ЛИСТОВАЯ ЗАГОТОВКА ДЛЯ ШТАМПОВКИ ИЗДЕЛИЙ ТИПА ДИСКОВ

Полезная модель относится к области обработки металлов давлением, а именно, к изготовлению листовых заготовок для штамповки круговых дисков.
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.
Основным видом заготовки для получения дисков является лист, имеющий в плане форму прямоугольника, при этом основным методом изготовления круговых дисков из листа является процесс вырубки, который осуществляется с использованием вырубных штампов. В источнике информации «Справочник конструктора штампов: Листовая штамповка. Под общей редакцией Л.И.Рудмана. М: Машиностроение, 1988. С.10, 58, 73, 109» приводятся рекомендации по методам вырубки дисков из полосы и различным конструкциям вырубных штампов. Для изготовления 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. 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, определяемая формулой
д
где: М - масса единицы листа, применяемого для вырубки в кг, n - число изделий (дисков), получаемых в результате вырубки в штуках.
и
Известно, что при разрезке полосы на квадраты с помощью гильотинных ножниц или односторонней отрезке в штампе с параллельными гранями пуансона и матрицы отсутствуют перемычки и коэффициент использования металла К=0,96…0,98. Потери металла в этом случае связаны только с концевыми отходами. Если квадраты имеют объем, равный объему диска, то при определенном соотношении размеров квадрата и диска появляется возможность изготовления дисков из квадратов методом закрытой штамповки.
и
Анализ литературы и данных производственной деятельности ряда предприятий показывает, что при вырубке в штампах круговых дисков из полосы коэффициент использования металла К=0,5…0,6, следовательно, от 40 до 50% материала затрачивается на отходы, поэтому актуально разработать методы и устройства, позволяющие существенно увеличить коэффициент использования металла.
д
Известна конфигурация заготовки для изготовления дисков в виде квадратной в плане заготовки, описанная в способе изготовления изделий типа дисков из листовых квадратных заготовок (патент РФ №2040999) Квадратная листовая заготовка описывается длиной диагонали L, определяемой из следующего соотношения:
до .
изд
заг
где: D - диаметр готового изделия; Н - высота исходной заготовки, перед ее установкой в матрицу.
изд
заг.
изд
Варьируя размеры диагонали поперечного сечения исходной заготовки в пределах от D+Н до 1,41D, при одной и той же толщине исходной заготовки можно получать дисковые изделия одного диаметра с различной конечной толщиной. Это изменение по толщине может достигать 15…20%. Исходную листовую квадратную в плане заготовку, полученную резкой на пресс-ножницах, устанавливают на матрицу, фиксируя углами в прямоугольных углублениях регулируемых планок. При включении пресса в работу его стол поднимается вверх, а вместе с ним и матрица, выталкиватель и исходная заготовка. При этом обкатывающий пуансон вначале входит в матрицу и центрируется по ней, затем он оказывает силовое воздействие на заготовку и под действием острых кромок матрицы и пуансона происходит отрубка (отделение) углов. При дальнейшем движении стола вверх полуфабрикат с отрубленными углами раскатывается обкатывающим пуансоном до диска. После опускания стола пресса вниз готовое изделие выталкивается из матрицы выталкивателем. Отштампованное изделие и отходы удаляются, а выталкиватель возвращается в исходное положение.
Применение квадратной в плане заготовки при использовании приемов, описанных выше, может быть осуществлено только при наличии специализированного прессового оборудования, снабженного механизмами, обеспечивающими отделение углов заготовки и ее раскатку обкатывающим пуансоном заготовок до кругового диска. Подобное оборудование в настоящее время не выпускается промышленностью. Таким образом, недостатком аналога является ограниченные технологические возможности обработки заготовки такой формы.
Наиболее близким к заявляемому объекту по технической сущности является квадратная заготовка с диагональю, равной диаметру диска, которая применяется для штамповки дисков [Патент РФ №112853]. Листовая заготовка для штамповки изделий типа дисков выполнена в виде фрагмента листа, имеющего форму квадрата в плане, при этом толщина квадратной заготовки выбирается из условия равенства объемов заготовки и диска. Квадратная заготовка, покрытая смазкой с обоих торцов и по боковой поверхности, укладывается в матрицу на поверхность выталкивателя, затем включается пресс на ход вниз, и пуансон перемещается по поверхности матрицы, деформируя квадратную заготовку. Величина хода устанавливается на основании расчета и уточняется в зависимости от точности изготовления квадратных заготовок, при оптимальной величине хода обеспечивается полное заполнение матрицы металлом, с получением диска и минимальное вытекание металла в щелевые компенсаторы. Размеры заготовки выбираются из соотношения D=L+2z, где D - диаметр отверстия матрицы, L - диагональ квадратной заготовки, z - односторонний зазор между углом квадратной заготовки и отверстием матрицы.
