ШТАМП С ГОРИЗОНТАЛЬНЫМ РАЗЪЕМОМ МАТРИЦ ДЛЯ ШТАМПОВКИ ПОКОВОК ТИПА КРЕСТОВИН Российский патент 2015 года по МПК B21J13/02 B21K1/76 

Изобретение относится к области обработки металлов давлением и может быть использовано при штамповке поковок сложной формы типа крестовин.

Известен штамп с горизонтальным разъемом матриц для штамповки поковок типа крестовин, содержащий верхнюю плиту с установленными на ней пуансоном и упругим элементом, выполненным в виде блоков пружин различной жесткости, промежуточную и нижнюю плиты, на которых смонтированы соответственно верхняя и нижняя матрицы, образующие замкнутую полость штампа путем сопряжения поверхностей разъема, а также опирающийся на траверсу выталкиватель, размещенный в нижней матрице. Зажим матриц упругим элементом, выполненным в виде блоков пружин различной жесткости, позволяет надежно сжать матрицы и тем самым повысить качество поковок (Соколов Н.Л. Горячая штамповка выдавливанием стальных деталей / Н.Л. Соколов. - М.: Машиностроение, 1967, с.141-143, рис.96).

Основным недостатком известного штампа с горизонтальным разъемом матриц для штамповки поковок типа крестовин является невысокое качество получаемых поковок, обусловленное образованием заусенца в плоскости разъема матриц, так как использование упругого элемента для зажима матриц не обеспечивает плотного их сжатия на протяжении всего процесса формирования поковки, поскольку усилие зажима матриц не согласовано с раскрывающими усилиями, воспринимаемыми матрицами со стороны деформируемого металла в процессе штамповки.

Известен штамп с горизонтальным разъемом матриц для штамповки поковок типа крестовин, содержащий верхнюю плиту с установленным на ней пуансоном, нижнюю плиту, на которой смонтирована нижняя матрица, траверсу, размещенную в нижней плите, верхнюю матрицу, связанную с траверсой тягами, имеющую равновеликие с нижней матрицей центральные и периферийные участки поверхностей разъема и возможность перемещения относительно нижней матрицы с образованием сопрягаемыми участками поверхностей разъема обеих матриц замкнутой полости штампа, а также выталкиватель, размещенный в нижней матрице и опирающийся через подпружиненный толкатель на траверсу. Зажим матриц, осуществляемый посредством усилия формирования поковки, снимаемого с выталкивателя в процессе штамповки с приложением его к верхней матрице в направлении действия пуансона, позволяет создать саморегулируемую замкнутую силовую систему, обеспечивающую надежное сжатие матриц (патент RU 2399456, МПК, B21K 1/76). Это техническое решение является наиболее близким по совокупности существенных признаков и выбрано в качестве прототипа.

Основным недостатком описанного штампа с горизонтальным разъемом матриц для штамповки поковок типа крестовин является то, что сжатие матриц осуществляют по всей площади их центральных и периферийных участков поверхностей разъема. Однако при наличии неизбежных после шлифования поверхностей разъема макронеровностей и волнистости (Гжиров Р.И. Краткий справочник конструктора / Р.И. Гжиров. - Л.: Машиностроение, Ленинградское отделение, 1983, с.124, 158, 160, 164), зажим матриц по всей площади их центральных и периферийных участков поверхностей разъема делает невозможным плотное сопряжение матриц по всему контуру поковки в плоскости разъема матриц. В результате локального выхода штампуемого металла в разъем матриц с образованием заусенца снижается качество поковок.

В основу изобретения поставлена задача повышения качества поковок типа крестовин.

