Инатович Ю.В., Логинов Ю.Н. Методы расчета инструмента для прессования металлов
Подождите немного. Документ загружается.
Рис. 3.3. Эпюра эквивалентных
напряжений в многослойном
контейнере
Рис. 3.4. Многослойный контейнер горизонталь-
ного гидравлического пресса усилием 200 МН
11
i
i
экв i
n
02
.max.
. (3.13)
Проверяют выполнение
условия прочности (2.2), принимая
величину допустимого
коэффициента запаса прочности
n
=1.32.0. При этом целесообразно,
чтобы все втулки были
равнопрочными.
Графической иллюстрацией
результатов расчета эквивалентных
напряжений является эпюра их
распределения по толщине втулок
контейнера (рис.3.3). Вид эпюры
позволяет сделать вывод о
равномерности нагрузки на втулки и
наметить, при необходимости, пути
выравнивания напряжений:
изменить величину натягов между
втулками, диаметры втулок и т.д.
Пример 1.
Рассчитать на прочность
трехслойный контейнер
горизонтального
гидравлического усилием 200
МН. Размеры втулок
контейнера приведены на
рис. 3.4.
Материал втулок:
рабочей - сталь марки 4Х2В
с
02
=1050 МПа,
промежуточной и наружной
- 5ХНМ с
02
=700 МПа.
Усилие прессования
Р
примем равным 200 МН.
Рассчитываем давление металла на внутреннюю поверхность
контейнера по формуле (3.2 ):
к
МПа
р
( . . )
.
. . .
0 6 09
4 200
08
238 7 3581
2
Примем
к
р
300
МПа.
Выбираем величину относительных натягов для скрепления втулок:
внутренней и средней
1
2
0 0012
с
d
.
; - средней и внешней
2
2
0 0006
с
d
.
.
Определяем температуру нагрева втулок для обеспечения сборки с
выбранными натягами и гарантированным зазором между ними по формуле
(3.3) при коэффициенте температурного расширения
=12.510
-6
1/град:
- температура нагрева средней втулки для посадки ее на внутреннюю
втулку
1
6
0 0012
1
125
10
100 150 196 246t С
о
.
.
( )
;
- температура нагрева внешней втулки для посадки ее на блок
скрепленных внутренней и средней втулок
2
6
0 0006
1
125
10
100 150 148 198t С
о
.
.
( )
.
Видно, что расчетные значения температуры нагрева втулок не превышают
предельных значений - 500-550
0
С.
Рассчитаем контактные давления на поверхностях сопряжения втулок
после их горячей сборки по формуле (3.4), приняв модуль упругости материала
всех втулок одинаковым, равным 2.1510
5
МПа:
- при посадке средней втулки на внутреннюю (i=1,
1
d
0.8 м,
2
d
2.24 м,
с
d
1
1.46 м)
1
5 5
5 5
2 2 2 2
2 2 2
2
215
10
215
10
215
10
215
10
0 0012
2 24 146 146 08
2
146 2 24 08
595
q
. .
. .
.
. . . .
. . .
.
МПа;
- при посадке внешней втулки на блок из скрепленных внутренней и
средней втулок (i=2,
2
d
0.8 м,
3
d
3.05 м,
с
d
2
2.24 м)
12
2
5 5
5 5
2 2 2 2
2 2 2
2
215
10
215
10
215
10
215
10
0 0006
305 2 24 2 24 08
2
2 24 305 08
278
q
. .
. .
.
. . . .
. . .
.
МПа.
Рассчитываем напряжения на поверхностях каждой втулки
скрепленного контейнера по формулам (3.7) - (3.10).
1. Внутренняя втулка ( i=1, j=2 )
1.1. Внутренняя поверхность при
x
d
=0.8 м.
1.1.1. Напряжения от действия внутреннего давления
в к1
р р
(
n
d
=3.05 м,
в
d
1
=0.8 м) при
нj
р
0:
- тангенциальные по формуле (3.7)
в
МПа
р
.
.
.
. .
.
1
305
08
300
08
305 08
3443
2
2
2
2 2
,
- радиальные по формуле (3.8)
r
в
МПа
р
.
.
.
. .
.
1
305
08
300
08
305 08
300 0
2
2
2
2 2
.
1.1.2. Напряжения от действия наружных давлений
н
q
1
1
р
и
н
q
2 2
р
(
н
d
1
=1.46 м,
н
d
2
=2.24 м,
1
d
=0.8 м) при
вi
р
0:
- тангенциальные по формуле (3.9)
н
МПа
р
.
.
.
.
. .
.
.
. .
.
1
08
08
595
146
146 08
278
2 24
2 24 08
2338
2
2
2
2 2
2
2 2
,
- радиальные по формуле (3.10)
r
н
МПа
р
.
.
.
.
. .
