СПОСОБ ШТАМПОВКИ ПОЛЫХ ДЕТАЛЕЙ Российский патент 1997 года по МПК B21D22/20 

Изобретение относится к листовой штамповке, в частности к вытяжке, и может быть использовано при изготовлении из листа высоких полых деталей.

Известен способ вытяжки высоких полых деталей, включающий первую вытяжку цилиндрического стаканчика из плоской круглой заготовки и последующую вытяжку этого стаканчика с уменьшением его диаметра и увеличением высоты (см. Романовский В.П. Справочник по холодной штамповке. Л. Машиностроение, 1971, с. 151, рис. 117).

Недостаток этого способа заключается в низком коэффициенте использования металла. При вырубке исходной круглой заготовки из полосы вследствие отхода металла величина коэффициента использования металла не превышает 70%
Известен способ вытяжки цилиндрических деталей из плоской заготовки, которая имеет форму восьмиугольника (квадрата с обрезанными углами) с отношением размеров вдоль двух соседних осей симметрии, равным 1,23 1,25 (см. авт. св. N 390856, опубл. 25.07.1973, БИ N 31). При вырубке такой заготовки коэффициент использования металла увеличивается до 90%
Недостаток этого способа заключается в повышенном отходе металла при подрезке неровного торца детали после вытяжки.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу, который и принят за прототип, является способ штамповки цилиндрических деталей, включающий первую вытяжку квадратной коробки из плоской квадратной заготовки с обрезанными углами и последующую вытяжку этой коробки в полую цилиндрическую деталь (см. Яковлев С.П. Кухарь В.Д. Штамповка анизотропных заготовок. М. Машиностроение, 1986, с. 64, рис. 422)
Недостаток способа заключается в увеличении отхода металла с ростом относительной высоты детали.

Дело в том, что при изготовлении низких коробок форма исходной профильной плоской заготовки из листа близка к квадратной с обрезанными углами. Раскрой таких заготовок дает возможность повысить коэффициент использования металла до 85 90% (см. Романовский В.П. Справочник по холодной штамповке. Л. Машиностроение, 1971, с. 134, рис. 101). Однако с ростом относительной высоты коробки на первом переходе форма заготовки все ближе приближается к кругу, в результате чего коэффициент использования металла на стадии раскроя таких заготовок опять снижается до 70% (см. Романовский В.П. Справочник по холодной штамповке. Л. Машиностроение, 1971, с. 136, 137, рис. 102а, 103).

Поставленная задача сократить до минимума величину отхода на стадии вырубки исходной заготовки из листа при условии изготовления штампуемой детали с ровным торцом, обеспечивающим минимальный отход металла при подрезке торца.

Поставленная задача достигается тем, что в способе штамповки полых цилиндрических деталей, включающем первую вытяжку квадратной коробки из плоской квадратной заготовки с обрезанными углами и последующую вытяжку этой коробки в полую цилиндрическую деталь, согласно изобретению на первом переходе вытяжки в углах коробки осуществляют принудительное утонение стенки заготовки путем ее протяжки до толщины равной:

где S₀ исходная толщина заготовки из листа;
L_з размер исходной квадратной заготовки по диагонали квадрата после обрезки углом,
L_з (1,18 1,20)a
a длина стороны исходной квадратной заготовки из листа;
b, H соответственно ширина и высота коробки после первый вытяжки;
R радиус скругления в углу коробки, R (0,28 0,33)b
Сопоставительный анализ прототипа с заявляемым способом показывает, что в заявляемом способе в отличие от известного толщину заготовки на первой вытяжке изменяют неодинаково по периметру рабочего окна матрицы.

В углах коробки толщину заготовки принудительно уменьшают путем ее протяжки между матрицей и пуансоном, в то время как на прямолинейных сторонах коробки толщину не изменяют.

Причем величина уменьшения толщины в углах коробки связана с высотой коробки H.

На фиг. 1 приведен поперечный разрез штампа первого перехода вытяжки, слева от оси симметрии показана начальная стадия процесса вытяжки, а справа
завершение вытяжки квадратной коробки; на фиг. 2 взаимное расположение контуров исходной заготовки из листа квадратной коробки первого перехода и готовой цилиндрической детали.

