УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КРУГОВЫХ ДИСКОВ ИЗ ЛИСТОВЫХ КВАДРАТНЫХ ЗАГОТОВОК С ДИАГОНАЛЬЮ КВАДРАТА, РАВНОЙ ДИАМЕТРУ ДИСКА

Полезная модель относится к металлургии, а, именно, к устройствам для обработки металлов давлением.
Известно, что при изготовлении полых, цилиндрических, конических и сферических изделий типа стаканов методами глубокой вытяжки или с помощью давильных операций используют круглые заготовки (диски) из сплавов цветных и благородных металлов. Заготовки в виде дисков из сплавов цветных металлов применяются также при изготовлении различных деталей сложной конфигурации для приборов точной механики, электротехники и радиотехники с использованием процессов холодной объемной штамповки. Круговые диски из мельхиора, серебра, золота и платины применяют в качестве заготовок при изготовлении медалей чеканкой.
Основными устройствами для изготовления круговых дисков из полос листа являются вырубные штампы. В литературе «Справочник конструктора штампов: Листовая штамповка, под общей редакцией Л.И.Рудмана, М. Машиностроение, 1988 - с.10, 58, 73, 109» приводятся различные конструкции вырубных штампов. Типовой вырубной штамп состоит из следующих деталей: нижней плиты, матрицы, пуансона, прижима и верхней плиты. Нижняя плита устанавливается и закрепляется на столе пресса, а верхняя плита соединена с ползуном пресса. Матрица закреплена на нижней плите, а пуансон установлен и закреплен на верхней плите с помощью пуансонодержателя. Прижим с пружинным или эластичным буфером устанавливается и закрепляется на верхней плите. Плиты штампа снабжены колонками и втулками, которые обеспечивают точное совпадение осей пуансона и матрицы. При вырубке дисков кромки пуансона и матрицы выполняются острыми, а двусторонний зазор между пуансоном и матрицей - z, всегда по своей величине значительно меньше толщины листовой заготовки.
Для изготовления круговых дисков вырубкой необходимо иметь перемычки между соседними дисками, а также между дисками и передними, задними и боковыми краями полосы. Размер этих перемычек зависит от габаритных размеров вырубаемых дисков, свойств металла, толщины полосы и способа вырубки дисков. Длина и ширина полосы определяется в зависимости от количества дисков заданного диаметра и ширины всех перемычек. Перед вырубкой диска полоса перемещается по направляющим планкам относительно оси матрицы на заданный шаг. Затем осуществляется опускание пуансона в матрицу и вырубка диска, который проталкивается через матрицу и удаляется из рабочей зоны штампа. При подъеме пуансона полоса с помощью съемника, закрепленного на планках, удаляется с пуансона. Далее происходит снова перемещение полосы и вырубка диска. Число таких циклов работы штампа зависит от длины полосы при заданных размерах диска. При изготовлении дисков из листовых заготовок с использованием вырубных штампов большое количество материала затрачивается на отходы и рассчитывается коэффициент использования металла. Этот коэффициент определяет количество отходов и выход годной продукции, он вычисляется по формуле:
д
где: М - масса готового изделия (диска) в кг., Н - норма расхода материала на одно изделие (диск) в кг.
д
где: М - масса единицы листа, применяемого для вырубки в кг, n - число изделий (дисков), получаемых в результате вырубки в штуках.
и
Анализ литературы и данных ряда предприятий показывает, что при вырубке в штампах круговых дисков из полосы коэффициент использования металла К=0,7-0,5, следовательно, от 30 до 50% материала затрачивается на отходы, поэтому актуально разработать устройства, позволяющие существенно увеличить коэффициент использования металла.
Известно устройство для изготовления круговых дисков из листовых квадратных заготовок [патент РФ №2040999]. Устройство содержит: матрицу, обкатывающий пуансон и выталкиватель. В матрице выполнены четыре паза, в которых закреплены регулируемые планки с прямоугольными углублениями, в эти углубления помещают выступающие угловые части квадратной заготовки для ее фиксации относительно оси матрицы. Пуансон получает обкатывающее движение от специального привода, конструкция привода в патенте не приводится. Матрица и выталкиватель смонтированы на столе пресса и перемещаются в вертикальном направлении от своих приводов. Устройство устанавливается на гидравлический пресс усилием 10000 кН модели П2940 ШО, который разработан Ижевским механическим институтом.
Устройство не позволяет изготавливать круговые диски из листовых квадратных заготовок закрытой штамповкой.
