В области массового и крупносерийного производства поковок методами горячей объемной штамповки доминирующее положение занимают кривошипные горячештамповочные прессы простого действия (КГШП). Они выигрывают, у конкурирующих типов оборудования, молотов и винтовых прессов, по целому ряду параметров, но проигрывают им по начальной стоимости и склонности к перегрузкам и заклиниванию (распорам). Кроме того, они обладают еще целым рядом недостатков: относительно низкая точность штамповки осесимметричных поковок, разнотолщинность поковок удлиненных в плане, не устойчивость на фундаменте и пр.
Среди кузнечно-прессовых машин (КПМ) с нереверсируемым приводом, обслуживающих массовое, крупносерийное и серийное штамповочное производство, КГШП лидируют по таким показателям, как развиваемая технологическая сила, установочная мощность главного электродвигателя, максимальный за цикл крутящий момент на главном валу, масса одной машины, максимальная за цикл мгновенная мощность на главном валу и на ползуне, мощность разгона и остановки ведомых масс и т.д. Их технический уровень в существенной мере определяет уровень других КПМ с нереверсируемым приводом, а также технологические возможности горячей объемной штамповки в автомобилестроении, сельхозмашиностроении, производстве изделий оборонной и бытовой техники и в других отраслях промышленности.
Дальнейшее повышение эффективности применения КГШП в направлениях увеличения производительности и точности штамповки, расширения области применения (на мелкосерийное производство, производство особо крупных изделий, на горячую штамповку высоколегированных «низких» (молотовых) поковок и пр.) – требует технических решений направленных на повышение жесткости прессов и разработки систем предохранения от перегрузок.
Существующие способы предохранения узкоспециализированы: гидропредохранение – на тихоходных листоштамповочных прессах, пружинно-рычажное – на дополнительных исполнительных механизмах горизонтально-ковочных машин и холодно-высадочных автоматов, ломкое – на относительно легких прессах, выполняющих разделительные операции. Ни один из этих способов не обладает полным набором полезных качеств: малой инерционностью, встраиваемостью в ограниченное пространство, возможностью многократного использования, точностью, самовосстанавливаемостью, информативностью. Поэтому они не могут применяться в КГШП.
Повышение эффективной жесткости, способствует расширению номенклатуры штампуемых изделий, повышению точности поковок по высоте, а также снижает потери энергии, вызванные упругой деформацией прессов [1]. При этом основной экономический эффект состоит не экономии металла, а лежит в области механической обработки.
При штамповке точность заданных размеров изделия зависит от упругой деформации пресса, при действии силы в конце деформирования, зависящей от стабильности параметров технологического процесса. КГШП общего назначения наиболее универсальны, что затрудняет стабилизацию параметров технологического процесса. К основным технологическим факторам, влияющим на точность поковок, относятся колебания температуры и объема штампуемой заготовки. Отклонение данных параметров от номинального значения ведет к отклонению технологической силы, на , которое связано с разбросом поковок по высоте соотношением:

 (1)

где  – эффективная жесткость пресса;
В настоящее время уровень эффективной жесткости КГШП традиционной конструкции определяется зависимостью [2, 3]: , где  – номинальная сила пресса, МН.
Под КГШП традиционной конструкцией (рисунок 1) принято понимать [1] конструкцию, структурно не отличается от универсальных прессов, но обладающую рядом особенностей: главный вал эксцентрикового типа с расклиненными в станине буксами опор скольжения, ползун с дополнительными направляющими на хоботе, вынесенными на фронт пресса, встроенная в маховик предохранительная фрикционная муфта, клиновая регулировка закрытой высоты штампового пространства.
Из зависимости (1) видно, что чем больше величина жесткости, тем меньше величина разброса поковок по высоте. Следует отметить, что данное утверждение справедливо применительно к поковкам круглым и симметричным в плане, применительно к поковкам с вытянутой осью основным параметром КГШП, определяющим их точность по высоте является величина перекоса ползуна в направляющих, а также жесткость плоскостей крепления штампа.
Повышение эффективной жесткости, не единственный путь увеличения точности поковок, повышение точности может быть достигнуто стабилизацией величины технологической силы. В данном направлении ведутся работы по созданию адаптивных систем управления, предусматривающих автоматическую подрегулировку закрытой высоты при колебаниях объема и температуры заготовки, а также геометрии поковки [4].

