ФОРМООБРАЗУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 2003 года по МПК B21D11/20 

Изобретение относится к обработке материалов давлением и касается усовершенствований штыревой оснастки для формования оболочек из листовых материалов.

Предпочтительное применение: изготовление емкостей для перевозки и хранения жидкостей и газов, изготовление цельных корпусных оболочек в виде всюду выпуклых поверхностей в самолетостроении, кораблестроении и других отраслях машиностроения.

Крупногабаритные оболочки, например эллиптические днища с цилиндрической обечайкой и подобные элементы, производились штамповкой крупносерийно, однако с прекращением их производства задача штучного или мелкосерийного изготовления крупногабаритных изделий подобной номенклатуры на более мобильном оборудовании, в частности на штыревой оснастке, приобретает актуальность.

Известная штыревая оснастка, применяемая, например, в авиационной промышленности, пригодна только для изготовления элементов оболочек, например, с везде выпуклой поверхностью, на которой линии наибольшего ската и оси рабочих органов составляют углы в пределах конуса трения материала заготовки и материала формующих стержней, и не пригодна для изготовления оболочек с поверхностями, где указанные углы имеют большую величину [1].

Практически освоенная оснастка содержит параллельно расположенные, отстоящие друг от друга рабочие органы, каждый из которых имеет два соосных формующих стержня, линейные двигатели для их перемещения и устройство, задающее программу перемещения стержней.

Особенностью этого типа штыревой оснастки является недостаточная устойчивость формующих стержней при формовании изделий, содержащих участки, на которых линии наибольшего ската и оси рабочих органов имеют углы, большие угла трения. Формующие стержни при их нагружении испытывают повышенные изгибающие усилия, вызванные скольжением стержней относительно поверхности заготовки. На таких участках стержни изгибаются наружу от выпуклой поверхности, а стержни с другой стороны заготовки отклоняются в противоположную сторону.

Предлагаемое усовершенствование штыревой оснастки позволяет производить формообразование поверхностей, на которых линии наибольшего ската и оси рабочих органов расположены под углами, близкими к π/2.
Наиболее близким аналогом заявленного изобретения является формообразующее устройство, содержащее камеру формообразования, рабочие органы в виде формующих стержней и управляемые средства перемещения рабочих органов, включающие приспособления для задания программы перемещения формующих стержней в зависимости от текущих координат промежуточных поверхностей формообразуемой заготовки и координат конечной поверхности изделия /2/.

В указанном известном устройстве на формующих стержнях установлены приспособления в виде накладок, занимающих площадь, большую площади поперечного сечения формующих стержней.

Однако накладки на концах формующих стержней в этом и подобных устройствах выполняют функцию повышения точности поверхности при малом количестве формующих стержней и не влияют на стойкость стержней при их противодействии боковым усилиям.

Технической задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является расширение технологических возможностей устройства.

Поставленная задача решается тем, что известное формообразующее устройство, содержащее камеру формообразования, рабочие органы в виде формующих стержней и управляемые средства перемещения рабочих органов, включающие приспособления для задания программы перемещения формующих стержней в зависимости от текущих координат промежуточных поверхностей формообразуемой заготовки и координат конечной поверхности изделия, отсчитаемых вдоль осей рабочих органов, согласно изобретению, снабжено полыми футлярами, размещенными на концах формующих стержней в контакте друг с другом и связанными со стенками камеры формообразования поясами для восприятия боковых усилий, передаваемых на стенки упомянутой камеры от крайних полых футляров, которые расположены по периферии камеры формообразования в контакте с ее стенками, при этом каждый полый футляр расположен на конце одного формующего стержня или на концах группы формующих стержней.

Пояса могут быть связаны со стенками камеры формообразования посредством промежуточных элементов.

При формообразовании изделий с выпуклой поверхностью приспособления для задания программы перемещения формующих стержней выполнены из условия обеспечения образования на заготовке волновой поверхности типа колец или спирали с центром в точке максимального прогиба выпуклой поверхности изделия и последующего ее выворачивания с получением выпуклой поверхности, при этом площадь упомянутой волновой поверхности превышает площадь выпуклой поверхности изделия на величину осадки материала.

