МОЛОТОВОЙ ШТАМП БЕРКУТОВА Российский патент 1997 года по МПК B21J13/02 

Изобретение относится к области обработки металлов давлением и может быть использовано в кузнечно-штамповых производствах предприятий.

Известен штамп по авт. св. СССР 988.437 кл. В 21 J 13/02, 1983.

Недостатком этого штампа является высокая концентрация напряжений в области галтелей хвостовика, возникающая при ударе штампа и одновременно вдоль границы проектного расположения контактной зоны боковой наклонной плоскости хвостовика с крепежным клином. Со стороны галтелей возникают сжимающие и растягивающие напряжения одновременно.

В зоне контакта фаски клина с хвостовиком со стороны галтели возникает двойная концентрация напряжения в двух почти перпендикулярных направлениях. Сочетание высоких значений динамического сжимающего напряжения, изменяющегося по циклу близкому к отнулевому /то есть характеристика цикла равна 0/ с растягивающим напряжением в области фаски клина создает особо неблагоприятный режим работы штамповой стали, что приводит к образованию трещин при малоцикловом нагружении и к полному разрушению корпуса или хвостовика.

Техническим результатом, достигаемым заявляемым техническим решением, является уменьшение механических напряжений в контактной и приконтактной зонах хвостовика с клином и хвостовика со штамподержателем /с противоположной от клина стороны/.

Это обеспечит повышение стойкости штампа за счет существенного уменьшения трещин в указанных зонах малоцикловой усталости при работе штампа.

Технический результат достигается тем, что в молотовом штампе, содержащем верхнюю и нижнюю половины, каждая из которых включает корпус, хвостовик типа "ласточкин хвост", состоящий из суженной боковыми скосами опорной плоскости и наклонных к ней боковых поверхностей, а так же галтели в виде продольных канавок в зонах сопряжения боковых граней хвостовика и заплечиков корпуса с поднутрением в сторону последнего, галтели имеют поднутрение в сторону хвостовика на величину, определяемую соотношением:

где δ величина поднутрения галтели в сторону хвостовика,
B ширина хвостовика в зауженной части,
s_т предел текучести материала штампа,
Е модуль упругости материала штампа,
при этом галтели сориентированы так, что боковая кромка их со стороны хвостовика расположена в проектной зоне контакта хвостовика с крепежным клином на расстоянии от заплечика, определяемой величиной
Δh = h•(0,09-0,15)
и угол наклона плоскости симметрии галтели к боковой плоскости хвостовика принят в пределах β 12 68^o.

где Dh расстояние от заплечика до боковой кромки галтели со стороны хвостовика,
h высота хвостовика (расстояние от опорной плоскости хвостовика до заплечика корпуса),
β угол наклона плоскости симметрии галтели к боковой плоскости хвостовика,
при этом галтели штампа предпочтительно выполнить в заглубленной части поперечного сечения по кривой, представляющей часть эллипса, длинная ось которого направлена в сторону поднутрения в хвостовик, равна 8 16 мм, и опорную плоскость хвостовика предпочтительно выполнить суженной боковыми скосами, выполненными в поперечном сечении по радиальной кривой, причем скосы сопряжены с опорой поверхностью по касательной, а на боковые наклонные плоскости хвостовика они выходят на уровне границы проектной зоны контакта боковой плоскости хвостовика с крепежным клином, при этом округление скосов опорной плоскости хвостовика выполнено по радиусу, определяемому из соотношения:

где r- радиус скругления скосов по боковым зонам от опорной плоскости хвостовика,
h₂= h-Δh расстояние от опорной плоскости хвостовика до боковой кромки галтели со стороны хвостовика,
в ширина опорной плоскости хвостовика,
α = 10 угол наклона боковой плоскости хвостовика к вертикали.

Величина поднутрения галтелей в сторону хвостовика -

не окажет существенного ощутимого эффекта для достижения указанного технического результата (эффекта), а при

будет происходить уменьшение сечения хвостовика в зоне галтелей (расстояние между галтелями размер В), что будет оказывать противоположное действие снижение достигаемого технического результата.

