Кузнечно-штамповочное оборудование

 
 
 
 
 
 
 
Л.И. Живов, А.Г. Овчинников, 
Е.Н. Складчиков 
 
 
 
 
КУЗНЕЧНО-ШТАМПОВОЧНОЕ 
ОБОРУДОВАНИЕ 
 
Под редакцией Л.И. Живова 
 
 
Допущено Министерством образования 
Российской Федерации 
в качестве учебника для студентов 
высших технических учебных заведений, 
обучающихся по специальности 
«Машины и технология обработки металлов давлением» 
 
 
 
 
 
 
 
Москва 
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана 
2006 

УДК 621.97(075.8) 
ББК 34.62 
Ж67 
 
 
 
Рецензенты: кафедра «Машины и технология обработки металлов давлением» Московского государственного индустриального университета; д-р техн. наук, 
проф. А.Э. Артес 
 
Живов Л.И., Овчинников А.Г., Складчиков Е.Н. 
Кузнечно-штамповочное оборудование: Учебник для вузов / Под ред. Л.И. Живова. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006. – 560 с.: ил. 

ISBN 5-7038-2804-Х 
 
В учебнике представлены схемы, конструкции, основы и методы расчета кузнечноштамповочных машин различного технологического назначения; методы и средства автоматизации проектирования, соответствующие достигнутому уровню развития этих машин, 
включая оптимизацию проектных решений. 
Содержание учебника соответствует курсу лекций, который авторы читают в МГТУ 
им. Н.Э. Баумана. 
Для студентов, обучающихся по специальности «Машины и технология обработки 
металлов давлением». Может быть полезен инженерно-техническим и научным работникам. 
 
 
 
 
 
УДК 621.97(075.8) 
 
 ББК 34.62 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

© Л.И. Живов, А.Г. Овчинников, Е.Н. Складчиков, 
2006. 
 
© Оформление. Издательство МГТУ им. Н.Э. Бау- 
ISBN 5-7038-2804-Х 
мана, 2006. 

Ж67 

Предисловие 

В настоящее время после глубочайшего кризиса в стране происходит оживление деятельности машиностроительных предприятий, возрастает потребность 
в высококвалифицированных инженерно-технических специалистах. На основе 
достижений докризисного периода в области создания кузнечно-штамповочного 
оборудования и совершенствования способов автоматизированного проектирования достигнуты определенные результаты: разработаны и внедрены конструкции прессов с вращающимся инструментом, предложены методики 
автоматизированного проектирования кузнечно-штамповочного оборудования 
на основе динамических математических моделей в дополнение к кинетическим. Это нашло отражение в настоящем учебнике. 
Учебник предназначен для студентов технических университетов, изучающих кузнечно-штамповочные машины. Большое внимание в нем уделено теории 
и расчетам указанных машин – как традиционным кинетостатическим: кинематическим, силовым, прочностным и энергетическим, так и современным автоматизированным, базирующимся на динамических моделях. Такой подход авторы 
мотивируют тем, что для применения автоматизированных методов необходимы 
предварительные расчеты, чтобы обосновать выбор конструктивных схем, параметров и размеров деталей, узлов. 
Учебник написан с учетом многолетнего опыта преподавания курса 
«Кузнечно-штамповочное оборудование» в Московском государственном 
техническом университете им. Н.Э. Баумана и Московской государственной 
академии приборостроения и информатики. Авторы выражают глубокую благодарность и признательность рецензентам – кафедре «Механика пластического деформирования» Тульского государственного университета, руководимой д-ром техн. наук, проф. С.П. Яковлевым, а также д-ру техн. наук, 
проф. В.Н. Субичу, заведующему кафедрой «Машины и технология обработки давлением» Московского государственного индустриального университета, сотрудникам Московского института стали и сплавов проф. А.Г. Кобелеву 
и доц. В.Т. Троицкому. 
Введение, главы 1 – 5, 11 – 20 написаны Л.И. Живовым; главы 6 – 10,  
21 – 24 – А.Г. Овчинниковым; главы 25 – 28 – Е.Н. Складчиковым. 

