Импульсная машина для обработки давлением листового материала

Предполагаемая полезная модель относится к области обработки материалов давлением и может быть использована для штамповки деталей из листового материала.
Известны устройства для штамповки листового материала, содержащие камеру сгорания, жесткосоединенную с матрицей, в которой осуществляется процесс штамповки (Степанов В.Г., Шавров И.А. Высокоэнергетические импульсные методы обработки металлов. - Л.: Машиностроение, 1975. - С. 59). В этих устройствах процесс штамповки осуществляется под действием давления газа, образующегося при сгорании топливной смеси в камере сгорания. В связи с тем, что давление продуктов сгорания имеет сравнительно невысокое значение, порядка 20…25 МПа, эти устройства используются для штамповки тонкостенных деталей несложной формы.
К заявленному объекту наиболее близким аналогом является импульсная машина для обработки давлением листового материала, содержащая размещенные в корпусе камеру сгорания с узлами подачи и зажигания топливной смеси и рабочий цилиндр, в котором расположен поршень, и жесткосоединенный с корпусом шабот, в полости которого расположен шток с узлом крепления инструмента, причем на свободном торце рабочего цилиндра установлена плита, в которой выполнены сквозное отверстие и охватывающая его кольцевая полость, в которой размещен кольцевой поршень, взаимодействующий с обрабатываемым листовым материалом, при этом в стенке рабочего цилиндра выполнен канал для подачи жидкости в надпоршневую полость рабочего цилиндра (патент на полезную модель РФ №134831, МПК 26/08).
Недостаток известной машины заключается в следующем. Матрица, служащая инструментом для обработки листового материала, закреплена на штоке гидроцилиндра, размещенного в шаботе. При деформировании обрабатываемого материала усилие деформирования через шток передается в гидроцилиндр, и давление в его полости резко увеличивается. Это давление негативно отражается на работе управляющих золотников и других элементов гидросистемы, что снижает долговечность машины. Кроме того, после завершения обработки листового материала совершают возрастно-поступательные движения для извлечения из нее готового изделия. Это, удлиняя рабочий цикл машины, снижает ее производительность.
Технической задачей полезной модели является повышение долговечности и производительности импульсной машины для обработки листового материала.
Технический результат полезной модели достигается тем, что импульсная машина для обработки давлением листового материала содержит размещенные в корпусе камеру сгорания с узлами подачи и зажигания топливной смеси и рабочий цилиндр, в котором расположен поршень, и жесткосоединенный с корпусом шабот, несущий инструмент, причем на свободном торце рабочего цилиндра установлена плита, в которой выполнены сквозное отверстие и охватывающая его кольцевая полость, в которой размещен кольцевой поршень, взаимодействующий с обрабатываемым листовым материалом, а в стенке рабочего цилиндра выполнен канал для подачи жидкости. Кроме того, она содержит установленную в рабочем цилиндре и отхватывающую поршень гильзу, длина которой больше длины поршня, причем гильза соединена с плитой, а внутренняя полость гильзы сообщена с каналом для подачи жидкости.
Предлагаемая импульсная машина схематично показана на фиг. 1 и 2, где на фиг. 1 машина представлена в расходном положении, а на фиг. 2 она показана в момент начала процесса обработки листового материала.
Машина содержит корпус 1, в котором размещены камера сгорания 2 и рабочий цилиндр 3, сообщающиеся между собой при помощи перепускного клапана 4. В рабочем цилиндре 3 установлены поршень 5 и охватывающая его гильза 6. На торце рабочего цилиндра 3 установлена плита 7 со сквозным центральным отверстием, которая при помощи резьбы соединена с гильзой 6. В плите 7 выполнена кольцевая полость 8, в которой установлен кольцевой поршень 9, опирающийся на эластичную шайбу 10. К корпусу 1 при помощи колон 11 и гаек 12 жестко присоединен шабот 13, на котором при помощи резьбы закреплена матрица 14, расположенная соосно с поршнем 5. Камера сгорания 2 снабжена впускным клапаном 15, выпускным клапаном 16 и свечей зажигания 17. В гильзе 6 над торцом поршня 5 расположен слой жидкости 18, например воды. Для подачи жидкости выполнен канал 19 стенки рабочего цилиндра 3, проточка 20 и канал 21 в гильзе 6. Машина установлена на амортизаторах 22, а обрабатываемая листовая заготовка 23 устанавливается на торце кольцевого поршня 9.
