 к станине. Регулировка положения контейнера производится шпонками и специальными упорами 13. В верхней части станины за­креплен главный рабочий цилиндр 2 с плунжером 3. В головке плунжера 4 крепится держатель пресс-штемпеля 5 с пресс-штемпелем 6 и иглой 7. Технологические этапы прессования аналогичны выше изложенным. Нагретая заготовка подается специаль­ными рычажными устройствами на линию прессования. Движением пресс-штемпеля она перемещается в контейнер и прессуется через матрицу. Затем матрицедержатель освобождается от затвора и отходит вверх. Узел отделения отрезает прессостаток от изделия и подает изделие в приемно-правильное устройство и затем в накопитель.

Рис. 3.84. Горизонтальный гидравлический пресс

Наиболее нагруженными механизмами и деталями прессов являются цилиндры, штоки, контейнеры и станины. Ниже будут проведены расчеты основных рабочих деталей.

На рис. 3.86 показана конструкция цилиндра гидравлического пресса. Цилин­дрическая часть цилиндра рассчитывается по теории толстостенных цилиндров. Последовательно вычисляются:

радиальное напряжение на внутренней и наружной поверхностях

СГг в — ‘Р) СГГ н — 0j

тангенциальное напряжение на тех же поверхностях

ГГ

1 - гг

где П = гв/г„ — отношение радиусов; р — внутреннее рабочее давление.

По этим параметрам рассчитывается эквивалентное напряжение по энергетиче­ской теории прочности:

Сэкв = у/{&г - Се)2 + (сг0 - СГ*)2 + (crz - СГГ)2 ^ [сг]

0-2 + 0-2 + 0-2 - игсГ© - oruz - uzu& ^ [сг],

где [сг] — допускаемое напряжение.

Наибольшее напряжение будет на внутренней поверхности

л/З

1 - П

откуда определяется отношение радиусов П = 4

Ниже на рис. 3.87 проведен график зависимо­сти величины П от конструкции цилиндра и отно­шения р/[сг]. Результат расчетов показывает, что с ростом внутреннего давления габариты цилин­дра должны резко возрастать, т. е. 1/П —> оо.

Поэтому до р/[сг] <5 0,3 отношение П опреде - Рис 3.86. Цилиндр гидравличе - ляют по зависимости: ского пресса

П= J 1 — л/3р/[сг] (сплошная линия на рис. 3.87).

При р/[сг] > 0,3 отношение П вычисляют по формуле:

п 1 - 0,435р/[а] , .

П = ------------- ,, і (штриховая линия).

1 +0,265р/[а]к F '

На практике возникает вопрос выбора рационального давления Ррац, при ко­тором наружный диаметр будет наименьшим. Расчеты показывают, что до вели­чины р/[сг] ^ 0,3 рациональное давление ррац = (0,20 + 0,23) [сг]; при р/[сг] > 0,3 давление ррац = (0,25 + 0,28)[сг].

Соответственно этим условиям следует подбирать наружный радиус цилиндра:

r„ min = 1,5 • л/Рв/Н при р/[сг] ^ 0,3; r„ min = 1,690 ■ л/Рв/И при р/[сг] > 0,3,

где Рв — давление прессования.

Допускаемое давление [сг] для цилиндров из кованых сталей 30 или 35 составляет 110—150 МПа, для цилиндров из кованных низколегированных сталей — 150-180 Мпа.

Расчет полых плунжеров проводится на сжатие при свободной конструкции и на сжатие с изгибом при жестком соединении плунжера с подвижной поперечиной.

Плунжеры со свободной конструкцией изготовляют из сталей 45 или 60. При жесткой заделке конструкций — материалом служат низколегированные, хромоникелевые или хромомолибденовые стали.

Рис 3 87 Зависимость величины П от соотношения р/[ст]

Опыт эксплуатации контейнеров показал, что эквивалентные напряжения в них следует определять по 3-ей теории прочности: стэкв = о> — сг© = — рв. При этом, как указано выше, наиболее нагруженной будет внутренняя поверхность контейнера с эквивалентным напряжением сгэкв в = 2р/(1 — П2).

По 4-ой теории прочности эквивалентное напряжение сгэкв в = 1,73р/(1 — П2), т. е. отличие составляет 13,5 %.

Обозначим через т отношение эквивалентных напряжений по наружной и внут­ренней поверхностям. Откуда находим т — сгэкв „ /<тэкв в = П2.

Полученная зависимость показывает что при принятом на практике отноше­нии П = 0,4 наружный слой корпуса будет нагружен в l/0,42 = 6,25 раз меньше, чем внутренний слой. В связи с этим применяются многовтулочные контейнеры, у которых наружная втулка с натягом запрессовывается на внутреннюю. При этом происходит выравнивание напряжений у втулок при работе контейнера, когда на внутренней поверхности создается растягивающее напряжение.