Введение 

В1. Принцип действия и классификация 
кузнечно-штамповочных машин 

Типовая кузнечно-штамповочная машина (КШМ) состоит из трех главных 
механизмов: двигательного (двигателя), передаточного (передачи) и исполнительного. Двигатель и передачу часто характеризуют термином «привод машины». Если привод и исполнительный механизм, или, более правильно, рабочая 
машина, представляют собой конструктивно раздельные устройства, то весь 
комплекс оборудования называют установкой. 
Общая классификация КШМ, предложенная проф. А.И. Зиминым, основана 
на характеристических признаках главных механизмов. 
Двигатель, воспринимая внешнюю энергию носителя, превращает ее в кинетическую энергию передаточного и исполнительного механизмов или в потенциальную энергию передаточного рабочего тела, создавая ее определенный уровень в машине. Характеристические признаки двигателя: вид носителя энергии, 
или рабочего тела, и тип привода. В качестве носителя энергии, или рабочего тела, 
в двигательных механизмах современных КШМ применяют пар, газ, жидкость, 
взрывчатые вещества, горючие смеси и электричество. Привод может быть индивидуальным или групповым, когда несколько рабочих машин получают движение от одного двигателя. 
Основная характеристика передаточного механизма определяется способом 
осуществления связи исполнительного механизма с двигателем: жесткая механическая связь или нежесткая связь при помощи рабочего тела (пар, газ, жидкость, 
электромагнитное поле). В некоторых типах машин в период рабочего хода эта 
связь прерывается. 
Трансформация кинетической или потенциальной энергии в механическую работу пластического деформирования происходит при движении рабочих органов (ползуна, коромысла, траверсы, бабы, валков, роликов и т. п.) 
главных исполнительных механизмов. Это движение характеризуется следующими признаками: 

В1. Принцип действия и классификация кузнечно-штамповочных машин 

5 

1) способом отдачи накопленной энергии привода и исполнительного механизма обрабатываемому металлу; 
2) видом движения рабочего органа; 
3) характером изменения скорости рабочего органа в период рабочего хода; 
4) периодичностью воздействия рабочего органа на обрабатываемый металл 
во времени. 
Отдачу накопленной энергии обрабатываемому металлу осуществляют нажимом или ударом. При нажиме квазистатическое силовое воздействие на металл характеризуется относительно малыми изменениями во времени, и рабочий 
ход измеряют секундами, десятыми и сотыми ее долями. При ударе динамическое силовое воздействие на металл очень быстро изменяется, что приводит к 
возникновению колебательных процессов в КШМ и ее фундаменте. Рабочий ход 
продолжается тысячные или еще меньшие доли секунды. Скорость движения 
рабочего органа у машин квазистатического действия в начале рабочего хода не 
превышает 0,3...0,5 м/с; у машин динамического действия эта скорость как минимум на один порядок выше. 
Рабочие органы КШМ могут совершать возвратно-поступательное прямолинейное, качательное и вращательное движения. В зависимости от связей в передачах изменение скорости рабочего органа в период рабочего хода может 
быть заданным в условиях жестких механических связей или произвольным, 
зависящим от субъективных факторов, при нежестких связях. 
Воздействие рабочего органа исполнительного механизма на обрабатываемый металл может быть периодическим или непрерывным. 
При периодическом воздействии время tр.х, приходящееся на рабочий ход, 
составляет лишь доли от времени tдв.х одного полного двойного хода возвратнопоступательного движения или времени tп.о одного полного оборота рабочего 
органа. В течение остального времени полезная работа не производится и рабочий орган совершает прямой холостой ход в направлении обрабатываемого металла длительностью tп.х или возвращается в исходное положение – обратный 
холостой ход длительностью tо.х. 
При непрерывном воздействии металл обрабатывают в течение нескольких 
следующих один за другим оборотов исполнительного органа без разделения 
холостыми пробегами. 
Различают одно- и многопереходные технологии производства кованых и 
штампованных изделий. Примером первой является вырубка заготовок монет из 
листа, второй – горячая штамповка поковок типа шестерен на кривошипном горячештамповочном прессе (КГШП), включающая в себя осадку заготовки, предварительную и окончательную штамповки. 
При однопереходной обработке физико-механические процессы, совершающиеся в прессе, идентичны в каждом последующем ходе, при много

 

