УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПРЕССОВАННЫХ ДЕТАЛЕЙ Российский патент 1998 года по МПК B22F5/08 

Изобретение относится к устройству для изготовления прессованных деталей с основными фасонными элементами, имеющими форму цилиндра, и вспомогательными фасонными элементами, имеющими винтовую форму согласно ограничительной части пункта 1 формулы изобретения. Речь идет, например, об изготовлении зубчатых колес с винтовыми зубьями, у которых винтовые зубья рассматриваются как вспомогательные фасонные элементы.

Известно устройство такого типа, служащее для изготовления прессованных деталей из металлического порошка, например, в виде зубчатых колес с винтовыми зубьями [1] . Этот известный пресс для прессования деталей из металлического порошка имеет линейно перемещаемый верхний поршень, в котором установлен верхний пуансон, имеющий возможность вращения вокруг продольной оси (расположенной в направлении прессования), и нижний поршень, также имеющий возможность линейного перемещения относительно верхнего упора, в котором расположен с возможностью вращения нижний пуансон. Кроме того, имеется матричная плита, образующая фасонную полость и также имеющая возможность линейного перемещения в процессе прессования. Вращающийся нижний пуансон и вращающийся верхний пуансон имеют каждый зубчатый профиль, корреспондирующийся с зубчатым профилем (винтовыми зубьями) по окружности матрицы (то есть фасонные полости). Нижний пуансон, установленный с возможностью свободного вращения, постоянно находится в зацеплении с профилем фасонной полости и поэтому принудительно поворачивается, когда в процессе прессования происходят линейные относительные перемещения между нижним пуансоном и матричной плитой. В отличие от этого верхний пуансон во время процесса прессования получает извне в соответствии с глубиной своего перемещения вращательное движение, соответствующее винтовым зубьям, для того, чтобы предотвратить трение между поверхностями внешнего пуансона и фасонной полостью матрицы. Для этого имеется зубчатая передача, приводимая через механическое кулисное управление в соответствие с желаемыми винтовыми зубьями прессовой заготовки. Кулисное управление содержит так называемый кулисный сердечник, который, с одной стороны, жестко соединен с направляющей плитой, а с другой стороны, с геометрическим замыканием и скольжением направляется в коаксиально расположенных приводных колесах зубчатой передачи. Во время процесса прессования направляющая плита временно жестко соединяется с матричной плитой и перемещается вместе с ней. Для вынимания полученной прессовой детали из формы применяется так называемый способ выгрузки.

Эти известные прессы для изготовления деталей из металлического порошка требуют значительных механических затрат на конструирование, а также значительных затрат на переналадку, поскольку для каждой прессованной детали, помимо специального комплекта инструментов (матрица, а также верхний и нижний пуансоны), необходимо изготовить также комплект кулисных сердечников, соответствующий прессованной заготовке, которые должны заменяться. К этому присоединяются расходы на направляющую плиту и механически управляемое фиксирующее устройство для жесткого присоединения направляющей плиты к матричной плите. Кроме того, следует отметить, что так же, как и раньше, остается проблема трения между нижним пуансоном, не приводимым принудительно извне (в части его движения поворота), и матрицей. Следствием этого является не только повышенный износ в этой зоне, но это приводит также к неоднородной плотности прессованной заготовки.

Известен пресс для так называемого способа ротационного прессования с электронным управлением перемещений [2]. Такой пресс служит для дополнительной обработки уже спеченных фасонных заготовок, изготовленных способом порошковой металлургии, для того, чтобы довести их до плотности соответствующего материала в диапазоне 95-98% от теоретически возможной плотности. Специальная конструкция этих прессов позволяет создать на прессующем инструменте экстремально высокое местное давление прессования при сравнительно низком общем прессовом усилии на прессе. Для этого применяется качающийся вращающийся инструмент верхнего пуансона, который может оказывать на заготовку для ее целенаправленного уплотнения экстремально высокую силу сжатия на ограниченном участке заготовки. В [2] не дается указаний о том, что для изготовления из порошкообразного материала прессованных деталей с основными элементами, имеющими цилиндрическую форму, вспомогательными элементами, имеющими винтовую форму, перемещение вспомогательных фасонных элементов изготавливаемой прессованной детали винтообразной формы следует осуществить во время деформирования с помощью электронного управления непосредственно разделенными верхним и нижним пуансонами в фасонной полости матрицы.

