СОСТАВНАЯ МАТРИЦА Российский патент 2003 года по МПК B21J13/02 B23P11/02 

Изобретение относится к оборудованию для обработки металлов давлением, а конкретно к конструкции составных цилиндрических матриц с бандажным кольцом.

Известны [1] - [3] конструкции матриц, в которых для повышения стойкости предусмотрено создание предварительных сжимающих напряжений за счет обжатия матриц бандажным кольцом, принятые нами в качестве аналогов.

Однако в упомянутых выше матрицах отсутствуют какие-либо сведения о соотношении основных размерных величин составных матриц. В представленных материалах нашей заявки этот пробел восполнен, так как приведенные формулы полностью охватывают область конструирования такого типа устройств.

Из перечисленных аналогов ближе всего по технической сущности к предлагаемой конструкции является бандаж для матриц по [1], принятых нами в качестве прототипа.

Основными недостатками прототипа [1] являются:
1. Внутренняя поверхность бандажного кольца делается цилиндрической, следовательно, характер изменения напряжений по высоте матрицы остается неучтенным.

2. Не учтен также тот факт, что касательные напряжения, которые являются причиной разрушения, оказываются наибольшими не на поверхности матрицы, куда прикладывается внешнее усилие, а на некоторой глубине.

3. Не учтено то обстоятельство, что излишний натяг, то есть перегрузка матрицы предварительными сжимающими напряжениями со стороны бандажного кольца также вредна, как и недогрузка.

4. Толщина бандажного кольца (набора бандажных колец) назначается без достаточного обоснования, вследствие чего конструкция оказывается утяжеленной.

Задачей изобретения является создание новой цилиндрической матрицы, обеспечивающей получение технического результата, состоящего в том, что прочность и стойкость матрицы предлагаемой конструкции во много раз превосходят аналогичные характеристики существующих конструкций.

Поставленная задача достигается тем, что в составной матрице, содержащей матрицу и установленное в ней с натягом и сопряженное по поверхности бандажное кольцо, сопрягаемая поверхность матрицы или бандажного кольца выполнена криволинейной, форма которой определена из условия обеспечения в рабочем режиме всестороннего равномерного сжатия матрицы по всей высоте.

На фиг.1 показано два варианта составной матрицы в сборе при разогретом бандажном кольце; слева - криволинейная образующая создана на бандажном кольце, справа - на самой матрице.

Возможность создания составной матрицы существенно повышенной прочности базируется на использовании следующего свойства твердого деформирующего тела.

При рассмотрении поведения двух одинаковых сплошных образцов, например, цилиндрической формы, фиг. 2, один из которых стоит на плоскости, а другой вставлен в лунку без зазоров, интуитивно чувствуем, что для разрушения второго образца потребуется гораздо большая нагрузка. Действительно, расчеты показывают, если материал, образующий лунку, абсолютно жесткий, то предельная нагрузка во втором случае оказывается в 1,5 раза выше.

Причина повышения предельной нагрузки заключается в появлении напряжений σ₂ и σ₃, которые здесь составляют σ₂ = σ₃ = σ₁/3. Если за счет дополнительного бокового сжатия довести напряжения σ₂ и σ₃ до уровня σ₁, то предельная нагрузка будет равна бесконечности. Другими словами, сплошное тело, каждая точка которого находится в состоянии всестороннего сжатия, разрушить невозможно.

Идея создания в матрице предварительного обжатия с помощью бандажного кольца известна. Однако существующие конфигурации не обеспечивают в рабочем режиме создания в матрице всестороннего сжатия, вследствие чего такие матрицы все-таки разрушаются.

Как показывают исследования, осевые напряжения σ_z, фиг.3, оказываются наибольшими на поверхности в точке приложения нагрузки q. Однако вследствие наличия радиальных σ_r и окружных σ_θ напряжений (которые здесь равны друг другу σ_r= σ_θ) опасной точкой, как видно из фиг 4, является точка, расположенная на оси Z на некоторой глубине, где имеют место наибольшие касательные напряжения, которые и являются причиной разрушения. На фиг.4 использованы относительные величины

где Р - усилие пресса; с - радиус кругового пятна облоя.