Известно также устройство для закрытой штамповки цилиндрических заготовок после вырубки из листа [Справочник холодная объемная штамповка том 3, с.96-97, М, Машиностроение, 1987]. Устройство применяют для повышения точности заготовок, предназначенных для операций холодной объемной штамповки. После вырубки цилиндрических заготовок из листа возникают искажения формы в виде появления эллипсности круговых поверхностей и перекоса торцов, эти дефекты формы устраняются операциями закрытой штамповки.
Устройство состоит из следующих деталей: матрицы, пуансона и выталкивателя. Матрица имеет диаметр отверстия на 3-5% больше диаметра цилиндрической заготовки, пуансон и выталкиватель перемещаются по отверстию матрицы по скользящим посадкам. Работа устройства осуществляется в следующей последовательности: цилиндрическая заготовка устанавливается в матрицу на торец выталкивателя, затем пресс выполняет рабочий ход, и пуансон своим плоским торцом осуществляет осадку заготовки, после чего пуансон устанавливают в исходную позицию и включают выталкиватель, который поднимает заготовку выше торца матрицы. Затем деформированную заготовку удаляют из рабочей зоны устройства в тару.
Операция закрытой штамповки в этих устройствах выполняется со степенями деформации материала заготовок 5-8%, поэтому такие устройства не могут быть использованы для изготовления круговых дисков из квадратных заготовок с диагональю квадрата, равной диаметру диска, так как при таких операциях степень деформации может достигать 36%.
В основу полезной модели поставлена задача увеличения стойкости используемой штамповой оснастки: матрицы, пуансона и выталкивателя.
Поставленная задача решается тем, что в устройстве для изготовления закрытой штамповкой круговых дисков из листовых квадратных заготовок с диагональю квадрата, равной диаметру диска, включающем матрицу с отверстием, пуансон, выполненный с возможностью перемещения в отверстии матрицы, и выталкиватель, торцовая поверхность пуансона выполнена ступенчатой и состоит из кольцевой, поверхности, наружный диаметр которой соответствует диаметру отверстия матрицы, конической поверхности с углом образующей 1-2° и центральной поверхности, диаметр которой составляет 0,4-0,6 наружного диаметра кольцевой поверхности, и диаметр отверстия матрицы выбирается из соотношения D=L+2z,
где: D - диаметр отверстия матрицы, L - диагональ квадратной заготовки, z - односторонний зазор между углом квадратной заготовки и отверстием матрицы.
Диаметр отверстия матрицы и соответственно диска выбираются из условия - D=L+2z в мм, как показано на фиг.4. Величина зазора z в зависимости от размеров квадрата составляет от 0,15 до 0,3 мм. На фиг.4 показано также размещение квадратной заготовки в матрице относительно щелевых компенсаторов. Как видно из фиг.4 середины сторон квадрата находятся напротив компенсаторов и именно так надо устанавливать заготовку, так как эти участки заготовки касаются отверстия матрицы в последнюю очередь.
В предлагаемом устройстве при осуществлении закрытой штамповки пуансон воздействует в конечной стадии процесса на всю площадь получаемого диска. В этот момент удельные давления на пуансоне достигают наибольших значений, а усилие пресса имеет максимальную величину, поэтому штамповка дисков больших диаметров потребует использования специальных прессов с большими величинами усилий. В связи с этим наиболее эффективно использовать устройство для изготовления дисков с диапазоном диаметров от 30 до 70 мм при толщинах от 0,5 до 3 мм.
Выполнение торцовой поверхности пуансона ступенчатой и состоящей из кольцевой, поверхности, наружный диаметр которой меньше диаметра отверстия матрицы на величину зазора, обеспечивающего скользящую посадку пуансона по матрице, конической поверхности с углом образующей 1-2° и центральной поверхности, диаметр которой составляет 0,4-0,6, диаметра кольцевой поверхности, существенно облегчает течение металла в центральной части квадратной заготовки, особенно после касания углов квадрата круговой поверхности матрицы и позволяет уменьшить величины удельных давлений на пуансоне при штамповке дисков. Снижение удельных давлений на пуансон, матрицу и выталкиватель позволяет повысить их стойкость, увеличивая тем самым долговечность работы и рентабельность процесса штамповки.