Для решения поставленной задачи в штампе с горизонтальным разъемом матриц для штамповки поковок типа крестовин, содержащем верхнюю плиту с установленным на ней пуансоном, нижнюю плиту, на которой смонтирована нижняя матрица, траверсу, размещенную в нижней плите, верхнюю матрицу, связанную с траверсой тягами, имеющую равновеликие с нижней матрицей центральные и периферийные участки поверхностей разъема и возможность перемещения относительно нижней матрицы с образованием сопрягаемыми участками поверхностей разъема обеих матриц замкнутой полости штампа, а также выталкиватель, размещенный в нижней матрице и опирающийся через подпружиненный толкатель на траверсу, согласно изобретению периферийные участки поверхностей разъема нижней и верхней матриц выполнены с уклонами в тело матриц в стороны их боковых поверхностей, а площади сопрягаемых центральных участков поверхностей разъема нижней и верхней матриц определяются из соотношения:

$$F_c={Р}_{з}/{\sigma }_{у},(1)$$

где F_c - площадь сопрягаемого центрального участка поверхности разъема матрицы;

P_з - усилие зажима матриц;

σ_у - предел упругости материала матриц.

Кроме того, в предложенном техническом решении тяги размещены в сквозных прямолинейных пазах, выполненных в противолежащих боковых стенках матриц параллельно оси симметрии штампа.

Зажим матриц на центральных участках, которые непосредственно примыкают к контуру поковки в плоскости разъема матриц, позволяет сосредоточить усилие зажима вблизи контура поковки. В результате пластического деформирования макронеровностей и волнистости на этих участках поверхностей обеспечивается плотное сопряжение поверхностей вблизи контура поковки в плоскости разъема, что исключает выход штампуемого металла в заусенец. А размещение тяг, связывающих верхнюю матрицу с траверсой, в сквозных пазах, выполненных в противолежащих боковых стенках матриц параллельно оси симметрии штампа, позволяет обеспечить более точное совмещение матриц и дополнительно повысить качество поковок.

Предложенное изобретение поясняется чертежом, где на фиг.1 показано исходное положение штампа, на фиг.2 - положение штампа в момент завершения штамповки, на фиг.3 - положение штампа в момент удаления поковки.

Штамп с горизонтальным разъемом матриц для штамповки поковок типа крестовин содержит верхнюю плиту (на чертеже не показана) с установленным на ней пуансоном 1, нижнюю плиту 2, на которой смонтирована нижняя матрица 3. Под нижней матрицей 3 в пазу 4 нижней плиты 2 размещена траверса 5, жестко связанная штангами 6 и 7 с верхней плитой. На траверсе 5 установлен толкатель 8, на боковых сторонах которого выполнены скосы 9 и 10, а внутри толкателя 8 установлена опорная пружина 11 (фиг.1).

Связанная с траверсой 5 тягами 12 и 13 верхняя матрица 14 имеет равновеликие с нижней матрицей 3 центральные 15 и 16 и периферийные 17 и 18 участки поверхностей разъема 19 и 20 соответственно матриц 14 и 3 и возможность совместно с нижней матрицей 3 создавать замкнутую полость 21 штампа 22 (фиг.2) путем сопряжения центральных участков 15 и 16 поверхностей разъема 19 и 20 матриц 14 и 3. В нижней матрице 3 размещен выталкиватель 23, опирающийся на толкатель 8 в исходном положении штампа 22 (фиг.1) и в момент удаления поковки 24 из нижней матрицы 3 (фиг.2 и 3) и на кулачки 25 и 26 тяг 12 и 13 в момент получения поковки 24 (фиг.2). На выталкивателе 23 в верхней матрице 14 в исходном положении штампа 22 установлена заготовка 27 (фиг.1).

Периферийные участки 17 и 18 поверхностей разъема 19 и 20 соответственно матриц 14 и 3 выполнены с уклонами 28 и 29, а центральные участки 15 и 16, примыкающие к контуру 30 поковки 24, совмещены с плоскостью разъема 31 матриц 14 и 3 (фиг.2).

В противолежащих боковых стенках 32 и 33 матрицы 3, 34 и 35 матрицы 14 выполнены сквозные прямолинейные пазы 36 и 37 параллельно оси 38 симметрии штампа 22 (фиг.2).

Штамп с горизонтальным разъемом матриц для штамповки поковок типа крестовин работает следующим образом.

