obdelovalni stroji - preoblikovalni stroji - 2014 - 15...

1

Obdelovalni stroji – 3. letnik PAP

Preoblikovalni stroji© UNI-LJ/LaP

Predmet: Obdelovalni strojiPredmet: Obdelovalni stroji3. letnik PAP3. letnik PAP

Preoblikovalni Preoblikovalni strojistrojiš.l. 2014/15š.l. 2014/15

Izr.prof.dr. Tomaž Pepelnjak



• Uvod• Delitev preoblikovalnih strojev• Stroji z omejenim gibom

– Ekscentrska stiskalnica– Kolenska stiskalnica

• Stroji z omejeno energijo– Vretenska stiskalnica

• Stroji z omejeno silo• Stroji s servo pogoni• Vprašanja• Literatura

KazaloKazalo

2



Preoblikovalni stroji – nekoč in danes

Schuler stiskalnica za avtomobilsko industrijo – Opel, 1920 Vir: Schuler




Schuler ekscentrska stiskalnica za avtomobilsko industrijo – Peugeot, 1936Vir: Schuler

3




• Schuler ekscenter stiskalnica starejšega tipa

• Imenska sila: 500 kN• Miza: 500x800 mm• V prodaji, rabljena

Vir: MachineTools.com




Schuler mehanska stiskalnica z robotsko avtomatizacijo za avtomobilsko industrijo – 2012 Vir: Schuler

4




Schuler linija s servo stiskalnicami in robotskim podajanjemza avtomobilsko industrijo – 2012

http://www.schulergroup.com/technologien/produkte/highlight_servopressenlinie/index.html (link z razlagami posameznih info mest)

Vir: Schuler



Delitev preoblikovalnih strojev

Delitev glede na najpomembnejše karakteristike:

1. Stroji z omejenim gibom – mehanske stiskalnice

2. Stroji z omejeno energijo – mehanska kladiva in

vretenske stiskalnice

3. Stroji z omejeno silo – hidravlične stiskalnice

4. Stroji s posebnimi pogoni – linearni in servo pogoni

5. Stroji s hibridnimi pogoni

5



Glavni sklopi preoblikovalnega stroja

• Pogonski sistem

• Nosilna konstrukcija

• Izvršilni del (pehalo, kladivo, miza)

• Sistem upravljanja (krmiljenje)

• Sistem vzdrževanja (predvsem mazanje)



Glavni sklopi – primer ekscentrska stiskalnica

Pogonski sistem(ekscenter, sklopka,

glavna gred ...)

Nosilna konstrukcija

Izvršilno del (pehalo, miza)

Sistem upravljanja (krmiljenje)

Sistem vzdrževanja

(mazanje) Ojnica in vodenje

Sklopka in zavora

Vir: Komatsu

6



Glavne omejitve preoblikovalnih strojev

• Sila – hidravlične stiskalnice




• Sila – mehanske stiskalnice

7




• Energija – vretenske stiskalnice in kladiva

Vir: Schuler

Za vse preoblikovalne operacije je na razpolagoenaka količina energije



Elastične deformacije okvira stiskalnice

a - enosteberna ( C izvedba )

b - dvosteberna

Vir: Kuzman

8



Tipi pogona dvostebrne (“O”) stiskalnice

Vir: Lange

SPODNJI POGONZGORNJI POGON



Postopki in zanje primerni tipi stiskalnic

• Rezanje, štancanje, kalibracija: mehanske stiskalnice– Gib stiskalnci naj bo čim krajši, manjše povratne sile, vibracije ...

• Rezanje, fino rezanje: servo stiskalnice (programirana hitrost giba stroja)

• Globoki vlek: hidravlične (manjše hitrosti, boljši pogoji vleka)

• Globoki vlek: mehanske – ekscentrske (paziti na dovolj odprtine za izvlačenje izdelka)

• Masivno preoblikovanje: hidravlične ali servo stiskalnice• Kovanje: kladiva

9



Stroji z omejenim gibom – mehanske stiskalnice



Stroji z omejenim gibom

• Ekscentrske stiskalnice• Ročične stiskalnice• Kolenske stiskalnice

• Skupni princip vsem: pretvorba rotacijskega gibanja glavne gredi v translatorno gibanje pehala. Od vrste mehanizma je nato odvisen profil hitrosti gibanja pehala.