Если боковая кромка галтелей со стороны хвостовика будет расположена от заплечика на расстоянии Δh большем, чем h(0,09 0,15), то площадь контакта боковых наклонных плоскостей хвостовика с клином и штамподержателем с другой стороны (см. фиг. 2) уменьшается настолько, что повысится вероятность разрушения хвостовика из-за повышения удельного давления и напряжения на указанных контактных поверхностях.

И если Δh меньше h(0,09 0,15), то боковая кромка галтелей со стороны хвостовика может перейти за пределы края (границы) проектной контактной зоны хвостовика с крепежным клином (см. фиг. 9), что может создать условия для образования микротрещин в зоне галтелей из-за возникновения разрывных (растягивающих) напряжений в зоне галтели одновременно со снижающими в зоне контакта с клином. Так линия А₁aC₁ в результате удара верхней половины штампа из-за деформации хвостовика под давлением клина и штамподержателя примет положение А₂a₁C₁. При этом линия A₂a₁C₁ > A₁aC₁. То есть, первоначальная линия поверхности A₁aC₁ подвергается растяжению (удлинению) и принимает вид А₂a₁C₁ (условия для возникновения разрывных микротрещин на участке А₁a(A₂a₁). И тем больше, чем ближе к точке А₁(A₂).

Обоснование пределов указанного угла β.. Диапазон β от 12 до 68^o необходим для того, чтобы при выбранных размерах галтели (в зависимости от типоразмеров штампа) необходим для выбора оптимальных размеров заглубления галтели в сторону хвостовика и в сторону заплечика (как бы одновременно). Поэтому сужение этого диапазона (угла b) в сторону β<68^° или β>12^° ограничит возможности выбора указанных оптимальных размеров заглубления в сторону хвостовика и в сторону заплечика и тем самым затруднит выбор приемлемых параметров галтелей при рабочем проектировании конкретных типоразмеров штампов. Увеличение угла β за указанные пределы: <12^o и >68^o невозможно конструктивно, поскольку боковая кромка галтели (например, точка "а" на фиг. 8) может заходить далеко так, что точка "а" по боковой плоскости хвостовика подвинется вверх (по чертежу) и зона контакта хвостовика 2 с клином 3 чрезмерно уменьшится. Это приведет к существенному увеличению удельного давления клина 3 на хвостовик 2, что приведет к ускоренному разрушению последнего.

Кроме того, выполнение галтели на штампе в этом случае нетехнологично и кроме того, нерационально, поскольку требует больших энергетических затрат.

Что касается захода боковой кромки галтели далеко в сторону заплечика, то в этом случае (как и в первом) нетехнологично будет и нерационально изготовление галтелей. Преимуществ же в обоих случаях никаких не получаем.

Выполнение галтелей в поперечном сечении по кривой, представляющей часть эллипса, длинная ось которого направлена в сторону поднутрения в хвостовик и равна 8 16 мм обеспечит наиболее рациональное формирование конструкции хвостовика в зоне галтелей и обеспечит наибольший технологический результат. Отклонение от этих параметров будет снижать величину технического результата.

Так, если длинная ось эллипса будет направлена к плоскости симметрии галтели в сторону поднутрения в заплечик (то есть в корпус), то достигаемый технический результат уменьшится из-за большого заглубления в глубину корпуса (так как вероятность образования трещин в зоне галтелей со стороны корпуса увеличится из-за как бы нарушения цельности корпуса ввиду большого заглубления в него и ослабления.

Кроме того, когда в сторону поднутрения в хвостовик будет направлена короткая ось вместо длинной, а длинная ось совпадает с осью симметрии галтели, то будет затруднено изготовление галтели, например, вулканитовым кругом, так как малый радиус скругления не позволит обеспечить достаточно большое Dh-расстояние от заплечика до боковой кромки галтели со стороны хвостовика и достаточную ширину галтели.

Так же технологически затруднит изготовление штампа и уменьшит технический результат, если галтели очерчивать в поперечном сечении по другой кривой, нежели эллипс.

