WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 7 |
Министерство образования и науки Российской Федерации Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тамбовский государственный технический университет" А.С. КЛИНКОВ, М.В. СОКОЛОВ, В.И. КОЧЕТОВ, В.Г. ОДНОЛЬКО, И.В. СКОПИНЦЕВ ИНЖЕНЕРНАЯ ОПТИМИЗАЦИЯ ПРЕССОВОГО И ЛИТЬЕВОГО ОБОРУДОВАНИЯ Утверждено Учёным советом университета в качестве учебного пособия для студентов, обучающихся по направлениям подготовки бакалавров и магистров 150400, 151900, 261700, 150700 Тамбов Издательство ГОУ ВПО ТГТУ 2011 1 УДК 678.078.2.002.5(075) ББК Л710.2-5я73 И622 Рецензенты:

Доктор технических наук, профессор ГОУ ВПО ТГТУ Н.П. Жуков Кандидат технических наук, заместитель директора ОАО "НИИРТМаш", В.Н. Шашков И622 Инженерная оптимизация прессового и литьевого оборудования : учебное пособие / А.С. Клинков, М.В. Соколов, В.И. Кочетов, В.Г. Однолько, И.В. Скопинцев. – Тамбов : Изд-во ГОУ ВПО ТГТУ, 2011. – 80 с. – 100 экз. – ISBN 978-5-8265-0982-1.

Рассмотрены современное состояние и перспективы развития расчёта и оптимизации конструктивных параметров прессового и литьевого оборудования для переработки полимерных материалов в изделия и детали. Особое внимание уделено постановке и решению задач минимизации массы основных тяжелонагруженных деталей применяемого оборудования.

Предназначено для студентов, обучающихся по направлениям подготовки 150400 "Технологические машины и оборудование", 151900 "Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств", 261700 "Технология полиграфического и упаковочного производства", 150700 "Машиностроение" при выполнении курсовых проектов и магистерских диссертаций по разработке конструкций минимальной массы прессового и литьевого оборудования.

УДК 6678.078.2.002.5(075) ББК Л710.2-5я73 ISBN 978-5-8265-0982-1 © Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тамбовский государственный технический университет" (ГОУ ВПО ТГТУ), ВВЕДЕНИЕ В условиях рыночной экономики предприятие по переработке полимерных материалов сможет оставаться конкурентоспособным лишь в том случае, если будет использовать современную технологию производства, прогрессивное оборудование минимальной металлоёмкости и затрачивать на производство минимальное количество энергоресурсов.

Перевооружение производства предусматривает привлечение существенных инвестиций. Более целесообразным, по нашему мнению, в сложившихся экономических условиях будет модернизация существующего оборудования путём замены его основных рабочих узлов и деталей на новые, спроектированные на основе современных методов расчёта, учитывающих минимизацию их массы и качество конечного продукта.

Базовым оборудованием для получения различных штучных изделий, определяющих технологическую мощность предприятия и качество полученных изделий, являются прессовое и литьевое оборудование: гидравлические прессы колонного, рамного и челюстного типов; литьевые машины горизонтального и вертикального типов. Основными элементами этих машин являются: станины прессов различных типов конструкций; обогреваемый (охлаждаемый) материальный цилиндр; червяк, вращающийся относительно своей оси и движущийся поступательно вдоль неё, создавая высокое давление литья (впрыска).

Станины, материальные цилиндры и другие несущие узлы прессового и литьевого оборудования должны обладать достаточными прочностными характеристиками и выдерживать расчётные силовые нагрузки.

В учебном пособии представлены новые методы расчёта, приведены алгоритмы и программное обеспечение, позволяющие производить автоматизированный расчёт и проектирование конструкций прессового и литьевого оборудования. С их помощью можно рассчитать конструктивные параметры основных тяжелонагруженных деталей при условии минимальной их массы и ограничениях на прочность материала (жёсткость, устойчивость конструкции).

Разработанные авторами методики основываются на базовых теориях прочности и более точных расчётных моделях, построенных для процесса оптимизации конструкций основных тяжелонагруженных элементов прессового и литьевого оборудования.