Поэтому задачей изобретения является усовершенствование устройства согласно ограничительной части формулы изобретения таким образом, чтобы решить упомянутую проблему трения удовлетворительно, в том числе и на нижнем пуансоне, причем затраты на необходимый инструмент и переналадку для изготовления различных прессованных деталей должны оставаться как можно более низкими.

Эта задача в устройстве решается согласно ограничительной части формулы изобретения отличительными признаками пункта 1. Предпочтительные усовершенствования изобретения содержатся в пунктах 2-15.

Существенным признаком изобретения является то, что верхний и нижний пуансоны, непосредственно участвующие в деформировании имеющих винтообразную форму вспомогательных фасонных элементов прессованной детали (например, зубчатых колес с несколькими зубьями, аксиально следующими друг за другом, может быть необходимо иметь соответственно несколько нижних и верхних пуансонов), при своем перемещении в фасонной полости матрицы направляются с помощью электронного управления. Вращательное движение верхних и нижних пуансонов в зависимости от глубины их погружения в фасонную полость осуществляется, таким образом, не посредством механического соединения привода линейного перемещения и вращения, то есть не только за счет трения контура пуансона по поверхности матрицы, как это имеет место у нижнего пуансона, формующего одну из широких сторон [1], или механическим копированием сердечника кулисы, как у верхнего пуансона этого известного пресса, формующего другую широкую сторону, а обеспечивается с помощью электронно регулируемого отдельного (механически отсоединенного) привода вращения. Это означает, что движение вращения, происходящее одновременно с линейным перемещением (в соответствии с шагом вспомогательных фасонных элементов, имеющих винтовую форму), должно осуществляться с такой точностью, которая находится в диапазоне зазора зубчатого зацепления (между пуансонами и матрицей). В соответствии с этим, согласно одной форме выполнения изобретения, предусматривается, что осевое и вращательное движение пуансона осуществляется с регулированием положения. Для определения соответствующего осевого и вращательного положения имеются соответствующие чувствительные элементы (например, линейный потенциометр или инкрементальный измерительный стержень для линейного перемещения, или датчик угла поворота при вращении). Целесообразно удерживать матрицу в применяемом прессе для обработки порошка неподвижно, а верхний и нижний пуансоны приводить в линейное и вращательное движение. Но возможны также изменения конструкции на противоположную кинематику, когда матрица удерживается, например, в прессе согласно [1], причем нижний пуансон неподвижен, но может вращаться, в то время как верхний пуансон может линейно перемещаться и вращаться. В принципе, матрица может также и вращаться. Этот случай может быть целесообразным дополнительно к вращаемости одного или всех - верхнего и нижнего - пуансонов, если, например, должны изготавливаться зубчатые колеса с разными зубчатыми зацеплениями, то есть прессованные заготовки с несколькими зубчатыми зацеплениями, расположенными друг за другом и имеющими разную ширину (или с разными углами наклона зубьев). Дополнительно к упомянутым нижнему и верхнему пуансонам могут, как известно, иметься также стержневые пуансоны, которые могут перемещаться с помощью вспомогательных приводов и служат, например, для изготовления ступицы на зубчатом колесе для насаживания зубчатого колеса на вал.

