ШТАМП С ГОРИЗОНТАЛЬНЫМ РАЗЪЕМОМ МАТРИЦ ДЛЯ ШТАМПОВКИ ПОКОВОК ТИПА КРЕСТОВИН
A DIE WITH HORIZONTALLY PARTING FEMALE DIES FOR CROSS-PIECE FORGINGS

Изобретение относится к области обработки металлов давлением и может быть использовано при штамповке поковок сложной формы типа крестовин.
Известен штамп с горизонтальным разъемом матриц для штамповки поковок типа крестовин, содержащий верхнюю плиту с установленными на ней пуансоном и упругим элементом, выполненным в виде блоков пружин различной жесткости, промежуточную и нижнюю плиты, на которых смонтированы соответственно верхняя и нижняя матрицы, образующие замкнутую полость штампа путем сопряжения поверхностей разъема, а также опирающийся на траверсу выталкиватель, размещенный в нижней матрице. Зажим матриц упругим элементом, выполненным в виде блоков пружин различной жесткости, позволяет надежно сжать матрицы и тем самым повысить качество поковок (Соколов Н.Л. Горячая штамповка выдавливанием стальных деталей / Н.Л. Соколов. - М.: Машиностроение, 1967, с.141-143, рис.96).
Основным недостатком известного штампа с горизонтальным разъемом матриц для штамповки поковок типа крестовин является невысокое качество получаемых поковок, обусловленное образованием заусенца в плоскости разъема матриц, так как использование упругого элемента для зажима матриц не обеспечивает плотного их сжатия на протяжении всего процесса формирования поковки, поскольку усилие зажима матриц не согласовано с раскрывающими усилиями, воспринимаемыми матрицами со стороны деформируемого металла в процессе штамповки.
Известен штамп с горизонтальным разъемом матриц для штамповки поковок типа крестовин, содержащий верхнюю плиту с установленным на ней пуансоном, нижнюю плиту, на которой смонтирована нижняя матрица, траверсу, размещенную в нижней плите, верхнюю матрицу, связанную с траверсой тягами, имеющую равновеликие с нижней матрицей центральные и периферийные участки поверхностей разъема и возможность перемещения относительно нижней матрицы с образованием сопрягаемыми участками поверхностей разъема обеих матриц замкнутой полости штампа, а также выталкиватель, размещенный в нижней матрице и опирающийся через подпружиненный толкатель на траверсу. Зажим матриц, осуществляемый посредством усилия формирования поковки, снимаемого с выталкивателя в процессе штамповки с приложением его к верхней матрице в направлении действия пуансона, позволяет создать саморегулируемую замкнутую силовую систему, обеспечивающую надежное сжатие матриц (патент RU 2399456, МПК, B21K 1/76). Это техническое решение является наиболее близким по совокупности существенных признаков и выбрано в качестве прототипа.
Основным недостатком описанного штампа с горизонтальным разъемом матриц для штамповки поковок типа крестовин является то, что сжатие матриц осуществляют по всей площади их центральных и периферийных участков поверхностей разъема. Однако при наличии неизбежных после шлифования поверхностей разъема макронеровностей и волнистости (Гжиров Р.И. Краткий справочник конструктора / Р.И. Гжиров. - Л.: Машиностроение, Ленинградское отделение, 1983, с.124, 158, 160, 164), зажим матриц по всей площади их центральных и периферийных участков поверхностей разъема делает невозможным плотное сопряжение матриц по всему контуру поковки в плоскости разъема матриц. В результате локального выхода штампуемого металла в разъем матриц с образованием заусенца снижается качество поковок.
В основу изобретения поставлена задача повышения качества поковок типа крестовин.
