Материал: САПР технологического оборудования. курс лекций. Новокщенов С.Л., Бойко А.Ю

12. Расчет клиновых шпоночных соединений посадок шестерни на приводной вал и ступицы тормоза на эксцентриковый вал проводится с целью обеспечения передачи требуемых крутящих моментов и прочности соединений.

13. Целью расчетов муфты и тормоза является обеспечение работоспособности системы управления пресса. Конструктивные параметры муфты определяются из условия передачи заданного крутящего момента при запасе сцепления обеспечивающем предохранение зубчатой передачи привода от перегрузки. Конструктивные параметры тормоза определяются из условия обеспечения торможения кривошипно-ползунного механизма за время, не превышающее требования техники безопасности эксплуатации пресса.

Блокирование совместной работы муфты и тормоза при включении и отключении хода ползуна проверяется при расчете временных параметров срабатывания муфты, тормоза и электро- и пневмоэлементов системы управления. Расчеты временных параметров работы системы управления и времени кинематического хода ползуна, допускаемой температуры поверхностей трения определяют наибольшее число одиночных ходов ползуна пресса в минуту. Расчет износа фрикционных элементов определяет их ресурс эксплуатации и периодичность регулировок дисков муфты и тормоза.

14. Расчет фрикционного соединения с натягом ступицы муфты с эксцентриковым валом (с конической втулкой между валом и ступицей) проводится моделированием по МКЭ контактного взаимодействия ступицы, втулки и вала с целью определения требуемого диаметрального натяга в соединении ступица – втулка при заданном запасе сцепления. При моделировании съема ступицы оптимизируются распорное гидравлическое давление в стыке ступицы с втулкой и усилие съема ступицы. Полученное усилие съема используется при расчете съемника ступицы.

15. Расчет двух эксцентрикового вала выполняется в два этапа. Размеры вала для заданной номинальной силы пресса и хода ползуна определяются приближенно в зависимости от диаметра опорных шеек и соотношениям основных размеров вала и уточняются при его расчете в виде одномерной модели изгибаемого ступенчатого стержня на опорах, рассматриваемых как сплошные упругие основания. Определение деформации вала и его напряженного состояния осуществляется в рамках расчета по МКЭ единой контактной системы станины и исполнительного механизма пресса, а максимальные значения напряжений в опасных сечениях являются исходными данными при расчете долговечности вала.

16. При расчете подшипников скольжения исполнительного механизма исходят из допустимого тепловыделения на единицу поверхности трения и заданных, в функции поворота эксцентрикового вала зависимостей усилия при принятой технологической операции и скорости относительного линейного перемещения элементов цапфы. Расчет при заданном наибольшем числе включений проводится с целью оптимизации подшипника по параметрам диаметра, длины и минимального зазора в диапазонах конструктивных ограничений.

17. Расчет трех опорной оси соединения через регулировочную втулку двух шатунов с ползуном пресса с целью определения размеров оси по условиям прочности выполняется в виде одномерной модели изгибаемого стержня на опорах, рассматриваемых как сплошные упругие основания.

18. Расчет расположенного в ползуне механизма регулировки закрытой высоты пресса состоит в определении необходимой мощности электродвигателя и усилия в винте при выполнении прессом технологической операции. По условиям прочности определяется размер трапециидальной резьбы гайки. В зависимости от конструктивного исполнения привода механизма регулировки проводятся расчеты геометрии и прочности червячной передачи или ортогональной конической передачи с круговыми зубьями.

19. Расчет применяемых в тяжелых кузнечно-прессовых машинах уравновешивателей с отсечкой полости уравновешивателя от ресивера состоит в определении параметров пневмоцилиндра, ресивера и цепи трубопровода от ресивера к цилиндру уравновешивателя.