10



Princip delovanja ekscentra

Pogoj: e1 > e2

Gibi (hodi) stiskalnice:Hmax = 2 (e1 + e2)Hmin = 2 (e1 - e2)



Omejitve ekscentrske stiskalnice

• Omejitev s silo Fi (imenska sila)• Omejitev z imenskim momentom (izračunan iz imenske

sile) : na različnih nastavljenih radijih ekscentra je vedno na voljo le moment Mi

– Mi = Rmax * Fi * sin αi

• Rmax ... maksimalni radij (Hmax/2)• αi ... imenski kot (kot pri katerem lahko obremenimo

ekscenter z imensko silo, univerzalna stiskalnica: αi = 30°)– F kot funkcija Mi, T, R in kota α

• Omejitev z imensko energijo– W i = Fi * hi

11



Potek sile preoblikovalnega procesa in ocena dela

• Ocena preoblikovalnega dela s pomočjo Fsr in koeficienta Κ= Fsr / Fmax (ni vedno zanesljivo)

Vir: Kuzman



Računanje ekscentra za različne dolžine ročice

Karakteristike:• Fi = 200 kN• Nominalna hitrost: 155 obr./min• Nastavljiva hitrost: 84÷210 obr./min• Hod: 6 do 60 mm• Delovna miza: 300x450 mm• Delovna površina pestiča: 190x278

mm• Imenski kot (predpostavka): 30°

http://www.sangiacomopresse.it/en/prod1a.htm

Stiskalnica SANGIACOMO ekscenter stiskalnica s C okvirjem, oznaka: T20CE

Določite dopustne obremenitve stiskalnice pri hodih 60 mm, 50 mm, 40 mm in 30 mm !

12




�� = �� ∙ � ∙ �� = �� . ℎ = � ∙ (1 − ��)

�� = �� = 2��

�� = �� = 2��

= ��ℎ ∙ �2�

ℎ −1


0

100000

200000

300000

400000

500000

600000

020406080100120140160180

F (N

)

α (ᵒ)

Diagram F - α

R=Rmax R=Rmax/2 R=2Rmax/3 R=5Rmax/6

Fi !!FM !!



0

100000

200000

300000

400000

500000

600000

-0.03-0.02-0.0100.010.020.03

F (N

)

h (m)

Manjšanje giba -> oženje delovnega področja

R = Rmax R = Rmax/2 R = 2Rmax/3 R = 5Rmax/6

SMTmaxZMTmax ZMTmax/2 SMTmax/2

Računanje ekscentra za različne dolžine ročice –oženje delovnega področja

Stiskalnica SANGIACOMO ekscenter stiskalnica s “C” okvirjem, oznaka: T20CE

Fi !!

13



Odvisnost prečnih obremenitev od izvedbe vodenja ekscentra

Stranski pritiskna vodilo pestiča

Vodena dolžina

Stranski pritiskna vodenje bata

Glavna gred

Vir: Komatsu



Gib, hitrost in pospešek pehala ekscentrske stiskalnice

Vir: Komatsu

14



Gib, hitrost in pospešek pehala kolenske stiskalnice

Vir: Komatsu



Deformacija okvirja ekscentrske stiskalnice pri dinamični obremenitvi z F = 500 kN

A - jeklena varjena konstrukcija Fi = 600 kN

B - litoželezna

konstrukcija Fi = 600 kN

Vir: Kuzman

15



Deformacije delovnega prostora

mehanskih stiskalnic

K - togostni faktor [MN0,5mm-1 ]Fi – imenska sila [MN]

