Учеб пособие - Камышинский технологический институт
реклама
А. Г. Схиртладзе, В. И. Выходец, Н. И. Никифоров, Я. Н. Отений ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ КАМЫШИНСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ФИЛИАЛ) ВОЛГОГРАДСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА А. Г. Схиртладзе, В. И. Выходец, Н. И. Никифоров, Я. Н. Отений ОБОРУДОВАНИЕ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ Допущено Учебно-методическим объединением вузов по образованию в области автоматизированного машиностроения (УМО АМ) в качестве учебника для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки дипломированных специалистов «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств». РПК «Политехник» Волгоград 2005 УДК 621. 7/9 (075) О 22 Авторы: А. Г. Схиртладзе (гл. 1–3); В. И. Выходец (гл. 1–3); Н. И. Никифоров (гл. 1); Я. Н. Отений (гл. 2,3 ). Рецензенты: заведующий кафедрой «Технология машиностроения» д. т. н., профессор А. В. Королев, начальник Технического отдела ОАО «ГАЗПРОМКРАН» С. Ю. Упрямов. Оборудование машиностроительных предприятий: Учебник / А. Г. Схиртладзе, В. И. Выходец, Н. И. Никифоров, Я. Н. Отений / ВолгГТУ, Волгоград, 2005. – 128 с. ISBN 5-230-04558-2 Рассматриваются назначение, конструкция и принцип действия оборудования, используемого при производстве машиностроительных изделий, в том числе оборудования для сварки и обработки металлов давлением, литейного оборудования, транспортных машин и механизмов. Изложены основы проектирования и способы выбора оборудования, приведены примеры и задания для самостоятельной работы. Предназначен для студентов, обучающихся в высших и среднетехнических учебных заведениях по специальности «Технология машиностроения», а также может использоваться инженерно-техническими работниками машиностроительных предприятий. Ил. 66. Табл. 8. Библиогр.: 12 назв. Печатается по решению редакционного издательского совета Волгоградского государственного технического университета ISBN 5-230-04558-2 Волгоградский государственный технический университет, 2005 Учебное издание Александр Георгиевич Схиртладзе Валерий Иванович Выходец Николай Иванович Никифоров Ярослав Николаевич Отений ОБОРУДОВАНИЕ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ Учебник Редакторы: Попова Л. В., Пчелинцева М. А. Компьютерная верстка Сарафанова Н. М. Темплан 2005 г., поз. №. 21. Подписано в печать 23. 12. 2005 г. Формат 60×84, 1/16. Бумага потребительская. Гарнитура ”Times“. Усл. печ. л. 8. Усл. авт. л. 7, 75. Тираж 500 экз. Заказ 1. Волгоградский государственный технический университет 400131 Волгоград, просп. им. В. И. Ленина, 28. РПК «Политехник» Волгоградского государственного технического университета 400131 Волгоград, ул. Советская, 35 ИП Выдолоб Ю. М. Типография «Новый ветер», Волгоградская обл., г. Камышин, ул. Ленина, 8/1. ОГЛАВЛЕНИЕ ВВЕДЕНИЕ………………………….…………………………………..............3 ГЛАВА 1. ОБОРУДОВАНИЕ ЗАГОТОВИТЕЛЬНЫХ ЦЕХОВ……………………..4 1.1. СВАРОЧНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ…………………………………………….4 Дуговая сварка…………………………………………………………...4 Особые виды сварки…………………………………………………….6 Источники питания сварочной дуги…………………………………...7 Электроды для ручной дуговой сварки………………………………16 Оборудование и аппаратура для газовой сварки…………………….19 Контактная сварка……………………………………………………...23 1.2. ЛИТЕЙНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ…………………………………………….30 Оборудование для подготовки формовочных материалов………….30 Оборудование для приготовления формовочных и стержневых смесей…………………………………………………..33 Оборудование для изготовления литейных форм…………………...34 Плавильное оборудование…………………………………………….36 Оборудование для выбивки литейных форм и стержней…………...38 Оборудование для обрубки и очистки литья………………………...39 1.3. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛА ДАВЛЕНИЕМ……………...41 Прокатка………………………………………………………………..41 Инструмент и машины для волочения……………………………….42 Прессование……………………………………………………………43 Устройство гидравлических прессовых установок………………….44 Оборудование для машинной ковки.....................................................50 Выбор молотов и прессов……………………………………………...52 Оборудование для объемной штамповки…………………………….53 Оборудование для листовой штамповки……………………………..56 Оборудование для резки заготовок …………………………………..57 ГЛАВА 2. ГРУЗОПОДЪЕМНЫЕ И ТРАНСПОРТНЫЕ УСТРОЙСТВА…………...61 2.1. КЛАССИФИКАЦИЯ ГРУЗОПОДЪЕМНЫХ И ТРАНСПОРТНЫХ УСТРОЙСТВ………………………………………………................................61 2.2. О ПРАВИЛАХ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ГРУЗОПОДЪЁМНЫХ И ТРАНСПОРТНЫХ УСТРОЙСТВ……………….................63 2.3. ГИБКИЕ ТЯГОВЫЕ ОРГАНЫ………………………………………...……64 2.4. ОСНОВНЫЕ ГРУЗОПОДЪЁМНЫЕ УСТРОЙСТВА…………………………..69 Домкраты ………………………………………………………………69 Лебёдки………………………………………………………………....70 Тали……………………………………………………………………..71 Краны.…………………………………………………………………..72 Подъёмники…………………………………………………………….74 2.5. ТРАНСПОРТНЫЕ МАШИНЫ НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ С ТЯГОВЫМ ОРГАНОМ………………………..……………………….……....75 Ленточные конвейеры ………………………………………………...75 Определение приближенной мощности привода конвейера………..78 Цепные конвейеры……………………………………………………..79 2.6. ТРАНСПОРТНЫЕ МАШИНЫ БЕЗ ГИБКОГО ТЯГОВОГО ОРГАНА..............................................................................................................82 Роликовые конвейеры………………………………………………..82 Шагающие конвейеры………………………………………………..84 2.7. УСТРОЙСТВА ДЛЯ УДАЛЕНИЯ СТРУЖКИ……………………….............86 2.8. ПРИМЕНЕНИЕ ТРАНСПОРТНЫХ МАШИН В МАШИНОСТРОИТЕЛЬНОМ ПРОИЗВОДСТВЕ……………………………………………………………91 ГЛАВА 3. ПРОМЫШЛЕННЫЕ РОБОТЫ……………………………………...102 3.1. ПРИМЕНЕНИЕ ПРОМЫШЛЕННЫХ РОБОТОВ…….…………………......102 3.2. КЛАССИФИКАЦИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ РОБОТОВ………………………107 3.3. СТРУКТУРА ПРОМЫШЛЕННЫХ РОБОТОВ……………………………..108 3.4. НОМЕНКЛАТУРА ОСНОВНЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ПРОМЫШЛЕННЫХ РОБОТОВ............................................................................112 3.5. УПРАВЛЕНИЕ ПРОМЫШЛЕННЫМИ РОБОТАМИ……………………….115 Цикловое программное управление…………………………........117 Позиционное и контурное программное управление…………...120 ЛИТЕРАТУРА…………………………………...…………………………...124 ДЛЯ ЗАМЕТОК ВВЕДЕНИЕ Современное машиностроительное предприятие располагает самым разнообразным оборудованием, служащим для разных целей и функционирующим с использованием разных физических законов. Всё оборудование можно разделить на две группы – основное и вспомогательное. К основному относится технологическое оборудование, непосредственно создающее продукцию, например, в металлообрабатывающей отрасли – металлорежущие станки, инструмент, приспособления. К вспомогательному – всё остальное, это оборудование заготовительных цехов, транспорт, энергопитание, испытательные стенды, установки, обеспечивающие безопасные и комфортные условия труда, и т. д. В данном учебнике рассматривается только вспомогательное оборудование. Даже приведённый краткий перечень говорит о том значительном объёме знаний, который необходим руководящему персоналу машиностроительных предприятий. Традиционно каждый вид вспомогательного оборудования в литературных источниках описывается отдельно, что представляет некоторые трудности при его изучении. В более простом изложении можно найти учебники, объединяющие всё оборудование в одной книге, предназначенные для студентов немашиностроительных специальностей, но косвенным образом связанных с машиностроением, например, экономистов. Конечно, ими можно пользоваться, но для специалиста, работа которого связана с эксплуатацией оборудования, материала, приведённого в таких учебниках, явно недостаточно. В то же время объединить весь необходимый для инженера-механика материал в одной книге практически невозможно. Выход можно найти, расставив приоритеты. Эксплуатация машиностроительного оборудования предполагает знание не только его предназначения, но также его возможностей, умения обслуживать, ремонтировать и делать правильный выбор при замене его на новое или при изначальном проектировании. Таким образом, цель данного учебника – дать будущим инженерам-механикам основные сведения по принципу действия, устройству и методам выбора вспомогательного машиностроительного оборудования. ГЛАВА 1 ОБОРУДОВАНИЕ ЗАГОТОВИТЕЛЬНЫХ ЦЕХОВ 1.1. СВАРОЧНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ Сваркой называется процесс получения неразъемного соединения посредством установления межатомных связей между свариваемыми частями при их местном или общем нагреве, или пластическом деформировании, или совместном действии того и другого. В настоящее время создано очень много видов сварки (их число приближается к 100). Все известные виды сварки принято классифицировать по основным физическим, техническим и технологическим признакам. По физическим признакам, в зависимости от формы используемой энергии, предусматриваются три класса сварки: термический, термомеханический, механический. Термический класс включает все виды сварки с использованием тепловой энергии (дуговая, газовая, плазменная и т. д.). Термомеханический класс объединяет все виды сварки, при которых используются давление и тепловая энергия (контактная, диффузионная). Механический класс включает виды сварки, осуществляемые механической энергией (холодная, трением, ультразвуковая, взрывом). Виды сварки классифицируются по следующим техническим признакам: по способу защиты металла в зоне сварки (в воздухе, в вакууме, под флюсом, в пене, в защитном газе, с комбинированной защитой); по непрерывности процесса (непрерывная, прерывистая); по степени механизации (ручная, механизированная, автоматизированная, автоматическая); по типу защитного газа (в активных газах, в инертных газах); по характеру защиты металла в зоне сварки (со струйной защитой, в контролируемой атмосфере). Технологические признаки установлены для каждого вида сварки отдельно. Познакомимся с наиболее применяемыми видами сварки и соответствующим оборудованием. Дуговая сварка Дуговой сваркой называется сварка плавлением, при которой нагрев свариваемых кромок осуществляется теплотой электрической дуги. Наибольшее применение получили четыре вида дуговой сварки. Ручная дуговая сварка. Может производиться двумя способами: неплавящимся и плавящимся электродами. Первый способ предусматривает следующее (рис. 1.1): свариваемые кромки изделия 5 приводят в со- прикосновение. Между неплавящимся (угольным, графитовым) электродом 3 и изделием возбуждают дугу 4. Кромки изделия и вводимый в зону дуги присадочный материал 2 нагреваются до плавления, образуется ванночка расплавленного металла 1. После затвердевания металл в ванночке образует сварной шов. Этот способ используется при сварке цветных металлов и их сплавов, а также при наплавке твердых сплавов. Во втором случае используется электрод, этот способ является основным при ручной сварке. Электрическая дуга возбуждается аналогично первому способу, расплавляет электрод и кромки изделия. Получается общая ванна расплавленного металла, которая, охлаждаясь, образует шов. 2 3 1 4 5 Рис 1.1. Схема ручной дуговой сварки Автоматическая и полуавтоматическая сварка под флюсом. Выполняется путем механизации основных движений, выполняемых сварщиком при ручной сварке – подачи электрода в зону дуги и перемещения его вдоль свариваемых кромок изделия. При полуавтоматической сварке механизирована подача электрода в зону дуги, а перемещение электрода вдоль свариваемых кромок производит сварщик вручную. При автоматической сварке механизированы все операции, необходимые для этого процесса. Жидкий металл в ванночке защищают от воздействия кислорода и азота воздуха расплавленным шлаком, образованным от плавления флюса, подаваемого в зону дуги. Такая сварка обеспечивает высокую производительность и хорошее качество швов. Дуговая сварка в защитном газе. Выполняется неплавящимся (вольфрамовым) или плавящимся электродом. В первом случае сварной шов формируется за счет металла расплавленных кромок изделия. При необходимости в зону дуги подается присадочный материал. Во втором случае подаваемая в зону дуги электродная проволока расплавляется и участвует в образовании шва. Защиту расплавленного шва от окисления и азотирования осуществляют струей защитного газа, оттесняющего атмосферный воздух из зоны дуги. Электрошлаковая сварка. Осуществляется путем плавления ме- талла свариваемых кромок изделия, расположенных вертикально или под углом 45о, и электрода теплотой, выделяемой током при прохождении через расплавленный шлак. Кроме того, шлак защищает расплавленный металл от воздействия воздуха. Снизу к свариваемым изделиям приваривается вручную поддон. По обе стороны зазора между изделиями прижимаются формирующие шов медные ползуны с водяным охлаждением. Затем на поддон насыпается специальный флюс, над которым располагаются одна или две электродные проволоки. Дуга возбуждается под флюсом между электродами и поддоном. В зону горения дуги электродная проволока подаётся специальным механизмом. За счёт тепла дуги электродная проволока и флюс расплавляются, в результате образуется ванна расплавленного металла и над ней шлаковая ванна. В дальнейшем необходимое тепло образуется за счёт прохождения тока через расплавленный шлак, обладающий высоким сопротивлением (согласно закону Ленца-Джоуля). По мере накопления в ванне жидкого металла и шлака медные ползуны вместе с механизмом подачи электродной проволоки и флюса перемещаются автоматически снизу вверх со скоростью подъёма жидкого металла. Особые виды сварки В промышленности и строительстве все более широкое распространение получают тугоплавкие и химически активные металлы и сплавы. Они применяются в особо ответственных узлах. Для получения высококачественных швов в этих случаях используют источники с высокой концентрацией теплоты и осуществляют сварку в среде с очень низким содержанием кислорода, азота и водорода. Наиболее часто применяются электронно-лучевая и плазменная сварки. Электронно-лучевая сварка осуществляется путем использования кинетической энергии концентрированного потока электронов, движущихся с большой скоростью в вакууме. Устройство для электронно-лучевой сварки похоже на устройство кинескопа (катод, ускоряющий электрод, магнитная линза, напряжение 30–100 кВ). Плазменная сварка основана на использовании струи ионизированного газа – плазмы, содержащего электрически заряженные частицы и способного проводить ток. Энергия дуговой плазменной струи зависит от сварочного тока, напряжения, расхода газа и др. факторов. Источники питания дуги должны иметь рабочее напряжение более 120 В. Плазмообразующий газ служит также защитой расплавленного металла от окружающего воздуха. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. По каким признакам классифицируется сварка? 2. Какие виды дуговой сварки вы знаете? 3. Какие преимущества имеет автоматическая сварка под флюсом перед ручной дуговой сваркой? 4. От чего защитный газ предохраняет расплавленный шов при сварке в нем? 5. Назовите особенности электрошлаковой сварки. Источники питания сварочной дуги Электрическая дуга между электродом и свариваемым изделием вызывается в результате ионизации воздуха и представляет собой мощный электрический разряд. В дальнейшем для повышения устойчивости её горения в зону дуги вводят вещества, обладающие небольшим потенциалом ионизации. К таким веществам относятся калий, натрий, литий, барий. U,В 60 40 2 1 20 100 1000 I, A Рис. 1.2. Вольтамперные характеристики сварочной дуги 0 400 600 800 I,A Устойчиво горящая200 дуга обладает вольтамперной характеристикой, форма которой зависит от вида и условий сварки. На рис. 1.2 приведены вольтамперные характеристики дуги для ручной дуговой сварки 1 и автоматической сварки под флюсом с высокой плотностью тока 2. Промышленностью в качестве источников питания сварочной дуги выпускаются сварочные преобразователи, сварочные аппараты переменного тока, сварочные выпрямители и инверторные источники. Сварочные преобразователи состоят из двигателя и генератора, т. е. из пары, в которой механическая энергия преобразуется в электрическую – двигатель приводит во вращение генератор. Они подразделяются на следующие группы: по количеству одновременно подключенных постов: однопостовые, предназначенные для питания одной сварочной дуги; многопостовые, питающие одновременно несколько сварочных дуг; по способу установки: стационарные (на фундаментах) и передвижные (на тележках); по роду двигателя, приводящего генератор во вращение: машины с электрическим приводом; машины с двигателем внутреннего сгорания; по способу выполнения: однокорпусные, в которых генератор и двигатель вмонтированы в единый корпус; раздельные, в которых генератор и двигатель установлены в единой раме, а привод осуществляется через специальную соединительную муфту. Рассмотрим подробнее однопостовые сварочные преобразователи. В них сварочные генераторы изготавливают по электромагнитным схемам, которые обеспечивают падающую внешнюю характеристику (рис. 1.3) и ограничение тока короткого замыкания. Внешняя вольтамперная характеристика I показывает зависимость между напряжением и током на клеммах сварочной цепи генератора. Для устойчивости горения сварочной дуги характеристика генератора I должна пересекать характеристики дуг II и III. Возбуждение дуги осуществляется при соприкосновении электрода и изделия. При этом напряжение изменяется от точки 1 до точки 2 (ток увеличивается от 0 до тока несколько меньшего тока короткого замыкания). При устойчивом горении сварочной дуги ее характеристика смещается из положения II в положение III, а напряжение возрастает до значения, указанного точкой 3. Эта точка соответствует режиму устойчивого горения сварочной дуги. Ток короткого замыкания (точка 4) не должен превышать сварочный рабочий ток (точка 5) более чем в 1,5 раза, т. е. Iк 1,5 Ip. Наибольшее распространение получили однопостовые генераторы с расщепленными полюсами и генераторы с размагничивающей последовательной обмоткой. Конструкция генераторов и схема соединения обмоток полюсов и возбуждения выполнены таким образом, чтобы при замыкании сварочной цепи в генераторе возникал бы магнитный поток, уменьшающий результирующий магнитный поток, т. е. чем больше сварочный ток, тем меньше результирующий магнитный поток и, соответствено, напряжение генератора. U,В 60 I 40 III 1 II 20 3 2 0 200 400 600 800 5 Рис.1.3. Характеристики дуги и источника питания 4 I,A Например, генератор с размагничивающей последовательной обмоткой (рис. 1.4) имеет две обмотки: 1 – обмотку возбуждения; 2 – размагничивающую последовательную обмотку. Обмотка возбуждения питается либо от основной и дополнительной щеток (б и с), либо от специального источника постоянного тока. Магнитный поток Фв, создаваемый этой обмоткой, постоянен и не зависит от нагрузки генератора. При возбуждении сварочного тока возникает магнитный поток Ф п, направленный против потока Фв. Следовательно, ЭДС генератора будет индуцироваться результирующим магнитным потоком Фв – Фп. Таким образом, размагничивающее действие обмотки 2 обеспечивает получение падающей внешней характеристики генератора. Сварочный ток регулируется переключением витков последовательной обмотки (грубая регулировка – два диапазона) и реостатом обмотки возбуждения RВ (плавная и точная регулировка в пределах диапазона). По этой схеме выпускаются, например, генераторы ГСО-120; ГСО-300; ГСО-500; ГС-500. Для выполнения сварочных работ при отсутствии электроэнергии применяют подвижные сварочные агрегаты, состоящие из сварочного генератора и двигателя внутреннего сгорания (АДБ-3122, АСД-300М, АДД-303, АДД-3114, ГАС-400-VIII). Для сварки в защитных газах, а также для полуавтоматической и автоматической сварок применяют генераторы с жесткой или возрастающей внешней характеристикой. Универсальные преобразователи ПСУ-300 и ПСУ-500-2 предназначены для ручной сварки, автоматической сварки под флюсом, а также автоматической и полуавтоматической сварок в защитных газах. В генераторах этих преобразователей, переключая независимую и последовательную обмотки, можно создавать размагничивающий и подмагничивающий потоки и т. о. получать падающую или жесткую характеристики. RВ Фв а 1 б с Фп 2 Рис. 1.4. Генератор с размагничивающей последовательной обмоткой Жесткую характеристику независимо от числа работающих постов должны иметь и многопостовые сварочные преобразователи. Сварочный преобразователь (рис. 1.5) служит для преобразования переменного тока в постоянный сварочный ток. Его сварочный генератор постоянного тока и приводной трехфазный асинхронный электродвигатель 8 сидят на одном валу и смонтированы в общем корпусе. Сварочный генератор состоит из корпуса 10 с укрепленными на нем магнитными полюсами 9 и приводимого во вращение якоря 11. Тело якоря набрано из отдельных лакированных пластин электротехнической стали; в его продольных пазах уложены витки обмотки. Рядом с якорем находится коллектор, состоящий из большого числа изолированных друг от друга медных пластинок 1, к которым припаяны начала и концы каждой группы витков якоря. Магнитное поле внутри генератора создается магнитными полюсами обмоток возбуждения, которые питаются постоянным током от щеток 2 генератора. В распределительном устройстве 4 размещены пакетный выключатель, регулировочный реостат 3, вольтметр 6, клеммы 5 высокого и низкого напряжения и другая аппаратура. При включении электродвигателя якорь начинает вращаться в магнитном поле, и в витках его возникает переменный ток, который с помощью коллектора преобразуется в постоянный. — Рис. 1.5. Сварочный преобразователь К коллектору прижимаются угольные щетки 2, с помощью которых постоянный ток снимается с коллектора и подводится к клеммам 5 («+» и «-»). К этим же клеммам присоединяют сварочные провода, подводящие сварочный ток к электроду и изделию. Для охлаждения преобразователя во время работы на валу его имеется вентилятор 7. Сварочные аппараты переменного тока (сварочные трансформаторы) состоят из понижающего трансформатора и специального устройства, создающего падающую внешнюю характеристику и регулирующего сварочный ток. Они подразделяются на две основные группы: аппараты, состоящие из трансформатора с жесткой внешней характеристикой и дросселя; аппараты, имеющие трансформатор с падающей внешней характеристикой. Сварочные аппараты первой группы могут быть с отдельным дросселем (на отдельном магнитопроводе) и со встроенным дросселем (на общем магнитопроводе трансформатора). Сварочные аппараты с отдельным дросселем (рис. 1.6) состоят из понижающего трансформатора Тр и дросселя Др – регулятора тока. Трансформатор имеет сердечник (магнитопровод) 2 из пластин, изготовленных из трансформаторной стали толщиной 0,5 мм. На сердечнике расположены первичная 1 и вторичная 3 обмотки. Первичная обмотка из изолированной проволоки подключается к сети переменного тока напряжением 220 или 380 В. Во вторичной обмотке, изготовленной из медной шины, индуцируется ток напряжением 60–70 В. Последовательно вторичной обмотке в сварочную цепь включена обмотка 4 дросселя (регулятора тока), выполненная из голой медной шины. Сердечник дросселя набран из пластин тонкой трансформаторной стали и состоит из двух частей: неподвижной 5, на которой располагается обмотка дросселя, и подвижной 6, перемещаемой с помощью винтовой пары 7. При вращении рукоятки по часовой стрелке воздушный зазор – «а» увеличивается, а против часовой стрелки – уменьшается. Наводящаяся сварочным током ЭДС дросселя направлена против вторичного напряжения трансформатора и тем самым при коротком замыкании в сварочной цепи напряжение близко к нулю, а при возникновении дуги устанавливается рабочее напряжение. По этой схеме изготовлены и эксплуатируются сварочные трансформаторы типа СТЭ. Сварочные аппараты со встроенным дросселем отличаются от аппаратов с отдельным дросселем тем, что сердечник трансформатора состоит из основного магнитопровода, на котором расположены первичная и вторичная обмотки трансформатора и добавочного магнитопропровода с обмоткой дросселя (регулятор тока). В добавочном магнитопроводе при помощи винтового механизма, так же как в предыдущем случае, устанавливается необходимый воздушный зазор. Обмотки трансформатора и дросселя можно включить попутно или встречно, и в зависимости от этого магнитные потоки, создаваемые обмотками дросселя и трансформатора, будут складываться или вычитаться. При этом общее напряжение холостого хода Uxх = Uтх + Uдх или Uxх = Uтх – Uдх, где Uтх – напряжение на вторичной обмотке трансформатора, Uдх – напряжение дросселя. 