Данное устройство позволяет производить формование с большой степенью вытяжки, в частности изделий, подобным изделиям, формуемым на обтяжных прессах, но с применением повышенных температур.

Кроме того, применение изобретения позволяет формовать на штыревой оснастке оболочки из материалов, деформации растяжения которых настолько ограничены, что производить формовку поверхности растяжением возможно далеко не всегда, а также получать поверхность двойной кривизны сжатием материала заготовки.

В частном случае, если формообразующее устройство предназначено для изготовления оболочек в виде тел вращения, полые футляры могут быть выполнены в виде концентричных колец, которые связаны с группами стержней.

Размещение на каждом из параллельных формующих стержней отдельного полого футляра и закрепление его на каждом стержне продольными ребрами, расположенными на внутренней поверхности футляра, кроме основной функции - повышения стойкости стержней противостоять изгибающим усилиям, позволяет осуществить и нагрев поверхности заготовки. Пространство между стержнями рабочих органов без полых футляров используется для размещения источников нагрева и отражателей излучения на заготовку. Для групповых футляров, связанных с группами стержней, сказанное выше также имеет место.

Отличия накладки, используемой в наиболее близком аналоге /2/, и полого футляра состоят в следующем.

Размеры накладки вдоль оси стержня существенно меньше величины максимального хода. Накладки на соседних формующих стержнях не касаются друг друга. Каждая накладка содержит участок, сопряженный с поверхностью изделия. Для выпуклых изделий одна из накладок вогнута, парная с ней на соосном стержне - выпукла. Каждая накладка включает шаровую или иную опору, на которой она имеет возможность принимать положение, определяемое касанием накладки и поверхности заготовки, изменяющейся при ее деформировании.

В отличие от накладки размеры полого футляра вдоль оси стержня не меньше максимального хода. Футляры имеют боковые контактные поверхности, соприкасающиеся на участке, определяемом взаимным положением граничащих стержней. Каждый футляр имеет на конце выпуклую часть, образованную стенками и ребрами на внутренней поверхности футляра, при этом кривизна выпуклой части не меньше максимальной кривизны изделия. Футляры имеют сквозные каналы между стенками и ребрами, а для индивидуальных футляров - и между стержнями в центральной части.

При изготовлении изделий, поверхность которых всюду выпукла, в предлагаемом устройстве возможно применение рабочих органов, содержащих формующие стержни только со стороны матрицы, а со стороны пуансона соосных стержней не содержится. Их заменяет сетка гибких элементов, например, из металлических полос, концы которых связаны с натяжными устройствами. Особенностью, которая исключает применение стенок, компенсирующих боковые усилия крайних футляров, является такая регламентация перемещений стержней, чтобы форма матрицы была выпукла в сторону заготовки. В этом случае усилия со стороны гибкого пуансона и нагружаемой им заготовки отклоняют футляры друг к другу, а общий момент, вызванный, например, различием кривизны с одной стороны выпуклой поверхности матрицы, компенсируется совместным сечением прижатых друг к другу футляров, опирающихся друг на друга контактными боковыми поверхностями.

Применение натяжных устройств, изменяющих направление натяжения от перпендикулярного к стержням матрицы до параллельного к ним, позволяет производить формование поверхностей, содержащих участки, где касательные плоскости перпендикулярны к стержням на одних и к ним почти параллельны - на других.

В устройстве, содержащем матрицу, обращенную выпуклой частью вниз, заготовка доступна для пламенного нагрева, что позволяет обойтись без дорогих и хрупких источников лучевого нагрева.

Устройство, содержащее пуансон с гибкими элементами, применимо для формования либо листовых материалов при нагреве их до пластического состояния, либо листовых материалов относительно малых толщин. Гибкие элементы при этом должны быть выполнены из материалов, способных передавать нагрузки деформирования при заданных температурах.

