Винтовые прессы предлагают универсальность и точность

Винтовые прессы предлагают универсальность и точность

В этой статье рассматривается применение винтовых прессов для ковки. Вначале обсуждается обзор винтовых прессов и типичных применений, а затем физика их работы. Моделирование используется для иллюстрации этих различных аспектов, которые нельзя непосредственно наблюдать во время производства. Также описаны другие особенности и характеристики, которые важны для правильного использования и работы винтовых прессов.

 

Винтовой пресс, как ковочный молот, является машиной с ограниченным энергопотреблением. Он берет энергию вращения от маховика и переводит ее в линейное движение поршня. Как только энергия была потрачена на деформацию заготовки (ковка), движение плунжера прекращается. Винтовые прессы более широко используются в Европе, чем в США, хотя за последние несколько лет на североамериканском рынке произошла более широкая адаптация винтовых прессов.

Рисунок 1. Схема типичного фрикционного винтового пресса
Рисунок 1. Схема типичного фрикционного винтового пресса

Существует два основных типа приводного двигателя — электрический или гидравлический, которые можно использовать для передачи энергии маховику. Однако способ перемещения движения от двигателей к вертикальному движению ползуна можно разделить на четыре типа винтовых прессов. Существуют фрикционные приводы, прямые электрические приводы, косвенные электрические приводы и гидравлические приводы. Как правило (хотя есть исключения), маховик напрямую соединен с вертикальным винтом пресса. Когда привод входит в зацепление и вращает маховик, вращается винт, который соединяется с ползуном через гайку, и ползун движется к заготовке. В типичной операции при ковке наносится только один удар. В некоторых современных применениях и системах привода возможны несколько ударов. На рис.1 приведена принципиальная схема винтового пресса.

Рисунок 2. Приводной винт для большого винтового пресса
Рисунок 2. Приводной винт для большого винтового пресса

На рисунке 2 показан приводной винт большого винтового пресса. Диапазон тоннажа может варьироваться от небольших (160 тонн) фрикционных прессов до 38 600-тонных винтовых прессов с муфтой сцепления. Малые прессы могут работать со скоростью до 50 ударов в минуту, в то время как большие размеры могут работать от 7 до 12 ударов в минуту. Скорость движения ползуна, длина хода и доступность энергии изменяются в винтовых прессах и программируются при использовании современного оборудования и систем управления.

Рисунок 3. Типичные детали горячей объемной штамповки, полученные на винтовом прессе
Рисунок 3. Типичные детали горячей объемной штамповки, полученные на винтовом прессе

Винтовые ковочно-штамповочные прессы могут использоваться для ковки и штамповки различных металлов и сплавов, в том числе стали, титана, алюминия и латуни, а также многих других экзотических материалов, например, используемых в аэрокосмической и медицинской промышленности. Лопатки компрессора, «зубчатые» детали, ортопедические имплантаты и ручные инструменты — это одна из многих форм, которые можно ковать и штамповать. Прецизионно-кованые, штампованые и сетчатые детали также могут быть изготовлены на винтовых ковочно-штамповочных прессах. Они особенно подходят для тонкостенных деталей, так как нет фиксированной нижней мертвой точки, как в случае с механическим прессом. На рисунке 3 показаны различные типичные детали, выкованные на винтовом ковочно-штамповочном прессе.

Физика винтового ковочно-штамповочного пресса

Схематические изображения, сопровождающие эту статью, иллюстрируют физику винтового ковочно-штамповочного пресса. Электроэнергия используется для поворота маховика. Вращающийся маховик по существу действует как аккумулятор для этой энергии. Как правило, вращение маховика может создаваться с помощью трения, зубчатых колес или ременной передачи. За исключением пресса с муфтой сцепления, маховик напрямую соединен с вертикальным винтом. Вращение маховика вращает винт, в результате чего ползун (прикрепленный к винту через гайку) перемещается вниз. Фактически, движение вниз продолжается до тех пор, пока энергия маховика не будет потреблена деформацией, придаваемой ковкой-штамповкой. Энергия вращения маховика преобразуется в линейную кинетическую энергию при движении шнека, что превращается в полезную работу по деформации металлической ковочной заготовки. Эта энергия может быть аппроксимирована областью под кривой хода нагрузки. Затем энергия рассеивается как адиабатический нагрев при ковке. Как только ползун достиг нижней точки своего хода, вращение винта меняется на противоположное, и плунжер возвращается к верху своего положения.

