ШТАМП ДЛЯ ГЛУБОКОЙ ВЫТЯЖКИ ОСЕСИММЕТРИЧНЫХ ДЕТАЛЕЙ
DIE FOR DEEP DRAWING OF AXIALLY SYMMETRIC PARTS

Изобретение относится к области обработки металлов давлением и может быть использовано во всех отраслях машиностроения для глубокой вытяжки деталей из листовых материалов.
7
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, МПК B21D 22/22, 24/04. Опубл. 10.07.2005].
<mrow><mfrac><mi>s</mi><mi>D</mi></mfrac><mn>100</mn><mi>%</mi><mo>≥</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1,0</mn><mo>−</mo><mn>1,5</mn></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
К недостаткам данного устройства можно отнести следующее: конструкция устройства сложна в изготовлении и малопроизводительна, применение устройства ограничено толщиной штампуемой заготовки
, используется для высокопластичных материалов.
6
Известен штамп для глубокой вытяжки цилиндрических деталей [Патент №2072271, МПК 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.
4
Наиболее близким техническим решением является штамп с использованием упругого прижима [А.с. 1400723, СССР, МКИ 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.
max
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 максимальную величину разнотолщинности на фланце.
Внутренний и внешний радиусы прижима 2 и матрицы 3 определяются исходя из геометрических размеров детали.
max
Под действием усилия прижим 2 и матрица 3 должны прогнуться на величину Δs, а после снятия нагрузки принять начальную форму.
Условие пластичности по максимальным касательным напряжениям имеет вид:
θ
ρ
0,2
σ=σ-σ,
θ
где σ - окружные напряжения;
p
σ - меридиональные напряжения;
0,2
σ - предел текучести.
Радиус независимой переменной изменяется в пределах:
д
H
r≤ρ≤R,
д
где r - радиус детали;
H
R, ρ - радиусы соответственно кромки заготовки и рассматриваемого элемента заготовки.
Разнотолщинность определяется по формуле:
max
min
Δs=s-s,
max
min
где s и s - 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:
<mrow><mi>t</mi><mi>g</mi><mi>ϑ</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>S</mi><mrow><mi>max</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>r</mi><mn>2</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>r</mi><mn>1</mn></msub></mrow></mfrac></mrow>
,
max
где Δs - максимальная разнотолщинность на фланце,
1
2
r, r - внутренний и наружный радиусы матрицы и прижима.
Так как угол поворота мал, то tgϑ=ϑ.
Максимальная стадия разнотолщинности на фланце определяется по формуле:
max
кромки
матрицы
Δs=s-s,
кромки
где s - толщина кромки,
матрицы
s - толщина матрицы.
Толщина кромки определяется по формуле:
<mrow><msub><mi>s</mi><mrow><mi>к</mi><mi>р</mi><mi>о</mi><mi>м</mi><mi>к</mi><mi>и</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mi>s</mi><msqrt><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>R</mi><mrow><mi>з</mi><mi>а</mi><mi>г</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>R</mi><mrow><mi>ф</mi><mi>л</mi><mi>а</mi><mi>н</mi><mi>ц</mi><mi>а</mi></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow></msqrt></mrow>
где s - толщина заготовки,
заг.
R - радиус заготовки,
фланца
R - радиус фланца.
Толщина матрицы определяется по формуле:
<mrow><msub><mi>s</mi><mrow><mi>м</mi><mi>а</mi><mi>т</mi><mi>р</mi><mi>и</mi><mi>ц</mi><mi>ы</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mi>s</mi><msqrt><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>R</mi><mrow><mi>з</mi><mi>а</mi><mi>г</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>R</mi><mrow><mi>м</mi><mi>а</mi><mi>т</mi><mi>р</mi><mi>и</mi><mi>ц</mi><mi>ы</mi></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow></msqrt></mrow>
где s - толщина заготовки,
заг.
R - радиус заготовки,
матрицы
R - радиус матрицы.
Усилие прижима определяется по формуле:
<mrow><mi>q</mi><mo>=</mo><mfrac><mi>Q</mi><mrow><mi>π</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msubsup><mi>R</mi><mi>i</mi><mn>2</mn></msubsup><mo>−</mo><msup><mi>ρ</mi><mn>2</mn></msup></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac></mrow>
где Q - полное усилие прижима,
i
R - радиус кромки заготовки,
ρ - радиус рассматриваемого элемента заготовки.