Целью расчета является получения зависимости усилия уравновешивателя в функции хода ползуна, обеспечивающей уравновешивание ползуна, штампа и эксцентриков вала на всем ходе ползуна и полную одностороннюю выборку зазоров в подшипниках коренных опор эксцентрикового вала к моменту нагружения ползуна технологическим усилием. Диаметр штока, толщина стенки пневмоцилиндра и болты крепления днища к станине определяются из условия прочности.

20. Расчет станины осуществляется при конечно-элементном моделировании контактного взаимодействия единой системы деталей пресса, с учетом проектных зазоров, и штампового блока, нагружаемых усилием затяжки станины и технологическим усилием. Расчет проводится в три этапа. На первом этапе определяется требуемое усилие затяжки по условию нераскрытая стыка стойка – стол при нагружении пресса заданным критическим усилием. На втором этапе рассчитывается станина, нагружаемая усилием ее затяжки. Определяются: вертикальные деформации станины и стяжных шпилек по осям последних; деформации подшипников коренных опор эксцентрикового вала; нормальные давления в стыках станины и размеры контактных поверхностей корпуса подшипника; экстремальные значения напряжений в наиболее нагруженных зонах деталей станины и корпуса подшипника коренных опор.

На третьем этапе рассчитываются станина, детали исполнительного механизма и штамповый блок, нагружаемые усилием затяжки и внецентренным технологическим усилием. При этом определяются: суммарная вертикальная деформация собственно пресса и системы пресс – штамп, жесткость пресса, баланс деформаций деталей пресса и штампового блока, угловая деформация пресса и баланс угловых деформаций деталей пресса; усилия в стяжных шпильках и в стыке стол – стойка; нормальные давления на контактных поверхностях деталей пресса (включая поверхности бронзовых подшипников скольжения) и штампового блока; распределения силовых потоков в деталях исполнительного механизма и станины пресса; доли опрокидывающего момента замыкающиеся на станине через детали исполнительного механизма и направляющие ползуна; усилия в шпонках, фиксирующих детали составной станины; экстремальные значения напряжений в наиболее нагруженных зонах деталей пресса. Данные, полученные при расчете пресса по МКЭ, используются для:

- проектирования и расчета гидроустройства для затяжки станины и вывода пресса из распора;

- назначения оптимальных проектных зазоров в подшипниках коренных опор эксцентрикового вала и регулирования предварительного напряженного состояния корпуса подшипника и клина;

- уменьшения контактных деформаций в стыках пресса, назначения проектных зазоров и условий смазки в подшипниках скольжения исполнительного механизма;

- установления рабочей точности пресса и определения зон допустимых внецентренных нагружений;

- повышения долговечности силовых деталей и снижения их массы.

21. При расчете гидроустройства для вывода пресса из распора по заданному критическому усилию определяется количество плунжеров, диаметр их гидрополости и требуемое давление жидкости, а затем по условиям прочности рассчитываются размеры корпуса и замков плунжеров. По значениям допустимых контактных давлений и усилию в стяжной шпильке при нагружении пресса определяются размеры проставок.

22. Определение зон допустимого внецентренного нагружения позволяет оценить силовые возможности пресса при многопозиционной штамповке по заданным технологическим усилиям на каждом переходе. Алгоритм расчета построен на последовательном определении податливостей элементов пресса, подвергающихся воздействию эксцентричных нагрузок. Давления на контактных поверхностях направляющих ползуна находятся в результате решения итерационным методом системы уравнений, выражающих длины поверхностей контакта по направляющим в функции: усилий, действующих на ползун, жесткостей ползуна и направляющих, длины направляющих и зазоров в них. Расчет зон допустимого внецентренного нагружения по критериям: прочности шатуна, пальца, эксцентрикового вала, станины верхней, стола; допустимых давлений в направляющих ползуна и подшипниках ползунных головок шатуна, коренных и шатунных опор эксцентрикового вала; разнотолщинности поковки; смещения плоскостей разъема штампа реализован в виде программы для ПЭВМ.