На фиг. 1 обозначено: 1 пуансон, 2 прижим, 3 вытяжная матрица, 4 - исходная заготовка из листа, 5 квадратная коробка, полученная первой вытяжкой.

На фиг. 2 использованы следующие буквенные обозначения:
L_з размер исходной квадратной заготовки по диагоналям квадрата после обрезки углов,
L_з (1,18 1,20)a;
a длина стороны исходной квадратной заготовки из листа;
b, H соответственно ширина и высота коробки после первой вытяжки;
R радиус скругления в углу коробки, R (0,28 0,33)b.

Способ осуществляется следующим образом.

Исходную плоскую заготовку 4 квадратной формы с обрезанными углами устанавливают на матрицу 3 и прижимают прижимом 2. Причем сторону квадрата (малая ось симметрии) располагают против радиусного скругления вытяжной матрицы 1-го перехода, т.е. прямолинейные стороны коробки формируют из объема заготовки, расположенной вдоль большой оси симметрии заготовки.

При рабочем ходе пуансона 1 вниз происходит втягивание заготовки в рабочее окно матрицы 3 и осуществляется изготовление квадратной коробки 5.

Пуансон 1 и матрицу 3 изготавливают таким образом, что зазор между ними в угловой зоне радиусного скругления меньше толщины исходной заготовки из листа. Это позволяет осуществить утонение за счет протяжки, уменьшить толщину штампуемого материала в этой зоне и соответственно увеличить длину образующей заготовки.

На прямолинейных участках рабочего окна матрицы 3 зазор между матрицей и пуансоном превышает толщину исходной заготовки и имеет величину без утонения, равную 1,2 исходной толщины заготовки.

На последующем переходе производят вытяжку полученной квадратной коробки в полое цилиндрическое изделие диаметром d_цил.

При вытяжке квадратных коробок условно принимают, что прямолинейные стороны деформируются в условиях, близких к простой гибке, в то время как в углах коробки происходит вытяжка (см. Романовский В.П. Справочник по холодной штамовке. Л. Машиностроение, 1971, с. 133, последний абзац). Прямолинейные стороны коробки практически не изменяют своей длины и толщины, в то время как в углах материал утолщается и удлиняется.

Для того чтобы изготовить вытяжкой высокую коробку с ровным торцом из плоской квадратной заготовки с обрезанными углами, необходимо, чтобы длина образующей детали вдоль большой оси симметрии исходной заготовки была равна образующей вдоль малой оси симметрии, т.е. более короткая образующая в угловой зоне коробка должна быть увеличена до высоты квадратной коробки H на ее прямолинейной стороне.

Из этих условий и определим, на какую величину необходимо уменьшить с помощью протяжки толщину заготовки в угловой части, чтобы высота коробки в этой зоне также имела величину H.

Из предположения, что прямолинейная сторона коробки просто отгибается, не изменяя своей длины, высота коробки по прямолинейной стороне будет равна:

где L_з размер исходной квадратной заготовки из листа по диагонали после обрезки углов;
b ширина квадратной коробки, изготавливаемой на первом переходе.

Для того чтобы торец квадратной коробки после первого перехода был ровным, высота в углу коробки должна иметь такую же величину H.

Если пренебречь неравномерностью деформации в окружном направлении, требуемую толщину штампуемого материала в углу коробки можно определить из равенства двух объемов объема угловой части коробки и объема части исходной заготовки из листа, из которой образуется угловая часть коробочки.

Величина объема угловой части коробки, имеющая после протяжки толщину S_угл, определяется как 1/4 часть цилиндрической поверхности радиуса R и высотой H:

где R радиус скругления в углу коробки.

Величину части объема исходной заготовки из листа, из которой образуется угловая часть коробки (на фиг. 2 этот объем заштрихован), определим как объем фигуры треугольной формы (треугольник ОАД) с толщиной S₀ без 1/4 части площади круга радиусом R:

где L_з диагональный размер квадратной заготовки из листа после обрезки углов.

Приравнивая выражения (2) и (3), получим зависимость для определения величины толщины штампуемого материала в угловой части коробки S_угл:

Наиболее рациональное соотношение диагонального размера исходной квадратной заготовки после обрезки углов к стороне квадрата находится в интервале 1,18 1,20. Как показали исследования, при увеличении этого соотношения выше указанного степень утонения материала в угловой зоне становится существенной, и в результате высокой неравномерности толщинных деформаций по периметру вытягиваемой коробки процесс штамповки становится неустойчивым.