.
.
. .
.
1
08
08
595
146
146 08
278
2 24
2 24 08
0 0
2
2
2
2 2
2
2 2
.
1.1.3. Результирующие тангенциальные и радиальные напряжения
определяем по формуле (3.11)
3443 2338 1105. ( . ) . МПа
,
r
МПа
3000 00 300. .
,
а эквивалентные напряжения на данной поверхности по формуле (3.12)
экв
МПа
2
2
1105
3000
1105 300 0 3679
.
( . )
. ( . ) .
.
1.2. Внешняя поверхность при
x
d
=1.46 м.
13
1.2.1. Напряжения от действия внутреннего давления
в к1
р р
(
n
d
=3.05 м,
в
d
1
=0.8 м) при
нj
р
0:
- тангенциальные по формуле (3.7)
в
МПа
р
.
.
.
. .
.
1
305
146
300
08
305 08
118 9
2
2
2
2 2
,
- радиальные по формуле (3.8)
r
в
МПа
р
.
.
.
. .
.
1
305
146
300
08
305 08
74 6
2
2
2
2 2
.
1.2.2. Напряжения от действия наружных давлений
н
q
1
1
р
и
н
q
2 2
р
(
н
d
1
=1.46 м,
н
d
2
=2.24 м,
1
d
=0.8 м) при
вi
р
0:
- тангенциальные по формуле (3.9)
н
МПа
р
.
.
.
.
. .
.
.
. .
.
1
08
146
595
146
146 08
278
2 24
2 24 08
110 6
2
2
2
2 2
2
2 2
,
- радиальные по формуле (3.10)
r
н
МПа
р
.
.
.
.
. .
.
.
. .
.
1
08
146
595
146
146 08
278
2 24
2 24 08
595
2
2
2
2 2
2
2 2
.
1.2.3. Результирующие тангенциальные и радиальные напряжения
определяем по формуле (3.11)
118 9 110 6 83. ( . ) . МПа
,
r
МПа
74 6 595 1341. ( . ) .
,
а эквивалентные напряжения на данной поверхности по формуле (3.12)
экв
МПа
2
2
83
1341
83 1341 138 4
.
( . )
. ( . ) .
.
2. Промежуточная втулка ( i=2, j=1 )
2.1. Внутренняя поверхность при
x
d
=1.46 м.
2.1.1. Напряжения от действия внутренних давлений
в к1
р р
и
в
q
2
1
р
(
n
d
=3.05 м,
в
d
1
=0.8 м,
в
d
2
=1.46 м) при
нj
р
0:
- тангенциальные по формуле (3.7)
в
МПа
р
.
.
.
. .
.
.
. .
.
1
305
146
300
08
305 08
595
146
305 146
2138
2
2
2
2 2
2
2 2
,
14
- радиальные по формуле (3.8)
r
в
МПа
р
.
.
.
. .
.
.
. .
.
1
305
146
300
08
305 08
595
146
305 146
1341
2
2
2
2 2
2
2 2
.
2.1.2. Напряжения от действия наружного давления
н
q
1 2
р
(
н
d
1
=2.24 м,
1
d
=0.8 м) при
вi
р
0:
- тангенциальные по формуле (3.9)
н
МПа
р
.
.
.
.
. .
.
1
08
146
278
2 24
2 24 08
414
2
2
2
2 2
,
- радиальные по формуле (3.10)
r
н
МПа
р
.
.
.
.
. .
.
1
08
146
278
2 24
2 24 08
223
2
2
2
2 2
.
2.1.3. Результирующие тангенциальные и радиальные напряжения
определяем по формуле (3.11)
2138 414 172 4. ( . ) . МПа
,
r
МПа
1341 223 1564. ( . ) .
,
а эквивалентные напряжения на данной поверхности по формуле (3.12)
экв
МПа
2
2
172 4
1564
172 4 1564 284 9
.
( . )
. ( . ) .
.
2.2. Внешняя поверхность при
x
d
=2.24 м.
2.2.1. Напряжения от действия внутренних давлений
в к1
р р
и
в
q
2
1
р
(
n
d
=3.05 м,
в
d
1
=0.8 м,
в
d
2
=1.46 м) при
нj
р
0:
- тангенциальные по формуле (3.7)
в
МПа
р
.
.
.
. .
.
.
. .
.
1
305
2 24
300
08
305 08
595
146
305 146
1137
2
2
2
2 2
2
2 2
,
- радиальные по формуле (3.8)
r
в
МПа
р
.
.
.
. .
.
.
. .
.
1
305
2 24
300
08
305 08
595
146
305 146
34 0
2
2
2
2 2
2
2 2
.
2.2.2. Напряжения от действия наружного давления
н
q
1 2
р
(
н
d
1
=2.24 м,
1
d
=0.8 м) при
вi
р
0:
15
- тангенциальные по формуле (3.9)
н
МПа
р
.
