СПОСОБ ГЛУБОКОЙ ВЫТЯЖКИ ПОЛЫХ ЛИСТОВЫХ ДЕТАЛЕЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ СПОСОБА Российский патент 1997 года по МПК B21D22/20 

Изобретение относится к обработке металлов давлением, а именно к способам и устройствам для сверхглубокой вытяжки с торцовым подпором фланца заготовки.

Известен способ глубокой вытяжки, при котором на центральную часть заготовки воздействуют усилием пуансона, а фланец ее вместе с рабочей средой подпорного элемента осаживают давлением прижима, обеспечивая истечение металла в вытяжной зазор между матрицей и пуансоном на высоту вытягиваемой детали (авт.св СССР N315489, кл. B 21 D 22/00, 1971).

Недостаток этого способа заключается в том, что вытяжка длинномерных полых листовых деталей при их относительной глубине Н/Д>10 сопряжена с низкой стойкостью пуансонов, теряющих устойчивость при сжимающих усилиях. Кроме того, существенно возрастают габариты и металлоемкость устройств и оборудования для осуществления рассматриваемого способа, что приводит к возрастанию себестоимости изготавливаемой продукции.

Технический результат, достигаемый при использовании предложенного способа, заключается в обеспечении сверхглубокой вытяжки длинномерных полых листовых деталей и в снижении металлоемкости штамповой оснастки и оборудования, что обеспечивает снижение затрат на производство этих деталей по меньшей мере в два раза.

Отмеченный технический результат разработанного изобретения обеспечивается тем, что при разработанном способе глубокой вытяжки листовых деталей, при котором на центральную часть заготовки воздействуют усилием пуансона, а фланец ее вместе с рабочей средой подпорного элемента осаживают давлением, обеспечивая истечение металла в вытяжной зазор между матрицей и пуансоном на высоту вытягиваемой детали, согласно изобретению вытяжку осуществляют пульсирующим усилием, создаваемым пуансоном, при этом амплитуду пульсации перемещения последнего вдоль оси детали задают меньше высоты вытягиваемой детали, а каждый цикл его пульсации сопровождают силовым воздействием на фланец давлением осаживания q_пр до 1,5-1,8 от σ_в предела прочности штампуемого материала и усилием на пуансоне P_ш до 0,9 от разрушающего вытяжного усилия Р_разр., обеспечивающим истечение штампуемого металла в вытяжной зазор на высоту участка детали, соответствующую единичному ходу пуансона с последующим осуществлением обратного хода пуансона при снижении давления осаживания q_о.х. до 0,2-0,3 от σ_в штампуемого металла и возвращением пуансона в исходное положение, определяемое вхождением его в матрицу на глубину h_н, равную сумме вытяжных ребер матрицы r_м и пунсона r_п, причем число циклов пульсации пуансона задают столько, сколько необходимо для получения требуемой высоты вытягиваемой детали.

Известно устройство для глубокой вытяжки полых листовых деталей, содержащее соосно установленные в его верхней части прижим и пуансон с гидроприводом возвратно-поступательного перемещения последнего, а также установленные в его нижней части контейнер, матрицу, подпорный элемент в виде эластичной среды и выталкиватель (Антонов Е.А. Полуавтоматическая установка глубокой вытяжки с радиальным подпором фланца гидростатическим давлением. Кузнечно-штамповочное производство, 1982, N3, с. 15, рис. 2).

Недостатком известного устройства является значительная его металлоемкость и увеличенные затраты при производстве изделий.

Технический результат, достигаемый изобретением в отношении устройства, состоит в снижении металлоемкости и затрат на производство полых листовых деталей. Это обеспечивается тем, что в устройстве для глубокой вытяжки полых листовых деталей, содержащем соосно установленные в его верхней части прижим и пуансон с гидроприводом возвратно-поступательного перемещения последних, а также установленные в его нижней части контейнер, матрицу, подпорный элемент в виде эластичной среды и выталкиватель, согласно изобретению гидропривод возвратно-поступательного перемещения пуансона выполнен пульсирующим с амплитудой пульсации, исключающей потерю устойчивости пуансона, причем цилиндрическая поверхность рабочей части последнего выполнена шероховатой, например, путем обработки наждачной бумагой перед его закалкой, а выталкиватель выполнен в виде плавающего поршня, размещенного в вытяжном отверстии матрицы.

