УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЛИСТОВОЙ ГАЗОВОЙ ШТАМПОВКИ

Предполагаемая полезная модель относится к области обработки материалов давлением и может быть использована для штамповки деталей из листового материала, преимущественно, в мелкосерийном и опытном производствах.
Известны устройства для листовой газовой штамповки, содержащие камеру сгорания и матрицу, между которыми располагается штампуемая заготовка (Степанов В.Г., Шавров И. А. Высокоэнергетические импульсные методы обработки металлов. Л.: Машиностроение, 1975. - С. 63). В этих устройствах процесс штамповки осуществляется под действием давления газа, образующегося при сгорании горючих газовых смесей, например природного газа и кислорода.
К заявленному объекту наиболее близким аналогом является устройство для листовой штамповки взрывом газовых смесей, содержащее соосно установленные матрицу с внутренней полостью и камеру сгорания, снабженные средствами для подачи и зажигания газовой смеси и выпуска продуктов сгорания, а также охватывающую внутреннюю полость матрицы кольцевую полость, в которой размещен кольцевой поршень, взаимодействующий со штампуемой заготовкой (патент на полезную модель №98954, МПК В21Д 22/00). В этом устройстве горение газовой смеси осуществляется в камере сгорания и в полости матрицы. Это позволяет нагреть листовую заготовку и осуществить процесс штамповки в горячем состоянии заготовки, что повышает ее пластичность.
Недостаток известного устройства заключаются в следующем. В процессе деформирования заготовки усилие деформирования, как правило, увеличивается. Поэтому для обеспечения необходимой величины усилия деформирования давление газа в камере сгорания в конце процесса штамповки должно иметь значительную величину. После завершение процесса штамповки этот газ, обладающий высокой температурой и большим давлением, выпускается в окружающую среду. Это существенно снижает экономичность устройства.
Технической задачей полезной модели является повышение экономичности устройства для листовой штамповки.
Технический результат полезной модели достигается тем, устройство для листовой штамповки взрывом газовых смесей содержит соосно установленные матрицу с внутренней полостью и камеру сгорания, снабженные средствами подачи и зажигания газовой смеси и выпуска продуктов сгорания, а также охватывающую внутреннюю полость матрицы кольцевую полость, в которой размещен кольцевой поршень, взаимодействующий со штампуемой заготовкой. Кроме того, устройство содержит рабочий цилиндр с поршнем, соединенный через обратный клапан с ресивером, причем камера сгорания сообщена при помощи перепускного клапана с рабочим цилиндром, а ресивер соединен при помощи управляющих клапанов с камерой сгорания и полостью матрицы.
Предлагаемое устройство схематично показано на рисунке. Устройство содержит соосно установленные камеру сгорания 1 и матрицу 2 с внутренней полостью 3, соединенные между собой при помощи болтов 4 и гаек 5. Камера сгорания 1 снабжена впускным клапаном 6, свечей зажигания 7, выпускным клапаном 8 и перепускным клапаном 9. Матрица 2 также снабжена впускным клапаном 10, свечей зажигания 11 и выпускным клапаном 12. На торце матрицы 2 выполнена кольцевая полость 12, в которой установлен кольцевой поршень 14. Устройство для штамповки содержит также рабочий цилиндр 15 с поршнем 16 и ресивер 17. Рабочий цилиндр 15 разделен поршнем 16 на две полости 18 и 19. Полость 19 сообщена с полостью ресивера 17 каналами 20, перекрываемыми обратным клапаном 21, а полость 19 соединена трубопроводом 22 с перепускным клапаном 9 камеры сгорания 1. Рабочий цилиндр 15 снабжен впускным клапаном 23 и выпускным клапаном 24. Ресивер 17 соединен трубопроводами с впускным клапаном 6 камеры сгорания 1 и впускным клапаном 10 матрицы 2. В этих трубопроводах установлены электропневматические клапаны 25, 26 и обратные клапаны 27, 28. В состав устройства для штамповки входят также воздушный компрессор 29 и баллон с горючим газом, например пропан-бутаном, который на рисунке не показан. Горючий газ от баллона поступает к впускным клапанам 6 и 10 через обратные клапаны 30 и 31. Штампуемая листовая заготовка 32 устанавливается между камерой сгорания 1 и матрицей 2. Прижим фланцевой части заготовки 32 осуществляется кольцевым поршнем 14 под действием давления жидкости или газа, подаваемой в кольцевую полость 13.
