Расчет и проектирование механизмов и систем технологического оборудования: формообразующее оборудование. Механические и гидравлические прессы

№ 1104

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Кафедра машин и агрегатов металлургических машин

Т.А. Дудко
Н.А. Чиченев
И.А. Шур

Расчет и проектирование
механизмов и систем
технологического
оборудования

Формообразующее оборудование.
Механические и гидравлические прессы

Курс лекций

Рекомендовано редакционноиздательским
советом университета

Москва   Издательский Дом МИСиС
2008

УДК 621.76.0025 
 
Д81 

Р е ц е н з е н т  
д-р техн. наук, проф. С.П. Галкин 

Дудко Т.А., Чиченев Н.А., Шур И.А. 
Д81  
Расчет и проектирование механизмов и систем технологического оборудования: Формообразующее оборудование. Механические и гидравлические прессы: Курс лекций. – М.: Изд. 
Дом МИСиС, 2008. – 47 с. 

Рассмотрены конструкция и методика расчета оборудования для формования заготовок из порошковых материалов. Приведены примеры расчета 
технологических параметров прессов. Представлены варианты домашних заданий по проектированию оснастки прессов для порошковой металлургии. 
Предназначен для студентов специальностей 150404 «Металлургические 
машины и оборудование» и 150108 «Композиционные и порошковые материалы, покрытия», изучающих курс «Расчет и проектирование механизмов и 
систем технологического оборудования». 

© Государственный технологический  
университет «Московский институт 
стали и сплавов» (МИСиС), 2008 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Введение....................................................................................................4 
1. Общие сведения о формовании порошков.........................................5 
2. Классификация формообразующего оборудования..........................8 
3. Кривошипные прессы ........................................................................11 
3.1. Принцип действия и кинематика кривошипных прессов........11 
3.2. Определение усилий и прочностной расчет 
кривошипно-шатунного механизма пресса......................................16 
3.3. Энергетический расчет кривошипных прессов ........................20 
4. Гидравлические прессы .....................................................................24 
4.1. Принцип действия и особенности конструкции 
гидропрессов для формообразования порошков.............................24 
4.2. Гидросистемы прессов и их расчет............................................28 
4.3. Расчет основных элементов гидравлических прессов 
на прочность........................................................................................35 
4.4. Расчет технологических параметров прессов...........................40 
5. Варианты домашних заданий............................................................43 
Задание 1..............................................................................................43 
Задание 2..............................................................................................45 
Библиографический список...................................................................46 
 

ВВЕДЕНИЕ 

Порошковая металлургия открывает широкие возможности для 
изготовления конструкционных деталей и изделий сложной конфигурации с высоким уровнем механических и эксплуатационных характеристик. Особенно большой прогресс в развитии порошковой 
металлургии достигнут за последние 20–30 лет в связи с разработкой 
новых методов получения порошков и гранул сложных составов, а 
также новых способов спекания и формования. 
Оборудование, применяемое при производстве изделий методами 
порошковой металлургии, может быть разделено по своему функциональному назначению на следующие группы: 
– оборудование для производства металлических порошков и гранул; 
– оборудование для формования и спекания заготовок; 
– оборудование для различных видов обработки компактированных заготовок. 
Операция формования относится к одной из важнейших в технологическом цикле, так как она в основном определяет возможность 
получения изделий требуемой формы и с необходимыми физикомеханическими свойствами.  
Оборудование для формования порошковых материалов принято 
разделять на две составные группы: 
– формообразующее оборудование (установки, машины, устройства), предназначенное для объемного формообразования под давлением заготовок из массы насыпанного порошка;  
– формообразующий инструмент (пресс-формы, штампы, валки и 
др.), с помощью которого обеспечивается придание заготовкам из 
порошка требуемых размеров и формы. 

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ФОРМОВАНИИ 
ПОРОШКОВ 

В процессе формования порошков происходит деформация частиц 
порошка, а также их перемещение и заполнение ими пор. В объеме порошка, свободно засыпанного в пресс-форму, имеются значительные 
пустоты (поры), которые получаются в результате хаотического расположения частиц и занимают до 60…70 % общего объема. Величина пор 
зависит от формы частиц порошка и состояния их поверхности. 
Процесс уплотнения порошка под действием давления можно разделить на три стадии. На первой стадии частицы порошка, перемещаясь без 
деформации, заполняют пустоты, чем обеспечивается плотная упаковка 
частиц. Вторая стадия характеризуется повышением давления прессования, пока оно не станет равным значению сопротивления деформации 
порошка, при этом плотность порошка меняется незначительно, в основном за счет деформации выступов частиц. Когда же давление прессования будет достаточным для развития пластической деформации во всем 
объеме частиц, наступает третья стадия. В этот период уплотнение происходит за счет пластического истечения металла в поры. 
В реальных условиях строгого разделения процесса формования 
на стадии нет: они накладываются друг на друга и протекают почти 
одновременно. Отдельные частицы могут деформироваться при низких давлениях, а некоторые даже при высоких давлениях только перемещаются не деформируясь. Суммарное давление, включающее давление на всех этапах прессования, называется давлением прессования. 
Процесс формования оказывает решающее значение на качество 
конечной продукции. С увеличением плотности спрессованной заготовки возрастает степень консолидации порошка после спекания. 
На прессуемость порошка оказывают большое влияние его физические свойства, к которым относятся форма и размеры частиц, гранулометрический состав, удельная поверхность, плотность, микротвердость. Частицы неправильной формы сцепляются лучше, чем 
гладкие и сферические, в то же время они имеют меньшую насыпную массу и худшую текучесть.  
Большое влияние на процесс формования и конструирование формообразующего оборудования и инструмента оказывают технологические свойства порошка: насыпная масса, текучесть, прессуемость и др. 
Насыпная масса представляет собой массу единицы объема свободно насыпанного порошка и определяет размер рабочих частей 
пресс-форм и питателей. 