В предлагаемом устройстве возможна замена пуансона из гибких элементов на пуансон, содержащий стержни, соосные со стержнями матрицы. В этом случае при формовании выпуклых поверхностей, содержащих участки, на которых линии наибольшего ската имеют углы с осями рабочих органов, большие угла трения, при выпуклой матрице и вогнутом пуансоне, футляры последнего испытывают боковые усилия, отклоняющие их наружу. При индивидуальных футлярах эти усилия компенсированы жесткостью стенок камеры формообразования, на которые крайние футляры пуансона опираются контактными поверхностями.

В общем случае при индивидуальных футлярах на каждом из стержней, когда линии наибольшего ската и оси рабочих органов имеют углы, большие угла трения, в особенности близкие к π/2, увеличиваются боковые усилия на футляры и на стенки камеры формообразования, и к усилиям деформирования добавлены усилия трения.

Усилия на стенки камеры формообразования, например, при прямоугольной ее форме, непосредственно компенсировать жесткостью стенок затруднительно, так как в стенках возникают в таком случае изгибающие деформации.

Более эффективно применение камеры формообразования, имеющей проекцию в плане в виде круга. В таком случае стенка камеры имеет цилиндрическую поверхность и воспринимает усилия боковых нагрузок более эффективно, чем прямая стенка, воспринимающая нагрузки как балка с консольным нагружением.

При любой форме камеры формообразования, в том числе и прямоугольной, всегда можно применением промежуточных элементов передать боковые нагрузки со стенок любой формы на силовой пояс в виде окружного или эллиптического цилиндра, где усилия нагрузки на стенку компенсируются усилиями растяжения силового пояса, одного, только для пуансона, или двух поясов, соответственно для пуансона и матрицы.

В частном случае, когда футляры выполнены в виде концентрических колец, усилия на кольцо со стороны заготовки симметричны и уравновешены жесткостью каждого кольца. Силы трения между боковыми поверхностями при этом минимальны, так как боковых нагрузок, смещающих кольцо, при этом не возникает. Если кольца достаточно жесткие, и деформирование кольца осуществляется в пределах зазоров между кольцами, то трение также минимально.

Формообразующее устройство как в случае использования пуансона из гибких элементов, так и в случае стержневого пуансона снабжено приспособлением для задания перемещений стержней матрицы или стержней матрицы и пуансона в более общем случае и содержит программы задания координат перемещения.

При изменяющейся номенклатуре изделий использовать прототип [2] для этой цели затруднительно по причине задания программы перемещения стержней матрицы механическими средствами (шестеренными передачами с различными передаточными отношениями). Более результативны устройства, оснащенные цифровым заданием программы, в особенности устройство с периодическим принципом перемещения рабочих органов, которое при снабжении его формообразующих стержней футлярами позволяет реализовать расширение технологических возможностей штыревой оснастки наиболее полно (см. устройство, заявителем которого является ин-т Гидродинамики им М.А. Лаврентьева СО РАН, автора Гусев Г.А., Любашевская И.В., Рублевский Л.Л., заявка поданная в апреле 2001 года).

Принцип действия устройства при формовании изделий, содержащих поверхность положительной полной кривизны, с использованием гибкого пуансона имеет особенность, существо которой заключается в том, что деформирование заготовки между матрицей и пуансоном производится с исключением усилий растяжения, действующих на заготовку со стороны рабочих органов.

Вдоль линий наибольшего ската формуемой поверхности материал заготовки подвергается преимущественно деформациям изгиба, а в перпендикулярных направлениях - деформациям сжатия с изгибом.

Выпуклая форма симметричного изделия достигается осадкой материала вокруг центра симметрии, совпадающего с координатами наибольшего прогиба изделия. При произвольной выпуклой форме изделия осадка материала также осуществляется вокруг некоторого центра, где толщина заготовки не изменяется, но в этом центре не обязательно расположен наибольший прогиб изделия.