1.3. САПР механических прессов

Повышение качества выпускаемой современными машиностроительными предприятиями продукции во многом зависит от конструкторов, создающих новое оборудование, эффективность труда которых во многом определяется применяемым на предприятии программным обеспечением. Как известно, проблема создания прочной и неметаллоемкой машины, способной противостоять возникающим внешним статическим и динамическим силам, требует для своего решения рассмотрения множества факторов взаимовлияние которых, как друг на друга, так и на систему в целом до сих настоящего времени остается малоизученным. Сегодня уже известно множество коммерчески распространяемых расчетных и исследовательских пакетов общего машиностроительного назначения, применение которых при проектировании конкретного оборудования, например, механических прессов, оказывается либо невозможным, либо имеет место ограниченное их применение.

Автоматизированное проектирование механических прессов средствами предлагаемой САПР полностью учитывает все особенности работы механических прессов с учетом действия технологической нагрузки и выполняется на IBM-PC или совместимых компьютерах под управлением операционных систем семейства Microsoft Windows при наличии пакетов программ Microsoft Office и SolidWorks.

Основные функции предлагаемой САПР – синтез объекта проектирования по типовым конструктивным схемам и расчет необходимых энерго-силовых характеристик с учетом действующей технологической нагрузки.

Структура предлагаемой САПР соответствует известной структурной схемой механических прессов (рис. 3), вне зависимости от их технологического назначения, которая наглядно отображает функциональные связи между механизмами и узлами машины.

Область применения предлагаемой САПР распространяется на проектирование следующих типов машин обработки металлов давлением:

1. кривошипных горячештамповочных прессов;

2. однокривошипных открытых прессов листовой штамповки;

3. однокривошипных закрытых прессов листовой штамповки;

4. однокривошипных прессов двойного действия;

5. однокривошипных обрезных прессов;

6. двухкривошипных специальных прессов;

7. четырехкривошипных прессов;

8. чеканочных кривошипно-коленных прессов;

9. прессов для холодного выдавливания.

Суть работы предлагаемой САПР заключается в том, что в систему заложены аналитические и эмпирические зависимости, позволяющие выполнить поверочные и проектировочные расчеты типовых сборочных единиц перечисленных типов механических прессов.

К числу достоинств разработанной системы можно отнести достаточно высокую степень достоверности расчетов (поскольку применяемые методы достаточно апробированы и в подавляющем большинстве узаконены в отраслевых документах), достаточно высокая скорость и возможность проектировочного расчета с учетом статической и усталостной прочности.

Рис. 3. Структурная схема кривошипной машины

Принцип работы разработанной САПР таков:

1. деталь или узел в виде модели соответствующей CAD-системы генерируются на основе содержимого базы данных;

2. параметры объектов, формирующих узел (геометрические, прочностные, ресурсные и т.д.), могут быть увязаны друг с другом;

3. выполняется проверочный или проектировочный расчет объектов, т.е. можно определить статическую прочность или ресурс, уточнить геометрию на основе требовании к конструкции;

4. допускается выполнение проектировочного расчета как на базе аналитических (эмпирических) зависимостей, так и с помощью модуля параметрической оптимизации;

5. в ходе проектирования учитываются как характеристики изолированных объектов, так и их взаимосвязи;

6. для сформированного узла можно выполнить статический анализ пространственных размерных цепей.

В базе данных предлагаемой САПР присутствуют следующие виды объектов:

1) клиноременные передачи;

2) прямозубые, косозубые и червячные передачи;

3) валы;

4) шпоночные соединения;

5) подшипники скольжения и качения;

6) базовые детали и сборочные единицы механических прессов.

Вопросы для самоподготовки:

1. Охарактеризуйте процесс проектирования кузнечно-штамповочного оборудования как объект автоматизации?

2. Опишите современную методику и состояние проектных расчетов кузнечно-прессовых машин?

3. Охарактеризуйте назначение и основные модули САПР механических прессов?