1
2
2
1
2
2
2
2
2
2
2
2
2
Степень деформации материала -ψ при штамповке (осадке) квадрата в диск рассчитывается с учетом допущения, что диагональ квадрата равна диаметру диска. При длине стороны квадрата «а», длина диагонали , a площадь квадрата F=a=L/2=0,5L. Площадь диска составит F=π/4L=0,785L, и степень деформации материала ψ=(F-F)/F=(0,785L-0,5L)/0,785L=0,363~36%. Такая величина степени деформации материала будет одинаковой для процессов закрытой штамповки дисков различных диаметров, а заготовка при степени деформации ψ=36% подвергнется сильному упрочнению (наклепу), что вызовет значительный рост удельных давлений на инструмент.Также существенное влияние на силовые режимы штамповки оказывают неоднородность деформации квадратной заготовки и анизотропия механических свойств листовой заготовки.
Неоднородность деформации квадратной заготовки связана с разницей в перемещениях различных ее точек до касания круговой поверхности матрицы, так углы квадратной заготовки касаются поверхности матрицы уже при малых деформациях, в то время как середины сторон квадратов соприкасаются с поверхностью матрицы в конце процесса штамповки. Теоретически оценить влияние указанных факторов на величину удельных давлений и характер течения материала в круговой матрице сложно, к тому же в литературе нет сведений по подобным разработкам, поэтому авторами были выполнены экспериментальные исследования этого процесса закрытой штамповки. Было установлено, что наибольшее влияние на величину удельных давлений и условий заполнения матрицы квадратной заготовкой оказывают следующие факторы: характеристики прочности материала заготовки, отношение диаметра диска к его толщине в конечной стадии штамповки, вид смазки заготовки, форма торца пуансона. Выбор оптимальных составов смазок и использование пуансона, имеющего ступенчатую форму торца, позволило осуществить процесс штамповки дисков из серебра и его сплавов при значениях удельных давлений на пуансоне в диапазоне 800-1000 МПа. Ступенчатая форма торца пуансона показана на фиг.3. В центральной части торцовой поверхности находится круговой участок диаметром d, далее расположен наклоненный под углом α участок и затем следует кольцевой участок с наружным диаметром D, места сопряжения наклонного участка с круговыми поверхностями скруглены радиусами. Величина диаметра d, угла α и значение h выбираются в зависимости от размеров диска, но рекомендуются следующие диапазоны значений: d=(0,4-0,6)D, α=(1-2)°, h=(0,1-0,3) мм. Использование пуансонов с такой формой торцевых поверхностей существенно облегчает течение металла в центральной части квадратной заготовки, особенно после касания углов квадрата круговой поверхности матрицы и позволяет уменьшить величины удельных давлений на пуансоне при штамповке дисков. Диски с большим отношением диаметра к толщине D/h=(40-70) из сплавов цветных и благородных металлов целесообразно изготавливать методом закрытой горячей штамповки из листовых квадратных заготовок с диагональю квадрата, равной диаметру диска на заявляемом устройстве для снижения удельных нагрузок на инструмент и уменьшения усилия пресса.
На фиг.1 показана конструкция устройства для изготовления закрытой штамповкой круговых дисков из листовых квадратных заготовок с диагональю квадрата, равной диаметру диска и взаимное положение его деталей в момент касания пуансоном заготовки.
На фиг.2 в разрезе «А-А» показана форма полости матрицы.
На фиг.3 показана форма торца пуансона.
На фиг.4 показано размещение квадратной заготовки в матрице перед началом штамповки.
На фиг.5 показано взаимное положение деталей устройства в момент окончания процесса штамповки.
На фиг.6 в разрезе «А-А» показана форма готового изделия (диска) после окончания штамповки.
Устройство для изготовления закрытой штамповкой круговых дисков из листовых квадратных заготовок с диагональю квадрата, равной диаметру диска состоит из следующих деталей: верхней плиты 1, пуансона 2, матрицы 3, нижней плиты 4 и выталкивателя 5. Верхняя плита 1 крепится к ползуну пресса. На фиг.1 и фиг.5 фрагменты ползуна пресса показаны тонкими линиями над плитой 1. Нижняя плита 4 установлена и закреплена на столе пресса (на фиг.1 и фиг.5 фрагменты стола пресса показаны тонкими линиями под плитой 4). Пуансон 2 установлен по оси устройства и закреплен на верхней плите 1. Торцовая поверхность пуансона 2 выполнена ступенчатой и состоит из кольцевой, поверхности 6, наружный диаметр которой соответствует диаметру отверстия матрицы 3, конической поверхности 7 с углом образующей 1-2° и центральной поверхности 8, диаметр которой составляет 0,4-0,6 наружного диаметра кольцевой поверхности 6. Матрица 3 имеет четыре паза 9, которые являются щелевыми компенсаторами и служат для приема излишков металла в процессе штамповки. Матрица 3 закреплена на нижней плите 4, которая установлена на столе пресса. Выталкиватель 5 и пуансон 2 перемещаются по отверстию матрицы 3 по скользящим посадкам. Подъем и опускание выталкивателя 5 осуществляются от отдельного привода, имеющегося у пресса, (на фиг.1 и фиг.5 не показан). В матрицу 3 устройства устанавливается листовая квадратная заготовка 10.
