СПОСОБ НАГРЕВА ИНСТРУМЕНТОВ ШТАМПОВОЧНЫХ МАШИН И ШТАМПОВОЧНЫХ ИНСТРУМЕНТОВ И СЪЕМНЫЙ ПЕЧНОЙ ЭЛЕМЕНТ ДЛЯ НАГРЕВА ТАКИХ ИНСТРУМЕНТОВ Российский патент 2010 года по МПК B21K29/00 B21J1/06 B30B15/34 

Настоящее изобретение касается области штамповки с использованием штамповочных машин прессового типа, таких как гидравлические прессы.

Так как производительность авиационных турбомашин увеличивается, детали, из которых они выполнены, должны иметь улучшенные механические характеристики. В особенности это означает предотвращение появления поверхностных трещин или других дефектов в теле. Таким образом, для авиационных вариантов применений увеличилось использование титановых сплавов, чтобы удовлетворить как требованиям снижения массы, так и достижению наилучшего компромисса между механическими характеристиками и характеристикой в эксплуатации при увеличении производительности.

С этой целью штамповочные технологии также развиваются. В настоящее время используется инструмент, который предварительно нагревается, чтобы обеспечить лучшее распределение температуры в детали в течение операции штамповки.

Также можно использовать технологию изотермической штамповки, при которой деталь и инструмент доводятся до одинаковой температуры, но это трудно и дорого для осуществления.

Кроме того, можно использовать обычные штамповочные машины с инструментом типа «горячего штампа» или «горячей матрицы».

Изобретение относится в частности к этой последней технологии.

Тем не менее температура стального инструмента не может превышать 450-500°С из-за термомеханических ограничений материала.

Чтобы иметь возможность увеличить температуру штамповки без необходимости использования технологии изотермической штамповки, необходимо использовать высокопрочные сплавы, такие как супер-сплавы на основе никеля. Это дает возможность нагреть инструмент до 750°С.

Простейшей конструкцией была бы конструкция с использованием моноблочного инструмента. Тем не менее стоимость ее была бы высокой, и осуществимость затруднялась бы объемом материала сплава, который должен обрабатываться.

Это привело к созданию биметаллических инструментов. Активная деталь, имеется в виду высеченный штамп, выполнена из жаропрочного сплава на основе никеля. Она установлена в съемную форму и закреплена в стальной опоре, называемой держателем вставки. Функция последнего - распределять силы, передаваемые прессом и сохранять тепло.

Для осуществления этой технологии два элемента, составляющие этот инструмент, нагреваются отдельно в печах, которые нагреты до 450-500°С и 750°С соответственно. Штамп размещен в держателе вставки и его положение регулируется посредством соответствующих удерживающих зажимов или ключей, и узел затем переносится в машину, где закрепляется на установочных плитах. Эти операции выполняются для обоих инструментов - верхнего и нижнего.

Способ, описанный выше, имеет несколько недостатков:

- Необходимо разместить две печи вне штамповочной машины.

- Перенос и сборка горячих деталей приводит к увеличению количества ситуаций опасных для исполнителя.

- Сборка горячих деталей требует значительного зазора между двумя элементами, который несовместим с производительной операцией.

- Существует недостаток гибкости, когда происходит производственное происшествие, требующее отключения, так как тогда необходимо извлечь инструменты для повторного нагрева.

Чтобы снизить количество перемещений, также можно выполнить нагрев инструментов посредством детали, известной как «martyr». Тем не менее эффективность нагрева очень посредственная. Нет управления температурой. Всегда необходимо иметь две печи, одна из которых находится при высокой температуре для детали «martyr» порядка 1000°С.

Другой способ может включать нагрев инструментов на своем месте посредством сильной струи газа, но испытания показали, что эффективность нагрева в том случае посредственная, как и раньше, при низкой производительности.

Заявитель установил цель развития процесса для нагрева инструментов штамповочных машин или прессов, который исправит недостатки, перечисленные выше.

Согласно изобретению способ нагрева инструмента штамповочной машины, включающего держатель вставки и вставку, имеющую одну свободную поверхность, несущую штамповочный ручей, при подготовке для штамповочной операции в упомянутой штамповочной машине, отличается тем, что держатель вставки включает в себя печной элемент, который состоит по меньшей мере из одной горелки и одного газохода для удаления газов, формирующий вместе с упомянутой поверхностью вставки закрытую камеру нагрева, при этом упомянутая камера нагревается до тех пор, пока вставка не достигнет заданной температуры, при которой печной элемент удаляется. Предпочтительно упомянутая камера нагревается горением горючей среды внутри последней.