Лекция №2 Задачи и модели конструкторского проектирования кузнечно-штамповочного оборудования

Теоретические вопросы

2.1. Задачи конструкторского проектирования

2.2. Компоновочный синтез кузнечно-штамповочного оборудования и его узлов

2.3. Информационное и техническое обеспечение САПР конструкторских работ

2.1. Задачи конструкторского проектирования

Основной задачей конструкторского проектирования является реализация принципиальных схем, полученных, как уже упоминалось выше, на предшествующем ему этапе функционального проектирования. При этом выполняется проектирование отдельных деталей, компоновка узлов кузнечно-штамповочного оборудования из конструктивных элементов, после чего оформляется техническая документация на объект проектирования.

Одна группа задач конструкторского проектирования определяет чисто геометрические параметры конструкции, а другая группа предназначена для синтезирования компоновки (топологии) конструкции с учетом ее функциональных характеристик.

Решение этих групп задач составляет сущность геометрического и компоновочного (топологического) проектирования машин и их узлов. Кроме того, к задачам конструкторского проектирования необходимо отнести проверку (анализ) качества полученных конструкторских решений.

Геометрическое проектирование включает следующие задачи: геометрическое моделирование, геометрический синтез и оформление конструкторской и технологической документации. Геометрическое моделирование предназначено для решения позиционных и метрических задач на основе преобразования геометрических моделей. Элементарными геометрическими объектами, которые описываются математическими моделями, являются точка, прямая, окружность, плоскость, кривая второго порядка, цилиндр, шар, пространственная кривая и т.п.

В задачи оформления конструкторской документации входит изготовление текстовых и графических документов. Текстовая часть документации содержит: характеристики и паспортные данные узлов и агрегатов, технические условия на изготовление, сборку, наладку и эксплуатацию, спецификацию и т.д.

Графические документы – это сборочные и деталировочные чертежи, графики структурных сеток кинематических цепей, циклограммы, зависимости для выбора параметров режимов работы агрегатов и устройств, структурные, функциональные и принципиальные схемы.

Решение конструкторских задач опирается на использование структурных математических моделей. Таким образом, большинство задач проектирования по своей сути является задачами структурного синтеза.

Для анализа качества проектирования также могут применяться структурные модели и методы, характерные для функционального проектирования. Кроме того, большое число параметров функциональных моделей может быть рассчитано только после выполнения конструкторского проектирования. В этом проявляется тесная взаимосвязь подсистем функционального и конструкторского проектирования.

Для формирования моделей как конструкторского, так и функционального проектирования при его автоматизации, широко используется теория графов. Как известно, граф G=(X,A) задается множеством вершин X=(x₁, x₂, …, x_n) и ребер A=(a₁, a₂, …, a_n).

Если ребра графа имеют направления (указывают стрелками), то ребра называют дугами, а граф называют ориентированным (орграф), в противном случае это неориентированный граф (неограф). Дугу, у которой начальная и конечная вершины совпадают, называют петлей. Вершину и ребро называют инцидентными, если ребро графа проходит через его вершину. Число ребер, инцидентных какой-либо вершине, называют степенью графа в этой вершине.

Ребра, имеющие общую концевую вершину, называют смежными. Две смежных вершины имеют хотя бы одно ребро, их соединяющее. Граф, у которого имеется хотя бы одна пара вершин, соединяемых более чем одним ребром, называют мультиграфом. Если дугам графа ставятся в соответствие некоторые числа, называемые весом, длиной или стоимостью дуги, то G называют графом со взвешенными ребрами. У графа со взвешенными вершинами веса приписывают вершинам. Взвешенный граф имеет веса у вершин и дуг.

Для задания графа G=(X, A) используют матрицу смежности и матрицу инцидентности. В матрицу смежности M=|aij| входят элементы aij=1, если в графе G=(X,A) существует ребро (xi, xj), и aij=0, если такого ребра нет. Для описания взвешенного графа используется матрица расстояний D(G)=|dij|.