1
2
Работа машины осуществляется следующим образом. Через впускной клапан 15 в камеру сгорания 2 подается горючий газ, например природный газ, и сжатый воздух. Образовавшаяся топливная смесь поджигается при помощи свечи 17. В результате сгорания топливной смеси давления в камере сгорания многократно повышается. При этом перепускной клапан 4 открывается и продукты сгорания поступают из камеры сгорания 2 в рабочий цилиндр 4. Под действием давления продуктов сгорания поршень 5 и гильза 6 с плитой 7 ускоренно перемещаются направлении шабота 13, а корпус 1 с шаботом 13 перемещаются в обратном направлении. При этом поршень 5 из-за малости его массы движется более ускоренно, чем гильза 6 с плитой 7. Благодаря этому относительно корпус 1 поршень 5 проходит расстояние 1 а гильза 6 с плитой 7 и кольцевым поршнем 9 проходит расстояние 1. Таким образом, практически одновременно заготовка 23 достигает поверхности матрицы 14, а слой жидкости - поверхности заготовки 23 (фиг. 2). При соприкосновении фланцевой части заготовки 23 матрицы 14 происходит торможение плиты 7 и гильзы 6 за счет сжатия эластичной шайбы 10. Возникающие при этом силы обеспечивают надежный прижим фланцевой части заготовки 23 к матрице 14. При этом под действием движущейся с большой скоростью поршня 5 жидкость деформирует заготовку 23 в полости матрицы 14 - осуществляется процесс штамповки.
После завершения процесса штамповки открывается выпускной клапан 16, и продукты сгорания выпускаются из камеры сгорания 2 и рабочего цилиндра 3. При этом под действием сил тяжести поршень 5 и гильза 6 с плитой 7 возвращаются в исходное положение. Под действием амортизаторов 22 корпус 1 и шабот 13 так же возвращаются в исходные положения. Затем из матрицы 14 извлекают отштампованные изделия, и на торец кольцевого поршня устанавливается новая заготовка. Далее рабочий цикл машины повторяется в той же последовательности.
п
г
Для того чтобы к началу процесса деформирования обрабатываемой заготовки поршень 5 прошел расстояние 1, а гильза 6 прошла расстояние 1 (фиг. 1), параметры поршня 5, гильзы 6 и плиты 7 с кольцевым поршнем 9 должны удовлетворять определенные соотношение. Для его установления определим ускорения поршня 5 и гильзы 6, используя второй закон Ньютона: ,
,
n
г
где a, a - ускорения поршня и гильзы;
n
г
ƒ, ƒ - площадь поперечных сечений поршня и гильзы;
р - давление продуктов сгорания;
n
ж
m, m - масса поршня и жидкости;
г
пл
д
k
з
m, m, m, m, m - массы гильзы, плиты, эластичной шайбы, кольцевого поршня, заготовки.
Из уравнений 1 и 2 получим:
Перемещения поршня и гильзы пропорциональны их ускорениям, т.е.
Тогда из выражений (3) и (4) получим искомое соотношение перемещений поршня и гильзы:
n
г
n
Выполнение соотношения (5) обеспечивается соответствующим подборам площадей поперечных сечений ƒ и ƒ, а также массы поршня m.
В данной машине в отличие от известной машины в шаботе нет гидравлической полости. Потому в процессе обработки заготовки усилие ее деформирования не передается на гидравлическую систему машины, что обеспечивает повышение ее долговечности. Кроме того, по сравнению с известной машиной рабочий цикл машины значительно короче благодаря тому, что матрица не совершает возвратно - поступательные движения для извлечения из ее отштампованного изделия. Это повышает ее производительность.