5 a 2 6 7 Др 4 Тр 1 3 Тр Рис. 1.6. Схема сварочного аппарата переменного тока с отдельным дросселем Сварочные трансформаторы с увеличенным магнитным рассеянием обеспечивают падающую внешнюю характеристику источника питания без дросселя. У обычных силовых трансформаторов первичная и вторичная обмотки максимально сближены и поэтому внешняя характеристика жесткая, т. е. с увеличением тока напряжение остается постоянным. У сварочных трансформаторов с подвижными обмотками первичная и вторичная обмотки разведены, увеличены потоки рассеяния и потери, внешняя характеристика падающая. Регулирование осуществляется путем перемещения одной из обмоток. Сварочный трансформатор показан на рис. 1.7. Внутри его корпуса 1 укреплён замкнутый магнитопровод 4 (сердечник), собранный из пластин, отштампованных из тонкой (0,5 мм) листовой электротехнической стали. На боковых стержнях магнитопровода расположены катушки первичной 12 и вторичной 11 обмоток трансформатора. Катушки первичной обмотки укреплены неподвижно и включаются в сеть переменного тока. Катушки вторичной обмотки подвижны, от них сварочный ток подаётся на электрод и изделие. Провода сварочной цепи присоединяются к зажимам 2. Сварочный ток плавно регулируется изменением расстояния между первичной и вторичной обмотками. Для этого служит вертикальный винт 9 с ленточной резьбой, который оканчивается рукояткой 5. При вращении рукоятки по часовой стрелке вторичная обмотка приближается к первичной, магнитная связь между ними увеличивается и сварочный ток растёт. Для установления необходимого сварочного тока на крышке 8 корпуса трансформатора расположена шкала 7. Рис. 1.7. Сварочный трансформатор: а – внешний вид; б – схема регулирования сварочного тока; в – электрическая схема; 1 – корпус; 2 – зажим; 3 – ручка; 4 – магнитопровод; 5 – рукоятка; 6 – рым-болт; 7 – шкала; 8 – крышка корпуса; 9 – вертикальный винт; 10 – ходовая гайка винта; 11, 12 – вторичная и первичная обмотки соответственно Сварочные выпрямители – статические преобразователи энергии трехфазной сети переменного тока в энергию выпрямленного (пульсирующего постоянного) тока. По основным технико-экономическим показателям сварочные выпрямители более прогрессивны чем, например, сварочные преобразователи. Их главный недостаток – чувствительность к продолжительным коротким замыканиям, зато они имеют высокий коэффициент полезного действия, бесшумность в работе, отсутствие вра- щающихся частей и др. преимущества. Сварочные выпрямители состоят из двух основных блоков: понижающего трехфазного трансформатора с устройствами для регулирования напряжения или тока и выпрямительного блока. Выпрямитель имеет пускорегулирующее и защитное устройства, обеспечивающие нормальную его эксплуатацию. Выпрямление тока производится на базе свойства полупроводниковых элементов (селеновых или кремниевых вентилей) проводить ток только в одном направлении. Выпрямление тока осуществляется по трехфазной мостовой схеме, состоящей из шести плеч (рис. 1.8). А а) 4 б) 1 + u Ua Ub Uc B 6 3 Rн t С 2 5 - Iн 1 3 3 51 1 22 4 4 62 t Рис. 1.8. Схема выпрямителя (а) и графики фазных напряжений и выпрямленного тока (б) В каждом плече установлено по одному вентилю. В каждый момент времени ток проходит через два вентиля (1 и 2, 3 и 2, 3 и 4 и т. д.), и в течение одного периода на нагрузке Rн происходит шесть пульсаций выпрямленного тока Iн, что соответствует частоте пульсаций 300 Гц. В катодной группе вентилей (1, 3, 5) открыт тот, у которого в данный момент времени положительный наибольший потенциал анода, а анодной группе (2, 4, 6) – тот, у которого отрицательный наибольший потенциал анода. Сварочные выпрямители подразделяются на однопостовые с падающими, жесткими, пологопадающими и универсальными характеристиками и многопостовые с жесткими характеристиками. Падающая характеристика создается у однопостовых выпрямителей включением в сварочную цепь реактивной катушки или применением трансформатора с усиленным магнитным рассеянием. У многопостовых для создания падающей внешней характеристики и регулирования сварочного тока применяют балластные реостаты. Инверторный источник сварочного тока показан на рис.1.9. Понятие «инвертор» происходит от латинского «inverto» – переворачиваю, изме- няю. Напряжение сети промышленной частоты (в данном случае трёхфазной, 380 В) преобразуется входным выпрямителем в постоянное ~ 500 В. Это напряжение в свою очередь преобразуется с помощью инвертора в переменное напряжение повышенной частоты (до десятков килогерц), которое затем поступает на понижающий высокочастотный трансформатор. Рис. 1.9. Общий вид (а) и функциональная схема (б) инверторного источника сварочного тока: 1 – выпрямитель (сетевой), 2 – инвертор, 3 – выходной выпрямитель, 5 – дроссель Вторичная обмотка трансформатора нагружена на диодный выпрямитель, к выходу которого через сглаживающий дроссель подключены электрод и изделие. Питание трансформатора напряжением высокой частоты позволяет существенно снизить массу и объем материалов, идущих на изготовление трансформатора. Так, при частоте питающего напряжения 10 кГц масса трансформатора и его габаритные размеры уменьшаются по сравнению с частотой 50 Гц примерно в 3 раза, а при частоте 50 кГц уже в 15–17 раз. Например, расчетная масса трансформатора мощностью 20 кВ∙А при питании напряжением частотой 50 Гц составляет 120 кг, а при 50 кГц – 7 кг. Такое уменьшение массы активных материалов обусловливает существенное (в 25 раз) снижение потерь мощности, а значит, рост КПД источника питания. Росту КПД способствуют также малые коммутационные потери в ключевых элементах, в качестве которых для сварочных инверторов применяют достаточно мощные тиристоры или транзисторы. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Что входит в состав сварочных преобразователей? 2. Какой вид должна иметь вольтамперная характеристика генератора, чтобы обеспечить устойчивое горение дуги, и за счет каких устройств обеспечиваются необходимые свойства генератора? 3. Как обеспечивается падающая внешняя характеристика у сварочных аппаратов переменного тока? 4. Назовите преимущества и недостатки сварочных выпрямителей перед другими источниками питания. 5. Какое устройство у сварочных выпрямителей расположено между выпрямительным блоком и сетью питания? 6. Опишите работу трехфазного выпрямителя. 7. Как устроен инверторный источник сварочного тока. Электроды для ручной дуговой сварки Электроды для ручной сварки представляют проволочные стержни с нанесенными на них покрытиями. Стержень электрода изготовляют из специальной сварочной проволоки повышенного качества. Стальную сварочную проволоку 0,3–12 мм в зависимости от состава делят на 3 группы: углеродистую (Св-0,8; Св-10ГС и др.), легированную (Св-18ХМА, Св-10Х5М и др.) и высоколегированную (Св-07Х25Н13, Св-06Х19Н10М5Т и др.). В марках проволоки "Св" обозначает слово "сварочная", первые две цифры указывают содержание углерода в сотых долях процента, а цифры после буквы, указывающей легирующие примеси в общепринятых обозначениях, – количество данного элемента в процентах. Электроды классифицируют по следующим признакам: типу покрытия, химическому составу жидкого шлака, назначению. По типу покрытий электроды подразделяют на электроды со стабилизирующим, защитным или легирующим покрытиями (качественными). Стабилизирующее покрытие состоит из мела (СаСОз), соединений калия, бария. Эти вещества облегчают ионизацию дуги и способствуют ее устойчивому горению. В качественное покрытие электродов включают стабилизирующие, газообразующие, шлакообразующие, раскисляющие, легирующие и связующие составляющие. Газообразующие вещества образуют при нагреве защитные газы вокруг дуги. Шлакообразующие составляющие при расплавлении образуют жидкий шлак на поверхности сварочной ванны. Шлак служит для защиты расплавленного металла от воздействия воздухом, а также является средой, через которую осуществляется раскисление и легирование наплавленного металла. Раскисляющие составляющие предназначены для восстановления окислов, находящихся в сварочной ванне. Легирующие составляющие служат для получения наплавленного металла, требуемых механических свойств и химического состава. В качестве связующего применяют в основном жидкое натриевое стекло Na2O(SiO2). Жидкое стекло связывает порошкообразные составляющие покрытия в обмазочную массу, а после просушивания и прокалки придает покрытию электродов необходимую прочность. По назначению электроды подразделяют на 4 класса: для сварки углеродистых и легированных конструкционных сталей; для сварки теплоустойчивых сталей; для сварки высоколегированных сталей; для наплавки поверхностных слоев с особыми свойствами. Согласно ГОСТ 9467-75 электроды для сварки конструкционных сталей (Ст 3, Ст 45, Ст 50ХГСА и др.) подразделяют на типы Э34", Э42, Э145, в зависимости от механических свойств наплавленного металла. Цифры в обозначении типа электрода означают прочность наплавленного металла в кгс/мм2. Электроды для сварки теплоустойчивых сталей (12ХМ, 15ХМ, 20ХМФ и др.) подразделяют на типы Э-ХМ, Э-ХМБФ и др., в зависимости от химического состава наплавленного металла. Буквы М, Х, Ф, Б означают легирование соответственно молибденом, хромом, ванадием и ниобием, повышающими теплоустойчивость сварного шва. Электроды для сварки высоколегированных сталей (ОХ18Н9Т, Х25Н20С2, Х17 и др.), согласно ГОСТ 10052-75, классифицируют по структуре и составу металла сварного шва. Например, ЭА-3М6 – электрод аустенитного типа с добавками молибдена. Помимо типа электродов, важной характеристикой является его марка, которая определяет состав покрытия (УОНИ-13/45, ЦЛ18). Марка электрода характеризует также его технологические свойства: род и полярность тока, возможность сварки в различных пространственных положениях и др. Расчёт потребного количества электродов. Доля электродного металла в составе металла шва различна и зависит от способа и режима сварки, а также от вида сварочного шва. При ручной сварке доля электродного металла колеблется в широких пределах (30–80 %), при автоматической она составляет 30–40 %. Производительность сварки в значительной степени зависит от скорости расплавления электродного металла, которая оценивается коэффициентом расплавления р. Коэффициент расплавления численно равен массе электродного металла (в граммах), расплавленного в течение одного часа, приходящегося на один ампер сварочного тока. При ручной сварке р составляет 6,5–14,5 г/Ач. Для оценки скорости сварки шва пользуются коэффициентом наплавки н. Этот коэффициент оценивает количество электродного металла, введенного в свариваемый шов. н р на величину потерь электродного металла из-за угара и разбрызгивания. Эти потери при ручной сварке достигают 25–30 %, при сварке под флюсом 2–5 % от количества расплавленного электродного металла. Знание р и н позволяет произвести расчёт потребного количества электродного металла для сварки шва установленного сечения и определить скорость сварки шва. Количество металла (кг), необходимого для получения сварочного шва, определяется по формуле gн = L F , где L – длина свариваемого шва, м; F – площадь поперечного сечения шва, м2; – плотность электродного металла, кг / м3. Выражая это же количество металла (кг) через коэффициент наплавки, получим: gн = 10-3 н I t, где t – время горения дуги ч; I – ток, А. Отсюда время горения дуги: t = 103 gн /(н I), (ч). Скорость сварки: v = L / t, (м/ч). Зная gн, можно определить необходимое количество электродного металла по формуле: gэ = gн(1 + ), где = (0,25 – 0,31) – коэффициент потерь металла на угар и разбрызгивание. То же самое можно сделать, зная коэффициент расплавления: gэ = 103 р I t. Задавшись диаметром и длиной электрода по полученному gэ, вычисляют потребное количество электродов. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Опишите состав электрода. 2. Как маркируется сварочная проволока? 3. 4. 5. 6. 7. Какие составляющие включают в качественное покрытие электрода? Как классифицируются электроды по назначению? Какие типы электродов вы знаете? Какая информация скрывается за маркой электрода? Что представляет собой порошковая электродная проволока? ЗАДАНИЕ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ Рассчитать потребное количество электродов, общее время сварки и потребляемую электроэнергию для ручной дуговой сварки, если общая длина свариваемого шва L = 30 м, площадь поперечного сечения шва F = 0,210-4 м2, диаметр электрода d = 3 мм, длина электрода 0,3 м, время замены электрода 10 сек. Сварка производится током 200 А при напряжении 50 В. Оборудование и аппаратура для газовой сварки Газовой сваркой называется сварка плавлением, при которой нагрев кромок соединяемых частей и присадочного материала производится теплотой сгорания горючих газов в кислороде. Газовая сварка классифицируется по виду применяемого горючего газа. Она бывает ацетиленокислородная, керосинокислородная, бензинокислородная, пропанобутанокислородная и т. д. Для производства работ по газовой сварке сварочные посты должны иметь следующее оборудование и инвентарь: ацетиленовый генератор или баллон с горючим газом; кислородный баллон; редукторы (кислородный и для горючего газа); сварочную горелку с набором наконечников; шланги для подачи горючего газа и кислорода в горелку; сварочный стол, приспособления, необходимые для сборки изделий под сварку, и комплект инструментов сварщика; очки с защитными стеклами и спецодежду. Ацетиленовый генератор – аппарат, предназначенный для получения ацетилена при взаимодействии карбида кальция с водой. Ацетиленовые генераторы различаются по следующим признакам: а) по давлению получаемого ацетилена: – низкого давления (до 0,02 МПа), – среднего давления ( 0,01–0,15 МПа); б) по производительности (выпускаемые генераторы воспроизводят 0,3–640 м3/ч ацетилена, наиболее распространены 1,25 м3/ч); в) по способу установки: – передвижные, – стационарные; г) по принципу взаимодействия карбида кальция с водой: – генераторы, работающие по принципу «карбид в воду» (КВ), – «вода в карбид» (ВК), – контактные (К). Принцип КВ предусматривает периодическую (порциями) подачу в воду карбида кальция. При этом достигается наибольший выход ацетилена (до 95 %). Принцип ВК осуществляется периодической подачей воды в загрузочное устройство, куда заранее насыпается карбид кальция. Принцип К предусматривает периодическое соприкосновение и взаимодействие карбида кальция с водой. Контактный принцип осуществляется автоматически и широко используется в передвижных генераторах, но по сравнению с другими принципами даёт наименьший выход ацетилена. Ацетиленовые генераторы для защиты их от взрывной волны газокислородного пламени при обратном ударе оснащают предохранительными затворами, которые бывают водяные и сухие. Водяной затвор ЗГС-1.25-3 (рис. 1.10) заправляют водой до контрольного крана 1, в нижней части затвора расположены слив5 ная пробка 2, входной ниппель 3 и клапан 4. При нормальной работе сварочного поста ацетилен из генератора поступает под клапан, поднимает его и, пройдя через воду, за1 полняет верхнюю полость затвора, а затем через ниппель 5 по шлангу поступает в сварочную горелку. При обратном ударе давлением воды 2 4 клапан закрывается, не допуская проник3 новения пламени в генератор. При темпеРис.1.10. Водяной затвор ратуре воздуха ниже 0 оС затвор заправляется смесью, состоящей из одного объема воды и двух объемов этиленгликоля или глицерина. Выпускают и сухие предохранительные затворы (ЗСУ-1), которые более практичны. Ацетилен поставляется к сварочному посту либо по трубопроводу, либо в ацетиленовых баллонах вместительностью 40 л., в которых при максимальном давлении 1,9 МПа содержится около 5,5 м 3 ацетилена. Для обеспечения безопасного хранения и транспортирования ацетилена баллон заполняют пористым активированным углем, а для увеличения количества ацетилена в баллоне активированную пористую массу пропитывают растворителем – ацетоном (один объем ацетона растворяет 23 объема ацетилена). Баллон окрашен в белый цвет и на нем сделана надпись «Ацетилен». Кислород подается к посту либо от кислородной рампы, либо от кислородного баллона вместительностью 40 л, в котором при максимальном давлении 15,15 МПа содержится 6 м3 кислорода. Баллон окрашен в голу- бой цвет и имеет черную надпись «Кислород». Баллон для газов (горючего или кислорода) изготавливают из стальных бесшовных труб. Он представляет собой цилиндрический сосуд с выпуклым днищем и узкой горловиной. Для придания баллону устойчивости в вертикальном положении на его нижнюю часть напрессован башмак с квадратным основанием. Горловина баллона имеет конусное отверстие с резьбой, куда ввертывается запорный вентиль – устройство, позволяющее наполнять баллон газом и регулировать его расход. Для различных газов принята определенная конструкция вентиля. Различная резьба хвостовика исключает возможность установки на баллон не соответствующего ему вентиля. Вентиль кислородного баллона изготавливают из латуни, т. к. она обладает высокой коррозионной стойкостью в среде кислорода. Вентиль ацетиленового баллона изготавливают из стали, т. к. сплавы меди, содержащие более 70 % меди, при контакте с ацетиленом образуют взрывоопасную ацетиленовую смесь. На горловину баллона плотно насажено кольцо с наружной резьбой для навинчивания предохранительного колпака. Вентиль кислородного баллона используется также для баллонов с азотом, аргоном и углекислым газом. Для понижения давления газа, поступающего из баллона, до рабочего давления газа в горелке и для поддержания этого давления постоянным в процессе сварки применяются редукторы. Корпус редуктора разделён клапаном на две камеры: высокого давления (соединена с баллоном) и низкого давления (соединена с горелкой). Камера низкого давления через эластичную мембрану связана с пружиной, усилие которой соответствует рабочему давлению горелки. Газ поступает из камеры высокого давления в камеру низкого давления до тех пор, пока давление его не уравновесит усилие пружины. В этом положении расход и поступление газа будут равны, и далее такое состояние поддерживается автоматически. Сварочные горелки. Сварочная горелка предназначена для правильного смешивания горючего газа или паров горючей жидкости с кислородом и получения устойчивого сварочного пламени требуемой мощности. Горелки классифицируются: а) по способу подачи горючего в смесительную камеру – инжекторные и безынжекторные; б) по назначению – универсальные (для сварки, наплавки, пайки, подогрева и других работ) и специализированные; в) по роду применяемого горючего; г) по числу рабочего пламени – однопламенные, многопламенные; д) по мощности, определяемой расходом ацетилена (л/ч) – микромощности (5–60), малой мощности (25–700), средней мощности (50–2500) и большой мощности (2500–7000); е) по способу применения – ручные и машинные. Для производства ручной газопламенной обработки большое применение получили ацетиленокислородные инжекторные горелки (рис. 1.11). Они работают по принципу подсоса горючего газа, давление которого может быть ниже 0,01 МПа, т. е. ниже минимальных давлений, установленных для подвижных ацетиленовых генераторов. Давление кислорода должно быть в пределах 0,15–0,5 МПа. По шлангу и трубке 6 к вентилю 5 и через него в инжектор 4 поступает кислород. Вытекая с большой скоростью из инжектора в смесительную камеру 3, струя кислорода создает разрежение, вызывающее подсос ацетилена. Ацетилен поступает по шлангу к соединительному ниппелю 7, а затем через корпус горелки и вентиль 8 – в смесительную камеру, где образует с кислородом горючую смесь. Полученная смесь по трубке наконечника 2 поступает в мундштук 1 и, выходя в атмосферу, при сгорании образует сварочное пламя. 