В качестве топливной смеси используется смесь горючего газа с воздухом. При использовании природного газа, состоящего преимущественно из метана, соотношение между горючим газом и воздухом составляет примерно 1:10, а при использовании пропан-бутана оно составляет 1:25-1:33 в зависимости от соотношения между пропаном и бутаном. Таким образом, львиную долю топливной смеси составляет воздух. Поэтому для образования топливной смеси требуется только высокое давление воздуха. Компрессор 28 имеет сравнительно небольшую мощность. Он осуществляет сжатие воздуха до 0.7…0.8 МПа и подает его в полость 18 рабочего цилиндра 15. Давление в ресивере 17 значительно больше, порядка 2.5…3.0 МПа.
Работа устройства для листовой штамповки осуществляется следующим образом. При закрытом положении выпускных клапанов 8, 12 и перепускного клапана 9 осуществляется наполнение горючем газом камеры сгорания 1 и полости 3 матрицы 2. В камеру сгорания 1 газ подается через обратный клапан 30 и впускной клапан 6, а в полость 3 -через обратный клапан 31 и впускной клапан 10. Затем открываются пневмоэлектрические клапаны 25 и 26. При этом сжатый воздух из ресивера 17 через клапаны 25, 27, 6 подается в камеры сгорания 1, а через клапаны 26, 28, 10 подается в полость 3 матрицы 2. В результате этого в камере сгорания 1 и полости 3 образуются топливные смеси одинакового давления. Затем при помощи свеч 7 и 11 топливные смеси поджигаются. В результате сгорания топливных смесей давление и температура в камере сгорания 1 и в полости 3 увеличиваются в 7…8 раз. Под воздействием продуктов сгорания заготовка 32 интенсивно нагревается. При достижении температуры заготовки 32 заданной величины открывается выпускной клапан 12, и газ выпускается из полости 3. При этом под действием давления газа, находящегося в камере сгорания 1, заготовка 32 деформируется и заполняет полость 3 матрицы 2 - осуществляется процесс штамповки.
После завершения процесса штамповки открывается перепускной клапан 9. При этом газ из камеры сгорания 1 через трубопровод 22 поступает в полость 19 рабочего цилиндра 15. Под действием давления газа поршень 16, перемещается и сжимает воздух, находящийся в полости 18. При достижении давлении в полости 18 давления в ресивере 17 поршень 16 вытесняет сжатый воздух через каналы 20 в ресивер 17. Затем открываются выпускные клапаны 8 и 24, и газ выпускается из камеры сгорания 1 и полости 19. При этом сжатый воздух от компрессора 29 через впускной клапан 23 поступает в полость 18, и поршень 16 возвращается в исходное положение. После этого из кольцевой полости 13 давление стравливается, и кольцевой поршень 14 освобождает зажим заготовки 32. Затем, отвинтив гайки 5, матрица 2 отсоединяется от камеры сгорания 1, и из нее извлекается отштампованное изделие. На торец камеры сгорания 1 устанавливается новая заготовка, после чего матрица 2 присоединяется к камере сгорания 1. Далее рабочий цикл устройства повторяется.
В предложенном устройстве потенциальная энергия продуктов сгорания используется значительно эффективнее, чем в известном устройстве. Давление сжатого воздуха, создаваемое компрессором, значительно меньше давления топливной смеси, образующегося в камере сгорания. Это существенно снижает расход энергии для обеспечения функционирования устройства. Расчет на основе известных уравнений термодинамики показывает, что, если объем полости 18 рабочего цилиндра в 3…3.5 раза превышает объем камеры сгорания, то давление продуктов сгорания после завершения процесса штамповки вполне достаточно для сжатия воздуха в полости 18 до 2.5…3.0 МПа и вытеснения его в ресивер. При таком давлении в ресивере давление топливной смеси в камере сгорания может достигать 2…2.4 МПа, что примерно в три раза превышает давление создаваемое компрессором. Благодаря этому расход энергии для осуществления процесса штамповки уменьшается примерно в 3 раза.