Симулированная операция

Рисунок 4А. Моделирование ковочного пресса с винтовым прессом отображает температуру (вверху), скорость плунжера (внизу слева) и нагрузку ковки (внизу справа) во время первоначального контакта. Площадь под кривой хода нагрузки (красная) представляет энергию, потребляемую деформацией.
Рисунок 4А. Моделирование ковочного пресса с винтовым прессом отображает температуру (вверху), скорость плунжера (внизу слева) и нагрузку ковки (внизу справа) во время первоначального контакта. Площадь под кривой хода нагрузки (красная) представляет энергию, потребляемую деформацией.

Фиг.4 представляет собой моделирование винтового ковочно-штамповочного пресса для ковки — штамповки осесимметричной заготовки зубчатого колеса. Три точки проиллюстрированы в симуляции. На начальном контакте скорость ползуна максимальна, а нагрузки, необходимые для деформации, минимальны, как показано на рисунке 4А. Во время промежуточных точек (рис. 4В) кинетическая энергия в движении ползуна преобразуется в деформацию, вызывая замедление скорости плунжера. Требуемая нагрузка увеличивается по мере продвижения процесса ковки — штамповки. В конце хода скорость ползуна падает до нуля, а нагрузка максимальна (рис. 4C). Особенностью  в этой последней точке ковки — штамповки является область под кривой смещения нагрузки. Эта область представляет энергию, необходимую для возникновения деформации. Винтовой ковочно-штамповочный пресс — это оборудование с ограниченным энергопотреблением.

Рисунок 4B. Моделирование ковочного пресса с винтовым прессом отображает температуру (вверху), скорость плунжера (внизу слева) и нагрузку ковки (внизу справа) во время деформации. Площадь под кривой хода нагрузки (красная) представляет энергию, потребляемую деформацией.
Рисунок 4B. Моделирование ковочного пресса с винтовым прессом отображает температуру (вверху), скорость плунжера (внизу слева) и нагрузку ковки (внизу справа) во время деформации. Площадь под кривой хода нагрузки (красная) представляет энергию, потребляемую деформацией.
Рисунок 4C. Моделирование ковочного пресса с винтовым прессом отображает температуру (вверху), скорость плунжера (внизу слева) и нагрузку ковки (внизу справа) в конце хода. Площадь под кривой хода нагрузки (красная) представляет энергию, потребляемую деформацией.
Рисунок 4C. Моделирование ковочного пресса с винтовым прессом отображает температуру (вверху), скорость плунжера (внизу слева) и нагрузку ковки (внизу справа) в конце хода. Площадь под кривой хода нагрузки (красная) представляет энергию, потребляемую деформацией.

Другие преимущества

Существует несколько различных типов винтовых ковочно-штамповочных прессов. Различия в основном в том, как передается энергия для работы. К этим типам относятся фрикционные винтовые ковочно-штамповочные прессы, винтовые ковочно-штамповочные прессы с муфтой сцепления и прессы с электроприводом. Существует также несколько видов винтовых ковочно-штамповочных прессов с гидравлическим приводом (вместо электродвигателей используются гидравлические двигатели), но они не так распространены, как другие типы.

Фрикционные винтовые ковочные штамповочные прессы

Это относительно простые машины с несколькими операторными переменными. Фрикционные ковочные штамповочные прессы очень подходят для ковки тонких деталей, но требуют регулярной замены фрикционных ремней и не подходят для больших объемов. Эти прессы также имеют более длительное время цикла по сравнению с другими типами винтовых ковочных штамповочных прессов. Оператор мало контролирует количество энергии в ударе. На характеристики удара также могут влиять такие атмосферные условия, как высокая влажность и т. д. Боковые колеса постоянно вращаются с помощью электродвигателя и приводного ремня. Эти боковые колеса перемещаются слева направо, чтобы передать вращение горизонтальному маховику в любом направлении, чтобы опустить или поднять цилиндр.