В частности, задача съемного печного элемента - перегревать вставку относительно вставного держателя. Предпочтительно узел вставки и держателя вставки сначала нагревается в печи до первой температуры, которая меньше, чем упомянутая заданная температура.

Решение согласно изобретению имеет следующие преимущества:

- Операции горячей сборки вставки с держателем вставки исключены, как и операции горячей обработки, с сопутствующими им рисками.

- Время отключения прессовой машины уменьшено.

- Формированием камеры нагрева в непосредственной близости от вставки можно обеспечить ровный нагрев детали, с возможностью регулирования мощности нагрева и увеличения температуры с высокой точностью.

- В случае производственного происшествия и отключения прессовой операции нет необходимости извлечения инструмента для повторного нагрева. Также возможно начать снова без затруднения.

В частности процесс пригоден для любого типа и геометрии инструмента.

Согласно другому варианту штамповочная машина включает в себя два инструмента, каждый с держателем вставки и вставкой, при этом применяется печной элемент в форме цилиндрического кольца. Этот элемент расположен напротив и между обоих держателей вставок, так чтобы составить упомянутую камеру нагрева.

При выполнении инструмента в виде глубокой полости, например сосуд выдавливания, применяется печной элемент в форме колокола с нижней стенкой. Этот элемент размещен на инструменте, чтобы составить упомянутую камеру нагрева.

Согласно особенно предпочтительному варианту реализации применения способа преимущество достигается тем, что материалы, составляющие вставку и держатель вставки, имеют различные коэффициенты расширения. Вставка, в частности, является супер-сплавом никеля, а держатель вставки выполнен из стали. Вставка установлена в держатель вставки так, что он имеет отрицательный зазор, посредством чего обеспечивается устойчивость, когда вставка доводится до упомянутой заданной температуры, пока еще будучи съемной, и когда она возвращается к температуре, которая ниже первой температуры, в частности к температуре окружающей среды.

Преимущества этого особенного решения следующие:

относительно инструментов, использующих ключи, чтобы закрыть штамп во вставном держателе,

- прочность улучшена,

- отклонение геометрических размеров уменьшено удалением зазора,

- качество и геометрия штампованных деталей улучшена, так как вставка крепко держится в держателе вставки, и последним воспринимаются силы.

Это также позволяет сохранять геометрию вставки, когда имеются какие-либо поверхностные трещины. Безопасность и срок службы вставки увеличены. Наконец, это позволяет снизить производственные затраты посредством снижения количества требуемого супер-сплава.

Изобретение также охватывает съемный печной элемент для выполнения процесса. Согласно одному варианту он включает в себя металлическую стенку, покрытую изнутри изоляционным слоем, и по меньшей мере одну горелку. Предпочтительно горелка ориентирована тангенциально так, чтобы создавать вихреобразный поток вдоль стенки. Этот элемент преимущественно включает средство для удаления газов сгорания.

Печной элемент предпочтительно формирует часть съемного узла нагрева, содержащего средство подачи с горючей средой и устройство для регулирования мощности и времени нагрева.

Другие характеристики и преимущества приведены в дальнейшем описании одного варианта осуществления изобретения со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

фиг.1 - вид в сечении, в вертикальном изображении, установки для нагрева согласно первому варианту осуществления изобретения,

фиг.2 - показывает печной элемент по фиг.1 сверху,

фиг.3 - показывает установку для второго варианта осуществления изобретения.

Штампованная деталь производится помещением заготовки между двумя штампами или матрицами, каждый из которых несет соответствующий ручей, и затем эти два штампа движутся друг к другу с достаточным давлением, чтобы деформировать заготовку так, чтобы получить деталь, чья геометрия соответствует геометрии ручьев.

На фиг.1 изображены два штампа 1 и 2, каждый с ручьем для производства детали, в частности диска ротора для авиационной турбомашины, из титанового сплава. Оба штампа или вставки установлены на держателях 11 и 13 вставок соответственно. Два держателя вставок могут быть выполнены сборкой нескольких деталей, здесь 11а и 11b для одного, и 13a и 13b для другого, или могут каждый быть одной деталью. Узел, состоящий из вставки 1 и держателя 11 вставки, составляет нижний инструмент 1,11. Узел, состоящий из вставки 3 и держателя 13 вставки, составляет верхний инструмент 3, 13. Для штамповочной операции оба инструмента установлены в машину или штамповочный пресс, который не показан. По сути эта технология хорошо известна. Фактически для целей изобретения подходит любая штамповочная машина прессового типа.