В справочнике Холодная объемная штамповка том 3. /Под редакцией Г.А.Навроцкого/ М.: Машиностроение, 1987 г., 384 с, для расчета максимального удельного давления на инструмент при осадке заготовки произвольной формы в плане рекомендуют следующую формулу:
2
*
s
где: µ - коэффициент трения при осадке, F - площадь поперечного сечения изделия после осадки в мм, h - высота изделия в конечный момент осадки в мм. σ  - приведенное напряжение течения.
s
*
В этой же книге рекомендуют определять величину σ  для отожженных, упрочняющихся материалов по формуле:
в
в
где: σ - предел прочности материала при растяжении, для сплава СрМ 960, σ=260 МПа, при испытаниях в мягком состоянии, Ψ - степень деформации материала при осадке.
в
s
2
*
Мы выполняли расчет удельных давлений на пуансоне по формуле (3) при штамповке квадрата 28×28×3,2 мм в диск диаметром 40 мм, толщиной 2 мм, материал дисков сплав серебра СрМ 960. При расчете примем Ψ=0,36, σ=260 МПа, µ=0,15, площадь диска диаметром 40 мм равна F=1256 мм, при этом σ =0,9×260×(1+2×0,36)=403 МПа;
.
Выполняли также расчет усилия осадки S квадрата в диск в конечной стадии формоизменения
S=p×F=830×1256=1043 кН.
Таким образом, на основании этих расчетов и серии экспериментов по определению величин удельных давлений на пуансоне и усилий штамповки квадратных заготовок с диагональю квадрата равной диаметру диска установлено:
s
s
*
*
1. Штамповка квадратных заготовок с диагональю квадрата равной диаметру диска, для изготовления дисков различных диаметров всегда осуществляется с большой степенью деформации ~ 36%. При такой степени деформации материала заготовки сильно возрастает величина приведенного напряжения течения σ . Эта величина становится больше σ  - предела прочности материала заготовки в 1,5-1,6 раза, из-за этого сильно возрастают удельное давление на инструмент и усилие штамповки.
2. Значительный вклад в увеличение величины удельного давления на инструмент p вносят также такие факторы: неоднородность деформации квадратной заготовки, анизотропия механических свойств листовой заготовки и большая площадь поверхности трения заготовки при заполнении круговой матрицы. Ориентировочно эти факторы увеличивают величину удельного давления на инструмент на 15-20%.
s
B
*
3. Эксперименты и расчеты показали, что при значениях коэффициента трения (µ=0,1-0,15, степени деформации Ψ=0,36, и приведенного напряжения течения- σ =(l,5-l,6)σ, необходимо, чтобы, величина , чтобы изготовить диски с отношением D/h=15-25 за одну операцию штамповки из материалов с пределом прочности на растяжение не более 260 МПа
4. Таким образом, использование квадратной заготовки с диагональю квадрата равной диаметру диска, позволяет изготовить диски за одну операцию только из материалов с низкой прочностью и ограниченным диапазоном соотношений размеров D/h.
и
В основу создания полезной модели поставлена задача разработать такую форму листовой заготовки, которая позволит штамповать диски за одну операцию со степенью деформации ψ~15% и коэффициентом использования металла К~93%. За счет этого расширяется диапазон типоразмеров дисков D/h, изготавливаемых из этой заготовки по сравнению с квадратной заготовкой с диагональю, равной диаметру диска.
а
a
Поставленная задача решается тем, что листовая заготовка для штамповки изделий типа дисков выполнена в виде фрагмента листа, имеющего форму квадрата в плане. Она отличается тем, что длина стороны квадрата  определяется из соотношения =(1,66-1,73)R, где R - радиус диска, а при углах квадрата выполнены фаски, имеющие длину m=(0,42-0,48)R. Сущность предложения заключается в том, что при выполнении фасок достигается более полное заполнение штампа металлом уже в начальный момент времени. Поэтому для заполнения штампа во время последующего формоизменения минимизируются перемещения частиц металла, и на штамповку требуется затратить меньше энергии, чем по наиболее близкому к объекту техническому решению.