В исходном положении штампа 22 нагретую до ковочной температуры заготовку 27 устанавливают в матрице 14 на выталкивателе 23. Затем верхнюю плиту (на чертеже не показана) и связанные с ней пуансон 1 и траверсу 5 перемещают вниз. При этом кулачки 25 и 26 тяг 12 и 13 скользят по скосам 9 и 10 толкателя 8 и сближаются, а опорная пружина 11, разжимаясь, удерживает выталкиватель 23 в верхнем положении (фиг.1). Под действием собственного веса верхняя матрица 14, опускаясь вниз, смыкается с нижней матрицей 3, создавая замкнутую полость 21 штампа 22, а кулачки 25 и 26 тяг 12 и 13 заходят под выталкиватель 23 (фиг.2).

Далее посредством пуансона 1 формируется поковка 24. С момента начала формирования поковки 24 часть усилия штамповки передается на выталкиватель 23, затем на кулачки 25 и 26 и посредством тяг 12 и 13 на верхнюю матрицу 14. При этом тяги 12 и 13, размещенные в пазах 36 и 37 с минимальным зазором, обеспечивают точное совмещение обеих матриц 3 и 14, а зажим матриц 3 и 14 на центральных участках 15 и 16, примыкающих к контуру 30 поковки 24, обеспечивает плотное сопряжение поверхностей разъема 19 и 20 матриц 14 и 3 вблизи контура 30 поковки 24 (фиг.2).

После формирования поковки 24 верхняя плита с пуансоном 1 и траверсой 5 перемещается вверх. Посредством скосов 9 и 10 толкателя 8 кулачки 25 и 26 тяг 12 и 13 разводятся и выходят из контакта с выталкивателем 23, который, перемещаясь вверх под действием толкателя 8, удаляет поковку 24 из нижней матрицы 3. К этому моменту траверса 5, воздействуя на кулачки 25 и 26, посредством тяг 12 и 13 поднимает верхнюю матрицу 14, образуя зазор между матрицами 3 и 14, меньший высоты заготовки 27 (фиг.3).

Для удержания поковки 24 в нижней матрице 3 после штамповки штамповочные уклоны в этой матрице выполняют меньшими, чем в верхней матрице 14.

Пример. Отштампована опытная партия поковок 24 крестовины из стали 18X2H4BA. Диаметр ступицы D_c=42 мм; высота поковки 24 H_к=26 мм; диаметр отростка d₀=21 мм; длина отростка l₀=24 мм; диаметр заготовки 27 D₃=40 мм; высота заготовки 27 H₃=64 мм. Температура штамповки T=1100°C.

Расчет параметров процесса штамповки осуществляют в следующем порядке.

1. Определяют усилие закрытой штамповки поковки 24 типа крестовины по формуле

где r₁ - радиус закругления в верхней матрице 14, r₁=1 мм;

r₂ - радиус закругления в нижней матрице 3, r₂=1 мм;

d - диаметр поковки, мм;

σ_в - предел прочности стали при температуре окончания штамповки;

σ_в=56 МПа для стали 18Х2Н4 ВА при температуре 1000°C;

F_n - площадь проекции поковки 24 в плане, мм².

(Ковка и штамповка: справочник: в 4 т. Т.2. Горячая штамповка / Ред. совет Е.И. Семенов и др. - М.: Машиностроение, 1986, с.202).

Удельное усилие p=288,4 МПа.

Для уточнения величину удельного усилия р при деформировании стали 18X2H4BA в зависимости от степени деформации и температуры выбирают по графику на рис.5.25 (Атрошенко А.П. Горячая штамповка труднодеформируемых материалов / А.П. Атрошенко, В.И. Федоров. - Л.: Машиностроение, 1979, с.174).

Степень деформации ε находят по формуле

$$\epsilon =\ln \frac{F}{f},(3)$$

где F - площадь поперечного сечения заготовки 27, мм²;

f - площадь поперечного сечения отростка крестовины, мм²;

$$F=\frac{\pi }{4}{D}_3^2=\frac{\pi }{4}\ast {40}^2=1256{\text{ мм}}^{\text{2}}$$ ;

$$f=\frac{\pi }{4}{d}_0^2=\frac{\pi }{4}\ast {21}^2=\mathrm{346,2}{\text{ мм}}^{\text{2}}$$ ;

$$\epsilon =\ln \frac{1256}{\mathrm{346,2}}=1.28$$ .