.
.
.
. .
.
1
08
2 24
278
2 24
2 24 08
359
2
2
2
2 2
,
- радиальные по формуле (3.10)
r
н
МПа
р
.
.
.
.
. .
.
1
08
2 24
278
2 24
2 24 08
278
2
2
2
2 2
.
2.2.3. Результирующие тангенциальные и радиальные напряжения
определяем по формуле (3.11)
1137 359 778. ( . ) . МПа
,
r
МПа
34 0 278 618. ( . ) .
,
а эквивалентные напряжения на данной поверхности по формуле (3.12)
экв
МПа
2
2
778
618
778 618 1212
.
( . )
. ( . ) .
.
3. Наружная втулка ( i=3, j=0 ).
3.1. Внутренняя поверхность при
x
d
=2.24 м.
3.1.1. Напряжения от действия внутренних давлений
в к1
р р
,
в
q
2
1
р
и
в
q
3 2
р
(
n
d
=3.05 м,
в
d
1
=0.8 м,
в
d
2
=1.46 м,
в
d
3
=2.24 м)
при
нj
р
0:
- тангенциальные по формуле (3.7)
в
МПа
р
.
.
.
. .
.
.
. .
.
.
. .
.
1
305
2 24
300
08
305 08
595
146
305 146
278
2 24
305 2 24
206 6
2
2
2
2 2
2
2 2
2
2 2
,
- радиальные по формуле (3.8)
r
в
МПа
р
.
.
.
. .
.
. .
.
. .
. .
. .
1
300
595 278
618
2
2
2
2 2
2
2 2
2
2 2
305
2 24
08
305 08
146
305 146
2 24
305 2 24
3.1.2. Поскольку наружных давлений на данной поверхности нет,
тангенциальные напряжения по формуле (3.9)
н
МПа
р
.0 0
и радиальные
напряжения по формуле (3.10)
r
н
МПа
р
.
0 0
.
3.1.3. Результирующие тангенциальные и радиальные напряжения
определяем по формуле (3.11)
206 6 0 0 206 6. . . МПа
,
r
МПа
618 0 0 618. . .
,
а эквивалентные напряжения на данной поверхности по формуле (3.12)
16
экв
МПа
2
2
206 6
618
206 6 618 2435
.
( . )
. ( . ) .
.
3.2. Внешняя поверхность при
x
d
=3.05 м.
3.2.1. Напряжения от действия внутренних давлений
в к1
р р
,
в
q
2
1
р
и
в
q
3 2
р
(
n
d
=3.05 м,
в
d
1
=0.8 м,
в
d
2
=1.46 м,
в
d
3
=2.24 м)
при
нj
р
0:
- тангенциальные по формуле (3.7)
в
МПа
р
.
.
.
. .
.
.
. .
.
.
. .
.
1
305
305
300
08
305 08
595
146
305 146
278
2 24
305 2 24
1448
2
2
2
2 2
2
2 2
2
2 2
,
- радиальные по формуле (3.8)
r
в
МПа
р
.
.
.
. .
.
.
. .
.
.
. .
.
1
305
305
300
08
305 08
595
146
305 146
278
2 24
305 2 24
0 0
2
2
2
2 2
2
2 2
2
2 2
.
3.2.2. Поскольку наружных давлений на данной поверхности нет,
тангенциальные напряжения по формуле (3.9)
н
МПа
р
.0 0
и радиальные
напряжения по формуле (3.10)
r
н
МПа
р
.
0 0
.
3.2.3. Результирующие тангенциальные и радиальные напряжения
определяем по формуле (3.11)
1448 0 0 1448. . . МПа
,
r
МПа
0 0 0 0 0 0. . .
,
а эквивалентные напряжения на данной поверхности по формуле (3.12)
экв
МПа
2
2
1448
0 0
1448 0 0 1448
.
( . )
. ( . ) .
.
Определяем для каждой втулки контейнера коэффициент запаса
прочности по формуле (3.13):
рабочая втулка
1
1050
3679
28
n
.
.
,
промежуточная втулка
2
700
2849
25
n
.
.
,
17
Рис. 3.5. Эпюры распределения
эквивалентных напряжений в
контейнере пресса усилием 200 МН
Рис. 3.6. К расчету многослойного
плоского контейнера
В результате будут получены значения эквивалентных напряжений на поверхностях
каждой i-й втулки контейнера соответственно вдоль оси Y (
экв i
Y
.
) и вдоль оси Z (
экв i
Z
.
) (см. рис.3.6).