Выполнение опорной плоскости со скосами по боковым зонам, выполненными по радиальной кривой в поперечном сечении хвостовика обеспечит оптимально-плавный (по касательной) переход от опорной плоскости к скосу, что положительно с увеличением технического результата, отразится при работе штампа.

Выполнение хвостовика с выходом скосов на боковые наклонные плоскости на уровень границы проектного расположения контактной зоны со стороны опорной плоскости хвостовика обеспечит наибольший эффект по достижению технического результата от введения скосов.

Выполнение хвостовика с выходом скосов ближе к уровню опорной плоскости, чем уровень границы проектного расположения контактной зоны боковой наклонной плоскости с крепежным клином, снизит увеличение технического результата, так как скосы по высоте от опорной плоскости будут очень малы и из-за упругой деформации хвостовика, при ударе штампа вся опорная плоскость хвостовика вместе со скосами очень быстро в начальный период времени процесса упругого сжатия хвостовика и штамподержателя вступит в контакт.

Выполнение хвостовика с выходом скосов за границу (в глубину проектного расположения) контактной зоны боковых плоскостей хвостовика с крепежным клином уменьшит фактическую контактную зону и увеличит в результате удельное давление и напряжения в зоне крепежного клина. Это в свою очередь уменьшит прочностную стойкость хвостовика и снизит технический результат заявленного технического решения. На фиг. 1 изображен общий вид поперечное сечение штампа (и частично узла крепления), на фиг. 2 узел I, на фиг. 3 прототип, на фиг. 4 7 варианты конкретного осуществления галтелей заявленного штампа (применительно к штампу 10-ти тонного молота. На фиг. 8 показана схема деформаций зоны галтелей рекомендуемого (оптимального) штампа. На фиг. 9 представлена схема деформаций зоны галтели для нерекомендуемого заявленным техническим решением молотового штампа. Исследования и испытания были проведены применительно к типоразмеру 10-ти тонного штампа. Масштаб на фиг. 4 7 увеличен (М 5: 1). Штриховка разреза штампа в зоне галтелей условно не показана.

Обозначения позиций на чертежах: 1 корпус штампа; 2 его хвостовик; 3 клин крепежный; 4 штамподержатель; 5 галтель (очертание в поперечном сечении) заявленного штампа; 6 то же для известного штампа (прототипа).

На чертежах размеры сечений галтелей известного штампа (прототипа) указаны в мм и они одинаковы для молотовых штампов всех типоразмеров по ГОСТу 6039-82 (r 8 мм с заглублением в корпус на 2 мм и без заглубления в сторону хвостовика).

На фиг. 2 зазор между заплечиками и штамподержателем (и клином) указан с диапазоном в 2 4 мм. По ГОСТу этот размер для 10-ти тонного молота рекомендован 4 мм. На практике наблюдается стремление уменьшить этот размер (зазора) до 3-х мм и даже до 2-х мм. Поэтому на фиг. 4 7 зазор над заплечиками штампа в примерах конкретного осуществления принят соответственно 3 и 4 мм (в соответствии с ГОСТом). На чертежах штамп показан толстыми линиями, тонкими сопрягаемые детали узла крепления и пунктирными линиями положение крепежного клина, когда хвостовик штампа сжат (упруго сдеформирован), например, в периоды больших динамических нагрузок.

Положение клина при упругом сжатии хвостовика показано, когда клин заглублен в тело хвостовика на глубину 2 мм.

На фиг. 4 показана галтель с размером в сечении 10 мм и зазором между заплечиками штампа и клином (штамподержателем) 3 мм.

Как видим, очертания галтели в сечении в данном примере содержат частично элемент круга (что не противоречит формуле изобретения, так как круг является частным случаем эллипса, когда длинная ось равна короткой). Угол β = 40^°. Поднутрение галтели в сторону хвостовика δ 2 мм, поднутрение в сторону корпуса штампа также взято равным 2 мм.

