Штамп для открытой объемной штамповки с расширяющимся облойным мостиком Российский патент 2021 года по МПК B21J13/02 B21K1/10 

Изобретение относится к обработке металлов давлением, и может быть использовано во всех отраслях машиностроения при изготовлении штампов для открытой объемной штамповки ступенчатых валов, штампуемых плашмя.

Известен способ изготовления штампованных поковок (Патент RU 2275271, кл. B21J 5/02, В21К 1/28, В21К 21/02, 2004), включающий резку и нагрев исходной заготовки, предварительное профилирование, окончательную штамповку в открытом штампе, имеющем верхнюю и нижнюю половины, с вытеснением избытка металла в зазор между указанными верхней и нижней половинами, расположенный в области поковки, формируемой в последнюю очередь, а размеры контактирующих с металлом поверхностей гравюр указанных половин не превышают соответствующих размеров поковки для исключения деформирования вытесненного избытка метала (Фиг. 1а).

Способ применим для поковок, при штамповке которых окончательный ручей заполняется полностью до начала вытеснения лишнего объема металла в зазор между половинами штампа. Такое не всегда возможно. В случае более сложной поковки, для полного заполнения окончательного ручья штампа подпор со стороны облойного мостика необходим, хотя и меньший, чем в традиционном способе открытой объемной штамповки поковок (Семенов Е.И. и др. Ковка и штамповка, справочник, т. 2. Горячая штамповка / Е.И. Семенов и др. // М.: Машиностроение. - 1986. С. 183-184), с объемом облоя необходимым для формирования трудно заполняемых частей поковки за счет подпора (запирающего действия) металла в облойном мостике (Фиг. 1б).

Известна статья (Борисевич В.В. Выбор рациональных параметров мостика облойной канавки при моделировании открытой штамповки [Текст] / В.В., Борисевич, З.Б. Мохсен // Открытые информационные и компьютерные интегрированные технологии №71, 2016. С. 136-144), авторы утверждают, что профиль образующегося облоя может быть получен путем рассмотрения уравнения расхода металла через цилиндрическую поверхность радиуса R0 (Фиг. 2). Если профиль щели облойной канавки выполнить по полученному уравнению

то облой при смыкании штампов до принятого в уравнении значения начального зазора h_н на пороге мостика отслаивается от поверхности порога мостика и перестает деформироваться инструментом. При дальнейшем уменьшении начальной высоты щели происходит свободное вытекание металла за пределы гравюры штампа.

Данное техническое предложение приемлемо только для осесимметричных поковок без внутренней полости, штампуемых в торец с двухсторонним расширением облойного мостика. Не установлены значения параметров расширяющегося облойного мостика и границы их изменения для практического использования. Требуется расширение области применения данного технического предложения для других типов поковок и облойных канавок.

Поставлена задача разработать штамп для открытой объемной штамповки ступенчатых валов, штампуемых плашмя, с расширяющимся облойным мостиком, установить значения параметров расширяющегося облойного мостика и границы их изменения, расширить область применения, сохраняя преимущества бесподпорной и традиционной штамповки, снизить расход металла и силу штамповки, повысить стойкость штамповой оснастки.

Технический результат в штампе для открытой объемной штамповки ступенчатых валов, штампуемых плашмя, содержащий верхнюю и нижнюю половины, выполненные с гравюрами, образующими предварительные и окончательный ручьи, при этом окончательный ручей выполнен с облойной канавкой для вытеснения избытка металла в окончательном ручье, достигается тем, что облойная канавка выполнена с магазином и расширяющимися облойными мостиками, которые расположены на прямых участках ступеней поковки, выполнены с разъемом и имеют односторонний профиль прямолинейной формы, при этом форма профиля определена для каждой ступени поковки с учетом равенства объема металла ступени, вытесняемого из окончательного ручья в облой на последней стадии доштамповки (V_дшс), и объема облойных мостиков, примыкающих к ступени (V_омс), при начальной высоте облойных мостиков h_нм, равной толщине облоя h_з, принятой с учетом усилия пресса, при V_дшс не больше половины объема облоя ступени (V_обс), и описана следующим уравнением для каждой ступени:

где А - радиус ступени вала,

h_дш - разность между начальной высотой облойного мостика h_нм и конечной высотой облойного мостика h_км.