Особенностью деформирования с применением пуансона из крестообразно расположенных гибких элементов, например в виде металлических полос, является использование гофрообразования для уменьшения внешних усилий деформирования. Воздействием гибких элементов на выпуклости гофрообразования достигаются существенно большие усилия сжатия листа заготовка, чем прилагаемые со стороны гибких элементов.

При малых степенях сжатия заготовки матрица настраивается заранее, а затем постепенным облеганием гибкого пуансона расположенная на матрице заготовка, формуется по форме матрицы.

При больших степенях сжатия формование осуществляют поэтапно. При этом гофрообразование имеет малые прогибы, а усилия гибкого пуансона становятся достаточными для их устранения.

На каждом этапе пуансон выводят в плоское положение, затем настраивают матрицу на более выпуклую форму по сравнению с предыдущей, а затем средствами натяжения с изменением направления доформовывают поверхность заготовки постепенным прижатием, начиная с ее середины и заканчивая краями.

Устройство, содержащее пуансон с гибкими элементами, применимо для формообразования либо листовых материалов при нагреве их до пластического состояния, либо листовых материалов относительно малых толщин. Формование всюду выпуклой поверхности применением пуансона из гибких элементов позволяет устранись некоторые виды повреждений, изначально имеющиеся в заготовке, а также формовать изделия из листовых материалов с ограниченными деформациями растяжения.

При формообразовании сжатием всюду выпуклой поверхности не исключается применение штыревых матрицы и пуансона, однако при этом пуансон должен быть управляем, как и матрица, с тем, чтобы сначала могла быть образована форма матрицы, а затем постепенным взаимодействием пуансона и заготовки, начиная с середины и заканчивая краями, формовалась поверхность заготовки.

Формование выпуклых поверхностей растяжением может быть достигнуто приложением усилий рабочих органов на всей площади заготовки одновременно, со скоростями перемещений рабочих органов, пропорциональными прогибам изделия [2] . Возможны и иные схемы формообразования растяжением, но в любом случае это достигается увеличенными усилиями со стороны рабочих органов. При тех же режимах деформирования, толщинах и кривизне при изгибе усилия существенно меньше.

Формование всюду выпуклых поверхностей, в особенности для изделий, прогибы которых больше основания, ограничивается устойчивостью штыревой оснастки.

Применение футляров позволяет увеличить устойчивость штыревой оснастки не только при непосредственном формовании всюду выпуклых поверхностей, но и выполнить формование с большими степенями вытяжки заданием на матрице замкнутых или спиральных двояковыпуклых поверхностей, и при симметрии усилий с обеих сторон сечения двояковыпуклой поверхности при одновременном или последовательном нагружении заготовки уменьшить максимальные нагрузки на футляры по сравнению с той же степенью вытяжки при формовании всюду выпуклой поверхности непосредственно.

Последующее задание на матрице всюду выпуклой поверхности, а на пуансоне - всюду вогнутой, в промежутках между которыми двояковыпуклые поверхности, полученные на заготовке ее растяжением, выворачивают затем в изделие с поверхностью всюду выпуклой, позволяет на конечном этапе уменьшить усилия на штыревой штамп в положении его минимальной устойчивости. Усилия разгибания двояковыпуклых поверхностей существенно меньше усилий растяжения, которые имеют место при непосредственном формовании всюду выпуклой поверхности.

Возможные повреждаемости материала при двойном деформировании устраняются, если двояковыпуклые поверхности выполняют с большей площадью, чем площадь всюду выпуклой поверхности, что позволяет получить сжатие материала, которым повреждаемости от выворачивания устраняются.

В простейшем случае получить сжатие можно заданием вдоль линии наибольшего ската всюду выпуклой поверхности соотношения
A>maxF,
где ,
f_i - прогибы двояковыпуклых поверхностей с одной стороны серединной плоскости;
l_j - прогибы тех же поверхностей с другой стороны серединной плоскости;
maxF - величина максимального прогиба всюду выпуклой поверхности изделия.

При различных формах сечения волновой поверхности площади материала, подвергающиеся осадке при сжатии кольцевых или спиральных недовывернутых участков при формовании всюду выпуклой поверхности, будут различны, хотя суммы А будут равными.