18
С достаточной для инженерных
расчетов точностью плоский контейнер
может быть поверен на прочность по
описанной выше методике. При этом
расчет имеет следующие особенности:
1. Давление металла на
внутреннюю поверхность контейнера
рассчитывают по формуле
к
Р
а h h
h
р
( . . )
0 6 09
2
2
,
где a и h - размеры щели контейнера
(см. рис. 3.6).
2. Далее расчет проводят по пп.
1-4, описанной выше методики.
Выполняют его дважды. В первый раз -
приняв значение
1
d
равным ширине
щели контейнера а, во второй - при
1
d
равном высоте щели h.
наружная втулка
2
700
2435
29
n
.
.
.
Так как расчетные значения
коэффициентов запаса прочности
превышают допустимые
n
= 1.3
2.0,
условие прочности (2.2) выполняется
для всех втулок контейнера. Кроме
того, видно, что втулки равнопрочны.
Примечание. При прессовании
профилей с большим отношением сторон
(панелей) используют плоские (щелевые)
контейнеры. Поперечное сечение внутренней
полости рабочей втулки таких контейнеров
имеет прямоугольную форму со скругленными
короткими (рис. 3.6) сторонами. Известен
метод (весьма трудоемкий) расчета
напряженного состояния плоского контейнера,
основанный на теории конформных
отображений [4].
3. Затем определяют эквивалентные рабочие напряжения
экв i
Р
.
для каждой
втулки на поверхности, на которой
экв i
Y
.
и
экв i
Z
.
имеют максимальные значения по
формуле
экв i экв i экв i экв i экв i
Р Y Z
Y Z
.max. .max. .max. .max. .max.
2 2
.
Коэффициент запаса прочности для каждой втулки рассчитывают по формуле
(3.13), где вместо
i
экв.max
подставляют найденные значения
экв i
Р
.max.
.
4. РАСЧЕТ ПРЕСС-ШТЕМПЕЛЯ
Пресс-штемпели бывают монолитные (рис. 4.1,1) или составные (рис. 4.1,2) - из
двух частей опорной и стержневой. Для прессования из круглых заготовок
пресс-штемпели обычно имеют цилиндрическую форму; из плоских заготовок
- прямоугольную. При прессовании профилей сплошного сечения прямым
методом пресс-штемпель имеет сплошное поперечное сечение, а при
прессовании труб - сплошное или полое; при прессовании обратным методом
прессштемпель всегда полый (см. рис. 4.1).
Рис. 4.1. Конструкции пресс-штемпеля горизонтального гидравлического
пресса: а и в - прутковопрофильного; б - трубопрофильного
Величина допустимой нагрузки, которую может выдержать пресс-
штемпель, определяет возможную степень деформации металла при
прессовании. Поэтому пресс-штемпели рассчитывают, исходя из номинального
усилия пресса, независимо от потребного для прессования данного
прессизделия усилия. Марки инструментальных сталей, применяемых для
изготовления пресс-штемпелей, приведены в приложении (см. табл. П 2).
Размеры пресс-штемпелей типовых прессов даны в табл. П 3.
При расчете на прочность пресс-штемпель (рис. 4.2) рассматривают как
сжатый продольной силой Р - силой прессования - консольно
19
закрепленный стержень [3]. Из курса сопротивления материалов известно, что
несущая способность центрально сжатых стержней определяется безразмерной
величиной
, называемой гибкостью стержня [3].
Величину гибкости прессштемпеля рассчитывают по формуле
Рис. 4.2. Схема действия сил и напряжений
на прессштемпеле
в момент распрессовки слитка пресс-штемпель работает как стержень с одним
жестко закрепленным, а другим свободным концом (в этом случае принимают
=2); в процессе прессования - как стержень с одним жестко закрепленным
концом, а другим шарнирно опертым (
=0.7). При поверочных расчетах
целесообразно принимать
=2.
Радиус инерции рассчитывают по формуле
min
min
i
J
F
, (4.2)
где
F
и
min
J
- соответственно площадь и наименьший момент инерции
поперечного сечения пресс-штемпеля. В зависимости от формы поперечного
сечения пресс-штемпеля эти параметры рассчитывают по формулам:
- для сплошного круглого сечения (см. рис. 4.1,а)
F
D
2
4
,
min
J
D
4
64
, (4.3)
- для полого круглого сечения (см. рис. 4.1,б)
F
D d
2 2
4
,
min
J
D d
4 4
64
, (4.4)
- для прямоугольного сечения со скругленными гранями (см. рис. 4.1,в)
F bh
h
b
1
4
,
min
J
b
h
h
b
3
12
1
3
16
. (4.5)
20
п
L
i
min
, (4.1)
где
п
L
- приведенная
длина стержня;
п
L
-
фактическая длина пресс-
штемпеля (см. рис. 4.1);
-
коэффициент приведения
длины;
min
i
- наименьший
радиус инерции площади
поперечного сечения пресс-
штемпеля.
Значение
зависит от