Для решения поставленной задачи в штампе с горизонтальным разъемом матриц для штамповки поковок типа крестовин, содержащем верхнюю плиту с установленным на ней пуансоном, нижнюю плиту, на которой смонтирована нижняя матрица, траверсу, размещенную в нижней плите, верхнюю матрицу, связанную с траверсой тягами, имеющую равновеликие с нижней матрицей центральные и периферийные участки поверхностей разъема и возможность перемещения относительно нижней матрицы с образованием сопрягаемыми участками поверхностей разъема обеих матриц замкнутой полости штампа, а также выталкиватель, размещенный в нижней матрице и опирающийся через подпружиненный толкатель на траверсу, согласно изобретению периферийные участки поверхностей разъема нижней и верхней матриц выполнены с уклонами в тело матриц в стороны их боковых поверхностей, а площади сопрягаемых центральных участков поверхностей разъема нижней и верхней матриц определяются из соотношения:
<mrow><msub><mi>F</mi><mi>c</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>Р</mi><mi>з</mi></msub><mo>/</mo><msub><mi>σ</mi><mi>у</mi></msub><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
c
где F - площадь сопрягаемого центрального участка поверхности разъема матрицы;
з
P - усилие зажима матриц;
у
σ - предел упругости материала матриц.
Кроме того, в предложенном техническом решении тяги размещены в сквозных прямолинейных пазах, выполненных в противолежащих боковых стенках матриц параллельно оси симметрии штампа.
Зажим матриц на центральных участках, которые непосредственно примыкают к контуру поковки в плоскости разъема матриц, позволяет сосредоточить усилие зажима вблизи контура поковки. В результате пластического деформирования макронеровностей и волнистости на этих участках поверхностей обеспечивается плотное сопряжение поверхностей вблизи контура поковки в плоскости разъема, что исключает выход штампуемого металла в заусенец. А размещение тяг, связывающих верхнюю матрицу с траверсой, в сквозных пазах, выполненных в противолежащих боковых стенках матриц параллельно оси симметрии штампа, позволяет обеспечить более точное совмещение матриц и дополнительно повысить качество поковок.
Предложенное изобретение поясняется чертежом, где на фиг.1 показано исходное положение штампа, на фиг.2 - положение штампа в момент завершения штамповки, на фиг.3 - положение штампа в момент удаления поковки.
Штамп с горизонтальным разъемом матриц для штамповки поковок типа крестовин содержит верхнюю плиту (на чертеже не показана) с установленным на ней пуансоном 1, нижнюю плиту 2, на которой смонтирована нижняя матрица 3. Под нижней матрицей 3 в пазу 4 нижней плиты 2 размещена траверса 5, жестко связанная штангами 6 и 7 с верхней плитой. На траверсе 5 установлен толкатель 8, на боковых сторонах которого выполнены скосы 9 и 10, а внутри толкателя 8 установлена опорная пружина 11 (фиг.1).
Связанная с траверсой 5 тягами 12 и 13 верхняя матрица 14 имеет равновеликие с нижней матрицей 3 центральные 15 и 16 и периферийные 17 и 18 участки поверхностей разъема 19 и 20 соответственно матриц 14 и 3 и возможность совместно с нижней матрицей 3 создавать замкнутую полость 21 штампа 22 (фиг.2) путем сопряжения центральных участков 15 и 16 поверхностей разъема 19 и 20 матриц 14 и 3. В нижней матрице 3 размещен выталкиватель 23, опирающийся на толкатель 8 в исходном положении штампа 22 (фиг.1) и в момент удаления поковки 24 из нижней матрицы 3 (фиг.2 и 3) и на кулачки 25 и 26 тяг 12 и 13 в момент получения поковки 24 (фиг.2). На выталкивателе 23 в верхней матрице 14 в исходном положении штампа 22 установлена заготовка 27 (фиг.1).
Периферийные участки 17 и 18 поверхностей разъема 19 и 20 соответственно матриц 14 и 3 выполнены с уклонами 28 и 29, а центральные участки 15 и 16, примыкающие к контуру 30 поковки 24, совмещены с плоскостью разъема 31 матриц 14 и 3 (фиг.2).
В противолежащих боковых стенках 32 и 33 матрицы 3, 34 и 35 матрицы 14 выполнены сквозные прямолинейные пазы 36 и 37 параллельно оси 38 симметрии штампа 22 (фиг.2).