Уровень боковой кромки галтели от заплечика определен размером Dh 7 мм.

На фиг. 5 показана галтель с большими размерами и элементами эллипса в сечении. При этом длинная ось эллипса равна 15 мм. Зазор между заплечиком штампа и клином (и штамподержателем) принят равным 4 мм, что соответствует ГОСТу для 10-ти тонного молота. Угол β = 40^°. Поднутрение галтели в хвостовик δ = 3 мм, поднутрение в корпус то же принято равным 3 мм, а Δh = 12 мм.

На фиг. 6 показана галтель с сечением, содержащим элемент круга диаметром 8 мм. Угол β = 12^°. Поднутрения в хвостовик о 2 мм, поднутрения в корпус равно тоже 2 мм, а Δh 11 мм.

На фиг. 7 показана галтель с сечением, содержащим элемент эллипса с длинной осью, равной 16 мм. Поднутрение в хвостовик равно 2 мм, в корпус 4 мм, угол β = 45^°, a Δh = 10 мм. 10 мм.

На фиг. 8 показана схема деформаций зоны галтелей во время ударных нагрузок для пояснения механизма образования трещин при известном штампе, а также в заявленном штампе.

На фиг. 9 показан вариант, не рекомендованный заявленным техническим решением, когда галтели сориентированы так, что боковая кромка их со стороны хвостовика (обозначена точкой "а" в поперечном сечении) расположена за пределами границы проектной контактной зоны (граница обозначена точкой А₁).

На фиг. 8 и 9 рассмотрены упругие деформации в зоне галтелей во время ударных нагрузок для пояснения механизма образования трещин в известном и заявленном штампах.

При известном штампе, как и в предлагаемом, при упругом сжатии хвостовика в момент удара штампа клин 3 внедряется в тело хвостовика так, что точки клина "а"АЕ перемещаются в положение "а"₁A₁E₁.

В известном штампе очертания галтели при забивании клина и при ударе штампа о поковку меняют положение линии "а"АВС. Эта линия принимает очертание а₁ A₁ B₁ C (точка С остается на месте).

Участок линии А₁B₁C ABC, следовательно, зона АВС галтели (для прототипа) подвергается растяжению. В то время как участок хвостовика в проектной (или фактической зоне контакта с крепежным клином выше точки А по чертежу подвергается сжатию. Если растягивающие напряжения в зоне АВС галтелей будут неблагоприятно отражаться на работе материала, создавая условия для образования микро-, а в последующем и макротрещин, то тот факт, что напряжения ниже точки А и выше точки А еще и разнознаковые (сжатия и растяжения соответственно) вдвойне усугубляет положение, создавая весьма высокую концентрацию напряжений в точке А. При анализе напряжений учитывались также и напряжения вблизи точки А создаваемые ударными нагрузками от штамподержателя, которые направлены практически вдоль боковых плоскостей хвостовика.

Рассмотрим, что происходит с деформациями в заявленном штампе (фиг. 8).

Очертания галтели до деформации "а"А₁C₁ перейдут в линию а₁A₂C₁. Как видно из чертежа линия "а"₁A₂C₁ а A₁C₁, следовательно, опасная с точки зрения концентрации напряжений, зона галтели а А₁C₁ подвергается сжатию в заявленном штампе (а не растяжению, как в известном штампе).

Поскольку в проектной (и фактической) зоне контакта хвостовика 2 с крепежным клином 3 от точки "а" и выше будут возникать только сжимающие напряжения от действия клина и только сжимающие напряжения от действия штамподержателя, то трещинообразования практически не будет происходить. На снижение трещинообразования фактически будут действовать два фактора: напряжения сжатия, которые более стойко переносит материал штампа (нежели напряжения растяжения) и однознаковость напряжений в точке "а" и на всей линии a₁A₂C₁. В точке С₁ будет линейное напряженное состояние, так как в этой точке будут действовать только сжимающие напряжения от штамподержателя.

На фиг. 9 представлен вариант (не рекомендуемый) для случая, когда штамп выполнен так, что боковая кромка галтели (точка "а") находится ниже точки А₁.