Более точно величину сжатия можно учесть, если площадь волновой поверхности задать больше площади всюду выпуклой непосредственно на некоторую величину:
S₁-S₂ = ΔS,
где S₁ - площадь волновой поверхности;
S₂ - площадь всюду выпуклой поверхности;
ΔS - требуемая площадь осадки недовывернутых поверхностей двойной кривизны.

Величина ΔS находится экспериментально либо испытаниями изделия, либо образцов из него при одноосном нагружении.

Таким образом, формование с большой степенью вытяжки материала, в частности для изделий, подобных изделиям, формуемым на обтяжных прессах, но при повышенной температуре, может быть получено на штыревой оснастке, формующие стержни которой снабжены полыми футлярами.

Предлагаемое изобретение расширяет возможности применения штыревой оснастки для изготовления оболочек как из материалов, имеющих повышенные деформации растяжения, так и из материалов, деформации, растяжения которых ограничены.

Более того, штыревой оснастке, снабженной футлярами, присущ еще один новый эффект - формование изделий, содержащих участки, где оси рабочих органов и линии наибольшего ската имеют пересечения под углами, близкими к π/2.

Источники информации
1. Научно-технический сборник "Вопросы авиационной науки и техники", серия: Авиационная технология, вып. 2(5), 1988 г., М., НИАТ, стр.57-60 К вопросу об автоматизации формообразования монолитных панелей в режиме ползучести. Е.Ф. Каримова, И.А. Шарипов, Б.В. Горев, В.П.Зиньковский.

2. Авт. свид. СССР от 1 декабря 1984 г., 1147471, В 21 D11/20, Соснин О. В., Шубин И.А., Горев Б.В., Раевская Г.А.

Изобретение относится к обработке металлов давлением и может быть использовано при изготовлении штыревой оснастки для формования оболочек из листовых материалов. Устройство содержит камеру формообразования и рабочие органы в виде формующих стержней. На концах формующих стержней расположены полые футляры, контактирующие друг с другом. Крайние футляры, расположенные по периферии камеры формообразования, контактируют со стенками камеры. Устройство снабжено поясами для восприятия боковых усилий, передаваемых на стенки камеры формообразования от крайних футляров. В устройстве имеются управляемые средства перемещения рабочих органов, включающие приспособления для задания программы перемещения формующих стержней в зависимости от текущих координат промежуточных поверхностей формуемой заготовки и координат конечной поверхности изделия, отсчитываемых вдоль осей рабочих органов. Футляры могут быть выполнены в виде концентрично расположенных колец, связанных с группами стержней. В результате обеспечивается расширение технологических возможностей устройства. 1 з.п.ф-лы.

1. Формообразующее устройство, содержащее камеру формообразования, рабочие органы в виде формующих стержней и управляемые средства перемещения рабочих органов, включающие приспособления для задания программы перемещения формующих стержней в зависимости от текущих координат промежуточных поверхностей формообразуемой заготовки и координат конечной поверхности изделия, отсчитываемых вдоль осей рабочих органов, отличающееся тем, что оно снабжено полыми футлярами, размещенными на концах формующих стержней в контакте друг с другом, и связанными со стенками камеры формообразования непосредственно или через промежуточные элементы поясами для восприятия боковых усилий, передаваемых на стенки упомянутой камеры от крайних полых футляров, которые расположены по периферии камеры формообразования в контакте с ее стенками, при этом каждый полый футляр расположен на конце одного формующего стержня или на концах группы формующих стержней. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что при формообразовании изделий с выпуклой поверхностью приспособления для задания программы перемещения формующих стержней выполнены из условия обеспечения образования на заготовке волновой поверхности типа колец или спирали с центром в точке максимального прогиба выпуклой поверхности изделия и последующего ее выворачивания с получением выпуклой поверхности, при этом площадь упомянутой волновой поверхности превышает площадь выпуклой поверхности изделия на величину осадки материала.