2 3 4 5 6 8 7 1 Рис. 1.11. Инжекторная горелка Безынжекторные горелки работают на смеси горючего газа и кислорода, поступающей в смесительную камеру под одинаковым давлением в пределах 0,01–0,1 МПа, т. е. требуют питания горючим среднего давления. Для нормальной работы такой горелки в систему питания включают регулятор, обеспечивающий равенство рабочих давлений кислорода и горючего газа. Горелка состоит из ствола и комплекта сменных наконечников, присоединяемых к стволу накидной гайкой. Каждый наконечник обеспечивает соответствующую мощность пламени. Стандартом предусмотрены четыре типа горелок. Горелки Г1 микромощности предназначены для сварки металлов толщиной 0,1–0,5 мм. Горелки Г2 малой мощности применяют для сварки изделий 0,2–7 мм. Грелки Г3 служат для сварки металла 0,5–30 мм. Горелки Г4 большой мощности предназначены для сварочных работ и огневой обработки изделий большой толщины. Большое распространение получили сварочные инжекторные горелки малой мощности «Звездочка», ГС-2, «Малютка» и средней мощности «Звезда», ГС-3 и «Москва». Для использования заменителей ацетилена применяются сетчатые наконечники. Они позволяют работать с горючим, в качестве которого применяют пропан-бутановые смеси, природный газ и др. заменители. Кислородная резка основана на свойстве металлов и их сплавов сгорать в струе технически чистого кислорода, производится с помощью резаков. Резаки обеспечивают правильное смешение газов или паров жидкости с кислородом, образование подогревающего пламени и подачу в зону резки струи чистого кислорода. Резаки классифицируются по назначению (универсальные и специальные); принципу смешения газов (инжекторные и безынжекторные); виду резки (разделительной и поверхностной резки); применению (для ручной и машинной резки). Большое применение получили универсальные, инжекторные, ручные резаки для разделительной резки. Они отличаются от сварочных горелок наличием отдельной трубки для подачи режущего кислорода и головкой, состоящей из двух сменных мундштуков (наружного – для пламени и внутреннего – для чистого кислорода). Кислород в резаке разделяется на два канала: один служит, как в горелке, для смеси кислорода и горючего газа, другой для подачи чистого кислорода по внутреннему мундштуку в зону резки. Этот кислород называют режущим, он сжигает металл и выдувает оксиды из зоны резки. Широкое распространение получил ручной универсальный резак «Факел». Он имеет 5 внутренних и 2 наружных мундштука, позволяющих резать металл толщиной до 300 мм со скоростью 80–560 мм/мин. (в зависимости от его толщины). Для машинной резки применяют стационарные шарнирные машины АСШ-2 и АСШ-70. Вторая машина отличается более совершенным приводом и наличием пантографического устройства, позволяющего производить резку одновременно трех деталей. Толщина разрезаемого металла 5–100 мм. Машина АСШ-74 режет металл до 150 мм со скоростью 0,1–1,6 м/мин. Выпускаются и переносные машины, представляющие собой самоходные тележки, перемещающиеся по разрезаемому металлу. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Что называется газовой сваркой? 2. Какое оборудование применяется для газовой сварки? 3. Опишите принцип действия и конструктивные особенности ацетиленового генератора. 4. Что представляет собой водяной затвор? 5. Что вы знаете о баллонах, в которых содержатся ацетилен и кислород? 6. На каком принципе и как работают инжекторные газопламенные горелки? 7. Какое горючее, кроме ацетилена, можно применять для газовой сварки? 8. Какие виды горелок, выпускаемых нашей промышленностью, вы знаете? Контактная сварка Контактной сваркой называется сварка с применением давления, при которой нагрев производится теплотой, выделяемой при прохождении электрического тока через находящиеся в контакте соединяемые части. Основными видами контактной сварки являются точечная, шовная, стыковая. Точечная сварка. Это сварка, при которой соединение элементов происходит на участках ограниченных площадью торцов электродов, подводящих ток и передающих усилие сжатия. Свариваемые листы 1 (рис.1.12) зажимают между металлическими электродами 2, к которым от трансформатора 3 подводится сварочный ток. При прохождения тока под воздействием выделяемой теплоты в точке контакта соединяемых деталей 4 металл расплавляется. Процесс сварки сопровождается пластической деформацией металла и образованием уплотняющего пояска 5, предохраняющего жидкий металл от выплеска и от взаимодействия с воздухом. Теплота, используемая при сварке, зависит от сопротивления между электродами и выделяется при прохождении тока непосредственно в деталях, контактах между ними и контактах деталей с электродами. Рис. 1.12. Точечная сварка Для осуществления процесса точечной сварки применяют специальные машины контактной сварки (рис. 1.13,б), которые в процессе работы выполняют две основные функции – сжатие и нагрев соединяемых деталей. В конструкции любой машины условно можно выделить механическое и электрическое устройства. Основной частью м е х а н и ч е с к о г о у с т р о й с т в а машины для точечной сварки (рис. 1.13,6) служит корпус 1, на котором закреплены нижний кронштейн 2 с нижней консолью 3 и электрододержателем 4 с электродом и верхний кронштейн 7. Нижний кронштейн 2 обычно выполняют переставным или передвижным (плавно) по высоте, что дает возможность регулировать расстояние между консолями в зависимости от формы и размера свариваемых деталей. На верхнем кронштейне установлен пневмопривод усилия сжатия электродов 6, с которым соединена верхняя консоль 5 с электрододержателем 4. Для управления работой пневмопривода на машине установлена соответствующая пневмоаппаратура 8. Привод усилия может быть также пневмогидравлическим, гидравлическим и др. Корпус, верхний и нижний кронштейны и консоли воспринимают усилие, развиваемое пневмоприводом, и поэтому должны иметь высокую жесткость. Рис. 1.13. Общий вид машины точечной сварки (а) и её основные узлы (б) Э л е к т р и ч е с к а я ча с т ь м а ш и н ы со с т о и т и з с в а р о ч н о го трансформатора 10 с переключателем ступеней 11, контактора 12 и блока управления 9. Часто аппаратура управления смонтирована в отдельном шкафу управления. Контактор 12 подключает сварочный трансформатор к электрической питающей сети и отключает его. Электрическое устройство машины предназначено для обеспечения необходимого цикла нагрева металла в зоне сварки. К электрическому устройству относится также вторичный контур машины, который образуют токоподводы, идущие от трансформатора к свариваемым деталям. Ток от трансформатора через жесткие и гибкие шины подводится к верхней 5 и нижней 3 консолям с электрододержателями 4. Консоли и электрододержатели с электродами участвуют в передаче сварочного тока и усилия и поэтому одновременно являются частями электрического и механического устройств машины. Все части вторичного контура изготавливают из меди или медных сплавов, имеющих высокую электропроводность. Большинство элементов вторичного контура, сварочный трансформатор и контактор имеют внутреннее водяное охлаждение. Шовная сварка. Шовная сварка – способ, при котором детали соединяются швом, состоящим из отдельных сварных точек (литых зон), перекрывающих или не перекрывающих одна другую. При сварке с перекрытием точек шов будет герметичным, а при сварке без перекрытия шов практически не отличается от ряда точек, полученных при точечной сварке. Особенность шовной сварки (рис. 1.14) состоит в том, что она выполняется с помощью двух (или одного) вращающихся дисковых электродов-роликов, между которыми с усилием сжаты и прокатываются соединяемые детали. К роликам подводится сварочный ток, который, как и при точечной сварке, нагревает и расплавляет металл в месте соединения. Шовная сварка, выполняемая при непрерывном движении деталей и непрерывном протекании сварочного тока, называется н е п р е р ы в н о й . Такую сварку редко применяют из-за сильного перегрева поверхности деталей, контактирующей с роликами. Наибольшее распространение имеет п р е р ы в и с т а я ш о в н а я с в а р к а , при которой детали перемещаются непрерывно, а ток включается и выключается на определенные промежутки времени и при каждом включении (импульсе) тока образуется единичная литая зона. Перекрытие литых зон, необходимое для герметичности шва, достигается при определенном соотношении скорости вращения роликов и частоты импульсов тока. Применяют также ш а г о в у ю с в а р к у , при котоРис. 1.14 Машина шоврой детали перемещаются преной сварки МШ3802 рывисто (на шаг), а сварочный ток включается только во время их остановки, что улучшает охлаждение металла в контактах ролик-деталь по сравнению с непрерывным движением свариваемых деталей. Разнообразные виды шовной сварки, встречаемые на практике, в основном различа- Рис. 1.14. Машина шовной сварки МШ3802 ются способом подвода сварочного тока (односторонний или двусторонний) и расположением роликов относительно свариваемых деталей (рис. 1.15). Двусторонняя шовная сварка аналогична двусторонней точечной (рис. 1.15, а-е). Вместо одного из роликов может быть применена оправка, плотно контактирующая с внутренней деталью (рис. 1.15, г). Для сварки неподвижных деталей кольцевым швом на плоскости служит верхний ролик, который вращается вокруг своей оси, а также вокруг оси шва (рис. 1.15, д). Нижняя деталь контактирует с электродом, имеющим форму чашки. Иногда свариваемые детали устанавливают на медную шину; при этом подвод тока может быть двусторонним или односторонним. При сварке на шине возможны варианты подвижной (рис. 1.15, ж) и неподвижной (рис. 1.15, з) шин, когда два ролика, к которым подведен ток, вращаются вокруг своих осей и катятся по деталям. При односторонней шовной сварке, как и при точечной, наблюдается шунтирование тока в деталь, контактирующую с роликами. Рис. 1.15. Способы шовной сварки Стыковая сварка. Стыковая сварка – способ, которым детали соединяются (свариваются) по всей плоскости их касания под воздействием нагрева и сжимающего усилия. Детали одинакового или близкого по размерам сечения закрепляют в электродах-губках машины, к которым подводят ток (рис. 1.16). При нагреве и пластической деформации металла в зоне стыка часть элементарных частиц – зерен металла разрушается с одновременным образованием новых (общих для обеих деталей) зерен. Обязательное условие получения надежного соединения – удаление пленки оксидов на торцах деталей или ее разрушение. Для сварки используется теплота, выделяемая в контакте между торцами соединяемых деталей (за счет контактного сопротивления) и в самих деталях. При стыковой сварке переходные сопротивления губка – деталь весьма малы и практически не оказывают влияния на общее количество выделяемой теплоты. Различают стыковую сварку сопротивлением и оплавлением. Сварка сопротивлением – способ стыковой сварки, при котором ток включается после сжатия деталей 3 усилием, передаваемым губками 1,2 машины (рис. 1.16, а). В начале процесса детали контактируют только отдельными выступами, что и создает контактное сопротивление. После включения тока, благодаря его высокой плотности, на выступах металл зоны контакта деталей интенсивно нагревается, и под действием усилия выступы сминаются. Контактное сопротивление быстро уменьшается, и далее нагрев происходит за счет собственного сопротивления деталей, которое увеличивается с повышением температуры. Когда температура в зоне контакта станет близкой к температуре плавления металла, детали под действием усилия свариваются в результате рекристаллизации с образованием плавного утолщения – усиления (рис. 1.16, б). При стыковой сварке важной характеристикой процесса является «вылет» деталей из губок – установочная длина l1 и l2 (см. рис.1.16, а). В связи с тем, что губки интенсивно отводят теплоту, температура в зоне стыка деталей, а следовательно, и качество сварки существенно зависят от установочной длины. При стыковой сварке сопротивлением для сжатия деталей используют постоянное или резко возрастающее к концу нагрева усилие, которое снимают после выключения тока. Рис. 1.16. Схема процесса стыковой сварки сопротивлением (а, б) Сварка оплавлением – способ стыковой сварки, при котором торцы соединяемых деталей нагревают током до расплавления металла при их сближении под действием небольшого усилия и затем быстро сжимают осадкой. При сварке оплавлением зажатые в губках детали, к которым подведено напряжение, медленно перемещают навстречу одна другой с постоянной или возрастающей скоростью до соприкосновения торцов. Вследствие небольшой начальной площади контакта деталей в месте их соприкосновения создается высокая плотность тока, металл контакта мгновенно нагревается до температуры кипения и испаряется, что сопровождается небольшим взрывом единичных контактов-перемычек. В результате взрыва часть металла перемычек выбрасывается из стыка в виде искр и брызг. Таким образом, при сближении деталей непрерывно возникают и разрушаются контакты-перемычки с выбросом частиц и паров металла и об- разованием на торцах равномерного расплавленного слоя металла (рис. 1.17, а). При этом процессе, называемом о п л а в л е н и е м , уменьшается установочная длина деталей. При сварке оплавлением контактное сопротивление к концу процесса оплавления уменьшается вследствие увеличения числа перемычек, а собственное сопротивление деталей повышается с нагревом металла, поэтому общее сопротивление металла между губками изменяется незначительно. Во время оплавления контактное сопротивление значительно больше сопротивления деталей, поэтому нагрев в основном идет за счет теплоты, выделяющейся в металле торцов деталей. Удаленные от торцов слои металла нагреваются вследствие теплопроводности от оплавляемых поверхностей. После определенного укорочения деталей оплавлением их быстро сжимают нарастающим усилием – осадкой. Рис. 1.17. Схема процесса (а, б) стыковой сварки оплавлением рельсов При осадке расплавленный и перегретый металл с оксидами выдавливается из стыка деталей, образуя сварное соединение, а металл околостыковой зоны деформируется с характерным искривлением волокон, образуя усиление и грат в виде окисленного и перегоревшего металла (рис. 1.17, б). В процессе оплавления и осадки существенно уменьшается установочная длина на величину припуска на сварку ∆св. При соединении деталей больших сечений для снижения электрической и механической мощности оборудования применяют так называемую сварку оплавлением с подогревом, при которой концы деталей вначале нагревают аналогично сварке сопротивлением. Детали при подогреве периодически сжимают небольшим усилием, нагревают током, затем размыкают. После подогрева до определенной температуры торцы оплавляются и детали осаживаются. Контрольные вопросы 1. Дайте определение точечной сварке и опишите принцип её действия. 2. Из каких конструктивных элементов состоит механическое устройство машины для точечной сварки? 3. Что включает в себя электрическая часть машин для точечной сварки? 4. В чём заключается особенность шовной сварки? 5. Какие формы электродов применяются в устройствах шовной сварки? 6. Раскройте сущность стыковой сварки. 7. На какие два вида делится стыковая сварка, чем они отличаются друг от друга? 1.2. ЛИТЕЙНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ Для марок литейного оборудования у нас принята пятизначная индексация, в которой первая цифра указывает на технологическое назначение: 1 – для подготовки формовочных материалов и приготовления смесей; 2 – для изготовления литейных форм и стержней; 3 – для выбивки литейных форм и стержней; 4 – для очистки отливок; 5 – для литья в оболочковые формы; 6 – для литья по выплавляемым и выжигаемым моделям; 7 – для литья под давлением; 8 – для литья в кокиль; 9 – для центробежного литья. Вторая цифра обозначает технологический вид: 1 – вибростолы; 2 – машины формовочные; 3 – машины стержневые; 4 – пескометы и т. д. Третья цифра означает конструктивный тип: 1 – пневматическая встряхивающе-прессовая без поворота полуформы; 2 – то же с поворотом полуформы и т. д. Четвертая и пятая цифры характеризуют типоразмер оборудования. Например, модель 22211 относится к оборудованию для изготовления форм и стрежней (2), к формовочным машинам (2), конструктивный тип которых – встряхивающе-прессовые с поворотом полуформы; 11 – обозначает, что эта машина производит полуформы в опоке 500×400 мм. Оборудование для подготовки формовочных материалов Формовочные смеси. Отливки составляют 40 % фасонных заготовок в машиностроении. За год в нашей стране производится около 25 млн. тонн отливок, причем 80 % из них – литьем в разовые объемные песчаные формы. Формовочные смеси для производства таких форм делятся на три группы: 1. Сырые глинистые смеси малой прочности (ПГС), не подвергающиеся после уплотнения при формовке тепловому или химическому упрочнению. Основные компоненты: оборотная смесь 90–98 %, кварцевый песок и формовочная глина, влага. Литьем в песчано-глинистые формы (ПГФ) изготовляется половина всех отливок. 2. Упрочняемые смеси средней прочности. Упрочняются уплотнением при формовке, а затем при сушке. Применяются редко из-за длительности сушки. 3. Самотвердеющие смеси высокой прочности, которую они приобретают на модели в результате химического процесса. Смеси делятся на облицовочные (примыкая к модели, они определяют качество поверхности отливки, поэтому отливки получаются высо- кого качества), наполнительные (заполняют остальной объем формы, качество отливок ниже, чем у облицовочных смесей) и единые (вся форма заполняется одинаковой смесью). Для изготовления стержней применяют смеси (2) и (3) группы. Третья группа включает в себя несколько видов смесей: жидкостекольные, жидкие самотвердеющие смеси (ЖСС), пластичные самотвердеющие смеси (ПСС), холоднотвердеющие смеси (ХТС). Для изготовления стержней и оболочковых форм применяют также песчано-смоляные смеси. Оборудование. Подготовка формовочных материалов заключается в обеспечении однородного мелкофракционного состава. Для этой цели применяются разнообразные дробилки и мельницы. Щековые дробилки (рис. 1.18) рекомендуются для дробления отработанных жидкостекольных смесей и др. материалов. Дробление производится за счет сжатия между дробящими пли1 e тами неподвижной 1 и подвижной 2 щек. Качание подвижной, являющей2 3 ся одновременно шатуном, осуществляяется при вращении экцентриково4 го вала 3, распорная плита 4 поддерживает низ щеки 2, сохраняя заданный зазор между дробящими плитами. Щековые дробилки СМД-116, СМД-109, Рис.1.18. Щековая дробилка СМД-108 имеют производительность 7,8–30 м3/ч. У молотковых дробилок материал подается через воронку в корпус, внутри которого он дробится молотками, закрепленными с помощью шариков на вращающемся роторе в виде лучей (по радиусу). Продукты дробления проваливаются вниз сквозь колосниковую решетку. Корпус дробилки облицован износостойкими плитами. Молотковые дробилки СМД-112, СМД-114б, СМД-147 производительностью 10–27 т/ч 1 рекомендуются для отрабо2 3 танных холоднотвердеющих смесей, угля и др. материалов. Валковые дробилки (рис. 1.19) предназначены для отработанной смеси, стержней на жидком стекле и др. матери5 4 алов. Дробление у них проРис.1.19. Валковая дробилка исходит затягиванием в зазор между вращающимися в раз- ные стороны валками 2, 5, один из которых опирается на пружину 3, предохраняющую дробилку от поломки при попадании в бункер недробящихся, например металлических, кусков. Расстояние между валками регулируется прокладками 4. У роторных дробилок измельчение происходит в результате ударов кусков об отбойные плиты, на которые куски отбрасываются вращающимися относительно горизонтальной оси ротором с битами. Производительность роторных дробилок: СМД-85 – 55 м3/ч, СМД-86 – 125 м3/ч. В вибрационных дробилках куски истираются друг о друга и о стенки бункера с шипами, ребрами, отверстиями. Вибрация возбуждается системой на пружинных опорах под действием вращающихся эксцентриков. Вибрационная дробилка 12213 имеет производительность 15 т/ч. Мельницы шаровые 151М2, а также модели МШЦ и МШР предназначены для тонкого измельчения глины, каменного угля и др. материалов. Представляют собой вращающийся около горизонтальной оси барабан, наполненный измельчаемым материалом и металлическими шарами. Шары за счет вращения барабана поднимаются на некоторую высоту и падают, дробя материал. Для просеивания различных материалов применяют сита. Они бывают барабанные, вибрационные и инерционные. Сита также делятся на сита грубой и тонкой очистки. Параметры отработанной смеси после выбивки в зависимости от близости к отливке значительно различаются: влажность колеблется от 0 до 3 %, а температура может достигать 80–120 оС. Поэтому перед повторным использованием необходимо охладить смесь и усреднить влажность, для чего применяют различные охладители. При многократном использовании формовочных и стержневых смесей изменяются их свойства. В особенности это относится к песку: изменяется объем зерен, происходит растрескивание, сращивание. Восстановить свойства смесей можно с помощью регенерации, которая включает в себя дробление, магнитную сепарацию металлических включений, просеивание, очистку поверхности песчинок от пленки связующего, обеспыливание песка и классификацию – разделение по фракциям (размерам зерен). При гидравлической регенерации зерна песка интенсивно промываются в потоке воды. Важнейшим элементом системы гидравлической регенерации является оттирочная машина, где песок очищается за счет соударения в потоках пульпы, создаваемых лопатками вертикальных валов двух камер, имеющих разный угол наклона. Система регенерации содержит также железоочистители, дробилки, грохоты, классификаторы, сушилки и охладители. В системах сухой механической регенерации моделей 14311–14316 зерна песка очищаются от пленки связующего перетиранием смеси в дробилках. Образующаяся пыль удаляется вместе с отсасываемым воздухом. При термической регенерации пленки с зерен песка сжигают прока- ливанием смеси при 550–800 оС, после чего производят воздушную сепарацию. Этот способ в 2–3 раза дороже механической регенерации. Имеются установки термической регенерации РТ 0,4 – РТ 10 (цифры указывают на производительность). Оборудование для приготовления формовочных и стержневых смесей Формовочные и стержневые смеси состоят в