Электронное управление перемещением одного или всех верхних пуансонов осуществляется таким образом, что вне фасонной полости матрицы происходит лишь одно линейное перемещение и что необходимое движение вращения применяется в процессе прессования лишь непосредственно с погружением в фасонную полость. В этом случае рекомендуется снабдить верхний пуансон или верхние пуансоны сравнительно мягкой пружинящей опорой, ограниченной упором, для того, чтобы иметь достаточно времени для ускорения процесса при включении вращения. Регулирование положения или крутящего момента наступает лишь тогда, когда верхний пуансон достигнет упора. Благодаря этому предотвращается повреждение инструмента при погружении.

Для реализации изобретения не всегда необходимо регулирование положения в процессах перемещения. Альтернативно или дополнительно к регулированию положения можно предусмотреть также, чтобы вращательные процессы перемещения верхнего и нижнего пуансонов (относительно матрицы) осуществлялись с жестко заданными, например, постоянными по времени значениями крутящего момента. Приводы вращения верхнего и нижнего пуансонов регулируются при этом в фазе прессования таким образом, что боковые поверхности зубьев пуансона и наружная поверхность матрицы по возможности максимально соприкасались только на стороне, которая не была бы подвержена непосредственному трению при отсутствии привода вращения во время входа пуансона в фасонную полость матрицы. Крутящий момент, подводимый извне, действует, таким образом, в направлении вращательного движения, создаваемого формой. В отличие от этого может быть также целесообразным регулировать крутящие моменты привода вращения в зависимости от текущего достигаемого усилия прессования или достигаемой глубины погружения (осевое положение) пуансона, то есть повышать с растущим усилием прессования. Особенно предпочтительным является измерение скручивающего момента на пуансоне и регулирование приводного момента до такого именно значения, при котором компенсируются потери на трение в опорной и приводной системе. Это означает, что скручивающий момент на пуансоне тогда стремится к нулю. Рекомендуется полностью отключить привод вращения пуансона на самом последнем участке фазы прессования, то есть незадолго до достижения положения прессования, для того чтобы предотвратить образование рисок под действием напряжений скручивания. При угле β наклона зацепления этот участок x должен отвечать следующему условию:
x ≤ S•cosβ,
где
S - инструментальный зазор в торцевом сечении. Для 30-градусного зацепления и инструментального зазора, равного 0,03 мм, получается, например, следующее значение: x ≤ 0,05 мм.

Извлечение полученной прессованной детали из формы после процесса выбивания может осуществляться в принципе и без включения приводов вращения. Однако рекомендуется применять при этом приводы вращения в порядке, обратном (частично) процессу сжатия. Это максимально возможно обеспечивает бережное отношение к инструменту и прессованной детали.

Для линейного перемещения верхнего и нижнего пуансонов (или в случае необходимости подвижной матрицы) должны применяться гидравлические приводы. Приводы вращения могут также иметь гидравлическое управление. Во многих случаях они могут быть также и пневматическими. Особенно рекомендуются электроприводы вращения, в частности электрические шаговые или серводвигатели. Целесообразно применять изобретение для порошковых прессов с ЧПУ - числовым программным управлением. Особенно предпочтительно выполнять основные механические детали устройства согласно изобретению (пуансоны, матрицы, приводы вращения) в качестве заменяемых узлов, чтобы максимально сократить время на переналадку, в форме, адаптированной к инструменту.

Большим преимуществом изобретения является изготовление зубчатых колес с косыми зубьями при чрезвычайно малом износе инструмента, так как трение в зоне боковых сторон зубьев может быть ограничено во время фазы прессования и во время извлечения из формы до минимума. Затраты на переналадку могут также быть значительно уменьшены по сравнению с ранее известными прессующими инструментами, так как для воздействия на приводы вращения необходимы только программно-технические мероприятия (нет необходимости изготавливать кулисные сердечники). Кроме того, это приводит к тому, что инвестиционные затраты значительно снижаются, если соответствующий пресс обычно предназначен для изготовления множества различных прессованных деталей, несмотря на необходимые сверхзатраты на приводы вращения и измерительно-регулировочную технику. И наконец, следует подчеркнуть, что устройство позволяет, согласно изобретению, изготавливать прессованные детали, имеющие гораздо более равномерное, чем это было возможно, распределение плотности.