На фиг.1 показаны типовые формы длинномерных полых листовых деталей, изготавливаемые при использовании разработанного способа и устройство для сверхглубокой вытяжки; на фиг. 2 5 этапы осуществления сверхглубокой вытяжки предложенным способом; на фиг.6 и 7 продольное сечение устройства в исходном и промежуточном положениях при вытяжки длинномерных деталей.

Известно, что глубокая вытяжка длинномерных полых деталей, типовые формы которых показаны на фиг.1, затруднительна из-за потери устойчивости пуансонов при Н/Д_п>10. Для изготовления такого типа деталей предложено использовать вытяжкой пуансон с длиной рабочей части его, которая меньше глубины вытягиваемой детали, что позволяет не только исключить его потерю устойчивости, но и существенно снизить габариты и металлоемкость штамповой оснастки и оборудования. В этом случае способ сверхглубокой вытяжки по прототипу претерпевает существенные изменения. Основные приемы осуществления предложенного способа сверхглубокой вытяжки представлены на фиг.2-5, согласно которым плоская листовая заготовка 1 сначала формообразуется в полуфабрикаты 2, 3. а затем и в готовое длинномерное полое изделие.

Для этого заготовка 1 толщиной S₀ и диаметром D₀ вместе с эластичным кольцом 4 устанавливается на матрицу 5, охваченную контейнером 6 (см. фиг.2, слева). Затем опускают прижим 7, который нагружают предварительный усилием Q_пр на заготовку 1 и эластичное кольцо 4, обеспечивающим создание предварительного давления осадки величину которого задают до 1,5^oC1,8 от предела прочности σ_в штампуемого материала (см. фиг.2, справа). Однако это давление q_пр недостаточно для формообразования заготовки. Для вытяжки заготовки 1 в зазор между матрицей 5 и пуансоном 8 необходимо последний нагрузить усилием штамповки P_ш, составляющим 0,9 от разрушающего усилия P_разр, значение которого устанавливается из условия исключения среза заготовки на первом цикле вытяжки и определяется по формуле:
P_разр.= πD_пS_o•σ_ср= πD_пS_o•0,8•σ_в (1)
а со стороны прижима 7 довести усилие до Q_ш.1 и, как следствие до давления q_ш.1 (см. фиг.3, слева), необходимого для вытяжки стенки полуфабриката 2 на глубину рабочей части пуансона 8.

При этом исходная толщина заготовки S₀ осаждается до толщины S_т.1 (см. фиг.3, справа).

Глубину рабочей части пуансона h_р.ч.п устанавливают либо из условия предотвращения потери устойчивости пуансона 8, либо из условия уменьшения габаритов и металлоемкости штамповой оснастки и оборудования (см. фиг.8).

Для осуществления второго цикла вытяжки необходимо сначала давление осадка на прижиме 7 снизить с q_ш.1 до давления обратного пуансона q_о.х., составляющего 0,2-0,3 от предела прочности σ_в штампуемого материала ((q_o.x.= (0,2÷ 0,3)σ_в))) чему соответствует усилие осадки Q_о.х. на прижиме 7.