основном из кварцевого песка, пылевидных и жидких добавок. Процесс приготовления смеси состоит из дозирования всех компонентов смеси, включая воду, загрузки их в смесители в определенной последовательности, перемешивания для обеспечения однородности и заданных свойств готовых смесей. Смесители литейные чашечные периодического действия с вертикально вращающимися металлическими катками 15101–15108 предназначены для приготовления единых, наполнительных, облицовочных и стержневых смесей из песчано-глинистых фракций с пылевидными и жидкими добавками. Приставка СК к индексу модели указывает на наличие у смесителя скипового подъемника для загрузки с целью использования в смесеприготовительных системах реконструируемых цехов. При вращении вертикального вала 3 смесь размешивается и растирается катками 2, вращающимися на горизонтальных осях 4, устанавливаемыми с регулируемым зазором «а» относительно чаши 1. Смесь перемешивается, так называемыми, отвалами, расположенными между катками. При этом песчинки обволакиваются оболочкой связующего. Запыленный воздух отсасывается из-под колпака гати. Производительность бегунов (второе название смесителей) зависит от длительности цикла. При цикле 2–4 мин она составляет у модели 15108–15110 – 60 м3/ч. У смесителей моделей 15326 и 15328 катки вращаются на горизонтальных осях. Применяются такие бегуны в основном для сырых песчано-глинистых смесей (ПГС). Производительность 15328 при цикле 2,5 мин = 38,4 м3/ч. Более производительны смесители (бегуны) литейные чашечные непрерывного действия 15204, 15207, 15208, производительность 8-го габарита достает 240 м3/ч. По конструкции они представляют собой смесители периодического действия с вертикально вращающимися катками, смежные чаши которых сообщаются через общий сегмент. Увеличение производительности происходит благодаря последовательному смешиванию двумя парами катков. Встречное вращение валов в чашах сдвинуто по фазе на 90о и синхронизировано. Разработаны комплексы оборудования для автоматизированных смесительных систем массового и крупносерийного производства КР6, 3К16П-К100НП – А-К400Н, включающие смесители периодического (П) и непериодического (Н) действия, охладители смеси, аэраторы, сита, же- лезоотделители, ленточные конвейеры с весовыми устройствами и плужковым сбрасывателем. Для производства оболочковых форм используются смеси, где каждая песчинка покрыта тонким слоем связывающего – термореактивной слюдой. Смеситель центробежный периодического действия 15411 для приготовления плакированных смесей горячим способом производительностью 1 т/ч имеет нагреватель песка – камеру с вращающимся барабаном внутри нее. Барабан несет ковши, поднимающие и высыпающие песок в верхнем положении. Песок при падении проходит зону нагрева и поступает в центробежный смеситель с двумя катками на дисках. Затем смесь поступает через вибросито в охладитель. Установка имеет также емкости и дозаторы для смолы, уротропина и стеарата кальция. При изготовлении смесей применяют также лопастные смесители, основными элементами которых являются горизонтальные валы с лопастями, вращающимися в желобе. Лопасти захватывают материалы и перемещают их по окружности и вдоль желоба, постоянно вороша, за счет чего и происходит перемешивание. Лопастные смесители применяются для приготовления ХТС и ЖСС. Оборудование для изготовления литейных форм В настоящее время основным способом получения литейных форм является машинная формовка. При машинной формовке модели устанавливаются на модельных плитах, которые т-образными болтами крепятся к столам машин. Модели имеют два штыря: центрирующий (круглый) и направляющий (срезанный). Штыри обеспечивают точное взаимное расположение верхней и нижней полуформ, т. е. отсутствие смещения частей отливки. Модель крепится к плите болтами или винтами. Чтобы при переходе от одной модели к другой плиты не менять, их выполняют с вкладышами, несущими на себе модели, или с координатной сеткой отверстий (координатные плиты). Конструкции модельных плит стандартизованы. Машинная формовка механизирует уплотнение смеси и извлечение модели из формы (съема полуформы). Уплотнение смеси может осуществляться разными способами. Рассмотрим два из них. 1. Встряхивание. Стол сжатым воздухом поднимают вместе с опокой, затем воздух выпускают в атмосферу, стол падает и ударяется о станину. Дополнительно к встряхиванию производят подпрессовку, например с помощью вибратора. У крупных полуформ верхние слои доуплотняются пневматической трамбовкой. 2. Набивка опоки смесью с помощью пескомета. Смесь уплотняется равномерно по высоте опоки. Основным рабочим органом пескомета (рис. 1.20) является метательная головка 2, которая представляет собой закрытый кожухом ротор, вращающийся на горизонтальной оси со скоростью 1500 об/ мин и имеющий 1–3 лопатки или ковша 5. Смесь в головку подается транспортером 1, попадает на лопатку 5, предварительно уплотняется на ней 5 центробежной силой, а затем выбра2 1 сывается вниз порциями 3 в опоку 4. За каждый оборот одна лопатка выбрасывает один комок, а за 1 минуту 1400–1500 комков. Формовщик мо3 4 жет перемещать метательную головку над опокой в горизонтальной плоскости, направляя смесь в разные места. Механизм съема полуформ совРис. 1.20. Схема пескометного уплотнения ременных формовочных машин бывает двух основных типов: без предварительного поворота полуформы; с предварительным поворотом полуформы. Первый выполняется в виде ме-ханизма штифтового съема (рис. 1.21). После уплотнения смеси полуформу 1 поднимают с модельной плиты 2 и модели 4 при помощи четырех штифтов, расположенных по углам опоки. Для штифтов модельная плита имеет соответствующие отверстия. К машинам первого типа относятся модели 22111–22114. Они предназначены в основном для изготовления верхних полуформ в серийном и мелкосерийном производстве. После установки опоки, наполнительной рамки, засыпки смеси, предварительного встряхивания, наполнения опоки смесью и снятия рамки в автоматическом режиме производится поворот траверсы, уплотнение встряхиванием с одновременным прессованием плитой траверсы и снятие полуформы. При съеме полуформы с модельной плиты включается вибратор. Вместо штифтов на съёме могут быть установлены роликовые планки для механизации установки и съема опок. 4 1 1 4 2 5 5 а) б) 3 2 3 Рис. 1.21. Схема штифтового подъёма: а и б – последовательные положения; 1 – опока; 2 – модельная плита; 3 – подъёмные штифты; 4 – модель; 5 – стол машины На рис 1.22 показана машина второго типа, в которой модель извлекается вытяжкой с поворотом. После уплотнения смеси в опоке 5 (а) по- луформа надежно закрепляется на поворотной плите 2, на которой укреплена модельная плита 3. Для вытяжки модели 1 поворотную плиту вместе с полуформой поворачивают на 180○ (б) и поднимают приёмный стол 4 до соприкосновения с опокой 5; снимают крепление опоки с поворотной плитой и приёмный стол с полуформой опускают, извлекая при этом модель из формы. Затем поворотную плиту вместе с модельной плитой возвращают в исходное положение. Машины с поворотом полуформы при прочих равных условиях менее производительны, чем машины со штифтовым съемом, поэтому их применяют лишь тогда, когда они технологически выгодны (при формовке нижних полуформ, в которых расположены тяжелые сырые болванки во избежание обвалов последних при сборке, транспортировке и заливке). Рис.1.22. Схема действия поворотной плиты: а и б – последовательные положения; 1 – модель; 2 – поворотная плита; 3 – модельная плита; 4 – приёмный стол; 5 – опока. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. На что указывают цифры в обозначении марок литейного оборудования? 2. Что входит в состав формовочных смесей? 3. Какие виды дробилок применяются при подготовке формовочных материалов? 4. Опишите принцип работы шаровых мельниц. 5. Из каких этапов состоит регенерация формовочных и стержневых смесей? 6. Как устроены литейные смесители моделей 15101–15108? 7. Какие операции механизирует машинная формовка? 8. К какому типу механизмов съёма полуформ относится механизм штифтового съёма? Опишите принцип его действия. Плавильное оборудование Для плавки чугуна в литейных цехах широко применяются вагранки. Это шахтные печи с огнеупорным шамотным кирпичом внутри металлического кожуха. В нижнюю часть вагранки через коллектор подается подогретый воздух, нагнетаемый воздуходувками. У самого дна находится отверстие для выпуска металла (летка), от которого отходит желоб. Загрузка материалов производится сверху. Кокс, флюс (известняк), чушковый чугун и лом загружаются слоями. При сгорании кокса выделяется теплота, плавящая металл. Для большей эффективности плавки подогретый воздух (дутье) обогащают кислородом. Шихта по мере течения плавки опускается вниз. Для контроля ее уровня имеется уровнемер. По мере необходимости производится загрузка новых порций шихты. Роль флюса состоит в переводе в шлак золы, серы, фосфора и др. примесей. Вагранки бывают коксовые (описаны выше), коксогазовые и газовые. Самый дешевый чугун дают газовые вагранки. Кислородный конвертер представляет собой грушевидный сосуд, металлический кожух которого выложен изнутри огнеупором. Для заливки жидкого чугуна и выпуска стали конвертер может поворачиваться на цапфах. Сталь выплавляется продувкой кислорода по поверхности жидкого чугуна, в результате чего избыток углерода, кремния, марганца и др. элементов окисляется и удаляется в виде газов через горловину, а сера и фосфор шлакуются. Конвертер характеризуется высокой скоростью плавки (0,5 ч) и высокой производительностью. Недостаток: невозможность работать на твердой завалке – конвертер загружается жидким чугуном. Применяются также малые бессемеровские конвертеры. Дуговые сталеплавильные печи с поворотным сводом плавят металл за счет теплоты трех электрических дуг, горящих между графитовыми электродами, расположенными сверху, и шихтой. Длина дуг регулируется. Свод при поднятых электродах, поворачиваясь относительно вертикальной оси, открывает печь сверху для загрузки шихты. Для выпуска металла по специальному желобу и для удаления шлака ванна печи может поворачиваться на роликах. Дуговые печи позволяют получать разнообразные стали и чугуны. По сравнению с индукционными печами они имеют более высокий КПД (80–85 % при расплавлении), дешевле и производительнее (на 20–30 %). Расход электроэнергии составляет 440–500 кВт ч/т. В литейных цехах дуговые печи являются основным типом сталеплавильного оборудования. Продолжительность плавки – 3–6 часов. Дуговые печи применяются для плавки и цветных металлов, например меди. Индукционные тигельные плавильные печи характеризуются тем, что теплота генерируется прямо в шихте, а также отсутствием контактных устройств (что облегчает автоматизацию и создание вакуума для защитных средств) и улучшенными условиями труда. Разогрев металла происходит в тигле за счет переменного электрического тока, возбуждаемого токами индуктора печи, образованного полой медной трубкой, охлаждаемой проточной водой, и расположенного снаружи тигля. Печь заключена в кожух и закрыта сверху крышкой. Для слива металла печь может наклоняться. КПД тигельных индукционных печей – 50 %. Более совершенны индукционные канальные печи. На рис. 1.23 изображена нижняя часть канальных индукционных печей. Индуктор 1 содержит сердечник 3, служащий первичной обмоткой, и канал 2 с жидким металлом, играющим роль вторичной обмотки, разогревающимся ин3 дукционными токами при пропускании пере2 менного тока по сердечнику 2. Чтобы вторичная обмотка не разрывалась, в печи посто1 янно должно находиться некоторое количество металла (болото). Футеровка рабочего пространства канальных печей может служить до Рис. 1.23. Нижняя часть двух лет. Футеровка канальной части выходит канальной печи из строя значительно быстрее, но возможна ее быстрая замена. Для медных сплавов применяют печи ИЛК-0,4, исключительно для алюминиевых ИАК-0,4, ИАК-40. Для высококачественных алюминиевых отливок применяют электропечи сопротивления. В них шихта загружается и стекает в расположенный ниже металлосборник с нагревателями. Нихромовые нагреватели выдерживают температуру 1150 оС в течение 6–8 мес. Угар металла в таких печах невысок (≈ 1 %), однако они обладают низкой проводимостью. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ Как устроены вагранки? Опишите принцип работы кислородного конвертера. За счет чего осуществляется плавка в дуговых печах? Какие особенности имеет канальная индукционная печь? Оборудование для выбивки литейных форм и стержней Основным видом такого оборудования являются выбивочные решетки (рис. 1.24). Решетки двухвальные инерционные моделей 31211– 31219 (грузоподъемность последней, самой крупной 40 т, размер полотна 4500×3550) предназначены для выбивки отливок из форм и стержней из отливок в единичном и мелкосерийном производстве. Вибрации этих решеток создаются за счет встречного вращения двух неуравновешенных эксцентриковых валов с регулируемым дисбалансом 1. Горизонтальные составляющие центробежных сил эксцентриков уравновешиваются, а вертикальные складываются, создавая колебания реше1. 2. 3. 4. тки и установленной на ней ли1 тейной формы с отливкой на пру2 жинах 2. Под действием вибрации и ударов форма разрушается, смесь проваливается сквозь ячейки реРис. 1.24. Схема двухвальной шетки на транспортер, доставляинерционной выбивочной решетки ющий ее в землеподготовительное отделение на переработку, а отливка снимается с решетки и отправляется на обрубку. Решетки выбивные инерционные ударные 31315 и 31316 отличаются тем, что форма стоит на закладной раме, связанной с фундаментом, а решетка при колебаниях на пружинах (генерируемых вращающимся неуравновешенным валом) удаляет снизу по форме и разрушает ее. Кроме выбивных машин механического действия, применяются электрогидравлические установки, разрушающие стержни за счет импульсов высокого давления (до 200 МПа) гидравлических ударов, возникающих в жидкости при электрических высоковольтных разрядах. Для удаления стержней и первичной очистки отливки высоконапорной струей воды применяются гидравлические камеры периодического действия с дистанционным управлением (модели 37113 и 37116). Для выбивки стержней применяют также специальные пневматические вибрационные станки. Оборудование для обрубки и очистки литья Обрубка заключается в отделении от отливок элементов литниковой системы (литников, прибылей, выпоров), в удалении заливов по разъему формы и неровностей поверхности. Отделение литников от отливок из чугуна и стали, массой до 100 кг, может производиться в галтовочных барабанах. Недостатки: сильный шум и наличие на поверхностях отливок следов соударения. Сильный шум сопровождает также отрезку литниковых систем дисковыми пилами трения, когда вращающийся с большой скоростью тонкий стальной диск, теплотой, возникающей за счет трения, плавит металл и выносит его из реза. Литники и прибыли средних и крупных стальных отливок удаляются газокислородной резкой. Широко применяются установки для отрезки литников тонкими абразивными кругами с ручной подачей. Литники мелких отливок удаляются на эксцентриковых кусачках на ленточно-отрезных станках. Оборудование для очистки литья К этому оборудованию относятся галтовочные барабаны, дробеметные и дробеструйные аппараты. Барабаны очистные галтовочные предназначены для очистки мелкого и среднего литья, не подверженного биению, а также поковок и др. изделий в цехах с любой серийностью. Барабаны периодического действия (рис. 1.25) загружаются отливками через крышку 2 металлического цилиндрического барабана 1, установленного в подшипниках на основании. После закрытия крышки барабан начинает вращаться под действием привода 4. Одновременно включается отсос пыли (входное отверстие 3, выходное 5). Отливки перекатываются друг по другу и очищаются. Для лучшей очистки в барабаны вместе с отливками могут загружаться звездочки из белого чугуна размером 20–65 мм, которые своими острыми углами скребут поверхность отливок. По такому принципу работает модель 41114-1. Широкое применение находит очистка поверхности отливок от пригара и окалины потоком стальной, чугунной и др. дроби. Поток дроби (факел) в механических дробеметных аппаратах создается за счет центробежных сил, возникающих при подаче дроби на радиальном направлении лопатки вращающегося диска. 5 1 2 3 4 Рис.1.25. Схема галтовочного барабана периодического действия При дробеструйной очистке дробь направляется на отливку потоком сжатого воздуха. Дробеметная очистка в 10 раз эффективнее дробеструйной при меньшем расходе электроэнергии. Аппараты дробеметные правого (по часовой стрелке) вращения моделей 42115–42117 и левого вращения 42125–42127 предназначены для создания скоростного потока стального абразива (дроби) размером 0,8–2,5 мм, твердостью 46–51 HRC для воздействия на поверхности отливок и поковок в дробеметных установках (барабанах, камерах, столах). Разгоняясь под действием центробежной силы до 80 м/с, лопатками рабочего колеса дробь выбрасывается в виде веера (факела), направление которого регулируется. Модели 42117 и 42127 выбрасывают 800 кг дроби в минуту. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. В чём заключается принцип действия двухвальных инерционных решеток? 2. Какие виды энергий применяются в оборудовании для выбивки литейных форм и стержней? 3. Назовите оборудование, применяемое для обрубки и очистки литья. Опишите принцип действия каждого вида оборудования. 1.3. ОБОРУДОВАНИЕ ДЛЯ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛА ДАВЛЕНИЕМ Процессы обработки металла давлением (ОМД) осуществляются как в горячем, так и в холодном состоянии металла. При этом существенно улучшаются структура, механические и др. свойства металлов. Основными процессами ОМД являются прокатка, волочение, прессование, ковка, объемная и листовая штамповки. Прокатка Прокаткой называют процесс пластической деформации металла между двумя или несколькими вращающимися рабочими валками. Способы прокатки различают по направлению обработки (продольная, поперечная и винтовая) и по форме получаемого изделия (листовая, сортовая и прокатка труб). Прокатка – наиболее распространенный процесс обработки, через который проходит примерно 90 % всего выплавляемого металла. Прокатку осуществляют, в основном, в металлургической промышленности на прокатных станах. Однако и в машиностроении используют различные способы прокатки, в т. ч. на агрегатах для получения специальных видов проката (шаров, роликов, колес и бандажей для железнодорожного транспорта, втулок, колес подшипников, зубчатых колес и т. д.). Множество наименований свидетельствует и о разнообразии типов прокатных станов, применяемых для этой цели. Упрощенно прокатку можно представить в виде схемы, изображеной на рис.1.26, где заготовка 1 обжимается 2 валками 2 и меняет свою форму. 1 В то же время прокатный стан – это целый комплекс машин, среди которых выде2 ляют основное оборудование, осуществляющее непосредственно деформацию металла, и вспомогательное – для механизации Рис. 1.26 Схема прокатки процесса и придания продукции дополнительного качества. К основному оборудованию относят клети с валками и привод валков. Клеть предназначена для разделения крутящего момента двигателя между валками. Это своего рода редуктор. Число валков в рабочей клети зависит от назначения и типа прокатываемой продукции. Специальные машины для прокатки в машиностроении В группу специальных машин входят станы продольной, поперечной и поперечно-винтовой прокатки, ковочные вальцы и другие машины. На станах продольной прокатки металл обрабатывается валками, оси которых параллельны, а заготовка движется в направлении, перпендикулярном осям валков (см. рис. 1.26). На поверхности валков имеются углубления (ручьи), форму которых и приобретает заготовка после прокатки. Эта форма может быть многообразной. Станы поперечной прокатки служат для получения заготовок в форме тел вращения. При этом ось заготовки располагается параллельно осям валков и прокатываемому металлу придается вращательное движение относительно его оси. Таким образом, металл обрабатывается в поперечном направлении. Станы поперечно-винтовой (косой) прокатки отличаются от предыдущих тем, что оси их валков не параллельны, а скрещиваются. Благодаря этому заготовка, кроме вращения, получает поступательное движение (в направлении) своей оси. Ковочные вальцы по принципу работы близки к прокатным станам. Они имеют два рабочих валка, на которых устанавливают штампы (секторы), занимающие часть окружности валка. Подача заготовки происходит в тот момент, когда секторы выходят из рабочей зоны. При вращении валков сектора в некоторый момент соприкасаются с заготовкой и начинают ее деформировать, одновременно сдвигая заготовку в направлении, обратном направлению подачи. На ковочных вальцах осуществляют подкат и протяжку заготовок под штамповку. Инструмент и машины для волочения Волочением называют пластическую деформацию при протягивании проволоки, прутка, профиля, трубы через сужающийся канал инструмента (волока). К волочильному инструменту относятся волоки и оправки, последние применяются для волочения труб. Наибольшей износостойкостью обладают волоки из природных и синтетических алмазов, однако они нуждаются в интенсивном охлаждении. Алмазные волоки вставляют в оправы из латуни или бронзы и заливают легкоплавким сплавом. Рассмотрим принцип работы и устройство наиболее простой машины для волочения – машины однократного волочения проволоки (рис. 1.27). 