Штамп с горизонтальным разъемом матриц для штамповки поковок типа крестовин работает следующим образом.
В исходном положении штампа 22 нагретую до ковочной температуры заготовку 27 устанавливают в матрице 14 на выталкивателе 23. Затем верхнюю плиту (на чертеже не показана) и связанные с ней пуансон 1 и траверсу 5 перемещают вниз. При этом кулачки 25 и 26 тяг 12 и 13 скользят по скосам 9 и 10 толкателя 8 и сближаются, а опорная пружина 11, разжимаясь, удерживает выталкиватель 23 в верхнем положении (фиг.1). Под действием собственного веса верхняя матрица 14, опускаясь вниз, смыкается с нижней матрицей 3, создавая замкнутую полость 21 штампа 22, а кулачки 25 и 26 тяг 12 и 13 заходят под выталкиватель 23 (фиг.2).
Далее посредством пуансона 1 формируется поковка 24. С момента начала формирования поковки 24 часть усилия штамповки передается на выталкиватель 23, затем на кулачки 25 и 26 и посредством тяг 12 и 13 на верхнюю матрицу 14. При этом тяги 12 и 13, размещенные в пазах 36 и 37 с минимальным зазором, обеспечивают точное совмещение обеих матриц 3 и 14, а зажим матриц 3 и 14 на центральных участках 15 и 16, примыкающих к контуру 30 поковки 24, обеспечивает плотное сопряжение поверхностей разъема 19 и 20 матриц 14 и 3 вблизи контура 30 поковки 24 (фиг.2).
После формирования поковки 24 верхняя плита с пуансоном 1 и траверсой 5 перемещается вверх. Посредством скосов 9 и 10 толкателя 8 кулачки 25 и 26 тяг 12 и 13 разводятся и выходят из контакта с выталкивателем 23, который, перемещаясь вверх под действием толкателя 8, удаляет поковку 24 из нижней матрицы 3. К этому моменту траверса 5, воздействуя на кулачки 25 и 26, посредством тяг 12 и 13 поднимает верхнюю матрицу 14, образуя зазор между матрицами 3 и 14, меньший высоты заготовки 27 (фиг.3).
Для удержания поковки 24 в нижней матрице 3 после штамповки штамповочные уклоны в этой матрице выполняют меньшими, чем в верхней матрице 14.
c
к
0
0
3
3
Пример. Отштампована опытная партия поковок 24 крестовины из стали 18X2H4BA. Диаметр ступицы D=42 мм; высота поковки 24 H=26 мм; диаметр отростка d=21 мм; длина отростка l=24 мм; диаметр заготовки 27 D=40 мм; высота заготовки 27 H=64 мм. Температура штамповки T=1100°C.
Расчет параметров процесса штамповки осуществляют в следующем порядке.
1. Определяют усилие закрытой штамповки поковки 24 типа крестовины по формуле
1
1
где r - радиус закругления в верхней матрице 14, r=1 мм;
2
2
r - радиус закругления в нижней матрице 3, r=1 мм;
d - диаметр поковки, мм;
в
σ - предел прочности стали при температуре окончания штамповки;
в
σ=56 МПа для стали 18Х2Н4 ВА при температуре 1000°C;
n
2
F - площадь проекции поковки 24 в плане, мм.
(Ковка и штамповка: справочник: в 4 т. Т.2. Горячая штамповка / Ред. совет Е.И. Семенов и др. - М.: Машиностроение, 1986, с.202).
Удельное усилие p=288,4 МПа.
Для уточнения величину удельного усилия р при деформировании стали 18X2H4BA в зависимости от степени деформации и температуры выбирают по графику на рис.5.25 (Атрошенко А.П. Горячая штамповка труднодеформируемых материалов / А.П. Атрошенко, В.И. Федоров. - Л.: Машиностроение, 1979, с.174).