При этом х не превышает ширину облойного мостика.

h_дш для каждой ступени находят, подстановкой в уравнение (1) вместо х принятого значения ширины облойного мостика b от усилия пресса (Семенов Е.И. и др. Ковка и штамповка, справочник, т. 2. Горячая штамповка / Е.И. Семенов и др. // М.: Машиностроение. - 1986. С. 183-184), а угол расширения α, рассчитывают по следующей формуле:

Если профиль облойного мостика выполнен по уравнениям (1) (Фиг. 3), то при вытеснении объема металла из ручья штампа в процессе доштамповки V_дш в окончательном ручье штампа при h_нм=h_з и V_дшс не больше половины V_обс происходит отлипание металла от поверхности облойного мостика, давление в облойном мостике снизится до нуля и подпора не будет. Ограничение V_дшс связано с соблюдением ширины облойного мостика b принятой в зависимости от усилия пресса.

Необходимо отметить, что в случае заполнения труднодоступных частей поковки на последней стадии доштамповки, отлипания металла в расширяющемся облойном мостике не произойдет и реализуется подпорная штамповка, то есть присутствует элемент саморегулирования подпора.

В связи с этим, наружные углы ступеней поковки заполняются в последнюю очередь на этапе доштамповки, отлипание облоя в расширяющихся облойных мостиках на прямых участках поковки, примыкающих к наружным углам, не произойдет, что способствует лучшему заполнению наружных углов.

В расширяющихся облойных мостиках, примыкающим к внутренним углам ступеней, отлипание произойдет на предыдущих этапах доштамповки, что способствует снижению силы штамповки.

Отлипание облоя может произойти сверху, снизу или сверху и снизу одновременно, что позволяет снизить контактные напряжения и силу штамповки, так как на стадии доштамповки вытесненный металл не имеет деформационного контакта с инструментом, пластически не деформируется и не создает подпора. Реализуется штамповка без подпора со стороны облоя. На предыдущей же стадии вытеснения металла из ручья штампа в облойную канавку, отлипания облоя не произойдет, и облойный мостик будет выполнять функцию подпора, обеспечивая качественное заполнение ручья штампа. Очевидно, что подпор металла в расширяющемся облойном мостике в начале его вытеснения будет расти, ближе к середине достигнет максимального значения, а к концу уменьшится до нуля.

Преимущество такого подхода в том, что становится возможным снизить массу облоя, отодвинув начало вытеснения металла в облойную канавку на более позднюю стадию штамповки, сохранить необходимый подпор для качественного заполнения ручья штампа для более сложных поковок, чем при бесподпорной штамповке, уменьшить силу на последней стадии штамповки за счет снижения давления в ручье штампа и отсутствия давления на облойном мостике штампа. Уменьшение силы штамповки дает возможность уменьшить толщину облоя h_з. При уменьшении толщины облоя h_з произойдет увеличение давления в ручье штампа не за счет деформации отслоившегося облоя в облойном мостике, а роста напряженно деформированного состояния (НДС) в зоне, примыкающей к облойному мостику, при этом обеспечится качественное заполнение ручья штампа без увеличения массы облоя.

Снижение контактных поверхностей гравюры и напряжений уменьшает теплообмен между заготовкой и штампом, что также благоприятно влияет на стойкость инструмента.

Такой подход обладает преимуществами традиционной и бесподпорной штамповки.

Сопоставительный анализ заявляемого технического решения с прототипом показывает, что заявляемый штамп для открытой объемной штамповки с расширяющимся облойным мостиком отличается от прототипа.

В прототипе отсутствует.

В предлагаемом штампе, облойная канавка выполнена с магазином и расширяющимися облойными мостиками, которые расположены на прямых участках ступеней поковки, выполнены с разъемом и имеют односторонний профиль прямолинейной формы, при этом форма профиля определена для каждой ступени поковки с учетом равенства объема металла ступени, вытесняемого из окончательного ручья в облой на последней стадии доштамповки (V_дшс), и объема облойных мостиков, примыкающих к ступени (V_омс), при начальной высоте облойных мостиков h_нм, равной толщине облоя h_з, принятой с учетом усилия пресса, при V_дшс не больше половины объема облоя ступени (V_обс), и описана следующим уравнением для каждой ступени:

где А - радиус ступени вала,

h_дш - разность между начальной высотой облойного мостика h_нм и конечной высотой облойного мостика h_км.