2 3 1 4 Рис. 1.27. Однократная волочильная машина Она состоит из станины 1 со встроенным редуктором, который приводится в движение от электродвигателя 4. На вертикальный вал редуктора насажен приемный барабан 3. Моток проволочной заготовки укладывают на фигурку (не показана), передний конец мотка заостряют в специальном приспособлении и вставляют в волоку, находящуюся в волокодержателе 2. Выступающий из волоки конец заготовки закрепляют клещами, соединенными с барабаном цепью. После намотки 6–7 витков барабан останавливают, конец мотка освобождают от клещей, загибают вокруг штыря на верхней части барабана и продолжают волочение. Форма поверхности барабана способствует подъему намотанной проволоки вверх. После прохода через волоку конца мотка его снимают с барабана специальным съемником. Пример подобной машины – модель ВСМ 1/550: диаметр барабана – 550 мм, диаметр заготовки из цветных металлов – 10–12 мм, диаметр готовой проволоки – 3–6 мм, мощность двигателя – 40 кВт, скорость волочения до 4 м/с. В цепном волочильном стане (рис. 1.28) передний конец прутка или трубы 1 проталкивается через волоку 2 и затем захватывается клещами каретки 3. Каретка скрепляется с пластинчатой цепью 4, перематываемой с помощью привода 5. На входной стороне стана имеется приспособление для подачи и удержания стержня оправки. Скорости волочения на станах достигают 3–5 м/с, усилия волочения – 30–1500 кН. Рис.1.28. Устройство цепного волочильного стана Недостатки цепных станов – ограниченная длина изделий, большие затраты времени на подготовку к волочению очередной заготовки. Существуют и автоматизированные линии волочения прутков, в которых специальные захваты попеременно тянут заготовку через волоку без остановки процесса. Прессование Прессованием называют выдавливание металла из замкнутого объема через отверстие. Широко используют прессование для получения прутков, труб и профилей из алюминиевых и медных сплавов, сталей, титана и других тугоплавких металлов. Истечение металла при прессовании может быть прямым и обратным. Основным оборудованием цеха прессизделий являются гидравлические прессы. Наиболее распространены прессы номинальным усилием 10–50 МН, хотя есть установки усилием 200 МН. Прессовая установка включает устройство для нагрева и подачи слитков к прессу, собственно пресс, выходную сторону пресса (холодильник, механизм правки, резки и смотки изделий), а также устройство гидропривода – насосные или насосно-аккумуляторные станции. Воздушно-гидравлический аккумулятор – это несколько высокопрочных сосудов, заполненных частично воздухом или азотом. Аккумулятор позволяет выбрать меньшую мощность насосов. Гидравлические прессы применяются не только при прессовании, но и в др. процессах ОМД. 1. 2. 3. 4. 5. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ Какие виды прокатки применяются в машиностроении? Какие станы служат для получения заготовок в форме тел вращения? Опишите принцип действия ковочных вальцов. Что относится к волочильному инструменту? Какое оборудование используется при прессовании? Устройство гидравлических прессовых установок Гидравлические прессы широко используются для получения формованных, вытянутых и гнутых деталей из листа, для холодной объемной штамповки, правки разнообразных изделий, пакетирования и брикетирования отходов. Действие гидравлического пресса основано на ряде физических законов, в частности на законе Паскаля, устанавливающем, что давление на жидкость передается во все стороны с одинаковой силой. Если поместить в каждый из сообщающихся сосудов разного диаметра (рис. 1.29) по плунжеру, то, на основании этого закона, а также исходя из условий равновесия, можно написать: р = P1/F1 = P2/F2, откуда P2 = P1(F2/F1), где р – давление жидкости в системе сообщающихся сосудов, Па (кгс/см2); Р1 и Р2 – усилия, приложенные соответственно к малому и большому плунжерам, Н (кгс); F1, F2 – соответственно площади малого и большого плунжеров, м2 (см2). Таким образом, в рассматриваемой системе можно получить выигрыш в силе во столько раз, во сколько площадь большого плунжера превышает площадь малого. Р1 Р2 H2 F1 H1 F2 Рис. 1.29. Принципиальная схема гидравлического пресса Элементы этой принципиальной схемы можно найти в том или другом виде в любом гидравлическом прессе: роль малого плунжера выполняет поршень гидравлического насоса, подающего жидкость, а роль большого плунжера – рабочий плунжер пресса. Усилие, развиваемое прессом, определяется произведением давления жидкости на сумму площадей рабочих плунжеров. Согласно другим физическим законам, в замкнутой гидравлической системе (например, в рассмотренной нами) перемещение одного плунжера вызывает такое перемещение другого плунжера, что объем жидкости в системе остается постоянным, поскольку жидкости практически несжимаемы. Если малый плунжер пройдет большое расстояние H1, то большой плунжер переместится всего лишь на H2 (см. рис. 1.29): H1 = H2(F2/F1). Следовательно, в гидравлическом прессе, выигрывая в силе, столько же раз проигрывают в пути. Этот вывод полностью согласуется с законом постоянства энергии. Количество энергии, подведенное к малому плунжеру, равно количеству энергии, полученной на большом плунжере (здесь не учитываются потери в гидравлической системе пресса). Сказанное можно выразить иначе. Для этого надо перемножить написанные выше уравнения для усилия и пути, в результате получим P1H1 = P2H2. Приведенные соотношения раскрывают некоторые характерные черты гидравлических прессов. Во-первых, развиваемые усилия гидравлических прессов в принципе не ограничены. При этом конструкция гидравлических прессов больших усилий проще, чем, например, механических прессов, развивающих те же усилия. Во-вторых, если в гидравлическую систему насос–пресс поместить клапан, разъединяющий их в определенные моменты, можно большим числом малых ходов H1 плунжера насоса получить какой угодно большой ход H2 плунжера пресса. Таким образом, в принципе на гидравлическом прессе можно получить неограниченно большие рабочие ходы. При этом конструкция гидравлического пресса с большим рабочим ходом проще любой другой машины, развивающей такой же ход. Большим преимуществом гидравлических прессов является и то, что скорости движения плунжера могут быть различными. Кроме того, гидравлические прессы могут обеспечить плавное или ступенчатое изменение усилия, выдержку под действием постоянной или переменной силы, удлинение или укорочение всего цикла. В гидравлическом прессе-машине статического действия работа совершается в основном за счет энергии давления жидкости. Статический характер приложения усилия в гидравлических прессах обусловливает очень важную особенность их работы: силы, возникающие в прессе, замыкаются внутри него и не передаются на фундамент. Последний воспринимает лишь собственную тяжесть пресса и должен быть рассчитан только на его массу, в то время как фундаменты молотов, например, должны рассчитываться на энергию удара молота. Гидропрессовая установка состоит из собственно пресса I, привода II, органов управления III и трубопроводов IV (рис. 1.30). Рабочий цилиндр 8, в котором находится плунжер 7, соединен трубопроводом через органы управления с приводом, обеспечивающим подачу рабочей жидкости. Плунжер, воспринимая давление жидкости, воздействует на обрабатываемую заготовку через подвижную поперечину 4 и прикрепляемый к ней с помощью пазов и крепежных болтов инструмент (верхний штамп). Так как давление жидкости с одинаковой силой действует как на плунжер, так и в обратном направлении, для восприятия этого усилия рабочий цилиндр опирается на плиту – верхнюю поперечину 5. Далее это усилие передается через верхние гайки 6 на колонны 3, а через нижние гайки 1 – на плиту 2, называемую основанием, и через нижний штамп воспринимается заготовкой и уравновешивается усилием, передаваемым на нее со стороны рабочего цилиндра. Для возврата поперечины в исходное положение после деформирования заготовки имеются подъемные (или обратные) цилиндры 9 с плунжерами 10. Рабочий цикл пресса состоит из трех основных периодов: первый – поперечина приближается к заготовке (перед началом рабочего хода), т. е. холостой ход; второй – движение поперечины с нагрузкой – деформация заготовки, т. е. рабочий ход; третий – поперечина возвращается в исходное положение, т. е. обратный ход. Рис. 1.30. Схема гидропрессовой установки В рабочий цикл пресса, кроме того, входят вспомогательные операции, включающие, в частности, подачу заготовки и удаление изделия. Холостой ход осуществляется жидкостью, находящейся под низким давлением 400–800 кПа (4–8 кгс/см2). Низкое давление создается системой наполнения: чаще всего это один или несколько наполнительных баков, т. е. закрытых баллонов. Рабочий и обратный ходы пресса осуществляются под действием жидкости, находящейся под высоким давлением. Наиболее употребительны давления 20, 32, 45 МПа (200, 320, 450 кгс/см2). Приводы, с помощью которых создают высокое давление, бывают трех типов: насосный, насосно-аккуму-ляторный, мультипликаторный. Насосный привод называют иногда индивидуальным, поскольку он обслуживает один пресс. В этом приводе жидкость подается в рабочие цилиндры непосредственно насосом. Насосный привод имеет следующие достоинства: наибольший коэффициент полезного действия по сравнению с другими типами привода, достигающий 0,6–0,8; малые размеры (насос с редуктором и электродвигателем часто можно установить прямо на прессе); давление, развиваемое насосом, всегда соответствует сопротивлению, которое оказывает заготовка; т. к. последнее меняется во время рабочего хода, давление является переменным; от производительности насоса зависит скорость движения поперечины при определенных размерах плунжера. Вместе с тем насосный привод имеет недостатки. Насосы и двига- тели к ним следует выбирать по максимальной скорости, с которой должна двигаться поперечина, и максимальному давлению, которое должен развивать пресс. А на практике далеко не всегда требуется, чтобы пресс работал на максимальных параметрах. Поэтому при обратных и холостых ходах, вспомогательных операциях, не говоря уже о рабочем ходе, мощность насосов используется не полностью. Для быстроходных прессов с большими усилиями требуются насосы высокой производительности и двигатели большой мощности. Насосно-аккумуляторный привод отличается тем, что на пути от насоса к прессу поставлен аккумулятор, т. е. баллон, в котором скапливается, аккумулируется жидкость под высоким давлением. Когда требуется, аккумулятор за короткое время отдает запас накопленной жидкости и начинает запасаться ею снова. Следовательно, аккумулятор как бы замещает в нужный момент недостающую мощность насосов и двигателей, обеспечивая высокую скорость движения поперечины и необходимое усилие пресса. При насосно-аккумуляторном приводе скорость подвижной поперечины зависит не от производительности насоса, а от сопротивления заготовки, преодолеваемого поперечиной. Усилие во время рабочего хода соответствует тому давлению, под которым жидкость находится в аккумуляторе. В гидропрессовой установке с насосно-аккумуляторным приводом потерь больше, чем в установке с насосным приводом. Потому что в последней установлены короткие трубопроводы, простая система управления по сравнению с насосно-аккумуляторным приводом. Избыток давления в аккумуляторе, т. е. разница между давлением в аккумуляторе и давлением, которое идет на деформацию заготовки, тратится на преодоление сопротивлений в гидравлических трубах, клапанах и т. д. Поэтому к. п. д. насосно-аккумуляторного привода ниже, чем к. п. д. насосного привода, и тем ниже, чем меньше сопротивление заготовки. Мультипликаторы применяются в совокупности с насосным или насосно-аккумуляторным приводами и представляют собой устройства для дополнительного повышения давления жидкости перед подачей ее в рабочие цилиндры. Мультипликатор – это установка, состоящая из двух цилиндров различных диаметров (рис. 1.31). В цилиндр большого диаметра поступает пар или воздух (паровоздушный мультипликатор) либо жидкость от аккумулятора или насоса (гидравлический мультипликатор). В качестве мультипликатора может использоваться также одноплунжерный насос, приводимый в движение электродвигателем. От цилиндра меньшего диаметра жидкость под высоким давлением подаётся к прессу. Из условий равновесия видно, что, подведя к большому плунжеру давление Р1, на малом плунжере получим давление Р2 = (F/f)P1 или P2 = (D/d)2P1, где F и f – соответственно площади большого и малого плунжеров (здесь не учитываются потери на трение в механизме мультипликатора). Ход пресса будет во столько раз меньше хода мультипликатора, во сколько раз площадь (квадрат диаметра) плунжера пресса больше площади (квадрата диаметра) плунжера мультипликатора. Паровоздушные мультипликаторы не экономичны и поэтому во вновь выпускаемых прессах не применяются. Они сохранились лишь в ковочных прессах старой конструкции. При использовании гидравлического мультипликатора прессы работают с давлением рабочей жидкости до 150 МПа (1500 кгс/см2). Гидравлические мультипликаторы применяются как средство получения большого количества ступеней усилий и скоростей пресса. Это необходимо для экономии жидкости высокого давления и повышения к. п. д. прессовой установки при технологических операциях, в течение коРис. 1.31. Схема дейторых усилие переменно или меньше номинально- ствия мультипликатора го усилия пресса. Мультипликаторы с приводом от электродвигателя применяются только на небольших прессах. Идеальная рабочая жидкость должна иметь хорошие уплотняющие, антифрикционные и смазывающие свойства, быть стойкой по отношению к коррозии, стабильной в эксплуатации, дешевой и доступной. В качестве рабочей жидкости в гидропрессовых установках используют водные эмульсии и масла. Применение воды нежелательно, т. к. она приводит к коррозии трубопроводов и клапанных устройств. Кроме того, вода замерзает при 0 °С, имеет низкую уплотнительную и смазывающую способности, вызывает сильное трение в уплотнительных узлах, отчего ускоряется их износ. Эмульсия по внешнему виду напоминает молоко; основой эмульсии является вода, в которую добавляется эмульсол – особый вид масла или жира. Наиболее употребительна эмульсия, представляющая собой 1–1,5 % раствор эмульсола в воде. В отечественной промышленности используется эмульсол Э-2 Б по ГОСТ 1975-75, состоящий из 70–80 % веретенного масла, 7–10 % масляных асидолов, 0,75–1 % едкого натра (остальное этиловый спирт или этилен-гликоль). При использовании эмульсии для привода пресса применяют кривошипные плунжерные насосы. В качестве рабочей жидкости применяют минеральные масла, которые являются продуктами переработки нефти и обладают очень хорошими смазывающими, уплотняющими и антикоррозионными свойствами. Масло является более вязкой жидкостью, чем вода или эмульсия, поэтому в гидроприводах могут применяться не клапанные распределители, как в приводах, работающих на воде или водных эмульсиях, а более простые – золот- никовые. Однако масло огнеопасно, поэтому в обращении с ним надо соблюдать осторожность. В гидроприводах используют, как правило, масло «Индустриальное 20», а в качестве источника давления – ротационноплунжерные насосы. Выбор давлений рабочей жидкости обусловливается применяемыми для изготовления цилиндров прессов сталями с пределом текучести 350–450 МПа (3500–4500 кгс/см2), а также стойкостью уплотнений. При учете этих двух условий наиболее подходящими оказываются давления 20–40 МПа (200–400 кгс/см2). Так, при насосном приводе давление рабочей жидкости принимается равным 20 МПа (200 кгс/см2), при насосно-аккумуляторном приводе без мультипликатора – 20–32 МПа (200– 320 кгс/см2), с мультипликатором – до 150 МПа (1500 кгс/см2). Гидравлические прессы классифицируют по конструктивным особенностям и назначению. Характерными признаками конструкции являются расположение цилиндров и тип станины. В соответствии с вертикальным и горизонтальным расположением цилиндров различают вертикальные и горизонтальные прессы. У вертикальных прессов рабочие цилиндры чаще всего располагаются вверху станины (в случае их размещения внизу отсутствуют обратные цилиндры, а возврат поперечины в исходное положение происходит под действием собственной тяжести). Обратные цилиндры располагаются в основании пресса, но могут также находиться наверху. Тогда их соединяют с поперечиной пресса тягами или специальной поперечиной. По конструкции станин прессы могут быть стоечными или колонными, (движение ползуна пресса направляется по стойкам или колоннам). Одностоечные станины применяются в прессах небольшого усилия. Такая конструкция обеспечивает свободный доступ к прессу и хороший обзор рабочего пространства. Двухстоечная станина более жесткая, создает лучшее направление для ползуна и применяется для точных работ. Колонные прессы (рис. 1.32) строятся с разным числом колонн – от двух и выше. Наиболее распространены четырехколонные прессы. Сниженной металлоемкостью характеризуются прессы с предварительно напряженными станинами, составленные из полуцилиндрических ригелей 1 и стоек 2, скрепленных высокопрочной лентой (или проволокой) 3. Предварительное натяжение скрепляющего элемента выбирают с таким расчетом, чтобы стык между ригелями и стойками не раскрывался при рабочей нагрузке. Рабочие цилиндры 4 монтируют в верхнем или нижнем ригелях или свободно опирают на один из них. Рис. 1.32. Схема пресса со станиной, скрепленной КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ высокопрочной лентой 1. На каких физических законах основано действие гидравлических прессов? 2. За счет чего в гидравлических прессах развиваются и как обеспечиваются большие ходы плунжера насоса? 3. Из каких основных частей состоит гидропрессовая установка? 4. Опишите принцип работы мультипликатора. 5. Какие жидкости применяются в качестве рабочих в гидравлических прессах? 6. Каким образом классифицируют гидравлические прессы? Оборудование для машинной ковки Для машинной ковки применяются ковочные молоты и ковочные прессы. Молотами называют кузнечные машины, предназначенные для обработки металлов ударами падающих частей. Молоты делятся на паровоздушные, пневматические и с механическим приводом. Паровоздушные молоты приводятся в действие паром или воздухом под давлением 0,6–0,8 МПа. В зависимости от конструкции стоек различают одностоечные, арочные и мостовые молоты. Пар или сжатый воздух (рис. 1.33) подается в рабочий цилиндр под поршень или над ним. Поршень соединен штоком с бабой и верхним бойком. Нижний боек укреплен на шаботе, установленном на отдельном фундаменте. Параметры паровоздушных молотов регламентируются стандартом ГОСТ 9752-75 в диапазоне масс от 1 до 8 т. Ориентировочно молот можно выбрать по следующим данным: m, кг……………… 1000 2000 3150 5000 8000 Максимальная сторона квадрата, мм.............................. 160 225 275 350 400 Примерная масса поковок, кг: гладких.……...до 250 250–500 500–750 750–1500 1500–2500 фасонных……до 70 70–180 180–320 320–700 700–1300 Пневматические молоты применяют для получения из сортового проката поковок массой до 0,2 т. Основные параметры пневматических молотов регламентированы ГОСТ 712-82 в диапазоне масс ударных частей 50–1000 кг и энергий удара 0,8–28 кДж. Ориентировочно молот можно выбрать по следующим данным: m, кг………………..50 80 160 250 400 630 1000 Максимальная сторона квадрата, Мм.………………….40 50 65 75 100 125 160 Примерная масса поковок, кг: гладких …. до 8 8–12 12–15 15–35 35–60 60–120 120–250 фасонных.. до 1,5 1,5–2 2–5 5–8 8–18 18–30 30–70 1 2 3 4 5 6 Рис. 1.33. Принципиальная схема паровоздушного молота простого действия: 1 – отверстия для выхода воздуха; 2 – рабочий цилиндр; 3– поршень; 4 – штык ; 5 – баба; 6 – верхний боек; 7 – нижний боек; 8 – промежуточная подушка; 9 – шабот 7 8 Наибольшая производительность П пневматического молота зависит от массы ударной: m, кг………………..50 80 160 250 400 630 750 1000 П, кг/ч………………45 75 100 140 200 320 375 500 Для подачи и снятия заготовки молоты оснащаются рельсовыми и безрельсовыми манипуляторами грузоподъемностью 3–50 кН. К молотам с механическим приводом относятся фрикционные молоты с доской, с ремнём, винтовые фрикционные молоты и приводные механические (кривошипные). На фрикционных молотах для подъёма бабы используются силы трения. Падение бабы происходит под действием собственной массы и этим определяется энергия удара. Падающие части включают либо жест9 кий элемент (молоты с доской), либо гибкий (молоты с ремнём). Фрикционные молоты применяются для горячей и реже для холодной штамповок листовых изделий из мягкой стали и цветных металлов. Для ковки фрикционные молоты не применяются. У винтовых фрикционных молотов баба соединена с винтовым шпинделем. Винт приводится во вращение электродвигателем при помощи двух дисков попеременно: один диск используется для опускания ползуна, а второй для подъёма. В кривошипных молотах движение передаётся рычажной системой от электродвигателя через кривошип упругому элементу: резиновому, рессорному или пружинному. Упругий элемент отдаёт энергию молотовой бабе, ускоряя её падение. Эти молоты применяют для протяжки заготовок небольшого поперечного сечения, например при изготовлении подков, лезвий ножей, медицинского инструмента и т. п. Ковочные гидравлические прессы изготавливаются по ГОСТ 7280-80 номинальным усилием 5–50 МН. Прессы имеют рабочие цилиндры, создающие усилия обжатия поковки, и цилиндры обратного хода. Гидропривод пресса должен развивать большую мощность во время обжатия заготовки. Для создания запаса жидкости высокого давления используется гидравлический аккумулятор или мультипликатор. К. п. д. прессовых установок невелик и составляет 6–8 % для прессов с аккумуляторами и 1,5–2 % с мультипликаторными приводами. Ориентировочно пресс можно выбрать по массе обрабатываемой заготовки. Масса, т 0,6–2 2–5 5–12 14–28 33–60 60–98 Р, МН 5 8 12,5 30 32 50 Выбор молотов и прессов Выбор молота или гидравлического пресса для машинной ковки можно произвести с большей точностью, используя теоретические и экспериментальные зависимости, найденные для каждой отдельной операции. Например, при осадке можно определить необходимую массу падающих частей молота или наибольшее усилие для гидравлического пресса. Порядок расчёта при этом следующий. 1. По известным геометрическим размерам заготовки до и после обжатия определяют степень деформации прессом: ε = Δh / h0, где Δh – разность высот заготовки до и после обжатия; h0 – высота заготовки до обжатия. Для молота задаются степенью деформации большей или равной критической (εкр = 0,12). 2. Находят скорость деформации: ξmax = v / h, где v – скорость движущихся частей пресса или молота. 