Рисунок 1. Общий вид КГШП номинальной силой 25 МН:
1 – станина; 2 – ползун; 3 – муфта; 4 – тормоз; 5 – маховик; 6 – кожух зубчатого колеса; 7 – клиноременная передача; 8 – устройство натяжения ремней; 9 –уравновешиватель; 10 – ресивер; 11 – выталкиватель; 12 – гайка; 13 – стяжная шпилька; 14 – главный электродвигатель; 15 – пульт управления

Энергия упругой деформации, накопленная конструкцией пресса в процессе совершения технологической операции, после ее окончания переходит в быстро затухающие собственные колебания пресса, разрушающие элементы, не попадающие под нагрузку в процессе прямого нагружения. Разрушаются, например, шпильки крепления крышек шатунов к шатунам и другие элементы, статическая прочность которых обеспечена с большим запасом. Взяв за основу эффективную жесткость (податливость) пресса, можно определить энергию упругой деформации  элементов пресса при штамповке формулой: , т.е. накопленная энергия обратно пропорциональна жесткости пресса и прямо пропорциональна его податливости. Поскольку считается, что вся энергия упругой деформации конструкции полностью диссипируется после окончания технологического процесса, то с этих позиций также желательно увеличение жесткости пресса.
Традиционные способы повышения жесткости прессов не эффективны, так как зачастую ведут к увеличению металлоемкости прессов, а при создании тяжелых машин не допустимы, ввиду проблем изготовления крупногабаритных деталей, их транспортировки и сборки узлов.
Решение проблемы повышения жесткости в условиях снижения металлоемкости лежит в области технических решений альтернативных традиционным. Тоже относиться и решению задачи по разработке систем предохранения КГШП.
Повышение эффективной жесткости при условии снижения металлоемкости может быть достигнуто путем отказа от традиционной конструкции исполнительного механизма (рисунок 2) в пользу компактных (рисунок 3). К компактным относят кривошипно-ползунные ИМ, в которых поверхности сопряжения шатунов с главными валами лежат внутри поверхностей сопряжения шатунов с ползунами [1].

Рисунок 2. Схема традиционного кривошипно-ползунного механизма КГШП: 1 – эксцентрик главного вала; 2 – шатун; 3 – ползун; 4 – палец шатуна
а)                                                                                                         б)                                                                                                      в)
Рисунок 3. Схемы компактных кривошипно-ползунных механизмов:
1 – эксцентрик главного вала; 2 – шатун; 3 – ползун;

Компактные механизмы можно рассматривать как механизмам предельного состояния. Если вся кинематически возможная область существования кривошипно-ползунных аксиальных механизмов лежит в пределах  ( – коэффициент шатуна,  – радиус кривошипа,  – длина шатуна), а традиционные занимают в ней по конструктивным ограничениям среднюю часть , то компактные механизмы располагаются по краям области, в них, либо  (рисунок 3,в кривошипно-кулисный механизм [4]), либо  (рисунок 3,б кривошипно-круговой механизм [4]). В реально используемых механизмах типа (рис. 3, б) с опорами скольжения . Но это не конструктивное ограничение, а силовое, вызванное необходимостью исключить заклинивание механизма в середине хода ползуна при попадании механизма в зону действия углов трения. При установке опор качения величина коэффициента шатуна может существенно приблизиться к единице.
Приведенные на рисунке 3 механизмы, обладают преимуществами перед традиционными (рисунок 2):
- повышенная жесткость, благодаря уменьшению зоны активной деформации пресса, что приводит к увеличению точности поковок и уменьшению вибраций от упругой отдачи;
- отсутствие опасного разъема шатуна, нуждающегося в перезатяжках и создающего угрозу для оператора;
- возможность применения рамного ползуна, более технологичного в изготовлении и устойчивого, чем ползун с «хоботом»;
- способствуют уменьшению высоты и металлоемкости пресса.
Однако данные механизмы имеют и некоторые недостатки. Так шатун механизма, изображенного на рисунок 3а, сложен в изготовлении. Механизм, представленный на рисунок 3б, имеет малый ход ползуна, кроме того он существенно увеличивает габарит пресса в направлении перпендикулярном фронту. Для механизма, изображенного на рисунок 3в, характерно то, что устойчивый плоский контакт ползуна в направляющих станины отсутствует, и зона допускаемых относительных смещений технологической нагрузки вырождается в точку.
Механизм с наклонным шатуном бесконечной кинематической длины лишен перечисленных недостатков (рисунок 4), обладая при этом следующими преимуществами:
- высокая жесткость;
- отсутствует перекос ползуна при допускаемом смещении технологической нагрузки;
- высокая точность поковок с вытянутой осью;
- технологичен в изготовлении;
- позволяет получить большой ход ползуна. 
Таким образом, для КГШП наиболее предпочтительным является механизм с наклонным шатуном бесконечной кинематической длины (рисунок 4).