На чертеже схематически показан пресс для металлического порошка.

Этот гидравлический пресс имеет раму 16, снабженную верхним поршнем 14 и нижним поршнем 15. Приблизительно посередине рамы 16 установлена матрица 1, не имеющая возможности перемещения и вращения. На верхнем поршне 14 установлен с возможностью вращения верхний пуансон 2, а в нижнем поршне 15 - также с возможностью вращения и нижний пуансон 3. Верхний пуансон 2 установлен с помощью предварительно напряженной пружины 9, поднимающей прижимное устройство для верхнего пуансона 2 в направлении прессования к жесткому упору, податливо в направлении прессования. Создаваемое пружиной усилие, ограниченное упором, в любом случае значительно меньше, чем максимально создаваемое на соответствующем инструменте усилие прессования, вследствие чего верхний пуансон упирается - уже в начале процесса прессования - в упор. Наружная поверхность матрицы 1 и оба пуансона 2, 3 имеют косое зубчатое зацепление, корреспондирующиеся друг с другом. Для более точного определения соответствующего линейного положения обоих поршней 14, 15 и тем самым связанных с ними пуансонов 2 или 3 имеются две системы 10, 11 измерения пути перемещения, которые могут быть выполнены как инкрементальный измерительный стержень или линейный потенциометр. На обоих поршнях 14, 15 закреплено по одному приводу 5 и 7 вращения (например, электрический сервопривод), текущее угловое положение привода которого определяется с помощью комбинированной системы 12 или 13 измерения угла и вращающего момента. Пуансоны 2, 3 располагают измерительными приборами 12a, 13a для определения возникающего скручивающего момента. Оба привода 5, 7 вращения через цилиндрическую зубчатую передачу соединены каждый с одним из обоих пуансонов 2 или 3. Для позиционирования обоих поршней 14, 15 пресса имеются два пропорциональных клапана 4, 6. И наконец, пресс, показанный на чертеже, еще имеет электронное управление 8 (взято в рамку штриховой линией), сконструированное по иерархическому принципу и состоящее из основного ЧПУ-процессора 21, соответствующих регулировочных блоков 19 или 20 для линейного перемещения верхнего поршня 14 или нижнего поршня 15 и соответствующего регулировочного блока 17 или 18 для вращательного движения обоих пуансонов 2 или 3. Входной и выходной блок основного ЧПУ-процессора 21 для регулирования и наладки пресса обслуживающим персоналом обозначен позицией 22. Информационно-техническое соединение блоков и сенсоров символически показано соответствующими стрелками. Оба регулировочных блока 19, 20 подчинены основному ЧПУ-процессору 21, а регулировочные блоки 17, 18 - для вращательного движения в качестве подчиненных - каждому из обоих регулировочных блоков 19 или 20 для линейного перемещения поршней. В представленном примере выполнения регулировочный блок 19 подчинен в качестве основного блока регулировочному блоку 20 (подчиненный блок), то есть перемещение верхнего поршня 14 и тем самым перемещение верхнего пуансона 2 в качестве направляющей величины положено в основу окончания перемещения. Комбинированная система 12 измерения угла и вращающего момента образует вместе с приводом 5 вращения и регулировочным блоком 17 замкнутый регулировочный контур, причем регулировочный блок 17 свое заданное значение получает соответственно от регулировочного блока 19 ленточного привода поршня 14 в соответствии с его текущим осевым положением, зарегистрированным измерительной системой 10. То же самое относится к аналогичным функциональным блокам для привода нижнего пуансона 3, причем его линейное положение регулируется в зависимости от линейного положения верхнего пуансона 2. Основной ЧПУ-процессор 21 берет на себя основные функции регулирования и контроля, а также обработку данных, задаваемых для каждой детали, подлежащей изготовлению. Внутри рамы 16 пресса штриховой линией обведено, какие основные функциональные детали устройства, согласно изобретению, могут применяться в качестве переходного инструмента для легко заменяемого конструктивного узла, соединяемого с верхним и нижним поршнями 14, 15.

