12 ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА МОЛОТІВ 

12.1 Характеристика молотового обладнання КШВ

 

Молотами називають машини ударної дії для пластичної деформації металевих заготовок за рахунок накопиченої кінетичної енергії поступально рухомих частин. Молот – це одна з основних машин ковальсько-штампувального виробництва, яку використовують для кування (кувальні молоти) і об'ємного та листового штампування (штампувальні молоти).

 

Основними частинами (рис. 12.1) молотів є:

–         рухомі чи падаючі частини – поршень, шток та баба;

–         шабот – масивна основа, що сприймає удари баби молота;

–         станина з направляючими для рухомих частин;

–         привід та механізми керування.

 

Рис. 12.1 Схема одностійкового молота:

1 – циліндр; 2 – шток поршня; 3 – баба; 4 – верхній бійник; 5 – поковка; 6 – нижній бійник; 7 – шабот; 8 – фундамент; 9 – станина

 

Інструментом для обробки заготовок в ковальських молотах служать гладкі або вирізні бійники чи підкладні штампи, в штампувальних – штампи. Частіше для штампувальних молотів використовують суцільні молотові штампи.

 

Для приводів молотів використовується пара, стиснене повітря або газ, рідина під тиском, горюча суміш, вибухові речовини, електромагнітне і гравістатичне поля (енергія теплова, хімічна, енергодинамічна, гравістатична).

 

Енергію удару сприймає шабот. Головними параметрами молота, що визначають його конструктивні особливості і технологічне призначення є кінетична енергія рухомих частин або маса падаючих частин.

 

Молоти позначають літерою М (наприклад моделі М212, М2140, М4132, МА4129А, МА4132 та ін.). Основні моделі молотів приведені в додатку.

 

12.2 Принцип дії молотів

 

В молотах енергія приводу перетворюється в кінетичну енергію лінійного руху робочих мас, яка під час удару перетворюється в корисну роботу деформування поковки.

 

Отже, принцип дії молотів полягає в розгоні робочих мас до деякої швидкості  з витратою роботи приводу  під час холостого ходу в напрямку до поковки з метою накопичення кінетичної енергії , яка витрачається на виконання корисної роботи деформування поковки  під час робочого ходу. Енергія  називається ефективною кінетичною енергією молота.

 

;    ,

де  – ККД розгону,  – ККД ударного деформування.

 

Робота приводу, що переходить в кінетичну енергію, буде рівна

,

де  – сила розгону;

 – шлях розгону.

 

Кінетична енергія, що переходить в роботу деформування поковки

,

де  – робочі маси.

 

Робота деформування, яку необхідно виконати за один удар , буде рівна

,

де  – абсолютна деформація поковки в напрямку руху робочої маси;

 – сила опору деформації поковки.

 

Отже

 

Таким чином, принципова відмінність молотів від інших КШМ в ударному характері роботи та у відсутності зусилля з боку приводу в період деформування заготовки. Робота деформування заготовки здійснюється енергією, що накопичена до удару. Також молоти характеризуються короткотривалим контактом інструменту з заготовкою.

 

12.3 Принципові схеми молотових КШМ

 

За типом приводу молоти поділяють на вісім конструктивних груп, які відрізняються принциповими схемами виконання (рис. 12.2).

 

Пароповітряні молоти (рис. 12.2, а) в якості енергоносія використовують пару чи стиснене повітря. Пар поступає до робочого циліндру по трубопроводам від парових турбін, стиснене повітря – від компресорної станції. Передавальним механізмом в цих молотах є поршень та шток, виконавчим – ударна маса, яка складається з штоку, поршня, баби та штампу. Швидкість при ударі складає 7...9 м/с, частота ударів – 80...100 хв^-1.

 

Привідні пневматичні молоти (рис. 12.2, б)в якості енергоносія використовують стиснене повітря, яке поступає від власного компресора молоту. компресор оснащений електродвигуном. Швидкість при ударі складає 4,5...5 м/с, частота ударів – 50...60 хв^-1.

 

Електромагнітні молоти (рис. 12.2, в) з приводом від електромагнітів та лінійних статорів в промисловості використовуються обмежено.

 

Рис. 12.2. Принципові схеми молотів

а – пароповітряного; б – привідного пневматичного; в – електромагнітного; г – механічних (1 – з доскою, 2 – з пасом чи ланцюгом, 3 - ресорного); д – газогідравлічного; е – високошвидкісного; ж – гідравлічного; з – вибухового

 

До четвертої групи відносять механічні молоти з приводом від електродвигуна за допомогою механічніх передавальних механізмів. Ці механізми складаються з фрикційних, гнучких та пружних зв’язків (схеми 1, 2, 3 рис.12.2, г). В наслідок малого ККД ці молоти останнім часом не виготовляють.

 

Газогідравлічні та гідравлічні молоти (рис. 12.2, д, ж) використовують основний енергоносій стиснене повітря чи газ (азот), для зворотнього ходу – застосовують рідину. В гідравлічних молотах рідина під тиском від насосів та акумуляторів діє на робочий плунжер чи поршень, надаючи йому кінетичної енергії. Швидкість при ударі складає 5...6 м/с, частота ударів – 60...80 хв^-1.

 

До шостої групи відносять газові високошвидкісні молоти (рис. 12.2, е), енергоносієм в яких є газ – азот, що перебуває в спеціальній порожнині робочого циліндру. При відриві поршня від торцевого ущільнення стиснений газ викликає розгін робочих частин та, одночасно, станини з циліндром. Швидкість при ударі складає 18...20 м/с, частота ударів – 5...10 хв^-1.