Рисунок 4. Механизм с наклонным шатуном () бесконечной ()
кинематической длины

На рисунке 5а приведена схема, иллюстрирующая кинематику механизма рисунок 4. Рамный ползун 1 вертикально перемещается в направляющих станины 2. Точка О принадлежит неподвижной оси главного вала. Центр А шатунной шейки совершает относительно О вращательное движение с радиусом , равным эксцентриситету главного вала. Точка А принадлежит шатуну и главному валу. Поэтому она в каждый момент должна находиться на окружности радиуса R и на прямой I, проходящей через центр паза, соединяющего ползун с шатуном и неподвижной относительно ползуна. Следовательно, проведя через точку А прямую под углом  наклона паза, на месте пересечения ее с вертикалью Y можно получить некую точку В, по которой удобно отслеживать перемещение ползуна. Из рисунка 5а следуют соотношения, приведенные в таблице 1. На рисунке 5б дана схема, иллюстрирующая статическое равновесие ползуна рассматриваемого механизма при  и смещениях технологической нагрузки в пределах зоны устойчивого плоского контакта ползуна с направляющими. II-II – нормаль к оси I-I паза соединения шатуна и ползуна, проходящая через текущую точку . f – абсолютная величина зоны устойчивого плоского контакта при заданном положения ИМ. Пределы смещения  при устойчивом плоском контакте обозначены  и .

а)	б)
Рисунок 5. Схема механизма, иллюстрирующая кинематику (а), статику (б)

Таблица 1 – Кинетостатические зависимости механизма (рисунок 5а)

Параметр	Расчетная зависимость	Параметр	Расчетная зависимость

При проектировании новой конкурентно-способной гаммы сначала 
отрабатывается первый типоразмер, на котором проверяются идеи, лежащие в основе будущей гаммы. Чтобы ускорить и удешевить освоение остальных типоразмеров гаммы, целесообразно прибегнуть к проектированию по коэффициентам, когда каждый параметр нового типоразмера равен произведению соответствующего параметра уже созданного типоразмера на определенный коэффициент. При научно обоснованном выборе коэффициентов связь параметров обоих типоразмеров должна согласовываться с фундаментальной теорией подобия [5].
Разработка исполнительного механизма велась применительно КГШП номинальной силой 25 МН (рисунок 6). Угол наклона шатунного паза был выбран из условия незначительного увеличения крутящего момента на главном валу (не более, чем на 5 %) и обеспечения устойчивого плоского контакта ползуна с направляющими во всем диапазоне смещения технологической нагрузки от расчетного центра давления в пределах 10 % от ширины ползуна в каждую сторону в плоскости движения шатуна на всем протяжении рабочего хода.

