УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЛИСТОВОЙ ФОРМОВКИ В СОСТОЯНИИ СВЕРХПЛАСТИЧНОСТИ

Предлагаемое устройство относится к области техники, связанной с получением деталей или изделий методом сверхпластической формовки (СПФ). Это процесс формоизменения листовой заготовки под воздействием усилия, создаваемого формующей средой, в качестве которой может выступать газ или жидкость. Основные достоинства СПФ следующие:
1. Большая деформационная способность материла (относительное удлинение до тысячи процентов.
2. Упрощение технологической штамповой оснастки, снижение трудоемкости ее изготовления, вследствие исключения пригонки профилей матрицы и пуансона (последний здесь отсутствует).
3. Небольшие деформирующие усилия, что обеспечивает высокую стойкость штамповой оснастки.
4. Возможность получения сложного рельефа на поверхности изделия, а также возможность получения изделий сложной пространственной формы с одновременным образованием микрорельефа на их поверхности.
При реализации такого процесса листовая заготовка укладывается между матрицей и крышкой, устройство помещается под пресс достаточно большой мощности (развиваемого усилия), которым производится смыкание крышки и матрицы с образованием герметизирующих рифтов не заготовке. Долее, после нагрева до температуры, при которой возникает явление сверхпластичности, в полость между заготовкой и крышкой под заданным давлением подается сжатый газ (инертный, углекислый и т.п.), выполняющий в
этом случае роль пуансона. При этом усилие формовки, которое может достигать, при определенных габаритах изделия, значительной величины, в продолжении всего процесса воспринимается прессом.
Посредством такого процесса возможно получать самые различные по конфигурации изделия.
Известно устройство для реверсивной пневматической формовки куполообразных деталей (см., например, авторское свидетельство СССР №1796318 МКИ В 21 D 26/02), которое содержит соосно установленные матрицу и крышку, на обращенных друг к другу сторонах которых выполнены рабочие поверхности заданных размеров и глубины, образующие рабочую камеру. Оно имеет узлы для нагрева заготовки и для подачи избыточного давления в рабочую камеру, состоящую из полостей в матрице и крышке.
Данное устройство позволяет за два этапа получить изделие довольно сложной конфигурации и среднее по габаритам. Однако к недостаткам известного устройства следует отнести отсутствие конструктивных элементов, позволяющих вести процесс формовки вне пресса. Это снижает автономность, требуя применения специального прессового оборудования. Кроме того, для такой схемы процесса характерна невысокая производительность, что затрудняет применение данного устройства в условиях серийного производства.
Известно также устройство для листовой формовки в состоянии сверхпластичности, выбранное нами в качестве прототипа (см. авторское свидетельство СССР №1687334 МКИ В 21 D 26/02), которое содержит изотермический блок в виде матрицы с нагревательными элементами и крышки со средствами герметизации, закрепленную на траверсе, магистраль подачи газовой рабочей среды, сообщенную с полостью между матрицей и крышкой, средство прижима крышки, расположенное между дополнительной плитой и траверсой, выполненное в виде цилиндрических полых стоек, штоков с закрепленными на них кольцевыми упорами и термобиметаллических элементов
в виде пакетов сферических шайб, а также фиксатор и быстросменный запор для закрепления в рабочем положении плиты со средствами прижима крышки к матрице.
Известное устройство обеспечивает сверхпластическую листовую формовку с одновременной штамповкой фланца заготовки, надежное замыкание формообразующей полости между матрицей и крышкой. Делается это без использования в процессе формовки пресса, обычно необходимого для постоянного прижима и удержания крышки. Это значительно увеличивает автономность устройства, уменьшает потребность в дорогостоящем специальном технологическом оборудовании.
Однако, известное устройство имеет некоторый недостаток, выражающийся в достаточной сложности конструкции, прежде всего, средства прижима крышки к матрице. Порядок сборки и разборки устройства предполагает применение ручных операций манипулирования плитой с траверсой, фиксатором и быстросменным запором. Это снижает производительность и затрудняет автоматизацию процесса получения изделий партиями. В описываемом исполнении известного устройства также затруднено перемещение устройства между рабочими позициями, из-за наличия магистралей подачи газовой рабочей и охлаждающей сред, а также - кабеля для электрообогрева. Этим, в некоторой степени, ограничивается его автономность.