Установка согласно фиг.1 включает в себя съемный печной элемент 20, размещенный между двумя инструментами так, чтобы составить закрытую камеру. Эта камера ограничена латерально стенкой элемента 20 и поперечно обеими вставками 1 и 3. Можно увидеть, что элемент 20 опирается вертикально на вертикальные стенки обоих держателей 11 и 13 вставок соответственно, так что последние находятся вне камеры.

Стенка печного элемента включает в себя отверстие, через которое горелка проходит в камеру. Горелка снабжается горючей средой посредством гибких шлангов 31 и 32, присоединенных к блоку подачи 38, который выполнен подвижным. Этот блок включает устройство 33 управления средой и устройство 34 для наблюдения за процессом подачи, чтобы регулировать мощность нагрева, возможно также наличие средства регулирования температуры. В качестве примера, клапан подачи среды для горения может управляться регулятором температуры. Это вызывает нагрев камеры предпочтительно как можно быстрее, так чтобы снизить потери тепла через стенку держателя вставки.

На фиг.2 изображен элемент 20, изолированный и показанный сверху. Этот элемент включает металлическую стенку 21, покрытую изнутри изоляционным материалом 22. Нерадиальное отверстие 24 выполнено в стенке и в изоляции. Горелка 30 установлена в стенке 21 и проходит через это отверстие.

Второе отверстие проходит через стенку 21 и соединяется с газоходом для удаления газов сгорания. Наконец, можно увидеть, что прилив 25 приварен к стенке 21 и формирует точку сцепления для перемещения печного элемента.

Нагрев элемента выполняется следующим способом:

- верхний и нижний инструменты удаляют из пресса.

- инструменты - узел вставки и держатель вставки - нагревают в печи до упомянутой первой температуры. Если держатель вставки выполнен из стали, эта температура находится между 450 и 500°С. Это температура, которую может выдержать держатель вставки без повреждения,

- оба инструмента затем возвращаются в пресс, прикрепляя к их соответствующим установочным местам,

- съемный печной элемент 20 помещают на нижний держатель вставки. Геометрия элемента 20 совместима с геометрией инструмента,

- верхнюю пластину опускают до тех пор, пока верхний инструмент не достигнет положения согласно фиг.1. Верхняя кромка стенки печного элемента при этом находится в контакте с вертикальной частью держателя 13 вставки. Закрытая камера таким образом создана. Эта камера ограничена, во-первых, стенкой печного элемента и, во-вторых, двумя вставками,

- в горелку затем подают горючую среду, газ или воздух. Пламя производится вихреобразным, и это приводит в ровному распределению температуры. Добиваются, чтобы температура увеличивалась быстро, чтобы снизить потери тепла держателей вставок,

- когда для супер-сплавов достигается температура 750°С, нагрев прекращают и печной элемент удаляют,

- после этого пресс готов для осуществления штамповки деталей.

Согласно одному особенно преимущественному варианту выполнения вставки 1 и 3 выполняют с размером относительно расположения в их соответствующих держателях вставок так, чтобы имелась небольшая величина зазора при температуре окружающей среды. Этот зазор позволяет вставлять и легко удалять вставки.

Это зазор предпочтительно подбирается так, чтобы быть выбранным, когда инструменты вынимают из печи при первой температуре между 450 и 500°С.

Тогда, когда вставки перегреты с использованием вышеописанного способа, они продолжают расширяться и тогда крепко держаться в держателе вставки. Считается, что зазор становится отрицательным. Эти детали формируют узел, который сильно сопротивляется давлению, которому они подвергаются в течение штамповки деталей.

Изобретение не ограничено только что описанным вариантом применения.

На фиг.3 изображен схематично один вариант применения способа согласно изобретению для перегрева вставки с глубоко выгравированным ручьем. Это мог бы быть сосуд выдавливания.

Инструмент 200 составлен из держателя 210 вставки, из стали, например, в форме цилиндрического контейнера с дном, содержащим вставку 201 из супер-сплава. Вставка 201 покрывает внутреннюю стенку контейнера. Форма выбрана так, чтобы позволить введение нагнетательного пуансона вертикально в контейнер для выдавливания металла, расположенного на дне контейнера.

В течение операции нагрева контейнер не содержит ни пуансон, ни деталь.