Текучестью порошка называют его способность с определенной 
скоростью вытекать из отверстия. От этой характеристики зависят 
скорость и непрерывность подачи порошка в матрицу, степень заполнения рабочих полостей штампов сложной конфигурации. Текучесть порошка во многом определяет производительность оборудования, особенно при прокатке. 
Прессуемостью называют способность металлического порошка 
образовывать под воздействием давления тело, имеющее заданную 
форму, размеры и плотность. Оценку прессуемости порошка обычно 
производят по его способности к уплотнению и формуемости. Характеристикой уплотняемости является диаграмма, построенная в 
координатах плотность – давление прессования. Количественной 
оценкой формуемости, т.е. способности порошка сохранять заданную ему под действием давления форму, служит прочность спрессованного изделия (брикета). 
Спрессованные изделия должны обладать определенной прочностью, обеспечивающей возможность их транспортировки, укладки, 
хранения. Прочность сформованных изделий возрастает с увеличением их плотности, которая зависит от давления прессования. Знание 
этой зависимости особенно важно при выборе мощности прессового 
оборудования. 
В отличие от жидкости давление в порошке во время прессования 
распределяется по всем направлениям неравномерно. Трение частиц 
порошка, их взаимное сцепление затрудняют перемещение частиц в 
стороны от направления прессования. В результате давление, действующее на боковые стенки пресс-формы, имеет меньшее значение, чем 
давление прессования, что следует учитывать при расчете пресс-форм. 
Силы трения, возникающие между частицами порошка и стенками матрицы, снижают осевое усилие по высоте формовки, что сказывается на равномерности распределения плотности по высоте изделия. При прессовании на универсальных вертикальных прессах 
каждый верхний слой получается плотнее нижележащего. Значительно большей равномерности в распределении плотности прессизделий можно достичь в результате применения специального оборудования для двухстороннего или всестороннего (изостатического) 
прессования. 
После окончания процесса прессования для удаления спрессованного изделия из пресс-формы надо приложить определенное усилие, 
которое называется усилием выталкивания. Его необходимо учитывать при расчете конструкции пресс-формы и определении усилия 

нижнего плунжера или выталкивателя пресса. Обычно усилие выталкивания не превышает 0,4 усилия прессования. 
Изменение размеров изделия в результате действия внутренних 
напряжений после снятия давления прессования называется упругим 
последействием. Знание этой величины необходимо при расчете размеров изделия и конструировании. При этом необходимо учитывать, 
что величина упругого последействия в направлении прессования в 
2–3 раза больше его величины в перпендикулярном направлении. 
Свойства порошковых материалов, технология формования, требования к прессуемым изделиям являются исходными параметрами 
при выборе формообразующего оборудования и конструировании 
инструментальной оснастки. 

2. КЛАССИФИКАЦИЯ ФОРМООБРАЗУЮЩЕГО 
ОБОРУДОВАНИЯ 

Наиболее широкое применение для формообразования заготовок 
и изделий из порошковых материалов находят кузнечно-прессовые 
машины, изостаты и прокатные станы, на которых методами объемного деформирования получают заготовки из массы свободно насыпанного или предварительно сформованного порошка. 
Кузнечно-прессовые машины весьма разнообразны. Они различаются по принципу действия, конструкции и размерам. Основными составными частями любой кузнечно-прессовой машины являются привод, 
обеспечивающий ее действие, и исполнительный или рабочий механизм, 
осуществляющий деформирование заготовки. Привод и рабочий механизм связаны между собой передаточными механизмами различных видов. Механизмы кузнечно-прессовой машины объединены станиной. 
Общая 
классификация 
кузнечно-штамповочных 
(кузнечнопрессовых) машин приведена на рис. 2.1.  

 

Рис. 2.1. Классификация формирующего оборудования 

В порошковой металлургии наибольшее распространение среди 
кузнечно-прессового оборудования получили механические и гидравлические прессы, которые различаются по скорости рабочего звена исполнительного механизма на участке рабочего хода, т.е. во время преодоления сопротивления деформированию (рис. 2.2). Прессы 
относятся к машинам квазистатического (неударного) действия, которые нажатием осуществляют прессование порошков, калибрование 
и объемную штамповку спеченных заготовок, вырубку заготовок из 
порошкового листового проката и другие операции. 