Целью полезной модели является дальнейшее увеличение автономности работы устройства, упрощение его конструкции для последующей автоматизации процесса при формовке изделий вне пресса.
Предлагаемое устройство изображено на иллюстрациях, где на фиг.1 показан его общий вид - разрез в вертикальной плоскости; на фиг.2 дан вид устройства сверху с местным разрезом по механизму прижима крышки к матрице; на фиг.3 представлен вариант исполнения (вид сверху) с дополнительными запирающими элементами для получения особо крупногабаритных изделий; на фиг.4 приведен разрез предлагаемого устройства в исполнении с
повышенной автономностью для автоматизированного производства изделий; на фиг.5 изображена разновидность сменного сопла для подачи сжатого газа с каналами различного направления по отношению к оси отверстия, имеющегося в крышке.
Устройство представляет собой автономный штамповый блок. Оно содержит матрицу 1, преимущественно круглой формы и размещенную в углублении матрицы и поверх нее крышку 2 с элементами герметизации в виде кольцевого выступа треугольного сечения, расположенного над соответствующей по диаметру кольцевой канавкой, выполненной на опорной плоскости матрицы. При необходимости количество выступов и канавок удваивается.
Предусмотрено средство прижима крышки к матрице, которое представляет из себя следующий механизм. В матрице, равномерно по окружности, выполнены сквозные пазы, в которых горизонтально установлены дисковые торцовые кулачки 3, имеющие в вертикальной плоскости рабочий профиль, скошенный под углом равным или меньшим углу самоторможения с увеличением толщины кулачка в направлении их поворота при запирании крышки. Кулачки установлены на закрепленных в матрице вертикальных осях 4, эксцентрично на величину «ε», с возможностью поворота вокруг последних, и жестко соединены с приводными рычагами 5, в которые вмонтированы пальцы 6 с надетыми на них втулками 7. Диаметральные размеры кулачков обеспечивают выступание их рабочей части за наружный контур крышки на величину «а», составляющую, примерно, 3-5 мм.
При необходимости, возникающей при формовке особо крупных изделий, устройство дополнительно может снабжаться запирающими элементами, воспринимающими усилие формовки. Для этого в матрице выполнены радиально расположенные отверстия, в которых также равномерно по окружности размещены подвижные в радиальном направлении запирающие
стержни 8, имеющие клинообразно скошенную под углом самоторможения рабочую часть 9. Ее сечение увеличивается по высоте в направлении к периферии матрицы. Сами же стержни рабочей частью сопряжены со скошенной под таким же углом упорной поверхностью 10 крышки. Угол наклона составляет 4...5°.
Крышка также имеет верхнюю опорную плоскость 11, предназначенную для взаимодействия с плитой установки для опрессовки заготовки герметизирующими элементами и кольцевую проточку 12, которая служит для захвата крышки при разборке устройства. В крышке предусмотрена система отверстий 13 для подачи сжатого газа под рабочим давлением и может устанавливаться сопло 14 с прямым отверстием или со специально выполненными каналами (см. ниже).
Так как предлагаемое устройство предполагается к использованию в серийном или мелкосерийном производстве изделий различной номенклатуры и меняющейся конфигурации, то матрица выполнена составной, дополнительно снабженной сменным профилеобразующим вкладышем 15, выполненным по заданному профилю изделия, и установленным по посадке с гарантированным зазором в центральной расточке матрицы. Во вкладыше выполнена профилеобразующая полость 16 будущего изделия. В матрице предусмотрены отверстия 17 для выталкивания указанного вкладыша вместе с изделием по окончании процесса формовки выталкивателями (на чертеже не показаны, т.к не входят в описываемое устройство).
Листовая заготовка 18 служит для получения готового изделия 19.
Для повышения качества формуемого изделия и улучшения заполняемости материалом формообразующей полости путем удаления из нее воздуха, создающего противодавление, в частях указанной полости, заполняемых материалом в последнюю очередь, предусмотрены микроканалы 20, по размерам достаточные для отвода воздуха, но исключающие возможность затекания в них материала заготовки. Размер их в поперечном сечения составляет примерно 0,1 мм.