Степень деформации ε находят по формуле
<mrow><mi>ε</mi><mo>=</mo><mi>ln</mi><mfrac><mi>F</mi><mi>f</mi></mfrac><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>3</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
2
где F - площадь поперечного сечения заготовки 27, мм;
2
f - площадь поперечного сечения отростка крестовины, мм;
<mrow><mi>F</mi><mo>=</mo><mfrac><mi>π</mi><mn>4</mn></mfrac><msubsup><mi>D</mi><mn>3</mn><mn>2</mn></msubsup><mo>=</mo><mfrac><mi>π</mi><mn>4</mn></mfrac><mo>∗</mo><msup><mrow><mn>40</mn></mrow><mn>2</mn></msup><mo>=</mo><mn>1256</mn><msup><mrow><mtext>  мм</mtext></mrow><mtext>2</mtext></msup></mrow>
;
<mrow><mi>f</mi><mo>=</mo><mfrac><mi>π</mi><mn>4</mn></mfrac><msubsup><mi>d</mi><mn>0</mn><mn>2</mn></msubsup><mo>=</mo><mfrac><mi>π</mi><mn>4</mn></mfrac><mo>∗</mo><msup><mrow><mn>21</mn></mrow><mn>2</mn></msup><mo>=</mo><mn>346,2</mn><msup><mrow><mtext>  мм</mtext></mrow><mtext>2</mtext></msup></mrow>
;
<mrow><mi>ε</mi><mo>=</mo><mi>ln</mi><mfrac><mrow><mn>1256</mn></mrow><mrow><mn>346,2</mn></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>1.28</mn></mrow>
.
По графику находят p=360 МПа, что превышает удельное усилие, полученное расчетом. Выбирают большее значение, равное p=360 МПа.
Тогда усилие штамповки
P=p Fn=360*3401=1224360 H=1224 кH.
Выбирают горячештамповочный пресс модели КБ 0034B усилием 2500 кH.
2. Определяют максимальное усилие зажима матриц 14 и 3 по усилию, приходящемуся на выталкиватель 23 в момент окончания штамповки:
<mrow><msub><mi>Р</mi><mi>з</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>Р</mi><mi>в</mi></msub><mo>=</mo><mi>p</mi><mo>⋅</mo><msub><mi>f</mi><mi>в</mi></msub><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>4</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
з
где P - усилие зажима матриц 14 и 3, кН;
в
P - усилие на выталкивателе 23, кН.
в
2
f - площадь торца выталкивателя 23, равная площади торца ступицы поковки 24, мм.
<mrow><msub><mi>P</mi><mi>з</mi></msub><mo>=</mo><mn>360</mn><mo>⋅</mo><mfrac><mi>π</mi><mn>4</mn></mfrac><mo>⋅</mo><msup><mrow><mn>42</mn></mrow><mn>2</mn></msup><mo>=</mo><mn>500</mn><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mi>к</mi><mi>H</mi><mo>,</mo></mrow>
что не превышает 50% усилия штамповки P=1224 кН (Соколов Н.Л. Горячая штамповка выдавливанием стальных деталей / Н.Л. Соколов. - М.: Машиностроение, 1967, с.62).
3. Определяют площадь сопряженной поверхности матриц 14 и 3 по формуле (1).
y
0,2
В качестве материала матриц 14 и 3 выбирают сталь марки 4Х4ВМФС; предел упругости стали принимают равным пределу текучести этой стали, т.е. σ≈σ=1080 МПа при температуре нагрева матриц 14 и 3 в процессе штамповки до 600°C (см. книгу Геллер Ю.А. Инструментальные стали. / Ю.А. Геллер. - М.: Металлургия, 1983, с.439).
с
з
у
6
2
2
F=P/σ=(0,5/1080)·10, мм=463 мм.
Поскольку наличие макронеровностей и волнистости поверхностей матриц 14 и 3 после шлифования уменьшают фактическую площадь контакта в 5-10 раз (см. книгу Гжиров Р.И. Краткий справочник конструктора / Р.И. Гжиров. - Л.: Машиностроение, Ленинградское отделение, 1983, с.160), то площадь фактического зажима матриц 14 и 3 увеличивается в 8 раз. Тогда
сф
с
2
F=8·F=8·463=2904 мм.
