Способ глубокой вытяжки цилиндрических деталей из листовых профилированных по толщине заготовок
METHOD OF DEEP DRAWING CYLINDRICAL PARTS FROM SHEET PROFILED IN THICKNESS OF WORKPIECES

Изобретение относится к обработке металлов давлением, а именно к способам изготовления листовых деталей глубокой вытяжки с постоянной толщиной стенки вытянутого стакана, и может быть использовано в различных отраслях машиностроения.
Известен способ штамповки цилиндрического стакана, при котором заготовку укладывают на матрицу, прижимают прижимом, для предотвращения складок, воздействуют пуансоном на центральную часть заготовки, втягивают ее в образующийся зазор между матрицей и пуансоном, причем зазор устанавливают несколько большим толщины штампуемого материала [1, стр. 85]. Известный способ широко применяется для изготовления деталей с цилиндрической стенкой. Увеличенный вытяжной зазор позволяет скомпенсировать естественное утолщение фланца заготовки и завершить процесс штамповки без отрыва дна. Однако в известном способе усилие, передаваемое пуансоном заготовке, приводит к интенсивному утонению цилиндрической стенки стакана, величина которого может достигнуть 30%, что является причиной не равнотолщинности стенки. Кроме того, из-за величины вытяжного зазора цилиндрическая стенка приобретает конусность, что искажает форму детали и для некоторых деталей является не допустимой.
Наиболее близким техническим решениям является выбранный нами в качестве прототипа способ глубокой вытяжки цилиндрических деталей из листовых профилированных по толщине заготовок в котором на матрице размещают профилированную по толщине заготовку, прижимают прижимом и, воздействуя цилиндрическим пуансоном, вытягивают цилиндрическую деталь в зазор между пуансоном и матрицей, показанный статье [2]. Толщина исходной заготовки уменьшается, изменяясь от центральной части к торцу дисковой заготовки. Изменение толщины может быть реализовано по любому закон, например параболическому, степенному. Однако линейный закон изменения толщины является наиболее простым с точки зрения изготовления заготовки механической обработкой. Для изготовления цилиндрической оболочки с постоянной толщиной толщину торца фланца заготовки выбирают из условия естественного утолщения ее в процессе вытяжки таким образом, чтобы утолстившись, она была бы равна толщине центральной части заготовки. Однако в процессе воздействия пуансона на заготовку происходит утонение цилиндрической стенки, в результате ее растяжения и толщина стенки становиться не равномерной.
Для решения поставленной задачи в известном способе глубокой вытяжки цилиндрических деталей из листовых профилированных по толщине заготовок, заготовку размещают на матрице, прижимают прижимом для удерживания складок и воздействуя на центральную часть заготовки цилиндрическим пуансоном втягивают ее в зазор между пуансоном и матрицей, причем его величину назначают равной толщине центральной части заготовки, а толщину торца заготовки назначают на 5-10% больше значения толщины фланца необходимого для компенсации естественного его утолщения.
Предложенное техническое решение позволяет в процессе вытяжки создать расплющивание утолщенных участков фланца заготовки в вытяжном зазоре, что в свою очередь будет способствовать разгрузки усилия втягивания заготовки действующим в зоне перехода донной части в цилиндрическую часть за счет перемещения его в зону расплющивания, утолщенного участка фланцевой части, подходящей к вытяжному зазору. Кроме того, материал в зоне расплющивания становится более упрочненным по сравнению с материалом донной части заготовки, что будет способствовать стабилизации толщины стенки вытягиваемого стакана.
Сущность технического решения поясняется чертежом, где показаны:
- на фиг. 1 исходное положение штампа для осуществления способа;
- на фиг. 2 промежуточное положение процесса штамповки из профилированной по толщине заготовки с предварительным переутолщением фланца заготовки;
- на фиг. 3 контур профилированной заготовки и утолщение сечений заготовки при подходе к вытяжному зазору.
Согласно предложенному способу глубокой вытяжки цилиндрических деталей из листовых профилированных по толщине заготовок процесс штамповки осуществляется следующим образом.