По графику находят p=360 МПа, что превышает удельное усилие, полученное расчетом. Выбирают большее значение, равное p=360 МПа.

Тогда усилие штамповки

P=p Fn=360*3401=1224360 H=1224 кH.

Выбирают горячештамповочный пресс модели КБ 0034B усилием 2500 кH.

2. Определяют максимальное усилие зажима матриц 14 и 3 по усилию, приходящемуся на выталкиватель 23 в момент окончания штамповки:

$${Р}_{з}={Р}_{в}=p\cdot f_{в},(4)$$

где P_з - усилие зажима матриц 14 и 3, кН;

P_в - усилие на выталкивателе 23, кН.

f_в - площадь торца выталкивателя 23, равная площади торца ступицы поковки 24, мм².

$$P_{з}=360\cdot \frac{\pi }{4}\cdot {42}^2=500кH,$$

что не превышает 50% усилия штамповки P=1224 кН (Соколов Н.Л. Горячая штамповка выдавливанием стальных деталей / Н.Л. Соколов. - М.: Машиностроение, 1967, с.62).

3. Определяют площадь сопряженной поверхности матриц 14 и 3 по формуле (1).

В качестве материала матриц 14 и 3 выбирают сталь марки 4Х4ВМФС; предел упругости стали принимают равным пределу текучести этой стали, т.е. σ_y≈σ_0,2=1080 МПа при температуре нагрева матриц 14 и 3 в процессе штамповки до 600°C (см. книгу Геллер Ю.А. Инструментальные стали. / Ю.А. Геллер. - М.: Металлургия, 1983, с.439).

F_с=P_з/σ_у=(0,5/1080)·10⁶, мм²=463 мм².

Поскольку наличие макронеровностей и волнистости поверхностей матриц 14 и 3 после шлифования уменьшают фактическую площадь контакта в 5-10 раз (см. книгу Гжиров Р.И. Краткий справочник конструктора / Р.И. Гжиров. - Л.: Машиностроение, Ленинградское отделение, 1983, с.160), то площадь фактического зажима матриц 14 и 3 увеличивается в 8 раз. Тогда

F_сф=8·F_с=8·463=2904 мм².

Форму площади зажима матриц 14 и 3 принимают в виде полосы центрального участка 15 или 16 поверхностей разъема 19 или 20, примыкающих к контуру поковки 24 в плоскости разъема 31 матриц 14 и 3, т.е.

$$F_{сф}={в}_{пол}\cdot {\ell }_{пер},(5)$$

где в_пол - ширина полосы центрального участка 15 или 16 поверхностей разъема 19 и 20 матриц 14 и 3, мм;

ℓ_пер - длина периметра контура поковки 24 в плоскости разъема 31 матриц 14 и 3, равная 342 мм.

Отсюда

в_пол=F_сф/ℓ_пер=2904/342=8,5 мм.

Принимают в_пол=10 мм.

4. Определяют площадь поперечного сечения тяг 12 и 13, передающих усилие на верхнюю матрицу 14

P_т=P_в/2=500/2=250 кН,

где P_т - усилие, приходящееся на одну тягу.

Рабочее напряжение σ_р в тяге

$${\sigma }_{р}=P_{т}/S_{т},(6)$$

где S_т=а·в - площадь поперечного сечения тяги. Здесь а - толщина сечения тяги, мм; в - ширина сечения тяги, мм.

Чтобы исключить остаточную деформацию, принимают σ_р=0,5σ_m,

где σ_m - предел текучести материала тяги.

В качестве материала тяги принимают сталь 30ХГСА, σ_m=850 МПа.