На фиг.1 показана форма листовой заготовки, вписанной в диск радиусом R, штриховыми линиями показан квадрат, из которого изготавливается заготовка, а также обозначения линий и углов, необходимых для построения контура заготовки;
На фиг.2 показаны форма и обозначения размеров листовой заготовки для штамповки диска диаметром D;
На фиг.3 показан диск диаметром D, полученный из листовой заготовки штамповкой.
Сущность предложения поясняется следующими расчетами и опытными данными.
а
и
Пример 1. Расчетные данные при выполнении профиля заготовки по заявляемому решению. Выполняли построение контура листовой заготовки, форма которой представлена на фиг.1. Эта заготовка изготавливалась из квадрата, имеющего стороны длиной . Углы квадрата отделены фасками длиной m, которые пересекаются с окружностью радиусом R. Листовая заготовка такой формы вписана в окружность, благодаря чему можно осуществить штамповку круговых дисков радиусом R за одну операцию, со степенью деформации ψ~15% и коэффициентом использования металла К~93%. Покажем, что штамповка такого диска осуществляется при более низких величинах удельных давлений и усилий штамповки по сравнению с квадратной заготовкой, имеющей диагональ равную диаметру диска.
Рассчитывали размеры листовой заготовки, предназначенной для штамповки кругового диска диаметром 60 мм. Все размеры и углы, необходимые для расчета показаны на фиг.1. Сторона квадрата а определяется из соотношения:
°
°
°
Из геометрии угол β определяется по соотношению: β=90-2α=90-64°=26°. Угол γ=45°.
Длина фаски m определяется по соотношению:
Рассчитывают площадь листовой заготовки, предназначенной для штамповки кругового диска диаметром 60 мм. Форма заготовки и диска показаны на фиг.2 и фиг.3. Площадь заготовки определяется по соотношению:
a
2
1
где  - длина стороны квадрата в мм, S - площадь треугольника cdb в мм, h - высота de треугольника cdb в мм;
.
.
.
2
2
1
2
2
2
Площадь диска диаметром 60 мм F=π×D/4=3,14×60/4=2826 мм, толщина диска s=1 мм. Толщина листовой заготовки, определенная из условия постоянства объема, s=1,17 мм. Степень деформации при штамповке листовой заготовки в диск диаметром 60 мм определяли по соотношению:
2
1
2
Ψ=(F-F)/F=(2826-2416)/2826=0,145~15%.
3
Рассчитывали массу квадрата 5,1×5,1×0,117 см, из которого после отделения углов изготавливается листовая заготовка. Материал заготовки и диска сплав серебра СрМ 960, плотность этого сплава ρ=10,43 г/см.
кв
М=5,1×5,1x0,117×10,43=31,74 г
Рассчитывали массу диска диаметром 60 мм и толщиной 1 мм
д
2
М=3,14×6,0/4×0,1×10,43=29,47 г
Рассчитывали коэффициент использования металла
и
К=29,47/31,74=0,928~0,93.
1
в
2
2
2
Выполняли расчет удельных давлений на пуансоне по формуле (3) при штамповке листовой заготовки, имеющей площадь F=2416 мм и толщину 1,17 мм в диск диаметром 60 мм, толщиной 1 мм. При расчете принимали Ψ=0,15, σ=260 МПа, µ=0,15, площадь диска диаметром 60 мм F=2826 мм.
s
*
σ =0,9×260×(1+2×0,15)=304 МПа.
.
a/a
a
Рассчитывали относительное смещение срединной линии квадратной заготовки до касания матрицы Δ=(2R-)/2R=(60-51)/60=0,15=15%, а абсолютная величина одностороннего смещения средней точки квадрата составит - Δа=(60-51)/2=4,5 мм. Таким образом, процесс штамповки квадрата 51×51×1,17 мм, в диск диаметром 60 мм осуществлялся при небольшой неоднородности деформации и уменьшенной площади поверхности трения заготовки об инструмент в процессе штамповки.
Выполняли расчет усилия штамповки S листовой заготовки в диск в конечной стадии формоизменения
S=p×F=1270×2826=3590 кН.
