ШТАМП ДЛЯ ГЛУБОКОЙ ВЫТЯЖКИ ОСЕСИММЕТРИЧНЫХ ДЕТАЛЕЙ Российский патент 2013 года по МПК B21D22/20 

Изобретение относится к области обработки металлов давлением и может быть использовано во всех отраслях машиностроения для глубокой вытяжки деталей из листовых материалов.

Известно устройство для вытяжки тонколистового материала с прижимом в виде тарельчатой пружины, образующей угол наклона к горизонтальной поверхности фланца, который обеспечивает контролируемое образование гофров на фланце заготовки в процессе вытяжки с последующим их разглаживанием при воздействии усилия, передаваемого упорами в виде роликов от рабочего органа пресса [Патент №2255828, МПК⁷ B21D 22/22, 24/04. Опубл. 10.07.2005].

К недостаткам данного устройства можно отнести следующее: конструкция устройства сложна в изготовлении и малопроизводительна, применение устройства ограничено толщиной штампуемой заготовки $$\frac{s}{D}100\%\ge \left(\mathrm{1,0}-\mathrm{1,5}\right)$$ , используется для высокопластичных материалов.

Известен штамп для глубокой вытяжки цилиндрических деталей [Патент №2072271, МПК⁶ B21D 22/20. Опубл. 27.01.1997]. Конструкция данного штампа содержит упругие кольца в матрице.

К недостаткам данного штампа можно отнести следующее: для него необходимо специально энергоемкое прессовое оборудование, процесс штамповки сопровождается заливкой жидкости в полость матрицы, удаление жидкости с детали является трудоемким.

Наиболее близким техническим решением является штамп с использованием упругого прижима [А.с. 1400723, СССР, МКИ⁴ B21D 22/22, 24/04. Опубл. 07.06.1988]. Штамп содержит пуансон, матрицу, прижим, выполненный в виде кольцевого упора, упругого прижимного кольца, смонтированных в обойме. Штамп используется при небольшой разнотолщинности, для относительно гонких заготовок. Прижим выполнен в виде смонтированных в обойме упругого металлического прижимного кольца с переменной по радиусу толщиной и размещенного соосно и в контакте с ним кольцевого упора. Такую форму прижима неудобно использовать при конструировании штампа, достаточно трудно изготовить кольцо с переменной толщиной с необходимой точностью.

Поставлена задача разработать такой штамп, который позволит улучшить качество поверхности для тонкостенных деталей, снизить гофрообразование фланца. Конструкция устройства должна быть проста в изготовлении.

Задача достигается за счет того, что в штампе для глубокой вытяжки осесимметричных деталей, содержащем соосно установленные пуансон, прижим и матрицу. При этом штамп содержит неподвижное опорное кольцо, а матрица и прижим выполнены в виде упругих металлических колец постоянной высоты.

На фигуре 1 представлена схема вытяжки.

На фигуре 2 представлена схема нагружения упругого прижима.

На фигуре 3 представлена схема нагружения упругой матрицы.

Штамп состоит из пуансона 1 с упругими элементами прижимом 2 и матрицей 3, опорного кольца 4, упругого прижимного кольца 5.

В процессе вытяжки опорное кольцо 4 неподвижно. Неравномерное изменение толщины фланца заготовки 6 при глубокой вытяжке тонколистового материала возможно учесть в штампе с упругими прижимом 2 и матрицей 3. Заготовку 6 устанавливаю'!' на упругую матрицу 3. К заготовке 6 подводят прижим 2 с упругим прижимным кольцом 5. Вытяжка осуществляется с помощью пуансона 1. Фланец заготовки 6 во время вытяжки прижат упругим кольцом 5, на которое передается усилие прижима 2. Усилие прижима 2 равномерно распределяется по всей поверхности фланца заготовки 6.