C - vzmetna konstanta [MN/mm]f - deformacija delovnega prostora [mm-1]

iFKC

fF

C

⋅=

=

Vir: Olivo, Schweer



Kolenska stiskalnica (vodoravna)

Fiksna točka

Ekscenter

Pogonska os

Povezovalna ojnica

PestičVodenje

Vir: Schuler

16



Hitrost gibanja pehala

Vir: Schuler



Vodoravna kolenska stiskalnica

Vir: Schuler

17



Oddaljenost matric od referenčne površine

44,56

44,69

75

79

75

50,86Referenčna

površina

44,49

44,75

Vir: Lebič, Gorenje Orodjarna



Razporeditev preoblikovalnih operacij večstopenjskega orodja


18



Potek sile večstopenjskega orodja




Stroji z omejeno energijo –vretenske stiskalnice in kladiva

19



Stroji z omejeno energijo

• Delitev na:– Vretenske stiskalnice:

• Dvokolutne• Trikolutne• Vincent tip (stožčasti torni pogon)• Direktni hidravlični pogon

– Kladiva:• Šabotna kladiva

– Padajoča kladiva (pogon z desko, trakom, verigo ...)– Tlačno gnana kladiva

• Protiudarna kladiva– Samo eno kladivo je direktno gnano– Obe kladivi sta direktno gnani



Shema vretenske stiskalnice

1. Pogonski disk2. Vztrajnik3. Vreteno4. Okvir5. Pehalo

rdd ... Radij, pri katerem ni več trenjadf ... Premer vztrajnikaddd ... Premer gonilnega diskanf ... Hitrost vztrajnikandd ... Hitrost gonilnega diska Vir: Tschaetsch

20



Prednosti vretenskih stiskalnic

• Potrebujejo relativno majhen temelj• Nivo hrupa je precej nižji kot pri kladivih• So visoko-energijski stroji (zaradi akumulirane energije v

vztrajniku). Uporabljamo jih pri procesih, ki zahtevajo veliko razpoložljive energije

• Časi preoblikovanja so (napram mehanskim stiskalnicam) relativno kratki -> daljše življenjske dobe orodij

• Vreteno stiskalnice ni samozaporno � ni možnosti blokiranja stiskalnice zaradi napetosti (nevarnost pri mehanskih stiskalnicah)

• Podobno kot kladiva vretenske stiskalnice nimajo spodnje mrtve točke – ni potrebno nastavljati višine orodja; možno tudi kovanje v zaprtih utopih



Produktivnost vretenskih stiskalnic

Imenska sila

stiskalnice (kN)

1000 2000 3000 5000 10000

Masa odkovka

(kg)0,3…0,6 0,8…1,5 2…3 3…5 6…8

Proizvodnja odkovkov

(kg/h)60…70 120…150 300…400 500 800

Vir: Grizelj

21



Tipi vretenskih stiskalnic - 1

Enokolutna Dvokolutna

Vir: Lange

(Stacionaren navoj) (Pomičen navoj)




Trokolutna Direktni elektromotorskipogon

Vir: Lange

22




Vincent stiskalnica s stožčastimi vztrajniki

Vir: Lasco



Problematika obremenitve stiskalnice

optimalnopreobremenitev

stroja

23



Karakteristike vretenskih stiskalnic

• So mehanske stiskalnice, pri katerih se pehalo giblje v vertikalni smeri zaradi navojne vijačnice

• Glavna omejitev (in kontrola) je razpoložljiva energija stiskalnice

• Razpoložljiva energija je shranjena v vztrajniku

– Wmax (Nm) ... Energija vztrajnika– nf (obr/min) ... Obrati vztrajnika– Id (kgm-2) ... Vztrajnostni moment vztrajnika– ω (s-1) ... Kotna hitrost vztrajnika

2302

22

max

df

d

InIW ⋅

⋅=⋅=

πω



Vztrajnik

24



Računski primer

• Za izdelavo preoblikovanca potrebujemo 5000 Nm preoblikovalne energije. Ali lahko delamo s stiskalnico z dimenzijami vztrajnika na sliki? Premer gonilnega diska: ddd = 1200 mm in njegova rotacija ndd= 125 min-1.