Как вариант конструктивного исполнения, для повышения автономности и обеспечения непрерывности процесса получения изделий, устройство может быть снабжено цилиндрической надставкой 21, закрепленной на крышке с помощью винтов 22 и снабженной штуцером 23, в котором размещен шарик 24, образующий обратный клапан в системе подачи сжатого газа. Таким образом, между указанной надставкой и крышкой устройства образуется замкнутая герметичная полость 25, выполняющая роль ресивера, создающего запас газа для завершения процесса формовки. Объем полости выполняется равным или большим, чем объем получаемого изделия с учетом величины рабочего давления газа.
Устройство также может содержать кольцевую полостью 26, которая заполнена материалом, имеющим теплоемкость большую чем материал матрицы. Указанная полость закрыта кольцевым уплотнением 27.
Как вариант конструктивного исполнения сопло для подачи сжатого газа может иметь каналы 28, выполненные под углом к оси основного отверстия в крышке. Угол их наклона, в этом случае, составляет 30-90°.
Работа предлагаемого устройства осуществляется в следующей последовательности.
Получение изделия 19 производится в нескольких рабочих позициях. В первой (загрузочной) позиции автоматической линии, где предусмотрена технологическая установка небольшой мощности для обжатия устройства с целью получения герметизирующих элементов-рифтов на листовой заготовке 18, последняя укладывается в матрицу 1, в которую заранее установлен соответствующий профилю получаемого изделия вкладыш 15. Приводные рычаги 5 находятся в исходном положении по углу поворота и не препятствуют установке крышки 2. На фиг.2 они показаны штрихпунктирной линией. Крышка опускается, удерживаемая подпружиненными захватами за кольцевую проточку 12, которые предусмотрены в технологической установке, и происходит обжим заготовки с приложением усилия на верхнюю опорную поверхность 11 крышки плитой установки. Далее с помощью привода, например,
в виде вращающегося диска со спиральными пазами, также являющегося частью установки, производится одновременный поворот против часовой стрелки дисковых торцовых кулачков 3 вокруг осей 4 посредством рычагов 5, через пальцы 6 и втулки 7. Последние предназначены для уменьшения трения.
По мере поворота кулачков 3, за счет эксцентриситета «ε» крепления последних на осях 4, рабочая часть кулачков выступает из матрицы 1 на величину «а», и крышка плотно запирается, прижимаясь к матрице за счет рабочего профиля кулачков, имеющего подъем в направлении их поворота. При этом воздействие на крышку торцовых кулачков 3 происходит по ее наклонной поверхности 10. Горизонтальное размещение кулачков в сквозных пазах цельной матрицы, когда при формовке они работают на срез и могут воспринимать большие усилия, исключает возможность самопроизвольного раскрытия устройства и утечки газа.
Если производится формовка более крупных по габаритам изделий, то могут быть использованы дополнительно запирающие стержни 8, приводимые в движение в радиальном направлении соответствующим приводом и взаимодействующие с крышкой 2 скошенной под углом самоторможения поверхностью 9.
Плита технологической установки уходит вверх, а подпружиненные захваты проскальзывают и выходят из проточки 12 уже закрепленной кулачками крышки 2.
После этого устройство подвергается нагреву до температуры, при которой появляется эффект сверхпластичности материала изделия, а вместе с ним прогревается и заготовка 18. Устройство позволяет осуществлять его нагрев в специальном узле с электрообогревом ТЭНами (на фиг.1 он показан тонкими штрихпунктирными линиями), либо в печи, куда устройство в собранном виде подается для продолжения процесса.
После прогрева устройства в него через систему отверстий 13 и сопло 14 подается сжатый газ требуемого давления. По мере заполнения формообразующей полости 16 материалом заготовки 18, воздух, запертый в пространстве между матрицей и заготовкой постепенно выходит в атмосферу, вначале по зазору матрицы 1 с вкладышем 15 матрицы и отверстия 17, а затем через микроканалы 20. Этим обеспечивается более равномерное заполнение формообразующей полости 16 и повышается качество самого изделия.