а)	б)
Рисунок 6. Ползун КГШП 25 МН в сборе с шатуном (а), наглядное изображение разрабатываемого исполнительного механизма (б): 1 – ползун; 2 – шатун; 3 – эксцентрик (кривошип) главного вала; 4 – станина

Исполнительный механизм КГШП конструктивно сопряжен с тремя частными вспомогательными устройствами: уравновешивателем гравитационных сил, устройством регулировки закрытой высоты и верхним выталкивателем. Была проведена опытно-конструкторская проработка данных устройств, за исключением уравновешивателя, т.к. он не вписывается внутрь механизма, и изменение конструкции последнего практически не влечет обязательного пересмотра конструкции первого.
Устройство регулировки закрытой высоты убрано из стола пресса и выполнено в виде эксцентриковой втулки, расположенной между кривошипом и шатуном, и приводящейся в движение дистанционно управляемым электроприводом с самотормозящимся червячным редуктором; являющимся фиксатором положения втулки относительно шатуна в рабочих режимах движения ползуна.
Эффективным способом предохранения КГШП по силе на ползуне является упругопластическое предохранение [6], позволяющее ограничить уровень перегрузок при любых отклонениях технологического процесса от штатного протекания и любых практически достижимых скоростях деформирования обрабатываемого изделия. Данный способ предохранения включает в себя следующую последовательность операций (рисунок 7а):
1. Разъемная станина 1 стягивается стяжными шпильками 2 таким образом, чтобы при любом превышении силы на ползуне 4 номинальной величины стык затянутого соединения раскрывался.
2. Диаметр средней части стяжных шпилек 2 подбирается так, чтобы после раскрытия стыка жесткость силового контура, создаваемого обрабатываемым изделием 3, инструментом, исполнительным механизмом, состоящим из ползуна 4, шатуна 5 и главного вала 6, и станиной 1 составляла 10ч30% от эффективной жесткости пресса.
3. При раскрытии стыка установленные на каждую из четырех шпилек датчики силы 7 отключают пресс так, что ее рабочий орган приходит в крайнее исходное положение с сигнализацией о факте перегрузки.
4. Гидрогайка 8 перезатягивает шпильки, восстанавливая расчетную силу срабатывания в соответствии с измеренной деформацией в режиме ручного дистанционного или автоматического управления.
Развитие перегрузок на ползуне пресса носит характер, показанный на рисунок 7б ломанной «а – б – в – г». По вертикальной оси отложена текущая сила на ползуне пресса P, по горизонтальной – недоход ползуна S до крайнего рабочего положения. Нагружение начинается в некоторой точке анедохода ползуна до крайнего рабочего положения, и до раскрытия стыка нагружение определяется участком «а – б» Угол Я_i определяет жесткость системы («пресс – инструмент – изделие» при выполнении технологической операции, «пресс – инструмент» при «глухом ударе») до раскрытия стыка станины. Точка б соответствует моменту раскрытия стыка станины и характеризуется величиной критической силы Р_КР. Участок «б – в» характеризуется упругой деформацией шпилек, угол γ определяет суммарную жесткость шпилек. Точка в – переход центральной части шпилек 2 в пластическую область. Участок «в – г» характеризуется пластическим течением шпилек, угол θ определяет жесткость системы при переводе центральной части шпилек в пластическую область. Точка г – переходу ползуна через КРП, определяет максимальную силу перегрузки . Следует отметить, что величина максимальной силы  практически не зависит от обобщенной координаты начала нагружения и жесткости пресса. Кривая «а – б – в – г» может прерваться вертикальной линией, проведенной исходя из условия что, площадь полученной фигуры равна сумме кинетических энергий подвижных масс и работы электропривода за вычетом потерь при условии, что кривая построена в размерных координатах . Нагружение пресса без системы предохранения характеризуется прямой «а – е». Ордината точки е соответствуют максимальной силе перегрузки при условии отсутствия предохранения.