Работа пресса осуществляется следующим образом.

После извлечения прессованной заготовки нижний пуансон 2 перемещается в соответствии с углом наклона изготавливаемого зубчатого колеса с косыми зубьями при применении привода 7 вращения вниз с регулированием положения, определяемого системой 11 измерения пути и системой 12 измерения угла в заполненном положении. Нижний пуансон 3 при этом остается в фасонной полости матрицы 1. Верхний пуансон 2 находится выше фасонной полости. После заполнения фасонной полости остальным порошком верхний пуансон 2 перемещается вниз с помощью регулировочного блока 19 на основе данных системы 10 измерения пути с регулированием перемещения. Одновременно через регулировочный блок 17, систему 12 измерения угла и привод 5 вращения вводится координируемое вращательное перемещение верхнего пуансона 2 таким образом, что относительное поворотное положение верхнего пуансона 2 к зубчатому контуру фасонной полости матрицы 1 позволяет бесконтактно ввести верхний пуансон 2 в фасонную полость. При этом начинается собственно фаза прессования, в которой загруженный стальной порошок уплотняется. При этом в фасонную полость при матрице 1, остающейся неподвижной, входят одновременно с разных сторон нижний поршень и верхний поршень, причем приводы 5 и 7 вращения обеспечивают снижение трения между пуансонами 2, 3 и матрицей 1 до минимума. Так как обе системы 12, 13 измерения угла служат в качестве комбинированных инструментов для определения приводного крутящего момента, можно обеспечить также дополнительно или альтернативно к регулированию положения привода 5, 7 вращения регулирование крутящего момента в зависимости от осевого положения пуансонов 2, 3. После достижения окончательного положения прессования для извлечения прессованной детали из формы приводная система верхнего пуансона 2 переключается, то есть верхний пуансон 2 выходит из полости формы с линейным и вращательным движением и регулированием положения в соответствии с контуром прессованной заготовки, причем одновременно нижний поршень, также с соответствующим регулированием положения, перемещается дальше вверх, до тех пор, пока его верхняя торцевая поверхность не будет находиться заподлицо с верхней стороной матрицы 1, то есть прессованная заготовка освобождена (процесс выталкивания). Прессованная деталь может во время извлечения из формы целенаправленно удерживаться с желаемой нагрузкой сверху.

Изобретение относится к оборудованию для изготовления прессованных деталей с основными фасонными элементами, имеющими форму цилиндра, и вспомогательными фасонными элементами, имеющими винтовую форму, из порошкообразного материала, в частности из металлического порошка. Устройство имеет матрицу и по меньшей мере один верхний пуансон, расположенный с возможностью вращения вокруг его продольной оси, а также по меньшей мере, один нижний пуансон, расположенный с возможностью вращения вокруг его продольной оси, верхний пуансон и нижний пуансон имеют возможность аксиального перемещения с приводом от двигателя относительно матрицы, и, по меньшей мере верхний пуансон дополнительно к своему осевому приводу имеет привод вращения вокруг своей продольной оси для получения перемещения по винтовой линии. Устройство снабжено системой электронного управления, и по меньшей мере один нижний пуансон имеет также привод вращения, каждый привод вращения пуансонов механически отсоединен от приводов осевого перемещения пуансонов и имеет возможность отдельного регулирования системой электронного управления, причем верхний и нижний пуансоны, непосредственно участвующие в формообразовании вспомогательных элементов прессованной детали, имеющих винтовую форму, при своем перемещении в полости матрицы направляются посредством системы электронного управления. Изобретение позволяет снизить усилие прессования за счет уменьшения трения и упростить переналадку инструмента при изготовлении различных деталей. 14 з. п.ф-лы., 1 ил.