3. Зная ε и ξmax., по эмпирическим зависимостям [4] или по ф-ле Андрюка-Тюленева (σs = k·σ0 · ξa (10ε)b·Т/1000 , где σ0 – базовое сопротивление деформации ξ = 1 с-1, ε = 0,1 и Т = 1000 °С; k, a, b, c – расчётные коэффициенты, найденные для разных марок стали [4]) находят сопротивление деформации σs. 4. Вычисляют среднее давление при обжатии: fd Ps s (1 ) , 3h где d – диаметр заготовки после обжатия; f = 0,4–0,45, коэффициент трения. Более точно σs и Ps можно определить по экспериментальным зависимостям [4]. 5. Усилие пресса или молота рассчитывают по ф-ле: d 2 . P Ps 4 На этом расчёт для пресса заканчивается. 6. Так как молот совершает несколько ударов, то прежде, чем найти массу его падающих частей, определяют обжатие Δh за последний удар Δh=εh0 /(1 – ε) и только затем массу m =2PΔh / ηv2. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Как в молоте получают необходимую кинетическую энергию для удара? 2. Какие типы молотов вы знаете? 3. Из каких основных частей состоит молот для ковки? 4. Как можно выбрать молот? 5. Как устроен ковочный гидравлический пресс? 6. Зачем в гидравлическом прессе используется аккумулятор и мультипликатор? 7. По каким данным выбирается ковочный пресс? ЗАДАНИЕ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ Определить наибольшее усилие при осадке на гидравлическом прессе и массу падающих частей при осадке на молоте цилиндрической заготовки диаметром d0 = 200 мм и высотой h0 = 200 мм. Осадка производится до высоты h = 120 мм. Скорость движения бойка пресса vn = 0,08 м/с. Скорость падающих частей молота vк = 6 м/c. Материал – низкоуглеродистая сталь (σ0 = 107; k = 0,97; a = 0,117; b = 0,165; c = - 2,73). Оборудование для объемной штамповки Около 80 % штампованных поковок производят на универсальных паровоздушных штамповочных молотах (ПВШМ), кривошипных горячештамповочных прессах (КГШП) и горизонтально-ковочных машинах (ГКМ). Наиболее крупные изделия штампуют на гидравлических прессах Рис. 1.34. хема бесшаботного молота с ленточной связью: 1 – рабочий цилиндр; 2 – металлические ленты; 3, 4 – верхняя и нижняя бабы; 5 – части штампа Устройство ПВШМ напоминает паровоздушные молоты с той лишь разницей, что станина крепится непосредственно к шаботу и имеет длинные направляющие бабы. Это сделано для того, чтобы верхняя и нижняя части штампа точно совпадали. Увеличено также соотношение масс шабота и падающих частей в 20–30 раз и число ударов в минуту. Теперь оно составляет 90–110 мин –1. Современные молоты оснащены выталкивателями поковки из нижней половины штампа, что позволяет использовать молот при работе в автоматической режиме в составе автоматизированных комплексов. Основной недостаток ПВШМ – низкий к. п. д. Применяют также бесшаботные (рис. 1.34) паровоздушные и гидравлические молоты с приводом обеих частей штампа. Энергия удара здесь поглощается механизмами молота и не передается фундаменту и зданию цеха. Наиболее распространены молоты с ленточной связью. Массу падающих частей m, кг, рассчитывают: а) в случае круглой поковки диаметром D: 2 2 m 10 s (1 0,005D)(1,1 ) (0,75 0,001D 2 ) D S; D б) в случае удлиненных поковок l > в: 2 2 m 10 s (1 0,005Dпр )(1,1 )(0,75 0,001Dпр )(1 0,1 l в ) Dпр , Dпр где Dпр 1,13 S ; S – площадь поковки в плане, см2. Для закрытой штамповки ориентировочно m = (3,5–5) S. В цехах крупносерийного производства широко применяются кривошипные горячештамповочные прессы (КГШП). Номинальные усилия КГШП составляют от 6,3 до 63 МН. В особых случаях применяют КГШП усилием до 125 МН. Каждые 10 МН примерно эквивалентны 1 т массы падающих частей молота. Скорость верхнего штампа КГШП не превышает 0,8 м/с, а в конце хода равна нулю. При работе пресса нет ударных нагрузок, поэтому для него не нужен массивный фундамент. Требуемое усилие КГШП максимально на последней стадии штамповки. Для ориентировочного расчета усилия рекомендуется ф-ла: Р = Кg S σв, где S – площадь поковки в плане без облоя; σв – временное сопротивление металла поковки в конце штамповки; коэффициент Кg для круглых поковок равен: 2 K g 8(1 0,001D)1,1 (20 / D) ; для некруглых поковок: 2 K g 8(1 0,001Dпр )1,1 (20 / Dпр ) 1 0,1 l в , где D – диаметр круглой поковки, мм; Dпр 1,13 S – приведенный диаметр некруглой поковки, мм; в = S / l – средняя ширина поковки в плане, мм. Широко распространены также горизонтально-ковочные машины (ГКМ). Они являются механическим прессом, в котором кроме главного деформирующего ползуна есть еще боковой зажимной ползун. Он зажимает недеформируемую часть прутка и осуществляет высадку в матрицах. Преимущества ГКМ: удобство штамповки деталей в виде стержня с утолщением на конце, экономия металла, т. к. нет облоя и штамповочных уклонов, безударная работа. Недостатки ГКМ: меньшая универсальность, меньше чем у пресса, мощность, высокая стоимость штампов и самой ГКМ, необходимость очистки прутка от окалины. На базе ГКМ создаются комплексы со средствами автоматизации и механизации, в том числе с автоматизированной сменой штампов. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Какое оборудование для объёмной штамповки применяется в большинстве случаев? 2. Чем отличаются штамповочные молоты от ковочных? 3. Опишите конструкцию молотов, у которых энергия удара не передаётся фундаменту цеха. 4. В чём заключается главная особенность горизонтально-ковочных машин? 5. Как ориентировочно определить необходимое усилие кривошипного горячештамповочного пресса? 6. Перечислите преимущества и недостатки горизонтально-ковочных машин. Оборудование для листовой штамповки Листовая штамповка – один из наиболее прогрессивных видов производства. Изделие штампуют из полосовой, листовой или ленточной заготовок сталей, цветных металлов, металлов с пластмассовыми покрытиями. По способу пластической деформации штамповку листа подразделяют на резку, гибку, вытяжку и формовку. В одном штампе обычно экономически выгодно совмещать несколько операций штамповки. Основные операции листовой штамповки делятся на разделительные (отрезка, вырубка, пробивка, обрезка, надрезка и т. п.) и формообразующие (гибка, скручивание, закатка, правка, вытяжка, рельефная формовка, чеканка и т. д.). При разделительных операциях применяются ножницы и штампы, впрочем как и для формообразующих (ножницы оборудуются дополнительными приспособлениями). Штампы. В конструкции штампа главными элементами являются пуансон и матрица. Кроме них предусмотрены вспомогательные части для крепления отдельных частей штампа, фиксации положения заготовки, удаления отходов и съема деталей. Кратко рассмотрим устройство вырубных и пробивных штампов. Пуансон крепится к ползуну и во время работы перемещается, например, вниз и вверх. В матрице имеется отверстие, форма и размеры которого соответствуют заготовке изделия. Пуансон изготовляют таким же, как отверстие в матрице, но так, чтобы он входил в отверстие с определенным зазором. Поэтому при опускании ползун вырубает в листе заготовку изделия. Полоса заготовки перемещается по верхней плоскости матрицы, когда пуансон выходит из отверстия и останавливается в верхнем положении. Для центрирования верхней части штампа с ползуном и пуансоном относительно нижней, где расположена матрица, имеются направляющие колонки. При вырубке точность изделия зависит от размеров матрицы, поэтому зазор получают за счёт уменьшения пуансона, а при пробивке – за счёт увеличения матрицы. Более сложная конструкция у многооперационных штампов. Там за один ход ползуна пресса выполняют несколько операций последовательно (штампы последовательного действия) или одновременно (штампы совмещенного действия). Многооперационные штампы могут совмещать до пяти операций. Процесс резки в штампах подобен процессу резки на ножницах. Для предотвращения изгиба, повышения качества реза и точности размеров используют точную штамповку. Ее особенности – наличие верхнего и нижнего прижимов, создание трехосного сжатия в зоне реза с помощью клиновых выступов на верхнем прижиме, замедление скорости пуансона перед встре- чей с листом, точные размеры штампа и матрицы (зазор ~ 0,01 мм). Качество отрезанной кромки таково, что не требуется зачистки, фрезерования или шлифовки, зоны излома на кромке нет, ее шероховатость отвечает 8–9 классу. Однако, усилия для точной штамповки требуется на 30–50 % больше. Оборудование для резки заготовок Резка проката и слитков – самая распространенная операция металлообработки. В качестве оборудования, осуществляющего резку заготовок, применяют ножницы и отрезные станки. Среди ножниц наибольшее распространение получили кривошипные (для резки сортового проката, листового проката) и комбинированные. Ножницы для сортового проката выпускаются с номинальным усилием до 40 МН (модель НА15460), они могут резать круглые штанги диаметром до 320 мм (при σв = 500 МПа), квадрат со стороной до 320 мм, полосу 450×200 мм и совершают до 12 ходов в минуту. Мелкие сортовые ножницы могут совершать до 50 ходов в минуту. Рассмотрим подробнее режущие средства ножниц. По расположению ножей различают ножницы с параллельными и наклонными ножами. Ножницы с параллельными ножами применяют для резания заготовок прямоугольного и квадратного сечений, а также сортовых профилей (уголок, швеллер) в горячем и холодном состоянии. В зависимости от схемы резания различают ножницы с верхним и нижним резом. Ножницы с верхним резом обычно выполняют с кривошипно-шатунным механизмом и электрическим приводом. Они проще, но имеют недостатки: на нижней грани полосы после реза образуется заусенец; затруднено дальнейшее продвижение полосы; требуют применения качающегося стола. Поэтому при резке сечений высотой более 30–60 мм применяют ножницы с нижним резом. Для операций над листовым прокатом используются следующие типы ножниц: кривошипные листовые с наклонным ножом (гильотинные); высеченные; многодисковые для рулонной и листовой стали; двухдисковые одностоечные с наклонными ножами. Наибольшее распространение получили кривошипные ножницы с механическим от электродвигателя приводом, основным рабочим органом которых является кривошипный механизм. В них используются три схемы резки: с вертикальным движением верхнего ножа, с движением по дуге и с движением под углом 1о30'–2о к вертикали. Ножницы с вертикальным движением ножа предназначены для резки полос под штамповку и заготовок с грубым полем допуска. Ножницы с движением ножа по дуге применяются при подготовке кромок отрезаемой полосы под сварку. Последний вид ножниц с наклонным движением ножа предназначен для получения точных заготовок. Рассмотрим один из способов расчёта усилия резания на ножницах с наклонным верхним ножом и выбора электродвигателя для при- вода. Полное усилие резания можно рассчитать по формуле В. В. Носаля: Pп k 6,0 в 5 a2 (1 tg 1 tg z ) , Н, 10 5 0,6 5 1 в y2x где k – коэффициент, учитывающий притупление ножей и прочность разрезаемого металла и зависящий от толщины разрезаемого листа; σв – временное сопротивление разрезаемого металла, 10 5Па; δ5 – относительное удлинение разрезаемого металла; а – толщина разрезаемого листа, мм; φ – угол наклона верхнего ножа ножниц в градусах; y = Δ/a – величина относительного бокового зазора между ножами; Δ – боковой зазор между ножами, принимается в зависимости от толщины листа, мм; x = H / a – коэффициент, учитывающий действие прижима; H – расстояние между режущей кромкой нижнего ножа и центром прижима в мм, зависящее от толщины разрезаемого листа; z – коэффициент изгиба, зависящий от длины отрезаемой полосы l, φ, δ5, а. z………………… 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 0,95 λ = l·tgφ / δ5 · a … 1,0 1,3 1,6 2,2 3,1 4,2 6,3 ≥ 15 Коэффициент k притупления ножей принимается по следующим дан- ным σв , 105Па……………………до 100 100–150 150–200 1,5 k……………………………..……1,2 2,0 Усилие резания в прикидочных расчётах можно принять по табл. 1. Оно рассчитано по ф-ле В. В. Носаля при σв = 50·105 Па, δ5 = 22 %, коэффициенте притупления k = 1,15 и следующем расстоянии H от центра до режущей кромки нижнего ножа для гидроприжима: а, мм ……….2,5 H, мм……….. 4 6,3 10 65 12,5 70 16 20 25 32 90 Схема приложения сил показана на рис. 1.35. Усилие механического прижима определяем по формуле kPн , Н где Н – расстояние между режущей кромкой нижнего ножа и центром прижима, мм; k – коэффициент, зависящий от толщины а разрезаемого листа. Pпр Рп Pпр Н а Δ Рис. 1.35. Схема приложения сил а, мм 1,0–2,5 4,0–6,0 k 4,0 3,0 Зазор Δ между ножами составляет а, мм ……2,5 4,0 6,3 10 12,5 Δ, мм…...0,15 0,3 0,45 0,65 0,9 8,0–10,0 2,0 16 1,1 20 1,4 12,0–16,0 1,5 25 1,75 32 2,2 Таблица 1 Усилие резания в зависимости от угла φ наклона верхнего ножа Угол φ 3˚ 2˚ 1˚ 30΄ 20΄ 10΄ 0΄ 50΄ 40΄ 30΄ 20΄ 10΄ 0΄ 50΄ 40΄ 30΄ 20΄ 10΄ 0΄ 2,5 – – – – – – – – – – – – – 3,75 4,25 5 Максимальное усилие резания в 104 Н при а в мм 4 6,3 10 12,5 16 20 25 – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – 150 – – – – – 100 160 – – – – – 106 165 – – – – 75 112 170 – – – – 80 118 180 – – – – 85 132 200 – – 35,5 56 90 140 212 – 17 40 60 100 150 – 8 19 42,5 67 106 160 – 9 21,2 47,5 71 118 – – 9,5 22,4 53 80 132 – – 10,6 26,5 56 90 150 – – 12,5 30 67 106 – – – 32 212 220 224 236 250 265 – – – – – – – – – – 0˚ 50΄ 40΄ 30΄ 6 7,1 9,5 15 18 – 35,5 – – – – – – – – – – – – – – – – – – – Зная усилия резания, можно найти работу, выполняемую при резании и ориентировочную мощность электродвигателя механического привода. A p kPn H p , где Ар – работа резания, Нм10-4; k = 1,5 – коэффициент, учитывающий КПД кривошипно-шатунного механизма и редуктора привода; Нр – величина рабочего хода верхнего ножа, т. е. путь ножа, в течение которого происходит резка металла. 1 N э 2,4 10 4 Ар nТ Р , где Nэ – мощность электродвигателя, кВТ; nT – число ходов верхнего ножа в минуту; Р n p – коэффициент использования числа ходов верхнего nT ножа; np = (0,25–0,35) – число резов листа максимальных размеров в минуту; np = 0,35 для резки листа толщиной до 6,3 мм; np = 0,25 для резки толщиной 10–32 мм; – общий к. п. д. передач между электродвигателем и эксцентриковым валом. Кинематические схемы кривошипных ножниц зависят от схемы резки, вида прижима, типа привода и кривошипного механизма. Высечные ножницы применяются для фигурной резки. На них можно производить, используя специальные приспособления, резку полос, вырезку дисков, шайб, колец, спиралей, щелей, обрезку заусениц, а также формообразующие (отборка, гибка), соединительные (заклёпочные, замковые) и специальные (получение фланцев на трубах, выколотка сферических чаш) операции. На дисковых ножницах резку выполняют при встречном вращении инструмента, имеющего форму дисков. Их успешно применяют при продольной резке листового материала с большой длиной реза; для обрезки продольных кромок дисков и лент; для фигурной резки по радиусу, величина которого не меньше радиуса ножа, и т. д. У двухдисковых ножниц с наклонными ножами оси расположены приблизительно под углом 45 к горизонту и наклонены в сторону подачи листа. Каждый из дисков является приводным, имеет встречное направление вращения, при котором осуществляются технологические операции. Для резки рулонного листового материала на более узкие полосы или ленты применяют многодисковые ножницы. В процессе роспуска необрезного рулонного материала выполняют следующие операции: разматывание исходного рулона, поперечную резку переднего конца ленты, продольную резку, обрезку кромки, утилизацию отходов, сматывание нарезных лент в рулоны и отрезку заднего конца ленты. Для выполнения указанных операций многодисковые ножницы снабжают загрузочной и разгрузочной тележками, разматывателем, кромкокрошителем, или кромкомоталками, моталкой и ножницами для поперечной резки ленты. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Назовите основные элементы в конструкции штампов. 2. Приведите классификацию конструкций ножниц для резки листового и сортового проката. 3. Перечислите конструктивные особенности кривошипных листовых ножниц с наклонным ножом. 4. Какие схемы резки для кривошипных листовых ножниц вы знаете? Каково назначение ножниц с различными схемами резки? 5. Для чего применяются высеченные и дисковые ножницы? Каковы их особенности? 6. От каких параметров зависит величина хода верхнего ножа в кривошипных ножницах? 7. Какие операции, кроме резки, могут выполняться на ножницах? ГЛАВА 3 ПРОМЫШЛЕННЫЕ РОБОТЫ Роботы как универсальные автоматы, ведущие себя подобно человеку и выполняющие часть его функций – яркий пример применения идей писателей-фантастов в обычной жизни. Может именно поэтому общепризнанного определения, что такое робот, до сих пор нет. Что касается промышленных роботов, освобождающих рабочих от тяжелого, вредного, монотонного труда, то в нашей стране это понятие стандартизировано. В ГОСТ 25686 – 85 « Манипуляторы, автооператоры и промышленные роботы» записано следующее определение: промышленный робот – это «автоматическая машина, стационарная или передвижная, состоящая из исполнительного устройства в виде манипулятора, имеющего несколько степеней подвижности, и перепрограммируемого устройства программного управления для выполнения в производственном процессе двигательных и управляющих функций». Одно из основных преимуществ промышленного робота (ПР) – возможность быстрой переналадки для выполнения задач, отличающихся последовательностью и характером действий манипулятора. Поэтому ПР органично вписываются в современное автоматизированное машиностроительное производство. 3.1. ПРИМЕНЕНИЕ ПРОМЫШЛЕННЫХ РОБОТОВ Роботы нашли применение в различных сферах машиностроительного производства. Например, при механической обработке деталей с помощью ПР автоматизируют: установку заготовок в рабочую зону станка и (при необходимости) контроль правильности их базирования; снятие готовых деталей со станка и размещение их в тару (накопитель); передачу деталей от станка к станку; кантование деталей (заготовок) в процессе обработки; контроль размеров деталей; очистку базовых поверхностей деталей и приспособлений; смену инструментов. Более сложные конструкции ПР используются в сварочном производстве, при автоматической сборке узлов. Опыт эксплуатации ПР показывает, что наиболее целесообразной формой их применения в условиях серийного производства является создание роботизированных технологических комплексов (РТК), на базе которых можно создавать роботизированные участки, автоматические линии, гибкие производственные системы. РТК – это автономно действующая автоматическая станочная система, включающая одну и более единиц технологического оборудования и имеющая в своём составе ПР. На базе одних и тех же моделей станков могут создаваться РТК раз- личных компоновок, комплектуемые ПР, обладающие различными технологическими и техническими возможностями. РТК для механической обработки деталей. При обработке заготовок на металлорежущих станках промышленные роботы должны осуществлять установку заранее ориентированных заготовок в рабочую зону станка; снятие деталей со станка и раскладку их в тару или укладку в магазин (конвейер); кантование деталей; выдачу технологических команд для управления технологическим оборудованием; транспортирование деталей между станками. Рассмотрим несколько примеров. РТК мод. КС10.48 предназначен для токарной обработки широкой номенклатуры деталей типа фланцев диаметром 40... 160 мм и массой до 10 кг в условиях мелкосерийного и серийного производств. Заготовки устанавливаются в станок с помощью трехкулачкового самоцентрирующего патрона. В состав РТК (рис. 3.1) входят токарно-револьверный станок 1 модели 1В340Ф30; ПР 2 модели М20Ц48.01, оснащенный двумя захватными устройствами 3; дисковый магазин 6 с дисками 5; ограждение 4. РТК имеет линейную компоновку и управляется от УЧПУ ПР. Приемная и загрузочная позиции РТК совмещены. На станке производится либо полная обработка детали (с одной установки), либо обработка детали с одной стороны. В последнем случае обработка другой стороны детали производится или на другом РТК, или на том же РТК после его соответствующей переналадки. Детали устанавливаются на диске (с ориентирующими штырями), размещенном на поворотном магазине. Магазин устанавливается так, чтобы две его соседние позиции могли обслуживаться захватными устройствами ПР. Расстояние между двумя руками ПР равно расстоянию между двумя соседними позициями магазина. Когда каретка ПР останавливается в крайнем левом положении, руки ПР оказываются под соответствующими позициями магазина, в результате чего взятие заготовки и укладка обработанной детали производятся одновременно. После выработки стопы заготовок и заполнения стопы обработанных деталей магазин поворачивается на один шаг, подводя под разгрузочную руку пустую позицию, а под загрузочную руку стопу заготовок. ПР во время работы станка захватывает заготовку и удерживает ее в непосредственной близости от рабочей зоны станка. Когда обработка детали закончена, ПР первым свободным захватным устройством снимает готовую деталь, а вторым – устанавливает на ее место следующую заготовку, после чего обработка возобновляется. Во время обработки этой детали ПР укладывает изделие в разгрузочную позицию магазина и одновременно свободным вторым захватом берет из стопы заготовку и переносит ее в позицию, расположенную в непосредственной близости от рабочей зоны станка. Рис. 3.1. РТК для токарной обработки мод. КС10.48: 1 – токарно-револьверный станок мод. 1В340Ф30; 2 – ПР мод. М20Ц48.01; 3 – захватное устройство; 4 – ограждение; 5 – диск; 6 – дисковый магазин Дисковый магазин предназначен для хранения заготовок и обработанных деталей в стопах и выдачи их на позиции загрузки-выгрузки. Магазин включает в себя поворотный стол с приводом, на столе закреплена планшайба; диск фиксируется от поворота пальцем, установленным на планшайбе. Прежде чем войти в какую-либо зону рабочего пространства ПР, оператору необходимо поднять ограничитель, преграждающий ему путь. При этом срабатывают связанные с ограничителем микропереключатели, прерывающие работу ПР. Для повышения надежности оба микропереключателя работают параллельно. ПР оснащен двумя одноместными захватными устройствами, которые удерживают деталь (фланец диаметром 40... 