Влияние величины дополнительного напряжения предварительного обжатия на предельную нагрузку q_пр представлено на фиг.5, где обозначено

где σ_T - предел текучести материала матрицы.

Из фиг. 5 видно, что предельная величина нагрузки устремляется в бесконечность при = 0,686, касательные напряжения при этом становятся равными нулю. Увеличение предварительного обжатия путем создания излишнего натяга, как видно из чертежа, сопровождается возрастанием касательных напряжений другого знака, что приводит снова к разупрочнению матрицы.

Криволинейная поверхность в зоне контакта матрицы и кольца, фиг.1, должна соответствовать характеру касательного напряжения, показанного на фиг.4. Переменный по высоте матрицы натяг определяется по формуле:

где


Δ - натяг, см;
σ - осевое напряжение, МПа;
σ_r - радиальное напряжение, МПа;
E - модуль продольной упругости, МПа;
q - величина внешней нагрузки, МПа;
ν - коэффициент поперечной деформации;
a - радиус матрицы, см (фиг.1);
b - наружный радиус бандажного кольца, см (фиг.1);
c - радиус кругового пятна облоя, см (фиг.3);
z - продольная координата, см (фиг.3).

Натяг можно создать не только за счет переменного профиля бандажного кольца при прямолинейной образующей матрицы, а, наоборот, за счет переменного профиля матрицы, фиг.1, при прямолинейной образующей бандажа.

На фиг.6 представлена зависимость напряжений радиальных σ_r и окружных σ_θ в бандажном кольце в зависимости от его толщины, т.е. от отношения b/а. Как видно из фиг.6, увеличение толщины сверх соотношения b/а>2÷2,5 дает незначительный эффект.

Описанное предложение обладает изобретательским уровнем, т. к. получение указанного технического результата не очевидно для среднего специалиста, поскольку упомянутые признаки изобретения основываются на специальных разделах механики твердого деформируемого тела. Поставленная задача достигается тем, что в составной матрице путем предварительного обжатия в рабочем режиме создается одинаковое по всей высоте напряженное состояние всестороннего сжатия.

Несомненным остается эффект существенного повышения прочности матрицы описанным способом, поскольку он базируется на очевидной истине, состоящей в том, что путем всестороннего сжатия сплошное тело разрушить невозможно.

Изобретение промышленно применимо: оно может быть использовано в кузнечных, штамповочных и других цехах, связанных с обработкой металлов давлением на машиностроительных заводах.

Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР 483185, 1975 г.

2. В. П. Романовский. Справочник по холодной штамповке. M.: Машиностроение, 1979 г, стр.459 -461
3. С.П. Тимошенко, Дж. Гудьер. Теория упругости. М.: Физматгиз, 1979 г., стр.404-409.

Изобретение относится к оборудованию для обработки металлов давлением, конкретно к конструкциям составных цилиндрических матриц с бандажным кольцом. Составная матрица содержит матрицу и установленное на ней с натягом и сопряженное по поверхности бандажное кольцо. Сопрягаемая поверхность матрицы или бандажного кольца выполнена криволинейной. Форма криволинейной поверхности определяется из условия обеспечения в рабочем режиме всестороннего равномерного сжатия матрицы по всей высоте. Величина натяга определяется из приведенных соотношений. В результате обеспечивается повышение прочности и стойкости матрицы. 6 ил.

Составная матрица, содержащая матрицу и установленное на ней с натягом и сопряженное по поверхности бандажное кольцо, отличающаяся тем, что сопрягаемая поверхность матрицы или бандажного кольца выполнена криволинейной, форма которой определена из условия обеспечения в рабочем режиме всестороннего равномерного сжатия матрицы по всей высоте, а величина натяга определена из следующего соотношения:

где


где Δ - натяг, см;
σ_z - осевое напряжение, МПа;
σ_r - радиальное напряжение, МПа;
Е - модуль продольной упругости, МПа;
q - величина внешней нагрузки, МПа;
ν - коэффициент поперечной деформации;
а - радиус матрицы, см;
b - наружный радиус бандажного кольца, см;
с - радиус кругового пятна облоя, см;
z - продольная координата, см.