Прижим 2 и матрица 3 имеют форму колец. В процессе вытяжки фланец заготовки 6 перемещается между упругим прижимом 2 и рабочей поверхностью упругой матрицы 3. В результате неравномерности деформаций в процессе вытяжки угол естественного утолщения фланца заготовки 6 постоянно меняется. Упруго деформируясь, прижим 2 и матрица 3 меняют угол между рабочей поверхностью матрицы 3 и рабочей поверхностью прижима 2, повторяя угол заготовки 6. При этом давление прижима 2 и матрицы 3 равномерно распределяется по поверхности фланца. Усилие на прижим 2 передается через прижимное кольцо 5, расположенное по внешнему радиусу прижима 2. В процессе вытяжки под действием усилия прижим 2 и матрица 3 будут упруго деформироваться. Величина этого упругого перемещения ограничена упругими свойствами материала оснастки, которые должны превышать Δs_max максимальную величину разнотолщинности на фланце.

Внутренний и внешний радиусы прижима 2 и матрицы 3 определяются исходя из геометрических размеров детали.

Под действием усилия прижим 2 и матрица 3 должны прогнуться на величину Δs_max, а после снятия нагрузки принять начальную форму.

Условие пластичности по максимальным касательным напряжениям имеет вид:

σ_θ=σ_ρ-σ_0,2,

где σ_θ - окружные напряжения;

σ_p - меридиональные напряжения;

σ_0,2 - предел текучести.

Радиус независимой переменной изменяется в пределах:

r_д≤ρ≤R_H,

где r_д - радиус детали;

R_H, ρ - радиусы соответственно кромки заготовки и рассматриваемого элемента заготовки.

Разнотолщинность определяется по формуле:

Δs=s_max-s_min,

где s_max и s_min - максимальная и минимальная толщины детали.

В процессе вытяжки под действием усилия Q прижим прогибается, опираясь при этом на наружный край заготовки. На прижим действуют: поперечная сила Q (усилие прижима) и сила от опоры Р. Поперечные сечения прижима в плоскости поворачиваются, прижим осесимметрично изгибается и растягивается.

Опираясь на край заготовки, матрица прогибается, при этом на матрицу действуют: сила Q и сила от опоры Р. Поперечные сечения матрицы поворачиваются в плоскости, и матрица изгибается.

Угол поворота определяется из формулы:

$$tg\vartheta =\frac{\Delta S_{\max }}{r_2-r_1}$$ ,

где Δs_max - максимальная разнотолщинность на фланце,

r₁, r₂ - внутренний и наружный радиусы матрицы и прижима.

Так как угол поворота мал, то tgϑ=ϑ.

Максимальная стадия разнотолщинности на фланце определяется по формуле:

Δs_max=s_кромки-s_{матрицы},

где s_кромки - толщина кромки,

s_{матрицы} - толщина матрицы.

Толщина кромки определяется по формуле:

$$s_{кромки}=s\sqrt{\frac{R_{заг}}{R_{фланца}}}$$

где s - толщина заготовки,

R_заг. - радиус заготовки,

R_фланца - радиус фланца.

Толщина матрицы определяется по формуле:

$$s_{матрицы}=s\sqrt{\frac{R_{заг}}{R_{матрицы}}}$$

где s - толщина заготовки,

R_заг. - радиус заготовки,

R_{матрицы} - радиус матрицы.

Усилие прижима определяется по формуле:

$$q=\frac{Q}{\pi \left(R_i^2-{\rho }^2\right)}$$

где Q - полное усилие прижима,

R_i - радиус кромки заготовки,

ρ - радиус рассматриваемого элемента заготовки.

Полное усилие упругого прижима равно:

$$Q_0=\frac{1}{c}{\omega }_0\left[-\frac{4{\pi }^{2}l}{4a_{к}^{2}b}\left({\sigma }_{\theta ср}s{b}^2{N}_{к}+\frac{4}{3}{\pi }^2{E}_{p}J{M}_{к}\right)\right]$$

где s - толщина заготовки,

$$E_p=\frac{{\sigma }_i}{{\epsilon }_i}$$ - модуль пластичности изотропного материала,

- момент инерции,

$$s\text{'}=\frac{s}{2R_{з}}$$ - относительная толщина листовой заготовки,

a_к, b - размеры критического элемента фланца, на котором образуются гофры,

N_k и M_k - константы потери устойчивости.

ω₀ - величина перемещения от дополнительных усилий выпрямления волны,

с - константа упрочнения материала заготовки.