Рис. В1. Классификация кузнечно-штамповочного оборудования 

В1. Принцип действия и классификация кузнечно-штамповочных машин 

7 

переходной обработке такой идентичности нет. Силы, действующие на детали, расход энергии в приводе пресса на первом переходе существенно отличаются от таковых на последующих переходах. Только после завершающего 
перехода – окончательной штамповки, удаления поковки из рабочей зоны, 
подачи следующей исходной заготовки и начала ее обработки – физикомеханические процессы во времени повторяются в той же последовательности, которую называют технологическим циклом, а его длительность обозначают tц (§ 4.1). 
Классификация кузнечно-штамповочного оборудования приведена на 
рис. В1. 
Современная технология кузнечно-штамповочного производства включает  
в себя ковку, горячую и холодную объемные штамповки, горячую и холодную 
листовые штамповки, разделку и разрезку исходного металла. В соответствии с этим КШМ могут быть отнесены к тому или иному технологическому 
классу. 
Машины, аналогичные КШМ, применяют в других отраслях народного 
хозяйства: в металлургическом производстве для обработки металла; в 
электротехническом производстве и при производстве предметов ширпотреба для обработки неметаллических материалов, в том числе пластмасс, и др. 
По технологическим возможностям КШМ подразделяют на три группы: 
универсальные (общего назначения), специализированные и специальные. 
Машины первой группы пригодны для выполнения большинства типовых 
операций данного технологического класса. Так, на паровоздушном ковочном молоте можно осуществить любую операцию ковки. Машины второй 
группы специализированы по виду технологии, например вытяжные кривошипные прессы. Специализацию машин третьей группы проводят не 
только в зависимости от технологии, но и от вида изготовляемой продукции, например брикетировочные прессы для штамповки брикетов из металлической стружки. 
При исполнении любой технологии необходимо совершать вспомогательные движения, связанные с установкой и переносом обрабатываемого 
металла или инструмента. В неавтоматизированной КШМ эти движения 
осуществляют вручную или при помощи простых средств механизации. 
В автоматических КШМ все рабочие и вспомогательные движения совершает машина. Очевидно, что в автомате должны быть предусмотрены в достаточном количестве исполнительные механизмы, а также система самоуправления, обеспечивающая строгую синхронность в последовательности 
действий всех механизмов. 

Введение 

8 

В2. Параметры кузнечно-штамповочных машин 

КШМ характеризуют размерными, линейными, скоростными, энергетическими и массовыми параметрами. В качестве главного размерного параметра для 
машин квазистатического действия принимают номинальное усилие Pном
∗, для 
машин динамического действия – массу M подвижных частей или кинетическую энергию Lэ, накапливаемую к началу рабочего хода. 
Совокупность главных размерных параметров определяет ряды стандартов 
и нормалей на соответствующие машины, как правило, ограниченных 10-м рядом предпочтительных чисел (ГОСТ 6636). 
Линейные параметры характеризуют либо технологическое назначение машины и связаны с ее монтажом (установочно-монтажные), либо крепление инструмента и его элементов (технологические). 
К технологическим линейным параметрам относят размеры рабочего пространства и ход рабочего органа машины, определяющие габаритные размеры 
инструмента, исходной заготовки и изготавливаемого изделия. Основные технологические линейные параметры стандартизированы. 
Установочно-монтажными параметрами являются габаритные размеры КШМ, 
стандартизации они не подлежат. 
Скорость движения рабочего органа зависит от характера принципиальных 
связей в КШМ. Непосредственным скоростным показателем для однотипных 
машин является число холостых ходов рабочего органа в минуту. 
Энергетические параметры характеризуют двигатель, энергоноситель или 
рабочее тело машины. Если они являются заданными, например давление воздуха или пара для привода паровоздушных молотов, то их вносят в ГОСТ, если же 
расчетными, например мощность электродвигателя или момент инерции маховика, – то их в ГОСТ не вносят. Масса машины и ее частей (например, масса 
шабота у молотов) является установочно-монтажным параметром, внесение которого в стандарт не обязательно. 
Указанные выше главные размерные и основные технологические линейные 
параметры, а также число ходов, масса и в случае необходимости энергетические параметры составляют содержание ГОСТов на основные размеры и параметры для различных типов машин. Линейные параметры элементов крепления 
приведены в специальных ГОСТах и определяют конструкцию и основные размеры мест крепления рабочего инструмента. Отклонения размеров машин, 
непосредственно влияющих на точность изготовляемых изделий и долговечность 
инструмента, регламентируют особыми стандартами на нормы точности. Общие 
технические условия регламентированы единым для всех КШМ ГОСТ 7600. 

–––––––––––– 
∗ Термин «номинальное усилие» установлен действующими стандартами для квазистатических КШМ. Физический смысл P ном – это сила, предельно допускаемая прочностью деталей привода и главного исполнительного механизма при его определенном положении с учетом безопасности и требуемой долговечности. 