Поскольку ширина В паза 4 в нижней плите штампа 22 должна быть больше диаметра выталкивателя 23, равного диаметру ступицы D_c поковки 24 на величину зазора, то

B=D_c+Z,

где Z=3 мм - зазор между боковой поверхностью выталкивателя 23 и стенками паза 4;

B=42+3=45 мм.

Принимают ширину сечения тяги в=40 мм, тогда толщина сечения тяги будет равна

.

Принимают а=20 мм.

5. Рассчитывают ход верхней матрицы

h_вм=H_с+Z_м,

где Z_м=10 мм - принятый зазор между верхним торцом поковки 24 и поверхностью разъема 19 верхней матрицы 14, необходимый для удобства удаления поковки 24;

h_вм=26+10=36 мм,

что вдвое меньше высоты заготовки 27, равной H₃=64 мм, размещаемой на торце выталкивателя 23 в верхней матрице 14.

6. Рассчитывают ход выталкивателя 23 (h_в), равный

$$h_{в}=\left(H_{с}/2\right)+Z_{в},\text{ (7)}$$

где Z_в=4 мм - принятый зазор между опорой выталкивателя 23 и нижней поверхностью нижней матрицы 3;

h_в=(26/2)+4=17 мм.

Полученные предложенным способом поковки 24 не имели следов заусенцев по плоскости разъема 31 матриц 14 и 3.

Таким образом, предложенное изобретение существенно повышает качество поковок типа крестовин, так как обеспечивает плотный зажим матриц по контуру поковки в результате пластического деформирования макронеровностей и волнистости, неизбежных после шлифования контактных поверхностей матриц, а использование тяг зажима матриц в качестве направляющих обеспечивает более точное совмещение матриц и дополнительно повышает качество поковок.

Изобретение относится к области обработки металлов давлением и может быть использовано при штамповке поковок типа крестовин. На верхней плите штампа установлен пуансон. На нижней плите, в которой размещена траверса, смонтирована нижняя матрица. Верхняя и нижняя матрицы имеют поверхности разъема с равными центральными и периферийными участками. Верхняя матрица связана с траверсой тягами и установлена с возможностью перемещения относительно нижней матрицы с образованием замкнутой полости штампа. В нижней матрице размещен выталкиватель с опорой через подпружиненный толкатель на траверсу. Периферийные участки поверхностей разъема нижней и верхней матриц выполнены с уклонами в тело матриц в сторону их боковых поверхностей. Тяги размещены в сквозных прямолинейных пазах, выполненных в противолежащих боковых стенках матриц параллельно оси симметрии штампа. В результате обеспечивается плотный зажим матриц по контуру поковки в результате пластического деформирования макронеровностей и волнистости, неизбежных после шлифования контактных поверхностей матриц. Использование тяг зажима матриц в качестве направляющих обеспечивает более точное совмещение матриц. 3 ил.

Штамп с горизонтальным разъемом матриц для штамповки поковок типа крестовин, содержащий верхнюю плиту с установленным на ней пуансоном, нижнюю плиту, на которой смонтирована нижняя матрица, траверсу, размещенную в нижней плите, верхнюю матрицу, которая связана с траверсой посредством тяг, выполнена с центральным и периферийным участками поверхности разъема, равными центральному и периферийному участкам поверхности разъема нижней матрицы, и имеет возможность перемещения относительно нижней матрицы с образованием сопрягаемыми центральными участками поверхностей разъема обеих матриц замкнутой полости штампа, а также выталкиватель, размещенный в нижней матрице с опорой через подпружиненный толкатель на траверсу, отличающийся тем, что периферийные участки поверхностей разъема нижней и верхней матриц выполнены с уклонами в тело матриц в сторону их боковых поверхностей, при этом площадь сопрягаемых центральных участков поверхностей разъема нижней и верхней матриц F_c определена из соотношения:
F_c= P_з/σ_у,
где P_з - усилие зажима нижней и верхней матриц;
σ_у - предел упругости материала нижней и верхней матриц,
а тяги размещены в сквозных прямолинейных пазах, выполненных в противолежащих боковых стенках нижней и верхней матриц параллельно оси симметрии штампа.