Пример 2. Опытные данные при выполнении профиля заготовки по заявляемому решению. В опыте по предлагаемому техническому решению применяли квадратные заготовки с фасками с размерами 51×51×1,17 мм с размерами фасок, приведенными выше. Использовали пуансон с плоским торцом нижней поверхности диаметром 60 мм. Максимальное усилие пресса составило ~3000 кН, а удельное давление на пуансоне ~1060 МПа. При этом было достигнуто заполнение штампа за одну операцию.
Пример 3. Расчетные данные при применении заготовки по наиболее близкому к объекту техническому решению.
в
2
Для сравнения выполняли расчет удельных давлений на пуансоне по формуле (3) при штамповке квадрата 42,4×42,4×1,57 мм, в диск диаметром 60 мм и толщиной 1 мм, материал дисков сплав СрМ 960. Эта квадратная заготовка имеет диагональ, равную диаметру диска. При расчете принимали Ψ=0,36, σ=260 МПа; µ=0,15, площадь диска диаметром 60 мм F=2826 мм.
s
*
σ =0,9×260×(1+2x0,36)=403 МПа;
.
Выполняли расчет усилия осадки S квадрата в диск в конечной стадии формоизменения
S=p×F=1690×2826=4760 кН
a
Расчетные величины удельных давлений на пуансоне и усилий штамповки квадрата 42,4×42,4×1,57 мм, в диск диаметром 60 мм имеют высокие значения. Оценивали относительное смещение срединной линии квадратной заготовки до касания матрицы Δa/a=(2R-a)/2R=(60-42,4)/60=0,293~30%, а абсолютная величина одностороннего смещения средней точки квадрата составит - Δ=(60-42,4)/2=8,8 мм. Таким образом, процесс штамповки квадрата 42,4×42,4×1,57 мм, в диск диаметром 60 мм характеризуется большой неоднородностью деформации и значительной площадью поверхности трения заготовки об инструмент в процессе штамповки.
Пример 4. Опытные данные при применении заготовки по наиболее близкому к объекту техническому решению.
В опыте с заготовкой по наиболее близкому к объекту техническому решению применяли квадратные заготовки без фасок с размерами: 42,4×42,4 ×1,57 мм. Штамповку выполняли при усилии 4500 кН и получили квадрат 56×56×1,1 мм, скругленный радиусами R=30 мм. Степень деформации при штамповке составила 30%, а удельные давления на пуансоне p=1750 МПа. В дальнейшем проводились опыты по штамповке квадрата 56×56×1,1 мм, скругленного радиусами R=30 мм за вторую операцию штамповки при усилии 4500 кН без промежуточного отжига, но получить диск диаметром 60 мм не удалось.
Аналогичные результаты были получены при штамповке квадратных заготовок, покрытых грунтовкой, пуансоном с плоским торцом нижней поверхности. В этих опытах при усилиях 4500 кН получили квадрат 54×54×1,12 мм, скругленный радиусами R=30 мм. Степень деформации при штамповке составила 28%, а удельные давления на пуансоне р=1790 МПа. В дальнейшем проводили опыты по штамповке квадрата 54×54×1,12 мм, скругленного радиусами R=30 мм за вторую операцию штамповки при усилии 4500 кН без промежуточного отжига, но получить диск диаметром 60 мм не удалось. Анализ экспериментов показал, что изготовить диск диаметром 60 мм из квадратной заготовки без фасок с размерами: 42,4×42,4×1,57 мм за одну операцию штамповки при улучшенных условиях трения и высоких величинах удельных давлений р~1800 МПа невозможно.
Приведенные выше расчеты удельных давлений и усилий штамповки двух видов квадратных заготовок в диски диаметром 60 мм показали, что применение предлагаемой листовой заготовки с фасками позволяет осуществить процесс изготовления диска при величинах удельных давлений и усилий на (30-35)% меньших, чем при штамповке квадратной заготовки с диагональю равной диаметру диска. Экспериментальные значения этих величин и их различия оказались еще выше, с учетом неоднородности деформации квадратной заготовки в круговой матрице, анизотропии механических свойств листовой квадратной заготовки и существенной разницы площадей поверхности трения при заполнении круговой матрицы.
и
Таким образом, применение квадратной заготовки с фасками, имеющей контур, построенный по предлагаемой в патенте формуле, позволяет снизить усилия деформации и удельные нагрузки на инструмент и обеспечивает заполнение профиля штамповки за одну операцию. По отношению к заготовкам - аналогам в виде листов, прямоугольных в плане, с применением операции вырубки круглых заготовок, достигается высокий коэффициент использования металла на уровне К=0,93.