160 мм) тремя губками, синхронно сходящимися под углом 120° и центрирующими заготовку. Захватное устройство установлено в опоре качания и может поворачиваться (с помощью толкателя и рычага) вокруг горизонтальной оси. Крепление захватного устройства в руке ПР осуществляется посредством стандартизированного хвостовика. Применение ПР для кузнечно-прессового оборудования. Выбор схемы построения РТК в кузнечно-прессовом производстве определяют следующие факторы: характер технологического процесса; вид технологического оборудования и его технические характеристики; конструкция ПР. Следует учитывать, что обработка металлов давлением является высокоскоростным процессом, поэтому заготовки должны подаваться на загрузочную позицию кузнечно-прессовой машины поштучно и в строго ориентированном виде. Форма заготовки должна обеспечивать возможность их перемещения и переориентации как при передаче с машины на машину, так и в межштамповочном пространстве в случае многопереходной обработки на одной машине; при этом фиксация заготовки на всех этапах обработки должна быть однозначной. Следовательно, использование ПР целесообразно для автоматизации загрузки-выгрузки простейших типов деталей, имеющих ясно выраженные базы и признаки ориентации, а также поверхности для надежного захватывания и удержания. Рис. 3.2. РТК на базе однокривошипного пресса простого действия: 1, 5 – шкафы; 2 – пресс; 3 – система датчиков; 4 – устройство поштучной выдачи заготовок; 6 – ПР; 7 – тара На рис. 3.2 приведен РТК на базе однокривошипного пресса. Принцип работы РТК следующий. Устройство 4 поштучной выдачи заготовок установлено возле пресса 2. ПР 6 берет заготовку из устройства 4 и передает ее в рабочее пространство пресса 2. Информация к ПР поступает от системы датчиков 3. Готовые изделия с помощью ПР передаются в специальную тару 7. Система управления прессом смонтирована в шкафу 1, а система управления ПР — в шкафу 5. Применение ПР для окрасочных работ. Наиболее распространен- ными в машиностроительных отраслях методами нанесения лакокрасочных покрытий являются пневматическое и безвоздушное распыление; окраска в электростатическом поле высокого напряжения; окраска струйным обливом; окраска окунанием с последующей выдержкой в парах растворителей; окраска электроосаждением. Как правило, при окрашивании изделий необходимо автоматизировать как подъемно-транспортные операции, так и процесс самой окраски. Основным средством автоматизации транспортных операций являются конвейеры (шаговые и непрерывного действия; с установкой или подвеской деталей; ленточные, пластинчатые, цепные, штанговые и др.). Для перегрузки и установки-снятия деталей используют подъемники, перегружатели, кантователи, роликовые конвейеры и технологические тележки. Окраску в зависимости от применяемого метода выполняют в стационарных ваннах, а также посредством распылителей и других устройств. В то же время транспортирование и окраску можно автоматизировать с помощью ПР. Для перемещения и окунания (в ванны) подвесок с изделиями используются как специальные, например, предназначенные для обслуживания ванн гальванопокрытий, так и универсальные ПР. Требования, предъявляемые к ПР, производящим окрасочные операции, в значительной степени определяются спецификой их работы. ПР, работающие в окрасочных камерах, должны иметь герметичное исполнение. Число степеней подвижности и компоновка ПР должны обеспечивать выполнение технологического процесса окраски в соответствии с формой, габаритными размерами и относительными перемещениями изделия. Опыт показывает, что для окраски большинства изделий возможно использование ПР, имеющего 3–5 степеней подвижности при погрешности позиционирования 2... 3 мм. Типовой окрасочный ПР содержит не менее пяти степеней подвижности, обеспечивающих возможность реализации сложных пространственных движений. Важным элементом окрасочных ПР является рука с запястьем, на котором располагается распылитель. Как правило, в стандартном исполнении запястье выполняют в виде двухосного узла, позволяющего изменять положение распылителя по двум взаимно-перпендикулярным осям. Применение ПР для ванн гальванопокрытий. Для обслуживания ванн гальванопокрытий применяются универсальные ПР, установленные стационарно или на подвижной рельсовой тележке, перемещающей ПР вдоль ряда ванн. Одни транспортные ПР (имеющие ход по монорельсу 12 и 18 м) предназначены для группового обслуживания ванн, а другие (специализированные ПР) − для обслуживания автоматических линий гальванопокрытий. ПР должны быть защищены от коррозирующего воздействия испарений химических растворов, находящихся в ванных. Грузоподъемность и скорость перемещения ПР должны обеспечивать требу- емую производительность автоматической линии. Рис. 3.3. Автоматическая линия нанесения гальванопокрытий с ПР тельферного типа: 1 – ПР; 2 – монорельс; 3 – позиционные датчики; 4 – кабель; 5 – система управления ПР; 6 – ванны гальванопокрытий; 7 – позиция выдачи и подготовки подвесок ПР захватывает подвеску с деталями из гнезд специального магазина и по программе перемещает и опускает ее в ванну с соответствующими растворами. При этом в системе управления ПР программируется время выдержки контейнеров в ваннах и последовательность обслуживания ванн на линии. После окончания обработки подвеска с деталями перемещается в магазин. Универсальные ПР, размещенные стационарно рядом с установкой для нанесения покрытий или на подвижной тележке, применяют в основном при нанесении покрытий на отдельные детали, требующие дополнительных поворотов и перемещений при выполнении технологической операции. Более широко для обслуживания автоматических линий применяются ПР тельферного типа (рис. 3.3). Для перемещения ПР вдоль ванн используют подвешенный к перекрытию цеха или к специальным Гобразным стойкам монорельс, который может быть прямолинейным (в однорядных линиях) или замкнутым (в двухрядных). Тельферные ПР обеспечивают: компактность линии, поскольку длина монорельса (особенно, если он подвешен к перекрытию цеха) не влияет на длину линии; свободный доступ к ваннам, что имеет большое значение при их обслуживании и ремонте; снижение металлоемкости ПР и линии в целом. 3.2. КЛАССИФИКАЦИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ РОБОТОВ Как известно, классификация производится по классификационным признакам. Таких признаков для ПР известно достаточно много, приведём основные из них. По характеру выполняемых операций ПР подразделяют на три группы: а) производственные, или технологические (ППР), – для основных операций технологических процессов; б) подъемно-транспортные, или вспомогательные, выполняющие действия типа «взять – перенести – положить»; в) универсальные для различных операций – основных и вспо- могательных. По специализации ПР подразделяют на специальные, выполняющие строго определенные технологические операции или обслуживающие конкретные модели технологического оборудования; специализированные, или целевые, предназначенные для выполнения технологических операций одного вида (сварки, сборки, окраски и т. п.) или для обслуживания определенной группы моделей технологического оборудования, объединенных общностью манипуляционных действий; универсальные, или многоцелевые, ориентированные на выполнение как основных, так и вспомогательных технологических операций различных видов и с различными группами моделей технологического оборудования. Системы основных координатных перемещений. По этому признаку ПР делятся на системы с прямоугольной, полярной и ангулярной системами координат. По числу степеней подвижности. ПР имеют от трех до шести и более степеней подвижности. Принципиально трёх степеней подвижности достаточно для вывода концевой точки манипулятора в любую точку обслуживаемого роботом пространства. Ещё три степени подвижности необходимы, чтобы в этой точке осуществлять любую угловую ориентацию захватного устройства или инструмента. Более шести степеней подвижности необходимо при обходе каких-либо препятствий. Грузоподъёмность. ПР делятся на сверхлёгкие (до 1 кг), лёгкие (до 10 кг), средние (до 200 кг), тяжёлые (до 1000 кг) и сверхтяжёлые (свыше 1000 кг). Конструктивное исполнение. ПР выполняют встроенными в оборудование, подвесными и напольными. По типу систем управления ПР делятся на три рода: программные, адаптивные и интеллектные (с элементами искусственного интеллекта). Все они обладают свойством быстрого перепрограммирования, причем у программных роботов перепрограммирование производится человеком, после чего робот действует автоматически. В адаптивные ПР основы программы действий робота закладываются человеком, но сам робот имеет свойство в определённых рамках автоматически перепрограммироваться в ходе технологического процесса в зависимости от обстановки. Ителлектным роботам задание на работу вводится человеком в более общей форме, а сам робот обладает возможностью принимать решения и планировать свои действия в неопределённой и меняющейся обстановке, чтобы выполнить заложенное в его память задание. 3.3. СТРУКТУРА ПРОМЫШЛЕННЫХ РОБОТОВ Как следует из определения, приведённого выше, ПР состоит из исполнительного устройства в виде манипулятора и устройства программного управления. Манипулятор ПР предназначен для выполнения двигательных функций при перемещении объектов в пространстве и представляет собой многозвенный механизм с разомкнутой кинематической цепью. Конструктивно манипулятор состоит из несущих конструкций, исполнительных механизмов, захватного устройства, привода с передаточными механизмами и устройства передвижения. Устройство управления ПР необходимо для формирования и выдачи управляющих воздействий манипулятору в соответствии с управляющей программой и конструктивно состоит из собственно системы управления, информационно-измерительной системы с устройствами обратной связи и системы связи. Несущие конструкции служат для размещения всех устройств и агрегатов ПР, а также для обеспечения необходимой прочности и жесткости манипулятора. Несущие конструкции выполняют в виде оснований, корпусов, стоек, рам, тележек, порталов и т. п. Исполнительный механизм – это совокупность подвижно соединённых звеньев манипулятора, предназначенных для воздействия на объект манипулирования или обрабатываемую среду. Захватное устройство – конечный узел манипулятора, обеспечивающий захватывание и удержание в определённом положении объекта манипулирования. Привод предназначен для преобразования подводимой энергии в механическое движение звеньев исполнительного механизма в соответствии с сигналами, поступающими с устройства управления. Рис. 3.4. Конструкция промышленного робота: 1 – датчик обратной связи; 2 – захватное устройство; 3 – кисть; 4 – рука манипулятора; 5 – колонна; 6 – несущая конструкция (основание); 7 – привод руки; 8 – блок управляющего устройства с пультом Устройство передвижения служит для перемещения манипулятора или ПР в целом в необходимое место рабочего пространства и конструк- тивно состоит из ходовой части и приводных устройств. Система управления необходима для непосредственного формирования и выдачи управляющих сигналов и состоит из пульта управления, запоминающего устройства, вычислительного устройства, блоков управления приводами манипулятора и технологическим оборудованием. Информационно-измерительная система предназначена для сбора и первичной обработки информации для системы управления ПР, включает в себя устройство обратной связи, устройство сравнения сигналов и датчики обратной связи. Систему связи используют для обеспечения обмена информацией между ПР и оператором или другими роботами и технологическими устройствами с целью формулировки заданий, контроля за функционированием систем ПР и технологического оборудования, диагностики неисправностей, регламентной проверки и т.п. На рис. 3.4 представлена одна из конструкций промышленного робота. Манипулятор. Соединение звеньев манипулятора в кинематическую цепь осуществляется с помощью кинематических пар, основные типы которых принято обозначать согласно табл. 8. Таблица 8 Обозначение кинематических пар Элемент Эскиз Характеристика Звено (стержень) Неподвижное закрепление звена (стойка) Жёсткое соединение Подвижное Движение отсутствует соедине- ние с перемещением вдоль прямолинейных направляющих Цилиндрическое соединение звеньев Возвратнопоступательное движение Возвратнопоступательное движение с независимым вращением вокруг продольной оси Плоское шарнирное соединение звеньев Вращение вокруг поперечной оси Шаровой шарнир Вращение вокруг трёх осей Захватное устройство Зажимные элементы подвижны Зажимные элементы неподвижны На рис. 3.5 представлен общий вид одного из типов манипулятора. Звенья исполнительного механизма обозначены цифрами 1, 2, ... , 6, характер и возможные направления движения звеньев – стрелками I, II, ..., V. Манипулятор содержит неподвижное звено 1 в виде основания или корпуса ПР, на котором установлено вращающееся вокруг вертикальной оси (в направлении стрелки I) звено 2 – колонна манипулятора. Относительно колонны вертикально (II) движется звено 3 – каретка, в направляющих которой перемещается в радиальном направлении (III) звено 4 – рука манипулятора. К руке в свою очередь присоединяется звено 5, вращающееся (IV) относительно ее продольной оси, и далее звено 6, связанное шарнирно со звеном 5 и вращающееся в направлении стрелки V. В совокупности звенья 5 и 6 по аналогии с рукой человека могут быть названы кистью. Звено 6 представляет собой рабочий орган, в частном случае – захватное устройство с захватными элементами Г (губками), которые могут совершать движения (VI), за счет чего обеспечивается «зажатие– разжатие» объекта манипулирования. Движение вращения руки (IV) часто называют ротацией, а поворота кисти (V) – сгибом. Рис. 3.5. Общий вид манипулятора ПР: 1 – неподвижное звено; 2 – колонна манипулятора; 3 – каретка; 4 – рука манипулятора; 5, 6 – звенья, аналогичные руке человека; I–V – направления движения звеньев В рассмотренном манипуляторе движения колонны, каретки и руки в направлениях I, II и III являются переносными, обеспечивающими перемещения рабочего органа или объекта манипулирования в заданное место рабочей зоны ПР; перемещение кисти и захватного устройства в направлениях IV и V – ориентирующими, необходимыми для ориентации рабочего органа или объекта манипулирования. Отдельные движения элементов рабочего органа, например, в направлении VI «зажатия – разжатия» губок захватного устройства 5, относятся к внутренним, поскольку не изменяют ни положения рабочего органа в рабочей зоне, ни его ориентации. При рассмотрении общей кинематики и динамики манипулятора эти движения не учитывают. Структурная схема манипулятора может быть представлена в виде, показанном на рис 3.6. Рис.3.6. Структурная схема манипулятора 3.4. НОМЕНКЛАТУРА ОСНОВНЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ПРОМЫШЛЕННЫХ РОБОТОВ Для ПР номенклатура основных показателей стандартизована. В государственном стандарте (ГОСТ 4.480–87) показатели делятся на две группы: качественные (общие сведения) и количественные (технические характеристики). В число общих сведений входят: выполняемая функция (например, обслуживание токарных станков, точечная сварка), число степеней подвижности (с указанием, сколько из них переносных и сколько ориентирующих), кинематическая схема с обозначением вида степеней подвижности (поступательных и вращательных), вид привода (пневматический, гидравлический, электрический, комбинированный), способ управления, способ программирования, вид рабочего органа (захватное устройство, сварочные клещи, горелка, распылитель и т. п.), способ его замены (вручную или автоматически), исполнение (обычное, пылевлагозащищенное). Рассмотрим подробнее технические характеристики ПР. Номинальная грузоподъемность. Для вспомогательных промышленных роботов она определяется как «наибольшее значение массы предметов производства или технологической оснастки, включая массу захватного устройства, при которой гарантируется их удержание и обеспечение установленных значений эксплуатационных характеристик» (ГОСТ 4.480–87). В приведенном определении грузоподъемности не уточняется, какие именно эксплуатационные характеристики должны сохранять установленные значения. Важны скорости перемещений (при больших массах усилий, создаваемых двигателями, недостаточно для выдерживания требуемых средних скоростей), показатели долговечности (при увеличении нагрузок увеличивается износ). Грузоподъемность часто не определяется экспериментально, а назначается проектировщиками и изготовителями весьма приблизительно. Если манипулятор имеет несколько рук, грузоподъемность указывается для каждой из них. Максимальная абсолютная погрешность позиционирования. По- грешность позиционирования рабочего органа манипулятора определяется как линейное отклонение определенной точки (условного центра) рабочего органа от положения, задаваемого программой или специальными устройствами (например, упорами, концевыми выключателями). Погрешность позиционирования представляет собой вектор, который характеризуется величиной (модулем) и направлением. Когда говорится просто о погрешности позиционирования, то учитывается только величина (модуль) вектора, но не учитывается его направление. Погрешности могут быть существенно различными в разных точках рабочей зоны. Когда говорится о максимальной погрешности позиционирования, то имеется в виду, что во всех точках погрешности не могут быть больше этой максимальной погрешности. Показатели захватного устройства (для вспомогательных промышленных роботов): усилие захватывания, время захватывания, время отпускания, характерные предельные размеры захватываемого предмета (например, минимальный и максимальный диаметры цилиндрического предмета). Если робот имеет набор сменных схватов, то указываются общие пределы для всех этих схватов. Показатели устройства управления: число одновременно управляемых движений по степеням подвижности (в ряде случаев допускается только последовательное, друг за другом, движение по степеням подвижности), число каналов связи с внешним оборудованием (по этим каналам подаются сигналы в устройство управления и на оборудование), параметры энергопитания (для роботов с пневмоприводом – давление и расход воздуха, для роботов с электроприводом – напряжение и потребляемая мощность). Показатели надежности: установленная наработка на отказ, установленный срок службы до капитального ремонта и до списания. Масса и габаритные размеры. Эти показатели обычно указываются раздельно для манипулятора и устройства управления. Габаритные размеры обычно приводятся для сложенного состояния, приспособленного для транспортирования. Если робот обладает какими-либо существенными особенностями, в паспорте или описании эти особенности указываются отдельно. Из большого числа показателей выделяются основные, по которым подбирается робот для работы на определенном рабочем месте. Главным параметром считается грузоподъемность. Именно в порядке повышения грузоподъемности промышленные роботы перечисляются в каталогах. Геометрические характеристики, представляющие собой линейные и угловые величины (вылет, ходы и пр.), также важны для правильного выбора робота. Установлены параметрические ряды для максимальных линейных и угловых перемещений. Числа этого ряда (в мм) следующие: 12; 20; 32; 50; 80; 100; 125; 160; 200; 250; 320; 400; 500; 630; 800; 1000; 1250; 1600; 1800; 2000. Числа ряда для углов (в град.) следующие: 15; 30; 45; 60; 90; 120; 180 и т. д. Параметрический ряд установлен также для максимальной абсолютной погрешности позиционирования (в мм): 0,05; 0,1; 0,16; 0,25; 0,5; 1,0; 1,6; 2,5; 5,0; 10; 20. Реальные значения перемещений могут отличаться от чисел, заданных параметрическим рядом, округление при этом производится в меньшую сторону (это будет означать, что действительное перемещение не меньше указанного). Наоборот, реальные значения погрешностей округляются в большую сторону (действительные максимальные значения погрешностей не больше указываемых). Геометрические характеристики рабочей зоны. Рабочая зона представляет собой пространство, в котором может находиться рабочий орган при работе ПР. Помимо рабочей зоны вводятся и другие близкие геометрические понятия: – зона обслуживания (пространство, в котором рабочий орган выполняет свои функции в соответствии с назначением ПР); – рабочее пространство (пространство, в котором могут находиться подвижные звенья манипулятора ПР). В рабочем пространстве могут находиться любые части ПР, а не только рабочий орган. Рабочая зона и пространство представляются в виде объёмных тел – параллелепипеда, цилиндра, шара и пр. или их частей. Простейшими геометрическими характеристиками рабочей зоны являются её габариты. Показатели быстродействия (время перемещений, захватывания и отпускания) зависят преимущественно от вида привода (двигателей), а при одном и том же виде привода изменяются не в очень широких пределах. Так, для наиболее быстрого – пневматического – привода значения времени перемещения могут быть существенно меньше. Показатели устройств управления в паспорте промышленного робота обычно приводятся в краткой форме, а более полно даются в отдельном описании устройства управления. Тип и возможности устройства управления очень важны при использовании промышленных роботов в гибких производственных системах, когда необходимо встраивать устройство управления в общую систему управления линией или участком. Также отдельно устанавливаются показатели рабочих органов технологических роботов (например, расход краски для распылителей окрасочных роботов, максимальная сила тока электросварочного устройства и т. п.). Необходимо отметить, что выбор робота по номенклатуре основных показателей часто не дает правильного ответа на вопрос о возможности его применения в конкретных условиях. Робот, подходящий по грузоподъемности, кинематической схеме, виду рабочего органа, возможно- стям устройства управления, вылету и перемещениям по степеням подвижности (остальные показатели обычно не являются решающими), может оказаться хорошим или плохим, удобным в эксплуатации или неудобным. При этом могут быть решающими такие факторы, которые не находят прямого отражения в номенклатуре показателей, в частности, обоснованность конструктивных решений отдельных узлов, надежность крепления наиболее ответственных деталей, доступность основных узлов для осмотра, возможность быстрой смены блоков в случае их отказа и пр. Поэтому специалисты, осуществляющие внедрение ПР, должны, помимо формальных паспортных данных о роботах, знать основные особенности конструкций манипуляторов, особенности обслуживания и ремонта. 