В3. Краткий исторический очерк 

9 

В3. Краткий исторический очерк 

Развитие технологии ковки и штамповки связано с потребностями общества, 
техническим прогрессом и экономическими возможностями. 
Для XV–XVI вв. характерно бурное развитие мореплавания и, как следствие, кораблестроения. Поскольку возрастающий тоннаж кораблей потребовал 
тяжелых якорей и другой корабельной оснастки, проковывать железные крицы 
вручную стало невозможно и появились первые рычажные молоты. В качестве 
привода этих молотов использовали энергию напора воды, поэтому их называли 
водяными. Там, где не было гидравлической энергии, применяли конный привод 
или использовали падающие молоты типа копров. 
Серийность выпуска деталей стрелкового оружия – новый толчок в развитии технологии производства: вместо ручной ковки появилась машинная штамповка. Около 1800 г. тульский оружейник В. Пастухов применил для горячей 
штамповки вертикальный винтовой пресс. Тогда же на тульском заводе были 
установлены штамповочные молоты с канатом, изготовленные по чертежам 
Л. Федорова. 
В первой половине XIX в. наряду с производством оружия развивалось паровозо- и вагоностроение, производство паровых двигателей, дальнейшее развитие получило судостроение. Все это потребовало прочных и тяжелых поковок. В 
кузнечном производстве назревал переворот, наступление которого ознаменовало внедрение в 1839–1842 гг. парового ковочного молота. 
Непосредственной причиной появления первого промышленного гидравлического ковочного пресса оказалась невозможность установки (жилые кварталы, плохой грунт) тяжелого молота в Венских железнодорожных мастерских. Преимущество гидропрессов – резкое сокращение технологического 
цикла ковки – было настолько очевидным, что сразу же возник вопрос о замене сверхтяжелых молотов. 
Для массового производства относительно мелких промышленных изделий и 
ширпотреба паровые молоты и гидравлические прессы были непригодны прежде 
всего в связи с высокой стоимостью их эксплуатации. Необходимо было создать 
разнообразные кузнечные машины с групповым или индивидуальным механическим приводом. Появление электродвигателя особенно способствовало прогрессу в 
развитии кривошипных прессов, к настоящему времени самой многочисленной 
группы оборудования в кузнечно-штамповочных цехах на заводах машиностроительной, электротехнической и других отраслей промышленности. 
В 1920–1940 гг. паровоздушный штамповочный молот стал ведущей машиной 
в производстве поковок для автомобилей, тракторов, вагонов и др. Однако этот молот допускал лишь малую механизацию технологических процессов, сдерживая тем 
самым рост производительности труда, что являлось одним из существеннейших 
его недостатков. Кроме паровоздушного молота в массовом и крупносерийном 
производстве поковок из конструкционных сталей начали применять горячештам

Введение 

10 

повочный кривошипный пресс, который открыл большие возможности для механизации, автоматизации и внедрения экономичных процессов штамповки. 
Развитие авиа- и ракетостроения поставило особые задачи перед технологией горячей объемной штамповки специальных сплавов на титановой и магниевой основе. Очень большие габаритные размеры деталей потребовали создания 
огромных гидравлических прессов с Pном до 700...800 МН при общей массе установки до 25000 т. 
Совершенно другие требования возникли при внедрении в промышленность 
твердых и обычно хрупких металлов, например молибдена, ниобия, циркония, урана. Оказалось, что у этих металлов и их сплавов пластичное состояние наступает 
в специфических условиях термомеханического режима: внешняя нагрузка должна 
быть приложена в виде мощного импульса энергии за очень малый промежуток 
времени. Для этого необходимо, чтобы исполнительный орган кузнечной машины 
к началу процесса деформирования развил скорость до 20 м/с и более. Вполне очевидно, что отдача внешней энергии в машинах может происходить только динамически, и, следовательно, по принципу действия их необходимо отнести к молотам. 
В качестве энергоносителя в таких машинах используется потенциальная энергия 
сжатого газа или энергия взрыва горючих смесей, порохов. 
Особое место в кузнечно-штамповочном оборудовании занимают гидравлические устройства для листовой штамповки, где в качестве энергоносителя используют детонационную волну, порожденную электрическим разрядом в жидкости. Эти устройства не имеют типовой структуры КШМ – у них нет 
исполнительного органа в виде твердого тела, двигательного и передаточного 
механизмов в обычном понимании. Тем не менее такие устройства следует 
классифицировать как технологические машины, поскольку производится механическое движение рабочего тела (жидкости) для изменения формы объекта 
труда – обрабатываемой заготовки. Отсутствует типовая структура и в магнитноимпульсных установках, основанных на использовании электромеханических 
сил взаимодействия магнитного поля с электрическим током в металлической 
заготовке. В термопрессах, использующих для технологического воздействия 
тепловое расширение – сжатие колонн, которые разогреваются индуцированными токами, – нет двигательного и передаточного механизмов. Как видно, во всех 
этих устройствах для осуществления движения, деформирующего заготовку, 
используют электрическую энергию и особенности физических свойств рабочего тела, деталей конструкции или заготовки. Поэтому такие устройства объединяют в класс электрофизических КШМ. 
В дореволюционной России фактически не существовало кузнечно-прессового машиностроения. С 1901 по 1917 г. было изготовлено всего 2375 единиц 
кузнечно-штамповочного оборудования. Специализированных заводов для производства КШМ не было, и их изготовлением занимались от случая к случаю, 
например на Ревельском судостроительном, Обуховском орудийном, Таганрогском котельном заводах.