1. ПРОЧНОСТНЫЕ РАСЧЁТЫ ОСНОВНЫХ УЗЛОВ И ДЕТАЛЕЙ ЛИТЬЕВОГО ОБОРУДОВАНИЯ 1.1. МАТЕРИАЛЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОСНОВНЫХ РАБОЧИХ ЭЛЕМЕНТОВ ОБОРУДОВАНИЯ Червяки пластикационных устройств. В процессе работы пластикационного устройства червяк испытывает большие нагрузки. Он передаёт значительные крутящие моменты, подвергается истиранию из-за трения о стенку цилиндра и перерабатываемый материал, может испытывать воздействие агрессивных сред (при переработке жёсткого поливинилхлорида и его сополимеров выделяется соляная кислота).

Для переработки подобных материалов червяк должен обладать высокой коррозионной устойчивостью.

Большинство перерабатываемых материалов в процессе пластикации не выделяют особенно активных агрессивных сред. Для переработки таких материалов червяки целесообразно изготавливать из азотированных сталей, так как ввиду большой длины и сложного профиля нарезки червяков наилучшим видом их термообработки, исключающим коробление, является азотирование. Азотируемый слой обладает высокой твёрдостью, сохраняя свои свойства при температурах 773К-823К, и большой устойчивостью против истирания. Азотирование повышает химическую устойчивость против коррозии во многих агрессивных средах. В настоящее время для упрочнения червяков используют процесс ионитрирования.

Гальванически хромированные червяки недолговечны, так как наличие температурных напряжений и напряжений, возникающих от деформации кручения в процессе работы червяка, приводит к растрескиванию, а затем и шелушению слоя хрома.

Хорошие результаты работы показали червяки из азотируемой стали марок 38ХМЮА, 40ХН2МА. Достигаемая при азотировании или ионитрировании твёрдость поверхности червяка составляет НRА 70-74.

После азотирования рабочую поверхность червяка и шлифуют, а затем полируют.

Для переработки материалов, у которых температура пластикации близка к температуре разложения, червяки следует изготавливать из высоколегированных коррозионно-устойчивых сталей марок 9Х18, 1Х17Н2, 14Х17Н2.

Для увеличения долговечности червяков некоторые зарубежные фирмы производят наплавку витков по наружному диаметру твёрдыми сплавами (стеллитом, сормайтом) и проводят насыщение поверхности червяков ионами азота методом ионитрирования. Поверхность червяков обрабатывают по 9, 10 классу точности.

Цилиндры пластикационных устройств. Пластикационные и инжекционные цилиндры литьевых машин выполняются из круглого проката или цилиндрических поковок. Пластикационные цилиндры в большинстве случаев изготовляют цельными и реже составными, с запрессованными в них гильзами. Цилиндры и гильзы обычно выполняют из азотированной стали марок 38ХМЮА, 40ХН2МА. Твёрдость поверхности отверстия цилиндра или гильзы должна быть меньше твёрдости червяка на 8…10 единиц, что предотвращает их взаимный задир и попадание стружки в расплав полимера, а также заклинивание червяка в цилиндре машины. Инжекционные цилиндры эксплуатируют при высоких рабочих давлениях (до 200 МПа) и высоких рабочих температурах (до 673 К). Поверхность отверстия цилиндра в рабочей зоне обрабатывается до 9 класса, а зоны загрузки – до 7 класса точности.

Плиты механизмов замыкания литьевых машин с усилием до 800 кН изготовляют из листового проката стали 45 (ГОСТ 1050–88).

Рабочие поверхности обрабатывают по 6, 7 классу шероховатости поверхности. Плиты четырёхколонных машин обычно изготовляют из сталей 35Л, 40Л и 45Л (ГОСТ 977–88) и значительно реже применяют сварные конструкции из листового проката стали 35. Для вертикальных литьевых машин основание обычно выполняют из чугуна СЧ 21.

Конструкция выбирается в зависимости от условий изготовления коробчатого или таврового сечения с расчётным допускаемым напряжением изгиба [] = 30…40 МПа.

Подвижные плиты (перекладины) прессового оборудования изготовляют литыми из стали или чугуна или сварными из стального листа.

Направляющие колонны литьевых машин обычно изготовляют из сталей 35, 40, 45 (ГОСТ 1050–88) и 40Х (ГОСТ 4543–71), которые мало чувствительны к концентрации напряжений и хорошо переносят пульсирующие нагрузки. Рабочую поверхность колонн, по которым перемещается подвижная плита, тщательно шлифуют до 8 или 9 класса шероховатости по ГОСТ 2789–73. Остальные поверхности колонн обрабатываются по 6 классу шероховатости. Для повышения износоустойчивости рабочие поверхности колонны подвергаются поверхностной закалке токами высокой частоты, хромированию или азотированию (последний метод применяют для колонн из стали марки 38ХМЮА). Колонны гидравлических прессов обычно изготовляют из Ст5 или низколегированных сталей.