3.5. УПРАВЛЕНИЕ ПРОМЫШЛЕННЫМИ РОБОТАМИ Как уже указывалось, по принципу управления ПР разделяются на программные, адаптивные и интеллектные. Наибольшее распространение получили программные, которые характеризуются тем, что они функционируют по жестко заданной программе. При необходимости программа их действий легко перестраивается оператором. Рассмотрим подробнее виды программного управления, которых существуют три: цикловое, позиционное и контурное. Цикловое управление является в реализации наиболее простым. При цикловом управлении программируются последовательность выполнения движений и условия начала и окончания движений. Положения, до которых идет движение, задаются на самом манипуляторе (например, упорами), а не в программе; скорость перемещения определяется характеристиками привода и также не задается в программе. Однако в дополнение к последовательности движений программа может задавать требуемые выдержки времени (на выполнение команды или на промежутки времени между командами или движениями). При позиционном управлении команды подаются так, что перемещение рабочего органа происходит от точки к точке, причем положения точек задаются программой. Скорость перемещения между точками не контролируется и не регулируется. В отличие от циклового управления, число точек может быть большим. При контурном управлении движение рабочего органа происходит по заданной траектории с задаваемой скоростью. В программе задаются сами траектории (или часто расставленными точками, или более редкими точками с соединяющими их прямыми, или дугами окружностей) и режимы движения. Контурное управление используется исключительно в технологических роботах (сварочных, окрасочных и пр.). Контурное управление идет от станков: при движении резца токарного станка по контуру (вследствие согласованной подачи по двум и более осям) полу- чается поверхность детали заданной формы в виде тела вращения. Заметим, что на холостых ходах (при выходе в исходную точку, с которой начинается рабочее движение, при возвращении назад в исходную точку после выполнения рабочего движения) система управления работает как позиционная. Устройство управления и другие блоки системы управления при цикловом, позиционном и контурном управлениях могут быть реализованы на одинаковых или разных принципах и элементных базах. Так, микроэлектронные устройства, в частности микроЭВМ, могут быть основой устройства управления любого вида. С другой стороны, привод в системе контурного управления может быть шаговым и следящим. На принципах хорошо разработанного числового программного управления (ЧПУ) могут работать системы и позиционного, и контурного управления. В особый вид выделяется адаптивное управление, при котором осуществляется автоматическое изменение управляющих программ в зависимости от измеряемых или контролируемых условий работы, или, как говорят, в функции от контролируемых параметров состояния внешней среды. В частности, адаптация, или приспособляемость, системы управления может заключаться в том, что устройства системы управления с помощью специальных датчиков определяют конфигурацию объекта и его положение; возможны также отклонения размеров от номинальных. В зависимости от результатов измерения захватное устройство смещается или поворачивается (чтобы удобнее было захватывать объект), после захватывания объект переносится на место, предназначенное именно ему (это необходимо при сортировке или разбраковке). Таким образом адаптивное управление обычно связывается с очувствлением. Программирование. При программировании ПР обычно используются два метода: аналитический (расчётным путём) и метод обучения. При аналитическом методе управляющую программу предварительно рассчитывают, отлаживают и заносят в память устройства управления. Достоинством этого метода является сокращение времени простоя ПР, связанного с его программированием, а также возможность заложить сразу несколько программ для различных технологических операций. Программирование путём обучения производится оператором либо с помощью дистанционного управления от какого-нибудь управляющего устройства (кнопочного пульта или «марионетки» – копии манипулятора робота), либо с помощью непосредственного перемещения конца манипулятора рукой человека. Все движения соответствуют ходу требующейся манипуляционной операции, при этом в память устройства управления записывается программа с необходимыми текущими координатами и технологической информацией. В устройствах циклового программного управления применяются другие приёмы программирования, которые рассмотрены ниже. Цикловое программное управление. Как отмечалось выше, при цикловом программном управлении в устройстве управления программа задает только последовательность команд, определяющих движения, а крайние положения, до которых происходят перемещения, задаются на самом манипуляторе. Типовое устройство управления состоит из двух основных блоков: запоминания программ и поэтапного ввода программ. В блоке запоминания программ в той или иной форме хранится вся последовательность команд цикла и, если нужно, условия выполнения команд. Переход с этапа на этап задает блок поэтапного ввода программ. Существуют два основных принципа ввода программ: кинематический и статический. При кинематическом вводе программ переход от этапа к этапу происходит за счет перемещения программоносителя, при статическом вводе программоноситель неподвижен, а переход от этапа к этапу осуществляется за счет переключений электрических цепей. Наиболее старыми устройствами циклового программного управления являются устройства с распределительным валом и с кулачками на нем. Распределительный вал с кулачками вращается, при этом перемещаются толкатели. Толкатели, в свою очередь, воздействуют на электрические переключатели, или пневмоклапаны, которые сначала включают, а затем выключают двигатели приводов. Устройства управления с распределительным валом просты и надежны, но замена программы требует перестановки кулачков, что достаточно сложно. Кроме того, устройство управления громоздко и имеет ограниченные возможности по числу команд (паре команд на один привод соответствует один кулачок) и по числу этапов в цикле (циклу соответствует один оборот вала). Поэтому для перепрограммируемых систем подобные устройства практически непригодны. Близкие идеи заложены в конструкции устройств управления в виде программаторов с кулачковыми барабанами (они называются также командоаппаратами). Вместо кулачков на распределительный вал насажен цилиндрический барабан с прямоугольной сеткой радиальных отверстий. В любое отверстие можно вставить штекер со специально профилированной гладкой головкой, которая представляет собой кулачок, выступающий над гладкой поверхностью барабана. Параллельно оси над барабаном жестко крепится линейка с переключателями на таком расстоянии, чтобы приходящиеся против них кулачки (головки штекеров) нажимали на штыри переключателей. Развернутую перфорированную поверхность барабана можно представить состоящей из дорожек (каждая из них приходится против своего переключателя) и строк (параллельных оси барабана). Последовательные строки соответствуют последовательным этапам цикла: в какие отверстия будут вставлены штекеры, такие команды будут выполняться на данном этапе. В той же строке штекерами также набираются условия, при которых могут выполняться команды. Повороты вала осуществляются прерывисто, привод шаговый или храповой. Программаторы с кулачковыми барабанами до сих пор широко используются в различном оборудовании. Они надежны, имеют значительно меньшие массы и габаритные размеры, чем устройства с распределительным валом. Типовые командоаппараты имеют габаритные размеры около 400 мм, общее число команд и условий их выполнения – около 40, число этапов цикла – около 50. Основными достоинствами программаторов с кулачковыми барабанами являются относительная простота перепрограммирования, простота контроля набора. Перепрограммирование осуществляется перестановкой штекеров в соответствии с заданной таблицей. Рассмотрим устройства циклового программного управления со статическим вводом программ. Исторически первыми являются программаторы со штекерной панелью, они применяются и в настоящее время. Штекерная панель является программоносителем. На поверхности панели имеется прямоугольная сетка отверстий, строки соответствуют командам, столбцы – номерам этапов. Программирование осуществляется штекерами, которые вставляются в отверстия так же, как при использовании программаторов с барабанами: для выбранного столбца (номера этапа) штекер вставляется в отверстие в строке, соответствующей требуемой команде. Допускается выполнение на каждом этапе нескольких команд (совмещение движений). Роль штекеров сводится к тому, что в гнездах они создают электрическое соединение цепей. Возможности штекерных панелей примерно те же, что и программаторов с барабанами (несколько десятков этапов в цикле). Важным достоинством штекерной панели является максимальная наглядность набора: полностью видна вся программа. Однако штекерные панели громоздки; механический контакт, создаваемый штекерами, нередко недостаточно надежен. Большинство современных устройств циклового программного управления представляют собой программируемые контроллеры. Программа записывается на определенном машинном языке подобно тому, как это делается при программировании для ЭВМ. Однако для циклового управления языки выбираются очень простыми. Обычно программа строится по кадрам, причем каждый кадр соответствует этапу. На обычном языке содержание кадра записывается следующим образом: номер кадра, проверка наличия сигналов во входных цепях с заданными номерами (сигналов датчиков), при наличии этих сигналов задается команда на выполнение движения с требуемым номером. Программа может быть введена в устройство управления с клавиатуры пульта. В устройстве управления программа запоминается в электронной (интегральной) памяти. При ручном вводе программы с пульта содержание кадра в виде ал- фавитно-цифровой записи воспроизводится на специальном индикаторном устройстве или дисплее. После того как вся программа введена, для контроля можно выводить на дисплей любой кадр по набранному номеру. Обнаруженые ошибки легко исправить. Преимущества программируемых контроллеров хорошо известны. Практически отсутствуют ограничения по числу команд и по числу этапов. Программы можно хранить на различных носителях. Они могут быть сложными и предусматривать выбор между различными решениями, что необходимо при реализации адаптивных систем. Масса и габаритные размеры малы. Однако не всегда достаточно велика надежность устройств управления. Способ программирования, при котором непосредственно задается последовательность движений, не является единственным. Когда в основу устройства управления кладется универсальная микроЭВМ, ее программирование осуществляется на универсальном языке, не связанном с представлением об управлении движением. Как отмечалось, точки, в которых должны останавливаться подвижные части, задаются на самом оборудовании. При использовании пневмопривода позиционирование осуществляется по упорам, которые могут перезакрепляться в разных положениях. Чтобы исключить жесткие удары, вместе с упорами устанавливаются демпферы. Для других типов приводов при подходе к заданному конечному положению двигатель необходимо отключать при помощи путевых выключателей. Как правило используются обычные электроконтактные микропереключатели. Микропереключатель устанавливается неподвижно, он срабатывает от кулачка, который может закрепляться на подвижной части в различных положениях. Если на разных этапах цикла требуется останавливать подвижную часть в различных положениях, устанавливают несколько кулачков при одном переключателе (при этом, однако, точки остановки не могут быть на малом расстоянии) или предусматривают несколько пар «переключатель–кулачок» (они устанавливаются по параллельным линиям). Для повышения точности остановки в конечном положении целесообразно перед остановкой переходить на уменьшенную – «ползучую» скорость. С этой целью усложняется способ остановки при том же кулачке (при срабатывании микропереключателя происходит переход на «ползучую» скорость, а при его отключении после прохождения кулачка – остановка) или устанавливается кулачок сложного профиля, который дает два включения перед остановкой. Повышение надежности может быть достигнуто при установке путевых переключателей другого типа. В роботах с цикловым управлением широко используются в качестве датчиков герметические магнитоуправляемые контакты (герконы). Герметические контакты в запаянной стеклянной колбе замыкаются при приближении на опреде- ленное расстояние магнита или электромагнита, закрепленного на подвижной части. Точность герконовых датчиков не очень велика, однако они выдерживают без отказов значительно большее число включений и выключений, чем обычные микропереключатели. Используются также индуктивные (трансформаторные) и генераторные датчики. Их высокая надежность определяется тем, что они являются бесконтактными. Позиционное и контурное программное управление. Для позиционного и контурного управления общим является то, что для выполнения движений необходимо запоминать большое число точек для каждой степени подвижности. Нет никакой возможности задавать эти точки на манипуляторе, поэтому отличительной особенностью устройств управления в этих случаях является то, что программируется вся информация о движениях, которые необходимо совершать, а именно: последовательность движений, условия выполнения движений и значения перемещений или углов поворота. Для контурного управления программируется также скорость перемещения. Как отмечалось ранее, программирование может быть аналитическим, а может осуществляться методом обучения. Рассмотрим сначала аналитическое программирование. В настоящее время, подавляющее большинство систем позиционного и контурного управления представляют собой системы числового программного управления (ЧПУ). Для промышленных роботов характерны системы ЧПУ трех типов: 1) HNC (с ручным заданием программ с пульта управления; они называются также оперативными системами управления); 2) DNC (имеющая память для хранения всей программы); 3) CNC (автономная система, построенная на микроЭВМ). Принципы и технические средства ЧПУ были разработаны применительно к станкам; распространение их на промышленные роботы позволяет унифицировать устройства управления для роботизированных технологических комплексов. Рассмотрим устройство управления, вырабатывающее сигналы на приводы, не затрагивая пока вопросов исполнения программ. Исходной является алфавитно-цифровая запись управляющих программ. Программирование осуществляется по адресному принципу, по кадрам. Адрес (как правило, буквенный) указывает, к какому приводу (или к какой степени подвижности) относится команда. После адреса записывается число, которое показывает, на сколько или в какую точку должно произойти перемещение. Большинство систем ЧПУ допускает программирование как в абсолютных координатах (числа в программе задают координаты точки в базовой системе координат), так и в приращениях (числа показывают перемещения от исходного положения). Числа дают значения координат или перемещений в дискретах, обычно в микрометрах. Обозначения адресов (букв) указываются в специальных таблицах, но приняты меры, чтобы эти обозначения были привычными. Так, буква N означает номер кадра (после нее пишется значение номера – обычно трехзначное число), буквы X, У и Z – команды перемещений по одноименным осям, знаки «+» и «–» сохраняют свой смысл («плюс» и «минус»). На основе этих сведений можно читать отдельные фрагменты программ. Адресом F задается скорость перемещения (скорость подачи). Предусматриваются специальные режимы интерполяции. Так, если адресом задан режим линейной интерполяции, заданы координаты начальной и конечной точек, то рабочий орган будет двигаться между этими точками по прямой с постоянной скоростью, заданной адресом F. При этом приводы по степеням подвижности будут работать согласованно. Системы с ЧПУ допускают также круговую интерполяцию (по окружности). Возможность работы в режимах интерполяции — характерная особенность контурного управления. Система выбора адресов и составления программ стандартизована, но для конкретных моделей оборудования имеются свои особенности. Для упрощения программирования используются различные способы. В частности, для часто повторяющихся комбинаций движений составляются типовые подпрограммы, реализующие так называемые постоянные циклы. При наборе, просмотре и отладке может быть осуществлено оперативное редактирование (исправление) программ, а именно: вставка новых кадров, пропуск части кадров, введение в кадры дополнительных команд, изменение (коррекция) значений перемещений. Все современные системы ЧПУ имеют разветвленные системы контроля, при появлении отказов система автоматической диагностики выявляет, по каким причинам произошел этот отказ. Массы и габаритные размеры устройств ЧПУ пока еще велики, но они уменьшаются от поколения к поколению. Стоимость систем ЧПУ достаточно высокая, поэтому оборудованы ими чаще всего технологические роботы с контурным управлением. Существенную специфику программирование имеет в тех случаях, когда оно осуществляется методом обучения. При этом аналитически программируются только подготовительные операции. Во время обучения (когда оператор перемещает рабочий орган вручную) автоматически вводятся в память устройства управления значения координат через равные интервалы времени (обычно через 0,1 с). Эти значения получаются из сигналов датчиков перемещений или углов поворота приводов манипулятора. Для окрасочных роботов время записи и воспроизведения программы составляет обычно несколько десятков или сотен секунд. Если важна плавность движения (как при шовной сварке, резке и окраске), то при воспроизведении осуществляется интерполяция по точкам; в случае необходимости скорость движения по траектории может быть вручную с пульта увеличена или уменьшена в пределах ±20 %. Когда плавности движений не требуется и движение должно осуществляться с остановка- ми (как при точечной сварке), интерполяция не производится и система работает как позиционная. В системах ЧПУ используются два типа приводов: разомкнутые (обычно шаговые) и замкнутые (следящие). Шаговый электромеханический привод управляется последовательностью импульсов, которые вырабатывает специальный коммутатор. В следящих приводах сигнал задаваемого перемещения или угла поворота сравнивается с сигналом датчика перемещения или угла поворота на выходном звене, по результату сравнения двигатель поворачивается так, чтобы эти два сигнала стали равными друг другу. Таким образом, перемещение выходного звена следует за выходным электрическим сигналом. Точность следящего привода в значительной мере зависит от точности датчика. В системах ЧПУ используются как специальные кодовые (цифровые) датчики, выдающие сигнал поворота в двоичном коде, и импульсные, выдающие число импульсов, пропорциональное углу поворота или перемещению, так и аналоговые (потенциометры и вращающиеся трансформаторы). Погрешности точных датчиков составляют 0,01 % от диапазона перемещений или углов поворота. В течение ряда лет при проектировании устройств управления промышленных роботов наблюдались две противоположные тенденции. С одной стороны, создавались устройства управления для каждого робота, отличные от всех других. С другой стороны, выпускались унифицированные устройства управления, предназначенные не для одного определенного робота, а для целой группы роботов определенного класса. Доля унифицированных устройств управления из года в год растет, в настоящее время она составляет более половины. Преимущества унифицированных устройств управления в основном те же, что и модульных конструкций, поскольку устройство управления можно рассматривать как самостоятельный модуль промышленного робота. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Что входит в перечень основных составных частей ПР? 2. Назовите сферы применения ПР. Где применение ПР даёт наибольший эффект? 3. Из каких элементов составляют структурные схемы манипуляторов? 4. Что понимается под номинальной грузоподъёмностью ПР? 5. Сколько степеней подвижности имеют современные ПР? 6. По каким основным признакам проводят классификацию ПР? 7. Какие основные технические параметры характеризуют промышленных роботов? 8. Как используют РТК для механической обработки деталей? 9. Опишите методы программирования ПР? 10. Что представляют собой устройства циклового программного управления в современных ПР? 11. Чем отличается цикловое программное управление ПР от контурного и что у них общего? ЛИТЕРАТУРА 1. Аксенов П. Н. Оборудование литейных цехов. – М.: Машиностроение, 1977. – 510 с. 2. Александров М. П. Подъёмно-транспортные машины. – М.: ВШ, 1979. – 558 с. 3. Машиностроительное производство: Учеб. пособие для среднетехн. учебн. заведений / Вороненко В. П., Схиртладзе А. Г., Боюханов Б. Ж.; под ред. Ю. М. Соломенцева. – М.: ВШ, 2000. – 304 с. 4. Геворкян В. Г. Основы сварочного дела. – М.: ВШ, 1985. – 168 с. 5. Ножницы для резки листового и сортового проката / И. С. Леонов, Г. П. Руга, Г. Л. Крылов, В. Г. Песоцкий – М.: Машиностроение, 1972. – 376 с. 6. Додонов Б. П., Лифанов В. А. Грузоподъемные и транспортные устройства. – М.: Машиностроение, 1984. – 136 с. 7. Иванченко Ф. К. Конструкция и расчёт подъёмно-транспортных машин. – Киев: Выща шк., 1988. – 424 с. 8. Козырев Ю. Г. Промышленные роботы. – М.: Машиностроение, 1983. – 376 с. 9. Линц В. П., Максимов Л. Ю. Кузнечно-прессовое оборудование и его наладка. – М.: ВШ, 1975. – 280 с. 10. Мастеров В. А., Берковский В. С. Теория пластической деформации и обработка металлов давлением. – М.: Металлургия, 1989. – 400 с. 11. Челпанов М. В. Устройство промышленных роботов: Учебник для техникумов. – Л.: Машиностроение, 1990. – 223 с. 12. Шишмарев В. Ю. Машиностроительное производство. – М.: Издательский центр «Академия», 2004. – 352 с.