а)	б)
Рисунок 7. Схема реализации упругопластического способа предохранения (а); кривая развития перегрузок при упругопластическом способе предохранения (б)

Для реализации упругопластического предохранения по описанному выше способу нужна разъемная станина закрытого типа. Применение других типов станин, в частности цельных закрытых станин и станин открытого типа (для КПМ другого технологического назначения), не является ограничением для использования упругопластического предохранения. В этом случае он должен быть реализован по способу описанному в [7].
В таблице 2 приведены параметры, определяющие упругопластический способ предохранения, применительно к разрабатываемому прессу.
Таблица 2 – Параметры упругопластического предохранения

Параметр	Без предохранения	Упругопластическое предохранение
	1,3	0,86
	1,0	0,23
	1,4	1,10
Примечание: материал шпилек сталь 18ХГТ, термическая обработка – нормализация;  – сила затяжки шпилек;  – максимальная сила перегрузки на ползуне; , , – эффективная жесткость пресса до и после раскрытия стыка станины соответственно;

Используя в качестве исходных параметры пресса-представителя номинальной силой 25 МН, полученные при его проектировании, по соотношениям подобия найдены расчетные параметры КГШП новой гаммы, приведены в таблице 3.

Таблица 3 – Расчетные параметры новой гаммы КГШП

Предлагаемая гамма КГШП содержит комплекс технических 
решений альтернативных существующим, обеспечивающих ей следующие преимущества:
- ликвидируются разъемы шатунов, разрушающихся в процессе собственных колебаний, возникающих из-за резкого падения технологической силы. Благодаря этому повышается безопасность прессов и отпадает необходимость периодической перезатяжки разъемов;
- примерно в 1,8 раза возрастает жесткость, за счет снижения зоны активной деформации пресса, благодаря чему возрастает точность поковок по высоте, уменьшается энергия собственных колебаний и снижается уровень шума;
- примерно на 28% уменьшается высота прессов и на 19% их масса, что особенно важно для сверхтяжелых КГШП с номинальной силой более 100 МН;
- на всей протяженности рабочего хода обеспечивается устойчивый плоский контакт ползуна с сопряженной поверхностью станины вне зависимости от величины зазора в соединении и смещения центра давления штампа от центра ползуна, в связи с этим исключается разнотолщинность поковок с вытянутой осью и снижается нагрузка на направляющие;
- применение эксцентриковой регулировки закрытой высоты, встроенной в ползун, позволяет оказаться от применения клинового стола и обеспечить неподвижную базу для средств автоматизации;
- предложенный способ предохранения КГШП по силе на ползуне, позволяет ограничить перегрузки на уровне 20% от номинальной силы при любых практически достижимых скоростях деформирования обрабатываемого изделия, любом уровне технологического нагружения и сбоях технологического процесса, что позволяет конструктивно добиться отсутствия перегрузок по напряжениям при ограниченной или неограниченной долговечности.

1. Свистунов В.Е. Кузнечно-штамповочное оборудование. Кривошипные прессы: Учебное пособие. – М.: МГИУ, 2008. – 704 с.
2. Ланской Е.Н. О параметрах жесткости прессов. Кузнечно-штамповочное производство. Обработка металлов давлением. 2001, №5, 35 – 39.
3. Федоркевич В.Ф. О жесткости современных кривошипных горячештамповочных прессов / Кузнечно-штамповочное производство. Обработка металлов давлением. 2001, №5, с. 23 – 25.
4. Бочаров Ю.А. Кузнечно-штамповочное оборудование: учебник для студ. высш. учеб.заведений // М.: Издательский центр «Академия», 2008. – 480 с.
5. Свистунов В.Е., Чубуков В.А., Матвеев А.Г., Гартвиг А.А. Проектирование кривошипных кузнечно-прессовых машин с использованием соотношений подобия // Заготовительные производства в машиностроении (кузнечно-штамповочное, литейное и другие производства). 2009. № 9. С. 30-37.
6. Патент RU 2427466. Способ предохранения кривошипных прессов от перегрузок по усилию на ползуне. Свистунов В.Е., Чубуков В.А., Матвеев А.Г. Опубл. 27.08.2011.
7. Патент RU 2548562. Устройство предохранения кривошипных прессов от перегрузок по силе на ползуне. Свистунов В.Е., Чубуков В.А., Матвеев А.Г., Гартвиг А.А. Опубл. 20.04.2015.

Все статьи автора «Ларин Виталий Александрович»