Полное усилие упругого прижима равно:
<mrow><msub><mi>Q</mi><mn>0</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mi>c</mi></mfrac><msub><mi>ω</mi><mn>0</mn></msub><mrow><mo>[</mo><mrow><mo>−</mo><mfrac><mrow><mn>4</mn><msup><mi>π</mi><mn>2</mn></msup><mi>l</mi></mrow><mrow><mn>4</mn><msubsup><mi>a</mi><mi>к</mi><mn>2</mn></msubsup><mi>b</mi></mrow></mfrac><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>σ</mi><mrow><mi>θ</mi><mi>с</mi><mi>р</mi></mrow></msub><mi>s</mi><msup><mi>b</mi><mn>2</mn></msup><msub><mi>N</mi><mi>к</mi></msub><mo>+</mo><mfrac><mn>4</mn><mn>3</mn></mfrac><msup><mi>π</mi><mn>2</mn></msup><msub><mi>E</mi><mi>p</mi></msub><mi>J</mi><msub><mi>M</mi><mi>к</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow>
где s - толщина заготовки,
<mrow><msub><mi>E</mi><mi>p</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>σ</mi><mi>i</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>ε</mi><mi>i</mi></msub></mrow></mfrac></mrow>
- модуль пластичности изотропного материала,
- момент инерции,
<mrow><mi>s</mi><mo>'</mo><mo>=</mo><mfrac><mi>s</mi><mrow><mn>2</mn><msub><mi>R</mi><mi>з</mi></msub></mrow></mfrac></mrow>
- относительная толщина листовой заготовки,
к
a, b - размеры критического элемента фланца, на котором образуются гофры,
k
k
N и M - константы потери устойчивости.
0
ω - величина перемещения от дополнительных усилий выпрямления волны,
с - константа упрочнения материала заготовки.
Величина r находится из формулы:
<mrow><mi>g</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>D</mi><mi>ϑ</mi></mrow><mrow><msup><mi>r</mi><mn>3</mn></msup></mrow></mfrac></mrow>
где D - изгибная жесткость пластины, определяемая по формуле:
<mrow><mi>D</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>E</mi><mo>⋅</mo><msup><mi>h</mi><mn>3</mn></msup></mrow><mrow><mn>12</mn><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><msup><mi>μ</mi><mn>2</mn></msup></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac></mrow>
,
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:
<mrow><mi>g</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>E</mi><msup><mi>h</mi><mn>3</mn></msup><mo>⋅</mo><mi>Δ</mi><msub><mi>s</mi><mrow><mi>max</mi></mrow></msub></mrow><mrow><mn>9</mn><msup><mi>r</mi><mn>3</mn></msup><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>r</mi><mn>1</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>r</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><msup><mi>μ</mi><mn>2</mn></msup></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac></mrow>
где Е - модуль упругости,
h - высота матрицы,
max
Δs - максимальная разнотолщинность на фланце заготовки,
1
2
r - переменный радиус, изменяется от r до r,
1
2
r, r - внутренний и наружный радиусы матрицы и прижима,
µ - коэффициент Пуассона.
Тогда высоты прижима и матрицы определяются по формулам:
<mrow><msub><mi>h</mi><mrow><mi>п</mi><mi>р</mi><mi>и</mi><mi>ж</mi><mi>и</mi><mi>м</mi><mi>а</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mroot><mrow><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>g</mi><mo>⋅</mo><mn>12</mn><msup><mi>r</mi><mn>3</mn></msup><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>r</mi><mn>1</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>r</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><msup><mi>μ</mi><mn>2</mn></msup></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mi>E</mi><mi>Δ</mi><msub><mi>s</mi><mrow><mi>max</mi></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow><mn>3</mn></mroot></mrow>
<mrow><msub><mi>h</mi><mrow><mi>м</mi><mi>а</mi><mi>т</mi><mi>р</mi><mi>и</mi><mi>ц</mi><mi>ы</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mroot><mrow><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>g</mi><mo>⋅</mo><mn>9</mn><msup><mi>r</mi><mn>3</mn></msup><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>r</mi><mn>1</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>r</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><msup><mi>μ</mi><mn>2</mn></msup></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mi>E</mi><mi>Δ</mi><msub><mi>s</mi><mrow><mi>max</mi></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow><mn>3</mn></mroot></mrow>
где g - интенсивность поверхностной нагрузки,
1
2
r - переменный радиус, изменяется от r до r,
1
2
r, r - внутренний и наружный радиусы матрицы и прижима,
µ - коэффициент Пуассона,
Е - модуль упругости,
max
Δs - максимальная разнотолщинность на фланце заготовки.
Величина r находится из формулы:
<mrow><mi>g</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>D</mi><mi>ϑ</mi></mrow><mrow><msup><mi>r</mi><mn>3</mn></msup></mrow></mfrac></mrow>
где D - изгибная жесткость пластины, определяемая по формуле:
<mrow><mi>D</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>E</mi><mo>⋅</mo><msup><mi>h</mi><mn>3</mn></msup></mrow><mrow><mn>12</mn><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><msup><mi>μ</mi><mn>2</mn></msup></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac></mrow>
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.
заг
Использование штампа с упругими прижимом и матрицей для глубокой вытяжки осесимметричных деталей позволяет получать тонкостенные заготовки S/D<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».