Благодаря этому контактные давления между полуфабрикатом 2 и пуансоном 8 в створе, образуемом вытяжной кромкой матрицы 5 и рабочей поверхностью прижима 7, снижаются практически до нуля, чем обеспечивается обратной код пуансона 8 при усилии P_о.х. , близком к нулю (см. фиг. 3, справа), причем пуансон 8 необходимо поднять так, чтобы его донная часть 9 была зафиксирована в начальном положении, определяемом вхождением его в матрицу 5 на глубину h_п= r_п+r_м(фиг. 8), где r_п и r_м - соответственно радиусы вытяжной кромки пуансона и матрицы, ибо в противном случае при втором цикле вытяжки вытягиваемый материал потечет под донную часть 9 пуансона 8. После того, как пуансон 8 займет положение, показанное на фиг.3, справа, осуществляют второй цикл вытяжки, для чего сначала на прижиме 7 создают предварительное усилие осадки Q_пр, обеспечивающее создание необходимых контактных давлений между полуфабрикатом 2 и пуансоном 8 и, как следствие, необходимых сил трения между последними (см. фиг. 4, слева). Затем нагружают пуансон 8 усилием P_ш= 0,9P_разр. и после этого увеличением давления осаживания на прижиме до q_ш.2 (с усилием на прижиме Q_ш.2), потребного для обеспечения вытяжки полуфабриката 3 на глубину h₂. При этом толщина фланцевой части полуфабриката 3 осаждается до S_т2.

Выполненные эксперименты по гидростатической вытяжке показывают, что предварительные контактные давления между заготовкой 1 и пуансоном 8 q_пр.п в пределах 0,75 от предела прочности штампуемого материала σ_в(q_пр.п= 0,75•σ_в) возникающие при давлениях осадки q_пр.= (1,5÷ 1,8)•σ_в достаточны для создания со стороны пуансона P_ш=0,9 P_разр., способствующих сверхглубокой вытяжке при меньших давлениях осадки со стороны прижима и повышению качества штампуемых деталей.

В этом случае усилие штамповки P_ш со стороны пуансона устанавливается по формуле:
P_ш= μπD_пh•q_пр.п= μ•π•D_п•h•0,15σ_в (2)
а совместное решение уравнений (1) и (2) относительно позволяет установить высоту створа между рабочей поверхностью прижима 7 и тороидальной поверхностью матрицы 5 согласно следующей зависимости:
πD_пS_o•0,8σ_в=μπD_п•h•0,75 σ_в
откуда

Для гидростатической вытяжки значение коэффициента трения m составляет 0,3. Следовательно, высота створа должна быть h=r_м+r_п+S₀=3,5S₀, а так как обычно r_п=r_м, то значение последних должно быть

Для увеличения коэффициента трения μ целесообразно рабочую часть пуансона высотой h_р.ч.п выполнять шероховатой, например, зашкуриванием.

Для того, чтобы приступить к третьему циклу вытяжки необходимо сначала усилие Q_ш.2 на прижиме 7 снизить до усилия обратного хода Q_п.х. (см. фиг.5, слева), после чего поднять пуансон 8 до положения, показанного на фиг.5, справа.

Очевидно, что число последующих циклов вытяжки нужно производить столько раз, сколько необходимо для получения требуемой глубины H вытягиваемой детали напровал или с фланцем (согласно фиг.1).

Таким образом, сверхглубокую вытяжку осуществляют пульсирующим пуансоном, амплитуда пульсации которого меньше глубины детали при осуществлении отмеченных приемов силового воздействия на заготовку, а также соответствующих перемещений формообразующих элементов устройства (пуансона, прижима, эластичного кольца и выталкивателя).

Штамп для осуществления предложенного способа сверхглубокой вытяжки согласно фиг. 6 включает в себя верхнюю и нижнюю части, каждая из которых состоит из следующих основных деталей и узлов:
нижняя часть штамма, прикрепленная к столу пресса 1, имеет корпус 2, в ступенчатом отверстии которого размещены матрица 3 (с уплотнительным кольцом 4), выталкиватель 5 (с уплотнительным кольцом 6), контейнер 7 и резиновое кольцо 8, а также крепежное кольцо 9 с болтами 10; внизу размещен плавающий поршень 11 и крышка 12 (с уплотнительными кольцами 13) гидропривода выталкивателя 5 (условно не показан), жидкость под давлением от которого через резьбовое отверстие 14 и канал 15 подается под плавающий поршень 11;
верхняя часть штампа крепится к ползуну пресса 16 и содержит гидроцилиндр 17 с крышкой 18 (с уплотнительными кольцами 19 и 20), скрепленные болтами 21, причем внутри гидроцилиндра 17 размещен поршень 22 (с уплотнительными кольцами 23), а на штоке 24 поршня 22 закреплен пуансон 25 при помощи хвостовой части 26 и шестигранника 27 под ключ; на крышке 18 установлен прижим 28 и закреплен кольцом 29 и болтами 30; жидкость под давлением от насосной станции гидропривода пуансона (условно не показанного) подается в гидроцилиндр 17 через резьбовые отверстия с каналами соответственно 31 с 32 и 33 с 34.