 

Рис. 2.2. Принципиальные схемы и графики скоростей прессов: 
а – кривошипный пресс; б – фрикционный пресс; в – гидравлический 
пресс; 1 – станина; 2 – матрица; 3 – пуансон; 4 – ползун; 
5 – маховик; 6 – кривошипный вал; 7 – привод; 8 – шпиндель; 
9 – фрикционный диск; 10 – плунжер; 11 – цилиндр; Р – усилие 
пресса; S и V – перемещение и скорость ползуна; H, hp, hx – полный, 
рабочий и холостой ход ползуна соответственно 

В зависимости от технологической схемы формования прессы 
имеют один или два ползуна для одностороннего или двухстороннего прессования соответственно. Извлечение отпрессованного изделия 
из матрицы осуществляют либо выталкивателем, либо способом стягивания матрицы с неподвижной заготовки, для чего ее устанавливают на подвижной траверсе. Кроме того, прессы, как правило, 
снабжают устройствами для наполнения пресс-форм порошком и 
удаления спрессованных изделий из зоны формования. 
Главными параметрами, в совокупности определяющими технологические возможности и конструктивные особенности пресса, являются номинальное усилие, ход и скорость движения ползуна, размеры стола для размещения инструмента. 
Изостатами называют установки для формования изделий из порошковых материалов, обеспечивающие равномерное (или почти 
равномерное) распределение давления по поверхности уплотняемой 
массы порошка. Такое распределение достигается тем, что давление 
передается на порошок через упругую (жидкую или газообразную) 
среду. При этом уплотняемая масса порошка заключена в герметичную оболочку (капсулу), играющую роль формообразующего инструмента. 
Порошок в оболочке и среда, передающая давление, размещены в 
рабочем объеме сосуда высокого давления. В зависимости от температуры, при которой осуществляется уплотнение, изостаты классифицируют на холодные и горячие; в зависимости от вида среды, передающей давление – на гидростаты и газостаты. Основными параметрами изостатов являются давление и температура рабочей среды, 
а также размеры рабочей камеры. 
Прокатные станы в порошковой металлургии применяют для 
получения листовой продукции с разнообразным сочетанием 
свойств: пористости, числа слоев, разнородных материалов и др. В 
основном для прокатки порошков используют листовые двухвалковые станы, отличительной особенностью которых является малая 
частота вращения рабочих валков (не более 30 мин–1). Это связано со 
спецификой формования металлических порошков в валках, так как 
при увеличении скорости прокатки ухудшаются условия заполнения 
порошком очага деформации 
Основными параметрами прокатных станов являются диаметр и 
частота вращения рабочих валков, усилие и момент прокатки. 

3. КРИВОШИПНЫЕ ПРЕССЫ 

3.1. Принцип действия и кинематика 
кривошипных прессов 

Основными достоинствами кривошипных прессов, обусловившими их широкое применение в цехах порошковой металлургии, являются быстроходность, простота и компактность конструкции, точность рабочего хода, отсутствие ударных нагрузок на фундамент, 
удобство автоматизации. 
В кривошипном прессе, типовая кинематическая схема которого 
приведена на рис. 3.1, преобразование энергии вращательного движения электропривода в энергию деформации обусловлено наличием 
жестких кинематических связей между всеми движущимися частями 
пресса. В результате характер изменения скорости движения ползуна 
в любое время действия пресса определяется только кинематикой его 
передаточного механизма (без учета неравномерности вращения 
привода и упругих деформаций деталей пресса). Этим кривошипные 
прессы отличаются от гидравлических прессов, скорость рабочего 
хода которых зависит от сопротивления деформированию заготовки. 
В передаточном механизме кривошипного пресса, как правило, 
предусматривается вращающийся элемент с большим моментом 
инерции, называемый маховиком, на который приходится основная 
часть работы деформирования заготовки. В промежутках между рабочими ходами маховик разгоняется и запасает энергию, часть которой на совершение рабочего хода. Скорость его вращения при этом 
несколько уменьшается (обычно не более чем на 20 %). 
Вращение маховику 5, закрепленному на приемном валу 8, передается от электродвигателя 7 через клиноременную передачу 
(см. рис. 3.1). На другом конце вала 8 смонтирована шестерня 9, находящаяся в зацеплении с зубчатым колесом 11, которое расположено на кривошипном валу 10. Внутри этого колеса смонтирована муфта включения 4. На другом конце кривошипного вала установлен 
тормоз 3, который служит для быстрой остановки кривошипношатунного механизма пресса после выключения муфты. Шатун 2 
служит для преобразования вращательного движения кривошипного 
вала в возвратно-поступательное перемещение ползуна 1. К ползуну 
пресса прикреплена верхняя (подвижная) часть инструмента, например пуансон. Нижняя (неподвижная) часть инструмента, например 
матрица, установлена на столе пресса. Для регулирования положения 
матрицы по высоте служит клиновое устройство 12.