Точка клина переместятся от А и Е до А₂ и Е₁ в сторону хвостовика.

Для заявленного штампа линия А₁ а С₁ переместится в положение А₂a₁C₁ (пунктирная линия). Так как длина А₂a₁C₁ будет несколько больше длины линии А₁aC₁. Это значит, что вблизи точки А₂ материал будет испытывать растяжение от действия клина на хвостовик, то есть будут возникать растягивающие напряжения. Но эти напряжения будут значительно меньше, чем для известного по прототипу штампа. Так как все же для предлагаемого штампа будут возникать пусть хоть и небольшие, но растягивающие напряжения, штамп (фиг. 9) и не рекомендован.

Ожидаемое повышение стойкости штампа за счет снижения трещинообразования составит 15 40% причем тем выше, чем крупнее штамп.

Изготовление штампа, в том числе и галтелей, возможно обработкой резанием. Но галтели в зонах перехода от заплечиков штампа к хвостовику могут быть изготовлены и на станках с применением вулканитового круга.

Использование: обработка металлов давлением, в частности в кузнечно-штамповочном производстве. Штамп содержит верхнюю и нижнюю половины, каждая из которых состоит из корпуса и хвостовика. В переходной зоне между заплечиком корпуса штампа и хвостовиком выполнена галтель в виде канавки. Галтель имеет поднутрение в сторону хвостовика. Боковая кромка галтели со стороны хвостовика размещена в зоне контакта хвостовика с крепежным клином на расстоянии от заплечика Δh = (0,09 - 0,15) • h, где h - высота хвостовика. Угол наклона плоскости симметрии галтели к плоскости заплечика, составляет 12 - 68^o, 2 з. п. ф-лы, 9 ил.

1. Молотовой штамп преимущественно для объемной горячей штамповки, содержащий верхнюю и нижнюю половины, каждая из которых включает корпус, хвостовик типа "ласточкин хвост", состоящий из суженной боковыми скосами опорной плоскости и наклонных к ней боковых плоскостей, а также галтели в виде продольных канавок в зонах сопряжения боковых плоскостей хвостовика и заплечиков корпуса с поднутрением в сторону последнего, отличающийся тем, что величина поднутрения галтелей в сторону хвостовика определяется соотношением

где
δ величина поднутрения галтели в сторону хвостовика;
B ширина хвостовика в зауженной части;
s_т предел текучести материала штампа;
E модуль упругости материала штампа,
при этом галтели сориентированы так, что боковая кромка их со стороны хвостовика расположена в проектной зоне контакта хвостовика с крепежным клином на расстоянии от заплечика, определяемом величиной Δh = h(0,09-0,15), а угол наклона плоскости симметрии галтели к боковой плоскости хвостовика принят в пределах β = 12-38^°, где Δh расстояние от заплечика до боковой кромки галтели со стороны хвостовика, h высота хвостовика от заплечика, β угол наклона плоскости симметрии галтели к боковой плоскости хвостовика. 2. Штамп по п.1, отличающийся тем, что поперечное сечение галтелей в зоне поднутрения образовано поверхностью, образующая которой представляет часть эллипса, длинная ось которого направлена в сторону поднутрения в хвостовик и равна 8 16 мм. 3. Штамп по п.1, отличающийся тем, что боковые скосы опорной плоскости хвостовика выполнены в сечении по радиальной кривой, причем скосы сопряжены с опорной поверхностью по касательной, а на боковые наклонные плоскости хвостовика они выходят на уровне границы проектной зоны контакта боковой плоскости хвостовика с крепежным клином, при этом скругление скосов опорной плоскости хвостовика выполнено по радиусу, определяемому из соотношения

где r радиус скругления скосов по боковым зонам от опорной плоскости хвостовика;
h₂= h-Δh расстояние от опорной плоскости хвостовика до боковой кромки галтели со стороны хвостовика;
b ширина опорной плоскости хвостовика;
α 10^o угол наклона боковой плоскости хвостовика к вертикали.