Листовой заготовке присвоена позиция 35, а полуфабрикату в промежуточный момент вытяжки позиция 36.

Устройство работает следующим образом. После установки листовой заготовки 35 на рабочую поверхность матрицы 3 (см. фиг. 6) включение рабочего хода пресса приводит к опусканию его ползуна 16 с верхней частью устройства, в результате на прижиме 28 создается промежуточное усилие осадки Q_пр, после чего в надпоршневую полость гидроцилиндра 17 через резьбовое отверстие 31 и канал 32 подается жидкость под давлением, создающим усилие штамповки P_ш 0,9P_разр.и лишь при увеличении усилия на прижатие до Q₁ осуществляется первый цикл вытяжки заготовки 35 в полуфабрикат 36. Под действием усилия со стороны пуансона 25 выталкиватель 5 опускается, вытесняя жидкость из-под него в полость над поршнем II, при этом подпоршневая полость последнего соединена на слив (см. фиг. 7).

При достижении глубины вытяжки h₁ усилие на прижиме снижается до величины Q_o.x., обеспечивающей обратный ход пуансона 25 при обратном усилии P_o.x. до вхождения пуансона 25 в матрицу 3 на глубину h_н, обеспечивающую следующий цикл вытяжки.

В дальнейшем со стороны пуансона создается столько циклов пульсации пуансона, сколько необходимо для вытяжки полой детали заданной глубины.

После вытяжки детали на заданную глубину, определяемую высотой выталкивателя 8, донная часть упирается в перемычку корпуса 2, а результате чего дается команда на обратный ход прижима 28 и пуансона 25, а также на подачу жидкости под давлением через канал 15 под плавающий поршень 11, который при подъеме вверх вытесняет жидкость из полости над этим поршнем, обеспечивая перемещение вверх выталкивателя 8 вместе с отштампованной деталью до совпадения верхнего торца выталкивателя 8 с рабочей поверхностью матрицы 3, что позволяет беспрепятственно удалить отштампованную деталь из рабочей зоны устройства.

Размещение гидропривода пульсирующих перемещений пуансона в верхней части устройства позволяет для малых высот рабочей части пуансона 27 существенно уменьшить габариты и металлоемкость штамповой оснастки и оборудования, а также и то, что для сверхглубокой вытяжки можно использовать гидропрессы одинарного действия. Этому способствует также и то, что выталкиватель выполнен в виде плавающего поршня. Этим исключается необходимость применения длинномерных толкателей и гидроцилиндров для приводов выталкивателей.

Рассмотрим пример осуществления сверхглубокой вытяжки цилиндрической детали из пищевого алюминия ADIM ( σ_в= 7 кгс/мм² диаметром Д_п 8 мм, глубиной Н 200 мм и толщиной S_ст 0,5 мм из заготовки толщиной S_о 5 мм.

Для вытяжки используется матрица с r_m 5 мм и Д_м 9 мм.