2.2. Компоновочный синтез кузнечно-штамповочного оборудования и его узлов

В общем виде проектирование сложного изделия разделяется на этапы структурного и параметрического проектирования: на первом этапе определяется структура проектируемого объекта, а на втором этапе осуществляется расчет технических характеристик и других параметров проектируемого объекта.

При синтезе структуры объекта решаются задачи выбора возможных вариантов структуры – например, выбор кинематической схемы и компоновки кузнечно-штамповочных машин, выбор кинематической схемы и компоновки машины, связанные с оценкой возможных вариантов и выбором оптимальной структуры объекта.

Синтез структуры осуществляется по табличным, сетевым и перестановочным моделям структуры объекта. Все модели, используемые при синтезе структуры объекта, представляют собой единую систему моделей, взаимосвязанных через составы контуров объекта проектирования.

Основным традиционным методом, которым пользуется конструктор в процессе получения технических решений, является метод проб и ошибок. Повышение эффективности поиска новых конструктивных решений методом проб и ошибок обеспечивается применением ряда эвристических приемов, сформулированных для изобретательской деятельности, таких, как например, инверсия, аналогия, метод «мозгового штурма» и т.д.

При этом очевидно, что прямая автоматизация с помощью ЭВМ метода проб и ошибок с набором эвристических приемов невозможна, так как эти процедуры являются трудноформализуемыми. Эффективность использования метода проб и ошибок определяется интуицией, а в конечном счете – опытом конструктора.

Поэтому для компоновочного синтеза в САПР применяют главным образом приближенные алгоритмы, основанные на последовательном наращивании синтезируемой структуры, итерационные алгоритмы, относящиеся к алгоритмам, основанные на последовательном наращивании синтезируемой структуры, итерационные алгоритмы, относящиеся к алгоритмам частичного перебора, и смешанные параллельно-последовательные алгоритмы.

Главным достоинством последовательных алгоритмов является их малая трудоемкость и простота реализации. Кроме того, они позволяют легко учесть дополнительные ограничения. Основным недостатком последовательных алгоритмов является локальный пошаговый характер оптимизации, приводящий к достаточно эффективным решениям лишь для схем относительно невысокой сложности.

В параллельно-последовательных алгоритмах сначала выполняется начальное множество элементов, которые обладают существенными для данной задачи свойствами (число внешних соединений, функциональная завершенность). Далее эти элементы распределяют по узлам, что иногда позволяет получить более равномерные характеристики узлов.

Данные алгоритмы являются более сложными, чем последовательные и итерационные, и поэтому применяются в задачах со специальными требованиями. Последовательные и параллельно-последовательные алгоритмы используют для формирования базового варианта разбиения. Если его качественные показатели не удовлетворяют поставленным требованиям, то базовый вариант улучшается с помощью итерационных алгоритмов. Итерационные алгоритмы аналогичны градиентным алгоритмам параметрической оптимизации, так как на каждой итерации происходит движение в направлении экстремума целевой функции. Приращениям варьируемых переменных в данном случае соответствуют перестановки элементов (парные или групповые) между узлами. Итерационные алгоритмы обеспечивают получение решений, улучшающих характеристики базового варианта. Основным недостатком этих алгоритмов являются большие затраты машинного времени по сравнению с затратами в последовательных алгоритмах.

Рассмотренные модели и алгоритмы структурного синтеза компоновок пока еще недостаточно широко применяются при конструировании машиностроительных узлов и агрегатов, в том числе и кузнечно-штамповочных машин.

Это объясняется тем, что в отличие от задач компоновки аппаратуры электронной и вычислительной техники, для которых эти алгоритмы интенсивно развиваются, задачи компоновочного синтеза машиностроительных конструкций в большинстве своем характеризуются критериями, которые не дают количественных оценок компоновочных решений.