Гайки колонн изготовляются из углеродистой стали марок 35, 40, 45 (ГОСТ 1050–88) и 40Х (ГОСТ 4543–71).

Материалом для изготовления опорных полуколец служит сталь марки 45 или 40Х. Боковые поверхности полуколец обрабатываются по 7 классу шероховатости.

Гидроцилиндры. На современных литьевых машинах устанавливают: стальные кованые цилиндры, когда давление превышает 18…20 МПа при скорости перемещения поршня более 0,2 м/с; чугунные литые цилиндры или цилиндры из труб, когда давление менее 15 МПа и скорости перемещения поршня не более 0,2 м/с; стальные литые цилиндры при больших диаметрах поршня и давлениях до 32 МПа. Стальные литые цилиндры получили наибольшее распространение для привода простых и двухступенчатых гидравлических механизмов, а также перемещения инжекционного червяка (или поршня). На литьевых машинах большой мощности применяют преимущественно плунжеры, которые при диаметрах более 200 мм выполняют пустотелыми. Плунжеры изготовляют из чугуна СЧ 21 и сталей 35Л, 35 и 45.

Гидроцилиндры прессов выполняют чаще всего из стали 35. Кованые цилиндры изготовляют из углеродистых или низколегированных сталей. Для рабочих давлений до 20 МПа используют литые цилиндры. При рабочих давлениях не более 32 МПа применяются литые стальные цилиндры из стали 35Л.

Плунжеры гидроцилиндров малого диаметра (до 200…250 мм) выполняются сплошными из углеродистой стали. Рабочая поверхность таких плунжеров имеет твёрдость 35…40 единиц HRC. При применении хромомолибденовых сталей поверхностная твёрдость достигает 65…85 единиц HRC.

Для облегчения, плунжеры больших диаметров часто выполняют полыми, причём их обычно изготовляют литыми из стали. Плунжеры, изготовленные из отбеленного чугуна, обладают поверхностной твёрдостью 55…75 единиц HRC. В связи с высокой хрупкостью применять такие плунжеры на прессах с верхним рабочим цилиндром не следует, так как в случае поломки плунжера может произойти падение плиты, что может привести к несчастным случаям.

Станины прессов изготовляют сварными из стального листа или проката, а также литыми из стали или модифицированного чугуна.

Применяемые материалы: чугунное литье СЧ 24; стальное литье 35Л, 45Л; листовой прокат (для сварных конструкций) из стали марки Ст3.

1.2. ПРОЧНОСТНЫЕ РАСЧЁТЫ ЧЕРВЯКОВ ИНЖЕКЦИОННЫХ МЕХАНИЗМОВ ЛИТЬЕВЫХ МАШИН Червяк в машине для литья под давлением выполняет следующие функции: осуществляет набор заданного для впрыска объёма материала, совершая вращательное движение и перемещаясь при этом назад;

впрыскивает в оформляющую полость подготовленную порцию материала при заданном давлении впрыска, выполняя роль поршня и совершая поступательное движение вперед.

При проверке прочности червяков нужно учитывать следующие внешние силовые факторы: осевое усилие, возникающее от давления расплава на торцевую поверхность конца червяка, и крутящий момент, подводимый к хвостовику. Наиболее нагруженным является поперечное сечение сердечника червяка под загрузочным окном, так как крутящий момент здесь имеет максимальное значение, а площадь этого сечения минимальна.

В современных машинах для литья под давлением в процессе набора дозы материала рабочие давления, возникающие в цилиндре, невелики (не превышают давления запирания сопла инжекционного цилиндра), а при впрыске рабочее давление может достигать значений 200 МПа и выше.