Диаметр заготовки Д_o устанавливаем из следующей очевидной зависимости:

Диаметр контейнера принимаем Д_к 40 мм. Из условия предотвращения потери устойчивости пуансона и снижения габаритов устройства глубину рабочей части пуансона принимаем h_р.ч.п. 40 мм. Максимальное потребное усилие осадки для штамповки устанавливаем из условия создания давления осаживания на прижиме:

Предварительное давление осаживания фланца заготовки принимаем
q_пр= 1,67•σ_в= 11,75 кгс/мм²
Давление на прижиме q_o.x. и усилие Q_o.x. при обратном ходе пуансона соответственно составляет:

При r_м r_п 5 мм и толщине заготовки S_о 5 мм амплитуда пульсации пуансона h_пульс будет:
h_пульс h_р.ч.п. h_m h_р.4.п. (r_м + r_п + S_о) 40 15 25 мм,
а число пульсаций m составит (при высоте детали H 200 мм)

Давление q_ш и усилие P_ш на прижиме для осуществления первого, второго, восьмого циклов вытяжки соответственно составляют:
Усилие штамповки на пуансоне P_ш для каждого цикла пульсации устанавливается из следующей зависимости:
P_ш= πD_пS_oσ_ср= 3,14•85•0,87= 703 кгс.,
а усилие обратного хода пуансона зависит от сил трения между заготовкой и пуансоном и создается насосной станцией гидропривода пуансона.

Таким образом для каждого цикла пульсации установлены силовые параметры ведения процесса, начальное положение пуансона и амплитуда пульсации пульсирующей вытяжки длинномерной детали.

Сущность: способ глубокой вытяжки полых листовых деталей осуществляют воздействием пульсирующих усилий пуансона на заготовку. Фланец заготовки при этом вместе с рабочей средой подпорного элемента осаживают давлением прижима. Процесс ведут при регламентированных значениях рабочих усилий. Устройство для осуществления способа содержит соосно установленные прижим и пуансон с гидроприводом возвратно-поступательного перемещения, контейнер, матрицу, подпорный элемент и выталкиватель. Гидропривод выполнен пульсирующим, цилиндрическая поверхность рабочей части пуансона выполнена шероховатой, а выталкиватель в виде плавающего поршня размещен в вытяжном отверстии матрицы. 2 с.п. ф-лы, 7 ил.

1. Способ глубокой вытяжки полых листовых деталей, при котором на центральную часть заготовки воздействуют усилием пуансона, а фланец ее вместе с рабочей средой подпорного элемента осаживают давлением прижима, обеспечивая истечение металла в вытяжной зазор между матрицей и пуансоном на высоту вытягиваемой детали, отличающийся тем, что вытяжку осуществляют пульсирующим усилием, создаваемым пуансоном, при этом амплитуду пульсации перемещения последнего вдоль оси детали задают меньше высоты вытягиваемой детали, а каждый цикл его пульсации сопровождают силовым воздействием на фланец давлением осаживания q_п р до 1,5 1,8 от σ_b - предела прочности штампуемого материала и усилием на пуансоне Р_ш до 0,9 от разрушающего вытяжного усилия Р_{р а з р .}, обеспечивающим истечение штампуемого металла в вытяжной зазор на высоту участка детали, соответствующую единичному ходу пуансона с последующим осуществлением обратного хода пуансона при снижении давления осаживания q_{о . х .} до 0,2 - 0,3 от σ_b штампуемого металла и возвращением пуансона в исходное положение, определяемое вхождением его в матрицу на глубину h_н, равную сумме вытяжных ребер матрицы r_м и пуансона r_п, причем число циклов пульсации пуансона задают в количестве, необходимом для получения требуемой высоты вытягиваемой детали. 2. Устройство для глубокой вытяжки полых листовых деталей, содержащее соосно установленные в его верхней части прижим и пуансон с гидроприводом возвратно-поступательного перемещения последнего, а также установленные в его нижней части контейнер, матрицу, подпорный элемент в виде эластичной среды и выталкиватель, отличающееся тем, что гидропривод возвратно-поступательного перемещенния пуансона выполнен пульсирующим с амплитудой пульсации, исключающей потерю устойчивости пуансона, причем цилиндрическая поверхность рабочей части последнего выполнена шероховатой, например, обработанной наждачной бумагой перед его закалкой, а выталкиватель выполнен в виде плавающего поршня, размещенного в вытяжном отверстии матрицы.