На рис. 3.88 показана конструкция контейнера пресса усилием 196 МН (20000т), а ниже приведены величины коэффициентов толстостенности втулок Пг = гг_ і /г,:

Номер втулки.1 2 3 4 5

П,............................. П12 = 0,22 П23 = 0,72 П34 = 0,84 П45 = 0,86 П56 = 0,866

Расчет прочности отдельных втулок проводится из условия равнопрочности наи­более нагруженных их поверхностей.

Как правило, такими поверхностями будут внутренние, тогда по 3-ей теории проч­ности для двухвтулочной конструкции контейнера последовательно вычисляются:

Величина давления натяга

Рк = Рв (1 — П12) / (1 + П12).

Радиус контактной поверхности

г2 = гз • л/П.

Наибольшее расчетное давление

^"экв. тах ~~ Рв/(1 - П),

где П = гі/гз — общая толстостенность контейнера; Е — модуль упругости матери­ала контейнера; рв — давление в контейнере при прессовании.

Рис. 3-88. Составной контейнер пресса усилием 196 МН

Условием правильного выбора материала контейнера будет зависимость сгэкв < < <тТ/пал где сгт — предел текучести материала контейнера; l, l-j-l,5 — запас прочности.

При многовтулочных конструкциях контейнеров контактные радиусы втулок определяются по зависимости

г і = Гі-і • Ч/х , * = 2,3,4,...,

где п — число втулок в контейнере.

Расчет, станины пресса зависит от его конструкции. Для вертикального пресса, у которого соединение плунжера с подвижной поперечиной выполнено шарнирным (рис. 3.89), напряжение в каждой из четырех колонн

P(l + 2e/L) Pez

TTcfc 0,4d®

где Р — усилие; <1К — диаметр колонны; е — эксцентриситет нагрузки; zH — координата положения подвижной поперечины, 0 < z < 1; L, Н — размеры пресса; [сг] — допускаемое напряжение, для колонн из малолегированных сталей (с 0,3— 0,35% углерода и 1,5-2% никеля) [сг] = (130 - т-160) МПа.

При жестком соединении плунжера с поперечиной или дополнительных направ­ляющих в хвостовой части плунжера (рис. 3.90) напряжение в каждой из четырех колонн пресса:

P-(l + 2e/L) Ре

я • dl 3,2 • (у + к) • dl

где уН = Н — z ■ Н — координата положения поперечины; к — долевое'значение координаты центра давления хвостовика плунжера на направляющие.

Р-1,3 *2 7Г * С1к

У горизонтальных гидропрессов, как правило, технологическое усилие действует симметрично относительно четырех колонн и вызывает напряжение растяжения

где 1,3 — коэффициент возможного перекоса поперечины.

При литой рамной конструкции пресса (рис. 3.91, а) расчетная схема включает жесткие моменты заделки М3 в углах рамы и растягивающие усилия Р (рис. 3.91, б).

Для определения моментов заделки используется условие, что углы поворота стойки длиной Н с моментом инерции сечения J2 и поперечины длиной I и мо­ментом инерции J равны между собой, ©с = ©п - Углы вычисляются по мето­ду проф. А. Н. Верещагина. Вначале вычисляются углы поворота поперечины © под действием моментной нагрузки М3 и моментов от технологического усилия Р (рис. 3.91, б). Углы определяются с помощью единичных моментов Мі = 1, прило­женных в угловых точках станины. Вычисление углов производится соответствую­щим перемножением эпюр от М3 и от рабочих нагрузок Р на эпюру от единичного момента. Затем результаты складываются алгебраически:

б

Аналогично перемножением эпюр определя­ется угол у стойки:.

М3 ■

Е • J2

Из равенства углов в заделках на поперечине и стойке

Р -12 _ М3-1 _ М3 • Н

8 ■ Е * J Е ■ J Е ■ Ji

определяется момент заделки

Р ■ 1/4

’•И?)

и строится общая эпюра моментов (рис. 3.92). Производится расчет напряжений в стойках

и в поперечине

(Р//4- М3)

О”поп — ^| ИЛИ СГпоп — аА-з/vy ч

где Wl, XV'I — моменты сопротивления сечений поперечины И стойки: XV1 — ,/| /Z], Wi = J2/Z2; Zi, Z2 — наибольшие расстояния сечений поперечины и стоек от их центров тяжести до крайнего контура сечения в направлении оси Z; [сг] — допускае­мое напряжение, для литых станин [сг] и (80 4-100) МПа.