 

До цієї ж групи відносять вибухові молоти (рис. 12.2, з), що частково працюють за принципом двигунів внутрішнього згоряння. Енергоносієм в них є суміш рідкої горючої речовини з повітрям. Швидкість при ударі складає 15...20 м/с, частота ударів – 50...60 хв^-1.

 

12.4 Сили в процесі ударного деформування на молотах

 

В процесі ударного деформування поковки імпульс руху переходить в імпульс сили. Приймаючи удар маси m₁, по нерухомому шаботу m₂ центральним на основі закону збереження енергії можна записати

 

 ,

де v_x – швидкість спільного руху мас m₁ та m₂ в кінці навантажувального етапу удару.

 

 

Приймаючи , можна орієнтовно визначити величину максимального зусилля

 

 

Якщо прийняти лінійний характер зміни часу в момент навантажувального етапу, то

 

де  – деформація поковки та зміщення шаботу в напрямку удару.

 

З цих рівнянь, використовуючи перетворення, можна визначити максимальне деформуюче зусилля молота

 

 

Вплив конструктивних параметрів молота на максимальне зусилля при ударному деформуванні можна визначити розглянувши двох масову динамічну модель шамотного молоту

 

де  – колова частота коливань системи "баба - шабот";  – приведена жорсткість конструкції "баба - шабот".

 

В технологічних розрахунках рекомендують кінцеве зусилля деформування на молоті визначати наближено в залежності від маси рухомих частин  (в кг)

 

 

12.5 ККД ударного деформування

 

В умовах роботи молота відбувається пружно-пластичний удар, в результаті якого поковка деформується пружно і пластично; ударні маси і деталі молота – пружно. Крім того ефективна енергія молота витрачається на тертя та інші процеси під час роботи. Отже, баланс витрат енергії у процесі ударного деформування, запишеться так:

 

де  – ефективна енергія;  – корисна робота пластичного деформування поковки;  – робота пружної деформації поковки;  – робота пружної деформацію деталей молота;  – робота тертя в елементах конструкції молота і штампів;  – робота на зміщення центра мас.

 

В цих умовах необхідно розглядати не ККД удару, а ККД ударного деформування поковки.

 

Коефіцієнт корисної дії ударного деформування називають відношенням корисної роботи пластичної деформації поковки до ефективної енергії молота:

 

.

                                                                                                      (1.6)

 

Вважається, що  і вся потенційна енергія пружної деформації поковки переходить в енергію відбиття. Тому, використовуючи теорію співудару абсолютно твердих масивних тіл та закон збереження імпульсу руху

 

,

де  – коефіцієнт відновлення швидкості.

 

,

де  – швидкості мас в момент удару;  – швидкості відбиття.

 

Для молотів з рухомим шаботом ККД ударного деформування:

 

,

 

Коефіцієнт відновлення швидкості  при ударі залежить від матеріалу, форми і розмірів ударних мас і поковки, та від величини швидкостей. Як правило, приймають наближені середні значення . Для вільного кування і заготівельних операцій штампування =0,15…0,4, а для штампування в кінцевих рівчаках штампів =0,5…0,65. При ударі ж штампів без поковки =0,75…0,8.

 

12.6 Співвідношення ударних мас молотів

 

 Відношення маси шабота до ударної маси молота називають співвідношення ударних мас або кратністю мас

 

 ,

де т₂ – маса шабота, т₁ – маса баби.

 

Кратність мас впливає на ККД ударного деформування і на ступінь ударного впливу молота на основу. Вплив співвідношення мас на ККД ударного деформування можна записати так:

 

,                                              

де  – сила опору деформування поковки.

 

Вплив співвідношення ударних мас на ККД не постійний (рис. 12.3). При відношенні <10, ККД ударного деформування різко знижується, а при >10 збільшується дуже мало. У зв’язку з цим при конструюванні молотів для кування, переважно приймають =10…15.

 

Рис. 12.3. Залежність ККД ударного деформування

від співвідношення ударних мас

 

Подальше збільшення  не приводить до суттєвого росту ККД, але сприяє зменшенню вібрацій і деякому збільшенню жорсткості удару, що важливо для більш інтенсивного затікання металу в порожнини штампу, якісного штампування деталей з тонкими ребрами і стінками. Тому в сучасних штампувальних молотах з нерухомим шаботом =20…25.

 

В молотах з рухомим шаботом і у безшаботних молотах вплив кратності мас на ККД ударного деформування дуже малий, оскільки ударне деформування відбувається при зустрічному переміщені ударних мас та імпульси руху перетворюються в однакові, але протилежно направлені імпульси сил.

 

В молотах з рухомим шаботом, як правило .

 

12.7 Основні параметри молотів

 

Основним розмірним параметром конструкцій молотів з нерухомим шаботом слугує ударна маса m (маса робочих частин, баби молота). Розмірні ряди молотів складені за геометричною прогресією із знаменником 1,6 (наприклад пароповітряні штампувальні молоти з ударною масою 630...25000 кг).

 

Ефективна кінетична енергія Тэ, що досягається ударною масою перед ударом, є другим основним параметром молотів з нерухомим шаботом. Наприклад, для пароповітряних шаботних штампувальних молотів кінетична енергія Тэ=16...630 кДж.

 

Швидкість ударної маси (робочих частин) перед ударом є залежним параметром, який перебуває в діапазоні 5...9 м/с:

 

.

 

Для безшаботних молотів основним розмірним параметром є ефективна кінетична енергія Тэ, яка перебуває в діапазоні 20...800 кДж. Другим параметром є швидкість кожної ударної маси (баби та рухомого шаботу) перед ударом.

 

.

 

Зазвичай ця швидкість становить v=3,1...3,3 м/с. В цьому випадку величина кожної з ударних мас стає залежним параметром, який перебуває в діапазоні 2000...80000 кг.