Величина r находится из формулы:

$$g=\frac{D\vartheta }{r^3}$$

где D - изгибная жесткость пластины, определяемая по формуле:

$$D=\frac{E\cdot h^3}{12\left(1-{\mu }^2\right)}$$ ,

где Е - модуль упругости,

h - высота пластины,

µ - коэффициент Пуассона.

ϑ - угол поворота,

g - интенсивность поверхностной нагрузки.

Интенсивность поверхностной нагрузки при определении высоты матрицы имеет вид:

$$g=\frac{E{h}^3\cdot \Delta s_{\max }}{9r^3\left(r_1-r_2\right)\left(1-{\mu }^2\right)}$$

где Е - модуль упругости,

h - высота матрицы,

Δs_max - максимальная разнотолщинность на фланце заготовки,

r - переменный радиус, изменяется от r₁ до r₂,

r₁, r₂ - внутренний и наружный радиусы матрицы и прижима,

µ - коэффициент Пуассона.

Тогда высоты прижима и матрицы определяются по формулам:

$$h_{прижима}=\sqrt[3]{=\frac{g\cdot 12r^3\left(r_1-r_2\right)\left(1-{\mu }^2\right)}{E\Delta s_{\max }}}$$

$$h_{матрицы}=\sqrt[3]{=\frac{g\cdot 9r^3\left(r_1-r_2\right)\left(1-{\mu }^2\right)}{E\Delta s_{\max }}}$$

где g - интенсивность поверхностной нагрузки,

r - переменный радиус, изменяется от r₁ до r₂,

r₁, r₂ - внутренний и наружный радиусы матрицы и прижима,

µ - коэффициент Пуассона,

Е - модуль упругости,

Δs_max - максимальная разнотолщинность на фланце заготовки.

Величина r находится из формулы:

$$g=\frac{D\vartheta }{r^3}$$

где D - изгибная жесткость пластины, определяемая по формуле:

$$D=\frac{E\cdot h^3}{12\left(1-{\mu }^2\right)}$$

где Е - модуль упругости,

h - высота пластины,

µ - коэффициент Пуассона.

ϑ - угол поворота,

g - интенсивность поверхностной нагрузки.

Сопоставимый анализ заявляемого решения с прототипом показывает, что штамп для глубокой вытяжки осесимметричных деталей, имеющий упругие прижим и матрицу, позволяет улучшить качество поверхности детали, снизить гофрообразование фланца. Конструкция устройства проста в изготовлении, высоты прижима и матрицы постоянны. Применяется в случае, когда разнотолщинность ΔS>35%.

Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию изобретения «новизна».

Заявляемое устройство реализуется на кривошипных прессах с буферным устройством и кривошипных прессах двойного действия.

Штамп для глубокой вытяжки осесимметричных деталей применяется, когда разнотолщинность фланца больше упругого перемещения прижима.

Использование штампа с упругими прижимом и матрицей для глубокой вытяжки осесимметричных деталей позволяет получать тонкостенные заготовки S/D_заг<0,01, улучшать качество поверхности детали, увеличивать коэффициент вытяжки на 15-20%, снижать усилие прижима, необходимое для ликвидации гофрообразования фланца заготовки.

Штамп с упругими прижимом и матрицей для глубокой вытяжки осесимметричных деталей дает возможность для тонкостенных деталей с S/D>35% использовать коэффициенты вытяжки на 10-20% больше. Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию «изобретательский уровень».

Изобретение может быть использовано в машиностроении при обработке металлов давлением. Вытяжку листовой заготовки производят с упругими прижимом и матрицей, прилегающими по всей поверхности фланца в течение всего процесса. Прижим и матрица выполнены в виде металлических колец, которые обеспечивают упругие перемещения, позволяющие прижать фланец заготовки с необходимым давлением по всей его поверхности. При этом матрица установлена на неподвижное опорное кольцо. Повышается качество поверхности изделия, его точность, устраняется интенсивное гофрообразоваиие фланца, снижается усилие прижима, повышается предельный коэффициент вытяжки. 3 ил.

Штамп для глубокой вытяжки осесимметричных деталей, содержащий соосно установленные пуансон, прижим и матрицу, отличающийся тем, что он снабжен неподвижным опорным кольцом, а матрица и прижим выполнены в виде упругих металлических колец постоянной высоты.