1. Устройство для изготовления прессованных деталей с основными фасонными элементами цилиндрической формы и вспомогательными элементами винтовой формы из порошкообразного материала, в частности из металлического порошка, содержащее матрицу, по меньшей мере один верхний пуансон и по меньшей мере один нижний пуансон, смонтированный каждый с возможностью осевого перемещения с приводом от двигателя и каждый с возможностью вращения вокруг своих продольных осей, при этом верхний пуансон снабжен приводом вращения для создания перемещения по винтовой линии, отличающееся тем, что оно снабжено системой электронного управления, по меньшей мере один нижний пуансон снабжен самостоятельным приводом вращения, приводы вращения пуансонов разобщены механически от приводов их осевого перемещения и связаны с системой электронного управления с возможностью самостоятельного регулирования, при этом верхний и нижний пуансоны, непосредственно участвующие в формообразовании вспомогательных имеющих винтовую форму элементов прессованной детали, смонтированы с возможностью направленного перемещения в полости матрицы посредством системы электронного управления. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что система электронного управления выполнена с возможностью осуществления введения по меньшей мере одного верхнего пуансона в полость матрицы с регулированием положения относительно осевого и вращательного перемещений. 3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что система электронного управления выполнена с возможностью осуществления только линейного перемещения по меньшей мере одного верхнего пуансона вплоть до введения в полость матрицы и по меньшей мере один верхний пуансон подпружинен в осевом направлении пружиной. 4. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что система электронного управления выполнена с возможностью осуществления вращательного перемещения с регулированием положения верхнего и нижнего пуансонов во время процесса сжатия. 5. Устройство по п.2 или 3, отличающееся тем, что система электронного управления выполнена с возможностью осуществления вращательного перемещения верхнего и нижнего пуансонов с заданными значениями крутящего момента во время процесса сжатия. 6. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что система электронного управления выполнена с возможностью осуществления регулирования значений крутящих моментов в зависимости от текущего усилия прессования, текущего скручивающего момента или осевого положения соответствующих верхнего и нижнего пуансонов. 7. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что система электронного управления выполнена с возможностью осуществления вращательного перемещения каждого верхнего и нижнего пуансонов с постоянным значением крутящего момента. 8. Устройство по любому из пп. 1 - 7, отличающееся тем, что система электронного управления выполнена с возможностью осуществления отключения приводов вращения верхнего и нижнего пуансонов незадолго до достижения конечного положения прессования в соответствии с шагом винтовой линии и инструментальным зазором между соответствующими верхним и нижним пуансонами, с одной стороны и матрицей с другой стороны. 9. Устройство по любому из пп. 4 - 7, отличающееся тем, что система электронного управления выполнена с возможностью осуществления вращательного перемещения верхнего и нижнего пуансонов для заполнения матрицы и извлечения прессованной детали из матрицы в процессе выталкивания с точки зрения техники регулирования, частично в соответствии с порядком, обратным при осуществлении уплотнения материала. 10. Устройство по любому из пп.1 - 9, отличающееся тем, что приводы осевого перемещения верхнего и нижнего пуансонов выполнены гидравлическими. 11. Устройство по любому из пп.1 - 10, отличающееся тем, что приводы для вращательных перемещений выполнены гидравлическими или пневматическими. 12. Устройство по любому из пп.1 - 10, отличающееся тем, что для вращательных перемещений применены электроприводы, в частности электрические шаговые двигатели или серводвигатели. 13. Устройство по любому из пп.1 - 12, отличающееся тем, что оно выполнено как часть порошкового пресса с числовым программным управлением. 14. Устройство по любому из пп.1 - 13, отличающееся тем, что матрица и по меньшей мере один верхний и один нижний пуансоны образуют инструментальный блок, встраиваемый в пресс. 15. Устройство по любому из пп.1 - 14, отличающееся тем, что матрица закреплена жестко.