Происходит процесс формовки изделия, сопровождающийся заданной выдержкой времени. В этот период устройство находится вне установки, что обусловливается его автономностью. Выполнение всего процесса формовки в разных рабочих позициях позволяет увеличить его производительность за счет совмещения по времени отдельных переходов, особенно при использовании комплекта из нескольких устройств.
По окончании формовки устройство подается в позицию разгрузки, где поворотом в обратном направлении рычагов 5 дисковые торцовые кулачки 3 освобождают крышку 2, и она снимается подпружиненными захватами технологического устройства. Готовое изделие 19, посредством вкладыша 15 матрицы и толкателей (на чертеже не показаны), извлекается из устройства.
В случае применения варианта конструктивного исполнения устройства, показанного на фиг.4, сжатый газ под избыточным давлением подается через штуцер 23 и обратный клапан с шариком 24 в замкнутую полость 25, между цилиндрической надставкой 21 и крышкой 2. Указанная полость образует собой ресивер, в котором создается запас газа, необходимый для поддержания требуемого давления формовки изделия без постоянного подвода газа извне. Для предотвращения выхода газа из этой полости применен обратный клапан, размещенный в упомянутом штуцере в виде шарика 24, который запирает отверстие в штуцере под действием давления газа в полости 25. Объем ресивера рассчитывается с учетом габаритов получаемого изделия и
величины рабочего давления газа при формовке. В таком виде устройство может перемещаться независимо от источника сжатого газа.
Наличие в матрице 1 кольцевой полости 26, ограниченной уплотнением 27 и заполненной веществом с более высокой теплоемкостью, чем материал матрицы (например, керамикой), способствует снижению энергозатрат на периодический подогрев устройства, которое перемещается между рабочими позициями. Так после исходного нагрева устройства до заданной температуры, в процессе работы она будет более стабильной, а для дополнительного подогрева потребуется меньше энергии.
При получении изделий более сложной конфигурации, выполнение в сопле 14 выходных каналов 28 расположенных под углом к оси отверстия для подачи сжатого газа в крышке 2, способствует направленному течению металла заготовки 18, более равномерному заполнению формообразующей полости 16 и получению требуемой равнотолщинности изделия 19.
Выполнение устройства для листовой формовки по предложенной схеме позволяет дополнительно увеличить его автономность при достаточной простоте конструкции, расширить технологические возможности, а также создать предпосылки для автоматизации процесса и повышения его производительности. При этом не потребуется применять прессы больших усилий.
Назначение предлагаемого устройства - обеспечение процесса формовки вне пресса, либо специальной установки, развивающей большое усилие. Учитывая значительное время формообразования деталей при СПФ, можно попытаться, придав технологической оснастке (штамповому блоку) достаточную автономность, разнести по времени такие переходы как:
1. Закладка заготовки и смыкание матрицы и крышки.
2. Разогрев устройства.
3. Подача сжатого газа для формообразования.
4. Выдержка под давлением,
5. Размыкание формы с извлечением готового изделия.
Затем, применив комплект из нескольких устройств, можно организовать и процесс по параллельной схеме на специально спроектированной автоматизированной установке, что значительно повысит производительность.
Появляется возможность многономенклатурного выпуска изделий разнообразных форм и размеров небольшими сериями. Высвобождается дорогостоящее прессовое оборудование. Сокращаются занимаемые таким оборудованием производственные площади. Имеются предпосылки автоматизации такого процесса.
Можно привести некоторые виды изделий к выпуску с использованием предлагаемого устройства: изделия художественно-декоративного назначения (медальоны, пряжки, рамки фотографий, пуговицы, портсигары, светильники, детали уличных фонарей, элементы дизайна каминов, мебельная фурнитура, посуда, подрозетники, декоративные настенные украшения, элементы церковной утвари и т.п.). Возможно получение и более габаритных изделий эксклюзивного содержания, например, декоративных накладных дисков автомобильных колес. Последние, помимо геометрических фигур и орнаментов, могут снабжаться индивидуальной символикой (номера машин, стилизованные знаки зодиака, напутственные пожелания и т.п.).