Устройство для изготовления закрытой штамповкой круговых дисков из листовых квадратных заготовок с диагональю квадрата, равной диаметру диска работает следующим образом. Квадратная заготовка 10, покрытая смазкой с обоих торцов и по боковой поверхности, укладывается в матрицу 3 на поверхность выталкивателя 5 в позицию, в которой щелевые компенсаторы 9 располагаются напротив середин ее сторон. Такое расположение заготовки 10 показано на фиг.4. Затем включается пресс на ход вниз, и пуансон 2 перемещается по поверхности матрицы 3, деформируя квадратную заготовку 10. Величина хода устанавливается на основании расчета и уточняется в зависимости от точности изготовления квадратных заготовок 10, при оптимальной величине хода обеспечивается полное заполнение матрицы 3 металлом, с получением диска 11 и минимальное вытекание металла в щелевые компенсаторы 9. Взаимное положение деталей устройства в момент окончания деформации показано на фиг.5. Затем пуансон 2 поднимают в исходную позицию и включают механизм выталкивателя пресса на ход вверх, при этом выталкиватель 5 поднимает диск 11 выше торца матрицы 3. В этом положении диск 11 снимают с выталкивателя 5 и удаляют в тару, затем выталкиватель 5 опускается в нижнее положение и цикл штамповки закончен.
В институте физики металлов Учреждении Уральского отделения Российской Академии наук было разработано устройство для изготовления дисков диаметром 40 мм, толщиной 2 мм из серебра 99,99%. Предварительно проводили технико-экономическое сравнение двух видов листовых заготовок (полос) для изготовления этих дисков. Диски изготавливались закрытой штамповкой из квадратных заготовок с размерами 28×28×3,2 мм.
При штамповке экономия металла на один диск составила 65%, при этом коэффициент использования металла равен 97%.
Устройство состоит из следующих деталей: верхней плиты, пуансона, матрицы, выталкивателя и нижней плиты. Верхняя плита крепится к ползуну пресса, а нижняя плита установлена и закреплена к столу пресса. Пуансон с помощью переходных деталей скреплен с верхней плитой и установлен по оси пресса. Нижняя часть пуансона диаметром 40 мм имеет ступенчатую торцевую поверхность. Эта поверхность состоит из центральной части диаметром 16 мм, конической поверхности с углом α=1° и кольцевой поверхности, места сопряжения поверхностей скруглены радиусами r=3 мм. Матрица установлена по оси пресса и скреплена с нижней плитой и имеет диаметр отверстия 40 мм, выталкиватель размещен в нижней части матрицы. Матрица, пуансон и выталкиватель изготовлены из стали XI 2М, ГОСТ 5950-87 и имеют твердость HRC 50..55. Верхняя и нижняя плиты изготовлены из стали 45ХНМФА, ГОСТ 4543-71 и имеют твердость HRC 35..40.
Устройство устанавливалось на гидравлический пресс марки ДБ-2240 усилием 10000 кН. Квадратная заготовка, покрытая олеиновой кислотой с обоих торцов, укладывалась на поверхность выталкивателя в позицию, в которой щелевые компенсаторы располагались напротив середин ее сторон. Затем включали пресс на ход вниз, и пуансон перемещался на холостом ходу до момента касания его торца поверхности заготовки, после чего начинался рабочий ход с номинальной величиной 1,2 мм. После окончания рабочего хода пресс переключали на ход вверх, и пуансон поднимался в исходную позицию, затем включали выталкиватель пресса и отштампованный диск поднимали выше торца матрицы, в этом положении диск снимали с выталкивателя и удаляли в тару. В дальнейшем выталкиватель опускали в нижнее положение и на этом заканчивали цикл штамповки. При штамповке диска диаметром 40 мм максимальное усилие пресса составляло 1100 кН, а удельное давление на пуансоне 870 МПа.