Плоскую профилированную по толщине заготовку 1 устанавливают на матрицу 2 и прижимают прижимом 3 с усилием достаточным для предотвращения потери устойчивости фланца. Профиль профилированной заготовки устанавливают таким образом, чтобы центральная часть ее имела постоянную толщину, которая распространяется до диаметра равного диаметру пуансона с учетом ребра пуансона 4. Рассчитывают толщину кромки фланца, по известным формулам обеспечивающих естественное его утолщение в процессе сокращения фланца до толщины центральной части заготовки 1. Затем устанавливают ее большей на 5-9,5% по сравнению с расчетной величиной, а величину вытяжного зазора между пуансоном и матрицей назначают равной толщине центральной части заготовки. Закон изменения толщины профиля заготовки 1 выбирают линейным, т.к. его наиболее просто изготовить на существующем токарном оборудовании. В процессе рабочего хода пуансона 4 происходит втягивание фланца заготовки 1 в вытяжной зазор, величина которого равна толщине центрального участка заготовки. В процессе сокращения диаметра фланца заготовки происходит естественное утолщение его и к вытяжному зазору будет подходить материал с толщиной большей чем величина вытяжного зазора, что приведет к местному расплющиванию материала в вытяжном зазоре, а также к созданию радиального подпора от фланца, не вошедшего в вытяжной зазор, разгрузки зоны передачи усилия на заготовку в донной части стакана, что позволит уменьшить растяжения стенки стакана, а, следовательно, уменьшить утонение вдоль образующей стенки стакана, которое бы имело место в случае сосредоточения растягивающих усилий только в донной части стакана, в случае установления вытяжного зазора в соответствии обще принятыми рекомендациям по его назначению [1].
Для примера реализации способа глубокой вытяжки цилиндрических деталей из листовых профилированных по толщине заготовок рассмотрим штамповку цилиндрического стакана. Диаметр пуансона равен 100 мм, высота стакана 90 мм, толщина заготовки 2 мм, радиус скругления пуансона 10 мм. Рассчитаем диаметр заготовки для штамповки стакана. В соответствии рекомендациями [1] диаметр заготовки определится формулой:
Диаметр центральной части заготовки с учетом радиуса закругления пуансона рассчитывается по формуле:
Рассчитаем толщину торца заготовки из условия ее естественного утолщения, при толщине центральной части заготовки равной 2 мм, которая будет равна 1,374 мм. Таким образом профилированная по толщине заготовка будет иметь постоянную толщину равную 2 мм до диаметра равного 110 мм, а затем толщина по линейному закону будет уменьшаться до толщины на фланце равной 1,37 мм. Линейный закон изменения толщины выбран из условия простоты его получения, например, точением. Из графика 1 на рис. 3 видно, как изменяется толщина фланца по линейному закону от толщины So=2 мм до толщины на кромке фланца Sc=1.374 мм. Из графика 2 на фиг. 3 видно, как изменится толщина этих сечений при подходе к вытяжному зазору, равного 2 мм. График 3 на фиг. 3 показывает, как изменяется толщина фланца по линейному закону из условия, что толщина на кромке фланца Sc=1.5 мм. График 4 на фиг. 3 показывает, как изменяется толщина при сокращении фланца и подходе этих сечений к вытяжному зазору. В первом случае фланец в среднем утолщается в процессе вытяжки на 5,3%, во втором случае на 9,3%. Утолщенный фланец раздавливается в вытяжном зазоре, что позволяет создать натяг, в этот момент происходит частичная разгрузка опасного сечения в зоне перехода донной части в цилиндрическую стенку. Кроме того создается реактивный подпор от фланца способствующий вталкиванию материала в вытяжной зазор. Совокупность выше указанного действия на металл в момент раздавливания его в вытяжном зазоре способствует уменьшению утонения цилиндрической стенки стакана и сохранению постоянной толщины по длине вытянутого стакана.
Проведенные исследования показали, что минимальное утонение цилиндрической стенки стакана зависит от дополнительного изменения толщины фланца профилированной по толщине заготовки. Толщина фланца профилированной по толщине заготовки рассчитывается из условия равенства толщины ее вытяжному зазору из условия ее естественного утолщения в процессе сокращения фланца. Рассчитанную толщину увеличивают на 5-9,5%. Эксперименты показали, что увеличение толщины ниже 5% не приводит к выравниванию толщины цилиндрической стенки стакана, свыше 9,5% будет способствовать утонению придонной части стакана. При вытяжке стакана из заготовки с постоянной толщиной разнотолщинность достигает 20%, при вытяжке из заготовки с толщиной на кромке фланца, равной 1,2 мм разнотолщинность достигает 20-25%. Утонение стенки в предлагаемом диапазоне не превышает 3-5%.
Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет снизить утонение в цилиндрической части детали, в результате штамповки детали, что обеспечивается применением профилированной по толщине заготовки с увеличенной толщиной на кромке фланца заготовки на 5-9,5%, что в итоге повысит качество детали за счет равномерной толщины ее цилиндрической части.
1. В.П. Романовский В.П. Справочник по холодной штамповке. Л.: Машиностроение, 1979 г. 520 с
2. Математическая модель расчета предельного коэффициента вытяжки цилиндрических деталей из листовых заготовок переменной толщины /М.А. Бабурин [и др.]. М.: Известия высших учебных заведений. Машиностроение, 2018. №4. С 10-18