Поскольку в процессе набора дозы материала рабочее давление, действующее на червяк, невелико, то проверять червяк на продольную устойчивость от осевого усилия и на прогиб под действием собственного веса во избежание касания стенок цилиндра не обязательно по следующим причинам. Поскольку винтовой канал нарезки червяка заполнен материалом, то затекающий в зазор между гребнем нарезки и цилиндром расплав образует смазочный слой, надёжно предотвращающий касание червяка и цилиндра; червяк оказывается как бы плавающим на этой жидкостной подушке расплава материала. Она же оказывает и поддерживающее воздействие на червяк, предотвращающее потерю им продольной устойчивости, которая произошла бы, если бы червяк был нагружен аналогичным образом и находился бы вне цилиндра с материалом [1 – 3]. Однако, опыт эксплуатации литьевых машин показывает, что червяки интенсивно изнашиваются в зоне дозирования. Это говорит о том, что передний конец червяка в процессе работы всё же скользит по внутренней поверхности цилиндра, что может происходить на стадии впрыска материала в оформляющую полость пресс-формы под высоким давлением. Поэтому, кроме расчётов на прочность и жёсткость, сердечник червяка должен проверяться на устойчивость от осевого усилия, возникающего при впрыске.

При расчёте червяков на прочность в машинах для литья под давлением необходимо учитывать следующие действующие усилия:

1. Осевое усилие, развиваемое гидроцилиндром впрыска, P1, (Н) Dn P1 = pг, где pг – рабочее давление жидкости в гидроцилиндре впрыска, МПа;

Dп – диаметр поршня гидроцилиндра, м.

2. Осевое усилие, развиваемое при вращении червяка, P2, (Н) 9550N P2 =, nRсрtg где N – мощность привода червяка в кВт; n – частота вращения червяt ка, об/мин; – угол подъёма винтовой линии, град, tg =, где Dч t – шаг нарезки червяка, м; Dч – наружный диаметр червяка, м; Rср – средний радиус червяка, м Dч + dB Rср =, где dB – диаметр сердечника червяка в зоне загрузки, м.

Суммарное осевое усилие, действующее на червяк, в машинах для литья под давлением, P (в кН) P = P1 + P2.

3. Собственный вес червяка.

4. Результирующее усилие, вызывающее поперечный изгиб червяка из-за неоднородной вязкости расплава в различных радиальных сечениях, перпендикулярных к оси червяка.

5. Окружное усилие на червяке при его вращении. Под действием указанных усилий червяк находится в процессе работы в сложном напряжённом состоянии, испытывая деформацию сжатия, кручения и изгиба.

Схема расчёта червяка и его опор представлена на рис. 1.1. Методика расчёта червяка на прочность и продольный изгиб изложена в [5], программа расчёта на ЭВМ представлена в прил. (Программа 1).

Rв А В PG + P P l/a l Рис. 1.1. Расчётная схема нагружения червяка 1.3. РЕШЕНИЕ ЗАДАЧИ МИНИМИЗАЦИИ МАССЫ КОНСТРУКЦИИ ШНЕКА С ОСЕВЫМ ОТВЕРСТИЕМ И РАЗРЫВНЫМИ ВИТКАМИ Вопросы прочности подобного типа конструкции изложены ранее [5], поэтому ограничимся записью расчётных формул для определения максимального эквивалентного напряжения и максимального прогиба шнека (рис. 1.2):

2 Mmax Nп NпW Mкр max экв = + + + [], (1.1) W0 F W0 W Wmax maxW = [W ], (1.2) Nп 1Nэ где R1, R2, R0 – радиусы витков, сердечника, осевого отверстия шнека, R2 R соответственно; e – ширина витка шнека; W0 = 1- – осе 2 R 2 вой момент сопротивления шнека изгибу; F = (R2 - R0 ) – площадь поперечного сечения вала шнека; [W] – допускаемый прогиб вала шнека, который не должен превышать величины радиального зазора между гребнем винтовой нарезки и внутренней поверхностью материального цилиндра.

D п max y R Основная цель данного проектирования R2 А–А Rсостоит в том, чтобы на основании расчётных формул (1.1) и (1.2) найти такие оптимальные геометрические параметры шнека, которые наряду с прочностными характеристиками и эффективным отводом тепла обеспечивали бы R1 минимальную массу конструкции (1.3).

M(x) = l0(R1 - x1)2 + (R1 - x1)2 l + Рис. 1.2. Поперечное сечение шнека с (1.3) осевым отверстием:

+(2(R1 - x1 2) cos)x1x2n - x3 (l0 + l).

(R1 – R2) x1; e x2;

R0 xВ связи с этим ставится задача: найти вектор параметров управления x = (х1, х2, х3), который минимизирует целевую функцию, характеризующую расход материала (массы). При этом должны выполняться ограничения по прочности:

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 7 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.