Винтовые прессы и их применение в ковке

Введение

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 различных аспектов, которые невозможно непосредственно наблюдать во время производства. Также описаны другие особенности и характеристики, важные для правильного использования винтовых прессов.

Винтовой пресс, как и ковочный молот, является машиной с ограниченным запасом энергии. Он берёт энергию вращения от маховика и переводит её в линейное движение ползуна. Как только энергия потрачена на деформацию заготовки, движение ползуна прекращается. Винтовые прессы более широко используются в Европе, чем в США, хотя за последние несколько лет на североамериканском рынке они стали более популярными.

Конструкция винтового пресса

Существует два основных типа приводных двигателей — электрические или гидравлические, которые можно использовать для передачи энергии маховику. Однако сам способ преобразования движения от двигателя в вертикальное движение ползуна подразделяется на четыре типа конструкций винтовых прессов: фрикционные приводы, прямые электрические приводы, косвенные электрические приводы и гидравлические приводы.

Схема фрикционного винтового пресса показывает конструкцию пресса в разрезе:

• Винт соединён с ползуном через гайку и вращается маховиком.

• Видны контргруз для компенсации веса ползуна, тормозная система и система регулировки боковых дисков.

• Рама выполнена усиленной, чтобы выдерживать высокие нагрузки во время ковки.

• Привод может быть реализован через скользящий маховик, который передаёт крутящий момент винту.

Схема фрикционного винтового пресса с указанием ключевых узлов конструкции — маховика, винта, контргруза и механизма привода.

Приводной винт

Винтовые прессы бывают разных размеров — от относительно небольших, с усилием порядка 160 тонн, до гигантских машин на 38 600 тонн с муфтой сцепления. Малые прессы могут работать с частотой до 50 ударов в минуту, тогда как большие машины развивают скорость 7–12 ударов в минуту.

Фотография приводного винта крупного пресса иллюстрирует, насколько массивным может быть этот элемент:

• винт значительно выше человеческого роста, с крупной спиральной резьбой;

• масса таких винтов может достигать десятков тонн;

• изготовление и установка винта требуют высокой точности и сложного оборудования.

Приводной винт для большого винтового пресса — пример массивного элемента оборудования в ковочном производстве.

Типичные изделия, производимые на винтовых прессах

Винтовые ковочно-штамповочные прессы используются для обработки различных металлов и сплавов: стали, титана, алюминия, латуни и многих других экзотических материалов, включая те, что применяются в аэрокосмической и медицинской промышленности.

На фотографии типичных поковок можно увидеть примеры изделий:

• лопатки компрессоров, зубчатые колёса, ортопедические имплантаты, ручной инструмент;

• детали различной сложности и размеров;

• тонкостенные изделия, для которых особенно важна точность ковки.

Винтовые прессы особенно подходят для тонкостенных деталей, поскольку у них нет фиксированной нижней мёртвой точки, как в случае механических прессов.

Примеры поковок, изготовленных на винтовых ковочно-штамповочных прессах — от зубчатых колёс до сложных деталей аэрокосмической отрасли.

Физика работы винтового пресса

Принцип работы винтового пресса заключается в том, что вращение маховика аккумулирует энергию, которая затем передаётся винту. Вращение винта преобразуется в линейное движение ползуна. Ползун опускается до тех пор, пока запасённая в маховике энергия не будет полностью израсходована на деформацию заготовки.

Энергия удара может быть оценена по площади под кривой хода нагрузки. После завершения хода винт начинает вращаться в обратную сторону, возвращая ползун в исходное верхнее положение.

Моделирование процесса ковки

Для изучения процессов ковки используется численное моделирование. Оно помогает увидеть параметры, которые невозможно измерить напрямую во время работы пресса — например, распределение температур в заготовке и нагрузку на инструмент в разные фазы хода.

В моделировании винтового пресса можно выделить три фазы процесса:

• Начало удара:

  • скорость ползуна максимальна;

  • температура заготовки остаётся высокой;

  • нагрузка относительно мала.
    

  • Моделирование начальной стадии удара на винтовом прессе — высокая температура заготовки и минимальная нагрузка при высокой скорости ползуна.

• Средняя фаза удара:

  • ползун начинает замедляться;

  • металл деформируется интенсивнее;

  • температура заготовки начинает падать;

  • нагрузка возрастает.
    

  • Средняя стадия ковки на винтовом прессе — скорость ползуна снижается, а нагрузка на заготовку увеличивается.

• Конец хода:

  • скорость ползуна почти нулевая;

  • температура заготовки частично снижена;

  • нагрузка достигает максимальных значений.

  • площадь под кривой «ход-нагрузка» отражает полную энергию, затраченную на деформацию заготовки.
    

  • Финальная стадия ковки — ползун останавливается, нагрузка максимальна, температура заготовки ниже исходной.

Таким образом, винтовой пресс — это оборудование с ограниченным запасом энергии, способное выполнять прецизионную ковку.

Виды винтовых прессов по типу привода

Фрикционные винтовые ковочные прессы

Это простейший вариант винтового пресса. Они:

• подходят для тонкостенных деталей;

• требуют регулярной замены фрикционных ремней;

• имеют длинный цикл работы;

• мало подходят для больших серийных производств.

Привод основан на постоянном вращении боковых колёс, которые через трение передают вращение маховику.

Винтовые прессы с муфтой сцепления

В таких прессах:

• маховик постоянно вращается в одном направлении;

• сцепление включает или отключает вращение винта;

• можно точно регулировать силу и длину хода;

• машины способны развивать полную энергию примерно после 30 % хода.

Эти прессы гораздо дороже фрикционных и требуют более высокой квалификации обслуживающего персонала.

Винтовые прессы с электроприводом

Существуют два типа таких прессов:

1. Прессы с электроприводом маховика
   На фото видно массивный маховик, окружённый приводными электродвигателями. Они напрямую вращают маховик, который через винт перемещает ползун. При смене направления вращения маховик тормозится и винт возвращает ползун вверх.
   

2. Массивный маховик винтового пресса с системой электроприводов, обеспечивающих вращение и энергию удара.

3. Прямой электропривод винта
   В конструкции с прямым приводом электродвигатель напрямую вращает винт без промежуточного маховика. На схеме разреза винтового пресса видны:

   • электродвигатель в верхней части пресса;

   • подшипники маховика;

   • винт и гайка винта;

   • гидравлическая защита от перегрузок.
     

   • Схема прямого винтового пресса с электроприводом — компактная конструкция для высокоточной ковки.

Такие прессы подходят для высокоточной ковки, позволяют экономить энергию и обеспечивают хорошую повторяемость удара.

Резюме

Винтовые прессы — это универсальное кузнечно-прессовое оборудование. Они:

• обеспечивают высокую точность формовки;

• особенно эффективны для тонкостенных поковок;

• работают быстрее, чем гидравлические прессы;

• бывают самых разных размеров и типов приводов.

Преимущества винтовых прессов

• Высокоточное формование;

• Нет необходимости установки высоты инструмента;

• Возможность тонкостенных поковок;

• Меньшее время контакта с горячей заготовкой;

• Возможность нескольких ударов по одной заготовке;

• Быстрое и эффективное преобразование энергии.

Недостатки винтовых прессов

• Трудности при работе с высокими энергиями или нецентральными нагрузками;

• Медленнее эксцентриковых или коленчатых прессов;

• Более шумная работа;

• Более сильная вибрация;

• Менее пригодны для автоматизации.