1. Opredelitev masnega vztrajnostnega momenta

25



2. Opredelitev razpoložljive energije stiskalnice

• Primerjava energij:• Wef = Wmax*ηM = 7718,8 * 0,7 = 5403,2 Nm > 5000 Nm• ηM = 0,7 do 0,9



Shema SPP vretenske stiskalnice Lasco

A ... Gib pehalaB ... Širina pehalaC ... Globina pehalaD ... Odprtina stroja

(max . med pehalo-miza)E ... Odprtina med vodiliF ... Stranska odprtinaG ... Celotna višina

Vir: Lasco

26



Karakteristike SPP Lasco stiskalnic

Vir: Lasco



Stroji z omejeno silo – hidravlične stiskalnice

27



Stroji z omejeno silo – hidravlične stiskalnice

• Princip delovanja: konstanten tlak na delovno površino cilindra: F=p*A

• Moč stiskalnice: P (W) se izraža kot: sk

pVP

η

⋅=

Vir: Schuler



Delovni cikel sodobne hidravlične stiskalnice

Vir: Schuler

28



Nadzor paralelnosti sodobne hidravlične stiskalnice

Vir: Schuler



Karakteristike hidravličnih stiskalnic (Schuler)

Vir: Schuler

29



Karakteristike hidravličnih stiskalnic (Schuler)

• Stiskalnica Litostroj HUO-2-250-400: vp = 20 mm/s

SH-250

Vir: Schuler



Sodobni tipi stiskalnic – servo stiskalnice

30



Servo stiskalnice

• Zadnji pomembnejši ključni razvoj stiskalnic pred pojavom servo stiskalnic so bile kolenske stiskalnice v šestdesetih letih prejšnjega stoletja (skoraj 30 let le malo novega)

• Razvoj servo stiskalnic od leta 1997, do takrat razvoj stiskalnic generalno le počasi napredoval. Razvije jih Komatsu (Japonska)

• Najpomembnejše je fleksibilno gibanje pehala



Prednosti servo stiskalnic

• Kombinacija klasičnih pogonov in servomotorjev bistveno izboljša kinematiko pogona.

• Izognemo se lahko udarni obremenitvi orodja in s tem bistveno podaljšamo njegovo življenjsko dobo.

• Pulzirajoče delovanje gibanja pehala lahko bistveno izboljša tribološke pogoje in poveča preoblikovalnost.

• Zmanjšanje hitrosti pehala v kritičnih legah bistveno manjša hrup.• Zmanjša se lahko vibracije preoblikovane pločevine pri velikih

preoblikovancih.• Kontrola vzporednosti pehala bistveno izboljša natančnost izdelave.• S skrajšanjem preoblikovalnega cikla se lahko občutno poveča

produktivnost.

31



Preoblikovalni cikel servo stiskalnice



Koncepti servo stiskalnic - 1

Servo stiskalnica s kolenskimmehanizmom

Servo stiskalnica z jermenskim pogonom

32



Koncepti servo stiskalnic - 2

Mehanska stiskalnica s servo pogonom

Hibridna mehanska stiskalnica s kombiniranimi mehanizmi vezanimi na servo pogon



Servo stiskalnica Komatsu (dual)

Globoki vlek Rezanje

Kalibracija Večkraten gib

Vir: Komatsu

33



Preprečitev gubanja z nihanjem pehala

Normalen gib Postopen gib

Ni gubanja

Gubanje

Gib

Gib navzgor Gib

navzdol

Konec preoblikovanja

ČasZačetek preoblikovanja

Postopno gibanjePostopno gibanje



Primerjava treh tipov stiskalnic

Vir: Amino

34



LINEARNI POGONI



RAZLIČNE SPODNJE MRTVE TOČKE –RAZLIČNE GLOBINE REZANJA

35



HIBRIDNI POGON



Tipi pogona dvostebrne (“O”) stiskalnice

Vir: Lange

SPODNJI POGONZGORNJI POGON

36




Karakteristike:• Fi = 200 kN• Nominalna hitrost: 155 obr./min• Nastavljiva hitrost: 84÷210 obr./min• Hod: 6 do 60 mm• Delovna miza: 300x450 mm• Delovna površina pestiča: 190x278

mm• Imenski kot (predpostavka): 30°

http://www.sangiacomopresse.it/en/prod1a.htm


Določite dopustne obremenitve stiskalnice pri hodih 60 mm, 50 mm, 40 mm in 30 mm !