Чтобы осуществить нагрев вставки 201, съемный печной элемент 120 в форме колокола располагается так, чтобы он лежал на кромке держателя 210 вставки. Элемент 120 состоит из цилиндрической металлической стенки 121, которая покрыта изоляцией 122 и поперечной торцевой стенки 123. Диаметр определен диаметром держателя вставки. На этой стенке 123 показана горелка 130 с ее шлангами подачи горючей среды. Горелка 130 проходит ко дну контейнера посредством трубы 131 таким образом, чтобы горение происходило как можно ближе ко дну вставки. Стрелки указывают циркуляцию горячих газов сгорания вдоль внутренней поверхности вставки. Эти газы тогда выходят через газоход 127, прикрепленный к стенке 121.

Если желательно перегреть вставку из супер-сплава относительно держателя 210 вставки, печной элемент 120 помещается в контейнер 220 так, чтобы составить закрытую камеру, сформированную, во-первых, вставкой 201 и, во-вторых, внутренней областью колокола 120. Горение создается в камере так, чтобы нагреть вставку и поднять ее до желаемой температуры. Когда температура достигнута, колокол 120 удаляется и штамповочная операция может быть осуществлена.

Изобретение относится к обработке давлением и может быть использовано при штамповке на штамповочных машинах прессового типа, в частности на гидравлических прессах. При подготовке к штамповочной операции на штамповочной машине нагревают инструмент, содержащий держатель вставки и вставку. Вставка имеет одну свободную поверхность, несущую штамповочный ручей. Держатель вставки содержит съемный печной элемент, имеющий по меньшей мере одну горелку и один газоход для удаления газов. Печной элемент образует с поверхностью вставки закрытую камеру нагрева. Упомянутую камеру нагревают до достижения заданной температуры вставки. После этого печной элемент удаляют. В результате обеспечивается снижение производственных затрат и повышение эффективости нагрева. 3 н. и 8 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ нагрева инструмента штамповочной машины, включающего держатель вставки и вставку, имеющую одну свободную поверхность, несущую штамповочный ручей, при подготовке к штамповочной операции в упомянутой штамповочной машине, отличающийся тем, что держатель вставки содержит съемный печной элемент, который имеет по меньшей мере одну горелку и один газоход для удаления газов и формирует вместе с упомянутой свободной поверхностью вставки закрытую камеру нагрева, причем упомянутую камеру нагревают до тех пор, пока вставка не достигнет заданной температуры, после чего печной элемент удаляют.

2. Способ по п.1, в котором упомянутую камеру нагревают путем сжигания горючей среды внутри последней.

3. Способ по п.1, в котором узел, состоящий из держателя вставки и вставки, нагревают заранее в печи до первой температуры, которая ниже, чем упомянутая заданная температура.

4. Способ по любому из пп.1-3, в котором нагревают инструмент машины, который является сосудом выдавливания, используют печной элемент, выполненный в форме колокола с нижней стенкой, который располагают на сосуде выдавливания с образованием камеры нагрева.

5. Способ по п.1, в котором вставка и держатель вставки выполнены из материалов, которые имеют различные коэффициенты расширения, и расположены относительно друг друга с получением отрицательного зазора при нахождении вставки при упомянутой заданной температуре и с обеспечением ее съемности при нахождении при температуре ниже указанной температуры, в частности при температуре окружающей среды.

6. Съемный нагревательный узел для нагрева инструмента штамповочной машины способом по п.1, содержащий съемный печной элемент, средство подачи горючей среды и средство регулирования мощности и времени нагрева.

7. Съемный печной элемент для съемного нагревательного узла по п.6, содержащий металлическую стенку, покрытую изнутри изоляционным слоем, по меньшей мере одну горелку и средство удаления газов сгорания.

8. Печной элемент по п.7, в котором горелка ориентирована тангенциально с обеспечением создания вихреобразного потока вдоль металлической стенки.

9. Печной элемент по п.7 или 8, который имеет кольцевую форму.

10. Печной элемент по п.7 или 8, который выполнен в форме колокола.

11. Печной элемент по п.7 или 8, который предназначен для штамповочной машины, включающей два инструмента, каждый из которых имеет держатель вставки и вставку с одной свободной поверхностью, несущей штамповочный ручей, при этом печной элемент выполнен цилиндрической формы с возможностью размещения между двумя держателями вставок и напротив них для формирования камеры нагрева с упомянутыми поверхностями обеих вставок.