При уменьшении этого соотношения ниже рационального увеличивается отход металла на стадии раскроя заготовки.

Второй операцией заявляемого способа является вытяжка из квадратной коробки полой цилиндрической детали. Соотношение величин диаметра цилиндрической детали d_цил к размеру стороны квадратной коробки определяется через предельный коэффициент вытяжки. Для случая многопереходной вытяжки квадратных коробок его величина сопоставима с коэффициентами вытяжки цилиндрических деталей.

Предельная величина коэффициента вытяжки представляет собой отношение длины периметра детали к длине периметра заготовки предыдущего перехода и равна 0,74 0,76 (см. Романовский В.П. Справочник по холодной штамповке. Л. Машиностроение, 1971, с. 180).

Подставляя значения этих периметров получим:
.

Для устойчивого протекания процесса второй вытяжки радиус скругления в углу квадратной коробки необходимо принимать в пределах R (0,28 0,33)b (при меньших значениях радиусов на второй вытяжке появляются гофры на прямолинейной стенке коробки). Подставляя это соотношение в выражение (5), после несложных преобразований получаем: d_цил/b 0,82 0,84.

Пример. Из алюминиевого листа толщиной 2 мм изготавливается корпус посуды диаметром 150 мм, высотой 200 мм.

По базовому варианту изготовления корпуса, за который принят прототип, деталь штамповалась из круглой плоской заготовки диаметром 380 мм. На стадии вырубки круглой заготовки из полосы до 30% металла шло в отход.

При изготовлении указанной детали по заявляемому способу в качестве исходной заготовки из листа использовался квадрат с размером по диагонали после обрезки углов, равным L_з 390 мм и стороной квадрата, равной a 330 мм (соотношение L_з/a 1,18).

На первой операции вытяжки изготавливалась квадратная коробка, которая имела ширину стороны b 180 мм (d_цил/b 0,83), радиус скругления в углу коробки равен 60 мм и высоту, равную 150 мм.

На первой вытяжке в углах коробки осуществлялось принудительное утонение толщины штампуемого листа до величины, определяемой по выражению (4) и равной S_угл 1,54 мм.

На последующей штамповочной операции вытягивалась полая цилиндрическая деталь требуемых размеров. На стадии вырубки плоской исходной заготовки квадратной формы с обрезанными углами коэффициент использования металла составил 91%
Таким образом, использование заявляемого способа вытяжки взамен базового варианта дает сокращение расхода штампуемого металла на единицу продукции на 21%

Использование: изобретение относится к обработке металлов давлением, в частности к вытяжке, и может быть применено при изготовлении из листа высоких полых деталей, обеспечивая минимальный отход металла при подрезке торца. Сущность: на первой операции вытяжки из квадратной заготовки с обрезанными углами получают квадратную коробку, а на второй операции из квадратной коробки вытягивают полую цилиндрическую деталь. При этом первую вытяжку проводят с принудительным утонением стенки заготовки в углах коробки до толщины , где S₀ - исходная толщина заготовки; L_з - размер исходной квадратной заготовки по диагонали квадрата после обрезки углов, L_з = (1,18 - 1,20)a, где a - длина стороны исходной квадратной заготовки; b - ширина коробки после первой вытяжки; R - радиус скругления в углу коробки, R = (0,28 - 0,33)b; H - высота после первой вытяжки. 2 ил.

Способ штамповки полых деталей, включающий вытяжку квадратной коробки из плоской квадратной заготовки с образованными углами и последующую вытяжку полученной квадратной коробки в полую цилиндрическую деталь, отличающийся тем, что вытяжку квадратной коробки осуществляют с принудительным утонением стенки заготовки в углах коробки до толщины S_угл, равной

где S_o исходная толщина заготовки;
L₃ размер исходной квадратной заготовки по диагонали квадрата после обрезки углов;
L₃=(1,18 1,20)a,
где a толщина стороны исходной квадратной заготовки;
b ширина квадратной коробки после первой вытяжки;
H высота квадратной коробки после первой вытяжки;
R радиус скругления в углу квадратной коробки, R=(0,28 0,33)b.