�� = �� ∙ � ∙ �� = �� . ℎ = � ∙ (1 − ��)

�� = �� = 2��

�� = �� = 2��

= ��ℎ ∙ �2�

ℎ −1


0

100000

200000

300000

400000

500000

600000

020406080100120140160180

F (N

)

α (ᵒ)

Diagram F - α

R=Rmax R=Rmax/2 R=2Rmax/3 R=5Rmax/6

Fi !!FM !!

37



0

100000

200000

300000

400000

500000

600000

-0.03-0.02-0.0100.010.020.03

F (N

)

h (m)

Manjšanje giba -> oženje delovnega področja

R = Rmax R = Rmax/2 R = 2Rmax/3 R = 5Rmax/6

SMTmaxZMTmax ZMTmax/2 SMTmax/2

Računanje ekscentra za različne dolžine ročice –oženje delovnega področja

Stiskalnica SANGIACOMO ekscenter stiskalnica s “C” okvirjem, oznaka: T20CE

Fi !!



Vprašanja

• Opišite glavne karakteristike ekscentrske stiskalnice.

• Razložite deformacije preoblikovalnih strojev med preoblikovanjem.

• Opišite in skicirajte tipe vretenskih stiskalnic.

• Predstavite delitev preoblikovalnih strojev in za vsak tip navedite ključne prednosti in slabosti.

• Predstavite glavne omejitve ekscentrske stiskalnice.

• Določite dimenzijo vztrajnika vretenske stiskalnice za masivno preoblikovanje pri katerem rabimo 3000 Nm energije.

• Opišite delovanje hidravlične stiskalnice in njen delovni cikel.

• Razložite, kako pri sodobni hidravlični stiskalnici izravnavati ekscentričnosti obremenitev pehala.

• Naštejte prednosti servo stiskalnic.

• Kdaj in zakaj so se pojavile servo stiskalnice?

• Naštejte koncepte servo stiskalnic in skicirajte enega od njih.

• Za stiskalnico z “O” okvirjem in togostnim faktorjem k=1 določite deformacijo okvirja in vzmetno konstanto pri nakrčitvi valja dimenzij Ø54x80 mm iz jekla C15E na polovično višino, µµµµ=0,15. C=735 MPa, n=0,215.

38



Literatura

– K. Kuzman: Tehnološke karakteristike preoblikovalnih strojev. 1. izdaja. Ljubljana: Fakultete za strojništvo, Ljubljana, 1984.

– K. Kuzman: Closed loop control of the 3D bending process. CIRP ann., 2003, letn. 52, no. 1, str. 205-208.

– K. Kuzman: Comments on the cold metal forming processes stability control. J. mater. process. technol., 2007, letn. 185, št. 1/3, str. 132-138.

– H. Tschaetsch: Metal Forming Practice, Springer Verlag, 2006, 405 str.– Schuler GmbH: Metal Forming Handbook, 1998, 563 str.– B. Grizelj: Strojevi za oblikovanej metala deformisanjem, Slavonski brod

2007, 374 str.– K. Osakada, K. Mori, T. Altan, P. Groche: Mechanical servo press

technology for metal forming, CIRP Annals, letn. 60, št. 2, str. 651-672.– Internet: proizvajalci preoblikovalnih strojev: Schuller, Komatsu, Müller-

Weingarten, Wanzke ...

obdelovalni stroji - preoblikovalni stroji - 2014 - 15...

Documents