Форму площади зажима матриц 14 и 3 принимают в виде полосы центрального участка 15 или 16 поверхностей разъема 19 или 20, примыкающих к контуру поковки 24 в плоскости разъема 31 матриц 14 и 3, т.е.
<mrow><msub><mi>F</mi><mrow><mi>с</mi><mi>ф</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>в</mi><mrow><mi>п</mi><mi>о</mi><mi>л</mi></mrow></msub><mo>⋅</mo><msub><mi>ℓ</mi><mrow><mi>п</mi><mi>е</mi><mi>р</mi></mrow></msub><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>5</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
пол
где в - ширина полосы центрального участка 15 или 16 поверхностей разъема 19 и 20 матриц 14 и 3, мм;
пер
ℓ - длина периметра контура поковки 24 в плоскости разъема 31 матриц 14 и 3, равная 342 мм.
Отсюда
пол
сф
пер
в=F/ℓ=2904/342=8,5 мм.
пол
Принимают в=10 мм.
4. Определяют площадь поперечного сечения тяг 12 и 13, передающих усилие на верхнюю матрицу 14
т
в
P=P/2=500/2=250 кН,
т
где P - усилие, приходящееся на одну тягу.
р
Рабочее напряжение σ в тяге
<mrow><msub><mi>σ</mi><mi>р</mi></msub><mo>=</mo><msub><mi>P</mi><mi>т</mi></msub><mo>/</mo><msub><mi>S</mi><mi>т</mi></msub><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mn>6</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
т
где S=а·в - площадь поперечного сечения тяги. Здесь а - толщина сечения тяги, мм; в - ширина сечения тяги, мм.
р
m
Чтобы исключить остаточную деформацию, принимают σ=0,5σ,
m
где σ - предел текучести материала тяги.
m
В качестве материала тяги принимают сталь 30ХГСА, σ=850 МПа.
c
Поскольку ширина В паза 4 в нижней плите штампа 22 должна быть больше диаметра выталкивателя 23, равного диаметру ступицы D поковки 24 на величину зазора, то
c
B=D+Z,
где Z=3 мм - зазор между боковой поверхностью выталкивателя 23 и стенками паза 4;
B=42+3=45 мм.
Принимают ширину сечения тяги в=40 мм, тогда толщина сечения тяги будет равна
.
Принимают а=20 мм.
5. Рассчитывают ход верхней матрицы
вм
с
м
h=H+Z,
м
где Z=10 мм - принятый зазор между верхним торцом поковки 24 и поверхностью разъема 19 верхней матрицы 14, необходимый для удобства удаления поковки 24;
вм
h=26+10=36 мм,
3
что вдвое меньше высоты заготовки 27, равной H=64 мм, размещаемой на торце выталкивателя 23 в верхней матрице 14.
в
6. Рассчитывают ход выталкивателя 23 (h), равный
<mrow><msub><mi>h</mi><mi>в</mi></msub><mo>=</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>H</mi><mi>с</mi></msub><mo>/</mo><mn>2</mn></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><msub><mi>Z</mi><mi>в</mi></msub><mo>,</mo><mtext>   (7)</mtext></mrow>
в
где Z=4 мм - принятый зазор между опорой выталкивателя 23 и нижней поверхностью нижней матрицы 3;
в
h=(26/2)+4=17 мм.
Полученные предложенным способом поковки 24 не имели следов заусенцев по плоскости разъема 31 матриц 14 и 3.
Таким образом, предложенное изобретение существенно повышает качество поковок типа крестовин, так как обеспечивает плотный зажим матриц по контуру поковки в результате пластического деформирования макронеровностей и волнистости, неизбежных после шлифования контактных поверхностей матриц, а использование тяг зажима матриц в качестве направляющих обеспечивает более точное совмещение матриц и дополнительно повышает качество поковок.