Винтовые ковочные штамповочные прессы с приводом от сцепления

Маховик на винтовом ковочном штамповочном прессе с муфтой сцепления постоянно вращается в одном направлении. В маховик встроена муфта, которая соединяется с винтом пресса. Когда сцепление включено, вращение передается на винт. Когда достигается нижняя часть хода, сцепление расцепляется, и гидравлический двигатель меняет направление вращения винта и поднимает ползун обратно в верхнее положение хода. Из-за сцепления, настройки силы и хода могут быть самыми разными. Эти типы ковочных штамповочных прессов имеют очень большое количество доступной энергии для формования. Следует отметить, что скорость маховика не влияет на усилие ковки. Эти прессы приобретают полную силу и энергетическую способность примерно после 30% хода. Они также способны работать на полной скорости ползуна только после 10% хода. Эти машины намного дороже, чем фрикционные винтовые ковочные штамповочные прессы. Они также более дороги в эксплуатации и требуют более высокого уровня знаний обслуживающего персонала.

Шнековые ковочные штамповочные прессы с электроприводом

Рисунок 5. Привод двигателей вокруг горизонтального маховика может быть электрическим или гидравлическим.
Рисунок 5. Привод двигателей вокруг горизонтального маховика может быть электрическим или гидравлическим.

Существует два основных типа ковочных штамповочных прессов с электроприводом. Первый — это то, где электродвигатель или двигатели расположены вокруг маховика, который непосредственно прикреплен к винту (Рисунок 5). Двигатели напрямую передают энергию вращения маховику. Когда достигается нижняя часть хода, двигатели изменяют направление вращения маховика и поднимают ползун в верхнее положение хода.

Рисунок 6. Прямой винтовой пресс с электроприводом, в котором двигатель прикреплен к маховику.
Рисунок 6. Прямой винтовой пресс с электроприводом, в котором двигатель прикреплен к маховику.

Второй тип — это когда винт на прессе приводится в движение непосредственно электродвигателем, и двигатель эффективно действует как маховик (Рисунок 6). Опять же, двигатель сначала приводит в движение винт в одном направлении, а затем в нижней части хода он останавливается и меняет направление вращения, чтобы поднять цилиндр. Системы ковочных штамповочных прессов с прямым приводом предназначены для прецизионных поковок, требующих энергии ковки от низкой до средней. Эти типы прессов могут быть сконструированы с гидравлической защитой от перегрузки, обеспечивая лучшее использование энергии в широком диапазоне усилий ковки и очень точную повторяемость энергии.

Резюме

Винтовые прессы — это универсальные кузнечные ковочные штамповочные устройства, которые хорошо подходят для точной и чистой поковки. Они ограничены по энергии, как ковочные молоты, и работают на скоростях, превышающих гидравлические прессы. Размеры варьируются от очень маленьких до тоннажей, которые обычно связаны с самыми большими гидравлическими прессами. Существует ряд различных приводных механизмов, которые можно использовать для вращения маховика и винта, преобразуя вращательную энергию в системе в линейное движение, необходимое для перемещения штампов вместе и достижения деформации заготовки.

Преимущества и недостатки винтовых прессов

Преимущества

  • Высокоточное формование
  • Переменная нижняя мертвая точка может быть полезна в ряде ситуаций
  • Установка высоты инструмента не требуется
  • Возможны поковки в форме сетки
  • Возможность ковать и штамповать тонкостенные детали
  • Нет необходимости перенастраивать поршень, чтобы компенсировать тепло
  • Время контакта заготовки меньше, что приводит к увеличению срока службы штамповой оснастки для горячей штамповки по сравнению с гидравлическими прессами
  • Можно применять несколько ударов по одной заготовке
  • Застревание  под нагрузкой не происходит
  • Мгновенное и эффективное преобразование энергии

Недостатки

  • Продленная высокая энергия, нецентральные нагрузки затруднены
  • Они работают медленнее, чем эксцентриковые или коленчатые валы
  • Больше шума создается от удара относительно механического пресса с эксцентриковым валом
  • Более высокие уровни вибрации передаются на землю и фундамент
  • Они менее подходят для автоматизации

Штамповочный электрический винтовой пресс (J58K)

Яндекс.Метрика