При этом х не превышает ширину облойного мостика.

Таким образом, данное техническое решение соответствует критерию "новизна".

Анализ авторских свидетельств, патентов и научно-технической информации не выявил использования новых существенных признаков предлагаемого изобретения по их функциональному назначению. Таким образом, предлагаемое техническое решение соответствует критерию "изобретательский уровень".

На фиг. 1 - представлена схема штампов: а - бесподпорная; б - традиционная с облойной канавкой I типа.

На фиг. 2 - представлена схема отслоения облоя, боковой вид.

На фиг. 3 - представлена схема штампа для штамповки поковок ступенчатых валов.

Штамп для открытой объемной штамповки поковок с расширяющимся облойным мостиком реализуется следующим образом.

Расположение облойного мостика между верхней и нижней половинами штампа в области ручья штампа, формируемой в последнюю очередь, позволяет экономить металл. Если образующая боковой поверхности поковки представляет собой часть окружности с максимальным диаметром в зоне боковой поверхности, то разъем штампа располагают в зоне максимального диаметра боковой поверхности ручья для поковок ступенчатых валов. Штамп работает следующим образом.

Исходную заготовку, полученную из прутка или профилированную предварительно по длине, например, вальцовкой, устанавливают плашмя в предварительный ручей нижнего штампа. При движении ползуна пресса вниз верхний штамп деформирует заготовку. В результате получают полуфабрикат заготовки, который извлекают из штампа выталкивателями. Полученный полуфабрикат устанавливают в окончательный ручей нижнего штампа, с расширяющимися облойными мостиками и операцию повторяют, в результате получают окончательно отштампованную поковку.

Расширяющиеся облойные мостики, выполнены на прямых участках ступеней поковки, имеют односторонний профиль прямолинейной формы, которая определена для каждой ступени с учетом равенства объема металла ступени, вытесняемого из ручья в облой на последней стадии доштамповки (V_дшс), и объема облойных мостиков, примыкающих к ступени (V_омс), при начальной высоте облойных мостиков h_нм, равной толщине облоя h_з, принятой с учетом усилия пресса, при V_дшс не больше половины объема облоя ступени (V_обc), и описана уравнением (1).

Изобретение относится к обработке металлов давлением и может быть использовано при штамповке плашмя ступенчатых поковок. Штамп содержит верхнюю и нижнюю половины с гравюрами, образующими предварительные и окончательный ручьи. Окончательный ручей снабжен облойной канавкой, которая выполнена с магазином и расширяющимися облойными мостиками. Облойные мостики выполнены с разъемом и имеют односторонний профиль прямолинейной формы. Форма профиля определена для каждой ступени поковки с учетом равенства объема металла ступени, вытесняемого из окончательного ручья в облой на последней стадии доштамповки, и объема облойных мостиков, примыкающих к ступени. Начальная высота облойных мостиков равна толщине облоя, принятой с учетом усилия пресса. В результате обеспечивается уменьшение усилия деформирования и нормы расхода металла и повышение стойкости оснастки. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Штамп для штамповки плашмя поковки в виде ступенчатого вала, содержащий верхнюю и нижнюю половины, выполненные с гравюрами, образующими предварительные и окончательный ручьи, при этом окончательный ручей выполнен с облойной канавкой для вытеснения избытка металла в окончательном ручье, отличающийся тем, что облойная канавка выполнена с магазином и расширяющимися облойными мостиками, которые расположены на прямых участках ступеней поковки, выполнены с разъемом и имеют односторонний профиль прямолинейной формы, при этом форма профиля определена для каждой ступени поковки с учетом равенства объема металла ступени, вытесняемого из окончательного ручья в облой на последней стадии доштамповки (V_дшс), и объема облойных мостиков, примыкающих к ступени (V_омс), при начальной высоте облойных мостиков h_нм, равной толщине облоя h₃, принятой с учетом усилия пресса, при V_дшс не больше половины объема облоя ступени (V_обс), и описана следующим уравнением для каждой ступени:

где А - радиус ступени вала,

h_дш - разность между начальной высотой облойного мостика h_нм и конечной высотой облойного мостика h_км.

2. Штамп по п. 1, отличающийся тем, что x не превышает ширину облойного мостика.